中高海拔地區(qū)污水廠曝氣池經(jīng)濟(jì)水深的選擇與研究

張 勇

（北控水務(wù)（中國）投資有限公司，北京 100102）

鼓風(fēng)機(jī)是污水處理廠曝氣池供氧的主要設(shè)備之一，其電耗約占全廠電耗的15%～40%，所以風(fēng)機(jī)選型的經(jīng)濟(jì)性對(duì)全廠的能耗影響較大［1］。 污水處理廠鼓風(fēng)機(jī)選型時(shí)， 廠家產(chǎn)品樣本上給出的均是在標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)氣狀態(tài)下的性能參數(shù)， 我國規(guī)定的風(fēng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)氣狀態(tài)為： 壓力p0=101.3kPa， 溫度t0=20℃， 相對(duì)濕度φ=50%，空氣密度ρ=1.2kg/m3。 而風(fēng)機(jī)所在的工作環(huán)境大多數(shù)不是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，所以其選型需要校正。

本文通過研究海拔對(duì)風(fēng)機(jī)選型的影響， 進(jìn)而提出曝氣池經(jīng)濟(jì)水深選擇的建議。 在相同的設(shè)計(jì)水深情況下，隨著海拔的增加，鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和風(fēng)壓會(huì)大幅度增大，風(fēng)機(jī)的能耗將大大增加；在同一海拔下，隨著曝氣池有效水深的增加氧轉(zhuǎn)移率EA增加，因此，水深增加會(huì)減少鼓風(fēng)機(jī)曝氣風(fēng)量， 但會(huì)增加鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)壓，兩個(gè)因素對(duì)于鼓風(fēng)機(jī)能耗的變化呈相反作用，選擇合理的曝氣池水深將會(huì)對(duì)中高海拔地區(qū)污水廠能耗的經(jīng)濟(jì)性影響很大［1］。

1 水深對(duì)氧利用效率EA的影響

氧利用效率EA與水質(zhì)、水溫、氣泡大小、接觸時(shí)間、液相濃度梯度、水流紊流程度、氧分壓及水深等多種因素有關(guān)，本文僅分析水深變化時(shí)EA的變化，進(jìn)而影響鼓風(fēng)機(jī)的選型。

俞庭康等［2］研究了某公司生產(chǎn)的橡膠膜曝氣器在水深4～8m時(shí)的充氧性能測(cè)試表明， 氧利用效率EA隨著水深的增加而提高， 俞庭康等研究的氧利用效率EA值與水深關(guān)系的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1。

表1 不同水深的氧利用效率實(shí)驗(yàn)值

馮俊生等［3］“鼓風(fēng)曝氣充氧性能與曝氣器水深關(guān)系” 的研究提出，氧利用效率EA與水深的關(guān)系為：

根據(jù)馮俊生等［3］提出的“氧利用效率EA與水深的關(guān)系”， 以俞庭康等實(shí)驗(yàn)測(cè)得4m水深的氧利用效率EA=35.8%，當(dāng)β值取0.9時(shí)，推算5～12m的氧利用效率EA值統(tǒng)計(jì)如表2。

表2 不同水深的氧利用效率計(jì)算值

上海某曝氣器廠家生產(chǎn)的直徑為270mm的盤式橡膠膜曝氣器，單個(gè)曝氣器曝氣量3m3/h時(shí)的不同水深氧利用效率EA如表3。

表3 上海某廠家盤式橡膠膜曝氣器在不同水深氧利用效率

不同的測(cè)試條件及推理方法得出的氧利用效率略有差別， 氧利用效率的不同會(huì)影響鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量及其選型，本文以表3“上海某廠家盤式橡膠膜曝氣器在不同水深的氧利用效率”作為計(jì)算依據(jù)。

2 海拔對(duì)風(fēng)機(jī)選型的影響分析

2.1 風(fēng)量影響

曝氣池實(shí)際需氧量=去除含碳污染物的需氧量-剩余污泥的氧當(dāng)量+氧化氨氮的需氧量-反硝化回收的氧量。 通過上述公式計(jì)算出的需氧量為實(shí)際工況條件下的需氧量， 風(fēng)機(jī)選型時(shí)還需換算成標(biāo)準(zhǔn)狀況下的需氧量。對(duì)于鼓風(fēng)曝氣，標(biāo)準(zhǔn)需氧量與實(shí)際需氧量的關(guān)系為：

式中 SOR為標(biāo)準(zhǔn)狀況下， 轉(zhuǎn)移到曝氣池的總氧量（kg/h）；AOR為實(shí)際狀況下， 轉(zhuǎn)移到曝氣池的總氧量（kg/h）；Cs（20）為標(biāo)準(zhǔn)狀況下，清水中飽和溶解氧，等于9.17mg/L；Csb（T）為曝氣池內(nèi)混合液溶解氧飽和度的平均值（mg/L）；α為混合液中KLa值與清水中KLa值的比，即：污水中雜質(zhì)對(duì)氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)KLa的影響修正系數(shù)，一般為0.8～0.85；β為混合液的飽和溶解氧值與清水的飽和溶解氧值之比，即：飽和溶解氧受水質(zhì)中鹽類影響修正系數(shù)，一般為0.9～0.97；ρ為飽和溶解氧受氧分壓或氣壓的影響修正系數(shù)，ρ=所在地區(qū)實(shí)際氣壓（絕對(duì)壓力，Pa）/（1.013×105Pa）；C為混合液剩余溶解氧值，一般為2mg/L；T為混合液溫度，即設(shè)計(jì)水溫。

式中，ρ受當(dāng)?shù)卮髿鈮河绊懀措S著海拔增加，所在地區(qū)實(shí)際大氣壓力降低，ρ減小導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)需氧量SOR增加。

鼓風(fēng)機(jī)供氣量與標(biāo)準(zhǔn)需氧量的關(guān)系為：

式中 GS為鼓風(fēng)機(jī)供氣量（m3/h）；EA為氧利用效率。

式中，曝氣器水深、類型、曝氣器密度等安裝條件不變的情況下， 鼓風(fēng)機(jī)供氣量GS與標(biāo)準(zhǔn)需氧量成正比。結(jié)合式（2）的結(jié)論，隨著海拔不斷增加，鼓風(fēng)機(jī)供氣量增加；如果曝氣器安裝深度增加，根據(jù)表1和表2的結(jié)論，氧利用率EA增加，鼓風(fēng)機(jī)供氣量GS減少；因此在一定海拔情況下， 增加曝氣器安裝深度可以減少鼓風(fēng)機(jī)供氣量。

2.2 風(fēng)壓的影響

參考袁泉［1］對(duì)“污水廠離心鼓風(fēng)機(jī)選型中風(fēng)量和風(fēng)壓的計(jì)算”的研究，對(duì)于離心風(fēng)機(jī)，標(biāo)準(zhǔn)狀況下風(fēng)機(jī)壓力和工況下風(fēng)機(jī)壓力之間的關(guān)系，并對(duì)其化簡如下：

式中 ΔP0為風(fēng)機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的升壓；ΔPS為風(fēng)機(jī)在工況狀態(tài)下所需的升壓；P0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的大氣壓；PS為工況狀態(tài)下的大氣壓。

式（4）表明，標(biāo)準(zhǔn)狀況下鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓與工況狀態(tài)下的大氣壓呈反比，即：隨著海拔的升高，工況大氣壓降低，標(biāo)準(zhǔn)狀況下鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓變大，最終導(dǎo)致鼓風(fēng)機(jī)選型的風(fēng)壓變大。

3 海拔對(duì)鼓風(fēng)機(jī)能效的影響

3.1 海拔對(duì)鼓風(fēng)機(jī)功率的影響

本研究只計(jì)算鼓風(fēng)機(jī)有效功率，其計(jì)算公式為：

式中 N為鼓風(fēng)機(jī)有效功率；Q為鼓風(fēng)機(jī)的流量（m3/h）；H為鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓（m）；ρ為空氣密度，20℃時(shí)空氣密度為1.205kg/m3。

根據(jù)上述海拔對(duì)鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量及風(fēng)壓的分析，海拔的提高，對(duì)鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量及風(fēng)壓都會(huì)增加，進(jìn)而導(dǎo)致鼓風(fēng)機(jī)的功率增大。而海拔一定的條件下，增大曝氣池有效水深將降低鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量，降低鼓風(fēng)機(jī)功率，但提高曝氣池有效水深會(huì)增加鼓風(fēng)機(jī)壓力， 提高鼓風(fēng)機(jī)功率，兩者起相反作用。

3.2 不同海拔及水深下的鼓風(fēng)機(jī)動(dòng)力效率分析

鼓風(fēng)機(jī)的動(dòng)力效率（kgO2/kW·h）=溶解的氧氣質(zhì)量（kgO2）/消耗的電量（kW·h）；在下列假定條件下：鼓風(fēng)機(jī)管路（含曝氣器）上的局部及沿程水頭損失按照1.2mH2O計(jì)，設(shè)計(jì)水溫按25℃，計(jì)算在海拔0，1000，1500，2000，2500，3000，3500，4000m情況下， 水深從1.5～9.0m的理論動(dòng)力效率如表4。

表4 不同海拔及水深下的鼓風(fēng)機(jī)理論動(dòng)力效率

不同海拔及水深下的鼓風(fēng)機(jī)理論動(dòng)力效率變化情況如圖1。

圖1 不同海拔及水深下的鼓風(fēng)機(jī)理論動(dòng)力效率變化規(guī)律

根據(jù)表4計(jì)算結(jié)果及圖1曲線變化規(guī)律可知：相同海拔時(shí)，隨著曝氣器安裝深度的增加，鼓風(fēng)機(jī)的理論動(dòng)力效率先增大后降低，在水深4.6～7.6m時(shí)，鼓風(fēng)機(jī)的理論動(dòng)力效率位于高效區(qū)， 建議設(shè)計(jì)水深選擇在此區(qū)間范圍；水深大于9m或小于4.6m時(shí)，其理論動(dòng)力效率較低，應(yīng)避開選擇。 在相同水深時(shí)，海拔的增加會(huì)降低鼓風(fēng)機(jī)理論動(dòng)力效率。

海拔超過3000m時(shí)，由于高海拔導(dǎo)致鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)壓增加，水深超過7m時(shí)，所需鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)壓接近常用離心類風(fēng)機(jī)的工作極限，常用的離心類風(fēng)機(jī)選型困難，建議在4.6～7.6m區(qū)間內(nèi)選擇較低水深或選擇其他類型風(fēng)機(jī)。

4 結(jié)語

（1）水深的增加會(huì)增大氧利用效率EA值。

（2）海拔的增加會(huì)使鼓風(fēng)機(jī)曝氣量和風(fēng)壓的同步增加， 鼓風(fēng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)狀況下的風(fēng)壓與工況下的大氣壓呈反比。

（3）4.6～7.6m水深時(shí)鼓風(fēng)機(jī)的理論動(dòng)力效率位于高效區(qū)，建議設(shè)計(jì)水深選擇在此區(qū)間范圍；水深大于9m或小于4.6m時(shí)，其理論動(dòng)力效率較低，應(yīng)避開選擇。

（4）海拔超過3000m時(shí)，由于高海拔導(dǎo)致鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)壓增加，水深超過7m時(shí)，所需鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)壓接近常用離心類風(fēng)機(jī)的工作極限， 常用的離心類風(fēng)機(jī)選型困難， 建議在4.6～7.6m區(qū)間內(nèi)選擇較低水深或選擇其他類型風(fēng)機(jī)。

（5）在相同水深時(shí)，海拔的增加會(huì)降低鼓風(fēng)機(jī)理論動(dòng)力效率。