均勻受限曝氣機理及清水充氧試驗研究
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6～8 h，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)能型曝氣技術的研究已成為當 前污水生物處理技術領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，特別是微渦旋的離心慣性效應(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 性效應特別是微渦旋離心慣性效應，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)——反應效率的可行途徑，也是所提出的受限曝氣技術的動力學基礎。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)（一般即微 孔曝氣頭上部有效空間）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，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 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。
2.1試驗條件及設備
試驗條件比較嚴格地參照中華人民共和國城鎮(zhèn)建設行業(yè)標準CJ/T 3015.1～2—93、CJ/T 301 5.4—96。
試驗設備與條件為：
①鋼板曝氣池：有效水深H=4 m、池長L=4 m、池寬B=1 m。
②大型微孔曝氣頭：長為1 000 mm、寬為130 mm、上部為＝125 mm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50 mm與35 mm的兩種規(guī)格。
④供風量：總供氣量為16 m3/h，即4 m3空氣/m2服務面積·h(按單個盤式膜片微孔 曝氣頭的服務面積0.5 m2折算，供氣量為2 m3/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：LZB50，10～100 m3/h。
⑧壓力表：0～0.25 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。
2.2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，關閉所有閥門，向曝氣池內(nèi)注入自來水至有效水深4 m，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10 min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50 mm、35 mm的兩種規(guī)格立管填料，重復上述過程。
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
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表2清水充氧性能各項指標的對比
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2.3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35 mm的填料所測得的數(shù)據(jù)顯著好于加入管徑為50 mm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，均勻受限曝氣技術應用于長春一汽污水廠生產(chǎn)性試驗表明，當原水水質(zhì)C ODCr為200～300 mg/L、BOD5為80～140 mg/L、曝氣時間為45 min、水氣比為1∶2.5時，即可取得CODCr＜50 mg/L，BOD5＜20 mg/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、泥三相生化反應體系中的適用性。
可以推測，均勻受限曝氣技術的成熟與推廣應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。
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