均勻受限曝氣機(jī)理及清水充氧試驗(yàn)研究

均勻受限曝氣機(jī)理及清水充氧試驗(yàn)研究

摘要從宏觀動(dòng)力學(xué)與亞微觀動(dòng)力學(xué)兩個(gè)方面闡述了均勻受限曝氣的機(jī)理，并通過(guò)清水曝氣充氧試驗(yàn)，證實(shí)了在氣水兩相體系中均勻受限曝氣理論在動(dòng)力學(xué)上的正確性和適用性。

關(guān)鍵詞均勻受限曝氣水充氧大型微孔曝氣頭傳質(zhì)

ResearchonMechanismofWell-DistributedLimited-AerationbytheOxygenatedCleanWaterTest

Abstract：Thepaperexplainsthemechanismofwell-distralign="center"ibutedlimitedaerationfrombothmacrokineticsandsub-microtheoryinkineticswasconfirmedtobevalidandapplicableinair-watertwophasesystemthroughthecleanwateroxygenationtest.

Keywords:well-distralign="center"ibutedaeration;oxygenatedcleanwatertest;large-sizedmicroporousdiffusers;masstralign="center"ansfer

曝氣是污水好氧生化處理系統(tǒng)的一個(gè)重要工藝環(huán)節(jié)，它的作用是向反應(yīng)器內(nèi)充氧，保證微生物生化作用所需之溶解氧，并保持反應(yīng)器內(nèi)微生物、底物、溶解氧，即泥、水、氣三者的充分混合，為微生物降解有機(jī)物提供有利的生化反應(yīng)條件。同時(shí)，曝氣也是污水好氧生化處理系統(tǒng)中運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用最高的工藝環(huán)節(jié)，曝氣充氧電耗一般占總動(dòng)力消耗的60%～70%。目前的好氧曝氣工藝普遍存在效率低、能耗高的狀況，城市污水在曝氣池中的處理時(shí)間一般需6～8h，空壓機(jī)所供氧量的利用率只有百分之幾，大部分被白白浪費(fèi)掉了，這就使曝氣池設(shè)備的體積及基建投資龐大，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用很高，很多城市或工廠的污水處理難以實(shí)施，而許多已建污水廠難以維持正常運(yùn)轉(zhuǎn)，其主要原因即在于此。因而，高效節(jié)能型曝氣技術(shù)的研究已成為當(dāng)前污水生物處理技術(shù)領(lǐng)域面臨的最重要課題之一。

1均勻受限曝氣的動(dòng)力學(xué)機(jī)理

傳統(tǒng)的曝氣方式基本上是自由曝氣，即上升的氣泡以較大的流速不受約束地?cái)U(kuò)散，由于水流本身湍動(dòng)程度不高，形成的剪切作用也就很小，故混合液中氣泡容易合并長(zhǎng)大，加上活性污泥絮凝體尺寸也較大，比表面積小，傳質(zhì)效率低下。也就是說(shuō)鼓入的空氣所攜帶的能量并未有效地被利用在造成水流強(qiáng)剪切并形成高傳質(zhì)流態(tài)上，形成浪費(fèi)［1］。

受限曝氣是一種較科學(xué)的曝氣方式，它利用狹小豎向通道的壁面對(duì)上升氣流的約束作用，對(duì)水流形成劇烈擾動(dòng)，造成系統(tǒng)內(nèi)強(qiáng)烈的湍流剪切，并利用它抑制氣泡與活性污泥絮體的長(zhǎng)大?；炷齽?dòng)力學(xué)的研究成果表明［2］，弗羅德數(shù)Fr=v2/gL是反映湍流剪切作用的相似準(zhǔn)則數(shù)，F(xiàn)r越大則剪切作用越強(qiáng)。從式中可見(jiàn)，在同樣流速下，流動(dòng)空間越小剪切作用越強(qiáng)。因此，讓很少的氣流通過(guò)一些小的豎向流動(dòng)空間就可以造成強(qiáng)剪切，實(shí)現(xiàn)小尺度氣泡與小尺度活性污泥絮體的高分散狀態(tài)，并為實(shí)現(xiàn)高傳質(zhì)的工況提供必要條件。在這種條件下，一方面利用氣流的上升作用大幅度增強(qiáng)了水流的湍動(dòng)能量，另一方面利用湍動(dòng)水流的剪切作用抑制了氣泡與活性污泥絮體的長(zhǎng)大，大大地增加了氣泡與活性污泥絮體的比表面積，形成了曝氣池高分散系—高傳質(zhì)的生化環(huán)境。此時(shí)，空氣所攜帶的能量得到了更充分的利用。

同時(shí)，在受限曝氣水流中充滿著高比例高強(qiáng)度的微渦旋，形成了強(qiáng)烈湍動(dòng)的流態(tài)。利用湍動(dòng)水流的慣性效應(yīng)，特別是微渦旋的離心慣性效應(yīng)(二者正是微細(xì)部物相遷移和接觸的動(dòng)力學(xué)致因［2］)可加速微小氣泡、活性污泥相對(duì)于有機(jī)底物的遷移，大幅度增加亞微觀傳質(zhì)速率和有機(jī)質(zhì)與氧向微小活性污泥絮體轉(zhuǎn)移的速率。當(dāng)活性污泥菌膠團(tuán)因生化作用利用了吸附的氧與有機(jī)質(zhì)后，附近的氧與有機(jī)質(zhì)向菌膠團(tuán)的繼續(xù)擴(kuò)散就屬于亞微觀尺度的擴(kuò)散。當(dāng)然，其擴(kuò)散阻力比宏觀擴(kuò)散高幾個(gè)數(shù)量級(jí)［3］，擴(kuò)散速率遠(yuǎn)小于活性污泥在生物酶作用下的生化反應(yīng)速率，因此亞微觀傳質(zhì)速率就成了影響活性污泥法處理效率的決定因素。一般認(rèn)為，氧與有機(jī)底物向污泥絮體中的傳質(zhì)可分為三個(gè)部分：液相傳質(zhì)、活性污泥附液膜傳質(zhì)、固相傳質(zhì)。液相傳質(zhì)在湍動(dòng)水流中由湍流擴(kuò)散可以迅速完成。固相傳質(zhì)可用多孔丸模型描述，在湍動(dòng)水流中形成的微小絮體可使其傳質(zhì)速率較高。三者之中起決定性作用的是活性污泥附液膜的傳質(zhì)，它取決于兩個(gè)因素：①液膜厚度δ越大，傳質(zhì)阻力越大，速度越低；②液膜兩側(cè)濃度差值越大，傳質(zhì)速度越快。由于附液膜附近的液相傳質(zhì)屬于亞微觀傳質(zhì)范疇，故其傳質(zhì)速度很小，當(dāng)此處氧與有機(jī)質(zhì)因生化反應(yīng)消耗后，不能得到迅速及時(shí)的補(bǔ)充，附液膜兩側(cè)的濃度差就很小，氧與有機(jī)質(zhì)向附液膜內(nèi)轉(zhuǎn)移的速度也就很小，嚴(yán)重防礙生化反應(yīng)的進(jìn)行。研究認(rèn)為，亞微觀尺度下的傳質(zhì)主要是由物質(zhì)相對(duì)遷移造成的，加強(qiáng)慣性效應(yīng)特別是微渦旋離心慣性效應(yīng)，是增加氧與有機(jī)質(zhì)在附液膜附近的亞微觀區(qū)域內(nèi)與水相對(duì)運(yùn)動(dòng)的有效措施：①?gòu)?qiáng)化慣性效應(yīng)的同時(shí)也就增加了這個(gè)區(qū)域的湍流剪切力，降低了附液膜厚度；②強(qiáng)化慣性效應(yīng)也就提高了附液膜附近液相中氧與有機(jī)質(zhì)的補(bǔ)充速度和濃度，也就增加了附液膜內(nèi)外的濃度差，因此也就有效地提高了生化體系的傳質(zhì)速度。

綜上所述，合理利用風(fēng)機(jī)供氣所提供的能量，提高反應(yīng)器中水流的湍動(dòng)強(qiáng)度，是提高曝氣效果、強(qiáng)化三相傳質(zhì)——反應(yīng)效率的可行途徑，也是所提出的受限曝氣技術(shù)的動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)。另一方面，曝氣受限器的表面也是生物膜的附著面，由于曝氣受限器中湍流剪切很強(qiáng)，因此生物膜厚度很薄，氧與基質(zhì)向生物膜中轉(zhuǎn)移速率很高且活性好，是一種高效生物膜。由此可見(jiàn)這種新工藝是高分散系高傳質(zhì)的活性污泥法與高效生物膜法的有機(jī)復(fù)合。

在研究亞微觀動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的同時(shí)，也注意到了傳統(tǒng)污水處理技術(shù)在宏觀動(dòng)力學(xué)上仍存在很多不足［4］。例如常用的微孔曝氣設(shè)備普遍存在非曝氣主流區(qū)與曝氣死區(qū)問(wèn)題，前者需要靠消耗較多能耗形成水力循環(huán)運(yùn)動(dòng)，把非曝氣主流區(qū)的污水帶到曝氣主流區(qū)進(jìn)行充氧，這就較大地延長(zhǎng)了曝氣時(shí)間，并浪費(fèi)了較多的能量；后者只能把已經(jīng)曝氣充氧的水通過(guò)緩慢的Fick擴(kuò)散，將氧轉(zhuǎn)移到死區(qū)部分的污水中，這就需要更多地延長(zhǎng)曝氣時(shí)間，并因死區(qū)部分的充氧難以保證而影響曝氣效果。為解決這個(gè)問(wèn)題，我們發(fā)明了大型微孔曝氣器，該曝氣裝置可以方便地安裝并布滿曝氣池底部，并由此形成均勻曝氣技術(shù)，即通過(guò)在池底均布大型微孔曝氣器而消除死區(qū)，通過(guò)在池中設(shè)置受限曝氣立管填料消除了傳統(tǒng)曝氣器存在的非曝氣主流區(qū)與主流區(qū)的差別。均勻曝氣技術(shù)可均勻迅速地充氧，大幅度提高氧的利用率，從而可大量減少供氣量和能量消耗，同時(shí)也成為受限曝氣技術(shù)有效實(shí)施的重要保障。

2清水曝氣充氧試驗(yàn)研究

試驗(yàn)的目的是通過(guò)對(duì)均勻曝氣、均勻受限曝氣與傳統(tǒng)曝氣工藝的充氧性能測(cè)定與比較，證實(shí)均勻受限曝氣理論在水氣兩相傳質(zhì)體系中的正確性。

試驗(yàn)條件及設(shè)備

試驗(yàn)條件比較嚴(yán)格地參照中華人民共和國(guó)城鎮(zhèn)建設(shè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJ/T～2—93、CJ/T301—96。

試驗(yàn)設(shè)備與條件為：

①鋼板曝氣池：有效水深H=4m、池長(zhǎng)L=4m、池寬B=1m。

②大型微孔曝氣頭：長(zhǎng)為1000mm、寬為130mm、上部為＝125mm的半圓柱形曝氣表面，橡膠膜片上均勻分布微孔。

③受限曝氣立管填料：管徑為50mm與35mm的兩種規(guī)格。

④供風(fēng)量：總供氣量為16m3/h，即4m3空氣/m2服務(wù)面積·h(按單個(gè)盤(pán)式膜片微孔曝氣頭的服務(wù)面積m2折算，供氣量為2m3/個(gè)·h)。

⑤試驗(yàn)用水：自來(lái)水。

⑥溶解氧測(cè)定儀：上海鐳磁儀表廠生產(chǎn)的SJG—9440型在線式溶氧儀。

⑦轉(zhuǎn)子流量計(jì)：LZB50，10～100m3/h。

⑧壓力表：0～MPa。

⑨溫度計(jì)：玻璃溫度計(jì)與便攜式數(shù)字溫度測(cè)定儀。

⑩無(wú)水亞硫酸鈉、氯化鈷、秒表等。

測(cè)試程序及數(shù)據(jù)

清水曝氣的試驗(yàn)步驟按如下程序進(jìn)行：

①安裝完試驗(yàn)系統(tǒng)后，關(guān)閉所有閥門(mén)，向曝氣池內(nèi)注入自來(lái)水至有效水深4m，從在線溶氧儀上讀出水中溶解氧DO值，并計(jì)算池內(nèi)溶解氧的總量G=DO×V。

②計(jì)算投藥量，并將稱(chēng)得的藥劑用溫水化開(kāi)，由池頂?shù)谷氤貎?nèi)，約10min后從溶氧儀上讀數(shù)。

③當(dāng)溶解氧測(cè)定儀指針達(dá)到0后，即池內(nèi)水已脫氧至零，打開(kāi)空壓機(jī)和穩(wěn)壓閥向池內(nèi)供氣，開(kāi)始曝氣并記錄時(shí)間；同時(shí)每隔一定時(shí)間在溶氧儀上讀數(shù)，直至水中溶解氧不再增長(zhǎng)(達(dá)到飽和)為止。

④試驗(yàn)中計(jì)量風(fēng)量、風(fēng)壓、風(fēng)溫及水溫等。

⑤曝氣池中分別加入管徑為50mm、35mm的兩種規(guī)格立管填料，重復(fù)上述過(guò)程。

在水溫21～23℃時(shí)，測(cè)得的KLas數(shù)據(jù)匯總于表1中，與某環(huán)保設(shè)備廠生產(chǎn)的幾種微孔曝氣頭作性能指標(biāo)比較的結(jié)果如表2。表1清水曝氣試驗(yàn)KLas測(cè)定值統(tǒng)計(jì)曝氣形式氣溫(℃)水溫(℃)KLa(1/min)KLas(1/min)KLas平均值(1/min)大型微孔曝氣頭

(均勻曝氣)加入管徑50mm填料

(均勻受限曝氣)加入管徑35mm填料

(均勻受限曝氣)表2清水充氧性能各項(xiàng)指標(biāo)的對(duì)比產(chǎn)品類(lèi)別或曝氣形式風(fēng)量

［m3/(m2·h)］風(fēng)壓

(MPa)阻力損失

(Pa)KLas

(1/min)充氧能力

(kg/h·m3)氧利用率

(%)理論動(dòng)力效率

(kg/kW·h)資料來(lái)源YMB—Ⅰ型膜片式

微孔曝氣頭［*1］YMB—Ⅱ型膜片

微孔曝氣頭［*2］—192型球冠形

可張膜微孔曝氣器［*3］大型微孔曝氣頭

(均勻曝氣)［*］加入管徑50mm填料

(均勻受限曝氣)［*］加入管徑35mm填料

(均勻受限曝氣)［*］行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)≤3500≥≥20≥［*4］注［*］數(shù)據(jù)資料來(lái)源于本次試驗(yàn)研究

［*1］YMB—Ⅰ型膜片式微孔曝氣器充氧性能測(cè)試報(bào)告，國(guó)家城市給水排水工程技術(shù)研究中心，

［*2］YMB—Ⅱ型膜片式微孔曝氣器清水充氧性能測(cè)試報(bào)告，國(guó)家城市給水排水工程技術(shù)研究中心，

［*3］球冠型可張橡膠膜微孔曝氣器檢驗(yàn)報(bào)告，建設(shè)部給水排水設(shè)備產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，No:9803,1998

［*4］污水處理用可張中微孔曝氣器，《中華人民共和國(guó)城鎮(zhèn)建設(shè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJ/T301》，建設(shè)部，1996

試驗(yàn)結(jié)果分析

上面的試驗(yàn)測(cè)定數(shù)據(jù)顯示出這樣一個(gè)規(guī)律：

①未加入立管填料，只利用池底均布的大型微孔曝氣頭進(jìn)行曝氣充氧試驗(yàn)，所測(cè)得的各項(xiàng)指標(biāo)均明顯好于目前國(guó)內(nèi)外其他微孔曝氣設(shè)備，大幅度提高了曝氣充氧的效率。

②加入了立管填料后，所測(cè)得的數(shù)據(jù)顯著好于加入填料前，這說(shuō)明加入的立管填料的通道壁面起到了受限器的作用，實(shí)現(xiàn)了受限曝氣。氣泡通過(guò)狹小空間所造成的強(qiáng)烈湍動(dòng)，在亞微觀動(dòng)力學(xué)意義上強(qiáng)化了傳質(zhì)，并由于強(qiáng)化了水力剪切作用，抑制了氣泡的合并長(zhǎng)大，提高了空氣的利用率。

③加入管徑為35mm的填料所測(cè)得的數(shù)據(jù)顯著好于加入管徑為50mm的填料，這說(shuō)明在更小的通道空間中，小氣泡可造成更強(qiáng)的紊動(dòng)，從而進(jìn)一步提高了氧的轉(zhuǎn)移和利用率。

3結(jié)論

清水充氧試驗(yàn)的結(jié)果證實(shí)了在氣水兩相傳質(zhì)體系中，均勻受限曝氣理論在動(dòng)力學(xué)上的先進(jìn)性和適用性。

另外，均勻受限曝氣技術(shù)應(yīng)用于長(zhǎng)春一汽污水廠生產(chǎn)性試驗(yàn)表明，當(dāng)原水水質(zhì)CODCr為200～300mg/L、BOD5為80～140mg/L、曝氣時(shí)間為45min、水氣比為1∶時(shí)，即可取得CODCr＜50mg/L，BOD5＜20mg/L的穩(wěn)定出水，并遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于廠區(qū)原工藝系統(tǒng)的出水，這無(wú)疑進(jìn)一步證實(shí)了均勻受限曝氣理論在氣、水、泥三相生化反應(yīng)體系中的適用性。

可以推測(cè)，均勻受限曝氣技術(shù)的成熟與推廣應(yīng)具有重大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)解決我國(guó)環(huán)境治理問(wèn)題將起到重要的推動(dòng)作用。

參考文獻(xiàn)：

［1］王鶴立，郭曉，徐立群