均匀受限曝气机理及清水充氧试验p

1、PAGE PAGE 4 HYPERLINK /tech/bs/disp_contri.asp?id=277881 t _blank 均匀受限曝气机理及清水充氧试验1 均匀受限曝气的动力学机理 传统的曝气方式基本上是自由曝气，即上升的气泡以较大的流速不受约束地扩散，由于水流 本身湍动程度不高，形成的剪切作用也就很小，故混合液中气泡容易合并长大，加上活性污泥絮凝体尺寸也较大，比表面积小，传质效率低下。也就是说鼓入的空气所携带的能量并未 有效地被利用在造成水流强剪切并形成高传质流态上，形成浪费 1 。 受限曝气是一种较科学的曝气方式，它利用狭小竖向通道的壁面对上升气流的约束作用，对 水流形成剧烈扰动

2、，造成系统内强烈的湍流剪切，并利用它抑制气泡与活性污泥絮体的长大。混凝动力学的研究成果表明2，弗罗德数Fr=v2/gL是反映湍流 剪切作用的相似准则数，Fr越大则剪切作用越强。从式中可见，在同样流速下，流动空间越小剪切作用越强。因此，让很少的气流通过一些小的竖向流动空间就可以造成强剪切， 实现小尺度气泡与小尺度活性污泥絮体的高分散状态，并为实现高传质的工况提供必要条件。在这种条件下，一方面利用气流的上升作用大幅度增强了水流的湍动能量，另一方面利用湍动水流的剪切作用抑制了气泡与活性污泥絮体的长大，大大地增加了气泡与活性 污泥絮体的比表面积，形成了曝气池高分散系高传质的生化环境。此时，空气所携带的

3、 能量得到了更充分的利用。 同时，在受限曝气水流中充满着高比例高强度的微涡旋，形成了强烈湍动的流态。利用湍动 水流的惯性效应，特别是微涡旋的离心惯性效应(二者正是微细部物相迁移和接触的动力学致因 2 )可加速微小气泡、活性污泥相对于有机底物的迁移，大幅度增加亚微观传 质 速率和有机质与氧向微小活性污泥絮体转移的速率。当活性污泥菌胶团因生化作用利用了吸附的氧与有机质后，附近的氧与有机质向菌胶团的继续扩散就属于亚微观尺度的扩散。当然，其扩散阻力比宏观扩散高几个数量级3，扩散速率远小于活性污泥在生物酶作用下的生化反应速率，因此亚微观传质速率就成了影响活性污泥法处理效率的决定因素。一般认为，氧与有机底

4、物向污泥絮体中的传质可分为三个部分：液相传质、活性污泥附液膜传质、固相传质。液相传质在湍动水流中由湍流扩散可以迅速完成。固相传质可用多孔丸模型 描 述，在湍动水流中形成的微小絮体可使其传质速率较高。三者之中起决定性作用的是活性污泥 附液膜的传质，它取决于两个因素： 液膜厚度越大，传质阻力越大，速度越低； 液膜两侧浓度差值越大，传质速度越快。由于附液膜附近的液相传质属于亚微观传质范畴，故其传质速度很小，当此处氧与有机质因生化反应消耗后，不能得到迅速及时 的补充，附液膜两侧的浓度差就很小，氧与有机质向附液膜内转移的速度也就很小，严重防碍生化反应的进行。研究认为，亚微观尺度下的传质主要是由物质相对迁

5、移造成的，加强惯 性效应特别是微涡旋离心惯性效应，是增加氧与有机质在附液膜附近的亚微观区域内与水相对运动的有效措施： 强化惯性效应的同时也就增加了这个区域的湍流剪切力，降低了附液膜厚度； 强化惯性效应也就提高了附液膜附近液相中氧与有机质的补充速度和浓度，也就增加了附液膜内外的浓度差，因此也就有效地提高了生化体系的传质速度。 综上所述，合理利用风机供气所提供的能量，提高反应器中水流的湍动强度，是提高曝气效果、强化三相传质反应效率的可行途径，也是所提出的受限曝气技术的动力学基础。另一 方面，曝气受限器的表面也是生物膜的附着面，由于曝气受限器中湍流剪切很强，因此生物 膜厚度很薄，氧与基质向生物膜中转

6、移速率很高且活性好，是一种高效生物膜。由此可见这种新工艺是高分散系高传质的活性污泥法与高效生物膜法的有机复合。在研究亚微观动力学问题的同时，也注意到了传统污水处理技术在宏观动力学上仍存在很多不足4。例如常用的微孔曝气设备普遍存在非曝气主流区与曝气死区问题，前者需要靠消耗较多能耗形成水力循环运动，把非曝气主流区的污水带到曝气主流区（一般即微 孔曝气头上部有效空间）进行充氧，这就较大地延长了曝气时间，并浪费了较多的能量；后者只能把已经曝气充氧的水通过缓慢的Fick扩散，将氧转移到死区部分的污水中，这就需要更多地延长曝气时间，并因死区部分的充氧难以保证而影响曝气效果。为解决这个问题，我们发明了大型微

7、孔曝气器，该曝气装置可以方便地安装并布满曝气池底部，并由此形成均匀曝气技术，即通过在池底均布大型微孔曝气器而消除死区，通过在池中设置受限曝气立管填料消除了传统曝气器存在的非曝气主流区与主流区的差别。均匀曝气技术可均匀迅速地充氧，大幅度提高氧的利用率，从而可大量减少供气量和能量消耗，同时也成为受限曝气技术 有效实施的重要保障。2 清水曝气充氧试验研究 试验的目的是通过对均匀曝气、均匀受限曝气与传统曝气工艺的充氧性能测定与比较，证实 均匀受限曝气理论在水气两相传质体系中的正确性。2.1试验条件及设备 试验条件比较严格地参照中华人民共和国城镇建设行业标准CJ/T 3015.1293、CJ/T 301

8、 5.496。试验设备与条件为：钢板曝气池：有效水深H=4 m、池长L=4 m、池宽B=1 m。大型微孔曝气头：长为1 000 mm、宽为130 mm、上部为125 mm的半圆柱形曝气 表面，橡胶膜片上均匀分布微孔。受限曝气立管填料：管径为50 mm与35 mm的两种规格。供风量：总供气量为16 m3/h，即4 m3空气/m2服务面积h(按单个盘式膜片微孔 曝气头的服务面积0.5 m2折算，供气量为2 m3/个h)。试验用水：自来水。溶解氧测定仪：上海镭磁仪表厂生产的SJG9440型在线式溶氧仪。转子流量计：LZB50，10100 m3/h。 压力表：00.25 MPa。温度计：玻璃温度计与便

9、携式数字温度测定仪。无水亚硫酸钠、氯化钴、秒表等。2.2测试程序及数据 清水曝气的试验步骤按如下程序进行：安装完试验系统后，关闭所有阀门，向曝气池内注入自来水至有效水深4 m，从在线溶氧仪上读出水中溶解氧DO值，并计算池内溶解氧的总量G=DOV。计算投药量，并将称得的药剂用温水化开，由池顶倒入池内，约10 min后从溶氧仪上读数。当溶解氧测定仪指针达到0后，即池内水已脱氧至零，打开空压机和稳压阀向池内供气 ，开始曝气并记录时间；同时每隔一定时间在溶氧仪上读数，直至水中溶解氧不再增长(达到饱和)为止。试验中计量风量、风压、风温及水温等。曝气池中分别加入管径为50 mm、35 mm的两种规格立管填

10、料，重复上述过程。在水温2123 时，测得的KLas数据汇总于表1中，与某环保设备厂生产的几种微孔曝气头作性能指标比较的结果如表2。表1清水曝气试验KLas测定值统计曝气形式气温()水温()KLa(1/min)KLas (1/min)KLas平均值(1/min)大型微孔曝气头(均匀曝气)24230.1930.1790.17723210.1810.17721200.1750.175加入管径50 mm填料(均匀受限曝气)24210.1930.1890.18924220.2010.19225220.1950.186加入管径35 mm填料(均匀受限曝气) 25230.2230.2080.20824230.2200.20525220.2200.209表2清水充氧性能各项指标的对比产品类别或曝气形式风量m3/(m2h)风压(MPa)阻力损失(Pa)KLas(1/min)充氧能力(kg/hm3)氧利用率(%)理论动力效率(kg/kWh)资料来源YMB型膜片式微孔曝气头 40.0422800 0.0980.10818.045.01*1YMB型膜片微孔曝气头 40.04228000.1240.136 21.185.44*2BZQ.W192型球冠形可张膜微孔曝气器 40.04430000.1540.1 6925.686