（环境工程专业论文）自吸式射流曝气与鼓风曝气综合性能对比研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 随着经济的发展，水污染状况的日益加剧，国家逐渐加大了城市污水处理 的投入力度。但是，基建投资和运行费用给污水厂的建设和运行带来了巨大的经 济压力。 作为污水生化处理核心的曝气工艺是污水厂的能耗大项，其基建投资也十 分巨大，因此成为污水处理界研究的热点之一。目前，在我国的城市污水处理 界应用最广泛的是鼓风曝气系统，而射流曝气作为一种有前途的工艺，自问世 以来推广应用的范围非常有限。 本论文从研究自吸式射流曝气系统入手，以某印染公司污水处理站为实验 场地，考察了射流器在清水和泥水混合液时的充氧性能。在清水实验中，设置了 4 个测试断面，通过实验可知射流器随着水深的增加充氧性能逐渐提高。在水 深4 5 m 时射流器充氧性能最优，氧总转移系数u = o 4 2 1 9 ( 1 m i n ) ，充氧能力 q 。= 0 2 2 2 8 ( 蜒0 2 ，m 3 h ) ，动力效率e 。= 3 3 7 3 ( 蚝0 2 k w h ) ，氧利用率e a = 2 4 1 4 ( ) ，具备了国家环保总局中国环境保护产品认定技术条件：射流曝气器 推广应用的条件。在随后进行的泥水混合液实验中，射流器充氧性能有所降低， 通过分析认为，工作液特性是影响射流器充氧性能的主要因素。 为了全面的对两种工艺进行对比分析，还以一处生活污水处理厂为场地， 测定了鼓风曝气系统的充氧性能。 最后对两种工艺进行了充氧特性和经济性能的对比分析，认为，射流曝气 系统虽然在动力效率和氧利用率方面不占优势，但是其较高的氧总转移系数为 射流工艺的推广应用提供了条件。在经济性能方面，射流曝气工艺要大大优于 鼓风曝气工艺。据此，提出了在混合曝气系统中应用射流曝气工艺的理论，以 期发挥两种曝气工艺各自的优势，实现降低初期投资和运行费用的目的。 关键词：射流器；自吸式：充氧性能；曝气系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t w i t hr a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m y , w a t e rp o l l u t i o nc o n d i t i o nt u r n i n gw o r s ed a y a f t e rd a y ，o u rc o u n t r yh a sg r a d u a l l ye n l a r g e di n v e s t m e n ti nt r e a t m e n to fm u n i c i p a l w a s t e w a t e r b u ti n f r a s t r u c t u r ei n v e s t m e n ta n do p e r a t i o nc o s th a sb r o u g h th u g e e c o n o m i cp r e s s u r eo nt h ec o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o no fs e w a g ep l a n t s a sc o r eo ft h eb i o l o g i c a lt r e a t m e n to fw a s t e w a t e r , a e r a t i o ns y s t e mi st h eb i gi t e m o ft h ee n e r g yc o n s u m i n go fs e w a g ep l a n t s ，t h ei n f r a s t r u c t u r ei n v e s t m e n to fw h i c hi s a l s oh u g e s o ，i th a sb e c o m eo n eo ft h eh o tp o i n t so fr e s e a r c hi nt h ef i e l do f w a s t e w a t e rt r e a t m e n t n o w , b u b b l ea e r a t i o n s y s t e m h a st h em o s te x t e n s i v e a p p l i c a t i o ni nm u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tf i e l di no u rc o u n t r y , h o w e v e r , j e t a e r a t i o n ，a sak i n do fa e r a t i o ns y s t e mw i t hp r o s p e c t s ，h a sl i m i t e de x p a n s i o na n d a p p l i c a t i o ns i n c ef o u n d e d t h ep a p e rb e g i n sf r o mt h es t u d yo fs e l f - s u c t i o nj e ta e r a t i o ns y s t e m a e r a t i o n p e r f o r m a n c eo f j e ta e r a t o rw a si n v e s t i g a t e di nc l e a rw a t e ra n ds l u d g e - w a t e rl i q u o ra t t h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n to f a p r i n t i n ga n dd y e i n gc o m p a n y a tt h ec l e a rw a t e r e x p e r i m e n t ，f o u rt e s t i n g c r o s ss e c t i o n sw e r e e s t a b l i s h e d a c c o r d i n g t ot h e e x p e r i m e n t , a e r a t i o np e r f o r m a n c eo f t h ej e ta e r a t o r si sg r a d u a l l yi n c r e a s e dw h e nt h e w a t e r b e c o m i n g d e e p e r t h ea e r a t i o n p e r f o r m a n c e o f t h e j e ta e r a t o r s i s t h e b e s ta t t h e d e p t ho f4 5 m e t e r t o t a lo x y g e nt r a n s f e rc o e f f i c i e n t k l a i s o 4 2 1 9 ( 1 m i n ) ，t o g e t h e r w i t ha e r a t i o n a b i l i t yq co 2 2 2 8 ( k 9 0 2 m 。h ) ，p o w e re f f i c i e n c ye d 3 3 7 3 ( k g o j k w h ) ，o x y g e nu t i l i z a t i o nr a t i oe a 2 4 1 4 ( ) ，w h i c hm e e t st h ee x p a n d i n g t e r m si nt h e c o n f i r m i n gt e c h n i c a lt e r m so fe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o np r o d u c t si n c h i n a ：j e ta e r a t o r e s t a b l i s h e db yb u r e a uo fn a t i o n a le n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n a t t h es l u d g e - w a t e rl i q u o re x p e r i m e n tc a r r i e dl a t e r , t h eo x y g e na e r a t i o np e r f o r m a n c eo f t h ej e ta e r a t o r s d e c r e a s e d b ya n a l y z i n g ，t h ea u t h o rr e g a r d st h a tw o r kl i q u i d c h a r a c t e r i s t i ci st h em a i nf a c t o rt h a ti m p a c t st h ea e r a t i o np e r f o r m a n c eo ft h ei e t a e r a t o r s f o rt h es a k eo fc o m p l e t ec o m p a r i s o na n da n a l y s i so ft h et w ok i n d so fp r o c e s s ， a e r a t i o np e r f o r m a n c eo fab u b b l ea e r a t i o ns y s t e mh a sb e e nt e s t e da tam u n i c i p a l w a s t e w a t e rp l a n tt o o a tl a s t ，a e r a t i o np e r f o r m a n c ea n de c o n o m i cp e r f o r m a n c ew e r ec o n t r a s ta n a l y z e d f o rt h et w ok i n d so fp r o c e s s t h ej e ta e r a t i o ns y s t e mh a sn oa d v a n t a g e si np o w e r 西南交通大学硕士研究生学位论文第j fi 页 e f f i c i e n c ya n do x y g e nu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c y , b u tt h eh i g h e rt o t a lo x y g e nt r a n s f e r c o e f f i c i e n to fi tp r o v i d e sc h a n c e sf o re x p a n s i o n i nt h ee c o n o m i ca s p e c t ，t 1 1 e e t a e r a t i o np r o c e s si sh i g h l yb e t t e rt h a nt h a to f t h eb u b b l eo n e a tt h ef a c to f t h ea b o v e ， t h e o r yo fa p p l i c a t i o no fj e ta e r a t i o ns y s t e mi nh y b i r da e r a t i o ns y s t e mh a sb e e n b r o u g h tu p ，w h i c hc a r ld e v e l o pa d v a n t a g e so fb o t hp r o c e s s e sa n dr e a l i z et h ea i m so f l o w e ri n f r a s t r u c t u r ei n v e s t m e n ta n do p e r a t i o nc o s t k e yw o r d s ：j e ta e r a t o r ；s e l f - s u c t i o n ；a e r a t i o np e r f o r m a n c e ；a e r a t i o ns y s t e m 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景 第1 章绪论 从目前到2 0 1 0 年，我国的城市污水处理厂将以超常规的速度发展，预计将 增加污水处理能力5 0 0 0 6 0 0 0 万m 3 ，d ，需新建城市污水处理厂1 0 0 0 余座【i j ， 同时污水处理项目建设造价也在不断攀升，据对全国3 2 8 个污水处理厂统计分 析，2 0 0 2 年每万吨能力建设造价达到1 7 7 5 8 9 万元，比1 9 9 6 年上升了近3 0 1 2 。 投资费用日渐增加给城市污水处理厂的建设增加了困难。 另外，我国城市污水厂处理成本在0 8 1 4 元吨之间p j ，即建成一座日 处理5 0 万吨污水的城市污水厂，年运行费需数千万元甚至达亿元。以如此庞大 的运行费用在全国各城市投建城市污水厂，对于经济尚不发达的我国来言是不 堪重负的 ”。 曝气系统是活性污泥系统中的一个非常重要的组成部分，它的选择直接关 系到污水厂初期投资、运行费用以及污水生化处理效果。因此，它一直是近几 十年来各国共同关心的一个重要问题。特别是进入8 0 年代后，由于能源危机， 对占污水处理厂运行费用高达6 0 7 0 的曝气设备的改进及新型曝气设备的研 制、推广更成为各国的热门课题【3 】。 1 2 曝气方式概述 总的来说，曝气设备可分为三类：空气扩散曝气器( a i r d i f f u s e r ) 、机械曝气 器( m e c h a n i c a la e r a t o r ) 、射流曝气器( j e ta e r a t o r ) h 。也有人根据空气和混合液的 流动特点将曝气装置分为液相主动流动型和气相主动流动型忙】。 空气扩散曝气又称鼓风曝气，是将空压机送出的压缩空气通过一系列的管 道系统送到安装在曝气池池底的空气扩散装置，空气从此处以微小气泡的形式 逸出，并在混合液中扩散，使气泡中的氧转移到混合液中去【6 j ，例如：各种形 式的穿孔布气管、空气扩散器、涡轮等。由于射流曝气器由扩散管喷射出的空 气泡直径微小属于微气泡曝气，也有人将其归入鼓风曝气装置中【7 j 。机械曝气则 是安装在水面上、下的叶轮高速转动，剧烈地搅动水面，产生水跃，使液面与 空气接触的表面不断更新，使空气中的氧转移到混合液中去。例如：各种曝气 叶轮、转刷等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 上述两种曝气方式处理污水效果良好，适应性强，在污水处理界得到广泛 应用，但也存在不少问题。如鼓风曝气法需要鼓风机( 或空气压缩机) 、空气 扩散设备及布气管道，而布气管道淹没于污水中，腐蚀性较大，不易维修管理， 另外空气利用率低，噪音大等。机械曝气法需要电动机、减速机、曝气机械， 制造工艺比较复杂。上述两种曝气法都存在氧的利用率低、曝气时间长、池容 积较大、机械设备及管道复杂、曝气效率低、电耗较大、维护管理复杂和基建 投资费用高等问题心j 。 射流曝气是一种利用射流曝气器把液流或气液混合流喷射入曝气池，以增 加池中氧含量的曝气系统【9 j 。目前，在国外己把射流曝气作为继鼓风曝气和机 械曝气之后的第三种曝气、法【”。本论文中所研究的自吸式射流曝气器是射流器 的一种，它以水泵为动力源，水泵抽吸曝气池中的泥水混合液沿管路射入喷嘴， 在喷嘴出口处由于射流和空气之间的粘滞作用【lo j ，把喷嘴附近空气带走，使喷 嘴附近形成真空，在外界大气压的作用下，空气被源源不断的吸入射流器内， 三相混合液在喉管中强烈混合搅动，使空气泡粉碎成雾状，继而在扩散管内， 由于速头变成压头，微细气泡进一步压缩，氧迅速的转移到混合液中，从而强 化氧的转移过程的一种充氧设备【6 】。射流曝气具有如下优点： ( 1 ) 较高的氧总转移系数和氧利用率，混合搅拌作用强 12 ； ( 2 ) 污泥活性好，基质降解常数较高，提高了污泥的吸附、沉淀性能 1 1 ： ( 3 ) 适应性强，造价低，设备简单，维修管理方便【9 】； ( 4 ) 溶氧速度快，曝气时间短，占地面积小例； ( 5 ) 气味和噪音小川。 1 3 射流曝气系统综述 1 3 1 射流曝气应用概述 射流曝气器是射流泵的一种，它是利用射流紊动扩散作用，来传递能量和 质量的流体机械和混合反应设备，它由喷嘴、吸气室、喉管及扩散管等部件构 成。它的工作原理是 13 】：有压流体( 液体或气体) 通过喷嘴射出，在喷嘴出口处 由于射流边界层的紊动扩散作用，与周围被吸流体发生动量交换，这两股流体 在喉管入口段及喉管内混合，进行能量和质量传递，于是工作流体的速度减小， 被吸流体的速度增大，两者的速度在喉管出口处渐趋一致。流体的压力在喷嘴 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 出口处到喉管入口断面是降低的，以后逐渐增高，通过扩散管将流体的动能转 换成压能，压力进一步升高( 如图1 1 ) 。 图1 一l 射流曝气装置典型结构 利用射流器充氧来处理污水，最早是在1 9 4 7 年由美国道氏化学公司密执安 联合企业用于含酚废水的处理，以后德国的拜尔公司和孟山都化学公司也在污 水处理厂使用了射流曝气装置。1 9 7 3 年8 月美国克拉克公司在麻省李氏联合企 业用射流曝气装置处理造纸废水；威斯康星纸厂也相继采用了射流曝气活性污 泥法处理污水“。 2 0 世纪6 0 年代末、7 0 年代初，联邦德国b a y e r 化学公司，采用获得专利 的四个一组安装的被称为8 1 4 型射流器( 即喷嘴直径为8 m m ，混合管直径1 4 r a m ) 以压力供气方式处理化工废水【9 】。联邦德国威尔定根化工厂1 9 6 5 年开始用射流 曝气进行污水生化处理小型试验，1 9 7 5 年正式投产，每天处理2 4 万m 3 工业 污水【1 5 1 。同一时期，美国的硒c h a r d 、l e c o m p t e 及w i l s o n 均研究了射流器的曝 气原理和应用 1 6 1 。日本九卅i 的日明水厂在扩建工程中采用了压力送风射流器， 处理废水量为8 4 万m 3 i d ”。在夏季曝气池水深l o m 的条件下，充氧动力效率 为1 8 2 0 k 9 0 2 k w h ，比平行运行的4 5 m 深的鼓风曝气( 扩散板) 的动力效率略 高，后者为1 5 k g o j k w h 。 2 0 世纪8 0 年代以来，德国两家大的化学公司b a y e r 和h o e c h s t 先后完成了 采用“高塔一射流曝气活性污泥法”处理化工废水的扩建工程，日处理废水量 分别为1 6 万m 3 和1 0 万m 3 【1 8 七0 。它们采用获得专利的“狭缝射流器 ( s l o t i n j e c t o r ) 和“径向射流喷嘴”( r a d i n a lf l o wn o z z l e ) 进行曝气。近年来，人们热衷于对射 流器改进形式的研究【2 1 【2 2 1 ，以及利用水力学理论对射流器的工作特性进行数值 模拟【l “，研究射流器在曝气池内部的水力学特性等。 国内用射流曝气处理污水的试验研究工作始于1 9 7 3 年，由湖北轻工业研究 所和武汉建材学院等单位进行了射流器清水充氧试验研究工作嗍，研制成功双 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 级单喷射流器，动力效率达到2 0 7 k g o f f k w h 。1 9 7 5 年夏，西安市污水处理厂 在佳木斯自来水公司对地下水利用射流充氧除铁除锰的启发下，提出了污水生 物处理用射流充氧的办法来代替鼓风曝气头和表曝的叶轮，得到国家建委和西 安市城建局的支持，于是设计和安装了一套处理能力为8 5 矗d 的污水处理曝气 装置，经过试验于1 9 7 6 年取得成功【l “。1 9 7 8 年以来，同济大学等单位从城市及工 业废水的处理工艺、活性污泥生物学特性进行了较为系统的研究【2 3 】【2 4 】，并在生产 规模下将其用于处理屠宰废水和丝绸印染废水【2 5 j 。1 9 8 2 年北京市政设计院研究 了所谓的“i i 型射流器”的充氧性能，并在生物接触法中使用了这种射流器，处理 两种工业废水( 感光胶片生产中的涂布废水和地毯染纱废水) ，规模为中试】。 1 9 8 3 年，北京建筑工程学院的李燕城对供气式射流器进行研究，得到射流器最 优参数动力效率3 9 k 9 0 2 k w h t 2 7 。2 0 世纪8 0 年代末，同济大学的李天璨开发 出具有转向锥体机构的射流器，在清水充氧和实际应用中具有较高的充氧能力， 同时向有关厂家转让了技术产品【2 8 1 。2 0 世纪9 0 年代末，清华大学的孟立新开 发出集曝气与搅拌于一体的新型射流器，其清水充氧能力达到了日本同类产品 的水平，并实际应用到s b r 工艺中【2 9 】。西南交通大学环境学院在射流器的应用 方面也有诸多尝试，先后在屠宰废水、印染废水 3 0 j 、啤酒废水 3 1 1 等领域应用了 射流曝气工艺，都取得了较好的处理效果。 1 3 2 射流曝气器的类型 1 根据供气方式分类例 根据供气方式的不同，射流曝气可分为两大类： ( 1 ) 强制供气：即用鼓风机向射流器供给空气，这种供气方式的特点是：空 气由鼓风机供给，空气量的控制比较方便，可以根据需要把射流器安装在曝气 池的底部、顶部等不同的位置，射流器数量多，一般淹没在水中，安装与维修 不方便。 ( 2 ) 自吸( 负压) 供气：由射流器喷嘴喷出的高速射流，使吸气室形成负压， 将空气吸入，这种射流器通常称为自吸式射流器。这种射流器的特点是：不需 要鼓风设备，所需射流器少，射流器一般不淹没在水中，安装维修方便。 2 根据工作压力分类 国内常用的射流器从工作介质的压力上划分，可分为高压型与低压型两 种 。高压射流目前的工作压力为o 2 m p a ，低压为0 0 7 m p a 。高压型射流器喷 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 嘴流速为2 0 m s 左右，低压为1 2 r r d s 左右。低压型射流器理论上的能量消耗是 高压型的l 3 ，而实际上可能还要少一些。 3 根据喷射方式分类m j ( 1 ) 连续喷射：液体射流是连续的。目前，大多数射流器均采用这种方式。 ( 2 ) 旋流喷射：即在射流未出口前，采用一定的切向加旋措施使喷出的射流 带有旋转特性。 ( 3 ) 脉冲射流：液体射流是不连续的。这种射流方式，除了液滴的碰撞以外， 还有类似活塞( 流体) 式气体压缩机的传能方式。 4 根据结构分类一1 ( 1 ) 单级：又分为单喷嘴短喉管、单喷嘴长喉管和多喷嘴三种：其中短喉管的 长径比( 喉管长度与喉管直径之比) 为5 7 ，而长喉管的长径比为1 0 6 0 ( 2 ) 多级：一般是两级。第一级吸气后，液气混合流在第二级再吸气，这样 充分利用射流能量。 5 根据安装方式分类 射流曝气器的安装方式分为竖直( 垂直) 安装( 立式) 和水平安装( 卧式) 。由于 液、气两相的水平运动与垂直运动在流态上有较大的差异，所以射流器的安装 方式对它的性能有一定的影响 9 1 。射流向下，除了本身具有的能量外，还受重 力作用，吸入式、混合室内都不存水，因此阻力小，水利条件好，所以大多数情 况下使用的都是竖直安装方式。 6 根据安装高度分类 安装高度系指射流器喷1 2 1 断面中心距曝气池水面的垂直距离【1 1 。射流器在 曝气池中的安装高度分为：( 1 ) 浸没式安装；( 2 ) 低位安装；( 3 ) 高位安装。 在相同的工作压力条件下，高位安装 e 低位安装的吸气量可以增加3 0 左 右。这是由于利用液体位能对气体进行了附加压缩的缘故。但提升液体到高位 安装的射流器，需要增加耗用功率，而且需要较大的空间来满足安装高度的要 求。因此，使这种安装方式的应用受到限制。 1 4 鼓风曝气系统综述 鼓风曝气系统由鼓风机、空气扩散装置和一系列连通的管道组成。鼓风机 将空气通过管道输送到安装在池底部的空气扩散装置，经过扩散装置，使空气 形成不同尺寸的气泡，气泡经过上升和随水循环流动，最后在液面处破裂，从 而使氧向混合液中转移【6 】o 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 空气扩散装置分为微孔扩散器和中大气泡扩散器。按照我匡的规定，空气 通过多孔介质，在水中产生直径小于3 m m 气泡的高效空气扩散装置称为微孔 扩散器；空气通过装置在水中产生直径大于3 m m 以上气泡的空气扩散装置称 为中大气泡扩散器【3 钔。国外的研究单位( 或者应用机构) 常把空气扩散装置分 为多孔扩散装置、非多孔扩散装置和其他类的空气扩散装置。原因是小气泡和 大气泡的准确描述和定义比较困难p j 。 由于曝气系统的能耗占污水生物处理费用的比例很大，国外对曝气设备比 较重视，产品的开发大致可分为三个时期：早期( 5 0 年代前) 多用小孔径曝气 器，如扩散板等，充氧性能好，电耗少，但由于阻力大，且堵塞后阻力急剧增 加，充氧性能降低，因此逐渐被大气泡曝气设备所取代。中期( 5 0 7 0 年代) 多用中、大气泡曝气设备，如爪形、塑料盆形、固定螺旋等，它们充氧性能稍 差，但有阻力小，不堵塞，安装维修方便等优点。7 0 年代至今，由于世界性能 源危机，国外又开始研制小孔径微气泡曝气设各，并在防堵、空气净化、风机 漏油上进行了技术改造p j 。 国内所使用的曝气装置也可分为三个阶段：早期为穿孔管；7 0 年代末与8 0 年代初，有金山i 型、i i 型、固定螺旋、散流器、密集多喷嘴、动态曝气器等。 这些设备在国内污水处理厂有较广泛应用，但它们所产生的气泡均属大、中气 泡范围，与国内过去使用的穿孔管相比，氧总转移系数、氧利用率、动力效率 有较大提高，但能耗还是相当惊人。因此，从8 0 年代中期以后，我国一些科研 机构和设计单位，先后根据国外微孔曝气设备的应用情况，仿制和研制了符合 我国应用条件的微孔曝气设备 3 1 。 1 5 问题的提出、研究意义和研究内容 1 5 1 问题的提出与研究意义 鼓风曝气系统最大的优势就是能够提供较高的动力效率和氧利用率，节省 运行费用。但是鼓风曝气工艺也存在许多问题，例如：制作工艺复杂，成本高 昂；容易产生堵塞现象，降低充氧能力；设备维修不便，日常维护费用高；存 在噪声问题，容易产生噪音污染，需要专门的噪声处理；在大型的处理项目中 还需要设置专门的鼓风机房等，这些都增加了污水处理厂的设备投资和运行费 用，为我国城市污水处理工业的推广制造了障碍。 而射流曝气工艺作为一种非常有前途的曝气充氧工艺有其非常明显的优 势： 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 ( 1 ) 氧总传质系数大，氧利用率高。使得处理过程中节约了大量电耗，降低 污水处理厂运行费用；( 2 ) 构造简单，工作可靠，安装方便。此优点对照鼓风工 艺必定能节省充氧系统设备投资，同时降低安装费用；( 3 ) 一般喷嘴直径2 0 m m 以上，不易堵塞，易维修管理，可以节省日常维护管理费用；( 4 ) 当采用自吸式 射流曝气器时，可取消鼓风机，消除噪音污染。有利于提高污水处理厂环境质 量：( 5 ) 活性污泥好，基质降解常数较其他活性污泥法高，所需曝气时间短，占 地面积小，土建投资省。 虽然，在我国的水处理工程中鼓风和射流两种曝气工艺都有应用，但是应 用领域却有很大的不同。射流曝气系统主要应用在中、小型工业废水的处理领 域，例如印染、屠宰、食品、啤酒、化工、制药等，在城市生活污水处理中几 乎没有应用；鼓风曝气系统则应用的范围要广的多，不光是在工业废水领域， 国内大多数的城市污水处理厂都应用的此种工艺。 造成这种现象的原因目前国内尚未有较系统的理论研究。 1 5 2 研究内容 本论文着眼于在投资和运行中涉及费用最多的部分一曝气工艺展开论述， 提出了在城市污水生化处理法中引入射流曝气工艺的论点。通过现场实测的方 式，测定自吸式射流曝气器的在各种状态下的技术参数，由射流曝气技术参数 对比鼓风曝气，试图找出射流曝气技术在中、小型城市污水处理工程中推广应 用的途径。 本课题研究内容主要包括以下几个方面： 1 进行射流曝气系统清水充氧性能测试，测定射流器在不同水深条件下的 各项技术参数； 2 在工艺调试运行期间，测定射流器在不同水质、水量和水温条件下的各 项技术指标： 3 确定主流鼓风曝气工艺，然后通过现场试验确定其各种技术指标； 4 综合以上数据分析比较，找出解决射流曝气工艺应用于城市污水处理工 程的途径。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 1 5 3 技术路线 图1 2 技术路线图 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章曝气充氧原理 2 1 引言 在自然环境里和水处理工程实践中，常遇到水和周围空气之间进行气体交 换的过程。这时，或是进行某种气体从水中分离出来的解析过程，或是进行空 气某一组分及其它气体溶入水中的吸收过程，有时这两种过程同时进行。这类 过程在工程中称为曝气，实质上是气体的传质，统称为气体转移过程。具体地 说属于越过两相界面的相间传质过程。 在废水的好氧生物处理方法中，曝气工艺应具有如下功能： ( 1 ) 产生并维持有效的气水接触作用。并且在水中由于生物氧化作用不断消 耗氧气的情况下，所供给的氧量足以保持水中的溶解氧保持不变；( 2 ) 在曝气区 内产生足够的混合作用和水的循环流动；( 3 ) 维持液体的足够速度以使水中生物 固体处于悬浮状态。 2 2 氧转移原理 在曝气过程中，氧分子通过气、液界面由气相转移到液相，在界面两侧存 在着气膜和液膜，气体分子通过气膜和液膜属于传质理论。1 9 0 4 年n e m s t 首先 提出传质的单膜模型，后来的发展也是以这一模型为基础的，常用的有下列三 种模型；1 9 2 6 年由l e w i s 和w h i t m a n 提出的双膜理论，1 9 3 5 年由h i g b i e 提出 的浅渗理论及1 9 5 1 年由d a n c k w e r t s 提出的表面更新理论。对后两种理论目前 还缺乏充分的实际根据，不够成熟。当前被污水生物处理科技界所普遍接受的 是双膜理论。双膜理论属古典理论，不仅便于应用，更重要的是它能把气膜阻 力和液膜阻力的相对大小表示出来，这对气一液传质具体过程的计算具有相当 重要的意义。 2 2 1 双膜理论 双膜理论的模型见图2 1 ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 p g 硅d ， 气 相 气 p - 体 膜蓬 ( 紊流) c ( 层流) c 图2 1 双膜理论不意幽 其基本点可归纳入下同： ( 1 ) 在气、液两相接触的界面两侧存在着处于层流状态的气膜和液膜，在其 外侧则分别为气相主体和液相主体，两个主体均处于紊流状态。通常认为，气 体溶于水的过程是经过相当分明的四个阶段的传质过程：第一阶段是气体通过 气相向气一液交界面推移：第二阶段是气体通过气一液交界面的气相一侧的气 膜：第三阶段，气体穿过气一液交界面的液相一侧的液膜；第四阶段，气体扩 散到整个溶液中去； ( 2 ) 由于气、液两相的主体均处于紊流状态，其中物质浓度基本上是均匀的， 不存在浓度梯度，也不存在传质阻力，气体分子从气相主体传递到液相主体， 阻力仅存在于气、液两层层流膜中； ( 3 ) 在气膜中存在着氧的分压梯度，在液膜中存在着氧的浓度梯度，它们是 氧转移的推动力： ( 4 ) 在气体转移过程中，对于微溶的气体，阻力主要来自液膜，对于易溶的 气体，主要来自气膜【3 “。氧难溶于水，因此，氧转移的决定性阻力集中在液膜 上。故而，氧分子通过液膜是氧转移过程的控制步骤，通过液膜的扩散速率就 是氧的转移速率； ( 5 ) 氧的传递过程是稳定的，即通过气膜的通量与通过液膜的通量是相等的， 在交界面上，气与水立即达到平衡状态【3 6 】。 射流曝气器的充氧是利用高速水流为动能吸入大量空气，气、水混合液在 喉管中剧烈混合，使气泡粉碎成乳状，继而在扩散管内由于管径逐渐加大，流 速水头转化为压头，微细气泡进一步压缩，氧迅速溶入水中，这一过程符合双 膜理论。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 2 2 2 菲克( f i e k ) 定律 通过曝气，空气中的氧从气相传递到液相中，这既是一个传质过程，也是 一个物质扩散过程。扩散过程的推动力是物质在界面两侧的浓度差。物质的分 子从浓度较高的一侧向着较低的一侧扩散、转移。 扩散过程的基本规律可以用菲克( f i c k ) 定律加以概括，即： 屹_ d 。面d c ( 2 - - 1 ) 式中：屹物质的扩散速率，单位时间内单位断面上通过的物质数量 口扩散系数，表示物质在某种介质中的扩散能力，主要取决于扩散 物质和介质的特性及温度： z 扩散过程的长度； c 物质浓度； 筹浓度梯度，即单位长度内的浓度变化值。 上式表明，物质的扩散速率与浓度梯度成正比。 以m 表示在f 时间内通过界面扩散的物质数量，以彳表示界面面积，则 下式成立： c a ：土坐 ( 一一2 ) = 一 l zj ” ad t 代入式( 2 1 ) ，得： 土星坚：一d ，一d c ( 2 3 ) ad t“d x 即：坐：一d ，a d c( 2 4 ) d f 烈 在气膜中，氧分子的传递动力很小，气相主体与界面之间的氧分压差值 ( 乓一# ) 很低，一般可以认为名z 只。这样，界面处的溶解氧浓度值e ，是 在氧分压为p 。条件下的溶解氧的饱和浓度值。如果气相主体中的气压为一个大 气压，则p 。就是一个大气压中的氧分压( 约为一个大气压的1 5 ) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 设液膜厚度为乃( 此值极低) ，则液膜中浴解氧浓厦的梯厦为： 一堕：旦兰 ( 2 5 ) d x x i 代入式( 2 - - 4 ) 中，得： 警一见4 譬) ( z 式中：警氧传递速率，蝇o ：m ； 眈氧分子在液膜中的扩散系数，m 2 h ； 爿气、液两相接触面积，m 2 ； 旦液膜内溶解氧的浓度梯度，k 9 0 2 ( m 3 m ) 。 设液相主体的容积为r z ( m 3 ) ，并用其除上式，得： 三丝：罢( e c ) ( 2 7 ) vd tx ，v 、4 肌 警= 既罟( c - c ) ( 2 - 8 ) 式中：车液相主体中溶解氧浓度变化速率，k g o j ( m 3 h ) ； 瓯液膜中氧分子传质系数，1 1 1 l l ；k l = 眈乃。 由于彳值难以测定，采用总转移系数屹代替也罟，从而，上式变成： i d c = 也( e c ) ( 2 - - 9 ) 式中：心。氧总转移系数，此值表示在曝气过程中氧的总传递性，当传递 过程中阻力大时，则k ，。值低；反之则瓦，。高。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 这样，为了提高霉值，可以两方面考虑： “i ( 1 ) 提高也。值，这就需要加强液相主体的紊动程度，降低液膜厚度，加速 气一液界面的更新，增大气、液接触面积等。 ( 2 ) 提高e 值。提高气相中的氧分压，如采用纯氧曝气、深井曝气等。 2 3 氧转移的影晌因素 从式( 2 6 ) 我们可以看到，氧的转移速率与液膜氧分子扩散系数d l 、气 液界面面积a 、( c 。- c ) 、液膜厚度x f 等参数成正比关系。影响上述各项参 数的因素也必然是影响氧转移速率的因素，其中主要有：( 1 ) 污水水质；( 2 ) 污水 水温；( 3 ) 溶解氧的饱和度；( 4 ) 污水紊流程度。 1 污水水质 污水中含有各种杂质，他们他们对水中氧的转移产生一定的影响。特别是 某些表面活性物质，如短链脂肪酸和乙醇等，这些物质的分子属两亲分予( 极 性端亲水、非极性端疏水) 。它们将聚集在气液界面上，形成一层分子膜，阻 碍氧分子的扩散转移，总转移系数值j 屯将下降，为此引入一个小于1 的修正 系数a 。 污水中的k ，。、 弘雨丽蒜 所以 ( 2 1 0 ) 由于污水中含有盐类，因屿，氧在水中的的饱和度也受水质的影响，因此， 引入另一个数值小于1 的系数予以修正。 所以 。一污水的e 、 尸丽蕊百 c _ ：= b cs ( 2 1 1 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 4 页 上述修正的系数口、值，均可通过对污水、清水的曝气充氧试验- y p a n 定。 2 水温 水温对氧的转移影响较大，水温上升，水的粘滞性降低，扩散系数提高， 液膜厚度随之降低，墨。值增高，反之，则屹值降低，其间的关系式为： 屹( n = k 扫( 2 0 ) x 1 0 2 4 7 。 ( 2 1 2 ) 式中：心。( n 水温为t 时的氧总转移系数 。水温为2 0 。c 时的氧总转移系数； 丁设计温度，； 1 0 2 卜温度系数。 水温对溶解氧饱和度e 值也产生影响，e 因温度上升而降低。墨。因温度 上升而增大，但液相中氧的浓度梯度却有所下降。因此，水温对氧转移有两种 相反的影响，但并不能两相抵消。总的来说水温降低有利于氧的转移【6 】。 3 氧分压 c ；与大气压有关。气压降低，c 。也随之下降；反之则提高。同时，静水压 力增加，c 。也相应提高，反之则下降。 4 污水紊流程度【3 7 】 在曝气区使液体形成高速紊流，一方面可使曝气器喷嘴局部饱和的水迅速 与亏氧水混合以增加吸氧速率，另一方面产生穿透活性污泥絮体的剪切应力， 传质速率提高，单位时间内能获得较高的吸氧率：同时，池中的c 0 2 和其他有 机物氧化产生的气体随气流排出池外。 2 4 自吸式射流曝气器充氧原理 在普通型式的自吸式射流器中，一定压力的工作介质( 一般为废水或废水与 活性污泥的混合液) 经过射流器的喷嘴时，以很高的速度从喷嘴喷射出来，形成 股高速圆形( 轴对称) 射流束，其流速大约在1 0 m s 2 0 m s 之间。这股高速射 流束穿过吸气室经一定的射流距离以后进入射流器的喉管( 混合室) 。在射流流 动边界附近处，工作介质与周围静止流体( 空气) 之间存在速度不连续的间断面， 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 间断面一般受到不可避免的干扰，失去稳定而产生涡漩，卷吸周围空气进入射 流束，同时不断移动、变形、分裂产生紊动，其影响逐渐向内外两侧发展，一 方面向射流束中心( 核心区) 扩散，同时也向周围静止空气扩散，形成内外两个 自由紊动的混合层p “。 根据动量转换定律，工作介质边界的物质被加速，空气进入射流中，并在 扩大的射流中被吸收、加速，掺和到增大的射流束中去，这个过程称为( 高速水 流) 挟带( 气体) 过程。因此，与这股高速紊动射流束相接触的空气被工作介质携 带至混合室。这时吸气室成为真空状态，外界空气随即源源不断地补充进来c 2 2 j 。 除挟带作用外，由于动量的横向传递，卷吸进入的空气获得动量而随同原 来的流体向前流动，原来的流体失去动量而降低速度，在混合层中存在一定的 流速梯度，从而形成很强的剪切力口”。这些剪切力能把边界上的涡流加以切割， 同时又引起相当大的紊动。这种附加的紊流能促进很高的氧转移率与充分的流 体混合作用。卷吸与掺混作用的结果，射流断面不断扩大，流速则不断降低， 流量却沿程增加郾j 。 在能量转换方面，起初是工作介质的压能在喷嘴处转变为动能：在吸气室 中，一部分动能转变为压能，以供给引射空气之用；在进入混合室后，工作介 质的一部分动能传递给引射空气；另外，混合流体在混合室中的流动过程中由 于剧烈的紊动搅拌及水利剪切，液体与气体间的质量交换与能量传递作用，因 而混合流体的速度也逐渐趋于均衡，同时亦发生混合流体的动能相反地转变为 压能，当然这要伴随着能量的损失【3 9 】。 气液混合流由混合室以一个低于喷嘴工作压力丽又高于引射空气的压力进 入扩散管，由于扩散管的突然扩大，流速迅速减小，动能转变为压能，导致压 力升高，能量由液体传递给气体，液体对气体压缩做功，气泡直径进一步减小， 使引射空气中的氧可以最大限度地溶入气液混合流中去 i “。 在活性污泥法曝气池底部，由射流曝气器喷嘴放出的气泡在水中上升的整 个期间，有四个传质阶段唧： ( 1 ) 在喷嘴处形成气泡；( 2 ) 在水平方向惯性流动：( 3 ) 在垂直方向上升流动： ( 4 ) 由水力搅拌方式形成的二次紊流。 射流曝气器内部的流动属于复杂的两相流动，它通过液体射流对气体进行 抽吸和压缩。根据气液两相间的混合过程可将射流器内的流动过程分为三个阶 段【9 】： ( i ) 液体射流与气体相对运动段( 射流运动段) 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 从喷嘴射出的液体射流是密实的，由于射流边界层与气体之间的粘滞作用， 射流将气体从吸入室带入喉管。液、气二者作相对运动，且均为连续介质。液 体射流由于受外界扰动的影响，在离喷嘴不太远的一段距离后，产生脉动和表 面波。 ( 2 ) 液滴运动段( 混合激波段) 由于液体质点的紊动扩散作用，射流表匝波的振幅不断增大。当振幅大于 射流半径时，它被剪切分散成液滴。高速运动的液滴分散在气体中，它与气体 分子冲击和碰撞将能量传递给气体，这样气体被加速和压缩。在这流动段内， 液体变成不连续介质，而气体仍为连续介质。 ( 3 ) 泡沫运动段 气体被液滴粉碎为微小气泡，液滴重新聚合为液体，气体则分散在液体中 成为泡沫流。随着通过扩散管混合液的动能转换为压能，压力升高，气体被进 一步压缩。此时，液体为连续介质，气体变成分散介质。 2 5 曝气充氧性能主要评价指标 1 氧总转移系数k l 。 氧总转移系数是评价曝气设备充氧性能最重要的指标之一，它表示在单位 传质推动力作用下，单位时间内向单位体积水中传递氧的数量。k 的倒数1 ，阢 的单位为( m i n 或h ) ，表示曝气过程中溶解氧浓度从c 提高到c 。所用时间。 当阢低时，1 l ( 。高，使混合液内溶解氧从c 提高到c 。所需时间长，说明氧传 递速率慢；反之，则传递速率快，所需时间短1 4 0 j 。