（环境工程专业论文）射流曝气amon一体化工艺处理小城镇污水的应用研究.pdf

摘要 摘要 在我国小城镇发展过程中，环境问题同益突出，不但影响后续的经济发展， 而且直接威胁到当地生态和人居环境。因此研究适合我国小城镇污水处理的工 艺和设备是当前亟待解决的问题。 本文采用射流曝气a m o n 一体化工艺，对某水质净化厂曝气沉砂池出水进 行处理研究，并结合c f d 数值模拟技术对该一体化工艺进行机理分析。 借助大型计算流体力学软件f l u e n t ，采用标准k - e 双方程湍流模型与 多相流模型，对射流曝气器进行了数值模拟，计算结果得到射流曝气器的基本 性胄皂方程：h 一一0 1 5 5 6 q + 0 4 9 0 3 。 对a m o n 一体化反应器反应区进行内部流场模拟，结果表明射流曝气器的 工作水深和布水器对流场有显著影响，调节不同水深高度与布水器角度能获得 工艺所期望的流场状态。 通过正交试验分析得出，影响射流曝气器充氧性能的主次顺序为：射流水 量q 射流器工作水深h 尾管布水器角度a 。确定最优工作方案为：q = 1 1 m 3 m 、h = 3m 、a = 4 5 度。 在考察射流器的工作水深对一体化反应器处理实际污水影响的试验中，射 流曝气器能够实现溶解氧的分区要求，减小射流器工作水深能增加缺氧厌氧段 的容积，同时提高好氧区的溶解氧浓度。 a m o n 一体化反应器对实际城镇污水中有机物有较好的去除效果，在适宜的 温度条件下，出水c o d c ，浓度基本能小于6 0m g l 。在射流曝气器工作水深2m 时，平均去除率为7 8 0 。 一体化反应器有一定的脱氮能力，需要进一步优化设计。一体化设计能有 效地进行反硝化过程，射流曝气器工作水深对生物脱氮有较明显的影响，减小 射流器工作水深有利于脱氮效果。在射流曝气器工作水深2r t l 时，总氮平均去 除率达到4 6 7 。 通过试验研究证明，a m o n 一体化工艺能有效地处理小城镇污水，具有广阔 的应用前景。 摘要 关键词：城镇污水，一体化反应器，射流曝气器，a m o n 工艺，c f d n a b s t r a c t a b s t r a c t e n v i r o n m e n t a li s s u e sh a v eb e c o m e i n c r e a s i n g l yp r o m i n e n td u r i n gt h e u r b a n i z a t i o no fc h i n a ，n o to n l yb l o c k e dt h es u c c e e d i n ge c o n o m i ca d v a n c e ，b u ta l s o t h r e a t e n e dl o c a le n v i r o n m e n t i ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h et e c h n o l o g ya n d e q u i p m e n t s u i t i n gt h et o w n ss e w a g et r e a t m e n ti nc h i n a t h eo u t l e tf r o mt h ea e r a t e dg r i tc h a m b e ri nc e r t a i nw a s t e w a t e rt r e a t m e n t p l a n ti s s e l e c t e da st h et a r g e t t h ew a s t e w a t e ri st r e a t e db yt h ea m o ni n t e g r a t i v ep r o c e s s e q u i p p e dw i t hj e ta e r a t o ri nt h i sp a p e r c f dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt e c h n o l o g yi su s e d o na n a l y s i ss t u d yo ft h ei n t e g r a t i o np r o c e s s t h ej e ta e r a t o ri ss i m u l a t e db yf l u n e t u s i n gt h ek - et w oe q u a t i o n sm o d e la n d m u l t i p h a s em o d e l t h ej e ta e r a t o rb a s i cp e r f o r m a n c ee q u a t i o ni sc a l c u l a t e da sf o l l o w ： h = - 0 1 5 5 6 q + 0 4 9 0 3 t h er e a c t i o nz o n ef l o wd i s t r i b u t i o no fa m o n i n t e g r a t i v er e a c t o ri ss i m u l a t e d t h ef i x i n gh e i g h to ft h ea e r a t o ra n dt h ew a t e rd i s t r i b u t o rh a sa s i g n i f i c a n ti m p a c to n t h ef l o wd i s t r i b u t i o n a ne x p e c t e ds t a t eo ft h ef l o wf i e l dw i l lb eg o tb y r e g u l a t i n gt h e f i x i n gh e i g h to ft h ea e r a t o ra n dt h ea n g l eo fw a t e rd i s t r i b u t o r t h ei n f l u e n t i a lf a c t o r so ft h eq u a n t i t yo ft h el i q u i d ( q ) ，t h ef i x i n gh e i g h to ft h e a e r a t o r ( h ) a n dt h ea n g l eo ft h ew a t e r - d i s t r i b u t o r ( a ) o nt h ep e r f o r m a n c eo ft h e a e r a t o ra r ei n v e s t i g a t e d b yc o l l e c t i n ga n da n a l y z i n gt h er e s u l t so ft h e e x p e r i m e n t ，t h e o p t i m u mw o r k i n gp a r a m e t e r sa r eo b t a i n e da n dt h ep r i m a r ya n ds e c o n d a r yo r d e r w h i c hi nf l u e n c i e st h ep e r f o r m a n c eo ft h ea e r a t o ri sa sf o l l o w s ：q h a t h eo p t i m u m w o r k i n gc o n d i t i o ni sq = 1 1m 3 h 、h = 3m 、a = 4 5d e g r e e t h ei n f l u e n c eo ft h ea e r a t o rf i x i n gh e i g h to ni n t e g r a t i v er e a c t o ri si n s p e c t e d t h e v o l u m eo ft h ea n o x i a a n a e r o b i cz o n ei sr a i s e d b yd e c r e a s i n gt h ef i x i n gh e i g h t m e a n w h i l et h ec o n c e n t r a t i o no fd i s s o l v e do x y g e no fa e r o b i cz o n ei sa l s or a i s e d t h er e m o v a le f f i c i e n c yo fo r g a n i cm a t t e ri nw a s t ew a t e ri sh i g h i na p p r o p r i a t e t e m p e r a t u r ec o n d i t i o n s ，c o n c e n t r a t i o no fc o d c ri sl e s st h a n6 0m g lt h ea v e r a g e r e m o v a lr a t ew a s7 8 0 w h e nt h ef i x i n gh e i g h to fa e r a t o ri s2m i i i a b s t r a c t d e n i t r i f i c a t i o np r o c e s si se f f e c td u et oi n t e g r a t e dd e s i g n t h ea v e r a g er e m o v a l r a t eo ft o t a ln i t r o g e nw a s4 6 7 w h e nt h ef i x i n gh e i g h to fa e r a t o ri s2m a m o ni n t e g r a t i v ep r o c e s si sp r o v e ne f f e c t i v eo nt o w n ss e w a g et r e a t m e n t t h e i n t e g r a t i v ep r o c e s sh a sb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t s k e yw o r d s ：t o w ns e w a g e ，i n t e g r a t e dr e a c t o r , j e ta e r a t o r , a m o np r o c e s s ，c f d i v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 珂棘 川罗年；月珥日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 箩i ) 醇琢 岬年；月we t 第1 章引言 第1 章引言 1 1 我国小城镇水污染问题 发展小城镇是我国城市化过程的必由之路，是具有中国特色的城市化道路 的战略性选择。社会学家费孝通先生在1 9 8 4 年曾将其理论化为“小城镇大问 题”，指出了小城镇在社会发展中的重要性和独特性1 。随着我国农村城镇化进 程的不断深入，目前我国小城镇建设己步入一个活力蓬勃的发展新时期，正不 断创造着巨大的经济和社会效益。但在发展过程中水污染问题日益凸显，且有 愈演愈烈之势，可以说，解决小城镇水污染问题已刻不容缓。 1 1 1 我国小城镇水污染现状 至1 9 9 9 年5 月，全国共有建制镇1 9 2 1 6 个，有近6 0 0 0 个小城镇的人口超 过2 万，全国平均每个小城镇镇区人口为1 6 3 万人，县级城镇人口的基本规模 为1 0 万人；2 0 0 3 年底，全国小城镇己达到4 2 6 2 0 个，其中建制镇2 0 2 2 6 个，集 镇2 2 3 9 4 个；预计到2 0 1 0 年，全国建制镇约2 5 0 0 0 3 0 0 0 0 个，全国城镇人口达 6 8 亿左右，城市化水平约为4 5 ，其中小城镇人口所占比例达6 5 左右。从发 展眼光看，今后我国的大部分人口将生活在中小城镇。 陈长太等将我国目前小城镇水污染状况总结为局部相当突出、类型十分复 杂、潜在危险很大2 。局部相当突出是指一些环境容量小、人口密度高、工业相 对集中的小城镇水污染问题不亚于大中城市或工业区；类型十分复杂是指小城 镇不同经济结构产生不同程度和种类的水污染问题；潜在危险很大是指小城镇 水污染问题深入农村，发展迅速，不易控制。一般而言，我国小城镇水污染问 题主要体现在4 个方面： ( 1 ) 生活污水排放量增加 随着我国改革的不断深入，人民群众生活水平的不断提高和城镇化进程的 迅猛发展，城镇居民生产、生活有机污水的排放量也在逐年增加。据国家统计 局2 0 0 7 年环境统计数据，我国当年生活污水排放总量为3 1 0 2 亿吨3 。同样据国 第1 章引言 家统计局2 0 0 0 年水利统计公报，当年农村每人每天生活用水量为城市每人每天 生活用水量的3 9 2 1 ，小城镇生活污水排放量已占当年全国生活污水排放总量 的4 2 6 1 ，规模已相当大。然而由于当地的经济状况、环保意识、人群素质等 原因，再加上基础设施不完善，污水处理设施的建造远远滞后于新增的污水量， 9 5 左右的居民生活污水和粪便废水未经处理就直接排入受纳水体，对当地水源 和周围环境造成严重污染。 ( 2 ) 乡镇企业废水污染严重 小城镇乡镇企业发展星罗密布，由于这些企业生产技术落后、设备陈旧、 无工业用水定额、工业废水的排放量大量增加，使得乡镇企业废水对小城镇污 水的排放量和污染总量影响颇为重要。据1 9 9 7 年由国家环保总局、农业部、财 政部和国家统计局联合公布的全国乡镇企业污染源调查公报显示，1 9 9 5 年 全国乡镇企业废水排放量为5 9 1 亿吨，占当年全国工业废水排放总量的2 1 ： 废水中c o d 排放量为6 1 1 3 万吨，占当年全国c o d 排放总量的4 4 3 。但由于 这些小企业环保意识淡薄、技术力量薄弱、资金短缺等原因，导致大部分小城 镇废水未达标准就排放，给水环境保护带来极大威胁。 ( 3 ) 小城镇水域富营养化威胁严重 城乡居民生活水平的提高，刺激着小城镇畜禽养殖业的发展。但几乎所有 的畜禽养殖场都没有投资建造畜禽粪便及废水处理设施，导致大量含高浓度氮 磷的禽畜排泄物未经处理就直接排入水体，污染了小城镇的水环境，加剧了水 体的富营养化。同时由于洗涤剂用量增大和农用化肥大量流失，也使得小城镇 污水中氮磷浓度增高。有关农村面源污染邻近河流湖泊引起富营养化问题的新 闻报道屡见不鲜。从国家环保总局2 0 0 5 年6 月发布的地表水水质报告中显示， 我国七大水系1 9 4 条河流均有不同程度富营养化，2 9 个重点湖库的主要污染指 标都是总氮和总磷，同时在接受监测的8 个大型淡水湖泊的主要污染指标中也 包括总氮和总磷。所以说，小城镇污水已成为邻近水域富营养化的一个重要污 染源。 ( 4 ) 小城镇污水处理率低 我国现在城市污水处理率在4 6 左右，主要指的是6 6 1 个大中小城市，而 县城的污水处理率也就在1 1 左右，到乡镇一级不超过1 。但是，县、镇、村 的水量占全国总排水量的5 0 ，其污水处理问题却长期被忽略，造成严重的环 2l 第1 章引言 境污染。由于我国的中小城镇普遍存在城区规模小，收集设施不完善，生活污 水排放量小，工业废水排放分散的特点，小城镇基本上没有污水集中处理设施； 近郊或乡村新开发的居民小区、旅游风景点、度假村等分散的人群聚居地，排 放的污水基本上也没有处理。近几年我国城市化进程加快，尤其是中小城镇的 迅速崛起，污水排放量大面广。由于相应的污水处理设施跟不上发展的需要， 致使大量污水未得到有效处理就直接排入水体。 1 1 2 小城镇污水主要特点 一般小城镇废水主要由居民生活污水和乡镇企业排放污水组成，污染物质 主要有s s 、c o d 、b o d 、总氮、总磷、动植物油和大肠菌群。污水水质和水量 因地区生活习惯、经济发展水平及设施完善程度的不同而存在一定差异。就一 般水平而言，一般b o d 为1 0 0 - 1 5 0m g l ，c o d 为2 5 0 3 0 0m g l ，s s 为2 0 0m g l 左右。小城镇污水具有以下特点： ( 1 ) 水量与水质不均匀 小城镇污水主要是生活污水和乡镇企业废水的混合污水，水量一般小于城 市污水量，但水质水量具有更强的波动性4 。主要原因是：小城镇入口相对较少， 所以生活污水量变化系数较大；大多小城镇采用合流制排水系统，或者采用明 渠排水，雨季大量雨水流入，季节性水量变化大：经济发展种类和规模影响进 入排水系统的废水水量，特别受一些季节性经济( 譬如旅游业、季节性原材料加 工业等) 影响，年废水排放量变化很大。 ( 2 ) 污水水质成分复杂 小城镇污水收集系统一般比较简陋，污水排放点到处理构筑物距离相对较 短，污水在收集、运输过程中，在管道内停留时间较短，使污水中含有许多没 有水解转化的大分子有机物和大量的无机物。同时，乡镇企业废水的混入使污 水中可能含有一定比重和种类的工业废水，特别是难降解的有机物和有毒物质。 再者，不健全的排水系统或明渠排水使得雨水流入和地下水渗入，定程度上 降低了污水中的有机物浓度。 3 第1 章引言 1 2 小城镇污水处理工艺 选择适合我国小城镇污水处理的工艺，首先应该从技术、经济方面综合比 较目前各种应用较为成熟的工艺，同时要考虑工艺能具有一级处理至二级处理 再到污水再生利用深度处理的能力，为今后发展做准备。然后在这些工艺的基 础上针对小城镇的特点进行必要的改进，达到预期效果。 1 2 1 小城镇污水处理工艺应满足的条件 污水处理工艺选择是依据进水水质、水量状况及受纳水体环境容量或者排 放标准，确定应该去除污染物的项目与数量，从而选择合适的污水处理工艺。 一般说来小城镇污水处理工艺应满足以下条件5 ： ( 1 ) 处理工艺应具有较强的适应冲击负荷的能力，去除效率高。 ( 2 ) 处理工艺简便易行、运行稳定、维护管理方便，利用当地技术和管理力 量能正常运行。 ( 3 ) 处理工艺应具有能方便改变处理流程的能力。 ( 4 ) 基建投资和运行费用低、节省能耗，基本上不投加药剂或投加药剂量很 少。 ( 5 ) 污泥产量少。 1 2 2 常规小城镇污水处理工艺 在进行污水处理工艺选择时，应结合小城镇污水的水质水量特点，充分考 虑小城镇的发展趋势，合理确定处理出水所需达到的排放标准。下面针对小城 镇污水处理特点，就几种比较适合于小城镇的常规处理工艺进行分析对比。 1 2 2 1 氧化沟工艺 氧化沟工艺始于5 0 年代初期，其处理流程简单，操作管理方便；出水水质 良好，运行可靠性和稳定性高；能承受水量、水质的冲击负荷。此工艺具有一 定的除磷脱氮能力，可缓解水体富营养化的进程。由于可取消初次沉淀池和污 泥消化池，整个处理单元比常规活性污泥法少5 0 以上，二者基建费用明显低 4 第1 章引言 于常规活性污泥法，这对资金缺乏的小城镇建设污水处理厂很有吸引力。但其 曝气转刷( 或表面曝气器) 等机械部件需定期维修，检修工作量较大；而且采用延 时曝气对污泥进行好氧稳定，其能耗比中、高负荷活性污泥工艺要高4 0 5 0 6 。 因此，对于我国这样一个资源不足、人口众多的发展中国家，是否适合在小城 镇推广这种低负荷的活性污泥工艺是值得考虑的问题。 1 2 2 2 $ b r 工艺 s b r 工艺简单；布置紧凑、占地面积省：操作维修方便；抗冲击负荷能力 强；污泥沉降性能好，污泥处理系统简单；出水水质好；可防止污泥膨胀。统 计结果表明，采用s b r 工艺处理小城镇污水，要比普通活性污泥法节省基建投 资3 0 以上。有研究表明，s b r 法在每一个运行周期之间以及同周期进水阶段 内出现急剧的水质水量变化甚至处理负荷猛增到正常负荷的两倍以上的情况 下，仍可获得良好的处理效果7 。但s b r 反应器设备的闲置率高，进水和排水的 阀门切换频繁，自动化程度较高，这对于技术力量和管理水平相对较弱的小城 镇来说，限制了该工艺的推广。 1 2 2 3 水解一好氧生物处理工艺 水解工艺是近年来国内应用较为广泛的污水预处理工艺，它通过控制反应 时间，将厌氧反应控制在水解酸化阶段，除了达到截留污水中悬浮物的目的外， 还可提高污水的可生化性，减少后续处理工艺反应时间和处理的能耗，并具有 污泥减量稳定的功能。由水解池取代初沉池，其对s s 、b o d 、c o d 的去除率显 著高于初沉池，水解池出水水质较稳定，并具有较好的抗有机负荷的能力。对 于经济实力尚薄弱的小城镇，可用水解池单独作为污水的初级处理系统，待有 条件时，再在其后增设后续处理工艺成为完整的城镇污水二级处理系统，具有 分期建设的优点。但水解池的布水均匀性和排泥问题也增加了设计和管理的复 杂性。 1 2 2 4 生物接触氧化工艺 生物接触氧化工艺单位容积的生物量大，处理能力高；不需污泥回流，节 省能耗；不产生污泥膨胀，耐冲击负荷能力强；设备较少，运行管理及维护简 单；产泥量少。但此工艺造价较高，而且布水、布气不易均匀，工艺构筑物在 构造上较复杂，增加了设计、施工的工作量和难度。 5 第1 章引言 1 2 2 5 生物滤池工艺 生物滤池节约能耗，运行管理方便；对污水水质、水量有较强的适应性； 污泥产量较低。但其处理负荷低，占地面积较大，造价较高；滤池容易堵塞， 且容易产生蚊蝇、臭气等环境问题。 1 2 2 6 生态处理工艺 小城镇附近如有合适的废地、荒地、废塘、洼地或沼泽地、滩涂等，在污 水处理上应因地制宜地将处理与利用相结合，利用生态系统，在污水处理的同 时实现污水的无害化和资源化。生态处理可选用生态塘处理系统和人工湿地处 理系统。 生态处理适合不同的处理规模，基建费用低廉，整个系统的基建费用只有 常规处理方法的1 2 1 3 ；出水水质稳定，出水可用于回灌农田、水产养殖或景 观水；材料来源广，就近可得。人工湿地的主要材料如碎石、砂砾、煤渣、土 壤等均可就近获得，氧化塘系统则不需要任何材料，动植物均为土著种类。生 态处理系统依地势而建，污水可自流，无需额外动力，因此运行费用只有常规 工艺的1 0 5 0 ；而且管理十分简单，维护容易，设计良好的小型污水生态处理 系统几乎不用管理与维护。但生态处理系统除污染负荷率低，因而占地面积庞 大。再者，气候条件对其处理效果有重要影响。 1 2 3 一体化污水处理工艺 一体化技术是将传统生物处理工艺的反应、沉淀和污泥回流集中于一个反 应器中完成，减少占地面积，提高反应器耐受水质和水量冲击的能力，并可根 据要求实现脱氮除磷。 根据污水在反应器中的时间和空间分布以及反应类型，一体化方法可以分 为三类： 第一类是按时间和多个空间将反应、沉淀和污泥回流等工序进行调配，最 终完成污水的处理。按时间进行调配的工艺类型有s b r 、循环式活性污泥法 c a s t 和u n i t a n k 等。按空间进行调配的工艺如三沟式氧化沟等。 第二类是指不作时间和空间的调配，通过反应器内空间的分区优化完成反 应、沉淀等过程的技术，如m s b r 、一体化氧化沟、o c o 、厌氧缺氧好氧体 化等。 6 第1 章引言 第三类是指各种化学、物理、生物等污水处理方法的组合，如生物化学一 体化、化学生物物理一体化。 一体化污水处理技术由于具有投资少、占地小、管理运行方便等特点，比 传统常规工艺更适合运用于小城镇污水的处理。 1 2 3 1 循环式活性污泥法c a s t 工艺 c a s t 方法( c y c l i c a c t i v a t e ds l u d g et e c h n o l o g y ) 是s b r 工艺的一种变型，与 传统s b r 法不同的是c a s t 工艺在反应器的进水处设置一生物选择器，它是一 容积较小的污水污泥接触区，进入反应器的污水和从主反应区内回流的活性污 泥在此相互混合接触。泥水混合液通过主反应区，依次经过缺氧好氧缺氧厌 氧环境，活性污泥在此过程中得到再生。 c a s t 方法的主要优点是工艺流程简单；当运行负荷一致时，周期循环运行 过程优于传统的处理方法；在流程上不仅具有s b r 工艺的特点，还具有推流式 的特点；工艺过程稳定；占地面积少；易分期建设和扩建。 1 2 3 2 一体化活性污泥法洲i t a n k 工艺 组成一体化活性污泥法又称交替生物池，是比利时史格斯清水公司开发的 专利，取名为u n i t a n k 。它是由三个矩形池组成，三个池水力相连通，每个池 中均设有供氧设备，可采用鼓风曝气或采用表面曝气，在外边两侧矩形池，设 有固定出水堰及剩余污泥排放口，该池既可作曝气池，又可作沉淀池，中间矩 形池只作曝气池。进入系统的污水，通过进水闸控制可分时序分别进入三个矩 形池中任意一个池8 。 1 2 3 3 一体化氧化沟工艺 一体化氧化沟又称合建式氧化沟，集曝气、沉淀、泥水分离和污泥回流功 能为一体，无需建造单独的二沉池。最早的一体化氧化沟是p a s v e e r 教授1 9 5 4 年在荷兰v o o r s c h o t e n 研制成功的，用来处理3 6 0 人口当量的污水，间歇运行， 曝气和沉淀是利用一沟完成的。规模型开发研究始于8 0 年代。这里所说的一体 化氧化沟是指曝气净化与固液分离操作同在一个构筑物中完成，污泥自动回流， 连续运行，设备和池容利用率为1 0 0 。其工艺的主要特点是9 ：工艺流程短，构 筑物和设备少，不设初沉池和单独的二沉池，污泥自动回流，处理效果稳定可 靠，硝化和脱氮作用明显，并有一定的除磷效果。产生的剩余污泥量少，性质 7 第1 章引言 稳定，污泥不需消化，易脱水。造价低，建造快，设备事故率低。固液分离效 率比一般二沉池高，池容小，能使整个系统在较大的流量和浓度范围内稳定运 行。 1 2 3 4 一体化0 c 0 工艺 o c o 工艺1 0 是基于厌氧、缺氧和好氧生化反应原理去除有机物和除磷脱氮 的，它独特的池型结构和设备配置使生化池内的缺氧区和好氧区既能相对分开， 又能巧妙地解决混合液内回流的矛盾，从而形成一种新型的污水处理工艺，目 前在欧洲得到广泛的应用。 一体化o c o 工艺将生物反应器与二次沉淀池合建，二次沉淀池底部的污泥 除少量作为剩余污泥排放外，其余自动返回缺氧和好氧混合区。在厌氧区放置 填料，即将生物膜法应用于厌氧区。这样节省项目占地和减少基建费用，省去 污泥回流泵和厌氧区搅拌器，利用生物膜法所具备的微生物种群多，数量大， 处理效能高的特点，又利用了活性污泥法流体运动阻力小，污泥与污水混合良 好等优点，使厌氧菌和好氧菌在缺氧区和好氧区之间不断循环以实现脱氮，并 最大限度地降低污水的b o d 。研究结果表明，这个工艺运行稳定，出水水质好， 在城市污水处理中有良好的应用前景。 1 2 3 5 厌氧一缺氧一好氧一体化工艺 厌氧缺氧好氧复合反应器1 1 为圆柱形塔，底部进水，项部出水，由下往上 依次为厌氧带、缺氧带和好氧带。厌氧部分充满了微生物颗粒，类似于上流式 厌氧污泥床反应器。厌氧带和缺氧带用特殊的物质隔离，中间充满了特殊的生 物膜，污水以较高速度上流，进水中的复杂有机物转化成易降解的化合物。缺 氧带和好氧带填充有塑料环支持生物膜的附着，之间有一部分污水回流，以进 行反硝化。复合塔适合处理含有复杂有机物的工业废水。这种一体化技术占地 少，投资管理运行费用较少，能脱氮除磷，也适合处理生活污水。 1 2 3 6 生物一化学一体化工艺 生物化学一体化处理装雹1 2 的主要工艺原理是利用活性污泥( 生物絮凝体) 有很强的吸附能力，在很短的时间内将污水中的悬浮物、胶体等有机物进行吸 附，同时也将易生化的有机物进行分解；在活性污泥处理流程的基础上，增加 絮凝剂的混凝作用，利用化学絮凝剂形成的化学絮凝体的强烈的吸附作用吸附 8 第1 章引言 污水中的悬浮物、胶体等有机物，利用短停留时1 h - ( 3 0 1 2 0m i n ) 的活性污泥曝气 处理，配以高效的絮凝剂，使生物氧化处理与化学混凝强化处理相结合，生物 与化学的絮凝体一起沉淀，将固液分离，达到将污水净化的目的。该处理装置 使生化与物化处理工艺取长补短，达到最佳的处理效果，同时明显降低药剂消 耗量，减少污泥产生量，降低处理成本的目的。 1 3 射流曝气技术 总的来说，曝气设备可分为三类：空气扩散曝气器( rd 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 ) 1 3 。 1 3 1 射流曝气技术原理 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。目前，在国外已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1 4 。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，水泵抽吸反应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，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 动能变成压能，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1 5 。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1 6 。 ( 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 7 。 ( 3 ) 适应性强，造价低，设备简单，维修管理方便。 ( 4 ) 溶氧速度快，曝气时间短，占地面积小。 ( 5 ) 气味和噪音小。 9 第1 章引言 1 3 2 射流曝气器的类型 1 3 2 1 根据供气方式分类 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。 1 3 2 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 2m p a ，低压为0 0 7m p a 。高压型射流器喷嘴流速 为2 0m s 左右，低压为1 2m s 左右。低压型射流器理论上的能量消耗是高压型 的1 3 ，而实际上可能还要少一些。 1 3 2 3 根据喷射方式分类 ( 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1 2 1 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。 1 3 2 4 根据结构分类 ( 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。 1 0 第1 章引言 1 3 2 5 根据安装方式分类 射流曝气器的安装方式分为竖直安装和水平安装。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。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。 1 3 2 6 根据安装高度分类 安装高度系指射流器喷口断面中心距曝气池水面的垂直距离。射流器在曝 气池中的安装高度分为浸没式安装、低位安装和高位安装。 在相同的工作压力条件下，高位安装比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 3 3 国内外射流曝气技术的应用现状 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( f l o 喷嘴直径为8m m ，混合管直径1 4m m ) 以压力供气方式处理化工废水。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。 同一时期，美国的r i 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。日本九州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 d 。在夏季曝气池水深1 0m 的条件下，充氧动力效率为1 8 2 o k 9 0 2 k w h ，比平行运行的4 51 1 1 深的鼓风曝气( 扩散板) 的动力效率略高，后者为 1 5k 9 0 2 k w h 。 第1 章引言 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 。它们采用获得专利的“狭缝射流器 ( s l o ti 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1 8 ，以及利用水力学理论对射流器的工作特性进行数值模拟1 9 ， 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，研制成功双级 单喷射流器，动力效率达到2 0 7k g o z k w h 2 0 。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 5m 3 d 的污水处理曝气装 置，经过试验于1 9 7 6 年取得成功2 1 。 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 2 ，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 3 。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2 4 。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 9k g o z k w h 2 5 。 2 0 世纪8 0 年代末，同济大学的李天臻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z 6 。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z 7 。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2 8 、啤酒废水2 9 等领域应用了射流曝气工艺，都取得了较好的处理 效果。 1 2 第1 章引言 1 4 计算流体力学c f d 数值模拟技术 1 4 1 计算流体力学发展介绍 计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，c f d ) 是2 0 世纪6 0 年代伴随 计算机技术发展而迅速崛起的流体力学的一个分支3 0 ，它通过计算机模拟获得某 种流体在特定条件下的有关信息。计算流体力学是多领域交叉的学科，涉及计 算机科学、流体力学、偏微分方程的数学理论、计算几何、数值分析等学科， 这些学科的交叉融合、相互促进和支持，推动着这些学科的深入发展。 c f d 模拟的目的是做出预测和获得信息，帮助理解流体流动，建立理论和 模拟的数学模型，在工程上支持设计过程和做出决断。2 0 世纪7 0 年代以来，随 着计算机的普及以及计算能力的不断提高，计算方法如有限差分法、有限元法、 有限体积法等的发展3 1 ，c f d 方法正在冲击并改变着传统的工业设计方法，通过 建立各种条件下的基本守恒方程( 包括质量、动量以及能量等) ，设定边界条件， 结合数值计算理论和方法，通过模拟计算，实现预报流场、温度场、浓度场等 的分布，以达到对过程设计与优化、放大及控制的详细描述。 c f d 计算相对于实验研究，具有成本低、速度快、资料完备、可模拟真实 及理想条件等优点，目前已开始广泛应用到各个领域3 2 。 1 4 2 计算流体力学在水处理领域的应用 1 4 2 1 在沉淀池及其它固液分离反应器( 池) 中的应用 这类固液分离反应器主要包括沉淀池、沉砂池和格栅等，在其中进行的处 理属于物理过程。水中的悬浮杂质在水流和重力的共同作用下，通过自然沉淀、 筛滤和截留等方式在反应器中被截留，实现不同粒径的固体杂质与水体的分离。 由于此类反应器处理过程不涉及化学和生物反应，处理机理相对简单，利用c f d 技术建立的数学模型也相对简单。 2 0 世纪8 0 年代，随着c f d 技术的发展，应用二维k e 紊流模型分析沉淀池 水流状况，并与悬浮物输移模型结合组成沉淀池模拟的数值模型，也在沉淀池 的优化设计和运行中得到了一定的应用。w e i s s 等和s p e n c e 分别利用c f d 技术， 1 3 第1 章引言 在格栅和旋流式沉砂池中建立了相应型式反应器中的数值分析模型，并预测了 固液分离的效率驺。 清华大学的张庄利用k - e 紊流模型分析了中心进水的辐流式沉淀池的运行， 模拟了沉淀池的流态和悬浮物的浓度分布，并比较了挡板不同位置对处理效果 的影响3 4 。河海大学的蔡金傍、何国建也分别利用二维紊流模型，基于不同的悬 浮物沉降规律，分析了实际条件下不同进口挡板高度、进口流速和长高比对平 流式沉淀池流态和悬浮物去除效果的影响3 5 t 3 6 。 1 4 2 2 在化学处理反应器( 池) 中的应用 这类反应器主要有混凝反应池、消毒池、超临界氧化池等。在化学处理反 应器中，往往需要通过某些特定的化学反应产生具有一定化学处理能力的化学 物质，并随水流扩散到反应器中，才能实现杂质的去除，保障处理的效果。例 如混凝剂在混合单元中，往往需要通过水解反应，形成具有混凝效果的水合离 子，并迅速分散到原水中，才能保证混凝的效果：液氯或臭氧消毒反应器中， 也需要通过相应的化学反应，产生具有强氧化能力的次氯酸或原子氧，并通过 水流运动扩散到反应器后才能发挥良好的消毒作用。考虑到反应器中发挥处理 效果的化学物质浓度分布会直接影响反应器的处理效果，对此类反应器设计和 运行状况的分析，除了需要利用c f d 技术对反应器中水流特性分析外，还必须 结合工程的实际情况，确定化学反应产生的这些化学物质的发生量，在流场分 析的基础上预测它们的浓度扩散和分布规律，进而判断反应器的设计及运行效 果。 美国亚利桑那州6 6 的污水处理厂在消毒工艺中使用c f d 技术优化消毒池 的设计和运行过程，结果表明，通过合理调整接触池的工艺尺寸可以改善反应 器的水力特性，减少池中短流发生的可能性，实际降低氯耗2 0 一7 0 了7 。詹咏 利用平面二维n s 方程分析了絮凝池中不同边壁条件下的流场，结合模型试验 研究了边壁条件对絮凝效果的影响3 8 。 1 4 2 3 在生物处理反应器中的应用 生物反应器利用自凝聚形成的活性污泥或黏附在载体上形成的生物膜这两 种微生物聚集体，在水流对物质和能量的传递作用下，从水中吸附溶解性的多 种污染物，合成微生物细胞，自身增殖的同时降解水中的污染物质。c f d 技术 1 4 第1 章引言 应用于生物处理反应器中，主要通过分析反应器中的流场和影响微生物生长的 环境因素变化，优化反应器的设计和运行。 塘系统是最接近自然降解状态的生物处理反应器。w o o d 等采用f i d a p 有 限元软件建立了四塘串联系统稳态条件下的二维