2-5-1 曝气的原理、计算方法与设备1在线视频

同学们好！今天我们来学习第二章的第五节，曝气的原理、计算方法与设备

主要的内容呢，分为如下三点

曝气的基本原理，曝气系统的计算，以及常用的曝气设备

曝气或者供氧，是确保废水好氧生物处理工艺正常运行

获得预期处理效果的关键的措施之一

在水处理工程中间，曝气的作用主要有两个

第一呢，当然是供氧

就是向活性污泥中的好氧或兼性的微生物提供充足的溶解氧

第二呢，就是搅拌

是通过曝气使活性污泥与废水充分混合和相互接触

提高生化反应的速率

常见的曝气方法呢，主要有两种

即鼓风曝气和机械曝气

好，请同学们看这张图

在这个图中，给出了鼓风曝气系统的示意图

可以看出，经过一定预处理后的空气

被鼓风机压缩后，通过空气干管、曝气竖管、曝气支管等

最终输送到曝气头

曝气头通常是被安装在曝气池的底部

空气被分割成微小的气泡释放到曝气池中的混合液中

在微小气泡从曝气池底部逐渐上升的过程中

气泡中的氧气呢，逐渐会溶解在混合液中，成为溶解氧

被其中的活性微生物所利用

曝气头可以有不同的形式

这个图给出了其中的一种，微孔曝气头的，这个正在曝气的形式

第二种，就称为机械曝气

有时候也会称为表面曝气

它是指利用安装在水面附近的低速转动的机械设备对水进行曝气

这张图片给出的就是一种典型的竖轴式叶轮曝气器

也有这样横轴式的或者说卧轴式的曝气设备

有的时候呢，把它称为曝气转盘，或者是曝气转碟

在曝气过程中间，主要涉及到如下几个关键的环节

第一是需氧和供氧，第二是供氧和供气，或者说是曝气

还有一点，是实际条件下的供氧与标准条件下的供氧

那具体来看看

这个图给出了利用鼓风曝气向活性污泥曝气池进行曝气供氧的一个基本过程

首先，我们来看"需氧"

因为我们要利用好氧的活性污泥降解或者是转化废水中间的污染物

因此的话，通过前面已经学习过的这个公式

就可以计算出我们具体的需要的需氧量

为了给活性污泥中的微生物提供足够的溶解氧

我们就需要将空气气泡压入曝气池的混合液中间

使气泡中的氧溶解到混合液中间去

成为微生物可以直接利用的溶解氧

这就是我们的第二个环节--供氧

我们通常呢，都是以空气作为氧气的来源

因此，我们需要计算出为了实现我们的供氧

我们应该如何"曝气"，或者说，我们应该"供多少气"

这是供气的概念

但是，市场上的所有曝气设备的性能指标

都是在一个统一的标准条件下进行测定的

因此，为了购买到能够确保我们在不同的实际条件下

仍能达到我们的需氧量要求的曝气设备

我们还需要进行一个"实际条件"向"标准条件"的转换

因此，这个图就给出了曝气过程中间关键的三个环节

即供氧与需氧，供氧与供气，实际与标准

这样子，三个环节

关于供氧与需氧，因为供氧的目的就是保证需氧

因此的话，我们设定供氧等于需氧

这里所指的供氧是指真正通过曝气过程转移到水中

或者是混合液中间成为溶解氧的这一部分氧

但是，我们通过鼓风机将空气气泡压入曝气池底部并将气泡释放出来

气泡不断上升

在其上升过程中间，其中的氧气跟混合液不断的接触

其中的一部分氧气会被转移或溶解进入混合液中间，成为溶解氧

但是由于氧气在水中间的溶解度较小

而气泡呢，在水中的停留时间是有限的

所以，一定只会有一部分气泡中的氧气

被转移被转化成为混合液中间的溶解氧,而被微生物所利用

其他的氧气则仍会随着气泡一起逸散到大气中间

因此，对于鼓风曝气系统来说

就有一个氧的利用效率，或者说是氧的转移效率的问题

在水处理过程中间呢，通常用E_A来表示

它是指通过鼓风曝气系统转移到混合液中的氧量占总供氧量的百分比

我们可以用这样的一个示意图来解释

氧的利用效率或者说是氧的转移效率E_A

在曝气池的底部的空气气泡，其中的氧气的含量为21%

氮气的含量为79%

随着这个气泡不断地上升到曝气池水面

在其尚未离开水面进入大气之前

如果假设其中氧气的含量为Ot

Ot当然会小于21%

而相应的，气泡中氮气的含量就会大于79%

其含量为（1-Ot）

如果假设这个气泡在一个标准大气压下的体积为V

而当氧气向水中间的传递后，气泡的体积呢，会缩减到V'

当然我们假定这都是在一个标准大气压下

同时，因为在水中没有氮气的消耗

因此，水中氮气的浓度很快就能够达到饱和浓度

即空气中的氮气不会再向水中溶解

根据E_A的定义呢，以及物料平衡的计算

我们就可以得出这两个方程式

分别给出了E_A与Ot之间的关系

通过简单的计算，就可以知道

当E_A为20%时，那么Ot就会约等于17.5%

当E_A为10%，Ot约等于19.3%

可以看出，氧气向水中的传递是相当困难的

我们再来看看实际供氧量与标准供氧量

或者说实际供气量与标准供气量之间的关系

所谓的标准供氧量是指曝气设备的一种技术指标

是在所谓的标准状态下测定获得的

所谓的标准条件是一个大气压，水温为20 C

水呢，是脱氧以后的清水

而实际供氧量，是指曝气池在实际运行时所需的供氧量

所谓的实际状态，那就是实际的当地大气压和曝气头的安装的水深

以及实际的水温

可能在冬天，在夏天，实际的温度可能都会有不一样

还有一个就是实际的废水的水质

我们通常处理的是城市废水或者在工业废水之间处理的是工业废水

由于实际废水中间含有一些污染物

它当然会影响这个氧气在水中的溶解

由此，我们可以看出，实际状态与标准状态

对于空气气泡中的氧气向水中的传递或溶解，肯定有着很大的差别

第三个环节就是曝气和供气，供氧之间的差别

这主要是由于空气中氧的含量一般都是在21%左右

我们首先来看看供氧的理论基础

供氧有时候也称为氧的转移，或者是氧的传递

那是指空气气泡中的氧向水中转移或传递

供氧的第一个理论基础，那就是Fick定律

也就是物质传递的一个通常的Fick定律

可以认为呢，氧的传递实际上是一个扩散过程

即在曝气的过程中间

空气中的氧从气相中被转移或被传递到废水的液相中间去

这是一个氧在气液界面之间的扩散过程

即气相中的氧通过气液界面扩散到液相主体中间

因此呢，它应该遵从扩散过程的基本定律--Fick定律

Fick定律认为：扩散过程的推动力是物质在界面两侧的浓度差

被扩散的物质的分子会从浓度高的一侧向浓度低的一侧扩散、转移

这里给出了这个Fick定律的一个基本的公式

我们可以看出，在这个式中,v_d是物质的扩散速率

即单位时间内单位断面上通过的物质的量

而D_L呢，是扩散系数

它表示物质在某种介质中间的扩散的能力

主要取决于扩散物质和介质的特性以及它们的温度

C是物质的浓度，y是扩散过程的长度

是在一个一定界面的，或者说是一个界面的宽度

dC/dy表示的是浓度的梯度，即单位长度上的浓度的变化值

从这个公式可以看出

该物质的扩散速率与其在这种介质中间的浓度梯度是成正比的

如果我们用M来表示单位时间t内通过界面扩散的物质的量

以A表示这个界面的面积

上式中间的扩散速率v_d就可以表示为：dM/dt除以A

代入上面的这个公式以后，我们就可以得到这个方程式

对于空气气泡中的氧向水中传递的这个过程

在上个世纪20年代的时候，Lewis 和Whitman就提出了一个"双膜理论"

如果我们将气泡和曝气池中的混合液分别放大

就可以将气泡看成是气相主体

而混合液，则可以看成是液相主体

氧的传递过程，就是气相主体中的氧

透过气液交界面两侧的气膜和液膜向液相主体传递的过程

一旦氧气进入液相主体，那么就成为混合液中的溶解氧

对于难溶于水的氧来说

分子扩散的阻力，大于对流扩散

传质的阻力主要集中在气膜和液膜上

在气膜中存在着氧分压梯度

而在液膜中，同样也存在着氧浓度梯度

由此，形成了氧转移的推动力

但是通常认为，气膜的厚度很小

因此气膜中的氧的分压的差也很小

即我们可以认为Pg = Pi

因此，所谓的"双膜理论"呢，就可以简化为"单膜理论"

即氧转移过程中间的传质推动力就可以认为

主要是在界面上的饱和溶解氧浓度Cs与液相主体中的溶解氧浓度C_l之差

如果假设液膜的厚度为y_l，那么在液膜内溶解氧的浓度梯度

就可以用这个公式来表示

将这个式子代入上面的那个方程式以后呢，就可以得到这个公式

如果我们再进一步的假设液相主体的容积为V

并用这个V，除以上面的这个公式，就可以得到这个公式

经过整理以后，我们可以得到这个公式

其中dC/dt是液相主体溶解氧浓度变化速率，或者说是氧转移的速率

K_L是液膜中氧分子的传质系数，它单位是m/h

而K_L=D_L/y_L

由于气液界面的面积通常比较难以计算

所以一般我们会用氧的总转移系数（K_La）来代替上式中间的K_l*A/V

上式就可以简化为这个公式

这个公式中间的K_La，通常就被称为氧的总转移系数，单位是1/h

它反映的是在曝气过程中间，氧的总的传递性

当传递过程中的阻力较大时，那么K_La值就会较小

相反地，当K_La值较大时，就说明氧气的传递过程的阻力很小

但具体来说呢，我们可以用这个公式来表示Kla的具体内涵

根据上面这两个公式，我们可以发现

可以通过采用不同的方式来提高充氧的效率

第一种方法就是设法提高K_La值

根据这个公式，我们可以知道有如下三个措施

第一呢，我们加强液相主体的紊流程度，降低液膜的厚度

第二呢，是增大气、液接触面积

第三呢，是加速气、液界面的更新

第二种方法是，设法去提高饱和溶解氧的Cs值

即设法提高气相中的氧气的含量，或者说是氧气的分压

如我们前面已经学习过的纯氧曝气工艺

当采用高纯度的氧直接作为气源进行曝气时

纯氧中氧气的含量会远高于空气中间的氧的含量

与之相对应的液相中的饱和溶解氧浓度Cs值也会大幅提高

或者我们设法提高空气的总压

前面已经介绍过的深井曝气工艺

虽然呢，我们仍然采用空气作为气源