超深层曝气法中空气量的计算
2005年 10月
第4卷 第5期
广州大学学报(自然科学版)
Journal of G uangzhou University (Natural Science Edition )
V ol. 4 N o. 5
Oct. 2005
文章编号:167124229(2005) 0520466204
超深层曝气法中空气量的计算
高 岩
(广州大学市政技术学院, 广东广州 510500)
摘 要:从垂直气液两相流运行动力学角度, 提出超深层曝气工艺中空气量的计算方法. 经验证, 用此法计算出的风量、风压, 可以在工程设计中较合理地选用空压机或鼓风机. 关键词:超深层曝气; 空气量; 计算方法中图分类号:X 703 文献标识码:A
超深层曝气法虽已进入工业规模生产阶段,
但目前还缺乏系统性工艺计算资料. 为寻求超深层曝气的优化设计参数和有关超深层曝气估算的误差, 以及探索超深层曝气井设计简化计算方法, 现参照有关资料和在超深层曝气工程设计、模拟量问题作如下探讨, 供参考.
降管直径(m ) ; V 1为下降管内液体流速(m ・s -1) ; g 为重力加速度(m ・s -2) 数, K =1+
(-1) n 21) 2
; , d ; (m ) . 1气阻是由于注入池内的空气气泡的—上浮作用对液化循环所造成的阻力. 下降管中气泡的上浮速度与液流方向相反, 故气泡下流速度比液流慢; 上升管中气泡的上浮与液流方向相同, 故其移动比液流快, 所以在同一水深上升管中的空隙率ε2比下降管的ε1小, 因此气阻可以通过下降与上升两管中空隙率总和的差值求出. 由于通过同一水深的下降管和上升管断面的气体流量平衡, 故
ε() () Ψ==(4) = εS 2(V 2+V b ) V 1(V 2+V b ) 1
式中:Ψ为上升管与下降管的空隙率的比值; S 1为下降管断面面积(m 2) ; S 2为上升管断面面积
(m 2) ; V 2为上升管内液体流速(m ・s -1) ; V b 为气
1 、液、固三
相流并伴有能量转化的生化过程. 如果忽略固相、正常的超深层流态属以液体为连续相, 气体为分散相的气液两相流. 其运转所需要的总驱动力也就是超深层的总阻力(Y ) , 是由水力阻力(F ) 和气浮阻力(ΔJ ) 两部分组成的, 即(1) 式所示.
(1) Y =F +ΔJ (m )
1. 1 水阻
水阻就是流体在池内循环流动所产生的水头损失(F ) , 包括沿程损失(F 1) 和局部损失(F 2) 即(2) 式所示:
(2) F =F 1+F 2(m ) 当循环流量确定后, F 1和F 2可按水力学公
式求出. 对于同心圆式超深层曝气池, 其沿程损失(F 1) 可按(3) 式计算:
λF 1=K
d 12g
2
泡上浮流速(m ・s -1) .
根据气体的等温压缩方程式, 可求得水深X (m ) 处的空隙率ε(X ) , 如(5) 式所示.
εε(X ) =(5)
ρ1+
A
(3)
式中:ρ为液体密度(g ・cm -3) ; A 为水深为零米处的大气压(Pa ) .
上述关系式, 以水深H 与空隙率ε绘成曲线,
式中:λ为沿程损失系数; H 为池深(m ) ; d 1为下
收稿日期:2005-04-10
作者简介:高 岩(1963-) , 男, 讲师, 主要从事给排水处理研究.
第5期
如图1和图2所示
.
高 岩:超深层曝气法中空气量的计算 467
动力, 当该值与水阻相等时, 不用提供曝气空气以
外动力就能维持循环. 它是靠在下降管内一定深度h 处曝气才得以满足的, h 可由(10) 式求出:
εh =C C 1(0) -1(m )
(10)
图1 水泵循环式超深层曝气池
Fig. 1 Super 2deep aeration tank of water pum p
circulation
式中ε1(0) 为下降管水深X =0处的空隙率, 是一个
虚构值, 以h 处的实际ε(h ) , 按(5) 式推算求空气压缩动力功率Na 可按(11) 式计算.
() K -1(kW ) Na =
102×3600ηK -1A
(11)
式中:q 为曝气量(Nm 3・h -1) ; A 为大气压(kg ・cm -2) ; Pa 为供气压力(kg ・cm -2) ; K 为绝热压缩系数, 空气为1. 4; η为效率, 0. 7～0. 8. D ×H =110×(m ) , 1=) 为例, 计算1, 气阻随循环流速的增. 当空隙率一定时, 存在有使超深层曝气, 该流速随空隙率的增加而增加, 但泵提升循环式超深层曝气池和气提循环式超深层曝气池在池顶端达到最大空隙率时, 两者取阻力最小值时的循环流速不同, 气提循环流速大于泵提循环流速(见表3) .
从表1、2、3中可以看出在工程设计中, 按容积负荷等确定超深层曝气池几何尺寸后, 假如只确定一个循环流量进行计算超深层曝气池的阻力, 往往不能代表实际工况. 因此应根据废水的水质和水量等条件进行超深层曝气池的优化设计, 经过计算来确定超深层曝气池的尺寸以取得阻力最小的循环流速.
图2气提循环式超深层曝气池
Fig. 2 Super 2deep aeration tank of gas stripping circulation
把(5) 式沿水深X =0～H 积分, 便可求出池深一侧的空隙率总和, 亦即空隙率面积水头J
(m ) , 如(6) 式所示:
) C
ε(0) ln (1+J =C
式中:C 为常数, C =ρ=10(m ) .
g
(6)
下降管一侧的J 1阻碍循环, 上升管一侧的J 2
起气提作用, 故其差值便是气浮阻力ΔJ.
J =J 1-J 2(m )
(7)
2 空气量计算
对于泵提升循环式超深层曝气池空气耗量显
然按生物需氧量确定. 对于气提循环式空气量目前尚无成熟的计算公式. 为说明问题方便起见, 仍以上例分别按生物需氧量、最大空隙率, 两种计算方法比较如下:
2. 1 按生物需氧量计算空气量
O 2=a ′QL r +b ′vN ′W
(12)
], 一般0. 42
1. 3 循环动力
图1表明, 需要由外部动力克服水阻和气阻进行循环, 所需要的总水头(Y ) 按(8) 式计算
Y =F +ΔJ =F +(1-Ψ) J 1(m ) 循环水泵的动力N 按(9) 式计算.
N =
(8)
(kW ) 102
(9)
式中:Q 为池内循环流量(m 3・s -1) .
由图2可以看出, J 1-J 2就是气提循环的驱
式中:O 2为混合液需氧量[kg (O 2) ・d -1]; a ′为氧化BOD 5需氧量[kg (O 2) ・kg (BOD 5)
-1
468广州大学学报(自然科学版)
表1 泵提升循环式阻力计算表
T able 1 Resistance com putation table of pum p lifting circulation
第4卷
V 1V 2Q
3
h -1) /(m ・s -1) /(m ・s -1) /(m ・
Ψ
F
ε1(0)
=0. 08
ε1(0)
=0. 10Y
ε1(0)
=0. 12Y
ε1(0)
=0. 14
Y
ε1(0)
=0. 16
Y
ε1(0)
=0. 18
Y
ε1(0)
=0. 20
Y
/m
ΔJ ΔJ ΔJ ΔJ ΔJ ΔJ ΔJ
Y
0. 780. 941. 091. 231. 401. 561. 72
0. 50. 60. 70. 80. 91. 01. 1
[***********]216621882
0. 3850. 4540. 5070. 5500. 5890. 6210. 649
0. 221. 181. 401. 471. 691. 771. 992. 072. 292. 362. 582. 662. 882. 953. 170. 321. 041. 361. 311. 631. 571. 891. 832. 152. 102. 422. 362. 682. 622. 940. 430. 951. 381. 181. 611. 421. 841. 662. 081. 892. 322. 132. 562. 362. 790. 540. 861. 401. 081. 621. 301. 831. 512. 051. 732. 271. 942. 482. 162. 700. 710. 791. 490. 991. 701. 181. 891. 382. 091. 582. 291. 772. 481. 972. 680. 880. 721. 610. 911. 791. 091. 971. 272. 151. 482. 331. 642. 511. 822. 701. 060. 671. 730. 841. 901. 012. 071. 182. 241. 352. 411. 522. 581. 682. 74
表2 气提循环式阻力计算表
T able 2 Resistance com putation table of gas circulation
V 1
V 2
Q
3
h -1) /(m ・s -1) /(m ・s -1) /(m ・
Ψ
F
ε2(0)
ΔJ Y
ε2(0)
ΔJ Y
ε202(0)
ΔJ 2(0)
ΔJ Y
()
ΔJ Y
ε2(0)
ΔJ Y
/m
1. 231. 401. 561. 721. 872. 022. 182. 34
0. 80. 91. 01. 11. 21. 31. 41. 5
[***********]3232493
0. 5500. 5890. 0. 6920. 7100. 726
0. 541. 562. 101. . 50. 2. 753. 293. 153. 683. 534. 073. 934. 470. . 20512. 002. 712. 343. 052. 683. 393. 013. 723. 344. 050. 881. 031482. 351. 762. 632. 052. 932. 383. 262. 643. 522. 933. 81. 061. 2. 091. 292. 351. 562. 621. 822. 882. 083. 142. 343. 402. 583. 641. 260. 942. 191. 172. 431. 412. 671. 642. 901. 873. 132. 113. 372. 343. 601. 460. 862. 321. 072. 521. 282. 741. 492. 951. 713. 171. 923. 382. 143. 591. 710. 782. 490. 982. 691. 182. 881. 373. 081. 563. 271. 763. 471. 963. 671. 970. 722. 680. 902. 881. 093. 061. 263. 241. 443. 411. 603. 571. 813. 78
表3 使超深层曝气池阻力取最小的循环流速
T able 3 Rate of circulating flow when the resistance of the super
-deep aeration tank is the minimum
208m 3・d -1, v =153. 8m 3, N W ′=10kg ・m -3, Lr =10. 24×0. 5=5. 12kg ・m -3, 去除率90%, 则
O 2=0. 53×2. 08×5. 12×0. 9+0. 188×
气提循环式
-1
-1
泵提升循环式
-1
-1
εV 1/(m ・s ) V 2/(m ・s ) εV 1/(m ・s ) V 2/(m ・s ) 2(0) 2(0)
0. 080. 100. 120. 140. 160. 180. 20
1. 561. 561. 721. 721. 871. 872. 02
1. 001. 001. 101. 101. 201. 201. 30
0. 080. 100. 120. 140. 160. 180. 20
0. 941. 091. 231. 231. 231. 401. 40
0. 600. 700. 800. 800. 800. 900. 90
153. 8×10=797(kg ・d -1) .
氧的利用率以50%计, 则需空气量为
G S ==5313Nm 3・d -1=
1. 429×0. 21×0. 53. 69Nm 3・min -1.
2. 2 按最大空隙率计算对于气提式循环超深层曝气池最大空隙率发生在上升管顶部, 其气泡通过该断面的速度为V 2, 则通过该断面的空气量为
(13) G S =S 2V 2ε2(0) 60则计算得
G S =2×0. 461×1. 2×0. 18×60=11. 95Nm 3・m in -1.
按(11) 式计算空气压缩动力Na 为
～0. 53; Q 为设计进水流量m 3・d -1; Lr 为去除BOD 5浓度kg ・m -3; b ′为污泥自身氧化率(l/d ) 也即[kg
(O 2) ・d -1]一般0. 188～0. 11; v 为曝kg (M LVSS ) -1・气池容积(m 3) ; N W ′为M LVSS 浓度(kg ・m -3) .
将上例超深层曝气有关数据代入(12) 式, Q =
第5期
Na =
高 岩:超深层曝气法中空气量的计算 469
・
102×3600×0. 81. 41-1
1() . 41-1=36. 5kW .
1
3 结 语
超深层曝气池内的流体属于工程范畴的垂直气液两相流, 这是一种较复杂的流态, 其气阻是由于气体上浮作用对液化循环所造成的阻力. 气阻实际上也就是下降管与上升管由于空隙率不同所形成的静水压力的差值. 超深层曝气池内水阻随循环流速的增加而增加, 气阻随循环流速的增加而减少, 当空隙率一定时, 存在有使阻力为最小值的循环流速. 该流速随池径D 的增加而增加. 设计中确定几何尺寸后, 可以通过列表、作图法求出使阻力取最小值的循环流速. 气提式超深层13) , 风压按(10) . , V 2大于1m 为宜. 确2(0) , 计算空气量. 不同空隙率下的最佳流速不同, 所以V 2一定时只有一个使超深层曝气池阻力取得最小值的空隙率. 为选择合理的风量风压, 进行以上计算是必要的.
从以上计算结果看出, 当按生化需氧量计算的空气量大于气提式计算的空气量时, 应按生化需氧量确定空气量, 由于超深层曝气池多用于处理高浓度有机废水, 一般情况下气提需空气量大于生化需空气量, 应按(12) 式来确定空压机风量. 从(12) 式可以看出空气量只与超深层曝气池的断面积、空隙率、循环流量有关, 而与超深层曝气池的深度无关. 只是不同深度的超深层曝气池其所需风压不同而已. 按以上计算方法计算空气量与实际耗气量比较见表4.
表4 空气量计算值与实际耗气量比较表
T able 4 C om paris on table of air quantity com puted value and ac 2
tual air consum ption
超深层曝气池几何尺寸/m
计算值/
(Nm 3・h -1) 2826实耗气量/
(Nm 3・h -1) 180
备注参考文献:
[1] 许保玖, 龙腾锐. 当代给水与废水处理原理[M].北京:高等教育出版社,1999.
X U Bao 2jiu ,LONG T eng 2rui. C ontem porary theory of water supply and wastewater treatment[M].Beijing :Higher Education Press , 1999.
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Y ANG Shou 2sheng. Theory and practice of aeration[M].Beijing :China Building Industry Press ,1982.
C alculation of air volume in deep 2w ell aeration
GAO Y an
(School of Municipal T echnology , G uangzhou University , G uangzhou 510500,China )
Abstract :From the trans fer dynamics in perpendicular gas 2liquid phase flow point of view , this paper put forward a calculating method of air v olume in deep 2well process design. By verification , it showed that air v olume and air pres 2sure calculated with this method could be reas onably applied to engineering design for selecting air 2com presses or air 2blower.
K ey w ords :deep 2well aeration ; air v olume ; calculation
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