需氧量与搅拌所需气量的矛盾-融合(一)

作者: laokou 分类: 水处理 发布时间: 2020-08-10 14:35

一个好氧池/缺氧池,当用风机进行充氧的同时,利用空气搅拌污水时,如何确定搅拌强度足够,污泥不分层,不沉淀?

比如一个设计8万吨的水厂,风机风量为Q,因种种原因,实际进水只有2万吨时,需要选择一个合适的风量,确保足够的溶氧以及足够的搅拌强度(通常设计我们都默认满足搅拌强度,但为了节约用电,当出现这种情况,需要小风量曝气时,需要特别注意),以下是答案:

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(一)混合过程分析及控制指标

混合的目的就是使各种组成的液体成分在空间上实现均匀分布,这种均匀分布可以通过分子扩散或紊动扩散来达到,但一般条件下,分子扩散的速度比紊动扩散低5~6个数量级,因此靠分子扩散是达不到工程应用的要求的,实际工程都是通过各种措施将各种成分的液体连续混合——即产生强烈的紊流搅拌,通过紊流扩散实现均匀混合。在实际应用中,可以忽略分子扩散的影响,认为各成分的均匀混合完全是由紊动扩散形成的。

使液体产生紊动扩散的途径有多种,但无论采用什么形式的混合方式,要达到混合均匀的目的,应在二个方面加以考虑:

(1) 平均输入功率的大小。根据流体动力学理论,液体的流动可以分为层流和紊流两种状态,液体的层流流动不能产生液体质点间的掺混,因此也达不到混合的目的,但在紊流状态下,液体质点除了作时均运动外,还产生纵向及横向的脉动运动,正是靠这种脉动运动,液层产生横向掺混,进而使液体质点的动力学性质、物理性质和化学性质趋于均一化。从混合的水力学原理看,紊流导致涡旋的形成,并产生涡旋拉伸使涡旋尺度由大变小,转速由小变大,粘性应力梯度逐渐增大,当粘性对涡量的扩散与拉伸对涡量的加强作用相平衡时,涡旋尺寸不再减小,而达到极限,在这个过程中能量随涡旋的变化逐级传递,大部分的能量通过小尺度的涡旋耗损转化为热能[1]。平均输入功率的大小反应了形成涡旋的大小和多少,而涡旋的存在状态直接与涡流扩散相关,因此平均输入功率也就表征了微观上的混合程度,平均输入功率越大,涡旋尺度越小,紊动扩散相应越强,因此要在一定时间内达到均匀混合的目的,必须要有一定的功率输入;但另一方面,根据紊动扩散理论,当扩散时间较长时,紊动扩散系数主要取决于较大尺度(低频率)的涡旋运动,在这种条件下,平均输入功率过高,只能导致大量高频率小涡旋的产生,对紊动扩散系数的影响并不大,因此采用很高的输入功率是没有必要的。实际工程设计中应确定出合理的平均输入功率大小。

(2)功率输入均匀性。混合池中输入功率越均匀,各处的时均流速就越接近,这样各点的扩散质随水流时均流动的扩散能力就越相近,由于这种随水流时均流速所产生的扩散即为对流扩散,反应的是宏观扩散,因此功率输入均匀性表征的是宏观上的均匀程度。衡量功率输入均匀与否可以根据中和池中废水的流动状态来确定,混和池中水流流速差异越大,死角越多,则输入功率越不均匀,宏观混合均匀性越低,反之宏观混合均匀性越高。

功率输入均匀性没有易于操作的指标,能否达到均匀混合很大程度上与混合方式及混合设备的布置有关系。一般来说,空气搅拌及搅拌器搅拌的混合形式,功率输入均匀性较好,水泵循环的水力混合的功率输入均匀性较差;混合设备的布置位置角度合适,则均匀性好,否则均匀性差,因此在设计中应对该因素着重加以考虑,必要时也可以借助流场分析。

混合池设计中,混合控制指标可以用速度梯度G来表示,它与混合水体的平均输入功率是直接相关的,也有人建议用GTRe-0.5作为混合过程的控制指标[2],它是根据扩散方程推导出来的,但由于混合池中液体流速难于确定,使得雷诺数Re难于计算得出,因此用其作为混合控制指标存在不足,因此笔者建议采用速度梯度G来表征混合强度,混合时间越短,要达到均匀混合的目的所需的G值越大,例如在给水处理进水同混凝药剂的混合,其时间在2分钟左右甚至更短,要求的G值在1000s-1左右。对于中和池中的混合过程,由于水力停留时间较长(多在0.5小时以上),依据前面的理论分析,相应的G值可以减小,建议G值控制在200~300s-1。对于均值调节池,停留时间更长,建议G值在100~200s-1

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