中高海拔地区污水厂曝气池经济水深的选择与研究

张 勇

（北控水务（中国）投资有限公司，北京 100102）

鼓风机是污水处理厂曝气池供氧的主要设备之一，其电耗约占全厂电耗的15%～40%，所以风机选型的经济性对全厂的能耗影响较大［1］。 污水处理厂鼓风机选型时， 厂家产品样本上给出的均是在标准进气状态下的性能参数， 我国规定的风机标准进气状态为： 压力p0=101.3kPa， 温度t0=20℃， 相对湿度φ=50%，空气密度ρ=1.2kg/m3。 而风机所在的工作环境大多数不是标准状态，所以其选型需要校正。

本文通过研究海拔对风机选型的影响， 进而提出曝气池经济水深选择的建议。 在相同的设计水深情况下，随着海拔的增加，鼓风机的风量和风压会大幅度增大，风机的能耗将大大增加；在同一海拔下，随着曝气池有效水深的增加氧转移率EA增加，因此，水深增加会减少鼓风机曝气风量， 但会增加鼓风机风压，两个因素对于鼓风机能耗的变化呈相反作用，选择合理的曝气池水深将会对中高海拔地区污水厂能耗的经济性影响很大［1］。

1 水深对氧利用效率EA的影响

氧利用效率EA与水质、水温、气泡大小、接触时间、液相浓度梯度、水流紊流程度、氧分压及水深等多种因素有关，本文仅分析水深变化时EA的变化，进而影响鼓风机的选型。

俞庭康等［2］研究了某公司生产的橡胶膜曝气器在水深4～8m时的充氧性能测试表明， 氧利用效率EA随着水深的增加而提高， 俞庭康等研究的氧利用效率EA值与水深关系的实验结果如表1。

表1 不同水深的氧利用效率实验值

冯俊生等［3］“鼓风曝气充氧性能与曝气器水深关系” 的研究提出，氧利用效率EA与水深的关系为：

根据冯俊生等［3］提出的“氧利用效率EA与水深的关系”， 以俞庭康等实验测得4m水深的氧利用效率EA=35.8%，当β值取0.9时，推算5～12m的氧利用效率EA值统计如表2。

表2 不同水深的氧利用效率计算值

上海某曝气器厂家生产的直径为270mm的盘式橡胶膜曝气器，单个曝气器曝气量3m3/h时的不同水深氧利用效率EA如表3。

表3 上海某厂家盘式橡胶膜曝气器在不同水深氧利用效率

不同的测试条件及推理方法得出的氧利用效率略有差别， 氧利用效率的不同会影响鼓风机的风量及其选型，本文以表3“上海某厂家盘式橡胶膜曝气器在不同水深的氧利用效率”作为计算依据。

2 海拔对风机选型的影响分析

2.1 风量影响

曝气池实际需氧量=去除含碳污染物的需氧量-剩余污泥的氧当量+氧化氨氮的需氧量-反硝化回收的氧量。 通过上述公式计算出的需氧量为实际工况条件下的需氧量， 风机选型时还需换算成标准状况下的需氧量。对于鼓风曝气，标准需氧量与实际需氧量的关系为：

式中 SOR为标准状况下， 转移到曝气池的总氧量（kg/h）；AOR为实际状况下， 转移到曝气池的总氧量（kg/h）；Cs（20）为标准状况下，清水中饱和溶解氧，等于9.17mg/L；Csb（T）为曝气池内混合液溶解氧饱和度的平均值（mg/L）；α为混合液中KLa值与清水中KLa值的比，即：污水中杂质对氧总转移系数KLa的影响修正系数，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值之比，即：饱和溶解氧受水质中盐类影响修正系数，一般为0.9～0.97；ρ为饱和溶解氧受氧分压或气压的影响修正系数，ρ=所在地区实际气压（绝对压力，Pa）/（1.013×105Pa）；C为混合液剩余溶解氧值，一般为2mg/L；T为混合液温度，即设计水温。

式中，ρ受当地大气压影响，即随着海拔增加，所在地区实际大气压力降低，ρ减小导致标准需氧量SOR增加。

鼓风机供气量与标准需氧量的关系为：

式中 GS为鼓风机供气量（m3/h）；EA为氧利用效率。

式中，曝气器水深、类型、曝气器密度等安装条件不变的情况下， 鼓风机供气量GS与标准需氧量成正比。结合式（2）的结论，随着海拔不断增加，鼓风机供气量增加；如果曝气器安装深度增加，根据表1和表2的结论，氧利用率EA增加，鼓风机供气量GS减少；因此在一定海拔情况下， 增加曝气器安装深度可以减少鼓风机供气量。

2.2 风压的影响

参考袁泉［1］对“污水厂离心鼓风机选型中风量和风压的计算”的研究，对于离心风机，标准状况下风机压力和工况下风机压力之间的关系，并对其化简如下：

式中 ΔP0为风机在标准状态下的升压；ΔPS为风机在工况状态下所需的升压；P0为标准状态下的大气压；PS为工况状态下的大气压。

式（4）表明，标准状况下鼓风机的风压与工况状态下的大气压呈反比，即：随着海拔的升高，工况大气压降低，标准状况下鼓风机的风压变大，最终导致鼓风机选型的风压变大。

3 海拔对鼓风机能效的影响

3.1 海拔对鼓风机功率的影响

本研究只计算鼓风机有效功率，其计算公式为：

式中 N为鼓风机有效功率；Q为鼓风机的流量（m3/h）；H为鼓风机的风压（m）；ρ为空气密度，20℃时空气密度为1.205kg/m3。

根据上述海拔对鼓风机风量及风压的分析，海拔的提高，对鼓风机风量及风压都会增加，进而导致鼓风机的功率增大。而海拔一定的条件下，增大曝气池有效水深将降低鼓风机风量，降低鼓风机功率，但提高曝气池有效水深会增加鼓风机压力， 提高鼓风机功率，两者起相反作用。

3.2 不同海拔及水深下的鼓风机动力效率分析

鼓风机的动力效率（kgO2/kW·h）=溶解的氧气质量（kgO2）/消耗的电量（kW·h）；在下列假定条件下：鼓风机管路（含曝气器）上的局部及沿程水头损失按照1.2mH2O计，设计水温按25℃，计算在海拔0，1000，1500，2000，2500，3000，3500，4000m情况下， 水深从1.5～9.0m的理论动力效率如表4。

表4 不同海拔及水深下的鼓风机理论动力效率

不同海拔及水深下的鼓风机理论动力效率变化情况如图1。

图1 不同海拔及水深下的鼓风机理论动力效率变化规律

根据表4计算结果及图1曲线变化规律可知：相同海拔时，随着曝气器安装深度的增加，鼓风机的理论动力效率先增大后降低，在水深4.6～7.6m时，鼓风机的理论动力效率位于高效区， 建议设计水深选择在此区间范围；水深大于9m或小于4.6m时，其理论动力效率较低，应避开选择。 在相同水深时，海拔的增加会降低鼓风机理论动力效率。

海拔超过3000m时，由于高海拔导致鼓风机风压增加，水深超过7m时，所需鼓风机风压接近常用离心类风机的工作极限，常用的离心类风机选型困难，建议在4.6～7.6m区间内选择较低水深或选择其他类型风机。

4 结语

（1）水深的增加会增大氧利用效率EA值。

（2）海拔的增加会使鼓风机曝气量和风压的同步增加， 鼓风机标准状况下的风压与工况下的大气压呈反比。

（3）4.6～7.6m水深时鼓风机的理论动力效率位于高效区，建议设计水深选择在此区间范围；水深大于9m或小于4.6m时，其理论动力效率较低，应避开选择。

（4）海拔超过3000m时，由于高海拔导致鼓风机风压增加，水深超过7m时，所需鼓风机风压接近常用离心类风机的工作极限， 常用的离心类风机选型困难， 建议在4.6～7.6m区间内选择较低水深或选择其他类型风机。

（5）在相同水深时，海拔的增加会降低鼓风机理论动力效率。