均匀受限曝气机理及清水充氧试验研究

均匀受限曝气机理及清水充氧试验研究曝气是污水好氧生化处理系统的一个重要工艺环节，它的作用是向反应器内充氧，保证微生物生化作用所需之溶解氧，并保持反应器内微生物、底物、溶解氧，即泥、水、气三者的充分混合，为微生物降解有机物提供有利的生化反应条件。同时，曝气也是污水好氧生化处理系统中运转费用最高的工艺环节，曝气充氧电耗一般占总动力消耗的60%～70%。目前的好氧曝气工艺普遍存在效率低、能耗高的状况，城市污水在曝气池中的处理时间一般需6～8h，空压机所供氧量的利用率只有百分之几，大部分被白白浪费掉了，这就使曝气池设备的体积及基建投资庞大，运转费用很高，很多城市或工厂的污水处理难以实施，而许多已建污水厂难以维持正常运转，其主要原因即在于此。因而，高效节能型曝气技术的研究已成为当前污水生物处理技术领域面临的最重要课题之一。1均匀受限曝气的动力学机理传统的曝气方式基本上是自由曝气，即上升的气泡以较大的流速不受约束地扩散，由于水流本身湍动程度不高，形成的剪切作用也就很小，故混合液中气泡容易合并长大，加上活性污泥絮凝体尺寸也较大，比表面积小，传质效率低下。也就是说鼓入的空气所携带的能量并未有效地被利用在造成水流强剪切并形成高传质流态上，形成浪费［1］。受限曝气是一种较科学的曝气方式，它利用狭小竖向通道的壁面对上升气流的约束作用，对水流形成剧烈扰动，造成系统内强烈的湍流剪切，并利用它抑制气泡与活性污泥絮体的长大。混凝动力学的研究成果表明［2］，弗罗德数Fr=v2/gL是反映湍流剪切作用的相似准则数，Fr越大则剪切作用越强。从式中可见，在同样流速下，流动空间越小剪切作用越强。因此，让很少的气流通过一些小的竖向流动空间就可以造成强剪切，实现小尺度气泡与小尺度活性污泥絮体的高分散状态，并为实现高传质的工况提供必要条件。在这种条件下，一方面利用气流的上升作用大幅度增强了水流的湍动能量，另一方面利用湍动水流的剪切作用抑制了气泡与活性污泥絮体的长大，大大地增加了气泡与活性污泥絮体的比表面积，形成了曝气池高分散系—高传质的生化环境。此时，空气所携带的能量得到了更充分的利用。同时，在受限曝气水流中充满着高比例高强度的微涡旋，形成了强烈湍动的流态。利用湍动水流的惯性效应，特别是微涡旋的离心惯性效应(二者正是微细部物相迁移和接触的动力学致因［2］)可加速微小气泡、活性污泥相对于有机底物的迁移，大幅度增加亚微观传质速率和有机质与氧向微小活性污泥絮体转移的速率。当活性污泥菌胶团因生化作用利用了吸附的氧与有机质后，附近的氧与有机质向菌胶团的继续扩散就属于亚微观尺度的扩散。当然，其扩散阻力比宏观扩散高几个数量级［3］，扩散速率远小于活性污泥在生物酶作用下的生化反应速率，因此亚微观传质速率就成了影响活性污泥法处理效率的决定因素。一般认为，氧与有机底物向污泥絮体中的传质可分为三个部分：液相传质、活性污泥附液膜传质、固相传质。液相传质在湍动水流中由湍流扩散可以迅速完成。固相传质可用多孔丸模型描述，在湍动水流中形成的微小絮体可使其传质速率较高。三者之中起决定性作用的是活性污泥附液膜的传质，它取决于两个因素：①液膜厚度δ越大，传质阻力越大，速度越低；②液膜两侧浓度差值越大，传质速度越快。由于附液膜附近的液相传质属于亚微观传质范畴，故其传质速度很小，当此处氧与有机质因生化反应消耗后，不能得到迅速及时的补充，附液膜两侧的浓度差就很小，氧与有机质向附液膜内转移的速度也就很小，严重防碍生化反应的进行。研究认为，亚微观尺度下的传质主要是由物质相对迁移造成的，加强惯性效应特别是微涡旋离心惯性效应，是增加氧与有机质在附液膜附近的亚微观区域内与水相对运动的有效措施：①强化惯性效应的同时也就增加了这个区域的湍流剪切力，降低了附液膜厚度；②强化惯性效应也就提高了附液膜附近液相中氧与有机质的补充速度和浓度，也就增加了附液膜内外的浓度差，因此也就有效地提高了生化体系的传质速度。综上所述，合理利用风机供气所提供的能量，提高反应器中水流的湍动强度，是提高曝气效果、强化三相传质——反应效率的可行途径，也是所提出的受限曝气技术的动力学基础。另一方面，曝气受限器的表面也是生物膜的附着面，由于曝气受限器中湍流剪切很强，因此生物膜厚度很薄，氧与基质向生物膜中转移速率很高且活性好，是一种高效生物膜。由此可见这种新工艺是高分散系高传质的活性污泥法与高效生物膜法的有机复合。在研究亚微观动力学问题的同时，也注意到了传统污水处理技术在宏观动力学上仍存在很多不足［4］。例如常用的微孔曝气设备普遍存在非曝气主流区与曝气死区问题，前者需要靠消耗较多能耗形成水力循环运动，把非曝气主流区的污水带到曝气主流区（一般即微孔曝气头上部有效空间）进行充氧，这就较大地延长了曝气时间，并浪费了较多的能量；后者只能把已经曝气充氧的水通过缓慢的Fick扩散，将氧转移到死区部分的污水中，这就需要更多地延长曝气时间，并因死区部分的充氧难以保证而影响曝气效果。为解决这个问题，我们发明了大型微孔曝气器，该曝气装置可以方便地安装并布满曝气池底部，并由此形成均匀曝气技术，即通过在池底均布大型微孔曝气器而消除死区，通过在池中设置受限曝气立管填料消除了传统曝气器存在的非曝气主流区与主流区的差别。均匀曝气技术可均匀迅速地充氧，大幅度提高氧的利用率，从而可大量减少供气量和能量消耗，同时也成为受限曝气技术有效实施的重要保障。2清水曝气充氧试验研究试验的目的是通过对均匀曝气、均匀受限曝气与传统曝气工艺的充氧性能测定与比较，证实均匀受限曝气理论在水气两相传质体系中的正确性。2.1试验条件及设备试验条件比较严格地参照中华人民共和国城镇建设行业标准CJ/T3015.1～2—93、CJ/T3015.4—96。试验设备与条件为：①钢板曝气池：有效水深H=4m、池长L=4m、池宽B=1m。②大型微孔曝气头：长为1000mm、宽为130mm125mm的半圆柱形曝气表面，橡胶膜片上均匀分布微孔。③受限曝气立管填料：管径为50mm与35mm的两种规格。④供风量：总供气量为16m3/h，即4m3空气/m2服务面积·h(按单个盘式膜片微孔曝气头的服务面积0.5m2折算，供气量为2m3/个·h)。⑤试验用水：自来水。⑥溶解氧测定仪：上海镭磁仪表厂生产的SJG—9440型在线式溶氧仪。⑦转子流量计：LZB50，10～100m3/h。⑧压力表：0～0.25MPa。⑨温度计：玻璃温度计与便携式数字温度测定仪。⑩无水亚硫酸钠、氯化钴、秒表等。2.2测试程序及数据清水曝气的试验步骤按如下程序进行：①安装完试验系统后，关闭所有阀门，向曝气池内注入自来水至有效水深4m，从在线溶氧仪上读出水中溶解氧DO值，并计算池内溶解氧的总量G=DO×V。②计算投药量，并将称得的药剂用温水化开，由池顶倒入池内，约10min后从溶氧仪上读数。③当溶解氧测定仪指针达到0后，即池内水已脱氧至零，打开空压机和稳压阀向池内供气，开始曝气并记录时间；同时每隔一定时间在溶氧仪上读数，直至水中溶解氧不再增长(达到饱和)为止。④试验中计量风量、风压、风温及水温等。⑤曝气池中分别加入管径为50mm、35mm的两种规格立管填料，重复上述过程。在水温21～23℃时，测得的KLas数据汇总于表1中，与某环保设备厂生产的几种微孔曝气头作性能指标比较的结果如表2。表1清水曝气试验KLas测定值统计曝气形式气温(℃)水温(℃)KLa(1/min)KLas(1/min)KLas平均值(1/min)大型微孔曝气头(均匀曝气)24230.1930.1790.17723210.1810.17721200.1750.175加入管径50mm填料(均匀受限曝气)24210.1930.1890.18924220.2010.19225220.1950.186加入管径35mm填料(均匀受限曝气)25230.2230.2080.20824230.2200.20525220.2200.209表2清水充氧性能各项指标的对比产品类别或曝气形式风量［m3/(m2·h)］风压(MPa)阻力损失(Pa)KLas(1/min)充氧能力(kg/h·m3)氧利用率(%)理论动力效率(kg/kW·h)资料来源YMB—Ⅰ型膜片式微孔曝气头40.04228000.0980.10818.045.01［*1］YMB—Ⅱ型膜片微孔曝气头40.04228000.1240.13621.185.44［*2］BZQ.W—192型球冠形可张膜微孔曝气器40.04430000.1540.16925.686.84［*3］大型微孔曝气头(均匀曝气)40.04328000.1770.19529.267.68［*］加入管径50mm填料(均匀受限曝气)40.04328000.1890.20831.278.20［*］加入管径35mm填料(均匀受限曝气)40.04328000.2080.22934.549.02［*］行业标准≤3500≥0.13≥20≥4.5［*4］注［*］数据资料来源于本次试验研究［*1］YMB—Ⅰ型膜片式微孔曝气器充氧性能测试报告，国家城市给水排水工程技术研究中心，1993.3［*2］YMB—Ⅱ型膜片式微孔曝气器清水充氧性能测试报告，国家城市给水排水工程技术研究中心，1993.3［*3］球冠型可张橡胶膜微孔曝气器检验报告，建设部给水排水设备产品质量监督检验中心，No:9803,1998［*4］污水处理用可张中微孔曝气器，《中华人民共和国城镇建设行业标准CJ/T3015.4》，建设部，19962.3试验结果分析上面的试验测定数据显示出这样一个规律：①未加入立管填料，只利用池底均布的大型微孔曝气头进行曝气充氧试验，所测得的各项指标均明显好于目前国内外其他微孔曝气设备，大幅度提高了曝气充氧的效率。②加入了立管填料后，所测得的数据显著好于加入填料前，这说明加入的立管填料的通道壁面起到了受限器的作用，实现了受限曝气。气泡通过狭小空间所造成的强烈湍动，在亚微观动力学意义上强化了传质，并由于强化了水力剪切作用，抑制了气泡的合并长大，提高了空气的利用率。③加入管径为35mm的填料所测得的数据显著好于加入管径为50mm的填料，这说明在更小的通道空间中，小气泡可造成更强的紊动，从而进一步提高了氧的转移和利用率。3结论清水充氧试验的结果证实了在气水两相传质体系中，均匀受限曝气理论在动力学上的先进性和适用性。另外，均匀受限曝气技术应用于长春一汽污水厂生产性试验表明，当原水水质CODCr为200～300mg/L、BOD5为80～140mg/L、曝气时间为45min、水气比为1∶2.5时，即可取得CODCr＜50mg/L，BOD5＜20mg/L的稳定出水，并远远好于厂区原工艺系统的出水，这无疑进一步证实了均匀受限曝气理论在气、水、泥三相生化反应体系中的适用性。可以推测，均匀受限曝气技术的成熟与推广应具有重大的社会效益和经济效益，对解决我国环境治理问题将起到重要的推动作用。