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曝氣池的設(shè)計(jì)計(jì)算與曝氣設(shè)備的選擇
生化處理中一般采用活性污泥法，其主要的工藝流程包括：預(yù)處理>初次沉淀>混合>曝氣>二次沉淀，曝氣是活性污泥法處理廢水的重要環(huán)節(jié)，曝氣在曝氣池中完成。因此曝氣池的設(shè)計(jì)在整個(gè)生化處理工藝設(shè)計(jì)中也就占到十分重要的地位。
按照曝氣的方式不同，曝氣池的分類也各不相同，一般情況下，我們可以分為推流式曝氣池和完全混合型曝氣池兩種，各種不同的曝氣方式設(shè)計(jì)的參數(shù)也是不相同的，這主要是根據(jù)實(shí)際條件來進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。曝氣設(shè)備的選擇則是經(jīng)濟(jì)效益和運(yùn)行成本控制的關(guān)鍵。
曝氣池的設(shè)計(jì)計(jì)算主要包括：①曝氣池容積的計(jì)算；②池體設(shè)計(jì)；③需氧量和供氧量的計(jì)算。
1、有機(jī)負(fù)荷計(jì)算法
計(jì)算曝氣區(qū)容積，常用的是有機(jī)負(fù)荷計(jì)算法。負(fù)荷有兩種表示方法，即污泥負(fù)荷和容積負(fù)荷。一般采用污泥負(fù)荷，計(jì)算過程如下：
（1）確定污泥負(fù)荷
污泥負(fù)荷一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值確定，可以參照有關(guān)成熟經(jīng)驗(yàn)中的數(shù)值。
表1：部分活性污泥工藝參數(shù)和特點(diǎn)
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工藝類型 |
污泥齡/d |
污泥負(fù)荷kgBOD5/kgMLSS |
容積負(fù)荷kgBOD5/m3.d |
MLSSmg/L |
水力停留時(shí)間/h |
回流比 |
BOD5去除率/% |
備注 |
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傳統(tǒng)活性污泥法 |
5--15 |
0.2—0.4 |
0.3—0.8 |
1500--3000 |
4--8 |
0.25—0.75 |
85--95 |
用于低濃度生活污水、易受沖擊負(fù)荷的影響 |
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完全混合法 |
5--15 |
0.2—0.6 |
0.6—2.4 |
2500--4000 |
3--5 |
0.25—1.0 |
85--95 |
可用于一般污水，耐沖擊負(fù)荷；易發(fā)生絲狀菌膨脹 |
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階段進(jìn)水 |
5--15 |
0.2—0.4 |
0.4—1.4 |
2000--3500 |
3--5 |
0.25—0.75 |
85—95 |
應(yīng)用范圍廣泛 |
|
改良曝氣 |
0.2—0.5 |
1.5—5.0 |
0.2—2.4 |
200--1000 |
1.5--3 |
0.05—0.25 |
60--75 |
用于中等濃度的污水，出水中可能含有細(xì)胞組織 |
|
接觸穩(wěn)定 |
5--15 |
0.2—0.6 |
0.9—1.2 |
（1000—3000）注（4000—10000）釋 |
（0.5—1.0）（3—6） |
0.5—1.5 |
80--90 |
用于現(xiàn)有處理系統(tǒng)的改擴(kuò)建和小型處理廠 |
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延時(shí)曝氣 |
20--30 |
0.05—0.15 |
0.15—0.25 |
3000--6000 |
18—36 |
0.5—1.5 |
75--95 |
工藝靈活，適用于小城鎮(zhèn)、小型處理廠和需要消化的場合 |
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高負(fù)荷法 |
5--10 |
0.4—1.5 |
1.6--16 |
4000-10000 |
2--4 |
1.0—5.0 |
75--90 |
適用于用渦輪曝氣機(jī)供氧且控制絮體大小的一般污水處理廠 |
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純氧曝氣 |
3--10 |
0.25—1.0 |
1.6--.3.2 |
2000--5000 |
1--3 |
0.25—0.5 |
85--95 |
適用于高濃度廢水且可用空間狹窄的地方，能抵抗沖擊負(fù)荷 |
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氧化溝 |
10--30 |
0.05—0.30 |
0.1—0.2 |
3000--6000 |
8--36 |
0.75—1.5 |
75--95 |
適用于小城鎮(zhèn)，有大片可用土地，供氧靈活 |
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SBR |
/ |
0.05—0.3 |
0.1—0.24 |
1500—5000.備注 |
12--50 |
/ |
85--95 |
適用于小城鎮(zhèn)，可用土地較小的地方，供氧靈活 |
|
深井曝氣 |
/ |
0.5—5.0 |
/ |
/ |
0.5--5 |
/ |
85--95 |
適用于一般的高濃度廢水，該工藝可抵抗沖擊負(fù)荷 |
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合并硝化工藝 |
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0.10—0.25（0.02—0.20）解 |
0.1—0.32 |
2000-2500 |
6--15 |
0.5—1.5 |
85--95 |
常用的生物脫氮工藝 |
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單獨(dú)硝化工藝 |
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0.05—0.20（0.04—0.15） |
0.05—0.16 |
2000--3500 |
3--6 |
0.50—2.00 |
85--95 |
適用于現(xiàn)有處理系統(tǒng)的升級及氮的排放標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格的地方 |
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注：接觸池 釋：污泥穩(wěn)定池 解：TKN/MLVSS 備注：MLVSS/m變化決定于運(yùn)行周期 |
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（2）確定所需要微生物的量
微生物的量（XV）是由所要處理的有機(jī)物的總量和單位微生物在單位時(shí)間內(nèi)處理有機(jī)物的能力（即污泥負(fù)荷）決定的。
根據(jù)污泥負(fù)荷的定義：Ns=Q（SO-Se）/（XV）,可得公式如下：
（XV）= Q（SO-Se）/ Ns
式中：
V——曝氣池容積，m3
Q——進(jìn)水設(shè)計(jì)流量，m3/d
SO——進(jìn)水的BOD5濃度， mg/L
Se——出水的BOD5濃度， mg/L
X——混合液揮發(fā)性懸浮固體，（MLVSS）濃度 mg/L
Ns——污泥負(fù)荷，kgBOD5/（kgMLVSS.d）.
(3)計(jì)算曝氣池的有效池容
確定了微生物的總量后，需要有污泥濃度的數(shù)值才能計(jì)算曝氣池的容積。污泥濃度根據(jù)所用工藝的污泥濃度的經(jīng)驗(yàn)值選擇，一般在3000—6000mg/L之間。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)或其他方式確定了回流比、SVI值后也可以根據(jù)下式計(jì)算：
X=Rrf106/SVI(1+R)
式中：
R——污泥回流比，%
r——二次沉淀池中污泥綜合系數(shù)，一般為1.2左右
f——MLVSS/MLSS
曝氣池容積的計(jì)算公式如下：
V=（VX）/X=Q（SO-Se）/（XNS）
式中：
Q——廢水量，m3/d
Q（SO-Se）——每天的有機(jī)基質(zhì)降解量，kg/d
V——曝氣池有效容積，m3
（4）確定曝氣池的主要尺寸
主要確定曝氣池的個(gè)數(shù)、池深、長度以及曝氣池的平面形式等。按照每日的處理量來確定池體的個(gè)數(shù)，同時(shí)，由于工藝的不同，曝氣池的式樣和個(gè)數(shù)各不相同，因此在實(shí)際的設(shè)計(jì)中需要我們有現(xiàn)場的實(shí)際地形圖和整體效果圖來做依據(jù)，這樣設(shè)計(jì)出來的池體才可以滿足工藝處理需要，并且與周圍的環(huán)境和諧一致。
2、動(dòng)力學(xué)方法
也可用動(dòng)力學(xué)方法計(jì)算曝氣池的容積。計(jì)算過程如下：
（1）確定所需的動(dòng)力學(xué)常數(shù)的值
包括Y、Kd、Ks、umax,在沒有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)可以根據(jù)表2、表3 選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)值。
表2：生活污水的Y、Kd值
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產(chǎn)率系數(shù)（Y） |
衰減系數(shù)（Kd） |
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0.4—0.8mgVSS/mgBOD50.25—0.45mgVSS/mgCOD |
0.0020—0.0029h-1 |
表3：幾種工業(yè)廢水的Y、Kd值
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工業(yè)廢水名稱 |
Y |
Kd |
工業(yè)廢水名稱 |
Y |
Kd |
|
合成纖維廢水 |
0.38 |
0.10 |
紙漿和造紙廢水 |
0.76 |
0.016 |
|
亞硫酸鹽漿粕廢水 |
0.55 |
0.13 |
制藥廢水 |
0.77 |
/ |
|
含酚廢水 |
0.70 |
/ |
釀造廢水 |
0.93 |
/ |
（2）確定污泥齡
根據(jù)公式1/θmin= (Y×umax×SO/ SO+Ks)-Kd可以確定θmin 值。
θmin=1/(Y×umax-Kd)
式中：umax——基質(zhì)達(dá)到飽和濃度時(shí)，微生物的比增殖速率，d-1
實(shí)際活性污泥處理系統(tǒng)工程中所采用的θC(污泥齡.d)值，應(yīng)大于θmin值，實(shí)際取值按公式1/θmin= Y×umax-Kd乘以安全系數(shù)。安全系數(shù)一般在2—20。也可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行取值，參照表1數(shù)據(jù)。
（3）確定所需的微生物量
根據(jù)公式1/θC=[Y×umax×(SO-Se)/ (SO-Se)+KsIn SO/ Se]-Kd來確定微生物的量，可以得到微生物量的計(jì)算公式：
（XV）=QθCY(SO-Se)/(1+KdθC)
（4）確定曝氣池的容積
首先確定微生物濃度，其方法與前面的負(fù)荷設(shè)計(jì)法相同。
V=(VX)/X
（5）根據(jù)對出水濃度進(jìn)行校核；或者根據(jù)污泥負(fù)荷的定義對污泥負(fù)荷進(jìn)行校核。這兩種方法取其中一種就可以。
1、需氧量
活性污泥的正常運(yùn)行，除需要有性能良好的活性污泥以外，還需要進(jìn)行充足的氧氣供應(yīng)，活性污泥法處理系統(tǒng)的日平均需氧量（O2）可按公式1/θC=YNs-Kd計(jì)算，去除1kgBOD5的需氧量（ΔO2）根據(jù)下式計(jì)算，也可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)選用。
ΔO2= /Ns
廢水a(chǎn)’、b’的值和部分工業(yè)廢水的a’、b’ 值可以從表4、表5選取。
表4：活性污泥法處理城市廢水時(shí)的廢水a(chǎn)’、b’和ΔO2的值
表5：部分工業(yè)廢水的a’、b’值
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污水名稱 |
a’ |
b’ |
污水名稱 |
a’ |
b’ |
|
石油化工廢水 |
0.75 |
0.16 |
煉油廢水 |
0.55 |
0.12 |
|
含酚廢水 |
0.56 |
—— |
亞硫酸漿帛廢水 |
0.40 |
0.185 |
|
漂染廢水 |
0.5—0.6 |
0.065 |
制藥廢水 |
0.35 |
0.354 |
|
合成纖維廢水 |
0.55 |
0.142 |
制漿造紙廢水 |
0.38 |
0.092 |
2、供氣量
在需氧量確定以后，取一定的安全系數(shù)，得到實(shí)際需氧量（Ra），并轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)需氧量（Ro）。公式如下：
Ro= RaCs/[α(βρCS(T)-CT)×1.024(T-20)]
式中：
CS——在1.03×105Pa條件下氧的飽和濃度，mg/L
X——混合液揮發(fā)性懸浮固體，（MLVSS）濃度 mg/L
在實(shí)際工程中，所需要的空氣量比標(biāo)準(zhǔn)條件下所需要的空氣量要多33%～61%，具體在工程中需要的空氣量可以根據(jù)實(shí)際情況來確定，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)需氧量確定之后，根據(jù)不同設(shè)備廠家的曝氣機(jī)樣本和手冊，計(jì)算出總的能耗。總能耗確定后，就可以確定曝氣器的數(shù)量。
鼓風(fēng)曝氣要確定其供氣量，公式為：
Gs=Ro/0.3×EA
式中:
Gs——空氣量
EA——曝氣系統(tǒng)的充氧效益
計(jì)算出空氣量后，根據(jù)鼓風(fēng)機(jī)的樣本便可以確定鼓風(fēng)機(jī)的數(shù)量和型號。
（1）曝氣設(shè)備所具有的功效
①產(chǎn)生并維持有效的氣水接觸，并且在生物氧化作用不斷消耗氧氣的情況下保持水中一定的溶解氧濃度；
②在曝氣區(qū)內(nèi)產(chǎn)生足夠的混合作用和水的循環(huán)流動(dòng)；
③維持液體的足夠速度，以使水中的生物固體處于懸浮狀態(tài)。
各種曝氣設(shè)備的特點(diǎn)是各不相同的，因此曝氣設(shè)備的用途和使用的范圍也就有各種不同，因此，在工藝設(shè)計(jì)中，要根據(jù)實(shí)際的需要和企業(yè)所能夠承擔(dān)的成本來選擇曝氣設(shè)備，現(xiàn)有的曝氣設(shè)備分為兩大類：淹沒式曝氣器和表面曝氣器（表6：廢水處理中的曝氣設(shè)備）
表6：廢水處理中的曝氣設(shè)備
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設(shè) 備 |
特 點(diǎn) |
用 途 |
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（1）淹沒式曝氣器 |
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鼓風(fēng)機(jī) |
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細(xì)氣泡系統(tǒng)中等氣泡系統(tǒng)粗氣泡系統(tǒng) |
用多孔擴(kuò)散板或者擴(kuò)散管產(chǎn)生氣泡 |
各種活性污泥法 |
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用塑料或者布包管子產(chǎn)生氣泡 |
各種活性污泥法 |
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用孔口、噴射器或噴嘴產(chǎn)生氣泡 |
各種活性污泥法 |
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葉輪分布器 |
由葉輪及壓縮空氣注入系統(tǒng)組成 |
各種活性污泥法 |
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靜態(tài)管式混合器射流式 |
豎管中設(shè)檔板以使底部進(jìn)入的空氣與水混合 |
活性污泥法 |
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壓縮空氣與帶壓力的混合液在射流設(shè)備中混合 |
各種活性污泥法 |
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（2）表面曝氣器 |
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低速葉輪曝氣器高速浮式曝氣器轉(zhuǎn)刷曝氣器 |
用大直徑葉輪在空氣中攪起水滴并卷入空氣 |
常規(guī)活性污泥法 |
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用小直徑葉槳在空氣中攪起水滴并卷入空氣 |
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槳板通過水中旋轉(zhuǎn)促進(jìn)水的循環(huán)并曝氣 |
氧化溝、渠道曝氣 |
曝氣設(shè)備的主要技術(shù)性能指標(biāo)如下：
① 動(dòng)力效率（EP） 每消耗1KW電能轉(zhuǎn)移到混合液中的氧量，以kg/（KW.h）計(jì)；
② 氧的利用效率（EA） 通過鼓風(fēng)曝氣轉(zhuǎn)移到混合液的氧量，占總供氧量的百分比（%）；
③ 氧的轉(zhuǎn)移效率（EL）也稱為充氧能力，通過機(jī)械曝氣裝置，在單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)移到混合液中的氧量，以kg/h計(jì)。
鼓風(fēng)曝氣設(shè)備的性能按照①、②兩項(xiàng)指標(biāo)評定，機(jī)械曝氣裝置則按照①、③兩項(xiàng)指標(biāo)評定。在工藝設(shè)計(jì)和設(shè)備選擇中我們需要考慮性能、特點(diǎn)以外，還需要考慮有關(guān)葉輪直徑和曝氣池直徑的比例，一般比值在1/3--1/5左右，過大可能傷害污泥，過小則充氧量不足，葉輪和水深的比值一般采用2/5—1/4，池深過大，將影響充氧和泥水混合。
由于各種鼓風(fēng)機(jī)的型號和性能各不相同，因此所產(chǎn)生的噪聲也就不相同，相對應(yīng)的機(jī)房設(shè)計(jì)也就各自有不同的要求，根據(jù)實(shí)際需要和性能考慮，在工藝中一般選擇同一型號的設(shè)備并且要有備用機(jī)，備用臺數(shù)的選擇按照工作機(jī)≤3臺時(shí)，備用1臺，當(dāng)工作機(jī)≥4臺時(shí)，備用2臺；電源要用雙電源，按照負(fù)荷設(shè)計(jì)；每臺單機(jī)的基礎(chǔ)間距應(yīng)該保持1.5米；配套的機(jī)房應(yīng)該包括：機(jī)械間、配電室、進(jìn)風(fēng)室（設(shè)空氣凈化設(shè)備）、值班室，值班室與機(jī)械間應(yīng)有隔音設(shè)備和觀察窗，還應(yīng)設(shè)自控設(shè)備；機(jī)房內(nèi)、外都要進(jìn)行防止噪聲的措施，使其符合國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
無論那一種廢水，其處理工藝都是以一些基本的單元技術(shù)為基礎(chǔ)組合而成的，在我國的生化處理技術(shù)上在過去的30年間有了很大程度的發(fā)展與進(jìn)步，曝氣池的設(shè)計(jì)與曝氣設(shè)備的選擇也有很大程度的變化，但是，應(yīng)該遵從的基本原理和設(shè)計(jì)計(jì)算方式是不變化，因此我們需要了解最基本計(jì)算方式和選擇原則，這樣才可以提高現(xiàn)有的處理設(shè)備的利用率，減少運(yùn)行費(fèi)用，節(jié)約成本。
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