王鶴立，王紹文，呂炳南
(哈爾濱工業大學市政環境工程學院，黑龍江 哈爾濱150090)

　　摘要：從宏觀動力學與亞微觀動力學兩個方面闡述了均勻受限曝氣 的機理，并通過清水曝氣充氧試驗，證實了在氣水兩相體系中均勻受限曝氣理論在動力學上的正確性和適用性。
　　關鍵詞：均勻受限曝氣；清水充氧；大型微孔曝氣頭；傳質
　　中圖分類號：X703
　　文獻標識碼：A
　　文章編號： 1000-4602(2001)01-0015-04

Research on Mechanism of Well-Distr align="center"ibuted Limited-Aeration by the Oxygenated Clean Water Test

WANG He-li,WANG Shao-wen,LU Bing-nan

(School of Munic. and Environ.Eng.,Harbin Institute of Tech.,Harbin 150090,China )

   　　Abstract： The paper explains the mechanism of well-distr align="center"ibuted limited aeration from both macro kinetics and sub-micro kinetics.The theory in kinetics was confirmed to be valid and applicable in air-water two phase system through the clean water o xygenation test.
　　Keywords: well-distr align="center"ibuted aeration;oxygenated clean water test;large-sized micropor ous diffusers;mass tr align="center"ansfer

　　曝氣是污水好氧生化處理系統的一個重要工藝環節，它的作用是向反應器內充氧，保證微生物生化作用所需之溶解氧，并保持反應器內微生物、底物、溶解氧，即泥、水、氣三者的充分混合，為微生物降解有機物提供有利的生化反應條件。同時，曝氣也是污水好氧生化處理 系統中運轉費用最高的工藝環節，曝氣充氧電耗一般占總動力消耗的60%～70%。目前的好氧曝氣工藝普遍存在效率低、能耗高的狀況，城市污水在曝氣池中的處理時間一般需6～8 h，空壓機所供氧量的利用率只有百分之幾，大部分被白白浪費掉了，這就使曝氣池設備的體積及基建投資龐大，運轉費用很高，很多城市或工廠的污水處理難以實施，而許多已建污 水廠難以維持正常運轉，其主要原因即在于此。因而，高效節能型曝氣技術的研究已成為當 前污水生物處理技術領域面臨的最重要課題之一。

　　1 均勻受限曝氣的動力學機理

　　傳統的曝氣方式基本上是自由曝氣，即上升的氣泡以較大的流速不受約束地擴散，由于水流 本身湍動程度不高，形成的剪切作用也就很小，故混合液中氣泡容易合并長大，加上活性污泥絮凝體尺寸也較大，比表面積小，傳質效率低下。也就是說鼓入的空氣所攜帶的能量并未 有效地被利用在造成水流強剪切并形成高傳質流態上，形成浪費^［1］。
受限曝氣是一種較科學的曝氣方式，它利用狹小豎向通道的壁面對上升氣流的約束作用，對 水流形成劇烈擾動，造成系統內強烈的湍流剪切，并利用它抑制氣泡與活性污泥絮體的長大。混凝動力學的研究成果表明［2］，弗羅德數Fr=v2/gL是反映湍流 剪切作用的相似準則數，Fr越大則剪切作用越強。從式中可見，在同樣流速下，流動空間越小剪切作用越強。因此，讓很少的氣流通過一些小的豎向流動空間就可以造成強剪切， 實現小尺度氣泡與小尺度活性污泥絮體的高分散狀態，并為實現高傳質的工況提供必要條件。在這種條件下，一方面利用氣流的上升作用大幅度增強了水流的湍動能量，另一 方面利用湍動水流的剪切作用抑制了氣泡與活性污泥絮體的長大，大大地增加了氣泡與活性 污泥絮體的比表面積，形成了曝氣池高分散系—高傳質的生化環境。此時，空氣所攜帶的 能量得到了更充分的利用。
　　同時，在受限曝氣水流中充滿著高比例高強度的微渦旋，形成了強烈湍動的流態。利用湍動 水流的慣性效應，特別是微渦旋的離心慣性效應(二者正是微細部物相遷移和接觸的動力學致因^［2］)可加速微小氣泡、活性污泥相對于有機底物的遷移，大幅度增加亞微觀傳 質 速率和有機質與氧向微小活性污泥絮體轉移的速率。當活性污泥菌膠團因生化作用利用了吸附的氧與有機質后，附近的氧與有機質向菌膠團的繼續擴散就屬于亞微觀尺度的擴散。當然，其擴散阻力比宏觀擴散高幾個數量級［3］，擴散速率遠小于活性污泥在生物酶作用下的生化反應速率，因此亞微觀傳質速率就成了影響活性污泥法處理效率的決定因素。一般 認為，氧與有機底物向污泥絮體中的傳質可分為三個部分：液相傳質、活性污泥附液膜傳質、固相傳質。液相傳質在湍動水流中由湍流擴散可以迅速完成。固相傳質可用多孔丸模型 描 述，在湍動水流中形成的微小絮體可使其傳質速率較高。三者之中起決定性作用的是活性污泥 附液膜的傳質，它取決于兩個因素：① 液膜厚度δ越大，傳質阻力越大，速度越低； ② 液膜兩側濃度差值越大，傳質速度越快。由于附液膜附近的液相傳質屬于亞微觀傳質范疇，故其傳質速度很小，當此處氧與有機質因生化反應消耗后，不能得到迅速及時 的補充，附液膜兩側的濃度差就很小，氧與有機質向附液膜內轉移的速度也就很小，嚴重防礙生化反應的進行。研究認為，亞微觀尺度下的傳質主要是由物質相對遷移造成的，加強慣 性效應特別是微渦旋離心慣性效應，是增加氧與有機質在附液膜附近的亞微觀區域內與水相對運動的有效措施：① 強化慣性效應的同時也就增加了這個區域的湍流剪切力，降低了附液膜厚度；② 強化慣性效應也就提高了附液膜附近液相中氧與有機質的補充速度和濃度，也就增加了附液膜內外的濃度差，因此也就有效地提高了生化體系的傳質速度。
　　綜上所述，合理利用風機供氣所提供的能量，提高反應器中水流的湍動強度，是提高曝氣效果、強化三相傳質——反應效率的可行途徑，也是所提出的受限曝氣技術的動力學基礎。另一 方面，曝氣受限器的表面也是生物膜的附著面，由于曝氣受限器中湍流剪切很強，因此生物 膜厚度很薄，氧與基質向生物膜中轉移速率很高且活性好，是一種高效生物膜。由此可見這種新工藝是高分散系高傳質的活性污泥法與高效生物膜法的有機復合。
在研究亞微觀動力學問題的同時，也注意到了傳統污水處理技術在宏觀動力學上仍存在很多 不足［4］。例如常用的微孔曝氣設備普遍存在非曝氣主流區與曝氣死區問題，前者需要靠消耗較多能耗形成水力循環運動，把非曝氣主流區的污水帶到曝氣主流區（一般即微 孔曝氣頭上部有效空間）進行充氧，這就較大地延長了曝氣時間，并浪費了較多的能量；后者只能把已經曝氣充氧的水通過緩慢的Fick擴散，將氧轉移到死區部分的污水中，這就需要更多地延長曝氣時間，并因死區部分的充氧難以保證而影響曝氣效果。為解決這個問題，我們發明了大型微孔曝氣器，該曝氣裝置可以方便地安裝并布滿曝氣池底部，并由此形成均 勻曝氣技術，即通過在池底均布大型微孔曝氣器而消除死區，通過在池中設置受限曝氣立管填料消除了傳統曝氣器存在的非曝氣主流區與主流區的差別。均勻曝氣技術可均勻迅速地充氧，大幅度提高氧的利用率，從而可大量減少供氣量和能量消耗，同時也成為受限曝氣技術 有效實施的重要保障。

　　2 清水曝氣充氧試驗研究

　　試驗的目的是通過對均勻曝氣、均勻受限曝氣與傳統曝氣工藝的充氧性能測定與比較，證實 均勻受限曝氣理論在水氣兩相傳質體系中的正確性。
　　2.1試驗條件及設備
　　試驗條件比較嚴格地參照中華人民共和國城鎮建設行業標準CJ/T 3015.1～2—93、CJ/T 301 5.4—96，試驗裝置見圖1。

圖1曝氣充氧性能測試裝置圖

　　試驗設備與條件為：
　　①鋼板曝氣池：有效水深H=4 m、池長L=4 m、池寬B=1 m。
　　②大型微孔曝氣頭：長為1 000 mm、寬為130 mm、上部為?＝125 mm的半圓柱形曝氣 表面，橡膠膜片上均勻分布微孔。
　　③受限曝氣立管填料：管徑為50 mm與35 mm的兩種規格。
　　④供風量：總供氣量為16 m3/h，即4 m3空氣/m2服務面積·h(按單個盤式膜片微孔 曝氣頭的服務面積0.5 m2折算，供氣量為2 m3/個·h)。
　　⑤試驗用水：自來水。
　　⑥溶解氧測定儀：上海鐳磁儀表廠生產的SJG—9440型在線式溶氧儀。
　　⑦轉子流量計：LZB50，10～100 m³/h。
    　　⑧壓力表：0～0.25 MPa。
　　⑨溫度計：玻璃溫度計與便攜式數字溫度測定儀。
　　⑩無水亞硫酸鈉、氯化鈷、秒表等。
　　2.2測試程序及數據
　　清水曝氣的試驗步驟按如下程序進行：
　　①按照圖1安裝完試驗系統后，關閉所有閥門，向曝氣池內注入自來水至有效水深4 m，從在線溶氧儀上讀出水中溶解氧DO值，并計算池內溶解氧的總量G=DO×V。
　　②計算投藥量，并將稱得的藥劑用溫水化開，由池頂倒入池內，約10 min后從溶氧儀上讀數。
　　③當溶解氧測定儀指針達到0后，即池內水已脫氧至零，打開空壓機和穩壓閥向池內供氣 ，開始曝氣并記錄時間；同時每隔一定時間在溶氧儀上讀數，直至水中溶解氧不再增長(達到飽和)為止。
　　④試驗中計量風量、風壓、風溫及水溫等。
　　⑤曝氣池中分別加入管徑為50 mm、35 mm的兩種規格立管填料，重復上述過程。
　　在水溫21～23 ℃時，測得的KLas數據匯總于表1中，與某環保設備廠生產的幾種微孔曝氣頭作性能指標比較的結果如表2。

表1清水曝氣試驗KLas測定值統計

 表2清水充氧性能各項指標的對比

　　2.3試驗結果分析
　　上面的試驗測定數據顯示出這樣一個規律：
　　①未加入立管填料，只利用池底均布的大型微孔曝氣頭進行曝氣充氧試驗，所測得的各項 指標均明顯好于目前國內外其他微孔曝氣設備，大幅度提高了曝氣充氧的效率。
　　②加入了立管填料后，所測得的數據顯著好于加入填料前，這說明加入的立管填料的通 道壁面起到了受限器的作用，實現了受限曝氣。氣泡通過狹小空間所造成的強烈湍動，在亞微觀動力學意義上強化了傳質，并由于強化了水力剪切作用，抑制了氣泡的合并長大，提高 了空氣的利用率。
　　③加入管徑為35 mm的填料所測得的數據顯著好于加入管徑為50 mm的填料，這說明在更小的通道空間中，小氣泡可造成更強的紊動，從而進一步提高了氧的轉移和利用率。

　　3  結論

　　清水充氧試驗的結果證實了在氣水兩相傳質體系中，均勻受限曝氣理論在動力學上的先進性和適用性。
　　另外，均勻受限曝氣技術應用于長春一汽污水廠生產性試驗表明，當原水水質C ODCr為200～300 mg/L、BOD5為80～140 mg/L、曝氣時間為45 min、水氣比為1∶2.5時，即可取得CODCr＜50 mg/L，BOD5＜20 mg/L的穩定出水，并遠遠好于廠區原工藝系統的出水，這無疑進一步證實了均勻受限曝氣理論在氣、水、泥三相生化反應體系中的適用性。
　　可以推測，均勻受限曝氣技術的成熟與推廣應具有重大的社會效益和經濟效益，對解決我國環境治理問題將起到重要的推動作用。

參考文獻：
　　［1］王鶴立，郭曉，徐立群，等.受限曝氣式活性污泥法的試驗研究［J］.哈爾 濱建筑大學學報，1999，32(6).
　　［2］王紹文.慣性效應在混凝中的動力學作用［J］.中國給水排水，1998，14(2) ：13-16.
　　［3］王紹文.亞微觀傳質在水處理反應工藝中的作用［J］.中國給水排水，2000 ，16(1)：30-32.
　　［4］ 王紹文，王鶴立，徐立群，等.高分散系、高傳質均勻受限曝氣處理制革廢水研究［J］.中 國給水排水，1999，15(8)：1-5.
　　［5］李燕城.水處理實驗技術［M］.北京：中國建筑工業出版社，1989.
 作者簡介：王鶴立(1970-)，男，吉林長春人，博士， 研究方向：水處理工藝動力學。
 　　電話：(0431)5935012  13804316765
 收稿日期：2000-09-30