好氧处理工艺传质强化的机理与应用研究

赫俊国1,李　军2,张金松3,李建政1,杨海燕2　(1.哈尔滨工业大学市政环境工程学院,哈尔
滨　150090;2.北京工业大学建筑工程学院,北京　100022;3.深圳市水务(集团)有限公司,深圳　518031)

摘 要:依据惯性效应理论研究了传统污水好氧处理工艺传质强化过程.研究表明,提高传统工艺曝气均匀度和控制多相物系中 微涡漩的离心惯性效应,可有效促进物相接触传质和相界面更替,为活性污泥(或生物膜)有机底质与氧气进行生化反应提 供良好动力条件,从而提高反应效率,缩短生化反应历程.该工艺在试验及实际工程应用中氧利用率最高可达48%,COD容 积负荷8．1—9．0kg (m3·d).在处理屠宰废水的实际应用中,当气水比为12∶1,水力停留时间4h,进水CODcr浓度800—2200m g L,CODcr负荷达8—9kg (m3·d)时,CODcr去除率平均达95%,bod5去除率大于97%,SS去除率在95%以上.
关键词:污水好氧处理;均匀曝气;微涡漩;多相;传质;惯性效应;屠宰废水

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 水好氧处理取决于污水水质、环境因素、微生物特性以及物系间传质动力学过程.当污水 水质、微生物环境特性确定后,工艺动力学过程成为工艺反应速度的制约因素.本研究通过均 匀曝气和受限传质工艺来提高好氧生物处理系统中多相物系的湍流分散度,通过加强传质扩 散来促进生化接触反应,提高反应速率,缩短反应时间,减小生化池体积,降低工程造价及运行 成本.试验工艺以生活污水为原水,并在屠宰等工业废水处理中应用.
1 　试验研究1
.1　试验原污水水质该 试验在北方城市室外进行,原污水为实际生活污水.试验时间为5月—10月,试验受温 度影响较小.原污水水质如表1.

表 1　试验原污水水质Table1　The raw municipal wastewaterquaLity水质指标cod,mg Lbod5,mg Lnh+4 n,mg Ltp,mg LSS,mg Lph浓 度范围103—75060—22610.8—44.32.4—15.865—3856.4—8.2经 常值　130—37070—13720.0—30.04.2—13.5110—3306.6—7.5图 1　好氧工艺传质强化系统流程图1

.2　试验装置及工艺说明
　　试验工艺流程如图1所示.试验生化反应器的有效 容积为20m3,进水流量为12m3/h,设计污泥回流比为 50%.试验工艺中设置了泥水混合扰流设备,使回流 污泥与污水混合均匀,作为生物膜附着载体和三相物 系传质流动通道的固定式受限传质填料置于生化池内 ,填料竖向间隔300mm,池底设大型微孔曝气头,受限 填料采用竖向蜂窝管束,直径50mm.在好氧条件下,池内生长的大量悬浮态活性污泥及附着态生物膜组成的微生物群体.试验对工艺有机负荷率、气水比等不同条件下的有机物降解规律及活性污泥增长规律等进行研究,以寻求工艺的最佳控制参数.
1.3　试验结果
　　运行结果表明,进水COD范围100—700mg L,出水COD在10—60mg L之间,COD去除率85%—95%;进水bod5范围68—140mg L之间,出水bod5在4—18mg L,bod去除率95%;进水SS范围120—330mg L,出水SS在5—30mg L,SS去除率90%;进水氨氮范围15—35mg L,出水氨氮3—8mg L,去除率70%—85%.对城市生活污水的试验研究表明,试验工艺水力停留时间1．0—1．2h,气水比(2．5—3．0)∶1,COD负荷9．0kg (m3·d),氧利用率48%左右,处理后出水质达到污水处理一级排放标准.试验结果见图2.

在工艺中,微生物浓度在8—10kg/m之间, 其中活性污泥含量mLSS1.9—2．3kg/m之间,svi在80—110之间,较高的微生物浓度使工艺处理的稳定性增加.
2　机理分析
试验工艺生化池中是多相共存体系,多相流动物系的传质规律表明,亚微观细部传质阻力比宏观传质阻力高几个数量级,因而是污水好氧处理中决定效率的动力学参数.试验研究的主要目的是加强生化工艺中曝气均匀度和促进有机底质、氧气、微生物菌团三相物系亚微观传质,从而提高氧利用率和处理效率.
试验中物系传质强化措施采用均匀曝气、受限传质技术方式.该技术是使微气泡以一定初速度从曝气头射出,离开曝气头的微小气泡在有效的扩散段内通过水流剪宏观均匀扩散,避免气泡合并.试验中扰流构件采用格网,通过控制线径比来控制网后涡漩尺度和强度,从而控制微小气泡的尺度(即比表面积).微气泡群体经扩散后进入受限填料区,试验研究中受限传质是利用竖向通道的壁面对上升气流的约束作用来实现,在水流中形成强扰动来造成水流中强烈的湍流剪切.在狭小空间中利用流体强剪切状态抑制气泡与活性污泥絮体的长大,大幅减小气泡凝聚、合并的几率,同时促进物系接触传质.
研究表明,当控制水流中惯性力与粘性力相当时,即保持涡漩特征尺度的水力条件下,多相物系的掺混强度最大.水气两相混合时的涡漩描述与单一相时不同,但当试验条件不变时,可采用如下公式表示:　　λo=f(k)(ε3 v)0.25;　aλ=ε2 3 λ1 3式中λo:涡旋尺度特征值(涡旋惯性力与粘滞力相等时涡漩尺度),f(k):综合系数:aλ:涡漩加速度特征值;ε:单位水体能耗;v:运动粘滞系数.
由公式可知,涡旋的加速度随涡旋尺度减小而增加,即涡旋尺度越小,惯性力越强,当涡旋尺度达到λ时,其加速度最大,惯性效应最强,传质速度快.
多相物系掺混动力学的研究成果表明,弗罗德数(fr=u g·L,u:流速,式中L:空间尺度)是反映湍流剪切作用的动力相似准则数,弗罗德数越大剪切作用越强.从式中可见,水体湍动受能耗及空间尺度的制约,试验工艺通过受限填料控制物系流动空间,同样流速下,流动空间越小剪切作用越强.因此,让气流通过一些小的竖向受限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强烈接触.在有侧向约束的条件下利用气流的上升作用增强了水流的湍动,同时利用湍动水流的剪切作用抑制气泡与活性污泥絮体的长大,有效地增加了气泡与活性污泥絮体比表面积,形成了生化池高分散系、高传质的生化环境.当受限空间减小时,传质加快、氧利用率提高的现象在清水试验中证实.试验中对不同尺度的受限填料进行清水试验,结果表明,在水温21—23℃、供气量为4m/(m·h)的条件下,当填料直径为35mm时,氧利用率为35%,当为50mm时,氧利用率为31%,可见,在不同的约束条件下,氧的利用率不同,约束半径越小,利用率越高.
依据多相流动物系的传质规律,在受限条件下,水气二相流强烈掺混,其中充满高比例高强度的微涡旋,利用微涡旋的离心惯性效应(强剪切)可减小液膜厚度和增加浓度梯度,加速微小气泡、活性污泥相对有机底质的迁移,大幅度增加亚微观传质速率和有机底质与氧向微小活性污泥絮体转移的速率.强化惯性效应增加湍流剪切力,降低了附着液膜厚度;强化惯性效应提高了附着液膜附近液相中氧与有机底质的补充速度,也就增加了附着液膜内外的浓度差,有效地提高了生化体系的传质速度.
工艺中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,因此生物膜很薄且更新快,氧与有机底质向生物膜中转移速率高、生物膜活性好,传质强化工艺是高效活性污泥法与高效生物膜法的有机结合.
3　试验工艺在屠宰废水处理工程中实际应用
3.1　工程说明
工程所在地为北方某屠宰厂,屠宰废水水质见表2.依据屠宰废水特性,确定处理工艺 　　如图3所示.该工程2000年建设并投入运营.工程处理规模设并投入运营.工程处理规模为480m/d,均匀受限工艺采用2组并联竖井式流程,每组流程有5个相同单池串联组成,总有效容积为100m,水力停留时间为5h,设计COD容积负荷6.5kg (m·d),设计气水比15∶1,氧利用率34%,受浓缩填埋限填料采用内切圆直径为50mm竖向蜂窝填料,材质为乙丙共聚.污泥回流比为50%.

3．2　运行结果
由图4、表2可见,当进入均匀受限池的COD浓度为1600mg L,停留时间4h,出水COD浓度稳定在50～80mg L;进水bod5为800mg L,出水bod5在19—30mg L之间,系统中mLSS在8000—10000mg L之间,回流比为50%.屠宰废水处理工程实践表明,该工艺水力停留时间可控制为4．0h,气水比12∶1,COD负荷8．1kg (m·d),氧利用率达38%以上,COD去除率为94%—96%,SS去除率为95%以上,bod5去除率达97%以上,出水水质达到gb13457 92屠宰废水行业一级排放标准.

4　结论
(1)试验工艺以均匀曝气促进宏观传质扩散,利用受限工图4　屠宰废水均匀受限工艺进出水艺促进多相物系亚微观传质扩散,二者的结合,强化了传统活性污泥工艺的动力传质过程.在受限约束及强剪切水力条件下,湍动流体的涡旋效应,特别是微小涡漩的离心惯性效应是决定传质扩散的动力学致因.(2)试验工艺是活性污泥与生物膜共生系统,是活性污泥法与生物膜法的高效结合.(3)应用表明,该工艺处理屠宰废水,COD负荷平均为8．1kg (m·d),hrt可为4．0h、气水比12∶1,氧利用率在38%以上,COD去除率达94%—96%,bod5去除率大于97%,SS去除率在95%以上.
参考文献:
[1]　王绍文.亚微观传质在水处理反应中的应用[J].中国给水排水,2000,16(1):30—32
[2]　赫俊国.惯性效应理论在特种水质处理中的试验研究[d].(硕士论文)哈尔滨建筑大学.1997
[3]　王绍文.混凝动力学的涡旋理论探讨[J].中国给水排水,1991,7(1):8—10
[4]　李伟光,赵庆良,马放,等.序批式生物膜反应器处理屠宰废水[J].中国给水排水,2000,16(10):59—60
收稿日期:2002 12 30;修订日期:2003 03 29基
金项目:黑龙江省重大科技攻关课题(gb98L18 1)作
者简介:赫俊国(1970—),男,讲师(博士生)　e maiL:Junguohe@263.net;LJ21c@263.net