王鶴立，王紹文，呂炳南
(哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150090)

　　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；清水充氧；大型微孔曝氣頭；傳質(zhì)
　　中圖分類號(hào)：X703
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
　　文章編號(hào)： 1000-4602(2001)01-0015-04

Research on Mechanism of Well-Distr align="center"ibuted Limited-Aeration by the Oxygenated Clean Water Test

WANG He-li,WANG Shao-wen,LU Bing-nan

(School of Munic. and Environ.Eng.,Harbin Institute of Tech.,Harbin 150090,China )

   　　Abstract： The paper explains the mechanism of well-distr align="center"ibuted limited aeration from both macro kinetics and sub-micro kinetics.The theory in kinetics was confirmed to be valid and applicable in air-water two phase system through the clean water o xygenation test.
　　Keywords: well-distr align="center"ibuted aeration;oxygenated clean water test;large-sized micropor ous diffusers;mass tr align="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6～8 h，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，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 強(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)（一般即微 孔曝氣頭上部有效空間）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(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。
　　2.1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 3015.1～2—93、CJ/T 301 5.4—96，試驗(yàn)裝置見圖1。

圖1曝氣充氧性能測(cè)試裝置圖

　　試驗(yàn)設(shè)備與條件為：
　?、黉摪迤貧獬兀河行頗=4 m、池長(zhǎng)L=4 m、池寬B=1 m。
　?、诖笮臀⒖灼貧忸^：長(zhǎng)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。
　?、芄╋L(fēng)量：總供氣量為16 m3/h，即4 m3空氣/m2服務(wù)面積·h(按單個(gè)盤式膜片微孔 曝氣頭的服務(wù)面積0.5 m2折算，供氣量為2 m3/個(gè)·h)。
　　⑤試驗(yàn)用水：自來水。
　?、奕芙庋鯗y(cè)定儀：上海鐳磁儀表廠生產(chǎn)的SJG—9440型在線式溶氧儀。
　?、咿D(zhuǎn)子流量計(jì)：LZB50，10～100 m³/h。
    　　⑧壓力表：0～0.25 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。
　?、鉄o水亞硫酸鈉、氯化鈷、秒表等。
　　2.2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按照?qǐng)D1安裝完試驗(yàn)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4 m，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。
　?、谟?jì)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)。
　?、郛?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，打開空壓機(jī)和穩(wěn)壓閥向池內(nèi)供氣 ，開始曝氣并記錄時(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。
　?、萜貧獬刂蟹謩e加入管徑為50 mm、35 mm的兩種規(guī)格立管填料，重復(fù)上述過程。
　　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)

 表2清水充氧性能各項(xiàng)指標(biāo)的對(duì)比

　　2.3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：
　?、傥醇尤肓⒐芴盍?，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。
　?、诩尤肓肆⒐芴盍虾螅鶞y(cè)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(shí)現(xiàn)了受限曝氣。氣泡通過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。
　?、奂尤牍軓綖?5 mm的填料所測(cè)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(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)C ODCr為200～300 mg/L、BOD5為80～140 mg/L、曝氣時(shí)間為45 min、水氣比為1∶2.5時(shí)，即可取得CODCr＜50 mg/L，BOD5＜20 mg/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)境治理問題將起到重要的推動(dòng)作用。

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 作者簡(jiǎn)介：王鶴立(1970-)，男，吉林長(zhǎng)春人，博士， 研究方向：水處理工藝動(dòng)力學(xué)。
 　　電話：(0431)5935012  13804316765
 收稿日期：2000-09-30