幾種倒傘型表面曝氣機充氧性能實驗研究
導讀：曝氣器在測試條件下氧總轉移系數。曝氣器充氧能力qc公式。曝氣器理論動力效率E。水體平均流速V處理。氧總轉移系數，幾種倒傘型表面曝氣機充氧性能實驗研究。
關鍵詞：倒傘型表面曝氣機，氧總轉移系數，充氧能力，氧利用率，動力效率，平均流速
生物處理是目前國內外污水處理工程中最常用也是最主要的處理方法，其中好氧生物處理法的應用最為廣泛。而曝氣是好氧生物處理系統的重要環節，它的作用是向反應器內充氧，保證微生物生化作用所需的氧氣，同時保證反應器內微生物、有機物、溶解氧三者的充分混合，為微生物創造有利的生化反應條件[1]。據可靠研究表明曝氣設備是生物處理法耗電做多的設備，約占整個污水處理系統的80%。因此提高曝氣設備的動力效率是降低水處理成本的關鍵因素。目前常用的處理工藝有氧化溝工藝、SBR工藝、A/0工藝等。由于氧化溝工藝具有較好的脫氮除磷效果并且運行維護方便在我國成為新建污水處理的首選工藝[2]。氧化溝工藝主要以表面曝氣方式為主近年來，也有微孔曝氣方式的氧化溝工藝投入使用。氧化溝工藝
采用的曝氣設備主要有：轉刷曝氣機、轉盤曝氣機和倒傘曝氣機，倒傘曝氣機因具有良好的充氧效率和推流能力而應用最為廣泛[3]。檢測，氧總轉移系數。它是利用葉輪的高速旋轉,推動污水上下翻騰并前進,同時空氣中的氧氣迅速溶入液相,可以同時完成對污水充氧、攪拌和推流三大作用[4]。
目前國內對表曝氣器的性能進行了一些研究，但其中大多都是集中在測試方法和數值模擬計算方面[5-7]。而本研究則是通過對安徽某科技公司產自行研究的幾種倒傘型表面曝氣器葉輪的充氧性能進行現場模擬試驗，并通過試驗研究分析了葉片安裝角度、片數及推流能力三者之間關系，為今后的設備設計優化提供新的參考。
1計算公式
曝氣器的充氧性能主要是由氧的總轉移系數氧總轉移系數KLa、充氧能力qc、氧利用率E、理論動力效率Ep四個主要參數來衡量。
1.1 氧的總轉移系數KLa[8]
dC/dt=KLa(Cs-C)(1)
將上式積分整理后有
ln(Cs-C)=ln(Cs-C0)-KLa·t (2)
式中：Cs—水中飽和溶解氧濃度，mg/L;
C—與曝氣時間t相應的水中溶解氧濃度，mg/L;
t —曝氣時間，min;
KLa—曝氣器在測試條件下氧總轉移系數，l/min;
利用上式，作ln(Cs-C0)-ln(Cs-C)和t的曲線，該曲線的斜率即為氧轉移系數KLa。
標態下，曝氣器氧總轉移系數KLas
KLas=Kla·θ20-T (3)
式中：KLas—標準狀態測試條件下曝氣器總轉移系數，l/min;
KLa—測試水溫條件下曝氣器總轉移系數，1/min;
T —測試水溫，℃;
θ—溫度修正系數1.024.
1.2 曝氣器充氧能力qc公式[8]
qc=KLas·V·Cs(20)
=0.55·V·KLa (4)
式中：qc—標準狀態，測試條件下，曝氣器充氧能力，kg/h;
V—測試水池中水的體積，m3;
Cs(20)—20℃水中飽和溶解氧濃度9.17，mg/L;
0.55=60/1000·9.17.
1.3 曝氣器理論動力效率E[8]與曝氣器充氧時所耗理論功率NT
E=qc/NT (5)
NT=N0·IT/I0 (6)
式中：E—標準狀態，測試條件下曝氣器充氧理論動力效率，kg/kw·h;
qc—曝氣器充氧能力，kg/h;
NT—曝氣器充氧時所耗理論功率，只考慮曝氣充氧所消耗的有用功，kw·h;
N0—曝氣器的額定功率，kw·h;
IT—曝氣器的實際電流，A;
I0—曝氣器的額定電流，A;
1.4 水體平均流速V處理
V=V1+V2…+VN/N
VN—各點的流速，m/s;
N—一共的測試次數;
2實驗裝置及測試設備
2.1 測試裝置
由于大型倒傘型曝氣機進行測試需要池體的容積較大，一是這種池體不方便去尋找;二是多次試驗下來，成本較高。因此本研究重點采用了模擬試驗技術路線。我們選用安徽合肥朱磚井污水處理廠“863氧化溝中試試驗基地”，氧化溝面106.2m2，測試不同葉輪時候水體浸沒深度均與葉輪面平行。
2.2 被測設備
根據氧化溝我們按比例縮小了曝氣器的功率參數，再參照該功率，將葉片各尺寸也相應縮小。檢測，氧總轉移系數。縮小后的倒傘曝氣機參數：葉輪直徑800mm，電機功率3kw。
6種葉輪名稱及規格如表1所示：
表1 6種葉輪名稱及規格
Table 1 name and specification of six impellers
| 1# | DSC080（7片0°） | 2# | DSC080（9片10°） |
| 3# | DSC080（7片0°）見注 | 4# | DSC080（7片10°） |
| 5# | DSC080（10片10°） | 6# | DSC080（10片0°） |
注：1#、3#倒傘的葉輪葉片設計有所不同，1#葉片面積雖然和3#相同，但是1#吃水深，導流輻板斜角大。
1#—4#號我們定義為C型號倒傘葉輪，5#和6#號定義為D型號倒傘葉輪，形狀如圖1和圖2所示。
圖1 C型倒傘葉輪
Fig1 C model of Inverted umbrella surface
圖2 D型號倒傘葉輪
Fig 2 D model ofInverted umbrella surface
C型號除了1#葉輪以外，其他3個葉輪只是葉片多少和安裝傾斜角度有所區別，D型葉輪之間只有設計角度有所區別，D型號們每次只在1處更換葉輪，其他兩處倒傘均關閉。黑方塊位置為測試流速點，均在離倒傘1下游水平距離為9m的水平面上，每點分別測試距離水面0.5m、1m、1.5m三處流速。
3 試驗步驟
3.1 測試條件
為了進行比較，我們測試均在水溫22°C左右，一個大氣壓下，葉輪轉速為75rap/min，葉輪均處于設計水位條件下，從上午9點開始到下午3點結束。溶解氧的飽和濃度Cs參考各種溫度下飽和溶解氧值經驗數據。
3.2 測試方法
采用間歇非穩態法測試[9]，即測試水體的體積不變，在曝氣過程中，水中溶解氧濃度C隨曝氣時間t而變的方法。
測試時先投加工業用亞硫酸鈉對水體
圖3 溶氧儀及測試流速點布置示意圖
Fig 3 Schematic diagram of dissolved oxygeninstrument and test velocity points
葉片與C型號2#-4#葉片設計參數相同。D型號比C型號優勢在于D型號葉片可以方便拆卸，在運輸和維修更換上更便利。
2.3 主要儀器
2臺德國WTW便攜式溶氧儀Multi 340i，探頭為Galvanic溶氧電極 Cellox 325。精度等級0.01，帶溫度顯示，可自動儲存500組數據。
1臺流速儀為北京渠道科學器材有限公司生產的6526號STARFLOW超聲波多普勒流量計，可以測流速、水位、溫度。
2.4 溶氧儀及測量流速點布置
溶氧儀及測量流速點布置如圖3所示圓圈為溶氧儀放置位置，溶氧儀A在離倒傘1上游水平距離9m，溶氧儀B在離倒傘1下進行脫氧，以Co2+為催化劑，在水中溶解氧降至零后開始曝氣，記錄水中溶解氧濃度隨曝氣時間的變化，而后計算出Kla值。然后轉換成標準狀態下的氧總轉移系數Klas，計算曝氣機充氧能力qc。根據測試時電機負荷電流，計算出輸出功率，最終得出動力效率Ep值。
3.3 水體脫氧
消氧劑為工業Na2SO4,投加量計算為：
G=8·C·V·K
式中：G—亞硫酸鈉投加量，g;
C—水中溶解氧濃度，mg/L;
V—曝氣池內水的體積，m3;
8—理論上消耗1g氧所需亞硫酸鈉量，g/g
K—考慮藥劑中雜質等而采用脫氧安全系數，一般取1.2-1.5;
催化劑為Co2+,投加量以Co2+濃度0.3-0.5mg/L計算。檢測，氧總轉移系數。開低推，使亞硫酸鈉混合均勻。
3.4 水體充氧
待溶解氧濃度為零時關閉低推，待水體靜止后，開啟倒傘1，待溶氧達到飽和濃度時，或是在20min內溶氧濃度增加值小于0.1mg/L或是15min內溶氧濃度基本保持不變時的濃度值，可關倒傘。檢測，氧總轉移系數。即為一組狀態充氧測試結束。DO監測使用的是2臺德國WTW便攜式溶氧儀Multi 340i，探頭為Galvanic溶氧電極 Cellox325，測試間隔為10S一次。
3.5 流速測量
如圖2所示6點位置放置流速儀，每點位置又取距離水面0.5m、1m、1.5m三處測量瞬時速度，每處測量12個流速數據。檢測，氧總轉移系數。測量時間分3次，分別在倒傘開始運行后的第一個小時、第二個小時、第三個小時。最后流速以3個時段各點速度平均值計。
4 測試數據處理及分析
各項數據測試結果如下表2所示，根據表2的數據做出流速、充氧量及充氧效率的關系如下面圖4所示。
| 型號 | Kla-A | Kla-B | 平均Kla | I（A) | N(kw) | qc(kg/h) | E(kg/kw•h） | 流速V（m/s) |
| 1# | 0.08 | 0.064 | 0.07 | 5 | 2.23881 | 4.0887 | 1.826286 | 0.173 |
| 2# | 0.04 | 0.049 | 0.046 | 4.9 | 2.19403 | 2.710224 | 1.235272 | 0.146 |
| 3# | 0.05 | 0.043 | 0.044 | 4.7 | 2.10448 | 2.5788015 | 1.225388 | 0.128 |
| 4# | 0.04 | 0.039 | 0.04 | 4.7 | 2.10448 | 2.353923 | 1.118531 | 0.138 |
| 5# | 0.05 | 0.051 | 0.049 | 5 | 2.23881 | 2.885454 | 1.288836 | 0.191 |
| 6# | 0.07 | 0.056 | 0.061 | 5 | 2.23881 | 3.5717715 | 1.595391 | 0.181 |
| 表2 葉輪各種數據測試結果 | ||||||||
| Table 2 Test results of those impellers | ||||||||
4.1 葉片數量與水體流速及充氧能力之間的規律
從試驗結果來看，在同樣轉速(75rap/min)及浸沒深度情況下，對比葉片相同的2#—6#葉輪可以看出隨著葉輪數的增多水體的流速也相應增大，從而顯示倒傘的推流能力和葉片數量是成正比關系的，從充氧量及充氧動力效率上來看，也反應了和流速相同規律。因此可以得出葉片數多的葉輪充氧能力和推流作用均大于葉片數較小葉輪結論。檢測，氧總轉移系數。這是因為，水體在葉輪旋轉的推力總用下，水流在氧化溝以一定的流速流動，將已曝氣的水體(含氧量高的曝氣主區水體)在溝內進行混合、擴散，強化氧的傳遞[10]，所以水流的流速能力對充氧效率是有正面影響的。提高葉輪數量增大了葉輪的推流能力同時也相應提高充氧效率。但是由于增加葉片同時也導致電流負荷增加，這樣必定有個上限，且增幅不明顯所以我們不能從主要增加葉片的數量去考慮提高葉輪的充氧性能。
4.2葉片角度和水體流速及充氧能力之間的規律
對比型號和葉片數量均相同但是葉片傾斜角度不同的3#、4#及5#、6#葉輪可以發現3#、6#雖然水體流速不如4#、5#，但充氧量及效率均高于4#和5#。顯示雖然0°角葉輪推流作用小于10°角，但是充氧效率高于10°角。這一方面說明對葉片偏移角度的改變不利于提高葉輪的充氧能力，另一方面也反應出提高葉輪推流能力對充氧性能的調高不如局部調整葉片位置影響大。
4.3 葉片導流輻板斜角和水體流速及充氧能力之間的規律
對比1#和其他葉片，可以發現1#葉輪雖然對水體推流能力不是最大和葉片數量不是最多，但是充氧能力最優，且提升幅度很大。顯示葉片導流輻板斜角度對葉輪充氧性能影響是最大的。從以往的研究和分析中我們知道倒傘型表曝機的水流特點，水流特點如圖5所示。其中u為葉輪的旋轉速度 ,w為水體相對于葉片的徑向速度 , z為水流沿
著倒置圓錐體和導流輻板向上補給時的斜向上運行速度 (這是由于導流輻板斜角γ的大小影響葉輪周邊出水方向所致 ) , v則是水體最后的合速度。并知道其曝氣過程可以分成4個方面。其中很重要一個方面就是葉輪旋轉時 ,大量的水花分散到空氣中 ,增大了氣液接觸面積;同時水花在濺落過程中還能將空氣帶入水中 ,從而提高了氧的傳質效率[10]。這樣在葉片面積相同情況下由于1#葉片的導流輻板斜角較大，這樣導致最終水體合速度方向較其他葉片高，增大了該過程中氣液接觸面積是關鍵因素 ,即葉片旋轉時打出的水花越多、越分散,則氣液接觸面積就越大,氧的傳質效率就越高。從現場試驗也看以看到1#葉輪旋轉所產生的水流拋灑最高，水花更分散。
對比1#及其他C型號葉輪，發現1#對水體推流能力是C型中最強的，由上面4.1中結論可以知道在相同設計葉片條件下，增多葉片數是有利于水體流速的增加的。但是1#葉片反而比C型其他葉輪推流能力強，這說明在改變導流輻板角度同樣影響了葉片的推流能力，甚至效果比增大葉片數要好。
5 總結
通過對6種不同葉輪的測試，綜合以上分析，可以得出以下結論：
1.相同設計葉片，增大葉片數有利于推流能力，進而有利于葉輪的充氧效率。
2.葉輪推流能力對充氧效率的提高不如局部調整葉片位置影響大。
3.葉片導流輻板斜角設計對葉輪充氧效率影響最大，是葉輪優化設計最關鍵因素。
4.鑒于D型號葉輪在維修和運輸上的便利因素，D型應該是未來葉輪發展的方向，應在選取適當的葉片數量同時加大對葉片本身的設計，重點是在導流輻板斜角上的設計。
參考文獻
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