羊壽生
(上海市政設(shè)計(jì)研究院，上海200002)
摘 要：介紹了開發(fā)成功的一種套筒式曝氣池，它具有用地少、投資省、經(jīng)常費(fèi)用低、維護(hù)管理方便等優(yōu)點(diǎn)，適用于中小型污水處理廠。套筒式曝氣池已在多座污水處理廠中應(yīng)用，效果良好。
關(guān)鍵詞：污水處理；曝氣池；套筒式；設(shè)計(jì)
中圖分類號：TU992.02
文獻(xiàn)標(biāo)識碼：C
文章編號：1000-4602(2001)04-0037-04
曝氣池的設(shè)計(jì)與布置是活性污泥法的關(guān)鍵(占污水處理廠造價(jià)的20%～30%，經(jīng)常費(fèi)用的70%～80%)。最早的曝氣池，平面呈狹長矩形，水池?cái)嗝娴纳顚挶却蠹s為0.3～0.5，曝氣擴(kuò)散器位于池的一側(cè)，工作時(shí)水流呈螺旋推流狀。
隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，曝氣池?cái)嗝娴纳顚挶壤诓粩鄡?yōu)化，首先是曝氣器采用兩側(cè)布置，故寬度要放大，而后根據(jù)土建結(jié)構(gòu)分析以及水力學(xué)上的考慮，曝氣池深寬比逐步變?yōu)?～2。目前，曝氣池?cái)嗝嫔疃纫话銥?.5～4.5m，寬度為3.5～9 m。一般來說，曝氣池通常為廊道式，水流為推流式，空氣擴(kuò)散器可布置在一側(cè)或兩側(cè)，也可全池布置。當(dāng)采用表面機(jī)械曝氣器供氧時(shí)，如用豎軸式表面曝氣葉輪供氧，曝氣池平面可布置成矩形或圓形，池內(nèi)置一臺表曝葉輪；有時(shí)呈長方形，池內(nèi)置多臺表曝葉輪，葉輪之間可用墻隔開，水流為完全混合型。若用橫軸式轉(zhuǎn)刷或轉(zhuǎn)盤供氧，曝氣池平面呈狹長廊道形，稱為氧化溝布置形式。在狹長廊道兩端，設(shè)豎軸式表面曝氣葉輪充氧，這也是一種氧化溝布置方式。氧化溝水流為推流式，但當(dāng)氧化溝污泥負(fù)荷低時(shí)，具有完全混合式特點(diǎn)。
綜上所述，曝氣池布置大致分為兩種型式，平面呈狹長矩形池，水流為推流式；平面呈矩形或圓形池，水流為完全混合式。從實(shí)踐中可知，狹長矩形池的充氧不均勻，處理效果易受污水負(fù)荷變化影響，污泥易發(fā)生膨脹；矩形或圓形池雖能承受污水負(fù)荷變化，但有可能發(fā)生污水短路，影響處理效率，污泥也容易發(fā)生膨脹。為了克服上述缺點(diǎn)，上海市政設(shè)計(jì)研究院從20世紀(jì)80年代開始，研究開發(fā)新的曝氣池池型，主要從增加水池深度、節(jié)省用地考慮，同時(shí)要找到一種耗能低、不堵塞、管理方便的空氣擴(kuò)散器。經(jīng)研究在曝氣池中設(shè)套筒，利用氣提作用，可增加水深，同時(shí)利用空氣流的高速噴射撞擊作用提高氧的利用率。由于池內(nèi)設(shè)提升套筒，故稱套筒式曝氣池，經(jīng)過小試、中試、直到工程中應(yīng)用，取得了良好效果。 1 套筒式曝氣池的設(shè)計(jì)與布置 1.1 布置形式
套筒式曝氣池由6座(或6座以上)矩形池(單池尺寸不宜大于9 m×9 m，池單邊尺寸應(yīng)大于水深)組成，每座池內(nèi)設(shè)套筒兩個(gè)(套筒面積占池面積的5%左右)，套筒內(nèi)密集設(shè)置多噴嘴曝氣器(見圖1)。
污水、污泥從一端進(jìn)入1號池，依次經(jīng)過2、3、4、5及6號池出流至二次沉淀池。這種布置的特點(diǎn)是將6座完全混合式水池串聯(lián)起來，不會發(fā)生短路，既能承受污水負(fù)荷變化，又改善了污泥沉降性能，處理效果穩(wěn)定。
套筒式曝氣池也可設(shè)計(jì)成圓池(見圖2)，其主要尺寸與矩形池類同。 
1.2理論分析
假定生物處理中污染物的去除按一級反應(yīng)降解，處理時(shí)間與處理效率關(guān)系為： 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——進(jìn)水、出水污染物濃度
k——反應(yīng)速率常數(shù)
t——停留時(shí)間
當(dāng)n個(gè)完全混合池串聯(lián)時(shí)： T=nt=n／k［(C0／C)1/n-1］ (3)
當(dāng)進(jìn)水污染物濃度C0＝100 mg/L、出水C＝5 mg/L時(shí)，串聯(lián)完全混和池容積為： 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——容積
Q——流量 由此可算出單個(gè)完全混合池、串聯(lián)完全混合池與推流池的相對容積比，如表1所示。
由表1可知，在相同的去除率下，串聯(lián)池越多，反應(yīng)器容積越小。6池串聯(lián)與單池相比，容積已大大減小，無限增加串聯(lián)池?cái)?shù)，總?cè)莘e再減小已不明顯，故套筒式曝氣池串聯(lián)池?cái)?shù)宜采用6～10座為宜。
表1 串聯(lián)完全混合池的相對容積比| 形式 | 去除率 | | 85% | 95% | 98% | | 單個(gè)完全混合池 | 5.67 | 19. | 49 | | 2池串聯(lián) | 3.16 | 6.96 | 12.14 | | 4池串聯(lián) | 2.43 | 4.46 | 6.64 | | 6池串聯(lián) | 2.22 | 3.90 | 5.50 | | 8池串聯(lián) | 2.14 | 3.60 | 5.04 | | 推流池 | 1.9 | 3.0 | 3.91 | 1.3 單池的工作特性
一般曝氣池水深為4～6 m，鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)壓為49 kPa，而套筒式曝氣池水深可達(dá)7.5 m，風(fēng)機(jī)風(fēng)壓仍采用49 kPa，其主要是利用了套筒提升作用。曝氣器位于水面下約3.8～4.0 m處，套筒內(nèi)設(shè)置多噴嘴曝氣器，有序排列，每只曝氣器四個(gè)噴嘴，相鄰噴嘴對置。曝氣時(shí)，噴出的空氣形成撞擊氣流使氣泡變小，并使套筒內(nèi)水流向上起到提升作用。在套筒頂部水面處，設(shè)弧形反射板，上升氣水混合體經(jīng)反射板引導(dǎo)，使水流的動(dòng)能變成水平壓能沿水面向四周噴射，形成較大水躍，使全池混合均勻，不產(chǎn)生沉積。
1.4多噴嘴曝氣器
多噴嘴曝氣器為一球狀體，在球體中間水平向設(shè)四個(gè)噴嘴(每只噴嘴的供氣量約為0.28～0.35m3/min，噴嘴直徑為5～7 mm，通過噴嘴口的水頭損失約為392 Pa)，球體上端接空氣管，下端設(shè)防堵尾管，空氣從四個(gè)水平向噴嘴以15～20 m/s速度噴出，由于采用對稱布置，故相鄰兩個(gè)噴嘴對齊后形成沖擊氣流，氣泡沖擊后，形成若干小氣泡群向上浮升(曝氣器構(gòu)造及布置如圖3所示)。當(dāng)停止供氣時(shí)，泥水從防堵管進(jìn)入曝氣器，重新通氣時(shí)，泥水又從防堵管沖出，故不會發(fā)生噴嘴堵塞現(xiàn)象。這種布置在工程中已使用10年以上未發(fā)生堵塞。經(jīng)生產(chǎn)性大池實(shí)測，其氧利用率達(dá)10%以上。 
1.5 防止污泥膨脹
多座完全混合池串聯(lián)后，由于每座池的基質(zhì)濃度梯度大，使絲狀微生物難以生存，數(shù)量減少，污泥不發(fā)生膨脹。工程實(shí)踐也證實(shí)了這一研究成果，如上海地區(qū)城市污水處理廠有10余座，每到夏天水溫升高后污泥常常發(fā)生膨脹，污泥體積指數(shù)在300～500之間，影響正常運(yùn)行。而采用套筒式曝氣池的閔行污水廠，污泥體積指數(shù)在100～150之間，沉降性能良好，10余年來從未發(fā)生污泥膨脹。同樣，在氣溫較高的廈門污水處理廠也采用了套筒曝氣池，投產(chǎn)后10余年從未發(fā)生污泥膨脹。 2 主要參數(shù)及實(shí)測結(jié)果 2.1 套筒
每只套筒平面的長寬比為5∶1，套筒中部設(shè)圍板，上口及下口不設(shè)圍板，其比例是上口為0.45～0.5 H，圍板為0.25～0.3 H，下口為0.3～0.35 H(見圖4，H為水深)。 
2.2 反射板
反射板置于套筒上端，其作用是將向上的水氣混合液經(jīng)反射板后迅速轉(zhuǎn)變成水平向壓能。經(jīng)多次試驗(yàn)研究，反射板的構(gòu)造是采用勾股弦比例，在弦的中垂線上求取其圓心，夾角保持在74°左右(見圖5)。 
2.3實(shí)測結(jié)果
對生產(chǎn)性池子進(jìn)行了實(shí)地檢測，主要觀察套筒曝氣池充氧情況及混合情況。選測的矩形池平面尺寸為7.95 m×7.42 m，水深為7.5 m。
2.3.1充氧能力測定
進(jìn)行了兩次測定，采用溶氧儀和化學(xué)法，同時(shí)測溶解氧值。取樣點(diǎn)在水面下約0.5 m、3 m及距池底0.5 m處，測定在清水中進(jìn)行，供氣率為(7.1∶1)～(4.2∶1)，經(jīng)換算至20 ℃時(shí)的動(dòng)力效率為2.8～3.6 kgO2/(kW·h)，氧利用率為8.5%～9.5%，上述結(jié)果均為各點(diǎn)平均值。實(shí)際運(yùn)行中，氣水比＜4.2∶1時(shí)，估計(jì)氧利用率＞10%。
2.3.2混和情況測定
投加示蹤劑(鹽基玫瑰精染料)，一次投入約4 kg，水體積為391m3，平均濃度為10.23 mg/L，空氣量為10.2m3/min，每5 min取樣測光密度。結(jié)果顯示，染料投入后5 min內(nèi)已達(dá)到完全混和。
2.3.3 MLSS值測定
表2 各點(diǎn)實(shí)測的MLSS值| 取樣點(diǎn) | 水下深度 | | 1m | 3.5m | 6 m | | 1 | 3225mg/L | 3380mg/L | 3430mg/L | | 2 | 3561mg/L | 3479mg/L | 4086mg/L | | 3 | 3607mg/L | 3024mg/L | 3720mg/L | | 4 | 3520mg/L | 3556mg/L | 3334mg/L | | 5 | 3960mg/L | 3970mg/L | 3840mg/L | | 6 | 3641mg/L | 3524mg/L | 3910mg/L | | A | 3941mg/L | 3912mg/L | 3925mg/L | | B | 4085mg/L | 3799mg/L | 3910mg/L | | C | 3987mg/L | 3915mg/L | 3136mg/L | 在完全混合型曝氣池正常運(yùn)行時(shí)，取樣測各點(diǎn)MLSS值，其結(jié)果如表2所示，說明整個(gè)池內(nèi)混和情況良好。
2.3.4曝氣筒內(nèi)流速測定
采用螺旋槳式流速儀，安裝在筒底以上1/3處，測定筒內(nèi)上升流速。當(dāng)供氣量為6m3/min時(shí)，上升流速為0.43～0.47 m/s；供氣量為10.2m3/min時(shí)，上升流速為0.56 m/s。按此推算，水池容積為391.1m3，每池兩只曝氣筒，全池水環(huán)流一次，氣量為6m3/min時(shí)約需7.4 min，氣量為10.2m3/min時(shí)約需5.9 min。
根據(jù)生產(chǎn)性池子的實(shí)測結(jié)果，套筒式曝氣池運(yùn)行基本上達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。 3 工程實(shí)例 我院自開發(fā)成功套筒式曝氣池后，在工程中即予以推廣應(yīng)用，已建成的套筒式曝氣池工程實(shí)例如表3所示。 表3 套筒式曝氣池工程實(shí)例| 名稱 | 規(guī)模(104m3/d) | 曝氣池?cái)?shù)量 | 池體尺寸：
長×寬×深 (m) | 投產(chǎn)年份 | 上海閔行污水處理廠
二期*
三期* | 2.2
1.5
1.5 | 2組，每組6座，共12座
2組，每組8座，共16座
2組，每組8座，共16座 | 7.9×7.6×7.5
8.6×8.6×7.5
7.8×7.8×7.5 | 1981年
1990年
1998年 | | 上海煉油廠污水處理站 | 1.44 | 2座 | 圓池，φ=19.6，H=7.5 | 1981年 | | 上海吳淞污水處理廠* | 4 | 2組，每組8座，共16座 | 9×9×7.5 | 1991年 | | 蘇州城東污水處理廠 | 2.5 | 2組，每組6座，共12座 | 8.5×8.5×7.5 | 1989年 | | 廈門員當(dāng)湖污水處理廠 | 3.7 | 2組，每組8座，共16座 | 8.5×8.5×7.5 | 1988年 | 深圳濱河污水處理廠
(A/B法A段曝氣池) | 30 | 4組，每組6座，共24座 | 9×9×7.5 | 1998年 | | 注*有生物脫氮功能。 | 上述各污水處理廠運(yùn)行正常、維護(hù)簡便、處理出水水質(zhì)達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，其中上海閔行污水廠、廈門員當(dāng)湖污水處理廠、深圳濱河污水處理廠、上海煉油廠污水處理站，分別獲部、市級優(yōu)秀設(shè)計(jì)一、二等獎(jiǎng)。 4 結(jié)語 實(shí)踐證明，套筒式曝氣池具有占地省、投資少、運(yùn)行費(fèi)用低、管理方便等優(yōu)點(diǎn)，是我院自主開發(fā)的一種曝氣池形式，特別適用于中小型污水處理廠。近年來，又進(jìn)一步研究開發(fā)成功在套筒曝氣池一側(cè)組建雙層矩型平流沉淀池，使曝氣池和沉淀池布置更為緊湊，用地更省，管理也更方便。
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收稿日期：2001-02-14 | 
