气提式一体化污水处理设备影响因子实验探究

李桥

（中原环保郑州设备工程科技有限公司，河南郑州 450018）

1 引言

农村水污染问题主要是由农村内的小型作坊以及家庭日常生活所产生的污水任意排放造成的，而尤以农村家庭生活污水的危害为主［1］。根据我国的《“十三五”全国城镇污水处理及再生利用设施建设规划》［2］，到2020 年底，实现城镇污水处理设施全覆盖。城市污水处理率达到95%，其中地级及以上城市建成区基本实现全收集、全处理；县城不低于85%，其中东部地区力争达到90%；建制镇达到70%，其中中西部地区力争达到50%；京津冀、长三角、珠三角等区域提前一年完成。根据以上规划目标，我国村镇污水处理厂（站）的需求数量很大。要实现国家的发展规划，相对分散的村镇污水处理厂（站）的数量将以万来计量［3］。

村镇污水不同于城市污水，具有污水来源面广、较分散、难收集，水质及水量波动大，有机物、氨氮和磷等营养物质含量高等特点，且农村经济技术管理水平较低，运维资金不足［4］。针对当前我国村镇水环境的具体情况，气提式一体化污水处理设备是一种较为经济可行的处理方式。气提式一体化污水处理设备相较于传统一体化污水处理设备，减少了机械泵的设置，利用风机冗能实现水及污泥的提升，降低了投资成本，减少设备后期维护成本，具有很好的应用前景［5-6］。所以，气提式一体化污水处理设备在农村生活污水处理项目中被大量使用。

当前我国很多农村污水处理项目存在着重建设、轻运维的情况，污水处理站虽然建设完成，但完成调试并正常运行的比例较低，大量气提式一体化污水处理设备没有正常投入使用。为了改善农村人居环境，调试并稳定运行这些一体化污水处理设备是重中之重，而由于当前正常运行的设备数量较少，设备调试大多处于摸索阶段，对于气提相关参数知之甚少。为了解决气提式一体化污水处理设备的调试及运行问题，设计本次实验，对气提相关参数进行初步探究，为设备调试及运行提供数据支撑，降低设备调试及运行难度，提升气提式一体化污水处理设备使用率，解决村镇生活污水处理的重建设、轻运维的问题。

2 实验原理及方法

气提式一体化污水处理设备通过气提实现硝化液回流和污泥回流，减少了回流泵的设置，通过调节不同的空气量来控制提升量，实现对回流比的控制。

2.1 气提原理

气提是一个物理过程，根据亨利定律，通过提高一相分压压低另一相分压来实现，是将气体通入提升管，使气体与处理液混合，混合后水气溶液密度低于处理液的密度，提升管内外压力差使混合液得到提升。原理如下：

式中，h 为提升高度；H 为淹没深度；ρw为水的密度；ρm为提升液体的密度。

由上式可知，要使水气上升至某高度h，须使气提管淹没至一定深度H，并需供应一定量的压缩气体，以形成一定的ρm。在淹没深度一定的情况下，水气混合液体的提升高度越大，其密度越小，所需的气量相对就越大。计算公式为：

式中，Qa为提升量；Qu为空气量；H 为淹没深度；Ku为安全系数，一般取1.2；η 为效率系数，一般为0.35～0.45。

由上式可知，提升量与空气量和淹没深度有关，在淹没深度一定的情况下，提升量与空气量应呈线性关系［7-8］。

根据以上气提原理，结合气提式一体化污水处理设备现场运行情况，发现空气量、淹没深度和污泥浓度可能影响提升量，即硝化液回流比和污泥回流比影响设备的处理效果，所以本次实验主要探究空气量、淹没深度和污泥浓度对提升量的影响，为气提式一体化污水处理设备调试及运行提供数据支撑。

2.2 实验方法

利用处理量为10 m3/d 的气提式一体化污水处理设备进行实验，对设备进行改造，气体流量通过阀门进行控制，利用气体转子流量计读取不同气量；淹没深度利用刻度尺进行测量，通过控制进水泵的启停来控制水量，达到控制淹没深度的目的；由于实验条件的限制，不能进行污泥浓度的测量，故利用污泥沉降比（SV）来反映污泥浓度；提升量通过计量箱进行测量，通过测量一定时间内的提升量来计算出提升量。

2.2.1 空气量

在淹没深度和污泥浓度一定的条件下，通过控制不同的空气量，探究空气量对提升量的影响。设计0.25，0.50，0.75，1.00 m3/h 4 组不同空气量探究其对提升量的影响。

2.2.2 淹没深度

淹没深度是指气管中心到液面的高度，不同淹没深度可能影响提升量。在空气量和污泥浓度一定的条件下，通过控制不同淹没深度，探究淹没深度对提升量的影响。设计2.3，2.2，2.1，2.0 m 4 组不同淹没深度探究其对提升量的影响。

2.2.3 污泥浓度

由于实验条件限制，污泥浓度不能进行梯度实验，选取不同池体不同阶段的污泥分别进行实验，来探究不同污泥浓度对提升量的影响。

首先，在刚接种污泥后，污泥浓度相对较低，此时进行一组实验反映较低污泥浓度对提升量的影响；然后，在污泥驯化成功后，此时污泥浓度高于刚接种阶段，进行一组实验反映污泥浓度对提升量的影响；最后，二沉池底部污泥浓度很高，此时利用二沉池进行一组实验反映高浓度污泥对提升量的影响。

3 实验结果与分析

3.1 空气量对提升量的影响

分别选取淹没深度为2.3 m、污泥沉降比为32%；淹没深度为2.2 m、污泥沉降比为100%；淹没深度为2.0 m、污泥沉降比为78%，根据这3 组数据分析不同条件下空气量与提升量的关系。

3.1.1 条件一

淹没深度为2.3 m，污泥沉降比为32%时，不同空气量对提升量的影响见图1。

图1 条件一下不同空气量对提升量的影响

从图1 可以看出，提升量与空气量正相关，随着空气量的逐渐增大，提升量也逐渐增大，当空气量增大到一定量时，提升量的增大趋势减缓。当空气量从0.50 m3/h 增长到0.75 m3/h 时，提升量从2.37 m3/h增长到3.30 m3/h，提升量增长迅速，随着空气量从0.75 m3/h 增长到1.00 m3/h，提升量只从3.30 m3/h 增长到3.45 m3/h，提升量增长速度减慢。

3.1.2 条件二

淹没深度为2.2 m，污泥沉降比为100%时，不同空气量对提升量的影响见图2。

图2 条件二下不同空气量对提升量的影响

从图2 可以看出，提升量与空气量正相关，随着空气量的逐渐增大，提升量也逐渐增大。提升量随着空气量的增大基本呈线性增长，当空气量为0.25 m3/h时，提升量为1.50 m3/h，当空气量为1.00 m3/h 时，提升量为4.15 m3/h。

3.1.3 条件三

淹没深度为2.0 m，污泥沉降比为78%时，不同空气量对提升量的影响见图3。

图3 条件三下不同空气量对提升量的影响

从图3 可以看出，提升量与空气量正相关，随着空气量的逐渐增大，提升量也逐渐增大。当空气量为0.25 m3/h 时，提升量为0.72 m3/h，随着空气量的提升，提升量也逐渐增大，当空气量为1.00 m3/h 时，提升量为2.40 m3/h。

通过以上3 组不同淹没深度和污泥浓度的数据对比发现，空气量和提升量呈现正相关，随着空气量的逐渐增大，提升量逐渐增大。从第1 组数据可以看出，随着空气量逐渐增大到一定程度时，提升量的增大趋势会逐渐变慢。分析原因可能是由于空气量过大使提升管内气水不能完全分离，造成空气量浪费，降低气提效率，影响提升量。而另外2 组数据没有呈现提升量增长放缓的趋势，可能是由于梯度数据较少，应在后续实验继续增大空气量，观察提升量的变化。

3.2 淹没深度对提升量的影响

分别选取污泥沉降比为32%和100%，研究不同淹没深度对提升量的影响。

3.2.1 条件一

污泥沉降比为32%时，不同淹没深度对提升量的影响见图4。

图4 条件一下不同淹没深度对提升量的影响

从图4 可以看出，空气量相同时，随着淹没深度的增大，提升量逐渐增大。当空气量为0.25 m3/h 时，淹没深度为2.2 m 和2.1 m 的提升量差别不大，随着空气量的增大，提升量的差距增大，但基本保持在0.50 m3/h；当淹没深度为2.3 m，空气量为0.25 m3/h 时，提升量与淹没深度2.1 m 和2.2 m 差别较大，但随着空气量的逐渐增大，提升量的差别减小。

3.2.2 条件二

污泥沉降比为100%时，不同淹没深度对提升量的影响见图5。

图5 条件二下不同淹没深度对提升量的影响

从图5 可以看出，空气量相同时，随着淹没深度的增大，提升量逐渐增大。淹没深度为2.1 m 和2.0 m时，相同空气量对应提升量差别较小；当淹没深度提升到2.2 m 时，相同空气量对应提升量要明显大于淹没深度为2.1 m 和2.0 m，而当淹没深度上升到2.3 m 时，相同空气量对应提升量相较于淹没深度为2.2 m 差别较小。

从以上2 组实验数据对比可以看出，在污泥沉降比为32%和100%时，相同空气量条件下，随着淹没深度的逐渐增大，提升量逐渐增大。由于随着淹没深度的逐渐增大，提升管外压强逐渐增大，使得相同空气量时淹没深度高的提升量较大。

3.3 污泥浓度对提升量的影响

3.3.1 条件一

有效水深为2.2 m，淹没深度为2.0 m 时，不同污泥沉降比对提升量的影响见图6。

图6 条件一下不同污泥沉降比对提升量的影响

从图6 可以看出，随着污泥浓度的升高，相同空气量时，提升量逐渐减小，但是随着污泥浓度升高到一定程度，提升量之间的差别逐渐减小。当空气量从0.25 m3/h 增大到0.75 m3/h 时，提升量逐渐升高，污泥沉降比为12%要明显高于污泥沉降比为78%和污泥沉降比为100%，当空气量为1.00 m3/h 时，3 组不同污泥沉降比提升量差别不大。

3.3.2 条件二

有效水深为2.3 m，淹没深度为2.1 m 时，不同污泥沉降比对提升量的影响见图7。

图7 条件二下不同污泥沉降比对提升量的影响

从图7 可以看出，随着污泥浓度的升高，相同条件下的提升量逐渐减小，且在污泥浓度差别较大的情况下，提升量的差别也较大。随着空气量的逐渐增大，污泥沉降比为32%和100%的提升量差别逐渐变小。

通过对比以上2 组数据发现，污泥浓度会影响提升量，相同的空气量，污泥浓度低的提升量要高于污泥浓度高的提升量，但是随着空气量的继续增大，不同污泥浓度的提升量差别逐渐减小，可能是由于不同的污泥浓度会造成混合液比重不同，从而影响提升量。

4 结论

当淹没深度、污泥浓度等因素一定时，随着空气量的逐渐增大，提升量也逐渐增大，但是增长趋势逐渐变缓，气提效率逐渐降低。

当空气量、污泥浓度一定时，随着淹没深度的逐渐增大，提升量逐渐增大。不同淹没深度的提升量差别随着空气量的增大逐渐减小。

当空气量、淹没深度一定时，随着污泥浓度的逐渐增大，提升量逐渐减小。不同污泥浓度的提升量差别随着空气量的增大逐渐减小。

综合以上结论，空气量、淹没深度和污泥浓度对提升量均有影响，但随着所需提升量的逐渐增大，气提效率逐渐降低。所以，当一体化污水处理设备小于一定规模时，适合利用气提的方式以达到节能降耗的目的，当设备规模较大时，气提方式将不再具有优势，仍需利用传统机械泵满足工艺要求。