缺氧池搅拌器选型与设计方法

缺氧池搅拌器选型与设计方法

缺氧生化（Anoxic）是生物脱氮工艺中的关键单元，主要用于反硝化过程，即将硝态氮还原为氮气，从而去除水中的氮污染物。在AAO、UCT、改良型UCT（MUCT）、SBR、MSBR 等工艺中被广泛使用。缺氧生化需要设置搅拌器，保证溶解氧控制在0.2~0.5 mg/L之间。但实际项目运营和设计过程中，缺氧搅拌系统往往没有引起运营人员和设计人员的重视，以至于影响脱氮效果。本文从缺氧生化原理出发，分享缺氧池搅拌器选型与设计方法，供水处理人士参考。

一、缺氧生化原理在缺氧环境下（溶解氧控制在0.2~0.5 mg/L之间），异氧型反硝化细菌以硝态氮（NO??-N）或亚硝态氮（NO??-N）作为电子受体，以有机物（如BOD5、CODcr）作为电子供体，通过一系列生化反应将氮转化为氮气（N?），最终逸散到空气中，实现脱氮，反应过程如下所示。

虽然 溶解氧在缺氧池中的含量低，但它仍然可能参与一些副反应。如有机物降解（兼性异养菌的呼吸作用）、部分硝化作用（如果溶解氧稍高），如下所示。

同时，反硝化细菌是兼性厌氧菌，正常情况下，其氧需求依靠硝态氮（NO??-N）或亚硝态氮（NO??-N）中的氧元素，而不是游离氧，但在碳源不足或能力消耗过程中，可能会有微量的氧气需求，这就是缺氧池控制溶解氧在0.2~0.5 mg/L之间的原因。

二、搅拌器选型    缺氧池通常需要使用搅拌器，主要目的是保持混合均匀、避免污泥沉积，同时防止溶解氧过高，确保反硝化过程顺利进行。常见的搅拌器有潜水搅拌器和立式搅拌器两种。潜水搅拌器低速运行，剪切力小，不会破坏污泥絮体，适用于水深较深的缺氧池，安装灵活，维护方便。立式搅拌器适用于水深较浅的池子，搅拌效果不如潜水搅拌器均匀，可能会导致短流或局部DO升高，不太常用。

搅拌器叶片类型影响叶片的升力系数CL。在低速搅拌中，通常选用推流型叶片，以提供较大的轴向流动，且不过度增加剪切力和溶解氧。各种搅拌器叶片类型对比如表1所示。

表 1 各种搅拌器叶片类型对比

部分搅拌器叶片具有一定的倾角，倾角也是影响搅拌器叶片的升力系数之一，倾角选择在10~15°之间时，推流效果最好，叶片升力系数CL 在0.8~1.0之间，不建议使用剪切力大的平直叶片。

三、搅拌器设计方法

1. 搅拌器功率计算

缺氧池搅拌器的设计需要考虑搅拌强度、流速、池型、功率需求等因素，以确保污泥和硝态氮均匀分布，同时防止溶解氧过高。搅拌器功率计算有通过经验公式估算和基于流速计算两种方法。

（1）经验公式估算
普通缺氧池搅拌功率可按2~4 W/m?计算，对于污泥浓度高的（MLSS＞4000 mg/L）缺氧池，按4~6 W/m?计算。如一个污泥浓度为3000 mg/L的缺氧池，有效容积为1000 m?。则所需搅拌功率为(2~4)×1000 =2.0~4.0 kW。

（2）基于流速计算式中：P 为搅拌器所需功率，kW；ρ 为水的密度，可近似取ρ = 1000 kg/m?；V 为缺氧池容积，m?；v 为设计流速，缺氧池的流速宜控制在0.1~0.3 m/s之间；η 为搅拌器效率，一般在0.6~0.8之间。如一个污泥浓度为3000 mg/L的缺氧池，有效容积为1000 m?，单个廊道的池宽5 m，水深6 m，设计处理能力为5000 m?/h，回流比为200%，则进入缺氧池的水力相当于15000 m?/h，则计算缺氧池流速为v = 15000÷(5×6×3600) = 0.14 m/s，根据上式，计算搅拌器所需功率为1.72~2.29 kW。经验公式法一般属于保守设计，即估算值偏大；基于流速计算未考虑湍流和池壁摩擦等能力损失，即计算值偏小。我们应采用两种方法分别计算后，再得出结果范围内，取中等偏上值，例如本例可取所需功率为3.0 kW。

2. 搅拌器直径计算

搅拌器直径大小影响到搅拌器的推流能力和混合能力，推流能力是保证达到设计流速的关键、混合能力是避免短流和死区，使反硝化作用高效进行的关键。搅拌器直径可以采用经验公式和流体力学公式两种计算方法。（1）经验公式估算对于缺氧池常用的推进式搅拌器，池宽B＜4 m的小型缺氧池，搅拌器直径可取D = 0.5B；池宽B ≥4 m的大型缺氧池，搅拌器直径可取D = 0.3B。例如上面示例中，池宽B = 5 m＞4 m，取搅拌器直径D = 0.3B = 1.5 m。

（3）流体力学计算公式式中：P 为搅拌器功率，kW；Cp 为搅拌器功率系数，对于缺氧池用的推进式搅拌器Cp =0.3~0.5；ρ 为水的密度，可近似取ρ = 1000 kg/m?；N 为搅拌器转速，r/s，对于缺氧池用的推进式搅拌器N =30~80 r/min =0.50~1.33 r/s。对于上面的示例，选择搅拌器所需功率为P = 3.0 kW，我们设计2台搅拌器，则单台功率为1.5 kW。搅拌器转速N = 42 r/min= 0.7 r/s，搅拌器功率系数取Cp =0.4，则计算搅拌器叶轮直径为1.61 m，如下式所示。

上述两种计算方法得到的直径都是所需的最小直径。此时，我们查阅某厂家产品手册，选择QJB1.5/4-1800/2-42/P/S/F型低速推流潜水搅拌器，该搅拌器功率2.2 kW、叶轮直径1.8 m、转速42 r/min，满足我们的需求。

总结缺氧池搅拌器选型与功率设计合理与否直接影响到生化效果和水流状态，推荐使用翼型叶片的潜水搅拌器；搅拌器功率计算应结合经验公式和基于流速公式两种方法取中等偏上值，叶轮直径是保证推流能力和混合能力的根本，在选择搅拌器时也必须考虑。