赫俊國1,李　軍2,張金松3,李建政1,楊海燕2　(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院,哈爾
濱　150090;2.北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,北京　100022;3.深圳市水務(wù)(集團(tuán))有限公司,深圳　518031)

摘 要:依據(jù)慣性效應(yīng)理論研究了傳統(tǒng)污水好氧處理工藝傳質(zhì)強(qiáng)化過程.研究表明,提高傳統(tǒng)工藝曝氣均勻度和控制多相物系中 微渦漩的離心慣性效應(yīng),可有效促進(jìn)物相接觸傳質(zhì)和相界面更替,為活性污泥(或生物膜)有機(jī)底質(zhì)與氧氣進(jìn)行生化反應(yīng)提 供良好動力條件,從而提高反應(yīng)效率,縮短生化反應(yīng)歷程.該工藝在試驗(yàn)及實(shí)際工程應(yīng)用中氧利用率最高可達(dá)48%,COD容 積負(fù)荷8．1—9．0kg (m3·d).在處理屠宰廢水的實(shí)際應(yīng)用中,當(dāng)氣水比為12∶1,水力停留時(shí)間4h,進(jìn)水CODcr濃度800—2200m g L,CODcr負(fù)荷達(dá)8—9kg (m3·d)時(shí),CODcr去除率平均達(dá)95%,bod5去除率大于97%,SS去除率在95%以上.
關(guān)鍵詞:污水好氧處理;均勻曝氣;微渦漩;多相;傳質(zhì);慣性效應(yīng);屠宰廢水

Mechanism and appLication of the enhanced mass transfer in aerobic treatment proceSS

He Junguo1,LiJun2,zhangJinsong3,LiJianzheng1,Yang haiyan2　(1.schooL of municipal and Environmental Engineering,harbin University of TechnoLogy ,harbin　150090;2.schooL of civiL Engineering and Architecture,beiJing university of t echnoLogy,BeiJing　100022;3.shenzhen Water Resources Bureau,shenzhen　518031)
abstract:The technology of enhanced mass transfer process in a traditional aerobic wastewater treatment and its mechanism were investigated on the basis of inertia effect.Improving traditional process aerating eve nness and controlling the centrifugal inertia effect of tiny vortex of muLtiphase would contribute to the mass transfer and the aLternative of interface,then the efficiency of biochemical reaction was improved and the process was shortened observabLy.The research showed that arate of 48% of oxygen utiLization was achieved and acodLoading of 8．1—9 ．0kg COD (m3·h)was received in th eenhanced masstransfer process.Furthermore,a full scale process was carried out to treat slaughterhouse waste water with thevapor Liquidratio of 12∶1,hrt4 hand CODLoading8．0—9．0kg (m3d)the resuLt showed that the removaL rate of COD,bod5 and ssreached to 95%, 97% and 95% respectiveLy.
keywords:aerobic wastewate rtreatment;aerating evenness;tiny vortex;multiphase;mass transfer;inertia effect;sLaughterhouse wastewater
污 水好氧處理取決于污水水質(zhì)、環(huán)境因素、微生物特性以及物系間傳質(zhì)動力學(xué)過程.當(dāng)污水 水質(zhì)、微生物環(huán)境特性確定后,工藝動力學(xué)過程成為工藝反應(yīng)速度的制約因素.本研究通過均 勻曝氣和受限傳質(zhì)工藝來提高好氧生物處理系統(tǒng)中多相物系的湍流分散度,通過加強(qiáng)傳質(zhì)擴(kuò) 散來促進(jìn)生化接觸反應(yīng),提高反應(yīng)速率,縮短反應(yīng)時(shí)間,減小生化池體積,降低工程造價(jià)及運(yùn)行 成本.試驗(yàn)工藝以生活污水為原水,并在屠宰等工業(yè)廢水處理中應(yīng)用.
1 　試驗(yàn)研究1
.1　試驗(yàn)原污水水質(zhì)該 試驗(yàn)在北方城市室外進(jìn)行,原污水為實(shí)際生活污水.試驗(yàn)時(shí)間為5月—10月,試驗(yàn)受溫 度影響較小.原污水水質(zhì)如表1.

表 1　試驗(yàn)原污水水質(zhì)Table1　The raw municipal wastewaterquaLity水質(zhì)指標(biāo)cod,mg Lbod5,mg Lnh+4 n,mg Ltp,mg LSS,mg Lph濃 度范圍103—75060—22610.8—44.32.4—15.865—3856.4—8.2經(jīng) 常值　130—37070—13720.0—30.04.2—13.5110—3306.6—7.5圖 1　好氧工藝傳質(zhì)強(qiáng)化系統(tǒng)流程圖1

.2　試驗(yàn)裝置及工藝說明
　　試驗(yàn)工藝流程如圖1所示.試驗(yàn)生化反應(yīng)器的有效 容積為20m3,進(jìn)水流量為12m3/h,設(shè)計(jì)污泥回流比為 50%.試驗(yàn)工藝中設(shè)置了泥水混合擾流設(shè)備,使回流 污泥與污水混合均勻,作為生物膜附著載體和三相物 系傳質(zhì)流動通道的固定式受限傳質(zhì)填料置于生化池內(nèi) ,填料豎向間隔300mm,池底設(shè)大型微孔曝氣頭,受限 填料采用豎向蜂窩管束,直徑50mm.在好氧條件下,池內(nèi)生長的大量懸浮態(tài)活性污泥及附著態(tài)生物膜組成的微生物群體.試驗(yàn)對工藝有機(jī)負(fù)荷率、氣水比等不同條件下的有機(jī)物降解規(guī)律及活性污泥增長規(guī)律等進(jìn)行研究,以尋求工藝的最佳控制參數(shù).
1.3　試驗(yàn)結(jié)果
　　運(yùn)行結(jié)果表明,進(jìn)水COD范圍100—700mg L,出水COD在10—60mg L之間,COD去除率85%—95%;進(jìn)水bod5范圍68—140mg L之間,出水bod5在4—18mg L,bod去除率95%;進(jìn)水SS范圍120—330mg L,出水SS在5—30mg L,SS去除率90%;進(jìn)水氨氮范圍15—35mg L,出水氨氮3—8mg L,去除率70%—85%.對城市生活污水的試驗(yàn)研究表明,試驗(yàn)工藝水力停留時(shí)間1．0—1．2h,氣水比(2．5—3．0)∶1,COD負(fù)荷9．0kg (m3·d),氧利用率48%左右,處理后出水質(zhì)達(dá)到污水處理一級排放標(biāo)準(zhǔn).試驗(yàn)結(jié)果見圖2.

在工藝中,微生物濃度在8—10kg/m之間, 其中活性污泥含量mLSS1.9—2．3kg/m之間,svi在80—110之間,較高的微生物濃度使工藝處理的穩(wěn)定性增加.
2　機(jī)理分析
試驗(yàn)工藝生化池中是多相共存體系,多相流動物系的傳質(zhì)規(guī)律表明,亞微觀細(xì)部傳質(zhì)阻力比宏觀傳質(zhì)阻力高幾個(gè)數(shù)量級,因而是污水好氧處理中決定效率的動力學(xué)參數(shù).試驗(yàn)研究的主要目的是加強(qiáng)生化工藝中曝氣均勻度和促進(jìn)有機(jī)底質(zhì)、氧氣、微生物菌團(tuán)三相物系亞微觀傳質(zhì),從而提高氧利用率和處理效率.
試驗(yàn)中物系傳質(zhì)強(qiáng)化措施采用均勻曝氣、受限傳質(zhì)技術(shù)方式.該技術(shù)是使微氣泡以一定初速度從曝氣頭射出,離開曝氣頭的微小氣泡在有效的擴(kuò)散段內(nèi)通過水流剪宏觀均勻擴(kuò)散,避免氣泡合并.試驗(yàn)中擾流構(gòu)件采用格網(wǎng),通過控制線徑比來控制網(wǎng)后渦漩尺度和強(qiáng)度,從而控制微小氣泡的尺度(即比表面積).微氣泡群體經(jīng)擴(kuò)散后進(jìn)入受限填料區(qū),試驗(yàn)研究中受限傳質(zhì)是利用豎向通道的壁面對上升氣流的約束作用來實(shí)現(xiàn),在水流中形成強(qiáng)擾動來造成水流中強(qiáng)烈的湍流剪切.在狹小空間中利用流體強(qiáng)剪切狀態(tài)抑制氣泡與活性污泥絮體的長大,大幅減小氣泡凝聚、合并的幾率,同時(shí)促進(jìn)物系接觸傳質(zhì).
研究表明,當(dāng)控制水流中慣性力與粘性力相當(dāng)時(shí),即保持渦漩特征尺度的水力條件下,多相物系的摻混強(qiáng)度最大.水氣兩相混合時(shí)的渦漩描述與單一相時(shí)不同,但當(dāng)試驗(yàn)條件不變時(shí),可采用如下公式表示:　　λo=f(k)(ε3 v)0.25;　aλ=ε2 3 λ1 3式中λo:渦旋尺度特征值(渦旋慣性力與粘滯力相等時(shí)渦漩尺度),f(k):綜合系數(shù):aλ:渦漩加速度特征值;ε:單位水體能耗;v:運(yùn)動粘滯系數(shù).
由公式可知,渦旋的加速度隨渦旋尺度減小而增加,即渦旋尺度越小,慣性力越強(qiáng),當(dāng)渦旋尺度達(dá)到λ時(shí),其加速度最大,慣性效應(yīng)最強(qiáng),傳質(zhì)速度快.
多相物系摻混動力學(xué)的研究成果表明,弗羅德數(shù)(fr=u g·L,u:流速,式中L:空間尺度)是反映湍流剪切作用的動力相似準(zhǔn)則數(shù),弗羅德數(shù)越大剪切作用越強(qiáng).從式中可見,水體湍動受能耗及空間尺度的制約,試驗(yàn)工藝通過受限填料控制物系流動空間,同樣流速下,流動空間越小剪切作用越強(qiáng).因此,讓氣流通過一些小的豎向受限流動空間就可以造成強(qiáng)剪切,實(shí)現(xiàn)小尺度氣泡與小尺度活性污泥絮體的強(qiáng)烈接觸.在有側(cè)向約束的條件下利用氣流的上升作用增強(qiáng)了水流的湍動,同時(shí)利用湍動水流的剪切作用抑制氣泡與活性污泥絮體的長大,有效地增加了氣泡與活性污泥絮體比表面積,形成了生化池高分散系、高傳質(zhì)的生化環(huán)境.當(dāng)受限空間減小時(shí),傳質(zhì)加快、氧利用率提高的現(xiàn)象在清水試驗(yàn)中證實(shí).試驗(yàn)中對不同尺度的受限填料進(jìn)行清水試驗(yàn),結(jié)果表明,在水溫21—23℃、供氣量為4m/(m·h)的條件下,當(dāng)填料直徑為35mm時(shí),氧利用率為35%,當(dāng)為50mm時(shí),氧利用率為31%,可見,在不同的約束條件下,氧的利用率不同,約束半徑越小,利用率越高.
依據(jù)多相流動物系的傳質(zhì)規(guī)律,在受限條件下,水氣二相流強(qiáng)烈摻混,其中充滿高比例高強(qiáng)度的微渦旋,利用微渦旋的離心慣性效應(yīng)(強(qiáng)剪切)可減小液膜厚度和增加濃度梯度,加速微小氣泡、活性污泥相對有機(jī)底質(zhì)的遷移,大幅度增加亞微觀傳質(zhì)速率和有機(jī)底質(zhì)與氧向微小活性污泥絮體轉(zhuǎn)移的速率.強(qiáng)化慣性效應(yīng)增加湍流剪切力,降低了附著液膜厚度;強(qiáng)化慣性效應(yīng)提高了附著液膜附近液相中氧與有機(jī)底質(zhì)的補(bǔ)充速度,也就增加了附著液膜內(nèi)外的濃度差,有效地提高了生化體系的傳質(zhì)速度.
工藝中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),因此生物膜很薄且更新快,氧與有機(jī)底質(zhì)向生物膜中轉(zhuǎn)移速率高、生物膜活性好,傳質(zhì)強(qiáng)化工藝是高效活性污泥法與高效生物膜法的有機(jī)結(jié)合.
3　試驗(yàn)工藝在屠宰廢水處理工程中實(shí)際應(yīng)用
3.1　工程說明
工程所在地為北方某屠宰廠,屠宰廢水水質(zhì)見表2.依據(jù)屠宰廢水特性,確定處理工藝 　　如圖3所示.該工程2000年建設(shè)并投入運(yùn)營.工程處理規(guī)模設(shè)并投入運(yùn)營.工程處理規(guī)模為480m/d,均勻受限工藝采用2組并聯(lián)豎井式流程,每組流程有5個(gè)相同單池串聯(lián)組成,總有效容積為100m,水力停留時(shí)間為5h,設(shè)計(jì)COD容積負(fù)荷6.5kg (m·d),設(shè)計(jì)氣水比15∶1,氧利用率34%,受濃縮填埋限填料采用內(nèi)切圓直徑為50mm豎向蜂窩填料,材質(zhì)為乙丙共聚.污泥回流比為50%.

3．2　運(yùn)行結(jié)果
由圖4、表2可見,當(dāng)進(jìn)入均勻受限池的COD濃度為1600mg L,停留時(shí)間4h,出水COD濃度穩(wěn)定在50～80mg L;進(jìn)水bod5為800mg L,出水bod5在19—30mg L之間,系統(tǒng)中mLSS在8000—10000mg L之間,回流比為50%.屠宰廢水處理工程實(shí)踐表明,該工藝水力停留時(shí)間可控制為4．0h,氣水比12∶1,COD負(fù)荷8．1kg (m·d),氧利用率達(dá)38%以上,COD去除率為94%—96%,SS去除率為95%以上,bod5去除率達(dá)97%以上,出水水質(zhì)達(dá)到gb13457 92屠宰廢水行業(yè)一級排放標(biāo)準(zhǔn).

4　結(jié)論
(1)試驗(yàn)工藝以均勻曝氣促進(jìn)宏觀傳質(zhì)擴(kuò)散,利用受限工圖4　屠宰廢水均勻受限工藝進(jìn)出水藝促進(jìn)多相物系亞微觀傳質(zhì)擴(kuò)散,二者的結(jié)合,強(qiáng)化了傳統(tǒng)活性污泥工藝的動力傳質(zhì)過程.在受限約束及強(qiáng)剪切水力條件下,湍動流體的渦旋效應(yīng),特別是微小渦漩的離心慣性效應(yīng)是決定傳質(zhì)擴(kuò)散的動力學(xué)致因.(2)試驗(yàn)工藝是活性污泥與生物膜共生系統(tǒng),是活性污泥法與生物膜法的高效結(jié)合.(3)應(yīng)用表明,該工藝處理屠宰廢水,COD負(fù)荷平均為8．1kg (m·d),hrt可為4．0h、氣水比12∶1,氧利用率在38%以上,COD去除率達(dá)94%—96%,bod5去除率大于97%,SS去除率在95%以上.
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收稿日期:2002 12 30;修訂日期:2003 03 29基
金項(xiàng)目:黑龍江省重大科技攻關(guān)課題(gb98L18 1)作
者簡介:赫俊國(1970—),男,講師(博士生)　e maiL:Junguohe@263.net;LJ21c@263.net