李橋

（中原環(huán)保鄭州設(shè)備工程科技有限公司，河南鄭州 450018）

1 引言

農(nóng)村水污染問題主要是由農(nóng)村內(nèi)的小型作坊以及家庭日常生活所產(chǎn)生的污水任意排放造成的，而尤以農(nóng)村家庭生活污水的危害為主［1］。根據(jù)我國的《“十三五”全國城鎮(zhèn)污水處理及再生利用設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》［2］，到2020 年底，實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施全覆蓋。城市污水處理率達(dá)到95%，其中地級及以上城市建成區(qū)基本實(shí)現(xiàn)全收集、全處理；縣城不低于85%，其中東部地區(qū)力爭達(dá)到90%；建制鎮(zhèn)達(dá)到70%，其中中西部地區(qū)力爭達(dá)到50%；京津冀、長三角、珠三角等區(qū)域提前一年完成。根據(jù)以上規(guī)劃目標(biāo)，我國村鎮(zhèn)污水處理廠（站）的需求數(shù)量很大。要實(shí)現(xiàn)國家的發(fā)展規(guī)劃，相對分散的村鎮(zhèn)污水處理廠（站）的數(shù)量將以萬來計(jì)量［3］。

村鎮(zhèn)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(zhì)及水量波動(dòng)大，有機(jī)物、氨氮和磷等營養(yǎng)物質(zhì)含量高等特點(diǎn)，且農(nóng)村經(jīng)濟(jì)技術(shù)管理水平較低，運(yùn)維資金不足［4］。針對當(dāng)前我國村鎮(zhèn)水環(huán)境的具體情況，氣提式一體化污水處理設(shè)備是一種較為經(jīng)濟(jì)可行的處理方式。氣提式一體化污水處理設(shè)備相較于傳統(tǒng)一體化污水處理設(shè)備，減少了機(jī)械泵的設(shè)置，利用風(fēng)機(jī)冗能實(shí)現(xiàn)水及污泥的提升，降低了投資成本，減少設(shè)備后期維護(hù)成本，具有很好的應(yīng)用前景［5-6］。所以，氣提式一體化污水處理設(shè)備在農(nóng)村生活污水處理項(xiàng)目中被大量使用。

當(dāng)前我國很多農(nóng)村污水處理項(xiàng)目存在著重建設(shè)、輕運(yùn)維的情況，污水處理站雖然建設(shè)完成，但完成調(diào)試并正常運(yùn)行的比例較低，大量氣提式一體化污水處理設(shè)備沒有正常投入使用。為了改善農(nóng)村人居環(huán)境，調(diào)試并穩(wěn)定運(yùn)行這些一體化污水處理設(shè)備是重中之重，而由于當(dāng)前正常運(yùn)行的設(shè)備數(shù)量較少，設(shè)備調(diào)試大多處于摸索階段，對于氣提相關(guān)參數(shù)知之甚少。為了解決氣提式一體化污水處理設(shè)備的調(diào)試及運(yùn)行問題，設(shè)計(jì)本次實(shí)驗(yàn)，對氣提相關(guān)參數(shù)進(jìn)行初步探究，為設(shè)備調(diào)試及運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支撐，降低設(shè)備調(diào)試及運(yùn)行難度，提升氣提式一體化污水處理設(shè)備使用率，解決村鎮(zhèn)生活污水處理的重建設(shè)、輕運(yùn)維的問題。

2 實(shí)驗(yàn)原理及方法

氣提式一體化污水處理設(shè)備通過氣提實(shí)現(xiàn)硝化液回流和污泥回流，減少了回流泵的設(shè)置，通過調(diào)節(jié)不同的空氣量來控制提升量，實(shí)現(xiàn)對回流比的控制。

2.1 氣提原理

氣提是一個(gè)物理過程，根據(jù)亨利定律，通過提高一相分壓壓低另一相分壓來實(shí)現(xiàn)，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(nèi)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(yīng)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(jì)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(shù)，一般取1.2；η 為效率系數(shù)，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(guān)，在淹沒深度一定的情況下，提升量與空氣量應(yīng)呈線性關(guān)系［7-8］。

根據(jù)以上氣提原理，結(jié)合氣提式一體化污水處理設(shè)備現(xiàn)場運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)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(shè)備的處理效果，所以本次實(shí)驗(yàn)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(shè)備調(diào)試及運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支撐。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

利用處理量為10 m3/d 的氣提式一體化污水處理設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對設(shè)備進(jìn)行改造，氣體流量通過閥門進(jìn)行控制，利用氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)讀取不同氣量；淹沒深度利用刻度尺進(jìn)行測量，通過控制進(jìn)水泵的啟停來控制水量，達(dá)到控制淹沒深度的目的；由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，不能進(jìn)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(jì)量箱進(jìn)行測量，通過測量一定時(shí)間內(nèi)的提升量來計(jì)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)條件限制，污泥濃度不能進(jìn)行梯度實(shí)驗(yàn)，選取不同池體不同階段的污泥分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，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(shí)進(jìn)行一組實(shí)驗(yàn)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(shí)污泥濃度高于剛接種階段，進(jìn)行一組實(shí)驗(yàn)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(shí)利用二沉池進(jìn)行一組實(shí)驗(yàn)反映高濃度污泥對提升量的影響。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jù)這3 組數(shù)據(jù)分析不同條件下空氣量與提升量的關(guān)系。

3.1.1 條件一

淹沒深度為2.3 m，污泥沉降比為32%時(shí)，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(guān)，隨著空氣量的逐漸增大，提升量也逐漸增大，當(dāng)空氣量增大到一定量時(shí)，提升量的增大趨勢減緩。當(dāng)空氣量從0.50 m3/h 增長到0.75 m3/h 時(shí)，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(shí)，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(guān)，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(dāng)空氣量為0.25 m3/h時(shí)，提升量為1.50 m3/h，當(dāng)空氣量為1.00 m3/h 時(shí)，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(shí)，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(guān)，隨著空氣量的逐漸增大，提升量也逐漸增大。當(dāng)空氣量為0.25 m3/h 時(shí)，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(dāng)空氣量為1.00 m3/h 時(shí)，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(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，空氣量和提升量呈現(xiàn)正相關(guān)，隨著空氣量的逐漸增大，提升量逐漸增大。從第1 組數(shù)據(jù)可以看出，隨著空氣量逐漸增大到一定程度時(shí)，提升量的增大趨勢會(huì)逐漸變慢。分析原因可能是由于空氣量過大使提升管內(nèi)氣水不能完全分離，造成空氣量浪費(fèi)，降低氣提效率，影響提升量。而另外2 組數(shù)據(jù)沒有呈現(xiàn)提升量增長放緩的趨勢，可能是由于梯度數(shù)據(jù)較少，應(yīng)在后續(xù)實(shí)驗(yàn)繼續(xù)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(shí)，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(shí)，隨著淹沒深度的增大，提升量逐漸增大。當(dāng)空氣量為0.25 m3/h 時(shí)，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(dāng)淹沒深度為2.3 m，空氣量為0.25 m3/h 時(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，相同空氣量對應(yīng)提升量差別較小；當(dāng)淹沒深度提升到2.2 m 時(shí)，相同空氣量對應(yīng)提升量要明顯大于淹沒深度為2.1 m 和2.0 m，而當(dāng)淹沒深度上升到2.3 m 時(shí)，相同空氣量對應(yīng)提升量相較于淹沒深度為2.2 m 差別較小。

從以上2 組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比可以看出，在污泥沉降比為32%和100%時(shí)，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(qiáng)逐漸增大，使得相同空氣量時(shí)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(shí)，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(shí)，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(dāng)空氣量從0.25 m3/h 增大到0.75 m3/h 時(shí)，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(dāng)空氣量為1.00 m3/h 時(shí)，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(shí)，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(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，污泥濃度會(huì)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(xù)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(huì)造成混合液比重不同，從而影響提升量。

4 結(jié)論

當(dāng)淹沒深度、污泥濃度等因素一定時(shí)，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(dāng)空氣量、污泥濃度一定時(shí)，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(dāng)空氣量、淹沒深度一定時(shí)，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(jié)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(dāng)一體化污水處理設(shè)備小于一定規(guī)模時(shí)，適合利用氣提的方式以達(dá)到節(jié)能降耗的目的，當(dāng)設(shè)備規(guī)模較大時(shí)，氣提方式將不再具有優(yōu)勢，仍需利用傳統(tǒng)機(jī)械泵滿足工藝要求。