一种采用泵型叶轮表曝机的氧化沟

摘要

本发明公开了一种采用泵型叶轮表曝机的氧化沟，包括廊道和隔墙，所述隔墙为相邻廊道共用的墙壁，还包括导流通道，所述导流通道上设有一个向上的圆形的出水孔，还包括所述出水孔上方设有的一个竖直放置的泵型叶轮曝气机，所述泵型叶轮曝气机属于表曝机，包括电机、与电机输出端连接的叶轮。本发明使得氧化沟在原有性能基本不变的前提下，能够显著提高曝气的动力效率，避免额外加装推流设备浪费电能，且采用了能效较好的泵型叶轮曝气机，运行维护成本相对较低。

说明书

技术领域

本发明污水处理领域，具体涉及一种采用泵型叶轮表曝机的氧化沟。

背景技术

氧化沟工艺是目前城市污水处理应用最为广泛的工艺之一，该工艺可以高效实现脱氮、除磷、去除BOD等功能。例如常见的Carrousel氧化沟工艺采用多廊道布置的方式，污水在廊道内循环，该工艺既有推流反应器出水水质优越的优点，也具有完全混合反应器运行稳定的优点，得到了广泛的应用。

曝气设备是氧化沟工艺污水处理厂中的关键设备，也是污水处理工艺中的高能耗设备，Carrousel氧化沟曝气能耗甚至能够占整个污水处理厂能源消耗的50％～60％以上，因此，降低污水处理的成本，关键在于要选对曝气设备，并且设备处于高效状态。选用高效低耗的曝气设备可以提高曝气充氧能力，更重要的是可以节约能源并降低污水处理的成本。目前应用于Carrousel氧化沟的曝气装置主要有平板型叶轮表曝机、倒伞型叶轮表曝机、曝气转刷、曝气转碟、鼓风曝气。各种曝气方式的动力效率和能效比值见表。

曝气设备一览表(单位kgO₂/kWh)

常用的曝气设备中，鼓风机(微孔)曝气具有最高的动力效率和能效比值，但是鼓风机微孔曝气需要配置鼓风机、空气管路和扩散器等设备，而且为了获得高的效率，扩散器孔径需要很小(微米尺度)，扩散器数量多、阻力大，且扩散器位于池底，检修不方便。污水中的钙镁积垢还容易堵塞微孔，削弱了膜片式曝气头的弹性(刚性材料制作的扩散器更加容易堵塞，而且常常需要空气净化措施)，随着日积月累污垢物的堵塞，这种阻力也将逐渐增大，理论动力效率及能效比值均会逐年下降。

表曝装置相对简单，且位于池表检修方便，但表曝装置曝气的动力效率都偏低，横轴表爆机(转刷、转碟)理论最大动力效率一般不超过2.0kgO₂/kWh，此外，转刷表爆机最大有效水深不宜超过3.50米，转碟表爆机材质为非金属，其三角形楔形凸块在泥水混合介质中工作时极易被磨损，曝气性能也会逐年衰减，动力效率逐渐降低。而竖轴表爆机(平板叶轮、泵型叶轮、倒伞叶轮)理论最大动力效率高于横轴表爆机，平板叶轮表爆机理论最大动力效率可以达到2.70kgO₂/kWh，而泵型叶轮表曝设备理论最大动力效率达到2.90kgO₂/kWh以上，且具有较好的提升污水效果。但竖轴表爆机在曝气的时候水流向周边辐射，定向推进效果较弱，而且存在明显的短流现象，导致其动力效率也较低。为了达到克服短流的影响，一般对池深度和形状有要求，即池深度较浅而且池形状为圆形，以保障在曝气的时候全池形成环流。

采用竖轴表爆机曝气的时候，不可能将反应池做成圆形而且将池的深度做的很浅，这样不可避免导致曝气效率降低。为了尽量改善效果，目前氧化沟工艺都是将竖轴表爆机布置在氧化沟廊道的转弯处，这样在曝气的同时可以获得一定的定向推流效果，以获得尽可能的高效。即使如此，由于在曝气的时候，水流在曝气区域形成紊流，供氧也非常不均匀，这些都会导致效率降低。而且，这种方式布置定向推流效果一般，通常仍必须设置若干水下推进器以维持氧化沟内的流速，增加了能耗。改善氧化沟工艺竖轴表爆机的曝气效率对于节能降耗具有重要意义。

发明内容

为了解决以上问题，节能增效，本发明提出一种采用泵型叶轮表曝设备的氧化沟方案，采用以下技术方案来实现：

一种采用泵型叶轮表曝机的氧化沟，包括廊道和隔墙，所述隔墙为相邻廊道共用的墙壁，还包括导流通道，所述导流通道上设有一个向上的圆形的出水孔，还包括所述出水孔上方设有的一个竖直放置的泵型叶轮表曝机，所述泵型叶轮表曝机包括电机、与电机输出端连接的叶轮。本发明核心原理为利用泵型叶轮表曝机从导流通道吸水从而形成定向推流作用，从而避免额外加装推流设备浪费电能。只要该导流通道构成两个隔开空间的唯一连通处，就能获得推流效果。

进一步改进在于，所述导流通道为一个导流管，所述隔墙下部设有开孔，开孔连接所述导流管构成进水孔，导流管另一侧为方向向上的圆形出水孔，高度在水位线以下。

进一步的，所述开孔的设置位置在隔墙水平方向的中间位置，导流管穿过隔墙从表爆机另一侧的廊道引水，从而完全避免了竖轴表爆机存在的短流现象，可以提高氧的利用率

或者，所述导流通道为设置在廊道的直线段中的导流板，该导流板截断整个廊道，在水位线以下设有一个向上的圆形出水孔，为该导流板唯一水流通道。

进一步改进在于，所述叶轮的直径为2000-3000mm。

进一步改进在于，所述导流管直径为4000mm，所述圆形出水孔直径为4000mm。对本发明来说，需要一个较大直径的叶轮，因为一个表曝机要提供整个氧化沟的水流动力，另外导流通道应比叶轮直径稍大，减小运行阻力。

本发明在维持氧化沟整体工艺相对Carrousel氧化沟没有显著变化的基础上，采用泵型叶轮表爆机曝气，同时改进表爆机的位置和引导水流按照设定的方向流动，从而提高表爆机的动力效率，实现节能降耗。

如果以Carrousel氧化沟表爆机出流处的实际DO浓度值按照2.5mg/L考虑(一般要求控制好氧段的DO浓度不低于2.0mg/L)、缺氧段末端DO浓度为<0.5mg/L、常温下污水中饱和DO浓度以8.0mg/L计算。则传统的表爆机布置方式曝气区域平均DO浓度为2.25mg/L[即(2+2.5)/2＝2.25]，而本发明的布置方式曝气区域平均DO浓度为1.50mg/L[即(0.5+2.5)/2＝1.5]，则仅仅通过克服短流的这种方式在理论上即可提高动力效率13％以上[即(8-1.5)/(8-2.25)＝1.13]。如果为了改善脱氮除磷的效率，控制缺氧区更低的DO浓度(如控制缺氧区末端的DO浓度为0.2mg/L)，则理论上可以提高动力效率15.7％，节能效果十分显著。如果考虑到常温下污水的实际饱和DO浓度很难达到8.0mg/L，则实际节能效果会更高。泵型叶轮表曝机最大理论动力效率以2.9kgO₂/kWh计算，则经过改进后的最大理论动力效率能够达到3.5kgO₂/kWh以上，几乎接近鼓风机微孔曝气方式。

另外，采用这种方式布置，曝气的同时可以获得很明确的推流效果，泵型叶轮表爆机的叶轮与离心泵叶轮的工作原理一致，在旋转时从引流管导流进水，水流在隔墙外侧的廊道和表爆机所在廊道之间通过曝气得到循环(或水流通过导流板的引导，实现在廊道内定向流动)。在采用这种方式布置后，表爆机所吸水全部来自隔墙外侧廊道(或导流板另一侧)，水流形成连续不断的环流，具有强制推动水流沿环形廊道流动的能力，水流没有出现短流的可能，所以可以节省水下推进器的布置数量和布置功率，甚至可以省去水下推进器，进一步具有节能的效果。若传统工艺缺氧区的混合功率按照3W/m³设计(规范规定值为2～8W/m³，实际取值多为3～5W/m³，这里计算以低值考虑)，本发明减少1/2，则可以进一步节省能耗10％(曝气区域功率按照15W/m³计算，系规范规定值)，节能效果非常显著。若在运行时省略水下推进器，则节能可以达到20％。所以本发明与传统的倒伞表曝机Carrousel氧化沟(倒伞表曝机位于弯道处的工艺布置方式)相比，在控制运行参数不变的条件下，理论上总体节能达到23％～35.7％，以平均值计算亦达到29.3％，节能效果非常显著。

附图说明

图1为本发明实施例中泵型叶轮表曝机7的示意图

图2为本发明实施例1的结构示意图

图3为本发明实施例1的平面构成示意图

图4为本发明实施例2的平面构成示意图

图5为本发明实施例3的表曝机周边结构示意图

图6为本发明实施例4的表曝机周边结构示意图

图7为本发明实施例3～4的整体结构示意图

图8为本发明实施例4的导流管处剖面图

其中，1-隔墙，2-廊道，5-导流通道，51-导流管，52-开孔，53-导流板，6-出水孔，7-泵型叶轮表曝机，71-电机，72-叶轮。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

实施例1：结合图2和图3，一种采用泵型叶轮表曝机的氧化沟，这里氧化沟以二廊道Carrousel氧化沟为例，包括廊道2和隔墙1，所述隔墙为相邻廊道2共用的墙壁，还包括导流通道5，所述导流通道上设有一个向上的圆形的出水孔6，还包括所述出水孔上方设有的一个竖直放置的泵型叶轮表曝机7，所述泵型叶轮表曝机包括电机71、与电机输出端连接的叶轮72。所述导流通道5为一个导流管51，所述隔墙下部设有开孔52，开孔52连接所述导流管51构成进水孔，导流管51另一侧为方向向上的圆形出水孔6，高度在水位线以下。所述开孔52的设置位置在隔墙1水平方向的中间位置。所述叶轮72的直径为2000-3000mm。所述导流管51直径为4000mm，所述圆形出水孔6直径为4000mm。水从低位区被吸入导流管51，在叶轮72作用下曝气并洒落在高位区，并顺着廊道流向低位区完成循环。

当泵型表曝机工作时，由于离心力的作用，表爆机中心处压力降低，隔墙外侧的污水在重力的作用下通过大口径的引流管流入，随着泵型叶轮的不断旋转，水流持续不断输出，工作原理与离心泵一致。由于氧化沟内需要控制一定的流速，以氧化沟廊道宽度6.0m、深度6.0m，流速0.25m/s作为设计依据，则两条廊道的流量合计为18.0m³/s，引流管直径为4.0m，大口径的引流管道内的平均流速为1.43m/s，引流管非常短(6m左右)，故水头损失很小。表曝机的叶轮直径为2500mm，转速与叶轮的平均湮没深度按照设备安装要求的参数即可。表爆机叶轮底部与导流管的垂直方向距离需要根据现场安装进行调试，调试时控制参数以导流管内流速<1.5m/s为宜。

两廊道氧化沟的直线部分长度可以取50～80m，廊道宽度以6.0m计算，转弯处长度18.8m(以中心线计算)，则两条廊道总长度为118.8～178.8m，曝气池容积为4276～6437m³，若缺氧区域和好氧区域的水力停留时间(HRT)合计以8.0h计算，则日处理污水量为1.28～1.93万m³。具体廊道的长度可以根据污水需氧量确定，需氧量大则廊道长度布置短，需氧量小则廊道可以布置长一些，廊道布置可以结合厂区平面布置确定。

考虑到污水既需要去除BOD，也需要脱氮与除磷，根据市政污水的水质参数，一般情况下每立方米污水需氧量以0.20～kg设计，则本实施方式需氧量为2560～3860kg/d，转化为小时需氧量则107～161kg/h，以直径2500mm泵(E)型叶轮计算，其标准状态下供氧能力为：Qs＝0.379×4.5^2.8×2.5^1.88kg/h＝143kg/h(说明：通过改善布置方式，曝气机吸水为低的DO浓度，故其池形结构修正系数K₁K₂都可以取1)，考虑到实际污水中的供氧能力有降低，按照0.80的系数考虑，也完全可以满足上述需氧量的要求，其需氧量大小的调节可以通过控制叶轮旋转速度来实现。需要配置的电机功率为0.0804×4.5^3.0×2.5^2.08＝49.3kW。节省的推进器功率为12.8～19.3kW，取平均值16.0kW，推流部分可节能32％。理论动力效率达到2.90kgO₂/kW>2/kW>

本实施例中导流管断面为圆形，剖面近似呈现L形，直径为4000mm左右，导流管内的流量需要满足两侧廊道的流量之和。导流管入流部分水流为横向(呈水平方向)，导流管出流部分水流方向垂直向上，且管的中心位置正好在表爆机的轴线上。导流管入流时为了减小阻力，将入口做成喇叭口，沿着水流方向做成弧形。导流管在进入表爆机下方时需要将水流由水平方向转为垂直向上，导流管在此处需要做成弧形，减小水流阻力。导流管内的流速不宜过大，否则形成涡流造成能耗增加，考虑这个因素，所以导流管内的流速越低越好。但是导流管内需要满足足够的流量，考虑到氧化沟廊道的深度不宜布置过大以及表爆机叶轮直径也不宜过大，导流管径以4000mm左右为合适，据此则计算的管内流速在1.5m/s以下是适宜的。如需要进一步降低能耗，减小导流管内流速，则可以将导流管入口口径适当放大，并酌情考虑将管底标高略低于池底高程。

实施例2：结合图4，本实施例在实施例1基础上，改为四廊道Carrousel氧化沟，表曝机依然设置在隔墙的中间位置，位于隔墙外侧，其他同实施例1。

四廊道的布置方式其作用原理与两廊道布置方式一样，仍是表爆机工作时其中心处压力降低，隔墙外侧的污水在重力的作用下通过大口径的引流管流入。所不同的是表爆机处于外侧，即位于大环的廊道上，这样当污水回流到导流管处时，水流的方向与导流方向一致，避免水流出现迂回曲折现象，减小水流阻力。四廊道的布置方式其表曝机的叶轮直径仍为2000～3000mm左右，转速与叶轮的平均湮没深度按照设备安装要求的参数即可。表爆机叶轮底部与导流管的垂直方向距离需要根据现场安装进行调试，调试时控制参数以导流管内流速宜<1.5m/s。

四廊道氧化沟的直线部分长度可以取40～55m，廊道宽度以6.0m计算，深度以6.0m计算。转弯处长度：小环单环为9.4m(以中心线计算)，大环为28.3m，则四条廊道总长度为216.6～276.6m，曝气池容积为7798～9958m³，若缺氧区域和好氧区域的水力停留时间(HRT)合计以8.0h计算，则日处理污水量为2.34～2.99万m³。具体廊道的长度可以根据污水需氧量确定，需氧量大则廊道长度布置短，需氧量小则廊道可以布置长一些，廊道布置可以结合厂区平面布置确定。采用四廊道布置方式，氧化沟整体布置较为紧凑。

同样每立方米污水需氧量以0.20～kg设计，则本实施方式需氧量为4680～5980kg/d，转化为小时需氧量则195～249kg/h，以直径3000mm泵(E)型叶轮计算，其标准状态下供氧能力为：Qs＝0.379×5.0^2.8×3.0^1.88kg/h＝271kg/h(说明：通过改善布置方式，其池形结构修正系数K₁K₂都可以取1)，考虑到实际污水中的供氧能力有降低，按照0.75的系数考虑，其最小供氧能力为203kg/h也完全可以满足上述需氧量的要求，其需氧量大小的调节一定程度可以通过控制叶轮旋转速度来实现，但是对于四廊道的氧化沟来说，该表爆机叶轮直径已经较大，转速也达到较高值，不宜再增加了。需要配置的电机功率为0.0804×5^3.0×3^2.08＝98.7kW，节省的推进器功率为23.4kW～29.9kW，取平均值26.6kW，推流部分可节能27％。理论动力效率达到2.74kgO₂/kW>2/kW>

实施例3：结合图5与图7，一种采用泵型叶轮表曝机的氧化沟，包括廊道2和隔墙1，所述隔墙为相邻廊道2共用的墙壁，还包括导流通道5，所述导流通道上设有一个向上的圆形的出水孔6，还包括所述出水孔上方设有的一个竖直放置的泵型叶轮表曝机7，所述泵型叶轮表曝机包括电机71、与电机输出端连接的叶轮72。所述导流通道5为设置在廊道2的直线段中的导流板53，该导流板53截断整个廊道2，在水位线以下设有一个向上的圆形的出水孔6，为该导流板53唯一水流通道。所述叶轮72的直径为2000-3000mm。所述导流管51直径为4000mm，所述圆形出水孔6直径为4000mm。

所述导流板53为三个长方形板材拼接而成，呈Z字型，截断整个廊道2后，廊道分为低位区和高位区，叶轮将水从出水孔6中吸出喷射到高位区，完成曝气和推流工作。表爆机叶轮工作时从孔内吸水，导流板的设置使得表爆机所吸水全部是上游来水，其DO浓度已经较低，所以表爆机效率提高。

实施例4：结合图6与图7，本实施例与实施例3的区别为，所述导流板53为一个斜面状导流板，其他同实施例3，主要作用与优点相同，为隔离低位区和高位区，防止水流短流浪费曝气资源。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。