生物接触氧化法作为给水生物预处理工艺

摘要：生物接触氧化法作为给水生物预处理工艺，近年来得到了日益广泛的工程实际应用。本文对给水生物接触氧化法预处理工程中常用的两种曝气系统（微孔曝气器曝气和穿孔管曝气），作了充氧性能、系统造价、运行成本及运行管理等方面的比较研究。研究表明，在实际工程应用中，采用微孔曝气器的曝气系统优于采用穿孔管的曝气系统。
关键词： 微孔曝气器 生物接触氧化池 穿孔管 充氧性能 运行成本
　　近些年来，随着工农业的迅速发展，城市化建设加快，城市人口膨胀，引起了城市工业与生活用水大量增加；同时，相应的污染排放量也在逐年增加，导致了饮用水水源普遍受到污染，饮用水水质恶化。在给水处理领域中引入生物预处理，已成为微污染水源水处理的技术发展方向和有效手段之一。在我国，给水工程实践中常用生物接触氧化法作为生物预处理工艺。在该方法中，曝气系统的选择直接关系着整个生物预处理工艺的充氧性能、处理效果、运行成本和管理操作。本文结合中试试验和工程实践对这两种不同曝气系统作了多方面的比较与分析。
　　1 生物接触氧化池的两种曝气系统
　　为提高氧的利用率，生物接触氧化池宜采用气水逆向流设计。一般用鼓风机鼓风曝气，曝气设备分布于池底；气流自下向上流经填料区，水流自上向下流经填料区。曝气系统一般采用微孔曝气系统或穿孔曝气系统。
　　微孔曝气系统一般采用膜片式微孔曝气器作为曝气设备，池中填料一般采用弹性填料，设计气水比一般取0.7左右。
　　穿孔曝气系统采用穿孔管作为曝气设备，池中填料可采用颗粒填料或弹性填料，设计气水比一般取1左右。
　　2 充氧性能比较
　　通过对中试装置的清水充氧试验，对两种不同曝气方式的标准状态充氧性能作了测试，并对以下几项充氧性能评定指标作了比较与分析。
　　(1) 标准状态下的氧总转移系数KLas（h-1）——曝气器在标准状态(水温20℃、1atm大气压强)的测试条件下，在单位传质推动力作用时，单位时间向单位体积水中传递氧的数量；
　　 KLas=KLa(T)•1.024(20-T)　　　　　　 (1）
　　式中 KLa(T)——水温为T℃条件下，氧气的总转移系数（h-1）；
　　　　 T——测定时的实际水温（℃）。
　　KLa(T)=2.303lg[(c3-c1)/(c3-c2)]×［60/(t2-t1)] 　　（2）
　　式中 Cs——液体中的氧气溶解度（mg/L）；
　　　　 C1、C2——在t1、t2时间（以min计）所测得的氧气浓度（mg/L）。
　　(2) 氧气转移率dc/dt（mg/L.h）——曝气器在标准状态的测试条件下,单位体积内氧气的转移速率；
　　dC/dt=KLas•Cs(20) 　　　　　　　　　　（3）
　　式中 dC/dt ——单位体积内氧气的转移速率，简称氧气转移率（mg/L.h）；
　　　　 Cs(20)——标准状态下的氧气在清水中的溶解度，Cs(20)=9.17mg/L。
　　(3) 充氧能力R0(kgO2/h)——曝气器在标准状态的测试条件下，单位时间向溶解氧为零的水中传递的氧量:
　　R0=KLas•V•Cs(20)•10-3 ,（kgO2/h） 　　　　(4)
　　式中 V——液体体积（m3）。
　　(4) 氧利用率EA（％）——曝气器在标准状态的测试条件下，传递到水中的氧量占曝气器供氧量的百分比：
　　EA=(R0/S)×100%　　　　　　　 （5）
　　式中 S——供氧量(kgO2/h)；
　　S=0.21•1.331•GS
　　其中 0.21——空气中氧所占比例；
　　　　 1.331——标准状态下氧的容重(kg/m3)；
　　　　 GS——供给空气量(m3/h)。
　　(5) 充氧动力效率EP（kgO2/kW.h）——曝气器在标准状态的测试条件下消耗1kW.h有用功所传递到水中的氧量。
　　Ep=R0/N 　　　（kgO2/KW.h） （6）
　　式中 N ——消耗功率计算值；
　　N=HGsγ/102 （kW）
　　其中　H ——空气压力(kg/cm2)；
　　　　　γ——标准状态下的空气容重，γ =1.205(kg/m3)。
　　2.1 清水充氧试验
　　本试验直接利用A型和B型生物接触氧化中试装置（见图1）为测试装置：A型生物接触氧化池的填料区下方设微孔曝气器(微孔直径0～200μm范围内变化)，直接向弹性填料区鼓风曝气，池中水深4.5m，填料区高度4m，并采用两级串联的方式运行。B型生物接触氧化池的填料区下方设置穿孔曝气管(孔径1mm)，直接向颗粒填料区鼓风曝气，池中水深4.1m，填料区高度2m。


A型和B型生物接触氧化池流程示意图
　　试验用水为自来水，水温28℃，供气量以转子流量计计量换算。试验方法采用静态启动的间歇非稳态法；用亚硫酸钠为消氧剂，氯化钴为催化剂；溶解氧采用溶氧仪直接测定。
　　试验条件和测试结果见图2和表1。


溶解氧随时间的变化
　　*注：气量均采用设计工况下的曝气量，曝气强度均控制在4m3/m2.h左右。
　　2.2 试验结果分析和结论
　　 2.2.1 由表1可以看出：
　　（1） 由于氧的溶解度小（因而氧的转移也慢），通过正常的气水交界面难以获得足够的氧量来进行好氧生物处理，必须要人为地增加气水的交界面。鼓风曝气就是增加氧转移交界面的一种方法。依据双膜理论，膜的厚度反映了阻力的大小。在浓度差相等的情况下，鼓风曝气气泡愈小，氧的转移量也愈多。由表1第6项可知，A型生物接触氧化池的气泡直径远小于B型；从第7、8项可看出，其相应的KLaS值和dc/dt值高于B型。
　　（2） 一个曝气装置的KLaS值大，吸收的氧量虽可多些，但未必经济。所以在实际工作中常用氧利用率EA和充氧动力效率Ep来作为比较曝气装置效率的指标。从表1第10、11项可明显看出，A型生物接触氧化池的EA值和EP值均高于B型。这说明在同等的充氧能力下，A型生物接触氧化池所消耗的能量小于B型。
　　2.2.2 在后来试验稳定工况的连续运转中，曾多次测定A、B型生物接触氧化池中水体的溶解氧，结果见表2：
　　由表2可知，A型生物接触氧化池中各部位的溶解氧值均高于B型。这说明了A型生物接触氧化池具有较高的充氧效率，能提供足够的氧气以保证生物膜进行生化反应。
　　综上所述，可认为：从充氧性能的上述五项评价指标来比较，A型生物接触氧化池的充氧性能明显优于B型生物接触氧化池。
　　3 曝气系统经济比较
　　参考某地一座4万m3/d产水量的生物接触氧化池的实际工程设计，假定池表面积560 m2，有效水深为4.5m；并假定填料均采用YDT弹性波纹立体填料，曝气用鼓风机均采用国产罗茨风机，水下空气管道采用ABS管材（水上空气总管采用钢管）。在此假定前提下，对可能用的两种曝气系统方案进行了经济上的比较与分析。
　3.1 曝气系统造价比较
　　（1） 微孔曝气系统的气水比为0.7，总供气量为2.8万 m3/d。采用鼓风机的额定空气流量为19.4 m3/min，出口静压49kPa，配套电动机功率30kW。
　　空气总管管径300mm，采用钢管。为曝气均匀，将整个生物接触氧化池分为四个曝气区。位于生物接触氧化池底部的布气管道布置成环状，管径100mm，管道间距0.6m，采用ABS管。曝气器采用膜片式微孔曝气器，安装于环状布气管道上，每个曝气器的服务面积约0.5m2，共1200个曝气器。
　　（2） 穿孔曝气系统的气水比为1，总供气量为4万m3/d。采用鼓风机的额定空气流量为
27.8m3/min，出口静压49kPa，配套电动机功率37kW。
　　空气总管管径350mm，采用钢管。为曝气均匀，位于生物接触氧化池底部的穿孔曝气管采取环路布置和曝气管下弯配置方法。穿孔管采用ABS管，沿管道每隔25mm开孔，孔径为2～3mm，管道间距为1.5～2.0m。
　　（3） 曝气系统主要包括鼓风机和管道系统（曝气器、管道、管件、阀门、支撑、水平调节器等）。计算曝气系统造价时，参照1999年上半年上海市的市场价格，再考虑相应的安装调试费用，最后得出两种曝气系统的工程造价（未考虑利润率）如下：
　　微孔曝气系统：约60万元；
　　穿孔曝气系统：约35万元。

　　3.2 曝气系统运行成本比较
　　因为两种曝气系统的维护管理所需人工费相近，所以主要考虑用电量的差别。
　　参考上海市工业用电价格，设电价平均为0.7元/kW.h，并假定生物接触氧化池每天24小时运行。微孔曝气系统所用电动机功率为30kW，每年耗电量262800kW.h，每年电费约为18.4万元；穿孔曝气系统所用电动机功率为37kW，每年耗电量324120kW.h，每年电费约为22.7万元。所以两种曝气系统每年所需电费相差约为4.3万元。
　　由以上分析可知，微孔曝气系统每年的运行成本比穿孔曝气系统约少4.3万元。
　　3.3 曝气系统对制水成本的增加
　　（1） 整个曝气系统按15年折旧计算，为简化起见，不考虑土建投资、贷款及利息，则曝气系统的年折旧费用为：
　　微孔曝气系统：约4万元/年；
　　穿孔曝气系统：约2.3万元/年。
　　（2） 曝气系统所需运行费用主要包括电费和人工费，人工费均按4.8万元/年计算，所以年运行费用为：
　　微孔曝气系统：约23.2万元/年；
　　穿孔曝气系统：约27.5万元/年。
　　（3） 因生物接触氧化池日产水量为4万m3/d，年产水量为1460万m3/年，所以曝气系统对制水成本的增加为：
　　微孔曝气系统：（4＋23.2）/1460=0.0186元/m3水，约1.86分/m3水；
　　穿孔曝气系统：（2.3＋27.5）/1460=0.0204元/m3水，约2.04分/m3水。
　　4 曝气系统的运行管理
　　曝气系统的正常运行依赖于曝气系统的使用寿命和日常维护。
　　（1） 微孔曝气系统正常运行的关键在于微孔曝气器的正确选用。随着科技的发展，在目前的工程应用中，曝气器支承盘多采用ABS工程塑料，布气膜片多采用高分子聚合物或添加了增强剂的橡胶，取代了原有的钛板或陶瓷板曝气的微孔曝气器。布气膜片的内外表面很光滑，不会产生金属氧化物，不易固着生物膜，并有很好的耐酸耐碱性能。布气膜片上的气孔可随气量的增减而可大可小，从而使曝气变得更加均匀，同时也防止了堵塞。由于布气膜片具有一定的弹性，曝气器在充氧曝气时，布气膜片及膜片上的微孔在气体的作用下能自行鼓胀挣开，以确保气体可从微孔中通过，在停止曝气时，布气膜片上的微孔呈闭合状态。由于布气膜片具有弹性及微孔可自行扩张和收缩，避免了以往曝气器微孔容易受堵的现象。

　　其缺陷在于：生产微孔曝气器的厂家较多，其产品质量良莠不齐。如果曝气器布气膜片的材质和加工质量不过关，会导致在使用过程中出现布气膜片破损的情况。在已有的生产性给水生物接触氧化池中，有的水厂连续运行三年以上，未出现过布气膜片破损的情况；但也有个别水厂在不到一年的运行时间内，就有少数曝气器的布气膜片出现破损。由于曝气器安装在填料的下方，更换检修较为困难，所以对曝气器的质量提出了严格的要求。
　　（2）穿孔曝气系统直接在空气管道上开孔曝气，所以不存在上述微孔曝气系统存在的膜片破损问题。给水工程中，穿孔曝气管孔眼直径一般为3mm，也有工程采用1～2mm孔眼直径。尽管在污水处理中，穿孔曝气管多采用3mm孔眼直径，且较少有曝气不均匀和堵塞现象。但在给水处理中，因为气水比和曝气强度远小于污水处理，所以在池表面积较大的情况下，其曝气均匀性较难控制。并且在长期使用时，曝气管内和孔眼处容易固着生物膜，产生生物粘垢，最终可能导致某些孔眼和局部管道堵塞。在停止曝气时，因孔眼不能闭合，在水力静压作用下，底泥可能通过孔眼进入曝气管，也容易造成某些孔眼和局部管道堵塞。由于曝气管安装在填料的下方，更换检修较为困难，所以在给水工程应用中，如何解决大面积、小曝气强度的穿孔曝气系统的曝气不均匀性和堵塞问题，是一个有待于深入研究的课题。
　　5 结语
　　通过对微孔曝气系统和穿孔曝气系统的综合比较，可认为：
　　（1） 在充氧性能方面，微孔曝气系统明显优于穿孔曝气系统。就文中所述的五项充氧性能评定指标而言，前者较后者均有所提高，其氧的总转移系数、氧利用率、充氧动力效率可提高50％～60％。
　　（2） 在经济比较上，尽管微孔曝气系统的造价高于穿孔曝气系统，但由于前者耗电量较低，微孔曝气系统对制水成本的增加低于穿孔曝气系统约0.1～0.2分/m3水。
　　（3） 在运行管理方面，两种曝气系统各有优势。微孔曝气系统采用微孔曝气器曝气，一般不存在孔眼和管道堵塞的问题，但由于有的布气膜片可能破损，对曝气器的质量要求较高；穿孔曝气系统采用穿孔管曝气，管道一般不会破损，但由于给水生物处理中曝气强度一般较小，易存在曝气均匀性较差及孔眼和局部管道堵塞的问题。
　　一般来说，在给水生物接触氧化法的工程实践应用中，采用微孔曝气系统优于穿孔曝气系统