均匀受限曝气机理及清水充氧试验研究

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1、均匀受限曝气机理及清水充氧试验研究　　　曝气是污水好氧生化处理系统的一个重要工艺环节，它的作用是向反应器内充氧，保证微生物生化作用所需之溶解氧，并保持反应器内微生物、底物、溶解氧，即泥、水、气三者的充分混合，为微生物降解有机物提供有利的生化反应条件。同时，曝气也是污水好氧生化处理系统中运转费用最高的工艺环节，曝气充氧电耗一般占总动力消耗的60%～70%。目前的好氧曝气工艺普遍存在效率低、能耗高的状况，城市污水在曝气池中的处理时间一般需6～8h，空压机所供氧量的利用率只有百分之几，大部分被白白浪费掉了，这就使曝气池设备

2、的体积及基建投资庞大，运转费用很高，很多城市或工厂的污水处理难以实施，而许多已建污水厂难以维持正常运转，其主要原因即在于此。因而，高效节能型曝气技术的研究已成为当前污水生物处理技术领域面临的最重要课题之一。　　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

3、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，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

4、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

5、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

6、个因素：①液膜厚度δ越大，传质阻力越大，速度越低；②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：①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

7、厚度；②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

8、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