均勻受限曝氣機理及清水充氧試驗研究

均勻受限曝氣機理及清水充氧試驗研究

摘要從宏觀動力學與亞微觀動力學兩個方面闡述了均勻受限曝氣的機理，并通過清水曝氣充氧試驗，證實了在氣水兩相體系中均勻受限曝氣理論在動力學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，為微生物降解有機物提供有利的生化反應(yīng)條件。同時，曝氣也是污水好氧生化處理系統(tǒng)中運轉(zhuǎn)費用最高的工藝環(huán)節(jié)，曝氣充氧電耗一般占總動力消耗的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間一般需6～8h，空壓機所供氧量的利用率只有百分之幾，大部分被白白浪費掉了，這就使曝氣池設(shè)備的體積及基建投資龐大，運轉(zhuǎn)費用很高，很多城市或工廠的污水處理難以實施，而許多已建污水廠難以維持正常運轉(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均勻受限曝氣的動力學機理

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擴散，由于水流本身湍動程度不高，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剪切并形成高傳質(zhì)流態(tài)上，形成浪費［1］。

受限曝氣是一種較科學的曝氣方式，它利用狹小豎向通道的壁面對上升氣流的約束作用，對水流形成劇烈擾動，造成系統(tǒng)內(nèi)強烈的湍流剪切，并利用它抑制氣泡與活性污泥絮體的長大?；炷齽恿W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則數(shù)，F(xiàn)r越大則剪切作用越強。從式中可見，在同樣流速下，流動空間越小剪切作用越強。因此，讓很少的氣流通過一些小的豎向流動空間就可以造成強剪切，實現(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了水流的湍動能量，另一方面利用湍動水流的剪切作用抑制了氣泡與活性污泥絮體的長大，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，空氣所攜帶的能量得到了更充分的利用。

同時，在受限曝氣水流中充滿著高比例高強度的微渦旋，形成了強烈湍動的流態(tài)。利用湍動水流的慣性效應(yīng)，特別是微渦旋的離心慣性效應(yīng)(二者正是微細部物相遷移和接觸的動力學致因［2］)可加速微小氣泡、活性污泥相對于有機底物的遷移，大幅度增加亞微觀傳質(zhì)速率和有機質(zhì)與氧向微小活性污泥絮體轉(zhuǎn)移的速率。當活性污泥菌膠團因生化作用利用了吸附的氧與有機質(zhì)后，附近的氧與有機質(zhì)向菌膠團的繼續(xù)擴散就屬于亞微觀尺度的擴散。當然，其擴散阻力比宏觀擴散高幾個數(shù)量級［3］，擴散速率遠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。一般認為，氧與有機底物向污泥絮體中的傳質(zhì)可分為三個部分：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)在湍動水流中由湍流擴散可以迅速完成。固相傳質(zhì)可用多孔丸模型描述，在湍動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，當此處氧與有機質(zhì)因生化反應(yīng)消耗后，不能得到迅速及時的補充，附液膜兩側(cè)的濃度差就很小，氧與有機質(zhì)向附液膜內(nèi)轉(zhuǎn)移的速度也就很小，嚴重防礙生化反應(yīng)的進行。研究認為，亞微觀尺度下的傳質(zhì)主要是由物質(zhì)相對遷移造成的，加強慣性效應(yīng)特別是微渦旋離心慣性效應(yīng)，是增加氧與有機質(zhì)在附液膜附近的亞微觀區(qū)域內(nèi)與水相對運動的有效措施：①強化慣性效應(yīng)的同時也就增加了這個區(qū)域的湍流剪切力，降低了附液膜厚度；②強化慣性效應(yīng)也就提高了附液膜附近液相中氧與有機質(zhì)的補充速度和濃度，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，合理利用風機供氣所提供的能量，提高反應(yīng)器中水流的湍動強度，是提高曝氣效果、強化三相傳質(zhì)——反應(yīng)效率的可行途徑，也是所提出的受限曝氣技術(shù)的動力學基礎(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，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復(fù)合。

在研究亞微觀動力學問題的同時，也注意到了傳統(tǒng)污水處理技術(shù)在宏觀動力學上仍存在很多不足［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)問題，前者需要靠消耗較多能耗形成水力循環(huán)運動，把非曝氣主流區(qū)的污水帶到曝氣主流區(qū)進行充氧，這就較大地延長了曝氣時間，并浪費了較多的能量；后者只能把已經(jīng)曝氣充氧的水通過緩慢的Fick擴散，將氧轉(zhuǎn)移到死區(qū)部分的污水中，這就需要更多地延長曝氣時間，并因死區(qū)部分的充氧難以保證而影響曝氣效果。為解決這個問題，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)，即通過在池底均布大型微孔曝氣器而消除死區(qū)，通過在池中設(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，同時也成為受限曝氣技術(shù)有效實施的重要保障。

2清水曝氣充氧試驗研究

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

試驗條件及設(shè)備

試驗條件比較嚴格地參照中華人民共和國城鎮(zhèn)建設(shè)行業(yè)標準CJ/T～2—93、CJ/T301—96。

試驗設(shè)備與條件為：

①鋼板曝氣池：有效水深H=4m、池長L=4m、池寬B=1m。

②大型微孔曝氣頭：長為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供風量：總供氣量為16m3/h，即4m3空氣/m2服務(wù)面積·h(按單個盤式膜片微孔曝氣頭的服務(wù)面積m2折算，供氣量為2m3/個·h)。

⑤試驗用水：自來水。

⑥溶解氧測定儀：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：LZB50，10～100m3/h。

⑧壓力表：0～MPa。

⑨溫度計：玻璃溫度計與便攜式數(shù)字溫度測定儀。

⑩無水亞硫酸鈉、氯化鈷、秒表等。

測試程序及數(shù)據(jù)

清水曝氣的試驗步驟按如下程序進行：

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

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

③當溶解氧測定儀指針達到0后，即池內(nèi)水已脫氧至零，打開空壓機和穩(wěn)壓閥向池內(nèi)供氣，開始曝氣并記錄時間；同時每隔一定時間在溶氧儀上讀數(shù)，直至水中溶解氧不再增長(達到飽和)為止。

④試驗中計量風量、風壓、風溫及水溫等。

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)上述過程。

在水溫21～23℃時，測得的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比較的結(jié)果如表2。表1清水曝氣試驗KLas測定值統(tǒng)計曝氣形式氣溫(℃)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清水充氧性能各項指標的對比產(chǎn)品類別或曝氣形式風量

［m3/(m2·h)］風壓

(MPa)阻力損失

(Pa)KLas

(1/min)充氧能力

(kg/h·m3)氧利用率

(%)理論動力效率

(kg/kW·h)資料來源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)標準≤3500≥≥20≥［*4］注［*］數(shù)據(jù)資料來源于本次試驗研究

［*1］YMB—Ⅰ型膜片式微孔曝氣器充氧性能測試報告，國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試報告，國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報告，建設(shè)部給水排水設(shè)備產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，No:9803,1998

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

試驗結(jié)果分析

上面的試驗測定數(shù)據(jù)顯示出這樣一個規(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行曝氣充氧試驗，所測得的各項指標均明顯好于目前國內(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，所測得的數(shù)據(jù)顯著好于加入填料前，這說明加入的立管填料的通道壁面起到了受限器的作用，實現(xiàn)了受限曝氣。氣泡通過狹小空間所造成的強烈湍動，在亞微觀動力學意義上強化了傳質(zhì)，并由于強化了水力剪切作用，抑制了氣泡的合并長大，提高了空氣的利用率。

③加入管徑為35mm的填料所測得的數(shù)據(jù)顯著好于加入管徑為50mm的填料，這說明在更小的通道空間中，小氣泡可造成更強的紊動，從而進一步提高了氧的轉(zhuǎn)移和利用率。

3結(jié)論

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

另外，均勻受限曝氣技術(shù)應(yīng)用于長春一汽污水廠生產(chǎn)性試驗表明，當原水水質(zhì)CODCr為200～300mg/L、BOD5為80～140mg/L、曝氣時間為45min、水氣比為1∶時，即可取得CODCr＜50mg/L，BOD5＜20mg/L的穩(wěn)定出水，并遠遠好于廠區(qū)原工藝系統(tǒng)的出水，這無疑進一步證實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，均勻受限曝氣技術(shù)的成熟與推廣應(yīng)具有重大的社會效益和經(jīng)濟效益，對解決我國環(huán)境治理問題將起到重要的推動作用。

參考文獻：

［1］王鶴立，郭曉，徐立群