羊壽生
(上海市政設(shè)計(jì)研究院，上海200002)

　　摘　要：介紹了開(kāi)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(hào)：TU992.02
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C
　　文章編號(hào)：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(zhǎng)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(lái)說(shuō)，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(tái)表曝葉輪；有時(shí)呈長(zhǎng)方形，池內(nèi)置多臺(tái)表曝葉輪，葉輪之間可用墻隔開(kāi)，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(zhǎng)廊道形，稱為氧化溝布置形式。在狹長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(kāi)始，研究開(kāi)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(guò)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(jiàn)圖1)。

　　污水、污泥從一端進(jìn)入1號(hào)池，依次經(jīng)過(guò)2、3、4、5及6號(hào)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(lái)，不會(huì)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(jiàn)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(jí)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(duì)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(wú)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。

　　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(duì)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(guò)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(duì)稱布置，故相鄰兩個(gè)噴嘴對(duì)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(huì)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(cè)，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(lái)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(cè)結(jié)果

　　2.1　套筒
　　每只套筒平面的長(zhǎng)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(jiàn)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(jiàn)圖5)。

　　2.3實(shí)測(cè)結(jié)果
　　對(duì)生產(chǎn)性池子進(jìn)行了實(shí)地檢測(cè)，主要觀察套筒曝氣池充氧情況及混合情況。選測(cè)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(cè)定
　　進(jìn)行了兩次測(cè)定，采用溶氧儀和化學(xué)法，同時(shí)測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)定
　

　　在完全混合型曝氣池正常運(yùn)行時(shí)，取樣測(cè)各點(diǎn)MLSS值，其結(jié)果如表2所示，說(shuō)明整個(gè)池內(nèi)混和情況良好。
　　2.3.4曝氣筒內(nèi)流速測(cè)定
　　采用螺旋槳式流速儀，安裝在筒底以上1/3處，測(cè)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(cè)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(kāi)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。

　　上述各污水處理廠運(yùn)行正常、維護(hù)簡(jiǎn)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(jí)優(yōu)秀設(shè)計(jì)一、二等獎(jiǎng)。

　　4　結(jié)語(yǔ)

　　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(kāi)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(lái)，又進(jìn)一步研究開(kāi)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