VPSA制氧在富氧曝氣上的應用

VPSA制氧在富氧曝氣上的應用

萬志國 楊海洋

昆山錦程氣體設備有限公司

摘要：本文介紹了變壓吸附制氧（VPSA制氧）的原理和特點，以及VPSA制氧技術在富氧曝氣上的使用情況。例舉了深圳某河流采用了富氧曝氣后，河流的溶解氧的數(shù)據(jù)變化，結果表明變壓吸附制氧具有經(jīng)濟性，靈活性及安全性高的特點，是廣大黑臭河流富氧曝氣活性污泥的理想選擇。

關鍵詞：變壓吸附制氧、VPSA制氧；富氧；曝氣

1.概述

富氧曝氣是VPSA制氧設備的最早應用，普萊克斯公司采用以鋰基分子篩的VPSA設備將氧氣充入本公司的水處理系統(tǒng)。富氧曝氣就是用富度為80%~93%的氧氣代替?zhèn)鹘y(tǒng)使用的空氣為微生物提供氧氣。

富氧曝氣和空氣曝氣的比較

    曝氣過程中氧的傳輸速率(即溶解氧濃度的變化率)和氧虧值成正比，如式(1)所示。所謂氧虧值是氧飽和濃度和實際達到的溶解氧濃度之差。Dc/dt=KLA/V（Cs-CT) (1)式中KL—氧傳遞系數(shù)，h-1 Cs—飽和溶解氧濃度，mg/LCT—實際溶解氧濃度，mg/L，氧虧值為（Cs-CT)在空氣曝氣時氧的分壓為21 kPa，而富氧曝氣時氧壓力可達101 kPa。于是，富氧曝氣時氧飽和濃度是43.74 mg/L(20 ℃),這是空氣曝氣時9.17 mg/L的4.8倍。如果實際要求達到溶解氧濃度5 mg/L,則空氣曝氣時氧虧值是4.17 mg/L,而富氧曝氣時氧虧值高達38.74mg/L。顯然，富氧曝氣時溶解氧的增長速率是空氣曝氣時的38.74/4.17=9.3倍。

 富氧曝氣的優(yōu)點是投資及運行費用低、處理能力強、占地面積小、系統(tǒng)穩(wěn)定性高。隨著國家對污水處理的政策支持力度加大，作為一種先進污水處理手段的富氧曝氣技術將會越來越受到關注和重視。除了環(huán)保科技工作者在研究新技術新流程上加倍努力之外，昆山錦程氣體設備有限公司作為工業(yè)氣體設備供應商充分發(fā)揮自身的優(yōu)勢，加快研究和開發(fā)適用的富氧曝氣系統(tǒng)和為之配套的制氧裝置，在推動環(huán)保技術發(fā)展的同時，開拓工業(yè)氣體的新市場。

2.氧氣制取的方法

目前工業(yè)化制氧技術主要有兩大類:一種工藝是深冷空氣分離制氧,所得的氧氣富度高,但是制氧成本高、投資大,只適用于大規(guī)模用氧場合;另一工藝是變壓吸附制氧 (簡稱PSA,VPSA制氧),氧氣富度只有80%~93%,但投資小、能耗低,適用于中小規(guī)模不需要高富度氧的場合。我國中石化公司引進富氧曝氣活性污泥工藝處理石化廢水,曝氣用氧采用深冷空氣分離制得。雖然深冷空氣分離制氧成本比較高,電耗大約為0.55~0.60 kW·h/m3, 但石化公司的富氧來自其制氮空分裝置,是副產(chǎn)品,石化公司以其處理污水是經(jīng)濟的。對于絕大多數(shù)的污水處理廠, 如用深冷法制氧特別昂貴。用VPSA制氧卻便宜得多。國內(nèi)變壓吸附制氧已有多年經(jīng)驗, 但因所用吸附劑性能差,制氧成本仍很高。近10年來昆山錦程氣體采用上海恒業(yè)鋰基分子篩,其吸氮能力和氮氧分離系數(shù)比傳統(tǒng)分子篩高得多,利用此吸附劑及德國拜爾傳統(tǒng)工藝開發(fā)出新變壓吸附工程技術,使制氧電耗低達0.30kWh/m³, 達國際先進水平。裝置價格比進口設備低約60%,制氧規(guī)?？蛇_5000Nm³/h富氧單套,吸附劑一次裝填可使用10年以上，氣動蝶閥300萬次無需更換密封件。目前昆山錦程已在國內(nèi)及國外有色冶金、化工、高爐富氧、臭氧氧源等行業(yè)建成近三百套裝置,運行狀態(tài)良好。昆山錦程氣體變壓吸附制氧技術的突破, 為我國推廣富氧曝氣活性污泥工藝進行污水處理創(chuàng)造了有利條件并真正引領了變壓吸附制氧技術潮流。

 VPSA制氧系統(tǒng)主要由鼓風機，真空泵，切換閥，吸附器和氧氣緩沖罐組成。原料空氣經(jīng)入口緩沖罐除塵后，被羅茨風機增壓至0.45Kpa進入其中一吸附塔內(nèi)，吸附塔內(nèi)裝填吸附劑，其中水分，二氧化碳，以及其他少量其它其它組分在吸附塔底部的活性氧化鋁所吸附而氧氣為非吸附組分從吸附塔頂部出口作為產(chǎn)品氣排至氧氣緩沖罐。當該吸附塔吸附到一定程度，其中的吸附劑將達到飽和狀態(tài)，此時通過閥門切換，首先經(jīng)過均壓降壓過程將吸附塔壓力將至微負壓，再利用真空泵對之進行抽真空（與吸附方向相反）真空度約為-50Kpa.已吸附的水分，二氧化碳，氮氣及少量其它氣體被抽出排至大氣，吸附劑得到再生。

      VPSA的每個吸附塔都交替執(zhí)行以下步驟：---吸附---解析---沖壓

3.VPSA制氧機在曝氣上的應用

由于富氧的壓力高于空氣中氧的分壓，富氧曝氣可顯著提高氧的轉移速率。昆山錦程氣體協(xié)助深圳某公司開發(fā)了微氣富氧曝氣技術，將微孔曝氣和富氧曝氣的優(yōu)點結合起來,采用微孔軟管曝氣，在水深5m處的氧利用率高達80％，該工藝應用于敞開曝氣池。此外，該工藝還廣泛應用于污染河流的曝氣，由于設備簡單可靠、噪聲治理非常好和對流態(tài)不形成擾動等優(yōu)點，尤其適合于具有旅游景觀功能的市區(qū)河道的治理。中試時是一條嚴重污染的河道，河水黑臭，COD高達100～200mg/L。由于受周邊居民的影響，河道流態(tài)變化復雜。試驗裝置由一個80Nm³/hVPSA制氧機、小型開放式曝氣池組成。軟管的供氣壓力為0.05MPa，氧氣流量在0～80Nm³/h范圍內(nèi)可調(diào)。試驗結果表明，富氧曝氣可有效降低黑臭水體中的COD濃度。在三個月的連續(xù)運行中整個VPSA制氧機及曝氣系統(tǒng)的設備運行正常，無需任何維修。由于VPSA制氧降噪措施和對河道水體的流態(tài)不會形成任何明顯的擾動和障礙，故工藝尤其適用于非航運、具有旅游景觀功能的河道上進行全自動富氧曝氣。

    中試效果非常好，深圳某公司一次性向昆山錦程定購三套大型VPSA制氧設備，三套設備采用模組化設計，動力設備擺放到集裝箱內(nèi)部，吸附塔和其他靜設備露天布置，本條河流處理完畢后，可移至其他河流。

三套數(shù)據(jù)如下：第一套產(chǎn)量250M3/h （合同值230M3/h）,富度83%（合同值80%） ，壓力51kpa。第二套制氧設備參數(shù)：產(chǎn)量580M3/h（合同值560M3/h）,富度84%（合同值80%）,壓力52kpa，第三套制氧設備參數(shù); 產(chǎn)量710M3/h（合同值680M3/h）,富度82%（合同值80%），壓力53kpa。當河水流速較平緩時，COD濃度降低30%～50%；經(jīng)過曝氣區(qū)的BOD/COD值從0.46降至0.40，這表明在富氧曝氣過程中不僅發(fā)生了硫化物、亞鐵等還原物質的化學氧化（表現(xiàn)為水體黑色變淺，臭味減弱），而且發(fā)生了一定程度的生物降解作用。同時溶解氧的數(shù)據(jù)有一定變化，如下圖。由圖可知，連續(xù)進水曝氣在0~10min時，溶解氧含量迅速上升，10min之后上升趨勢變慢，在17min之后開始趨于平緩，說明溶解氧在水中達到飽和，飽和值在22mg/L左右。

4.結論

綜上所述，富氧曝氣活性污泥法具有氧轉移率高、剩余污泥量少、污水處理效率高、抗有機物沖擊性能高等特點。制氧技術的發(fā)展，制氧成本的降低，為這項技術的推廣應用提供了可能。昆山錦程氣體開發(fā)的變壓吸附制氧技術及微氣泡曝氣技術為我國推廣富氧氧曝氣活性污泥工藝進行污水及河道治理創(chuàng)造了條件。

錦程制氧、綠色中國