内置套筒的曝气池设计

羊寿生
(上海市政设计研究院，上海200002)

　　摘　要：介绍了开发成功的一种套筒式曝气池，它具有用地少、投资省、经常费用低、维护管理方便等优点，适用于中小型污水处理厂。套筒式曝气池已在多座污水处理厂中应用，效果良好。
　　关键词：污水处理；曝气池；套筒式；设计
　　中图分类号：TU992.02
　　文献标识码：C
　　文章编号：1000-4602(2001)04-0037-04

　　曝气池的设计与布置是活性污泥法的关键(占污水处理厂造价的20%～30%，经常费用的70%～80%)。最早的曝气池，平面呈狭长矩形，水池断面的深宽比大约为0.3～0.5，曝气扩散器位于池的一侧，工作时水流呈螺旋推流状。
　　随着科学技术发展，曝气池断面的深宽比例在不断优化，首先是曝气器采用两侧布置，故宽度要放大，而后根据土建结构分析以及水力学上的考虑，曝气池深宽比逐步变为1～2。目前，曝气池断面深度一般为3.5～4.5m，宽度为3.5～9 m。一般来说，曝气池通常为廊道式，水流为推流式，空气扩散器可布置在一侧或两侧，也可全池布置。当采用表面机械曝气器供氧时，如用竖轴式表面曝气叶轮供氧，曝气池平面可布置成矩形或圆形，池内置一台表曝叶轮；有时呈长方形，池内置多台表曝叶轮，叶轮之间可用墙隔开，水流为完全混合型。若用横轴式转刷或转盘供氧，曝气池平面呈狭长廊道形，称为氧化沟布置形式。在狭长廊道两端，设竖轴式表面曝气叶轮充氧，这也是一种氧化沟布置方式。氧化沟水流为推流式，但当氧化沟污泥负荷低时，具有完全混合式特点。
　　综上所述，曝气池布置大致分为两种型式，平面呈狭长矩形池，水流为推流式；平面呈矩形或圆形池，水流为完全混合式。从实践中可知，狭长矩形池的充氧不均匀，处理效果易受污水负荷变化影响，污泥易发生膨胀；矩形或圆形池虽能承受污水负荷变化，但有可能发生污水短路，影响处理效率，污泥也容易发生膨胀。为了克服上述缺点，上海市政设计研究院从20世纪80年代开始，研究开发新的曝气池池型，主要从增加水池深度、节省用地考虑，同时要找到一种耗能低、不堵塞、管理方便的空气扩散器。经研究在曝气池中设套筒，利用气提作用，可增加水深，同时利用空气流的高速喷射撞击作用提高氧的利用率。由于池内设提升套筒，故称套筒式曝气池，经过小试、中试、直到工程中应用，取得了良好效果。

　　1　　套筒式曝气池的设计与布置

　　1.1　　布置形式
　　套筒式曝气池由6座(或6座以上)矩形池(单池尺寸不宜大于9 m×9 m，池单边尺寸应大于水深)组成，每座池内设套筒两个(套筒面积占池面积的5%左右)，套筒内密集设置多喷嘴曝气器(见图1)。

　　污水、污泥从一端进入1号池，依次经过2、3、4、5及6号池出流至二次沉淀池。这种布置的特点是将6座完全混合式水池串联起来，不会发生短路，既能承受污水负荷变化，又改善了污泥沉降性能，处理效果稳定。
　　套筒式曝气池也可设计成圆池(见图2)，其主要尺寸与矩形池类同。

　　1.2理论分析
　　假定生物处理中污染物的去除按一级反应降解，处理时间与处理效率关系为：

　　推流式t=（1／k）ln(C0／C)　　　　　　　　　　　　　(1)

　　完全混合式t=（1／k）[(C₀-C)／C)]　　　　　　　　　　(2)
　　式中　　C₀、C——进水、出水污染物浓度
　　　　　　　　k——反应速率常数
　　　　　　　　t——停留时间
　　当n个完全混合池串联时：

　　　　　　T=nt=n／k［(C0／C)^1/n-1］　　　　　　　　(3)
　　当进水污染物浓度C0＝100 mg/L、出水C＝5 mg/L时，串联完全混和池容积为：

　　　　　　n=1　　V=TQ=Q(100／5-1)／k=19（Q／k）
　　　　　　n=4　　V=4Q［(100／5)^1/4-1］／k=4.46（Q／k）

　　式中　　V——容积
　　　　　　Q——流量

　　由此可算出单个完全混合池、串联完全混合池与推流池的相对容积比，如表1所示。
　　由表1可知，在相同的去除率下，串联池越多，反应器容积越小。6池串联与单池相比，容积已大大减小，无限增加串联池数，总容积再减小已不明显，故套筒式曝气池串联池数宜采用6～10座为宜。

　　1.3　　单池的工作特性
　　一般曝气池水深为4～6 m，鼓风机风压为49 kPa，而套筒式曝气池水深可达7.5 m，风机风压仍采用49 kPa，其主要是利用了套筒提升作用。曝气器位于水面下约3.8～4.0 m处，套筒内设置多喷嘴曝气器，有序排列，每只曝气器四个喷嘴，相邻喷嘴对置。曝气时，喷出的空气形成撞击气流使气泡变小，并使套筒内水流向上起到提升作用。在套筒顶部水面处，设弧形反射板，上升气水混合体经反射板引导，使水流的动能变成水平压能沿水面向四周喷射，形成较大水跃，使全池混合均匀，不产生沉积。
　　1.4多喷嘴曝气器
　　多喷嘴曝气器为一球状体，在球体中间水平向设四个喷嘴(每只喷嘴的供气量约为0.28～0.35m³/min，喷嘴直径为5～7 mm，通过喷嘴口的水头损失约为392 Pa)，球体上端接空气管，下端设防堵尾管，空气从四个水平向喷嘴以15～20 m/s速度喷出，由于采用对称布置，故相邻两个喷嘴对齐后形成冲击气流，气泡冲击后，形成若干小气泡群向上浮升(曝气器构造及布置如图3所示)。当停止供气时，泥水从防堵管进入曝气器，重新通气时，泥水又从防堵管冲出，故不会发生喷嘴堵塞现象。这种布置在工程中已使用10年以上未发生堵塞。经生产性大池实测，其氧利用率达10%以上。

　　1.5　防止污泥膨胀
　　多座完全混合池串联后，由于每座池的基质浓度梯度大，使丝状微生物难以生存，数量减少，污泥不发生膨胀。工程实践也证实了这一研究成果，如上海地区城市污水处理厂有10余座，每到夏天水温升高后污泥常常发生膨胀，污泥体积指数在300～500之间，影响正常运行。而采用套筒式曝气池的闵行污水厂，污泥体积指数在100～150之间，沉降性能良好，10余年来从未发生污泥膨胀。同样，在气温较高的厦门污水处理厂也采用了套筒曝气池，投产后10余年从未发生污泥膨胀。

　　2　主要参数及实测结果

　　2.1　套筒
　　每只套筒平面的长宽比为5∶1，套筒中部设围板，上口及下口不设围板，其比例是上口为0.45～0.5 H，围板为0.25～0.3 H，下口为0.3～0.35 H(见图4，H为水深)。

　　2.2　反射板
　　反射板置于套筒上端，其作用是将向上的水气混合液经反射板后迅速转变成水平向压能。经多次试验研究，反射板的构造是采用勾股弦比例，在弦的中垂线上求取其圆心，夹角保持在74°左右(见图5)。

　　2.3实测结果
　　对生产性池子进行了实地检测，主要观察套筒曝气池充氧情况及混合情况。选测的矩形池平面尺寸为7.95 m×7.42 m，水深为7.5 m。
　　2.3.1充氧能力测定
　　进行了两次测定，采用溶氧仪和化学法，同时测溶解氧值。取样点在水面下约0.5 m、3 m及距池底0.5 m处，测定在清水中进行，供气率为(7.1∶1)～(4.2∶1)，经换算至20 ℃时的动力效率为2.8～3.6 kgO2/(kW·h)，氧利用率为8.5%～9.5%，上述结果均为各点平均值。实际运行中，气水比＜4.2∶1时，估计氧利用率＞10%。
　　2.3.2混和情况测定
　　投加示踪剂(盐基玫瑰精染料)，一次投入约4 kg，水体积为391m³，平均浓度为10.23 mg/L，空气量为10.2m³/min，每5 min取样测光密度。结果显示，染料投入后5 min内已达到完全混和。
　　2.3.3　MLSS值测定
　

　　在完全混合型曝气池正常运行时，取样测各点MLSS值，其结果如表2所示，说明整个池内混和情况良好。
　　2.3.4曝气筒内流速测定
　　采用螺旋桨式流速仪，安装在筒底以上1/3处，测定筒内上升流速。当供气量为6m³/min时，上升流速为0.43～0.47 m/s；供气量为10.2m³/min时，上升流速为0.56 m/s。按此推算，水池容积为391.1m³，每池两只曝气筒，全池水环流一次，气量为6m³/min时约需7.4 min，气量为10.2m³/min时约需5.9 min。
  　　根据生产性池子的实测结果，套筒式曝气池运行基本上达到预期的设计要求。

　　3 工程实例

　　我院自开发成功套筒式曝气池后，在工程中即予以推广应用，已建成的套筒式曝气池工程实例如表3所示。

　　上述各污水处理厂运行正常、维护简便、处理出水水质达到排放标准，其中上海闵行污水厂、厦门员当湖污水处理厂、深圳滨河污水处理厂、上海炼油厂污水处理站，分别获部、市级优秀设计一、二等奖。

　　4　结语

　　实践证明，套筒式曝气池具有占地省、投资少、运行费用低、管理方便等优点，是我院自主开发的一种曝气池形式，特别适用于中小型污水处理厂。近年来，又进一步研究开发成功在套筒曝气池一侧组建双层矩型平流沉淀池，使曝气池和沉淀池布置更为紧凑，用地更省，管理也更方便。

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　　收稿日期：2001-02-14