工业实用效率

当混合是目标时，你为什么要充气?压缩气体混合提供了另一种方法

由David Lauer，P.E.，Enviromix

20世纪初，污水生物处理——更具体地说，活性污泥法——被开发出来，并被广泛接受为处理城市污水的方法，有助于保护我们的湖泊和河流免受污染物的污染，并支持公众健康。1947年，大湖区——上密西西比河州和省公共卫生与环境管理委员会成立了污水厂统一标准制定委员会。该委员会制定了污水处理设施设计标准，并于1951年首次公布。

这些标准旨在（1）定义审查机构在废水处理设施计划和规范评估中使用的参数；（2）合理确定五大湖-密西西比河上游委员会成员（包括美国各州和加拿大各省）之间的一致性。多年来，更多的美国州采用了基于这些原始标准的指南。
在接下来的几十年里，这些标准——通常被称为十项国家标准——根据传统的城市污水处理设施进行了修订和更新。
图1:十个州标准
十项国家标准涵盖了广泛的主题，从废水处理设施工程报告和设施计划到实际的废水处理工艺，如流量均衡、活性污泥和污泥储存。它们还定义了这些工艺的曝气或混合设备的标准。
十个州标准的限制
由于审查机构采用了十项国家标准或类似标准作为评估或批准污水处理设施计划和规格的基础，咨询工程师通常围绕相同的标准开发设备设计，以最大限度地减少他们的计划和规格被拒绝的情况。
例如，流量均衡池的标准设计标准规定，应提供曝气或机械设备以保持充分的混合。曝气设备应足以维持至少1毫克/升的溶解氧在水池的内容，空气供应速率应至少1.25 cfm每1000加仑的储存容量。这相当于每1000立方英尺的油箱体积大约有0.5马力。
在另一个例子中，标准设计标准指出，混合设备应设计成在罐内提供剧烈的搅拌，保持悬浮液中的固体，并提供均匀的混合物。混合可以通过扩散空气或机械混合器完成。如果使用了扩散曝气，则应提供每1000英尺的混合罐体积的30CFM的空气供应，需要每1000 FT3的罐体积的1.5马力的能量输入。
在这两个例子中，都对工艺和设备设计要求作了广泛的概括。此外，重点是一种技术，扩散曝气，没有任何替代技术参考。从表面上看，这些标准规定所有的应用程序都应该被同等对待，而不管站点的具体要求。这种有限的观点导致设计工程师遵循指导方针，而不考虑可能更节能、更低维护、或通常符合最终用户的最佳利益的替代技术。
十州标准的主板承认，无法在设计标准中涵盖创新过程和设备。但是，他们的政策是鼓励，而不是妨碍新流程和设备的发展。
扩散曝气
曝气是市政废水处理中最能集约化的行动之一，占治疗设施总能源成本的50-90％。在典型的扩散曝气施用中，空气通过曝气鼓风机（正排量或多级离心机）通过扩散曝气系统（精细或粗气泡）来递送，该曝气系统（细小或粗气泡）将空气剪成相对小的气泡。小气泡提供治疗所需的氧气的转移，并完全混合罐的内容物，保持微生物或固体悬浮。
曝气在污水处理中的主要用途是预曝气池、活性污泥生物反应器、好氧消化池和曝气后池，其中扩散曝气系统的功能是满足生物处理的氧需求。在某些情况下，应用是混合受限的，空气作为气体用于混合过程，例如，流量均衡池或污泥储存罐。
利用扩散曝气来转移氧气利用了该技术的优势——这是该技术最擅长的。尽管扩散曝气也可以有效混合，但它的能量成本相对较高，因此不是混合受限应用的最佳技术。使用扩散曝气时，混合受限应用设计通常会导致以下问题：
•曝气过多，能耗高。
•扩散器结垢和堵塞，导致高维护成本和停机时间。
•毛发堆积和蓬乱，导致人工成本和人力。
•高风量，导致对气味控制的空气处理要求高。
一种不同的方法
我们都听说过这样一句话，“使用合适的工具来完成工作”。在混合有限的应用的情况下，工程师不应该盲目地遵循对所有应用一视同仁的标准。深思熟虑的项目设计师会问自己：当混合是目标时，为什么要充气？EnviroMix的工程师们已经用BioMix压缩气体混合系统回答了这个问题。
压缩气体混合(CGM)通过位于罐底附近的工程喷嘴，通过程序设定的短时间压缩空气喷射，提供罐内液体的均匀混合。通过操作人员的输入或自动过程反馈，可以调整混合参数，以优化混合和功率利用。
图2:压缩气体混合工作原理
CGM系统的所有油箱组件都是免维护，非堵塞和自清洁。系统需要在受控环境中最小的维护受控环境中的罐外组件（压缩机，接收器和空气控制阀）。电气需求仅限于操作空气压缩机和阀门模块所需的功率。
可调的烧成参数(压力、顺序、持续时间和频率)使理想的混合条件不沉积。该系统提供了完全的混合和经过验证的可忽略的氧转移。CGM很容易与曝气设备集成用于摇摆区应用，该技术能够与曝气同时运行或独立运行，以优化工艺条件。
与机械混合机相比，CGM系统通过均匀地将混合能量分布在盆底，而不是从槽内的一个局部点向外输出，大大节省了电能。多项研究表明，与机械混合器相比，功率使用减少60%或更多，与扩散空气混合相比甚至更多。机械混合机至少需要一个单元，而一个BioMix压缩机可以混合几十个储罐。
CGM系统利用通用压缩器和控件，能够适应多种应用。该系统能够在一系列操作深度内进行混合。CGM喷嘴和集管与任何储罐几何形状或配置兼容，圆形集管符合储罐底板坡度，消除“死点”。该技术能够在固体浓度高达8%的情况下均匀混合污泥。
传统的解决方案需要扩压器、鼓风机、动力泵、叶轮等，而CGM采用了一个集中的压缩机系统，最大限度地减少维护，最大限度地提高能源效率。
案例研究：佛罗里达州海牛县
就在坦帕以南，马纳提县位于佛罗里达西海岸，是北港萨拉索塔-布雷登顿大都会区的一部分。该县有三个区域污水处理厂，为该地区的农场、高尔夫球场和私人住宅提供再生水。
2017年，该县升级了位于佛罗里达州Palmetto的北方地区水回收设施(NRWRF)，该设施每天750万加仑。利用BioMix CGM系统，通过建造三个100万加仑的进水流量平衡罐来改善处理。
在均衡池系统中，引入回流活性污泥，以提供气味控制和便于厌氧选择器操作，从而加强生物除磷。BioMix系统无需引入可测量的氧气，就能提供高效的混合，确保生物养分去除(BNR)的最佳厌氧条件。均衡的流量和负荷的处理过程，确保一致和有效的营养去除，并保证供应的再生水回用。
图3：压缩空气的短持续时间爆发将罐的面积混合每分钟2-3次。
在任何处理过程中，流量和负荷的一致性为处理效率提供了最佳条件。通过流量均衡池和CGM系统的实施，NRWRF能够以更高的效率和质量处理废水。
该系统使用两台30马力的压缩机（一台工作，一台备用）为所有三个均衡箱提供混合能量。这是每1000 ft3储罐容积0.07 hp的能耗。传统的扩散曝气混合系统需要10倍的马力才能提供同等的混合，或者需要300马力的鼓风机。
图4：遮篷下的压缩机满足所有三个平衡罐的BioMix系统的工艺混合空气需求。
每个储罐的一个局部控制面板控制来自压缩机系统的混合空气，并根据需要将其均匀地分配到每个储罐。每个罐的最佳混合能量根据深度操作范围自动调整，范围从几英尺的液体深度到最大23英尺。
图5：本地控制面板分配最佳混合能量。
马纳提县选择CGM是基于其相对于机械和扩散空气混合技术的最低总拥有成本。使用CGM系统代替传统的扩散空气混合，使NRWRF每年节约能源成本超过150000美元。该系统还减轻了设施的维护负担，并提供了高度的灵活性。由于CGM系统的效率，与传统的扩散空气混合相比，该设施的运行和维护成本将降低90%。BioMix将在整个系统的生命周期内为海牛县节省数百万美元。
案例研究：Broomfield，Co
Broomfield是一个综合的城市和县，大约20英里的科罗拉多州丹佛西北大约20英里。Broomfield为70,000人口提供服务，包括处理废水的处理，该废水被排放到大型干溪或转移到再生处理过程中，使其适用于灌溉中的再利用。
作为处理过程的一部分，每天1200万加仑的Broomfield废水回收设施（WRF）在厌氧消化前将废活性污泥（WAS）和初级污泥浓缩至6%。在送往离心机进行脱水和通过土地应用回收生物固体之前，浓缩的厌氧消化污泥被转移到两个混凝土污泥储罐中。这两个圆形池最初是在20世纪50年代建造的，作为一级澄清池，在20世纪80年代转换为污泥储存池，并在21世纪末用扩散空气混合进行改造。
围绕降低能耗、改善混合、减少维护的目标，工厂于2020年对稠化污泥储罐中的混合设备进行了升级改造。该工厂选择了EnviroMix的BioMix CGM系统用于该项目，使他们能够实现所有三个目标。该系统无需罐内维护，可提供均匀、高效的混合，同时每年为工厂节省约1万美元。
以前使用的粗气泡曝气系统依赖于容积式曝气鼓风机。新的CGM系统由两台20马力的旋转螺杆压缩机（一用一备）、一个自动阀门控制面板和喷嘴集管同心环组成。在该应用中，BioMix实现6%污泥均匀混合所需的总功率约为15马力，节能50%以上。
图6：低维护压缩机系统与减速空气需求与职责和备用配置相匹配。
大量的毛发、碎布和其他缠绕在污泥中的线状物质污染了之前的充气混合系统，导致维护要求高和混合效果差。储罐也被覆盖，导致空间安全需要进行维护。BioMix系统的油箱中只有不堵塞、自清洁的部件。没有机械或电力
污泥中的成分，维护需求最小化。
此外，扫帚罐的底部是倾斜的，底部是锥形的。由于曝气系统下方存在明显的死区，以前的曝气系统无法将固体悬浮在水箱底部。Biomix系统的圆形标题容易符合地板的斜坡，
消除“死点”。
图7：喷嘴集管的同心环从下到上均匀混合盆中的内容物。
新的、创新的标准
《十个州标准》提供了必要的指导方针，使全国的废水处理统一起来，保护环境和公众健康。但随着创新技术的发展，该行业的工程师自然会倾向于使用合适的工具。
选择合适的用于混合有限应用的技术可以节省大量的时间和金钱，同时确保满足流程性能。从Enviromix的Biomix CGM系统等创新技术从扩散空气混合升级允许植物体验：
•能源效率-与扩散空气混合相比，典型节能60%或更多。
•操作简单-零槽内移动部件需要维护。
•过程优化 - 高效混合而不引入可测量的氧气和混合增稠污泥而不会堵塞的能力。
•无与伦比的灵活性–根据操作深度和在任何液体深度下混合的能力，可改变混合强度。
关于作者
David Lauer, p.e.，是EnviroMix市场营销和业务发展副总裁。他是一位有成就的销售经理，在废水处理设备市场拥有30多年的技术产品销售经验。David获得了Marquette University的工商管理硕士学位和Michigan Technological University的环境工程学士学位，他是威斯康星州的注册专业工程师。
关于EnviroMix
EnviroMix总部位于南卡罗来纳州查尔斯顿，为市政和工业设施设计和制造处理系统，以显著降低能源成本，帮助满足养分去除限制。EnviroMix利用专利和专有技术，提供完整的混合系统、过程控制和能源管理解决方案，以提高工厂在水和废水市场的性能。有关其他信息，请访问www.enviro-mix.com。
要阅读类似的废水工业文章，请访问https://www.airbestpractics.com/industries/wastewater或https://www.blowervacuumbestpractices.com/industries/wastewater
访问我们的网络研讨会档案馆，以聆听HTTPS://www.blowervacuumbestPractics.com/magazine/Webinars的曝气系统专家演示文稿

20世纪初，污水生物处理——更具体地说，活性污泥法——被开发出来，并被广泛接受为处理城市污水的方法，有助于保护我们的湖泊和河流免受污染物的污染，并支持公众健康。1947年，大湖区——上密西西比河州和省公共卫生与环境管理委员会成立了污水厂统一标准制定委员会。该委员会制定了污水处理设施设计标准，并于1951年首次公布。

这些标准旨在（1）定义审查机构在废水处理设施计划和规范评估中使用的参数；（2）合理确定五大湖-密西西比河上游委员会成员（包括美国各州和加拿大各省）之间的一致性。多年来，更多的美国州采用了基于这些原始标准的指南。

在接下来的几十年里，这些标准——通常被称为十项国家标准——根据传统的城市污水处理设施进行了修订和更新。

十个国家标准

图1:十个州标准。

十项国家标准涵盖了广泛的主题，从废水处理设施工程报告和设施计划到实际的废水处理工艺，如流量均衡、活性污泥和污泥储存。它们还定义了这些工艺的曝气或混合设备的标准。

十个州标准的限制

由于审查机构采用了十项国家标准或类似标准作为评估或批准污水处理设施计划和规格的基础，咨询工程师通常围绕相同的标准开发设备设计，以最大限度地减少他们的计划和规格被拒绝的情况。

例如，流量均衡池的标准设计标准规定，应提供曝气或机械设备以保持充分的混合。曝气设备应足以维持至少1毫克/升的溶解氧在水池的内容，空气供应速率应至少1.25 cfm每1000加仑的储存容量。这相当于每1000立方英尺的油箱体积大约有0.5马力。

在另一个例子中，标准设计标准指出，混合设备应设计成在罐内提供剧烈的搅拌，保持悬浮液中的固体，并提供均匀的混合物。混合可以通过扩散空气或机械混合器完成。如果使用了扩散曝气，则应提供每1000英尺的混合罐体积的30CFM的空气供应，需要每1000 FT3的罐体积的1.5马力的能量输入。

在这两个例子中，都对工艺和设备设计要求作了广泛的概括。此外，重点是一种技术，扩散曝气，没有任何替代技术参考。从表面上看，这些标准规定所有的应用程序都应该被同等对待，而不管站点的具体要求。这种有限的观点导致设计工程师遵循指导方针，而不考虑可能更节能、更低维护、或通常符合最终用户的最佳利益的替代技术。

十州标准的主板承认，无法在设计标准中涵盖创新过程和设备。但是，他们的政策是鼓励，而不是妨碍新流程和设备的发展。

扩散曝气

曝气是市政废水处理中最能集约化的行动之一，占治疗设施总能源成本的50-90％。在典型的扩散曝气施用中，空气通过曝气鼓风机（正排量或多级离心机）通过扩散曝气系统（精细或粗气泡）来递送，该曝气系统（细小或粗气泡）将空气剪成相对小的气泡。小气泡提供治疗所需的氧气的转移，并完全混合罐的内容物，保持微生物或固体悬浮。

曝气在污水处理中的主要用途是预曝气池、活性污泥生物反应器、好氧消化池和曝气后池，其中扩散曝气系统的功能是满足生物处理的氧需求。在某些情况下，应用是混合受限的，空气作为气体用于混合过程，例如，流量均衡池或污泥储存罐。

利用扩散曝气来转移氧气利用了该技术的优势——这是该技术最擅长的。尽管扩散曝气也可以有效混合，但它的能量成本相对较高，因此不是混合受限应用的最佳技术。使用扩散曝气时，混合受限应用设计通常会导致以下问题：

  • 曝气过多，能耗高。
  • 扩散器结垢和堵塞，导致高维护成本和停机时间。
  • 毛发堆积和蓬乱，导致人工成本和人力。
  • 高风量，导致对气味控制的空气处理要求高。

一种不同的方法

我们都听说过这样一句话，“使用合适的工具来完成工作”。在混合有限的应用的情况下，工程师不应该盲目地遵循对所有应用一视同仁的标准。深思熟虑的项目设计师会问自己：当混合是目标时，为什么要充气？EnviroMix的工程师们已经用BioMix压缩气体混合系统回答了这个问题。

压缩气体混合(CGM)通过位于罐底附近的工程喷嘴，通过程序设定的短时间压缩空气喷射，提供罐内液体的均匀混合。通过操作人员的输入或自动过程反馈，可以调整混合参数，以优化混合和功率利用。

压缩气体混合的工作原理

图2:压缩气体混合工作原理。

CGM系统的所有油箱组件都是免维护，非堵塞和自清洁。系统需要在受控环境中最小的维护受控环境中的罐外组件（压缩机，接收器和空气控制阀）。电气需求仅限于操作空气压缩机和阀门模块所需的功率。

可调的烧成参数(压力、顺序、持续时间和频率)使理想的混合条件不沉积。该系统提供了完全的混合和经过验证的可忽略的氧转移。CGM很容易与曝气设备集成用于摇摆区应用，该技术能够与曝气同时运行或独立运行，以优化工艺条件。

与机械混合机相比，CGM系统通过均匀地将混合能量分布在盆底，而不是从槽内的一个局部点向外输出，大大节省了电能。多项研究表明，与机械混合器相比，功率使用减少60%或更多，与扩散空气混合相比甚至更多。机械混合机至少需要一个单元，而一个BioMix压缩机可以混合几十个储罐。

CGM系统利用通用压缩器和控件，能够适应多种应用。该系统能够在一系列操作深度内进行混合。CGM喷嘴和集管与任何储罐几何形状或配置兼容，圆形集管符合储罐底板坡度，消除“死点”。该技术能够在固体浓度高达8%的情况下均匀混合污泥。

传统的解决方案需要扩压器、鼓风机、动力泵、叶轮等，而CGM采用了一个集中的压缩机系统，最大限度地减少维护，最大限度地提高能源效率。

案例研究：佛罗里达州海牛县

就在坦帕以南，马纳提县位于佛罗里达西海岸，是北港萨拉索塔-布雷登顿大都会区的一部分。该县有三个区域污水处理厂，为该地区的农场、高尔夫球场和私人住宅提供再生水。

2017年，该县升级了位于佛罗里达州Palmetto的北方地区水回收设施(NRWRF)，该设施每天750万加仑。利用BioMix CGM系统，通过建造三个100万加仑的进水流量平衡罐来改善处理。

在均衡池系统中，引入回流活性污泥，以提供气味控制和便于厌氧选择器操作，从而加强生物除磷。BioMix系统无需引入可测量的氧气，就能提供高效的混合，确保生物养分去除(BNR)的最佳厌氧条件。均衡的流量和负荷的处理过程，确保一致和有效的营养去除，并保证供应的再生水回用。

空气混合区

图3：压缩空气的短持续时间爆发将罐的面积混合每分钟2-3次。

在任何处理过程中，流量和负荷的一致性为处理效率提供了最佳条件。通过流量均衡池和CGM系统的实施，NRWRF能够以更高的效率和质量处理废水。

该系统使用两台30马力的压缩机（一台工作，一台备用）为所有三个均衡箱提供混合能量。这是每1000 ft3储罐容积0.07 hp的能耗。传统的扩散曝气混合系统需要10倍的马力才能提供同等的混合，或者需要300马力的鼓风机。

三个均衡坦克

图4：遮篷下的压缩机满足所有三个平衡罐的BioMix系统的工艺混合空气需求。

每个储罐的一个局部控制面板控制来自压缩机系统的混合空气，并根据需要将其均匀地分配到每个储罐。每个罐的最佳混合能量根据深度操作范围自动调整，范围从几英尺的液体深度到最大23英尺。

混合能源控制面板

图5：本地控制面板分配最佳混合能量。

马纳提县选择CGM是基于其相对于机械和扩散空气混合技术的最低总拥有成本。使用CGM系统代替传统的扩散空气混合，使NRWRF每年节约能源成本超过150000美元。该系统还减轻了设施的维护负担，并提供了高度的灵活性。由于CGM系统的效率，与传统的扩散空气混合相比，该设施的运行和维护成本将降低90%。BioMix将在整个系统的生命周期内为海牛县节省数百万美元。

案例研究：Broomfield，Co

Broomfield是一个综合的城市和县，大约20英里的科罗拉多州丹佛西北大约20英里。Broomfield为70,000人口提供服务，包括处理废水的处理，该废水被排放到大型干溪或转移到再生处理过程中，使其适用于灌溉中的再利用。

作为处理过程的一部分，每天1200万加仑的Broomfield废水回收设施（WRF）在厌氧消化前将废活性污泥（WAS）和初级污泥浓缩至6%。在送往离心机进行脱水和通过土地应用回收生物固体之前，浓缩的厌氧消化污泥被转移到两个混凝土污泥储罐中。这两个圆形池最初是在20世纪50年代建造的，作为一级澄清池，在20世纪80年代转换为污泥储存池，并在21世纪末用扩散空气混合进行改造。

围绕降低能耗、改善混合、减少维护的目标，工厂于2020年对稠化污泥储罐中的混合设备进行了升级改造。该工厂选择了EnviroMix的BioMix CGM系统用于该项目，使他们能够实现所有三个目标。该系统无需罐内维护，可提供均匀、高效的混合，同时每年为工厂节省约1万美元。

以前使用的粗气泡曝气系统依赖于容积式曝气鼓风机。新的CGM系统由两台20马力的旋转螺杆压缩机（一用一备）、一个自动阀门控制面板和喷嘴集管同心环组成。在该应用中，BioMix实现6%污泥均匀混合所需的总功率约为15马力，节能50%以上。

混合结构

图6：低维护压缩机系统与减速空气需求与职责和备用配置相匹配。

大量的毛发、碎布和其他缠绕在污泥中的线状物质污染了之前的充气混合系统，导致维护要求高和混合效果差。储罐也被覆盖，导致空间安全需要进行维护。BioMix系统的油箱中只有不堵塞、自清洁的部件。在污泥中没有机械或电气部件，维护要求最小化。

此外，扫帚罐的底部是倾斜的，底部是锥形的。由于曝气系统下方存在明显的死区，以前的曝气系统无法将固体悬浮在水箱底部。BioMix系统的圆形集管很容易与地板的坡度一致，消除了“死点”。

盆地同心环

图7：喷嘴集管的同心环从下到上均匀混合盆中的内容物。

新的、创新的标准

《十个州标准》提供了必要的指导方针，使全国的废水处理统一起来，保护环境和公众健康。但随着创新技术的发展，该行业的工程师自然会倾向于使用合适的工具。

选择合适的用于混合有限应用的技术可以节省大量的时间和金钱，同时确保满足流程性能。从Enviromix的Biomix CGM系统等创新技术从扩散空气混合升级允许植物体验：

  • 能源效率-与扩散空气混合相比，典型节能60%或更多。
  • 操作简单-零槽内移动部件需要维护。
  • 过程优化 - 高效混合而不引入可测量的氧气和混合增稠污泥而不会堵塞的能力。
  • 无与伦比的灵活性–根据操作深度和在任何液体深度下混合的能力，可改变混合强度。

关于作者

David Lauer, p.e.，是EnviroMix市场营销和业务发展副总裁。他是一位有成就的销售经理，在废水处理设备市场拥有30多年的技术产品销售经验。David获得了Marquette University的工商管理硕士学位和Michigan Technological University的环境工程学士学位，他是威斯康星州的注册专业工程师。

关于EnviroMix

EnviroMix总部位于南卡罗来纳州查尔斯顿，为市政和工业设施设计和制造处理系统，以显著降低能源成本，帮助满足养分去除限制。EnviroMix利用专利和专有技术，提供完整的混合系统、过程控制和能源管理解决方案，以提高工厂在水和废水市场的性能。欲了解更多信息，请访问www.enviro-mix.com..

要阅读类似的废水工业文章，请访问https://www.airbestpractics.com/industries/wastewater或者https://www.blowervacuumbestpractices.com/industries/wastewater.

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