氣提式一體化污水處理設備影響因子實驗探究

李橋

（中原環保鄭州設備工程科技有限公司，河南鄭州 450018）

1 引言

農村水污染問題主要是由農村內的小型作坊以及家庭日常生活所產生的污水任意排放造成的，而尤以農村家庭生活污水的危害為主［1］。根據我國的《“十三五”全國城鎮污水處理及再生利用設施建設規劃》［2］，到2020 年底，實現城鎮污水處理設施全覆蓋。城市污水處理率達到95%，其中地級及以上城市建成區基本實現全收集、全處理；縣城不低于85%，其中東部地區力爭達到90%；建制鎮達到70%，其中中西部地區力爭達到50%；京津冀、長三角、珠三角等區域提前一年完成。根據以上規劃目標，我國村鎮污水處理廠（站）的需求數量很大。要實現國家的發展規劃，相對分散的村鎮污水處理廠（站）的數量將以萬來計量［3］。

村鎮污水不同于城市污水，具有污水來源面廣、較分散、難收集，水質及水量波動大，有機物、氨氮和磷等營養物質含量高等特點，且農村經濟技術管理水平較低，運維資金不足［4］。針對當前我國村鎮水環境的具體情況，氣提式一體化污水處理設備是一種較為經濟可行的處理方式。氣提式一體化污水處理設備相較于傳統一體化污水處理設備，減少了機械泵的設置，利用風機冗能實現水及污泥的提升，降低了投資成本，減少設備后期維護成本，具有很好的應用前景［5-6］。所以，氣提式一體化污水處理設備在農村生活污水處理項目中被大量使用。

當前我國很多農村污水處理項目存在著重建設、輕運維的情況，污水處理站雖然建設完成，但完成調試并正常運行的比例較低，大量氣提式一體化污水處理設備沒有正常投入使用。為了改善農村人居環境，調試并穩定運行這些一體化污水處理設備是重中之重，而由于當前正常運行的設備數量較少，設備調試大多處于摸索階段，對于氣提相關參數知之甚少。為了解決氣提式一體化污水處理設備的調試及運行問題，設計本次實驗，對氣提相關參數進行初步探究，為設備調試及運行提供數據支撐，降低設備調試及運行難度，提升氣提式一體化污水處理設備使用率，解決村鎮生活污水處理的重建設、輕運維的問題。

2 實驗原理及方法

氣提式一體化污水處理設備通過氣提實現硝化液回流和污泥回流，減少了回流泵的設置，通過調節不同的空氣量來控制提升量，實現對回流比的控制。

2.1 氣提原理

氣提是一個物理過程，根據亨利定律，通過提高一相分壓壓低另一相分壓來實現，是將氣體通入提升管，使氣體與處理液混合，混合后水氣溶液密度低于處理液的密度，提升管內外壓力差使混合液得到提升。原理如下：

式中，h 為提升高度；H 為淹沒深度；ρw為水的密度；ρm為提升液體的密度。

由上式可知，要使水氣上升至某高度h，須使氣提管淹沒至一定深度H，并需供應一定量的壓縮氣體，以形成一定的ρm。在淹沒深度一定的情況下，水氣混合液體的提升高度越大，其密度越小，所需的氣量相對就越大。計算公式為：

式中，Qa為提升量；Qu為空氣量；H 為淹沒深度；Ku為安全系數，一般取1.2；η 為效率系數，一般為0.35～0.45。

由上式可知，提升量與空氣量和淹沒深度有關，在淹沒深度一定的情況下，提升量與空氣量應呈線性關系［7-8］。

根據以上氣提原理，結合氣提式一體化污水處理設備現場運行情況，發現空氣量、淹沒深度和污泥濃度可能影響提升量，即硝化液回流比和污泥回流比影響設備的處理效果，所以本次實驗主要探究空氣量、淹沒深度和污泥濃度對提升量的影響，為氣提式一體化污水處理設備調試及運行提供數據支撐。

2.2 實驗方法

利用處理量為10 m3/d 的氣提式一體化污水處理設備進行實驗，對設備進行改造，氣體流量通過閥門進行控制，利用氣體轉子流量計讀取不同氣量；淹沒深度利用刻度尺進行測量，通過控制進水泵的啟停來控制水量，達到控制淹沒深度的目的；由于實驗條件的限制，不能進行污泥濃度的測量，故利用污泥沉降比（SV）來反映污泥濃度；提升量通過計量箱進行測量，通過測量一定時間內的提升量來計算出提升量。

2.2.1 空氣量

在淹沒深度和污泥濃度一定的條件下，通過控制不同的空氣量，探究空氣量對提升量的影響。設計0.25，0.50，0.75，1.00 m3/h 4 組不同空氣量探究其對提升量的影響。

2.2.2 淹沒深度

淹沒深度是指氣管中心到液面的高度，不同淹沒深度可能影響提升量。在空氣量和污泥濃度一定的條件下，通過控制不同淹沒深度，探究淹沒深度對提升量的影響。設計2.3，2.2，2.1，2.0 m 4 組不同淹沒深度探究其對提升量的影響。

2.2.3 污泥濃度

由于實驗條件限制，污泥濃度不能進行梯度實驗，選取不同池體不同階段的污泥分別進行實驗，來探究不同污泥濃度對提升量的影響。

首先，在剛接種污泥后，污泥濃度相對較低，此時進行一組實驗反映較低污泥濃度對提升量的影響；然后，在污泥馴化成功后，此時污泥濃度高于剛接種階段，進行一組實驗反映污泥濃度對提升量的影響；最后，二沉池底部污泥濃度很高，此時利用二沉池進行一組實驗反映高濃度污泥對提升量的影響。

3 實驗結果與分析

3.1 空氣量對提升量的影響

分別選取淹沒深度為2.3 m、污泥沉降比為32%；淹沒深度為2.2 m、污泥沉降比為100%；淹沒深度為2.0 m、污泥沉降比為78%，根據這3 組數據分析不同條件下空氣量與提升量的關系。

3.1.1 條件一

淹沒深度為2.3 m，污泥沉降比為32%時，不同空氣量對提升量的影響見圖1。

圖1 條件一下不同空氣量對提升量的影響

從圖1 可以看出，提升量與空氣量正相關，隨著空氣量的逐漸增大，提升量也逐漸增大，當空氣量增大到一定量時，提升量的增大趨勢減緩。當空氣量從0.50 m3/h 增長到0.75 m3/h 時，提升量從2.37 m3/h增長到3.30 m3/h，提升量增長迅速，隨著空氣量從0.75 m3/h 增長到1.00 m3/h，提升量只從3.30 m3/h 增長到3.45 m3/h，提升量增長速度減慢。

3.1.2 條件二

淹沒深度為2.2 m，污泥沉降比為100%時，不同空氣量對提升量的影響見圖2。

圖2 條件二下不同空氣量對提升量的影響

從圖2 可以看出，提升量與空氣量正相關，隨著空氣量的逐漸增大，提升量也逐漸增大。提升量隨著空氣量的增大基本呈線性增長，當空氣量為0.25 m3/h時，提升量為1.50 m3/h，當空氣量為1.00 m3/h 時，提升量為4.15 m3/h。

3.1.3 條件三

淹沒深度為2.0 m，污泥沉降比為78%時，不同空氣量對提升量的影響見圖3。

圖3 條件三下不同空氣量對提升量的影響

從圖3 可以看出，提升量與空氣量正相關，隨著空氣量的逐漸增大，提升量也逐漸增大。當空氣量為0.25 m3/h 時，提升量為0.72 m3/h，隨著空氣量的提升，提升量也逐漸增大，當空氣量為1.00 m3/h 時，提升量為2.40 m3/h。

通過以上3 組不同淹沒深度和污泥濃度的數據對比發現，空氣量和提升量呈現正相關，隨著空氣量的逐漸增大，提升量逐漸增大。從第1 組數據可以看出，隨著空氣量逐漸增大到一定程度時，提升量的增大趨勢會逐漸變慢。分析原因可能是由于空氣量過大使提升管內氣水不能完全分離，造成空氣量浪費，降低氣提效率，影響提升量。而另外2 組數據沒有呈現提升量增長放緩的趨勢，可能是由于梯度數據較少，應在后續實驗繼續增大空氣量，觀察提升量的變化。

3.2 淹沒深度對提升量的影響

分別選取污泥沉降比為32%和100%，研究不同淹沒深度對提升量的影響。

3.2.1 條件一

污泥沉降比為32%時，不同淹沒深度對提升量的影響見圖4。

圖4 條件一下不同淹沒深度對提升量的影響

從圖4 可以看出，空氣量相同時，隨著淹沒深度的增大，提升量逐漸增大。當空氣量為0.25 m3/h 時，淹沒深度為2.2 m 和2.1 m 的提升量差別不大，隨著空氣量的增大，提升量的差距增大，但基本保持在0.50 m3/h；當淹沒深度為2.3 m，空氣量為0.25 m3/h 時，提升量與淹沒深度2.1 m 和2.2 m 差別較大，但隨著空氣量的逐漸增大，提升量的差別減小。

3.2.2 條件二

污泥沉降比為100%時，不同淹沒深度對提升量的影響見圖5。

圖5 條件二下不同淹沒深度對提升量的影響

從圖5 可以看出，空氣量相同時，隨著淹沒深度的增大，提升量逐漸增大。淹沒深度為2.1 m 和2.0 m時，相同空氣量對應提升量差別較小；當淹沒深度提升到2.2 m 時，相同空氣量對應提升量要明顯大于淹沒深度為2.1 m 和2.0 m，而當淹沒深度上升到2.3 m 時，相同空氣量對應提升量相較于淹沒深度為2.2 m 差別較小。

從以上2 組實驗數據對比可以看出，在污泥沉降比為32%和100%時，相同空氣量條件下，隨著淹沒深度的逐漸增大，提升量逐漸增大。由于隨著淹沒深度的逐漸增大，提升管外壓強逐漸增大，使得相同空氣量時淹沒深度高的提升量較大。

3.3 污泥濃度對提升量的影響

3.3.1 條件一

有效水深為2.2 m，淹沒深度為2.0 m 時，不同污泥沉降比對提升量的影響見圖6。

圖6 條件一下不同污泥沉降比對提升量的影響

從圖6 可以看出，隨著污泥濃度的升高，相同空氣量時，提升量逐漸減小，但是隨著污泥濃度升高到一定程度，提升量之間的差別逐漸減小。當空氣量從0.25 m3/h 增大到0.75 m3/h 時，提升量逐漸升高，污泥沉降比為12%要明顯高于污泥沉降比為78%和污泥沉降比為100%，當空氣量為1.00 m3/h 時，3 組不同污泥沉降比提升量差別不大。

3.3.2 條件二

有效水深為2.3 m，淹沒深度為2.1 m 時，不同污泥沉降比對提升量的影響見圖7。

圖7 條件二下不同污泥沉降比對提升量的影響

從圖7 可以看出，隨著污泥濃度的升高，相同條件下的提升量逐漸減小，且在污泥濃度差別較大的情況下，提升量的差別也較大。隨著空氣量的逐漸增大，污泥沉降比為32%和100%的提升量差別逐漸變小。

通過對比以上2 組數據發現，污泥濃度會影響提升量，相同的空氣量，污泥濃度低的提升量要高于污泥濃度高的提升量，但是隨著空氣量的繼續增大，不同污泥濃度的提升量差別逐漸減小，可能是由于不同的污泥濃度會造成混合液比重不同，從而影響提升量。

4 結論

當淹沒深度、污泥濃度等因素一定時，隨著空氣量的逐漸增大，提升量也逐漸增大，但是增長趨勢逐漸變緩，氣提效率逐漸降低。

當空氣量、污泥濃度一定時，隨著淹沒深度的逐漸增大，提升量逐漸增大。不同淹沒深度的提升量差別隨著空氣量的增大逐漸減小。

當空氣量、淹沒深度一定時，隨著污泥濃度的逐漸增大，提升量逐漸減小。不同污泥濃度的提升量差別隨著空氣量的增大逐漸減小。

綜合以上結論，空氣量、淹沒深度和污泥濃度對提升量均有影響，但隨著所需提升量的逐漸增大，氣提效率逐漸降低。所以，當一體化污水處理設備小于一定規模時，適合利用氣提的方式以達到節能降耗的目的，當設備規模較大時，氣提方式將不再具有優勢，仍需利用傳統機械泵滿足工藝要求。