几种倒伞型表面曝气机充氧性能实验研究
导读：曝气器在测试条件下氧总转移系数。曝气器充氧能力qc公式。曝气器理论动力效率E。水体平均流速V处理。氧总转移系数，几种倒伞型表面曝气机充氧性能实验研究。
关键词：倒伞型表面曝气机，氧总转移系数，充氧能力，氧利用率，动力效率，平均流速
生物处理是目前国内外污水处理工程中最常用也是最主要的处理方法，其中好氧生物处理法的应用最为广泛。而曝气是好氧生物处理系统的重要环节，它的作用是向反应器内充氧，保证微生物生化作用所需的氧气，同时保证反应器内微生物、有机物、溶解氧三者的充分混合，为微生物创造有利的生化反应条件[1]。据可靠研究表明曝气设备是生物处理法耗电做多的设备，约占整个污水处理系统的80%。因此提高曝气设备的动力效率是降低水处理成本的关键因素。目前常用的处理工艺有氧化沟工艺、SBR工艺、A/0工艺等。由于氧化沟工艺具有较好的脱氮除磷效果并且运行维护方便在我国成为新建污水处理的首选工艺[2]。氧化沟工艺主要以表面曝气方式为主近年来，也有微孔曝气方式的氧化沟工艺投入使用。氧化沟工艺
采用的曝气设备主要有：转刷曝气机、转盘曝气机和倒伞曝气机，倒伞曝气机因具有良好的充氧效率和推流能力而应用最为广泛[3]。检测，氧总转移系数。它是利用叶轮的高速旋转,推动污水上下翻腾并前进,同时空气中的氧气迅速溶入液相,可以同时完成对污水充氧、搅拌和推流三大作用[4]。
目前国内对表曝气器的性能进行了一些研究，但其中大多都是集中在测试方法和数值模拟计算方面[5-7]。而本研究则是通过对安徽某科技公司产自行研究的几种倒伞型表面曝气器叶轮的充氧性能进行现场模拟试验，并通过试验研究分析了叶片安装角度、片数及推流能力三者之间关系，为今后的设备设计优化提供新的参考。
1计算公式
曝气器的充氧性能主要是由氧的总转移系数氧总转移系数KLa、充氧能力qc、氧利用率E、理论动力效率Ep四个主要参数来衡量。
1.1 氧的总转移系数KLa[8]
dC/dt=KLa(Cs-C)(1)
将上式积分整理后有
ln(Cs-C)=ln(Cs-C0)-KLa·t (2)
式中：Cs—水中饱和溶解氧浓度，mg/L;
C—与曝气时间t相应的水中溶解氧浓度，mg/L;
t —曝气时间，min;
KLa—曝气器在测试条件下氧总转移系数，l/min;
利用上式，作ln(Cs-C0)-ln(Cs-C)和t的曲线，该曲线的斜率即为氧转移系数KLa。
标态下，曝气器氧总转移系数KLas
KLas=Kla·θ20-T (3)
式中：KLas—标准状态测试条件下曝气器总转移系数，l/min;
KLa—测试水温条件下曝气器总转移系数，1/min;
T —测试水温，℃;
θ—温度修正系数1.024.
1.2 曝气器充氧能力qc公式[8]
qc=KLas·V·Cs(20)
=0.55·V·KLa (4)
式中：qc—标准状态，测试条件下，曝气器充氧能力，kg/h;
V—测试水池中水的体积，m3;
Cs(20)—20℃水中饱和溶解氧浓度9.17，mg/L;
0.55=60/1000·9.17.
1.3 曝气器理论动力效率E[8]与曝气器充氧时所耗理论功率NT
E=qc/NT (5)
NT=N0·IT/I0 (6)
式中：E—标准状态，测试条件下曝气器充氧理论动力效率，kg/kw·h;
qc—曝气器充氧能力，kg/h;
NT—曝气器充氧时所耗理论功率，只考虑曝气充氧所消耗的有用功，kw·h;
N0—曝气器的额定功率，kw·h;
IT—曝气器的实际电流，A;
I0—曝气器的额定电流，A;
1.4 水体平均流速V处理
V=V1+V2…+VN/N
VN—各点的流速，m/s;
N—一共的测试次数;
2实验装置及测试设备
2.1 测试装置
由于大型倒伞型曝气机进行测试需要池体的容积较大，一是这种池体不方便去寻找;二是多次试验下来，成本较高。因此本研究重点采用了模拟试验技术路线。我们选用安徽合肥朱砖井污水处理厂“863氧化沟中试试验基地”，氧化沟面106.2m2，测试不同叶轮时候水体浸没深度均与叶轮面平行。
2.2 被测设备
根据氧化沟我们按比例缩小了曝气器的功率参数，再参照该功率，将叶片各尺寸也相应缩小。检测，氧总转移系数。缩小后的倒伞曝气机参数：叶轮直径800mm，电机功率3kw。
6种叶轮名称及规格如表1所示：
表1 6种叶轮名称及规格
Table 1 name and specification of six impellers
| 1# | DSC080（7片0°） | 2# | DSC080（9片10°） |
| 3# | DSC080（7片0°）见注 | 4# | DSC080（7片10°） |
| 5# | DSC080（10片10°） | 6# | DSC080（10片0°） |
注：1#、3#倒伞的叶轮叶片设计有所不同，1#叶片面积虽然和3#相同，但是1#吃水深，导流辐板斜角大。
1#—4#号我们定义为C型号倒伞叶轮，5#和6#号定义为D型号倒伞叶轮，形状如图1和图2所示。
图1 C型倒伞叶轮
Fig1 C model of Inverted umbrella surface
图2 D型号倒伞叶轮
Fig 2 D model ofInverted umbrella surface
C型号除了1#叶轮以外，其他3个叶轮只是叶片多少和安装倾斜角度有所区别，D型叶轮之间只有设计角度有所区别，D型号们每次只在1处更换叶轮，其他两处倒伞均关闭。黑方块位置为测试流速点，均在离倒伞1下游水平距离为9m的水平面上，每点分别测试距离水面0.5m、1m、1.5m三处流速。
3 试验步骤
3.1 测试条件
为了进行比较，我们测试均在水温22°C左右，一个大气压下，叶轮转速为75rap/min，叶轮均处于设计水位条件下，从上午9点开始到下午3点结束。溶解氧的饱和浓度Cs参考各种温度下饱和溶解氧值经验数据。
3.2 测试方法
采用间歇非稳态法测试[9]，即测试水体的体积不变，在曝气过程中，水中溶解氧浓度C随曝气时间t而变的方法。
测试时先投加工业用亚硫酸钠对水体
图3 溶氧仪及测试流速点布置示意图
Fig 3 Schematic diagram of dissolved oxygeninstrument and test velocity points
叶片与C型号2#-4#叶片设计参数相同。D型号比C型号优势在于D型号叶片可以方便拆卸，在运输和维修更换上更便利。
2.3 主要仪器
2台德国WTW便携式溶氧仪Multi 340i，探头为Galvanic溶氧电极 Cellox 325。精度等级0.01，带温度显示，可自动储存500组数据。
1台流速仪为北京渠道科学器材有限公司生产的6526号STARFLOW超声波多普勒流量计，可以测流速、水位、温度。
2.4 溶氧仪及测量流速点布置
溶氧仪及测量流速点布置如图3所示圆圈为溶氧仪放置位置，溶氧仪A在离倒伞1上游水平距离9m，溶氧仪B在离倒伞1下进行脱氧，以Co2+为催化剂，在水中溶解氧降至零后开始曝气，记录水中溶解氧浓度随曝气时间的变化，而后计算出Kla值。然后转换成标准状态下的氧总转移系数Klas，计算曝气机充氧能力qc。根据测试时电机负荷电流，计算出输出功率，最终得出动力效率Ep值。
3.3 水体脱氧
消氧剂为工业Na2SO4,投加量计算为：
G=8·C·V·K
式中：G—亚硫酸钠投加量，g;
C—水中溶解氧浓度，mg/L;
V—曝气池内水的体积，m3;
8—理论上消耗1g氧所需亚硫酸钠量，g/g
K—考虑药剂中杂质等而采用脱氧安全系数，一般取1.2-1.5;
催化剂为Co2+,投加量以Co2+浓度0.3-0.5mg/L计算。检测，氧总转移系数。开低推，使亚硫酸钠混合均匀。
3.4 水体充氧
待溶解氧浓度为零时关闭低推，待水体静止后，开启倒伞1，待溶氧达到饱和浓度时，或是在20min内溶氧浓度增加值小于0.1mg/L或是15min内溶氧浓度基本保持不变时的浓度值，可关倒伞。检测，氧总转移系数。即为一组状态充氧测试结束。DO监测使用的是2台德国WTW便携式溶氧仪Multi 340i，探头为Galvanic溶氧电极 Cellox325，测试间隔为10S一次。
3.5 流速测量
如图2所示6点位置放置流速仪，每点位置又取距离水面0.5m、1m、1.5m三处测量瞬时速度，每处测量12个流速数据。检测，氧总转移系数。测量时间分3次，分别在倒伞开始运行后的第一个小时、第二个小时、第三个小时。最后流速以3个时段各点速度平均值计。
4 测试数据处理及分析
各项数据测试结果如下表2所示，根据表2的数据做出流速、充氧量及充氧效率的关系如下面图4所示。
| 型号 | Kla-A | Kla-B | 平均Kla | I（A) | N(kw) | qc(kg/h) | E(kg/kw•h） | 流速V（m/s) |
| 1# | 0.08 | 0.064 | 0.07 | 5 | 2.23881 | 4.0887 | 1.826286 | 0.173 |
| 2# | 0.04 | 0.049 | 0.046 | 4.9 | 2.19403 | 2.710224 | 1.235272 | 0.146 |
| 3# | 0.05 | 0.043 | 0.044 | 4.7 | 2.10448 | 2.5788015 | 1.225388 | 0.128 |
| 4# | 0.04 | 0.039 | 0.04 | 4.7 | 2.10448 | 2.353923 | 1.118531 | 0.138 |
| 5# | 0.05 | 0.051 | 0.049 | 5 | 2.23881 | 2.885454 | 1.288836 | 0.191 |
| 6# | 0.07 | 0.056 | 0.061 | 5 | 2.23881 | 3.5717715 | 1.595391 | 0.181 |
| 表2 叶轮各种数据测试结果 | ||||||||
| Table 2 Test results of those impellers | ||||||||
4.1 叶片数量与水体流速及充氧能力之间的规律
从试验结果来看，在同样转速(75rap/min)及浸没深度情况下，对比叶片相同的2#—6#叶轮可以看出随着叶轮数的增多水体的流速也相应增大，从而显示倒伞的推流能力和叶片数量是成正比关系的，从充氧量及充氧动力效率上来看，也反应了和流速相同规律。因此可以得出叶片数多的叶轮充氧能力和推流作用均大于叶片数较小叶轮结论。检测，氧总转移系数。这是因为，水体在叶轮旋转的推力总用下，水流在氧化沟以一定的流速流动，将已曝气的水体(含氧量高的曝气主区水体)在沟内进行混合、扩散，强化氧的传递[10]，所以水流的流速能力对充氧效率是有正面影响的。提高叶轮数量增大了叶轮的推流能力同时也相应提高充氧效率。但是由于增加叶片同时也导致电流负荷增加，这样必定有个上限，且增幅不明显所以我们不能从主要增加叶片的数量去考虑提高叶轮的充氧性能。
4.2叶片角度和水体流速及充氧能力之间的规律
对比型号和叶片数量均相同但是叶片倾斜角度不同的3#、4#及5#、6#叶轮可以发现3#、6#虽然水体流速不如4#、5#，但充氧量及效率均高于4#和5#。显示虽然0°角叶轮推流作用小于10°角，但是充氧效率高于10°角。这一方面说明对叶片偏移角度的改变不利于提高叶轮的充氧能力，另一方面也反应出提高叶轮推流能力对充氧性能的调高不如局部调整叶片位置影响大。
4.3 叶片导流辐板斜角和水体流速及充氧能力之间的规律
对比1#和其他叶片，可以发现1#叶轮虽然对水体推流能力不是最大和叶片数量不是最多，但是充氧能力最优，且提升幅度很大。显示叶片导流辐板斜角度对叶轮充氧性能影响是最大的。从以往的研究和分析中我们知道倒伞型表曝机的水流特点，水流特点如图5所示。其中u为叶轮的旋转速度 ,w为水体相对于叶片的径向速度 , z为水流沿
着倒置圆锥体和导流辐板向上补给时的斜向上运行速度 (这是由于导流辐板斜角γ的大小影响叶轮周边出水方向所致 ) , v则是水体最后的合速度。并知道其曝气过程可以分成4个方面。其中很重要一个方面就是叶轮旋转时 ,大量的水花分散到空气中 ,增大了气液接触面积;同时水花在溅落过程中还能将空气带入水中 ,从而提高了氧的传质效率[10]。这样在叶片面积相同情况下由于1#叶片的导流辐板斜角较大，这样导致最终水体合速度方向较其他叶片高，增大了该过程中气液接触面积是关键因素 ,即叶片旋转时打出的水花越多、越分散,则气液接触面积就越大,氧的传质效率就越高。从现场试验也看以看到1#叶轮旋转所产生的水流抛洒最高，水花更分散。
对比1#及其他C型号叶轮，发现1#对水体推流能力是C型中最强的，由上面4.1中结论可以知道在相同设计叶片条件下，增多叶片数是有利于水体流速的增加的。但是1#叶片反而比C型其他叶轮推流能力强，这说明在改变导流辐板角度同样影响了叶片的推流能力，甚至效果比增大叶片数要好。
5 总结
通过对6种不同叶轮的测试，综合以上分析，可以得出以下结论：
1.相同设计叶片，增大叶片数有利于推流能力，进而有利于叶轮的充氧效率。
2.叶轮推流能力对充氧效率的提高不如局部调整叶片位置影响大。
3.叶片导流辐板斜角设计对叶轮充氧效率影响最大，是叶轮优化设计最关键因素。
4.鉴于D型号叶轮在维修和运输上的便利因素，D型应该是未来叶轮发展的方向，应在选取适当的叶片数量同时加大对叶片本身的设计，重点是在导流辐板斜角上的设计。
参考文献
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[10]刘帮樑.氧化沟中倒伞型表曝机的选型设计[J]. 中国给水排水,2007,22.
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