节能与环保 研究探讨 曝气是通过空压机提供动力， 1 1 2 2 2 将空气注入曝气池水中，曝气过程 湛 蓝 ，栾兆坤 ，芦 刚 ，迟 娟 ，李敏哲 是将气相介质注入液相介质的传质 （1.中国科学院生态研究中心，北京 100085； 2.多元水环保技术产业（中国）有限公司，北京 100062） 过程。对这一过程我们关注两点：一 是曝气阻力损失，即气相介质注入 摘要：通过对膜片式曝气器各种曝气阻力损失影响因素的试验研 液相介质的压头损失 （传质消耗的 究，以优化在产品设计中的各技术参数，获取更好的经济效益。 能量）；二是传质后气相介质的形 关键词：阻力损失；孔数；孔的大小；孔型；材质 态，即气泡分布均匀性。我们大家都希望 以最小的阻力损失换取最好的曝气 膜 效果。因为一方面曝气器阻力损失 的大小直接影响到污水处理厂的运 片 行成本费用，曝气器的阻力损失越 大，相应鼓风机的功率就越大或者 式 鼓风机台数越多，一个污水处理厂 有三分之一的运行的成本花在电费上， 而其中50％～60％的电费用在鼓风 微 曝气上；另一方面，如果曝气阻力损 失太大，说明曝气器的工况条件较 孔 差，将直接影响曝气器的常规使用的寿命， 所以尽量减小曝气阻力损失是我们 曝 在设计曝气器时一定要考虑的问题。 宏观上曝气器的曝气阻力损失的大 气 小取决于两方面：一是取决于曝气 器设备本身，最重要的包含开孔数量、开 器 孔大小以及孔型；其次就是取决于 曝气工况，主要是指曝气量大小，曝 气器的曝气量多少，将直接影响曝 曝气阻力损失试验研究 气阻力损失的大小，从流体力学理 论的角度讲，它们之间的关系是正 比关系，但由于橡胶膜上的小孔孔径随曝气量的改变而 曝气量下的曝气阻力损失，进而获得曝气阻力曲线。通 改变，所以曝气量与曝气阻力之间的确切关系，无法根 过对比曝气阻力曲线，得出各因素对曝气阻力的影响。 据流体力学得解，应由试验确定。 具体试验步骤如下： （1)在U形管中装入水，水深4m,连接U型管与曝 1试验部分 气器； 1.1试验装置 如图1所示，试验装置由空压机、压力表、流量计、 压力表 转子流量计 管式曝气器、U型压力计、流量控制阀、试验水箱和管 空压机 U形压力计 路等部分所组成。 流量控制阀 1.2试验方法 管式曝气器 试验采用单因素循环法，通过试验找出各因素对曝 水箱 气阻力损失的影响规律。在试验中，测试曝气器在不同 图1 2005.No.5 ·月刊 19 JIENENG YUHUAN BA O 节能与环保 研究探讨 （2)将曝气器固定在水箱中； 2.2.1试验结果 （3)启动空气压缩机并打开流量控制阀，观察曝气 在开孔总面积相同且孔数相同（均为4000）的条件 器有无漏气的现象； 下，分别用φ1.0mm、φ1.5mm、φ2.0mm的圆锥打 （4)调节流量控制阀，向曝气器通入空气，记录空 孔。通过试验获得的曝气阻力曲线mm 气流量与U形管中液位的位置； 圆锥打孔的曝气器，其阻力损失非常大，超出了试 （5）分别更换不同开孔数量、不同开孔大小和不 验装置的测量量程，无法记录完整的试验数据。用 同孔型，以及不同橡胶膜材质的曝气器做试验，并记 φ1.5mm圆锥打孔的曝气器，其平均曝气阻力为 录各有关数据。 14000Pa；用φ2.0mm圆锥打孔的曝气器，其平均曝 气阻力为11000Pa。 2试验结果及讨论 开孔大小对曝气阻力的影响 2.1橡胶膜上开孔数目对曝气阻力损失的影响 1900 ) 2.1.1试验结果 a 1700 P 试验中用φ1.5mm的圆锥，在3条橡胶膜上依次 ( 1500 失 1300 开2550、4160、6004个孔。通过试验获得的曝气阻力 损 力 1100 曲线 3 曝气量 m/h 力 2544 阻 1200 4160 图3 气 6004 曝 800 2.2.2试验结果分析 400 0 5 10 15 20 25 30 曝气器的曝气阻力损失与橡胶膜上开孔孔径呈反 3 曝气量 m/h 比。造成此现状的原因是：孔径大的孔比孔径小的孔 图2 易张开，造成通过孔径大的孔曝气所需克服的阻力比通 从图2能够准确的看出，开孔数目为2550的曝气器，其平 过孔径小的孔曝气所需克服的阻力小，所以曝气器的曝 均曝气阻力为14000Pa；开孔数目为4160的曝气器时， 气阻力损失与橡胶膜上开孔孔径呈反比。但是，由于橡 其平均曝气阻力为11000Pa；开孔数目为6000的曝气 胶膜上的曝气孔越大，其曝气时的气泡就越大，气泡太 器，其平均曝气阻力为10000Pa。 大将影响曝气器的充氧能力，因为一方面在气量相同的 2.1.2试验结果分析 条件下，气泡太大，其与水体的接触面积就小，另一方 由图2的试验结果，可作如下分析： 面大气泡在水体中的上升速度比小气泡要快，自然大气 随着开孔数目的增多，(1) 流通面积增大，曝气阻力 泡在上升过程中与水体的接触时间就短。所以在设计 减小； 时，不能一味的追求曝气阻力损失小，而忽略其充氧能 不同孔数的曝气器，(2) 其曝气阻力曲线都趋近于直 力，一般最好将气泡直径控制在3mm以内。 线，曝气阻力与曝气量呈线形关系，这种线不同孔型对曝气阻力损失的影响 率是由曝气器的几何结构决定的，这一斜率反映了曝气 2.3.1试验结果 器在阻力损失方面的曝气性能，亦即曝气器对不同曝气 试验中分别用圆锥、一字锥和三棱锥在橡胶膜上打 工况 （即曝气量）的适应能力； 孔，打孔面积和孔数均相同,通过试验获得的曝气阻力 当孔数大到某些特定的程度时，(3) 随着孔数的增加，曝气 曲线，用圆锥打孔的曝气器，其曝气阻力损失平 阻力损失变化不大。这是由于流通面积已经大于试验流 均为9500Pa；用一字锥横打孔的曝气器(即孔向与曝气 量范围对应的自由流通面积，所以，流通面积变大时， 器的轴向一致)，其曝气阻力损失平均为6000Pa；用一 阻力损失几乎不变。 字锥竖打孔的曝气器 （即孔向与曝气器的轴向互相垂 2.2胶膜上开孔大小对曝气阻力损失的影响 直），其曝气阻力损失平均为11000Pa；用三棱锥打孔的 JIENENG YUHUAN BA O 20 2005.No.5 ·月刊 节能与环保 研究探讨 曝气器，其曝气阻力损失平均为4000Pa。 2.4.2试验结果分析 同氯丁橡胶曝气器相比，三元乙丙曝气器曝气阻 不同孔型对曝气阻力的影响 1600 力损失减少了45%。造成此现状的原因是：三元乙丙 ) Pa 1400 橡胶的弹性比氯丁橡胶好，三元乙丙橡胶上的孔比氯 ( 1200 失 1000 圆锥 丁橡胶上的孔易张开，造成通过孔径大的孔曝气所需 损 800 一字锥 克服的阻力比通过孔径小的孔曝气所需克服的阻力小， 力 横钉 阻 600 三棱锥 气 所以三元乙丙橡胶膜曝气器的曝气阻力损失与氯丁橡 曝 400 200 胶曝气器小。此外，三元乙丙橡胶还具有优越的耐热、 0 防紫外、耐酸碱、抗老化、抗撕裂、耐候以及防化学性 0 5 10 15 20 25 3 物质侵袭的性能，被广泛的应用于城市污水和工业废 曝气量 m/h 图4 水的处理工程中。但在含油、芳香烃物质的污水处理 领域，我们不推荐采用该种橡胶膜，可优先考虑采用氨 2.3.2试验结果分析 基甲酸乙脂橡胶膜等。 用三棱锥打孔的曝气器，其曝气阻力损失最小。用 一字锥横打孔和三棱锥打孔的曝气器，它们的曝气阻力 3结论 损失较小；用圆锥打孔的曝气器和用一字锥竖打孔的曝 （1）曝气器不必过分强调所谓的微孔曝气，孔径 气器，其曝气阻力损失较大。造成此现状的原因是： 稍微增大，可较大幅度提供空气流量，以降低曝气阻 三棱锥打的孔比一字锥和圆锥打的孔易张开，造成气体 力，在某些特定的程度上，其节省的能耗带来的经济效益大 通过三棱锥打的孔所需克服的阻力比通过一字锥和圆锥 于因孔径增大氧的利用率下降所损失的效益； 打的孔曝气所需克服的阻力小，所以用三棱锥打孔的曝 （2）在橡胶膜强度允许的条件下，单位面积橡胶 气器，其曝气阻力损失最小，曝气效果最好。另外我们 膜应该尽可能的增加开孔数量，以降低曝气阻力，这 注意到：同样是一字锥横打孔，与用一字锥竖打孔的曝 样一方面能降低系统能耗，另外还能增加曝气器的使 气器相比，用一字锥横打孔的曝气器，其曝气阻力损失 用寿命； 比较小。造成此现状的原因是：曝气器曝气时变形主 （3）在橡胶膜孔型设计上，应该优先采用三棱锥 要发生在径向，在轴向方向上变形可忽略不记。用一 型的，以获得更好的曝气阻力损失； 字锥横打孔的方向是沿着轴向，而用一字锥竖打孔的方 （4）在橡胶膜材质选择上，如果水质条件允许的 向是沿着径向，所以用一字锥横打的孔比用一字锥竖打 话，推荐采乙丙橡胶； 的孔容易变形、张开，造成用一字锥横打孔的曝气器比 （5）经过对以上各因素进行优化后，曝气阻力损 用一字锥竖打孔的曝气器曝气阻力损失小。 失基本能控制在3000Pa以内，并且具备比较好的充氧能 2.4胶材质对曝气阻力损失的影响 力。■ 2.4.1试验结果 参考文献： 经试验测得氯丁橡胶曝气器的曝气阻力损失为 [1]孙国华,等.不同孔径曝气器在生物接触氧化

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