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曝氣池的設計計算與曝氣設備的選擇
生化處理中一般采用活性污泥法，其主要的工藝流程包括：預處理>初次沉淀>混合>曝氣>二次沉淀，曝氣是活性污泥法處理廢水的重要環節，曝氣在曝氣池中完成。因此曝氣池的設計在整個生化處理工藝設計中也就占到十分重要的地位。
按照曝氣的方式不同，曝氣池的分類也各不相同，一般情況下，我們可以分為推流式曝氣池和完全混合型曝氣池兩種，各種不同的曝氣方式設計的參數也是不相同的，這主要是根據實際條件來進行相應的調整。曝氣設備的選擇則是經濟效益和運行成本控制的關鍵。
曝氣池的設計計算主要包括：①曝氣池容積的計算；②池體設計；③需氧量和供氧量的計算。
1、有機負荷計算法
計算曝氣區容積，常用的是有機負荷計算法。負荷有兩種表示方法，即污泥負荷和容積負荷。一般采用污泥負荷，計算過程如下：
（1）確定污泥負荷
污泥負荷一般根據經驗值確定，可以參照有關成熟經驗中的數值。
表1：部分活性污泥工藝參數和特點
|
工藝類型 |
污泥齡/d |
污泥負荷kgBOD5/kgMLSS |
容積負荷kgBOD5/m3.d |
MLSSmg/L |
水力停留時間/h |
回流比 |
BOD5去除率/% |
備注 |
|
傳統活性污泥法 |
5--15 |
0.2—0.4 |
0.3—0.8 |
1500--3000 |
4--8 |
0.25—0.75 |
85--95 |
用于低濃度生活污水、易受沖擊負荷的影響 |
|
完全混合法 |
5--15 |
0.2—0.6 |
0.6—2.4 |
2500--4000 |
3--5 |
0.25—1.0 |
85--95 |
可用于一般污水，耐沖擊負荷；易發生絲狀菌膨脹 |
|
階段進水 |
5--15 |
0.2—0.4 |
0.4—1.4 |
2000--3500 |
3--5 |
0.25—0.75 |
85—95 |
應用范圍廣泛 |
|
改良曝氣 |
0.2—0.5 |
1.5—5.0 |
0.2—2.4 |
200--1000 |
1.5--3 |
0.05—0.25 |
60--75 |
用于中等濃度的污水，出水中可能含有細胞組織 |
|
接觸穩定 |
5--15 |
0.2—0.6 |
0.9—1.2 |
（1000—3000）注（4000—10000）釋 |
（0.5—1.0）（3—6） |
0.5—1.5 |
80--90 |
用于現有處理系統的改擴建和小型處理廠 |
|
延時曝氣 |
20--30 |
0.05—0.15 |
0.15—0.25 |
3000--6000 |
18—36 |
0.5—1.5 |
75--95 |
工藝靈活，適用于小城鎮、小型處理廠和需要消化的場合 |
|
高負荷法 |
5--10 |
0.4—1.5 |
1.6--16 |
4000-10000 |
2--4 |
1.0—5.0 |
75--90 |
適用于用渦輪曝氣機供氧且控制絮體大小的一般污水處理廠 |
|
純氧曝氣 |
3--10 |
0.25—1.0 |
1.6--.3.2 |
2000--5000 |
1--3 |
0.25—0.5 |
85--95 |
適用于高濃度廢水且可用空間狹窄的地方，能抵抗沖擊負荷 |
|
氧化溝 |
10--30 |
0.05—0.30 |
0.1—0.2 |
3000--6000 |
8--36 |
0.75—1.5 |
75--95 |
適用于小城鎮，有大片可用土地，供氧靈活 |
|
SBR |
/ |
0.05—0.3 |
0.1—0.24 |
1500—5000.備注 |
12--50 |
/ |
85--95 |
適用于小城鎮，可用土地較小的地方，供氧靈活 |
|
深井曝氣 |
/ |
0.5—5.0 |
/ |
/ |
0.5--5 |
/ |
85--95 |
適用于一般的高濃度廢水，該工藝可抵抗沖擊負荷 |
|
合并硝化工藝 |
|
0.10—0.25（0.02—0.20）解 |
0.1—0.32 |
2000-2500 |
6--15 |
0.5—1.5 |
85--95 |
常用的生物脫氮工藝 |
|
單獨硝化工藝 |
|
0.05—0.20（0.04—0.15） |
0.05—0.16 |
2000--3500 |
3--6 |
0.50—2.00 |
85--95 |
適用于現有處理系統的升級及氮的排放標準嚴格的地方 |
|
注：接觸池 釋：污泥穩定池 解：TKN/MLVSS 備注：MLVSS/m變化決定于運行周期 |
||||||||
（2）確定所需要微生物的量
微生物的量（XV）是由所要處理的有機物的總量和單位微生物在單位時間內處理有機物的能力（即污泥負荷）決定的。
根據污泥負荷的定義：Ns=Q（SO-Se）/（XV）,可得公式如下：
（XV）= Q（SO-Se）/ Ns
式中：
V——曝氣池容積，m3
Q——進水設計流量，m3/d
SO——進水的BOD5濃度， mg/L
Se——出水的BOD5濃度， mg/L
X——混合液揮發性懸浮固體，（MLVSS）濃度 mg/L
Ns——污泥負荷，kgBOD5/（kgMLVSS.d）.
(3)計算曝氣池的有效池容
確定了微生物的總量后，需要有污泥濃度的數值才能計算曝氣池的容積。污泥濃度根據所用工藝的污泥濃度的經驗值選擇，一般在3000—6000mg/L之間。經過實驗或其他方式確定了回流比、SVI值后也可以根據下式計算：
X=Rrf106/SVI(1+R)
式中：
R——污泥回流比，%
r——二次沉淀池中污泥綜合系數，一般為1.2左右
f——MLVSS/MLSS
曝氣池容積的計算公式如下：
V=（VX）/X=Q（SO-Se）/（XNS）
式中：
Q——廢水量，m3/d
Q（SO-Se）——每天的有機基質降解量，kg/d
V——曝氣池有效容積，m3
（4）確定曝氣池的主要尺寸
主要確定曝氣池的個數、池深、長度以及曝氣池的平面形式等。按照每日的處理量來確定池體的個數，同時，由于工藝的不同，曝氣池的式樣和個數各不相同，因此在實際的設計中需要我們有現場的實際地形圖和整體效果圖來做依據，這樣設計出來的池體才可以滿足工藝處理需要，并且與周圍的環境和諧一致。
2、動力學方法
也可用動力學方法計算曝氣池的容積。計算過程如下：
（1）確定所需的動力學常數的值
包括Y、Kd、Ks、umax,在沒有實驗數據時可以根據表2、表3 選擇適當的數值。
表2：生活污水的Y、Kd值
|
產率系數（Y） |
衰減系數（Kd） |
|
0.4—0.8mgVSS/mgBOD50.25—0.45mgVSS/mgCOD |
0.0020—0.0029h-1 |
表3：幾種工業廢水的Y、Kd值
|
工業廢水名稱 |
Y |
Kd |
工業廢水名稱 |
Y |
Kd |
|
合成纖維廢水 |
0.38 |
0.10 |
紙漿和造紙廢水 |
0.76 |
0.016 |
|
亞硫酸鹽漿粕廢水 |
0.55 |
0.13 |
制藥廢水 |
0.77 |
/ |
|
含酚廢水 |
0.70 |
/ |
釀造廢水 |
0.93 |
/ |
（2）確定污泥齡
根據公式1/θmin= (Y×umax×SO/ SO+Ks)-Kd可以確定θmin 值。
θmin=1/(Y×umax-Kd)
式中：umax——基質達到飽和濃度時，微生物的比增殖速率，d-1
實際活性污泥處理系統工程中所采用的θC(污泥齡.d)值，應大于θmin值，實際取值按公式1/θmin= Y×umax-Kd乘以安全系數。安全系數一般在2—20。也可以根據經驗進行取值，參照表1數據。
（3）確定所需的微生物量
根據公式1/θC=[Y×umax×(SO-Se)/ (SO-Se)+KsIn SO/ Se]-Kd來確定微生物的量，可以得到微生物量的計算公式：
（XV）=QθCY(SO-Se)/(1+KdθC)
（4）確定曝氣池的容積
首先確定微生物濃度，其方法與前面的負荷設計法相同。
V=(VX)/X
（5）根據對出水濃度進行校核；或者根據污泥負荷的定義對污泥負荷進行校核。這兩種方法取其中一種就可以。
1、需氧量
活性污泥的正常運行，除需要有性能良好的活性污泥以外，還需要進行充足的氧氣供應，活性污泥法處理系統的日平均需氧量（O2）可按公式1/θC=YNs-Kd計算，去除1kgBOD5的需氧量（ΔO2）根據下式計算，也可根據經驗數據選用。
ΔO2= /Ns
廢水a’、b’的值和部分工業廢水的a’、b’ 值可以從表4、表5選取。
表4：活性污泥法處理城市廢水時的廢水a’、b’和ΔO2的值
表5：部分工業廢水的a’、b’值
|
污水名稱 |
a’ |
b’ |
污水名稱 |
a’ |
b’ |
|
石油化工廢水 |
0.75 |
0.16 |
煉油廢水 |
0.55 |
0.12 |
|
含酚廢水 |
0.56 |
—— |
亞硫酸漿帛廢水 |
0.40 |
0.185 |
|
漂染廢水 |
0.5—0.6 |
0.065 |
制藥廢水 |
0.35 |
0.354 |
|
合成纖維廢水 |
0.55 |
0.142 |
制漿造紙廢水 |
0.38 |
0.092 |
2、供氣量
在需氧量確定以后，取一定的安全系數，得到實際需氧量（Ra），并轉化為標準狀態需氧量（Ro）。公式如下：
Ro= RaCs/[α(βρCS(T)-CT)×1.024(T-20)]
式中：
CS——在1.03×105Pa條件下氧的飽和濃度，mg/L
X——混合液揮發性懸浮固體，（MLVSS）濃度 mg/L
在實際工程中，所需要的空氣量比標準條件下所需要的空氣量要多33%～61%，具體在工程中需要的空氣量可以根據實際情況來確定，在標準狀態需氧量確定之后，根據不同設備廠家的曝氣機樣本和手冊，計算出總的能耗。總能耗確定后，就可以確定曝氣器的數量。
鼓風曝氣要確定其供氣量，公式為：
Gs=Ro/0.3×EA
式中:
Gs——空氣量
EA——曝氣系統的充氧效益
計算出空氣量后，根據鼓風機的樣本便可以確定鼓風機的數量和型號。
（1）曝氣設備所具有的功效
①產生并維持有效的氣水接觸，并且在生物氧化作用不斷消耗氧氣的情況下保持水中一定的溶解氧濃度；
②在曝氣區內產生足夠的混合作用和水的循環流動；
③維持液體的足夠速度，以使水中的生物固體處于懸浮狀態。
各種曝氣設備的特點是各不相同的，因此曝氣設備的用途和使用的范圍也就有各種不同，因此，在工藝設計中，要根據實際的需要和企業所能夠承擔的成本來選擇曝氣設備，現有的曝氣設備分為兩大類：淹沒式曝氣器和表面曝氣器（表6：廢水處理中的曝氣設備）
表6：廢水處理中的曝氣設備
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設 備 |
特 點 |
用 途 |
|
（1）淹沒式曝氣器 |
|
|
|
鼓風機 |
|
|
|
細氣泡系統中等氣泡系統粗氣泡系統 |
用多孔擴散板或者擴散管產生氣泡 |
各種活性污泥法 |
|
用塑料或者布包管子產生氣泡 |
各種活性污泥法 |
|
|
用孔口、噴射器或噴嘴產生氣泡 |
各種活性污泥法 |
|
|
葉輪分布器 |
由葉輪及壓縮空氣注入系統組成 |
各種活性污泥法 |
|
靜態管式混合器射流式 |
豎管中設檔板以使底部進入的空氣與水混合 |
活性污泥法 |
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壓縮空氣與帶壓力的混合液在射流設備中混合 |
各種活性污泥法 |
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（2）表面曝氣器 |
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低速葉輪曝氣器高速浮式曝氣器轉刷曝氣器 |
用大直徑葉輪在空氣中攪起水滴并卷入空氣 |
常規活性污泥法 |
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用小直徑葉槳在空氣中攪起水滴并卷入空氣 |
|
|
|
槳板通過水中旋轉促進水的循環并曝氣 |
氧化溝、渠道曝氣 |
曝氣設備的主要技術性能指標如下：
① 動力效率（EP） 每消耗1KW電能轉移到混合液中的氧量，以kg/（KW.h）計；
② 氧的利用效率（EA） 通過鼓風曝氣轉移到混合液的氧量，占總供氧量的百分比（%）；
③ 氧的轉移效率（EL）也稱為充氧能力，通過機械曝氣裝置，在單位時間內轉移到混合液中的氧量，以kg/h計。
鼓風曝氣設備的性能按照①、②兩項指標評定，機械曝氣裝置則按照①、③兩項指標評定。在工藝設計和設備選擇中我們需要考慮性能、特點以外，還需要考慮有關葉輪直徑和曝氣池直徑的比例，一般比值在1/3--1/5左右，過大可能傷害污泥，過小則充氧量不足，葉輪和水深的比值一般采用2/5—1/4，池深過大，將影響充氧和泥水混合。
由于各種鼓風機的型號和性能各不相同，因此所產生的噪聲也就不相同，相對應的機房設計也就各自有不同的要求，根據實際需要和性能考慮，在工藝中一般選擇同一型號的設備并且要有備用機，備用臺數的選擇按照工作機≤3臺時，備用1臺，當工作機≥4臺時，備用2臺；電源要用雙電源，按照負荷設計；每臺單機的基礎間距應該保持1.5米；配套的機房應該包括：機械間、配電室、進風室（設空氣凈化設備）、值班室，值班室與機械間應有隔音設備和觀察窗，還應設自控設備；機房內、外都要進行防止噪聲的措施，使其符合國家有關標準。
無論那一種廢水，其處理工藝都是以一些基本的單元技術為基礎組合而成的，在我國的生化處理技術上在過去的30年間有了很大程度的發展與進步，曝氣池的設計與曝氣設備的選擇也有很大程度的變化，但是，應該遵從的基本原理和設計計算方式是不變化，因此我們需要了解最基本計算方式和選擇原則，這樣才可以提高現有的處理設備的利用率，減少運行費用，節約成本。
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