赫俊國1,李　軍2,張金松3,李建政1,楊海燕2　(1.哈爾濱工業大學市政環境工程學院,哈爾
濱　150090;2.北京工業大學建筑工程學院,北京　100022;3.深圳市水務(集團)有限公司,深圳　518031)

摘 要:依據慣性效應理論研究了傳統污水好氧處理工藝傳質強化過程.研究表明,提高傳統工藝曝氣均勻度和控制多相物系中 微渦漩的離心慣性效應,可有效促進物相接觸傳質和相界面更替,為活性污泥(或生物膜)有機底質與氧氣進行生化反應提 供良好動力條件,從而提高反應效率,縮短生化反應歷程.該工藝在試驗及實際工程應用中氧利用率最高可達48%,COD容 積負荷8．1—9．0kg (m3·d).在處理屠宰廢水的實際應用中,當氣水比為12∶1,水力停留時間4h,進水CODcr濃度800—2200m g L,CODcr負荷達8—9kg (m3·d)時,CODcr去除率平均達95%,bod5去除率大于97%,SS去除率在95%以上.
關鍵詞:污水好氧處理;均勻曝氣;微渦漩;多相;傳質;慣性效應;屠宰廢水

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 水好氧處理取決于污水水質、環境因素、微生物特性以及物系間傳質動力學過程.當污水 水質、微生物環境特性確定后,工藝動力學過程成為工藝反應速度的制約因素.本研究通過均 勻曝氣和受限傳質工藝來提高好氧生物處理系統中多相物系的湍流分散度,通過加強傳質擴 散來促進生化接觸反應,提高反應速率,縮短反應時間,減小生化池體積,降低工程造價及運行 成本.試驗工藝以生活污水為原水,并在屠宰等工業廢水處理中應用.
1 　試驗研究1
.1　試驗原污水水質該 試驗在北方城市室外進行,原污水為實際生活污水.試驗時間為5月—10月,試驗受溫 度影響較小.原污水水質如表1.

表 1　試驗原污水水質Table1　The raw municipal wastewaterquaLity水質指標cod,mg Lbod5,mg Lnh+4 n,mg Ltp,mg LSS,mg Lph濃 度范圍103—75060—22610.8—44.32.4—15.865—3856.4—8.2經 常值　130—37070—13720.0—30.04.2—13.5110—3306.6—7.5圖 1　好氧工藝傳質強化系統流程圖1

.2　試驗裝置及工藝說明
　　試驗工藝流程如圖1所示.試驗生化反應器的有效 容積為20m3,進水流量為12m3/h,設計污泥回流比為 50%.試驗工藝中設置了泥水混合擾流設備,使回流 污泥與污水混合均勻,作為生物膜附著載體和三相物 系傳質流動通道的固定式受限傳質填料置于生化池內 ,填料豎向間隔300mm,池底設大型微孔曝氣頭,受限 填料采用豎向蜂窩管束,直徑50mm.在好氧條件下,池內生長的大量懸浮態活性污泥及附著態生物膜組成的微生物群體.試驗對工藝有機負荷率、氣水比等不同條件下的有機物降解規律及活性污泥增長規律等進行研究,以尋求工藝的最佳控制參數.
1.3　試驗結果
　　運行結果表明,進水COD范圍100—700mg L,出水COD在10—60mg L之間,COD去除率85%—95%;進水bod5范圍68—140mg L之間,出水bod5在4—18mg L,bod去除率95%;進水SS范圍120—330mg L,出水SS在5—30mg L,SS去除率90%;進水氨氮范圍15—35mg L,出水氨氮3—8mg L,去除率70%—85%.對城市生活污水的試驗研究表明,試驗工藝水力停留時間1．0—1．2h,氣水比(2．5—3．0)∶1,COD負荷9．0kg (m3·d),氧利用率48%左右,處理后出水質達到污水處理一級排放標準.試驗結果見圖2.

在工藝中,微生物濃度在8—10kg/m之間, 其中活性污泥含量mLSS1.9—2．3kg/m之間,svi在80—110之間,較高的微生物濃度使工藝處理的穩定性增加.
2　機理分析
試驗工藝生化池中是多相共存體系,多相流動物系的傳質規律表明,亞微觀細部傳質阻力比宏觀傳質阻力高幾個數量級,因而是污水好氧處理中決定效率的動力學參數.試驗研究的主要目的是加強生化工藝中曝氣均勻度和促進有機底質、氧氣、微生物菌團三相物系亞微觀傳質,從而提高氧利用率和處理效率.
試驗中物系傳質強化措施采用均勻曝氣、受限傳質技術方式.該技術是使微氣泡以一定初速度從曝氣頭射出,離開曝氣頭的微小氣泡在有效的擴散段內通過水流剪宏觀均勻擴散,避免氣泡合并.試驗中擾流構件采用格網,通過控制線徑比來控制網后渦漩尺度和強度,從而控制微小氣泡的尺度(即比表面積).微氣泡群體經擴散后進入受限填料區,試驗研究中受限傳質是利用豎向通道的壁面對上升氣流的約束作用來實現,在水流中形成強擾動來造成水流中強烈的湍流剪切.在狹小空間中利用流體強剪切狀態抑制氣泡與活性污泥絮體的長大,大幅減小氣泡凝聚、合并的幾率,同時促進物系接觸傳質.
研究表明,當控制水流中慣性力與粘性力相當時,即保持渦漩特征尺度的水力條件下,多相物系的摻混強度最大.水氣兩相混合時的渦漩描述與單一相時不同,但當試驗條件不變時,可采用如下公式表示:　　λo=f(k)(ε3 v)0.25;　aλ=ε2 3 λ1 3式中λo:渦旋尺度特征值(渦旋慣性力與粘滯力相等時渦漩尺度),f(k):綜合系數:aλ:渦漩加速度特征值;ε:單位水體能耗;v:運動粘滯系數.
由公式可知,渦旋的加速度隨渦旋尺度減小而增加,即渦旋尺度越小,慣性力越強,當渦旋尺度達到λ時,其加速度最大,慣性效應最強,傳質速度快.
多相物系摻混動力學的研究成果表明,弗羅德數(fr=u g·L,u:流速,式中L:空間尺度)是反映湍流剪切作用的動力相似準則數,弗羅德數越大剪切作用越強.從式中可見,水體湍動受能耗及空間尺度的制約,試驗工藝通過受限填料控制物系流動空間,同樣流速下,流動空間越小剪切作用越強.因此,讓氣流通過一些小的豎向受限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強烈接觸.在有側向約束的條件下利用氣流的上升作用增強了水流的湍動,同時利用湍動水流的剪切作用抑制氣泡與活性污泥絮體的長大,有效地增加了氣泡與活性污泥絮體比表面積,形成了生化池高分散系、高傳質的生化環境.當受限空間減小時,傳質加快、氧利用率提高的現象在清水試驗中證實.試驗中對不同尺度的受限填料進行清水試驗,結果表明,在水溫21—23℃、供氣量為4m/(m·h)的條件下,當填料直徑為35mm時,氧利用率為35%,當為50mm時,氧利用率為31%,可見,在不同的約束條件下,氧的利用率不同,約束半徑越小,利用率越高.
依據多相流動物系的傳質規律,在受限條件下,水氣二相流強烈摻混,其中充滿高比例高強度的微渦旋,利用微渦旋的離心慣性效應(強剪切)可減小液膜厚度和增加濃度梯度,加速微小氣泡、活性污泥相對有機底質的遷移,大幅度增加亞微觀傳質速率和有機底質與氧向微小活性污泥絮體轉移的速率.強化慣性效應增加湍流剪切力,降低了附著液膜厚度;強化慣性效應提高了附著液膜附近液相中氧與有機底質的補充速度,也就增加了附著液膜內外的濃度差,有效地提高了生化體系的傳質速度.
工藝中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,因此生物膜很薄且更新快,氧與有機底質向生物膜中轉移速率高、生物膜活性好,傳質強化工藝是高效活性污泥法與高效生物膜法的有機結合.
3　試驗工藝在屠宰廢水處理工程中實際應用
3.1　工程說明
工程所在地為北方某屠宰廠,屠宰廢水水質見表2.依據屠宰廢水特性,確定處理工藝 　　如圖3所示.該工程2000年建設并投入運營.工程處理規模設并投入運營.工程處理規模為480m/d,均勻受限工藝采用2組并聯豎井式流程,每組流程有5個相同單池串聯組成,總有效容積為100m,水力停留時間為5h,設計COD容積負荷6.5kg (m·d),設計氣水比15∶1,氧利用率34%,受濃縮填埋限填料采用內切圓直徑為50mm豎向蜂窩填料,材質為乙丙共聚.污泥回流比為50%.

3．2　運行結果
由圖4、表2可見,當進入均勻受限池的COD濃度為1600mg L,停留時間4h,出水COD濃度穩定在50～80mg L;進水bod5為800mg L,出水bod5在19—30mg L之間,系統中mLSS在8000—10000mg L之間,回流比為50%.屠宰廢水處理工程實踐表明,該工藝水力停留時間可控制為4．0h,氣水比12∶1,COD負荷8．1kg (m·d),氧利用率達38%以上,COD去除率為94%—96%,SS去除率為95%以上,bod5去除率達97%以上,出水水質達到gb13457 92屠宰廢水行業一級排放標準.

4　結論
(1)試驗工藝以均勻曝氣促進宏觀傳質擴散,利用受限工圖4　屠宰廢水均勻受限工藝進出水藝促進多相物系亞微觀傳質擴散,二者的結合,強化了傳統活性污泥工藝的動力傳質過程.在受限約束及強剪切水力條件下,湍動流體的渦旋效應,特別是微小渦漩的離心慣性效應是決定傳質擴散的動力學致因.(2)試驗工藝是活性污泥與生物膜共生系統,是活性污泥法與生物膜法的高效結合.(3)應用表明,該工藝處理屠宰廢水,COD負荷平均為8．1kg (m·d),hrt可為4．0h、氣水比12∶1,氧利用率在38%以上,COD去除率達94%—96%,bod5去除率大于97%,SS去除率在95%以上.
參考文獻:
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[2]　赫俊國.慣性效應理論在特種水質處理中的試驗研究[d].(碩士論文)哈爾濱建筑大學.1997
[3]　王紹文.混凝動力學的渦旋理論探討[J].中國給水排水,1991,7(1):8—10
[4]　李偉光,趙慶良,馬放,等.序批式生物膜反應器處理屠宰廢水[J].中國給水排水,2000,16(10):59—60
收稿日期:2002 12 30;修訂日期:2003 03 29基
金項目:黑龍江省重大科技攻關課題(gb98L18 1)作
者簡介:赫俊國(1970—),男,講師(博士生)　e maiL:Junguohe@263.net;LJ21c@263.net