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一文读懂 | 河道、湖库曝气增氧计算及设备选型

北极星水处理网  来源:水生态信息网  作者:刘琝露  2021/6/21 10:00:25  我要投稿  

北极星水处理网讯:国内外研究证明,曝气增氧技术是一种快速、高效、简便易行的污染物降解措施,已广泛应用于河湖水环境治理尤其黑臭水体修复的工程实践中。

在工程的前期设计阶段,曝气增氧技术如何选择、河道需氧量如何计算、曝气设备功率/风量如何设计,是首要考虑的问题。

目前关于曝气增氧系统的设计,在污水处理工程领域有相对成熟的设计手册和规程;而在河道、湖泊等地表水体治理领域,却鲜有相关规范或标准对曝气设计作出明确要求。

本文参考行业研究文献,梳理了河湖治理中3种常用的曝气需氧量计算方法及实例,并对设备选型给出了一定的对比阐述和建议。

1曝气增氧的作用

曝气技术首要的作用就是迅速增加水体溶解氧(DO)含量。DO改变,则水中大环境改变。水体由原来缺氧或厌氧状况逐步转变为好氧状态,好氧微生物得到加持而活力大增,进而促进水体有机污染物、氮素的分解转化。

因此,曝气增氧的第二个作用就是可间接降低水中化学需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、总氮(TN)等污染物浓度。

其三,充入的DO可氧化有机物厌氧降解时产生的硫化氢(H2S)、甲硫醇及FeS等致黑致臭物质,有效改善水体的黑臭状况。研究表明,随着曝气的进行,H2S存在时间从超过40天可减少到不超过20天。

此外,向水体增氧的过程,也在一定程度增加了水体自身的紊动性,产生了“流水不腐”的功效,进一步促进了水体和氧气的混合、传递,加速水质净化。

2需氧量计算

总体来讲,水体需氧量=水体耗氧+底泥耗氧-大气复氧-植物光合作用产氧。

实际中,水体需氧量计算需综合考虑多方面因素,主要包括水体类型(静止水体/流动水体)、现状水质、主要污染物、目标水质等。

目前国内多数研究中,习惯将需氧量计算模型分为三种形式:

1 | 箱式模型

对于小型静止水体,如公园或小区内的景观湖、池塘、断头浜、滞留型河道等,由于其面积较小,水深较浅,且外界输入污染负荷相对不高,一般可采用基于一级反应动力学方程的箱式模型:

微信图片_20210621093824.jpg

式中,O为水体需氧量,g;V为水体体积,m3;t为充氧时间,d;C为水体的溶解氧浓度,mg/L;L0为水体初始BOD5浓度,mg/L;K1为BOD5生化反应速率常数,/d;Cs为水体的饱和溶解氧,mg/L;K2为水体复氧速率常数,/d;Cm为维护水体好氧微生物生命活动的最低溶解氧浓度,一般取2~3mg/L;

值得注意的是,该模型仅考虑了有机物生化降解和大气复氧作用。

若水体污染严重,长期处于黑臭状态,则在计算需氧量时还需考虑无机还原物质(如Fe2+)和底泥耗氧作用的影响。

当然,如果水体设计有沉水植物,则在计算需氧量时也应对植物光合作用产生的氧气量加以考虑。

2 |组合推流式反应器模型

对于河流等流动水体需氧量的计算,目前文献应用较多的是上海市环境科学研究院建立的组合式推流反应器模型。

该模型将河流近似看做多个推流式反应器的串联组合,在充分利用河道现有水质、水力资料的基础上,对相关边界条件作了合理简化和假设后建立而成的模型。

组合推流反应器模型方程如下:

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式中,On为第n个反应器需氧量,g/d;Qn为第n个反应器流量,包括河流本体流量和外源流量,m3/d;C’0-n为第n个反应器进口还原物质浓度,mg/L;K0为无机还原物质好氧速率,mg/(L·d);tn为第n个反应器的水力停留时间,d;C’1-n为第n个反应器进口BOD5浓度,mg/L;Kc为BOD5耗氧速率常数,d-1;C’2-n为第n个反应器进口氨氮浓度,mg/L;Kn为氨氮耗氧速率常数,d-1;Os-n为第n个反应器底泥耗氧需氧量,kg/d;Qn-1为第n-1个反应器的流量,m3/d;C0-(n-1)为第n-1个反应器出口溶解氧浓度,mg/L;Oa-n为第n个反应器藻类复氧强度,kg/d;C3-n为第n个反应器大气复氧量浓度,mg/L。

该模型综合考虑了还原物质耗氧、有机物耗氧、硝化耗氧、底泥耗氧等耗氧作用,同时考虑大气复氧、藻类光合作用复氧等复氧作用。

在实际河道复氧作用中,可根据河道周围环境将河道切割成多段,从而提高模型的计算精度。

3 | 耗氧特性曲线法

针对缺乏可靠的水质模型和污染资料不全的水体,可利用实验室试验确定目标水体的耗氧特性曲线,根据治理目标和各阶段耗氧量,对需氧量进行估算。

耗氧特性曲线是建立在单位水体溶解氧消耗量与时间关系的二维坐标曲线,描述了水体中各特定耗氧阶段的物质耗氧细节,包括开始时间、阶段历时、阶段耗氧量、是否存在抑制现象等。

比如李伟杰等人的研究,通过在20℃恒温培养箱内,对上海新港河道水样培养15天,分别测定每天的DO值,根据耗氧量绘制出河道的耗氧特征曲线:

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△ 上海新港河道水体耗氧特征曲线(不含底泥耗氧)

耗氧特征曲线方法仅考虑了某一时刻水体需氧情况,不适用于有持续外源污染输入、藻类复氧比较强的条件,多用于封闭的湖库。对于流动性河道,可将其划分为多段,对各段水体分别制定相应的耗氧曲线,从而得到需氧量。

3充氧量计算

水体的需氧量并不等于设备的充氧量。

一般情况下,增氧设备标称的充氧动力效率,均是通过清水试验获得。

而实际中我们所面临的均是受污染的水体,其中含有大量杂质,这些杂质直接影响了氧的转移系数和水体饱和溶解氧含量,因此需进行适当的校正。

目前大多引入系数α校正水中杂质对氧转移系数的影响,引入系数β校正杂质对饱和溶解氧Cs的影响。校正后的计算方程如下:

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式中,R0为曝气设备的校正充氧量(氧转移速率),g/h;R为河道需氧量,g/h,可取上文所计算的理论需氧量的1.2~1.5倍;Cs(20)为水温20℃下的饱和溶解氧浓度,mg/L;α、β值可通过污水、清水充氧试验确定,对于城市生活污水中,α、β值分别为0.80~0.85和0.90~0.97之间,通常河道的污染程度低于该水平,其α、β值可参照上限取值;Cs(T)为水温T℃下的饱和溶解氧浓度,mg/L;C为水体实际溶解氧浓度,mg/L;T为设计水温,℃。

计算出河道需氧量及校正的充氧量后,即可对设备进行选型,进一步确定相关细节参数。

4设备功率、风量计算

1 | 机械曝气设备

机械曝气是污水处理中的概念,主要为表面曝气,故也称表曝机,借助机械设备(如叶片、叶轮、喷洒器、涡轮装置等)为水体增氧。

在河道、湖泊治理中,可以归纳为机械曝气类的设备包括叶轮式增氧机、水车式增氧机、涌浪式增氧机、浮水喷泉等。

机械曝气设备的主要技术参数是动力效率,以kg O2/(kW·h)计。根据前文计算的氧转移速率R0(g/h)与设备的动力效率,即可确定设备的总功率与数量。受机械曝气自身特性限值,其更多运用于对局部水体的增氧,如排污口附近,效果较为明显,且能在水体表明形成一定的紊动效果。不适用于全河道的增氧。

2 |鼓风曝气设备

鼓风曝气也叫压气曝气,常见的类型包括罗茨鼓风机、离心式鼓风机、沉水风机、射流机等,在河道污染治理工程中应用广泛。

鼓风曝气设备的主要技术参数是功率(kW)和风量(m3/h)等,设备选型可参考污水处理工程设计手册中的相关内容进行计算:

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式中,Q为风机总供风量,m3/d;Oc为水体需氧量,kg O2/d;ε为曝气设备氧利用率,以%计;0.28为标准状态下(0.1MPa,20℃)下每立方米空气中含氧量(kgO2/m3)。

根据公式计算可得风机风量,查询风机厂家相关设备参数表,即可进一步确定设备功率、规格数量等。

5曝气设备的选型

曝气设备的选型,应遵循因地制宜、一河一策的原则。

根据水体类型(河道、湖泊、水塘等)、所处区域(北方、南方、城市、郊区等)、水体功能(航运、行洪、景观、水源地等)、水体特征(水深、宽度、流速等)、污染情况(持续污染输入、突发污染负荷)、水质目标(消除黑臭、提高水质、恢复生态等)、供电情况、投资情况等诸多因素,选择相对适宜的增氧设备。

比如北方地区,水体存在冬季易结冰、易断流等问题,可采用方便拆卸和移动的推流曝气、喷泉曝气,而不宜采用鼓风(管道)曝气系统;城市河道有景观需求的可采用喷泉曝气,郊区无供电的河道宜采用太阳能曝气;有航运需求的河道、潮汐性河道,则适宜用曝气船,不建议用鼓风曝气、推流曝气等。

▽ 不同曝气设备选型比较

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6计算实例

实例1:上海新港河道

参考李伟杰等研究,其采用试验测定了新港河道的耗氧特性曲线,并进行了反应动力学分析,根据水体和底泥的阶段耗氧量、阶段历时、水量、底泥面积等,计算出新港河道的总耗氧量:

▽ 新港河道耗氧量计算

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计算可得,新港河道总耗氧量为26.92kg/d,其中水体耗氧占15.9%,底泥耗氧占84.1%,以总耗氧量作为河道需氧量的参考数值。

考虑新港河道没有航运和景观要求,水面较窄,故设计选用机械曝气的方式对水体增氧,设备类型为叶轮式增氧机。

参考增氧机的规格参数,输出功率为0.75kw的设备,对应增氧能力为1.0~1.2 kgO2/h。本实验即选用该功率设备,数量确定为4台,对应总增氧能力为4.0~4.8kgO2/h,每天运行8 h,总增氧量≥32kgO2/h,满足新港河道的需氧量要求。

实例2:苏州苗家河

参考徐续等人的研究,苗家河水体相对滞留,水域面积小,平均水深约2 m,外源输入污染负荷较小,因此采用箱式模型对曝气参数进行计算。

计算参数主要采用苏州苗家河夏季测定平均值,部分参考相关文献资料等,具体如下:

设计水温:25℃;BOD5反应速率常数:k=0.25/d;测定初始BOD5浓度L0=10.0mg/L;设计水体改善后BOD5浓度满足地表水IV类标准,即L=6.0mg/L;水体饱和溶解氧,Cs=8.5mg/L。

代入方程计算可得,在静止状态下苗家河的理论需氧量为12kgO2/d。河道北端有闸门,南端有软围隔,平均流速约0.001 m/s,计算动水状态下水体需氧量为27.6kgO2/d。

考虑河道水浅、无航运需求、有景观要求等特点,设计选用复叶推流式液下曝气机,功率3 kw,清水充氧量5.0kgO2/h,满足河道需氧量要求。

(本试验采用24小时连续曝气的运行方式,黑臭现象明显改善后采用间歇曝气方式。)


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