（环境工程专业论文）曝气生物滤池中曝气方式对污水处理效率的影响研究.pdf

摘要 论文题目：曝气生物滤池中曝气方式对污水处理效率的影响研究 学科专业：环境工程 研究生：杨春娣 指导教师：程文教授 摘要 签名： 签名： 曝气生物滤池( b a f ) 工艺是一种新型的污水处理工艺，国内外学者对曝气生物滤池 的研究在曝气生物滤池的影响因素如水温、水质、p h 值等方面取得了一定的进展和共识， 但有关曝气生物滤池中气液两相流的运动机理等方面的问题还有待进一步研究现阶段由 于技术条件的限制都未能全面阐述与气液两相流运动有关的溶解氧的分布规律，在曝气生 物滤池的实际应用中需要这方面的理论指导，因此实验研究和测量气液两相流场非常重 要。本文从两相流的主要参数测量入手，采用数值模拟及实际的污水处理实验相结合的方 法研究曝气生物滤池中不同曝气方式对生活污水处理效率的影响。数值模拟的结果得到了 不同曝气方式下气液两相流的流场及两相流中气液两相的分布情况。 本文设计了一套曝气生物滤池的实验模型装置，采用粒子图像测速技术对装置中不同 状态的流场进行了测量，获得了不同流动状态下装置中的气泡平均速度。再利用所得的气 泡速度及已知的参数作为边界条件，模拟得到不同曝气条件下的气液两相流速分布。将模 拟的各种曝气状态应用到实际的污水处理中，在固定的时间点测定处理中的污水的c o d 指标，验证数值模拟的结论。实验最终得出几种曝气方式中的最优形式，为曝气生物滤池 实际应用中曝气方式的确定提供理论依据。 本文得到结论主要有： ( 1 ) 研究两相流运动特征可以从实验研究两相流主要参数入手，采用粒子图像测速 技术可得到具体的参数值，为数值模拟提供边界条件。 ( 2 ) f l u e n t 软件模拟出不同状态下的气液两相流场，分析模拟结果得出的结论与 实际的实验一致。 ( 3 ) 对于曝气孔径、气流速度、水深纵横比三种因素，改变其中任一种因素都会引 起流场中的气泡体积、气相分布等的变化。 西安理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 在本实验条件下，当水深纵横l 匕h w = l ，曝气孔径最t j 、d = o 6 m m ，气流速度最大 v = o 3 m s ，模拟的气液两相流场中气相分布最均匀，两相流紊动强度较大，气液混合最充 分，曝气方式为最优。 关键词：曝气生物滤池；气液两相流；实验研究；数值模拟 i i a b s t r a c t t i t l e ：s t u d yo ne f f i c i e n c yo fa e r a t l o nt y p ei nb i o l o g i c a l a e r a t i o nf i l t e ri nt r e a t i n gw a s t e f a t e r m a j o r = e n v i r o n m e n t a l e n g i n e e r i n g n a m e ：c h u n d iy a n g s u p e r v i s o r ：p r o f w e nc h e n g a b s t r a c t s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e ri san e wt e c h n o l o g yo fw a s t e w a t e rt r e a t m e n t s c h o l a r sn a t i o n a l a n da b r o a dh a v er e s e a r c h e dt h ef a c t o r sl i k et e m p e r a t u r e ，w a t e rq u a l i t ya n dp hv a l u e t h e yh a v e m a d ea g r e ew i t he a c ho t h e ro na l lo ft h e s ep o i n t s ，h o w e v e r , r e s e a r c h e so nt h em o v e m e n tl a wf o r g a s l i q u i dt w o p h a s ef l o wi nb i o l o g i c a la e r a t e df i l t e ri sl a c k ，t h eo x y g e nt r a n s f e re f f i c i e n c y , m o m e n t u ma n de n e r g yb e t w e e np h a s ea sw e l la st h ei n t e r a c t i o na m o n gt u r b u l e n tc o m p o n e n t s a r ea l lu n c l a r i f i e d a p p l i c a t i o n so fb i o l o g i c a la e r a t e df i l t e ra l s on e e dt h e o r y , s oi ti se s p e c i a l l y e s s e n t i a lt om e a s u r et h ev e l o c i t yf i e l d t h i sr e s e a r c hb e g i n sw i t hp a r a m e t e r so ft w o p h a s ef l o w a n de s t a b l i s h e st h ei n f l u e n c eo fa e r a t i o nt y p ei n t r e a t i n gw a s t e w a t e rb ym e a n s o ft h e c o m b i n a t i o no fe x p e r i m e n t a lr e s e a r c ha n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no nt h eg a s - l i q u i dt w o - p h a s e f l o w t h i sp a p e rd e s i g n e das e to fb i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r p a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t r yt e c h n i q u e w a su s e dt os t u d yg a s l i q u i dt w o - p h a s ef l o w s t a k et h eb u b b l ev e l o c i t ya sab o u n d a r yc o n d i t i o n ， g a s l i q u i dt w o - p h a s ef l o wv e l o c i t yf i e l do fd i f f e r e n tc o n d i t i o n so b t a i n e d m e a s u r e dc h e m i c a l o x y g e nd e m a n da ts p e c i f i cm o m e n t ，r e s u l t so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a sv e r i f i e d f i n a l l yt h i s p a p e rp r o p o s e dt h em o s te f f e c t i v ea e r a t i o np a t t e r n t h em a i nr e s u l t si nt h i sp a p e ra r el i s t e da sf o l l o w ： ( 1 )r e s e a r c h e sa b o u tt w o p h a s ef l o wc a nb e g i n 晰t hp a r a m e t e r s ，p a r t i c l ei m a g e v e l o c i m e t r yt e c h n i q u em e t h o dc a nb eu s e dt oc o m p l e t et h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n ( 2 ) f l u e n ts o f t w a r es i m u l a t e dt w o p h a s ef l o wv e l o c i t yf i e l da c c u r a t e l y t h er e s u l t s c o n s i s t e n tw i t he x p e r i m e n t ( 3 ) w i t ht h ec h a n g eo fd i a m e t e r so fc a p i l l a r yt u b e s b u b b l ev e l o c i t y , r a t i oo fa e r a t i o n t a n ke ta l ，b u b b l ev o l u m ea n dd i s t r i b u t i o no fg a sp h a s ec h a n g e ds i m u l t a n e o u s l y ( 4 ) w h e nt h er a t i oo fa e r a t i o nt a n kh w = l ，d i a m e t e ro fc a p i l l a r yt u b e si ss m a l l e s t ，t h e b i g g e rt h eb u b b l ev e l o c i t y , t h et w o - p h a s eg a s - l i q u i dm i x i n gm o r es t r o n g ，t u r b u l e n t 1 1 1 西安理工大学硕士学位论文 i n t e n s i t yg e t t i n gb i g g e r , m o r ef u l l ym a k e sg a s - l i q u i dm a s st r a n s f e r , t h eh i g h e rt h e e f f i c i e n c yo fs e w a g ed i s p o s a lw ec a ng e t k e y w o r d s ：b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r ；g a s l i q u i dt w op h a s ef l o w ；e x p e r i m e n tr e s e a r c h ； i v n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：。本人所呈交的学位论文是我 个入在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。： 本论文及其相关资料若有不实之处：由本人承担一切相关责任 论文作者签名：苤蔓鲞缝刀易年月珥日 学位论文使用授权声明 本人弛搬在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩， 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，+ 即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，、可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。4 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。、 ( 保密的学位论文在解密后，、适用本授权说明) 论文作者签名：一必 导师签名：_ 垂丛 。鬈年；月一 砂7 日 1 j 1 绪论 1 绪论 一 1 1 研究背景 1 1 1 水资源及水环境现状 水，作为人类所需的不可替代的一种资源，是社会持续发展的重要支柱之一。近百年 来城市化、工业化和农业集约化的高速发展、人口爆炸性的增长，给全球资源、环境都带 来了巨大的压力。人类自身发展不仅消耗巨量水资源，而且还向环境中排放大量的污染物， 造成水环境的明显恶化，使全球可利用的淡水资源日益减少，供需矛盾加剧，而全球气候 变化又使水资源利用产生一系列新问题。 1 9 7 3 年3 月，联合国召开的水资源会议就庄严地宣告：“水不久将成为一个深刻的社 会危机，世界上的石油危机之后的下一个危机就是水的危机。现在这个危机已经来到， 水资源的管理、水污染的防治，水的回用及其对经济、社会发展影响的分析已成为我国政 府部门、社会各界关注的热点【1 2 。 根据2 0 0 6 年中国水资源公报【3 】，当年全国水资源总量为2 5 3 3 0 亿n 1 3 ，比常年值偏少 8 6 。地下水与地表水的不重复量9 7 2 亿m 3 ，占地下水资源量的1 2 7 。我国6 0 0 多个 城市中，4 0 0 多个城市存在供水不足问题1 4 5 】，全国总缺水量为6 0 亿m 3 。进入2 1 世纪， 我国的水资源矛盾进一步加剧，据预测，2 0 3 0 年中国人口将达到1 6 亿，届时人均水资源 只有1 7 5 0m 3 。 造成世界水资源危机的另一个因素是水质下降，其主要原因是工业废水和生活污水的 排放【6 1 。全世界年排放污水约4 2 6 0 x 1 0 8 吨，造成5 5 x 1 0 1 3 m 3 水体的污染，约4 0 流量受 到污染，1 0 的河流缺氧3 0 以上，有一半以上的河流大肠菌含量较高。 中国2 0 0 6 年环境公报【7 】显示，全国地表水总体水质属中度污染。在国家环境监测 网实际监测的7 4 5 个地表水监测断面中( 其中，河流断面5 9 3 个，湖库点位1 5 2 个) ，i i 类，、v 类，劣v 类水质的断面比例分别为4 0 、3 2 和2 8 。国控网七大水系的1 9 7 条河流4 0 8 个监测断面中，i - - i i i 类，、v 类和劣v 类水质的断面比例分别为4 6 、2 8 和2 6 。其中，珠江、长江水质良好，松花江、黄河、淮河为中度污染，辽河、海河为重 度污染。主要污染指标为高锰酸盐指数、石油类和氨氮。2 7 个国控重点湖( 库) 中，满 足i i 类水质的湖( 库) 2 个( 占7 ) ，i i i 类水质的湖( 库) 6 个( 占2 2 ) ，类水质的湖 ( 库) 1 个( 占4 ) ，v 类水质的湖( 库) 5 个( 占1 9 ) ，劣v 类水质的湖( 库) 1 3 个 ( 占4 8 ) 。其中，太湖湖体高锰酸盐指数、总磷年均值分别达n i i i 类、类水质标准， 但因总氮污染严重，湖体水质为劣v 类，处于中度富营养状。在2 1 个国控监测点位中，无 i 类水质，v 类和劣v 类水质点位分别占1 4 和8 6 。主要污染指标为总氮；滇池湖 体总体为劣v 类水质。主要污染指标为总磷、总氮和氨氮。草海处于重度富营养状态，外 海处于中度富营养状态；巢湖湖体水质总体为v 类。主要污染指标为总氮、总磷。 西安理工走擘硕士学住论文 幽1 i2 0 0 6 年地表水断面水质类别比例 f i g u r e l 1 ：r a t i oo f s u r f a c e w a t e rq u a l i t y i n2 0 0 6 为了解决水危机，世界各国根据自己的国情采取了相应的措施，其中开源节流是必选 的途径，而污水处理和回用是其中的重要内容，它既开辟了新的水源，又减少了对水环境 的污染和水生态环境的破坏，是解决水危机的重要战略举措。 1 1 2 污水回用现状 长期以来，人们把“废水”一向总是与“污垢的”、“肮脏的”词语相联系，无论处理 得怎样好，也只能排放不能再用。通过国内外科技人员的技术攻关和工程实践，证明上述 观点是错误的。水在自然界中是惟一不可替代，也是惟一可以重复利用的资源i 。人类使 用过的水，污染物只占0 1 左右，比海水的3 5 少得多，其余大部分是可再用的清水。 废水经过适当再生处理，可以重复利用，实现水在自然界中的良性循环。另方面，废水 就近可得，易于收集，再生技术基本成熟，一般情况下污水回用工程比兴建天然取水工程， 特别是长距离引水工程要节省投资并能相当程度的降低运行费用。 污水l 日用在国外已实旋很久，回用规模很大，显示出明显的经济效益。 美国是世界上采用污水利用最早的国家之一，2 0 世纪7 0 年代初开始大规模污水处理 厂建设，1 9 7 9 年美国有3 5 7 个城市回用污水，有污水回用点5 3 6 项，涉及城市回用、农 业回用、娱乐回用、环境回用、工业回用等方面。全国污水回用总量约为9 4 x1 0 3 d 其中灌溉用水占总水量的6 2 ，工业用水占总水量的3 15 ，5 用于地下回灌，1 5 用 于娱乐、渔业等。 日本因国土狭小，人口众多，水资源主要靠河流，流量具有时间变动性，其水资源严 重缺乏，除不得不实行定量供水外，只能用污水回用。日本从1 9 6 2 年就开始回用实践， 促进了当时的工业复兴。1 9 9 1 年有8 7 6 个公共污水处理厂在运行，其中有4 个处理厂的 中水得到回用，其中工业用水占4 1 ，农业灌溉占1 3 、环境用水占3 2 、非饮用水占 8 、季节性清雪占4 。 以色列是严重缺水国家，其农业灌溉技术高度发展，到1 9 8 7 年，全国有2 1 0 个市政 回用工程，1 0 0 生活污水和7 2 的城市污水回用，回用方式就有小型社区就地回用、丈 1 绪论 中城市的区级回用，可用于农业、工业和饮用水。全部污水的9 0 收集排放、8 0 经过处 理，有6 0 6 5 处理后的污水回用。 除日本、美国、以色n ； i - ，俄罗斯、西欧各国、印度、南非和纳米比亚的污水回用技 术也很普遍南非和纳米比亚等国甚至建起了饮用再生水制造工厂。 中国台湾地区的污水回用也有报道，台北市自2 0 世纪7 0 年代开始建回用设施，有四 座污水处理厂不同程度的将深度处理后的污水回用于工业生产和厂内用水。 我国对污水的回用可以追溯到2 0 世纪八十年代。为了解决城市水荒的加剧，我国“七 五 、“八五期间，污水处理都作为一个大课题列入攻关计划，并取得了初步成果，提出 了相应的污水资源化技术。 建设部在“六五 专项科技计划中，最先列入了城市污水回用的课题，分别在青岛、 大连开点做试验探索。大连的工程小试于1 9 8 3 年通过了建设部的鉴定，认为是国内首次 提出有关城市污水回用的有用成果，填补了国内空白。青岛于1 9 8 4 年也顺利地完成了中 试研究。这两个成果表明，污水可以通过简易深度处理再次回用，是很有前途的水源，我 国污水回用完成了起步阶段工作； “七五”就污水再生工艺，不同回用对象的回用技术，回用的经济政策等进行了系统 的研究； “八五”提供的成果提高到实用水平，研究内容经过了生产性检验，涵盖了污水回用 的大部分领域； “九五”具体攻关内容包括两部分：回用技术集成化研究，即通过单项技术成果和 示范工程经筛选整理优化，提供系统的完整的集成化技术；城市污水地下回灌深度处理 技术研究。 从“七五 到“九五 这1 5 年间，以科技为先行，以示范工程为样板，把我国的污 水回用技术推到了国际水平上。但由于管理体制的限制，一些城市水资源规划中遗忘回用， 回用工程资金缺少，并且一些地方一些部门没有从传统观念上解脱出来，动辄长距离调水， 还没有把污水回用看作资源，因此可以说这期间全国没有形成回用大气候，回用工程较少， 没见多大实效。 2 0 0 0 年1 1 月国务院召开的全国城市供水节水与水污染防治工作会议提出：大力 提倡城市污水回用等非传统水资源的开发利用，并纳入水资源的统一管理和调配。随着城 市化进程的加快和经济的发展，水资源的缺乏已成为制约经济发展的“瓶颈 ，污水回用 策略越来越多的被应用于实际工程，国内许多污水处理厂都建立了污水回用处理设施。 目前我国已有几十个城市在建设污水回用工程，其规模之大，回用之广，在国外也不 多见，足以影响到城市环境和供水情况。 北京高碑店污水处理厂处理水资源化再利用工程是北京市目前最大的城市再生水回 用项目，现已建成投入运行。该工程近期实现3 0 x 1 0 4 m 3 d ，其中2 0 x 1 0 4 m 3 d 输送到高碑 店湖中，供第一热电厂冷却循环用水的补充水源；另1 0 x 1 0 4 m 3 d 经水源六厂深度处理后 3 西安理工大学硕士学位论文 用于市政杂用，主要作为水工业用水、园林绿化灌溉、环卫洒水降尘和公园水补给等。根 据北京市政府在( ( 2 0 0 8 年奥运会申办报告中的承诺，北京市2 0 0 8 年城市污水处理率达 到9 0 以上，污水回用率达到5 0 。污水回用包括绿化、河湖环境、市政杂用和农业灌 溉用水等。 天津纪庄子污水处理厂厂内回用工程规模5 x 1 0 4 m 3 d ，其中居住区的杂用水 2 x 1 0 4 m 3 d ，在未来5 年内天津市还将建成几个再生水厂，使再生水利用在该市形成具有 一定规模的新兴产业。 大连市春柳河污水处理厂规模1 1 0 4 m 3 m 的污水回用示范工程已运行1 0 年，效果良 好，新建的几个污水处理厂都有深度处理设施，大部分二级处理后的水回用。比如，马栏 河污水处理厂的4 1 0 4 m 3 d 回用于城市绿化、建筑施工、工业等行业。 工矿企业也大规模的提倡中水回用，特别是在电力系统，国内已建有上百座中水回用 工程，河北衡水电厂二期将建一座采用b a f 工艺的4 1 0 4 m 3 d 中水回用工程；广东梅县 电厂2 4 0 0 m 3 d 采用b a f 工艺从污水到中水回用工程，以及其它系统的中水回用等。 中国工程院在为国家编制“中国可持续发展水资源战略”中指出【1 0 j ，2 0 1 0 年和 2 0 3 0 年全国污水治理普及率分别达到5 0 和8 0 ，但城市污水对水环境的污染负荷并没 有明显减弱，这是因为，污水处理率虽然增加了，但污水排放量增加得更快，到2 0 1 0 年， 中国污水年排放量估计达到6 0 0 亿立方米。国内外水环境恢复与再生的实践经验证明，只 有污水的深度处理及回用，才能实现健康的水循环，必须推进污水深度处理和再生水的有 效利用。 1 1 3 曝气生物滤池技术开发背景 根据2 0 0 6 年环境公报公布的全国近年废水及主要污染物排放量结果，2 0 0 1 - 2 0 0 6 年 城市生活污水平均占废水排放总量的5 3 9 ，c o d 排放量占总排放的5 9 6 ，氨氮占 6 7 8 ，可以说生活污水已经成为水体污染的最大公害之一。城市生活污水的处理对改善 城市环境，实现经济可持续发展都具有十分重要的意义，已成为刻不容缓的任务。然而我 国现有建成的污水处理厂，基本上都是采用的传统污水处理工艺：活性污泥法及其变形工 艺、氧化沟工艺、s b r 工艺等。这些工艺普遍存在占地面积大、基建投资高、处理负荷 低、运行启动慢等不足之处，同时工艺处理效能低，能耗高，不满足低能的要求，污水处 理作为一种侧重于环境效益和社会效益的工程，在建设和实际运行过程中又常常受到资金 的限制，随着再生水越来越多的被应用到生活的各个方面，人们对处理后的水质要求会越 来越高，更高的污水排放水质标准和污水水源标准也会逐步出台，根据城市污水处理及 污染防治技术政策：2 0 1 0 年全国设市城市和建制镇的污水平均处理率不低于5 0 ，设市 城市的污水处理率不低于6 0 ，重点城市的污水处理率不低于7 0 。污水处理任务将非常 艰巨。在我国现阶段的国情下，在不影响经济建设的前提下，提高污水处理率，特别是提 高污水处理的效率，解决污水处理的关键问题在于污水处理工艺的选择。 当前各国都在寻找一种高效、多功能、节能、紧凑及易于运行管理的废水处理技术， 4 1 绪论 期望城镇和农村废水，经过简单的隔栅处理再经过此项高效工艺处理后就能达到外排或回 用水的标准。曝气生物滤池就是在此背景下开发出来的符合上述要求的一种新型污水处理 工艺。 1 2 研究的目的及意义 通过对曝气生物滤池曝气过程中气泡和液体的运动机理的系统研究，结合不同曝气方 式下实际的污水处理效果，确定最佳曝气方式。为曝气生物滤池根据我国的实际情况的研 究和改进提供理论指导，从而在我国推广b a f 的使用，在我国现阶段国情下，充分发挥 该处理工艺的优越性，有效解决我国污水处理中存在的处理回用率不高等问题，缓解城市 污水污染负荷，推进污水深度处理和再生水的利用，实现健康可持续的水循环。 1 3 本文的主要研究内容 论文的主要研究内容包括： ( 1 ) 用f l u e n t 商业软件分别模拟得出矩形装置和柱形装置中气液两相流速度矢量 场，对比以往的研究情况，根据已有的结论，确定出曝气生物滤池装置主体的形状。 ( 2 ) 建立曝气生物滤池( b a f ) 模型试验装置，以生物滤池内的气液两相流运动规律 为研究对象，包括不同纵横比、不同曝气孔径、不同气体流速下的两相流的运动情况，具 体分为高速数字数码( c c d ) 摄像机拍摄和数值模拟。选出曝气最优工况，为研究最佳的曝 气方式提供理论依据。 ( 3 ) 研究曝气生物滤池在实际应用中影响其效率的因素。针对所选用的污水水质， 采取相应的实验措施，如确定试验时间、试验周期、试验次数等。 ( 4 ) 将不同曝气方式应用到实际的生活污水处理中，在尽可能排除其他因素的情况 下研究曝气因素对处理效率的影响，从而验证数值模拟的结论。 西安理工大学硕士学位论文 2 曝气生物滤池及气液两相流研究现状 2 1 曝气生物滤池技术概述 2 1 1 曝气生物滤池的原理及发展应用 曝气生物滤池( ( b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r , b a f ) ) 是在2 0 世纪8 0 年代末在欧美发展起来 的一种新型的污水处理技术，曝气生物滤池工艺的基本原理是利用颗粒状填料及其附着生 长的生物膜通过生物代谢作用、物理过滤作用、膜及膜和填料的物理吸咐作用以及反应器 内食物多级捕食作用，实现污染物在同一单元反应器内去耐l l 】。节能、高效的曝气方式 是曝气生物滤池工艺的关键。世界上首座曝气生物滤池于1 9 8 1 年在法国投产【1 2 以9 1 ，并在 欧洲各国得到广泛的应用，美国、加拿大等国家在8 0 年代末引进此工艺，日本、韩国和中 国台湾也先后引进了此工艺。此后b a f 的应用得到进一步发展，被称为第三代生物膜法。 污水在垂直方向上通过滤料层，粗糙多孔的滤料层具有很大的比表面积，它具有优良的过 滤作用，因此被称作滤池。滤料表面生长有生物膜，池底提供曝气。它的优点是：占地面 积小、出水水质高等。b a f 集生物膜的强氧化降解能力和滤层的截留效能于一体，与活 性污泥法相比，具有以下特点：具有更高的生物浓度和更高的有机负荷；占地面积小，可 省去二沉池，进而降低基建费用；可以做成半封闭或全封闭构筑物，受气温影响小；菌群 结构合理，沿水流方向形成了不同的优势生物种群，具有较长的食物链；除碳、硝化反 硝化能在同一个池子中发生；b a f 滤池耐冲击能力强，对有机负荷、水力负荷、温度的 变化不像活性污泥法那样敏感，也不会有污泥膨胀发生。 目前世界上较大的环保公司如法国得利满公司、德国菲力普穆勒公司、法国o t v 公司均把它作为拳头产品在全世界推广。 国内虽然也有采用b a f 的污水处理设备，主要是借鉴国外现成的工艺过程。大连马拦 河污水处理厂是我国第一个应用b a f 的污水处理厂【2 0 1 ，采用德国的菲立普穆勒公司的 b i o f o r i 艺，采用二级b i o f o r 处理生活污水。2 0 0 1 年7 月正式投产运行，处理水量1 2 x 1 0 4 m 3 d ，其中4 1 0 4m 3 d 污水用于回用，服务人口3 5 万。 我国一部分工业废水的处理也采用了此项技术，辽河油田机械修造公司隶属于辽河石 油勘探局，该公司是以机械加工制造为主的单位，污水处理项目上马前，公司污水分三个 排放口直接排入辽河支流，污染严重，环境纠纷不断。污水工程采用曝气生物滤池工艺于 1 9 9 9 年投运，运行以来，出水c o d c r 平均保持在6 0 m g l 下，远低于国家污水综合排放标 准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 中的一级标准。 近1 0 年来，我国城郊“菜篮子工程 飞速发展。集约化、规模化的畜禽养殖业迅速崛 起相应的带来粪水的处理问题。曝气生物滤池工艺以其占地面积小，处理效果稳定等优点 6 2 曝气生物滤池及气液两相流研究现状 又被广泛的应用在上海等地的市郊的水环境治理中。 此外，曝气生物滤池工艺还被广泛的应用于电厂污水处理、啤酒废水处理等工程中。 表2 - 1 我国b a f 应用部分实例 t a b l e2 1 ：ap a r to fb a fa p p l i c a t i o ni nc h i n a 项目名称处理规模( m 3 d )废水种类b a f 类型 大连马拦河污水处理厂 1 2 x 1 0 4 城市废水升流式 b i o f o r 中国乐凯胶片集团 2 4 0 0 中水回用升流式 辽河油田机械修造公司 9 0 0生活污水 升流式 青岛发电厂6 0 0电厂水处理升流式 昆明啤酒厂 1 0 0 0 啤酒废水升流式 上海东方种畜养猪场3 6 0粪便废水升流式 北京丰台桥梁厂 5 0 0 生活污水+ 含油废水降流式 2 1 2 曝气生物滤池的基本形式 常见的曝气生物滤池有b i o c a r b o n 、b i o s t y r 、b i o f o r 等几种形式，如图2 1 。 进水 曝气 反冲气 a b l o c a r b o n 滤池 ( a ) b i o c a r b o n 水 ( b ) b i o s t y r ( c ) b i o f o r 图2 1 常见曝气生物滤池工艺形式 f i g u r e2 - l ：t y p e so fc o m m o nb i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r 出水 出水 7 西安理工大学硕士学位论文 b i o c a r b o n 反应池示意图如图2 1 ( a ) ，b i o c a r b o n 采用下向流，污水从反应池上 部流入，在靠近滤池底部( 一般距底部2 0 - - - 4 0 c m ) 进行曝气，滤池上部主要起生物降解 的作用，下部主要起截留s s 和脱落生物膜的作用。在滤池内部，由于生物膜内存在兼氧、 厌氧的环境，在进行硝化的同时可实现部分的反硝化。随着滤池运行，水头损失会越来越 大，当达到设计值时，需要进行反冲洗。反冲洗一般采用气水联合反冲洗，底部设反冲洗 气、水装置。 j b b i o s t y r 滤池 b i o s t y r 滤池的示意图如图2 1 ( b ) 。它与b i o f o r 的一个区别在于采用不同密度的滤 料，b i o s t y r 采用密度小于水的滤料，一般为聚苯乙烯小球。运行采用上向流，在滤池 的项部设格网或滤板以阻止滤料流出，正常运行时滤料呈压实状态，反冲洗时采用气水联 合反冲洗，反冲洗采用下向流以冲散被压实的滤料小球，反冲出水从滤池底部流出，与 b i o f o r 相比，其无需反冲洗泵。另外，b i o s t y r 与b i o f o r 最主要的区别是b i o s t y r 滤池将曝气管设于滤床中，人为地将滤床分为缺氧和好氧区，并设有回流泵将出水回流至 进水端。曝气位置的不同可以控制硝化和反硝化反应进行的程度，也可以单独进行硝化反 应，具有硝化和反硝化功能的b i o s t y r 生物滤池，其曝气管位于滤床中的经过计算的位 置，将滤床分为厌氧区和好氧区，对有机物、固体悬浮物、氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮 等有很好的去除作用。 c b i o f o r 滤池 ， b i o f o r 滤池的示意图如图2 1 ( c ) ，底部为气水混合室，之上为长柄滤头、曝气管、 垫层、滤料。一般采用上向流，所用滤料密度大于水，自然堆积淹没在水中。一般采用上 向流，污水从底部进入气水混合室，经长柄滤头配水后，通过垫层进入滤层，在此进行 c o d 、b o d 、氨氮、s s 的去除。由于气水同向，截留在底部的s s 可在气泡上升的过程中 被带入滤池的中上部，从而增大了滤池的纳污能力，减少了反冲洗频率。 2 1 3 曝气生物滤池研究现状 曝气生物滤池在国外已经有了近2 0 年的发展和应用，但我国在这方面还研究的很少 对曝气生物滤池的研究还仅限于实验室，曝气生物滤池对有机物的去除效率受各种因素的 影响，如进水水质、水温、p h 值、溶解氧、水力负荷、水力停留时间等，曝气方式、滤 料类型、结构特点和滤料比表面积等都对污水的处理效果产生影响。南京大学污染控制与 资源化研究国家重点实验室【2 1 1 、清华大学环境科学与工程系【捌、同济大学环境科学与工 程学院【2 3 】、哈尔滨工业大学市政环境工程学院2 4 1 、东南大学环境工程系【2 5 1 等国内许多大 专院校和科研单位在水温、p h 值和碱度、生物池水位、滤料材料、汽水比、进出水水质、 水力负荷、水力停留时间等方面取得了不同程度的研究成果。但是由于技术条件的限制都 8 2 曝气生物滤池及气液两相流研究现状 未能全面阐述与气液两相流运动有关的溶解氧的分布规律，缺乏对曝气过程中气泡和液体 的运动机理、氧传质机理、滤料厚度对生物膜形成的影响等问题的系统研究。因此可以吸 收国外b a f 运行的实际经验，根据我国的实际情况作一定的研究和改进，在我国推广b a f 的使用。特别是b a f 工艺过程的联合使用及气液两相流的研究在国外的研究也比较少。 应该加强这些方面的研究，来经济有效地解决我国污水处理领域的实际问题和提高污水处 理效率。特别是在资金短缺的中小城镇兴建和改造污水处理厂，b a f 是一个很好的选择。 2 2 气液两相流研究综述 2 2 1 两相流定义及实例 相【2 6 7 1 是具有相同成分和相同物理化学性质的均匀物质部分，也可以说是物质的单 一状态i 如：固态、液态和气态等。在两相流的研究中往往将其称为固相、液相和气相。 一般说来各相需有明显的可分界面，两相流动是指两种相同时存在的流动。由于其中两相 是不同的化学物质和不同的状态，两相流可具体的分为以下几种模式1 2 8 3 0 】： ( 1 ) 气液或液液两相流，包括： 气泡流动：连续流体中的气泡或者液泡。如抽吸，通风，空气泵，气穴，蒸发，浮 选，洗刷； 液滴流动：连续气体中的离散流体液滴。如抽吸，喷雾，燃烧室，低温泵，干燥机， 蒸发，气冷，刷洗； 活塞流动：在连续流体中的大的气泡。如管道或容器内有大尺度气泡的流动； 分层自由面流动：由明显的分界面隔开的非混合流体流动。如分离器中的晃动，核 反应装置中的沸腾和冷凝等。 ( 2 ) 气固两相流，包括： 充满粒子的流动：连续气体流动中有离散的固体粒子。如旋风分离器，空气分类器， 洗尘器，环境尘埃流动； 气动输运：流动模式依赖诸如固体载荷、雷诺数和粒子属性等因素。最典型的模式 有沙子的流动，泥浆流，填充床，以及各向同性流。 流化床：由一个盛有粒子的竖直圆筒构成，气体从一个分散器导入筒内。从床底不 断充入的气体使得颗粒得以悬浮。改变气体的流量，就会有气泡不断的出现并穿过整个容 器，从而使得颗粒在床内得到充分混合。 ( 3 ) 液固两相流，包括： 泥浆流：流体中的颗粒输运。液固两相流的基本特征不同于液体中固体颗粒的流 动。在泥浆流中，s t o k e s 数通常小于1 。当s t o k e s 数大于l 时，流动成为流化( f l u i d i z a t i o n ) 了的液固流动。 水力运输：在连续流体中密布着固体颗粒； 9 西安理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 沉降运动：在有一定高度的成有液体的容器内，初始时刻均匀散布着颗粒物质。 随后，流体将会分层，在容器底部因为颗粒的不断沉降并堆积形成了淤积层，在顶部出现 了澄清层，里面没有颗粒物质，在中间则是沉降层，那里的粒子仍然在沉降。在澄清层和 沉降层中间，是一个清晰可辨的交界面。 普通两相流的例子很多【3 ，如发生在自然界的雾、雨、云、雪、流水、流砂、尘暴 以及泥浆等。日常生活中的实例同样很丰富，煮咖啡壶中的水先煮沸后形成气泡，然后交 替地有液团或成蒸汽团流，经中心管而上升，热水渗过咖啡渣最后滴流到壶中；将啤酒从 瓶中倒出时，泡沫气团与酒液共存，在玻璃杯面上形成泡沫；厨房里煮稀饭、沏茶等都会 伴随着多相流动现象发生。人们在进食时，唾液伴随着食物进入胃腔，这也是常见的多相 流现象。 在工业生产中，多相流现象就更加普遍了，在能源工程中，固体和液体燃料在锅炉内 的流动和燃烧过程，煤粉与水泥浆的制备与管道输送，蒸汽发生器内气液两相流动及传热， 燃气轮机燃烧室内的流动及燃烧，蒸汽轮机内湿蒸气的流动及凝结等；在化工生产中，各 种反应、萃取、分离装置中都会遇到多相流动过程，如固定床、气流床及流化床反应器、 填料塔等；在冶金工业中，各种转炉及高炉中的氧气、空气、煤粉的喷送；在采矿工业中， 煤炭的洗选、矿石的预加工、矿石的粉碎、矿粉的输送；在石油工业中，原油伴随着水、 气、泥沙的流动都是典型的多相流动过程；在建材工业中，水泥窑、玻璃窑、陶瓷隧道窑 中都离不开多相流的处理工艺；在环境工程中，各种除尘装置的结构都与多相流的特性密 切相关，另外还有烟气脱硫、脱硝装置内的多相反应、烟囱污染物的排放与扩散等。 常见的两相流模式如图2 2 所示。 1 0 2 曝气生枷滤池厦气漶两相流研究现状 图2 - 2 常见两相流模式 f i gl _ 口e 2 - 2 ：m o d e s o f l w 俨p h a s e f l o w 2 2 2 两相流及气液两相流研究进展 早在1 8 7 7 年，b o l l s s i n e s q 3 2 1 就比较系统研究过明渠水流中泥沙的沉降和输运。1 9 0 1 年，m a l l o c k l 3 ”研究过声波在泡沫介质中传播时的强度和衰减。2 0 世纪4 0 年代，人们开 始用比较统一的观点系统的研究分析多相流动现象，两相流开始出现在文献中。两相流 ( t w o - p h a s ef l o w ) 这一术语在2 0 世纪3 0 年代首先出现于美国的一些研究生论文中。1 9 4 3 年，苏联首先将这一术语应用于正式出版的学术刊物上。五十年代以后论文数量显著增加， 内容包括流型研究、流动沸腾烧蚀、两项及多相边界层、流动阻力及压降、截面古气率和 截面含液率、空化理论、流态化技术、激波在多相混合介质中传播、喷管流动等。1 9 4 9 西安理工大学硕士学位论文 年，l o c k h a r trw 不仅对双组分气液两相流的流动阻力进行了研究，而且还将工作深入到 具有热交换的单组分气液两相流领域。1 9 6 1 年，s t r e e t e r 主编的流体动力学手册有一章专 门介绍两相流。六十年代后人们开始注意探索描述两相流动运动规律的基本方程。早期的 工作有m a r b l e ( 1 9 6 3 ) 1 3 4 ，m u r r a y ( 1 9 6 5 ) 3 5 】，p a n t o n ( 1 9 6 8 ) 3 6 1 等。有关两相流的专著也在 六十年代以后陆续出版，如h ( 1 9 6 5 ) 3 7 j ，s o o ( 1 9 6 7 ) 3 8 】，w a l l i s ( 1 9 6 9 ) 3 9 】，i s h i i ( 1 9 7 5 ) f 删，p a i ( 1 9 7 7 11 4 1 等。r u d i n g e r 4 2 】于1 9 7 6 年以“气体颗粒流基础”为题在比利时的v o n k a r m a n 流体力学实验室作了专题系列讲座，并于1 9 8 0 年整理成书出版。国际多相流杂志 ( i n t j m u l t i p h a s ef l o w ) 也于1 9 7 4 年在英国创刊，1 9 8 2 年出版了多相流手册，1 9 9 3 年出版 了中译本，这对各国学者研究气液两相流创造了良好的条件。至此，两相流作为独立的一 门学科分支己经逐渐形成。 两相流体模型在1 9 6 7 年为苏绍李( s l s o o ) 提出，近年来其应用范围大为扩展不仅 在气固两相流中得到成功应用( 如用于气固分离器、旋风筒煤粉燃烧等) ，在气液或液液两 相流中也得到了应用。如用于管内气液两相流动，液态金属两相流动，气液两相绕柱流动 时的两相旋涡脱落研究以及用于油水旋风分离器等。 随着近代工业的发展，两相流迅速地发展成一个学科分支。无论在能源、动力、石油、 化工、制冷、冶金等工业部门中，还是在核能、航天、火箭、材料等技术领域中，两相流 理论都得到了广泛的应用。作为两相流中重要的一个分支，气液两相流也被广泛的应用在 实际工程中。在1 9 0 7 年，气液两相流就被用来减少波浪对港口建筑物的破坏作用。此后， 在河口用气泡幕防止盐水入侵、控制水库和湖泊的分层结构以改善水质；加速反映装置中 的物质混合、热交换及化学反应过程、防止水路和港口结冰、为水生生物增氧、在船舶底 部适度产生气泡减少阻力提高速度、减少能耗等。 在1 9 世纪末和2 0 世纪初，已有一些论文论述了气液两相流体流动时发生的脉动