高海拔城市污水处理厂表曝机供气量计算

刘奕

（中国瑞林工程技术有限公司,江西南昌 330031）

高海拔城市污水处理厂表曝机供气量计算

刘奕

（中国瑞林工程技术有限公司,江西南昌 330031）

高海拔地区气温和气压较低、水中饱和溶解氧浓度低、空气中氧含量低,在污水处理厂供气量计算上存在一定的特殊性。本文结合国外某高海拔城市污水处理厂氧化沟工艺的设计实践,对高海拔地区表曝机供气量的计算方法进行了总结,提出了计算要点和需要注意的问题。

高海拔地区；氧化沟；表曝机；氧转移速率；供气量计算

现行的给排水设计手册和设计规范对污水处理厂曝气装置的氧转移速率和供气量计算给出了常规的计算方法和公式,对污水处理厂的设计起着指导性的作用。但在实际工程中,尤其在高海拔地区污水处理厂供气量的计算过程中,原有公式对供气量计算的主要影响因素（温度和气压）的影响阐述不是十分详尽,适用条件也不够清晰,实际应用中可能产生计算结果与实际需要不符,导致污水处理厂运行时出现曝气装置能力过大或供气不足的情况发生,本文结合国外某高海拔城市污水处理厂氧化沟工艺的设计实践,针对高海拔地区机械曝气供气量的计算方法进行详细的分析和总结。

1　氧化沟及表曝机的工作原理

活性污泥法是目前城市污水处理厂应用最为广泛的一种污水好氧生物处理技术。氧化沟作为一种活性污泥处理系统是通过曝气装置向水中供气,以达到供氧目的,提高水中溶解氧（DO）的浓度,从而使污水中的活性污泥（微生物）与空气充分混合；活性污泥通过吸收污水中的氧及有机污染物维持活性并世代繁衍,最终达到降低水中污染物浓度的目的,满足出水指标要求。氧化沟池体呈封闭的沟渠型,在水力流态上不同于传统的活性污泥法,它是一种首尾相连的循环流曝气沟渠,又称循环曝气池。

表曝机是应用于氧化沟工艺的主要曝气设备,对氧化沟的处理效率、能耗及处理稳定性有关键性的影响,其作用主要表现在4个方面：向水中供氧；推进水流前进,使水流在池内作循环流动；保证沟内活性污泥处于悬浮状态；使氧、有机物、微生物充分混合。其曝气原理为：1）水跃。曝气机转动时,表面的混合液不断地从周边被抛向四周,形成水跃,液面被强烈搅动而卷入空气；2）提升。曝气机具有提升作用,使混合液连续地上下循环流动,不断更新气液接触界面,强化气、液接触；3）负压吸气。曝气机的转动使液体在一定部位形成负压区而吸入空气。

常规的氧化沟曝气设备有横轴曝气装置及竖轴曝气装置。横轴曝气装置包括转刷和转碟曝气机,通过刷片或碟片的旋转冲击水体,推动水体作水平层流,提供足够的循环水流速度,同时进行充氧。竖轴曝气装置包括倒伞型叶轮、泵型叶轮和K型叶轮曝气机,具有曝气、搅拌、推流三合一功能。

2　氧转移速率的换算

对于曝气装置的充氧能力,目前广泛采用的测定方法是在清水中,用亚硫酸钠和氧化钴消氧,然后用拟定的曝气装置充氧,求出该装置的氧总转移系数KLa值和氧转移速率值[1]。此氧转移速率值(kgO2/h)是在1个标准大气压、水温20℃,起始溶解氧DO值为零的清水中得出的,称为标准氧转移速率(Standard Oxygen Rate),简称SOR。而在实际应用中,充氧的介质不是清水而是污水混合液；大气压和水温均为实际值；稳定的溶液氧DO值不是零,而是一般维持在2 mg/L左右。混合液的饱和溶解氧值、曝气装置在混合液中的KLa值均与在清水中不同,需要乘以修正系数。此修正值称为实际氧转移速率（Actual Oxygen Rate）,简称AOR。设备厂家提供的表曝机充氧能力值一般为标准氧转移速率,而在设计中计算出的需氧量是实际情况下需要的充氧量,为了选择合适的表曝机,需要把实际计算的污水需氧量换算为标准状态下的清水需氧量。以N0代表SOR,N代表AOR,二者的换算公式[1]如下：

式中：α为混合液中KLaw值与清水中的KLa值之比,即KLaw/KLa,一般为0.8～0.85；β为混合液的饱和溶解氧值与清水的饱和溶解氧之比,一般为0.9～0.97；CSW为清水表面处的饱和溶解氧（mg/L）,温度为T,实际计算压力Pa；C0为混合液剩余DO值,一般为2 mg/L；Cs为标准条件下清水中饱和溶解氧,等于9.17 mg/L；T为混合液温度,一般为5～30℃；1.024为温度修正系数。

3　高海拔地区供气量计算要点

高海拔地区通常气温和气压较低、水中饱和溶解氧浓度低、空气中氧含量低,在供气量计算中一定要注意这些因素对氧总转移系数及水的饱和溶解氧浓度的影响关系。

3.1水温

水温升高,液体的粘滞度降低,有利于氧分子的转移,氧总转移系数KLa值将提高；水温降低则相反。温度对KLa值的影响以下式表示[2]：

式中:KLa（T）和KLa（20）为分别为水温T℃和20℃时的氧总转移系数；T为设计水温,℃。

另一方面,水温升高,气体会从水中逸出,水的饱和溶解氧浓度Cs值下降。反之水温下降,饱和溶解氧浓度Cs值升高。标准大气压下,空气中氧气在水体中的饱和溶解氧浓度随水温的变化关系式[3]为：

式中:Cs（760，T）为清水在标准大气压条件下,温度T℃时的Cs值,mg/L；T为设计水温,℃。

表1列出了不同温度时蒸馏水（清水）中的饱和溶解氧浓度。

表1　不同水温下水体中饱和溶解氧浓度[4]

由上述关系可以看出,水温升高时氧总转移系数KLa值将提高,氧的转移速率加快,标准供氧量SOR减少；与此同时水中的饱和溶解氧浓度Cs值下降,氧的转移量减少,标准供氧量SOR却增加。为保证各季节污水中供氧量的充足,最终确定的标准供氧量应以实际计算的最大值为准。一般情况下,当维持混合液剩余溶解氧DO值为2 mg/L时,水温越高标准供氧量SOR越大,在设计时应按最高水温计算并选择曝气设备。

3.2气压

气压对水中饱和溶解氧浓度的影响很大,气压升高则水中饱和溶解氧浓度Cs值提高,有利于氧向水中转移,气压降低则相反。Cs值与压力P之间的关系可用下式表示：

式中:CSW（P，T）为清水在大气压力 Pa,温度T℃时的Cs值,mg/L；Cs（760,T）为清水在标准大气压条件下,温度T℃时的Cs值,mg/L；θ为压力修正系数；Pa为所在地区的大气压力,105Pa；T为设计水温,℃。

大气压力一般应采用当地实测值,在缺乏实测资料时,可根据海拔高度和气温推算当地的大气压,公式如下：

式中:Pa为所在地区的大气压力,105Pa；g为重力加速度,m/s2；M为空气分子量,取28.95；R为气体常数,取8.314 J/(K·mol)；T为空气温度,℃。

3.3空气中的氧含量

一般情况下,将工艺计算的实际氧转移速率AOR代入公式(1)换算成标准条件下的氧转移速率SOR,就可以选择表曝设备了,但是在高海拔地区还需要考虑空气中氧含量的影响因素,这在给排水设计手册和规范中没有提到,实际计算中容易被忽略。因为曝气装置的充氧能力是在1个标准大气压、水温20℃的条件下测得的,此时的空气密度约为1.22 kg/m3(气温按20℃计),每立方米空气中含氧比例为21%,即空气中含氧量为0.256 kg/m3；而在高海拔地区,由于当地大气压值与标准大气压值相差较大,致使空气密度小于低海拔地区的空气密度,虽然每立方米空气中含氧比例仍为21%,但实际每立方米空气中含氧重量比低海拔地区的含氧量小。在没有实测资料的情况下,空气密度可采用理想气体方程推算：

式中:ρ为空气密度,kg/m3；Pa为所在地区的大气压力,105Pa；M为空气分子量,取28.95；R为气体常数,取0.082 L·atm/(K·mol)；T为空气温度,℃。

从公式可以看出空气密度（氧密度）与大气压力成正比,与空气的绝对温度成反比,其中大气压力对氧含量的影响较大。相同温度下,海拔3 000 m处的氧含量仅为海拔0 m处氧含量的69%,这对曝气设备选型的影响是非常大的。设计中应该将公式(1)换算的标准氧转移速率值SOR除以项目所在地的空气含氧量与曝气装置测试条件下的空气含氧量的比值δ,才能确定最终所需的标准充氧量,选择合适的表曝机,否则实际运行时可能出现供氧量不足的情况,影响污水处理效果。

4　工程计算实例

下面以国外某高海拔城市污水处理厂为例,进行氧化沟工艺的供气量计算。该项目城区海拔2 200～2 600 m,污水厂选址处海拔2 240 m,年平均气温10.5～22.8℃,最高月平均高温24.8℃,计算气温25℃,曝气计算水温20℃。根据污水量和进出水水质,经德国ATV规范计算后最大时实际需氧量（即AOR）为1 180 kgO2/h,标准充氧量SOR的计算步骤如下(无气压、含氧量等实测资料)：1)根据厂址海拔高度,按公式(5)计算出当地的大气压为0.78×105Pa；2）根据当地大气压和计算水温,按公式(3)和公式(4)可计算出清水表面处的饱和溶解氧CSW值为7.06 mg/L；3)根据AOR值1 180 kgO2/h,按公式(1),α值取0.8,β值取0.9,可以计算出标准氧转移速率SOR值为3 107 kgO2/h。4)根据计算气温和当地大气压,按公式(6)可计算出当地空气密度为0.924 kg/m3,除以曝气装置测试条件下的空气密度1.22 kg/m3,可得出当地空气含氧量仅占测试条件下空气含氧量的75.7%。5)将步骤3计算的标准氧转移速率SOR值3 107 kgO2/h,除以氧含量比值75.7%,可以得出最终的标准充氧量4 104 kgO2/h,再根据氧化沟的分组数和表曝机台数确定表曝机的性能参数。

如果在低海拔地区,按海拔0 m计算,其它设计参数与本项目相同,计算得出的最终标准充氧量为2 200 kgO2/h,两者对比可以看出海拔高度对供气量计算和表曝机选型的影响非常大,在设计中应予以充分重视。

5　结语

从本文的理论分析和计算实例可以看出,高海拔地区由于气温、气压和空气含氧量等原因,污水厂供气量与低海拔地区存在较大差异。为了得到合理的计算结果,在实际供气量计算之前应尽量收集各种基础数据,主要包括当地海拔高程、气温和大气压实测资料、空气中含氧量实测资料和各季节进厂污水温度监测资料等。如无法收集实测资料,也可以采用本文列举的理论公式进行推算。

[1]北京市政工程设计研究总院.给排水设计手册：城镇排水[M].2版.北京：中国建筑工业出版社,2004.

[2]北京水环境技术与设备研究中心，北京市环境保护科学研究院，国家城市环境污染控制工程技术研究中心.三废处理工程技术手册：废水卷[M].2版.北京：化学工业出版社,2000.

[3]崔健.高原地区污水处理厂供气量计算探讨[J].给水排水,2012,38（2）：41-45.

[4]张朝能.水体中饱和溶解氧的求算方法探讨[J].环境科学研究, 1999,12（2）：54-55.

Calculation on Air Supply Quantity of Surface Aerator for Sewage Treatment Plant of High-altitude City

LIU Yi
(China Nerin Engineering Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330031,China)

Due to low air temperature and air pressure,low concentration of saturated dissolved oxygen in water and low oxygen content in air,calculation on air supply quantity of sewage treatment plant has a certain particularity in high-altitude area.In combination with design practice of oxidation ditch process in sewage treatment plant of a high-altitude city,the paper summarizes calculation method of air supply quantity of surface aerator in high-altitude area and puts forward calculation points and some problems needs to be paid.

high-altitude area;oxidation ditch;surface aerator;oxygen transfer rate;calculation on air supply quantity

X703.1

B

1004－4345（2015）04－0062-03

2014-08-01

刘奕（1979—）男,高级工程师,主要从事给排水工程设计工作。