射流曝氣技術(shù)在機械工業(yè)廢水處理中的應用

曝氣技術(shù)廣泛應用在生活污水和工業(yè)廢水的好氧生物處理中[ 1 ] ,主要有機械曝氣、鼓風(fēng)曝氣、射流曝氣。其中射流曝氣是利用射流曝氣器將氣流或氣- 液混合流導入曝氣池,以增加液體中氧含量的系統,由于其一系列優(yōu)點(diǎn)而得到較為廣泛的應用。射流曝氣作為一種曝氣充氧方法,從20世紀40年代開(kāi)始應用到廢水處理中,至今已有60多年的歷史。

1　射流曝氣技術(shù)簡(jiǎn)介

1. 1　射流器的結構

射流曝氣系統的核心設備是射流器。射流器是利用射流紊動(dòng)擴散作用來(lái)傳遞能量和質(zhì)量的流體機械和混合反應設備, 它由噴嘴、吸氣室、喉管及擴散管等部件構成[ 2 ] 。圖1 是一個(gè)典型的單噴嘴射流器結構,也是廢水生化處理中常用的曝氣用射流器。

圖1　射流器結構
1. 噴嘴; 2. 吸氣室; 3. 喉管; 4. 擴散管; 5. 尾管

1. 2　射流曝氣的基本原理

射流器采用文丘里噴嘴, 工作水泵出水通過(guò)射流器的噴嘴,隨著(zhù)噴嘴直徑變小,液體以極高的速度從噴嘴噴射出來(lái),高速流動(dòng)的液體穿過(guò)吸氣室進(jìn)入喉管,在喉管形成局部真空,通過(guò)導氣管吸入(或壓入)的大量空氣進(jìn)入喉管后, 在噴水壓力的作用下被分割成大量微小的氣泡, 與水形成混合體。氣液混合體通過(guò)擴散管向外排出, 其速度減慢, 壓力增強,形成強力噴射流,對廢水攪拌充氧。氣泡經(jīng)多次切割,噴射擾動(dòng)后, 變成無(wú)數的細小氣泡, 其表面積很大,使空氣中的氧更易快速溶解于水中。由于氣泡直徑小,上升速度緩慢,從而延長(cháng)了大氣中氧氣溶解于水的時(shí)間,促使廢水和氧氣充分混合接觸,氧化廢水中的還原性物質(zhì),殺滅大部分還原菌和其它一些厭氧菌,進(jìn)而達到處理廢水的目的[ 3 ] 。

1. 3　廢水生物處理中射流曝氣的獨特作用

射流曝氣作為一種曝氣充氧方法, 它的作用不僅僅是作為一種氣泡擴散充氧裝置(如鼓風(fēng)曝氣中的各種空氣擴散裝置) , 也不能單純看作是一種機械曝氣設備,而是介于兩者之間,利用氣泡擴散和水力剪切兩個(gè)作用達到曝氣和混合的目的[ 4 ] 。實(shí)際上,在活性污泥法廢水處理系統中,由于通常采用廢水與活性污泥的混合物作為工作介質(zhì), 當吸入(或壓入)空氣后在射流器的喉管內發(fā)生相當劇烈的混合作用。這一混合作用一方面進(jìn)行著(zhù)氣- 液- 固(活性污泥) 之間的紊動(dòng)擴散與能量交換及氣-液- 固三相間的轉移過(guò)程, 還有更加突出的是發(fā)生在被高速劇烈紊動(dòng)“切割”得非常細微的氣泡、活性污泥的微小顆粒以及廢水(液相)中有機物這三者之間的生物學(xué)上的作用。因此, 要評價(jià)射流曝氣用于活性污泥法的作用,如果僅僅作為曝氣充氧裝置來(lái)理解就沒(méi)有充分反映這一綜合過(guò)程的全部機理。
這一綜合過(guò)程的機理應當理解為在活性污泥微生物存在的條件下,發(fā)生在射流器喉管部分的高速紊動(dòng)過(guò)程中的生物學(xué)特性與三相間物理力學(xué)特性的綜合過(guò)程。氣體經(jīng)高速水流吸入后經(jīng)喉管壓縮,氣、液相劇烈混合,此時(shí)氣泡剛形成, 吸氧率高; 氣泡進(jìn)一步在管道中受劇烈攬動(dòng),粉碎成細微氣泡, 使氣、液接觸面積增大,也提高吸氧率。尤其是當工作介質(zhì)為廢水與活性污泥混合物時(shí), 喉管的紊動(dòng)攪拌作用不只限于微小氣泡對廢水的充氧作用, 同時(shí)還發(fā)生氣- 固、液- 固間等多方面的作用,特別是當活性污泥被“切割”成非常細小的顆粒,無(wú)疑將大大增加活性污泥的表面更新率與吸附表面積,從而使活性污泥的細小絮狀體能與氣泡中的氧及廢水中的有機物有充分的接觸吸附作用, 使吸附能力大大提高。這是其它類(lèi)型曝氣設備所不能達到的[ 4 ] 。

1. 4　射流曝氣技術(shù)的主要性能特點(diǎn)

射流曝氣法與其它曝氣方法的區別在于其核心設備射流曝氣器。射流曝氣法的優(yōu)點(diǎn):

(1)射流曝氣器混合攪拌作用強,具有較高的的充氧能力、氧利用率和氧動(dòng)力轉移效率。
(2)構造簡(jiǎn)單、工作可靠、運轉靈活、便于調節、不易堵塞、易維修管理。
(3)當采用自吸式射流曝氣器時(shí),可取消鼓風(fēng)機,消除噪音污染。
(4)在射流曝氣器喉管內,由于射流的紊動(dòng)及能量交換作用,形成了劇烈的混摻現象, 不僅在瞬間( 10- 2s)完成氧從氣相向液相中的轉移,而且射流曝氣的工作水流是進(jìn)水和回流污泥的混合液或曝氣池混合液,因此在混合液內迅速地進(jìn)行著(zhù)泥(微生物) - 水(有機物) - 氣(溶解氧)三者間的傳質(zhì)與生化反應,這是一個(gè)在特定條件下發(fā)生的快速生物反應與三相間傳質(zhì)的綜合過(guò)程[ 1 ] 。
(5)提高了污泥的活性,基質(zhì)降解常數較其它活性污泥法高。(6)所需曝氣時(shí)間短,土建投資省,運轉費用低,占地面積小。

2　射流曝氣技術(shù)在工業(yè)廢水處理中的應用進(jìn)展

2. 1　國外射流曝氣技術(shù)的發(fā)展
國外用射流曝氣技術(shù)作為廢水生化處理可以追溯到20世紀40年代。1947年美國的DOW 化學(xué)公司將射流曝氣法用于規模為1. 85 ×105 m3 / d的含酚廢水處理廠(chǎng),布置了724只射流器,采用壓力供氣,工作介質(zhì)為二沉池出水或曝氣池混合液[ 5 ] 。20世紀五六十年代,射流曝氣法在國外應用得更多,并逐漸成為繼鼓風(fēng)曝氣和機械曝氣后的第3類(lèi)曝氣法[ 5 ] 。1968年德國的拜耳化學(xué)公司采用獲得專(zhuān)利的被稱(chēng)為8 /14型射流器(即噴嘴直徑為8 mm,混合管直徑14mm )以壓力供氣方式處理化工廢水[ 6, 7 ] , 射流器設在曝氣池底部, 池深4. 8 m, 淹沒(méi)深度4. 2 mm。其運行參數為:廢水量720 m3 / h, 空氣量3 320 m3 /h,水深4. 2 m,氧利用率7. 7% ,充氧能力340 kg / h,耗能115 kW ·h,充氧動(dòng)力效率2. 95 kg / ( kW ·h) 。但這種裝置的缺點(diǎn)是構造比較復雜, 制造、安裝、檢修比較困難。

20世紀80年代以來(lái), 德國拜耳和赫司特兩大化工公司先后完成了采用高塔—射流曝氣活性污泥法處理化工廢水的擴建過(guò)程, 日處理廢水量分別為1. 6 ×105 m3 (工業(yè)廢水90 000 m3 , 市政污水70 000 m3 )和1. 0 ×105 m3。它們分別采用獲得專(zhuān)利的狹縫射流器和徑向射流噴嘴進(jìn)行曝氣。這兩種壓力供氣射流器結合高塔型(水深25～30 m )的反應器,強化了氧的分布、溶解和利用, 有效地防止了氣泡并聚,提高了氧的利用率, 在水深17 m 的條件下充氧動(dòng)力效率達到3. 8 kg / ( kW ·h) ,系統BOD5的去除率均在90%以上[ 7 ] 。日本在北九洲市日明廢水處理廠(chǎng)中應用了射流曝氣系統, 廢水處理量為75 000 m3 / d,進(jìn)水BOD5 為136 m g /L , 處理后出水BOD5 為4. 7 m g /L。

2. 2　國內射流曝氣技術(shù)的發(fā)展

國內對射流曝氣技術(shù)的研究和應用始于20世紀70 年代, 主要用在中小型廢水處理裝置中[ 8 ] 。1978年以來(lái),同濟大學(xué)等單位對城市及工業(yè)廢水的處理工藝、活性污泥生物學(xué)特性進(jìn)行了較為系統的綢印染廢水。北京市政設計院研究了“II型射流器”的充氧性能,并在生物接觸法中使用了射流器,處理感光膠片生產(chǎn)中的涂布廢水和地毯染紗廢水[ 6 ] 。20世紀90年代末, 清華大學(xué)的孟立新開(kāi)發(fā)出集曝氣與攪拌為一體的新型射流器, 其清水充氧能力達到日本同類(lèi)產(chǎn)品的水平,并實(shí)際應用到SBR工藝中。同一時(shí)期, 北京工業(yè)大學(xué)和中國環(huán)境科學(xué)院合作研制開(kāi)發(fā)的氧化溝用供氣式射流曝氣器, 也達到了國外同類(lèi)產(chǎn)品的先進(jìn)水平[ 8 ] 。而后, 西安交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程中心、陜西科技大學(xué)造紙環(huán)保研究所和陜西清源環(huán)保工程有限公司, 在吸收國內外先進(jìn)技術(shù)的基礎上, 自主研制開(kāi)發(fā)了新一代節能型生物曝氣系統———FAS - Jet系列供氣式低壓射流曝氣好氧生物處理系統, 并將其成功應用于寧夏沙湖紙業(yè)有限公司2 000 m3 / d綜合廢水生物處理工程、日本獨資洛川伊天果汁有限公司20 000m3 / a濃縮果汁項目廢水處理工程等多項工程。

3　射流曝氣技術(shù)在我國工業(yè)廢水處理中的應用實(shí)例

3. 1　在醬油加工廢水處理中的應用牡丹江市調味廠(chǎng)日排放生產(chǎn)廢水60 m3 , 廢水中主要成分為糧食殘留物、各種微生物分泌的酶和代謝產(chǎn)物,還有微量洗滌劑、消毒劑。廢水主要來(lái)自包裝車(chē)間、生產(chǎn)車(chē)間的制曲、發(fā)酵回淋等生產(chǎn)工段[ 9 ] 。

該廠(chǎng)采用水解酸化—射流曝氣—煤渣吸附工藝處理廢水,其工藝流程見(jiàn)圖2。
其中曝氣池尺寸: 3. 0 m ×3. 0 m ×3. 5 m,有效容積45 m3 ,池中安裝一個(gè)射流曝氣器,噴嘴直徑20mm,充氧能力30 m3 / h。

表1　廢水處理效果 
項目 COD / (m g·L - 1 )  ρ( SS ) / (m g·L - 1 )  ρ(N H3  -N ) / (m g·L - 1 )  色度(稀釋倍數)  
處理前 700～1 300  150～280  35～55  80～350  
處理后 70～100  10～30  6～11  30～46  
平均去除率, %  92  90  85  87  

3. 2　在飲料加工廢水處理中的應用

武漢江申(百事可樂(lè ))飲料有限公司廢水處理工程處理廢水水量為550 m3 / d,廢水COD 為800～1 500 m g /L ,處理系統包括水解酸化池—接觸氧化池—序批式氧化溝。其中氧化溝有2座, 按序批式運行,總有效容積為457 m3 , 采用的曝氣設備是工作液總流量為320 m3 / h 的16 支自吸式射流曝氣器。運行結果表明, 自吸式射流曝氣器不僅滿(mǎn)足了曝氣充氧的要求,而且滿(mǎn)足了攪拌推流的要求,曝氣攪拌階段溝內混合液平均水平流速大于0. 25 m / s,活性污泥呈完全懸浮狀態(tài),沒(méi)有沉淀現象發(fā)生[ 8 ] 。該工程已于1997年11月正式竣工驗收。驗收前,武漢市東西湖區環(huán)境監測站取樣檢測COD, 檢測結果: 處理設施進(jìn)出口COD 平均值分別為869. 18, 46. 28 m g /L。
該結果表明, COD 總去除率在95%左右,其中氧化溝的去除率在90%左右, 達到了預期的效果。驗收后, 當進(jìn)水COD 達到1 500 m g /L 時(shí), 出水COD 仍小于100 m g /L。

3. 3　在制漿造紙廢水處理中的應用
寧夏沙湖紙業(yè)有限公司產(chǎn)紙量為35 000 t / a,該廠(chǎng)廢水主要來(lái)源于制漿和造紙工藝中的擠漿、洗漿和漂白等工段,廢水種類(lèi)包括黑液、中段水、白水和板紙廢水。其中黑液排放量為1 500 m3 / d, 其它廢水合并進(jìn)入中段水處理系統, 其排放量為18 500m3 / d。該廠(chǎng)綜合廢水處理工藝流程如圖3所示。作為好氧生物處理單元的氧化溝, 采用先進(jìn)的供氣式低壓射流曝氣系統供氧。該系統將氧化溝中的混合液用混合泵打入安裝在溝底的射流曝氣器,并在射流曝氣器的混合室與鼓風(fēng)機壓入的空氣混

圖2　廢水處理工藝流程

該廠(chǎng)廢水處理站處理能力90 m3 / d, 占地面積260 m2 ,總投資32萬(wàn)元,運行費用約1. 7元/m3 , 廢水處理效果見(jiàn)表1。合,完成氧從氣相向液相的轉移,同時(shí)對混合液在氧化溝中的循環(huán)流動(dòng)起到推動(dòng)作用, 充氧動(dòng)力效率可達5. 0 ～5. 8 kg / ( kW ·h ) 。該廢水處理工程于2003年3月20日開(kāi)始正式進(jìn)水調試, 2003年9月29日通過(guò)當地環(huán)保局檢測驗收[ 10 ] , 廢水處理效果
見(jiàn)表2。

圖3　綜合廢水處理工藝流程

表2　廢水處理效果 
項目 COD / (m g·L -1 )  BOD5 / (m g·L -1 )  ρ(SS) / (m g·L -1 )  pH  
混合池進(jìn)水 1 683  806  596  7.  2～8.  7  
水解酸化池出水 1 203  560  260  7.  0～8.  5  
二沉池出水 359  < 89  < 87  7.  0～7.  6  
去除率, %  > 78  > 89  > 86     

4　結語(yǔ)
射流曝氣器是向生化廢水中提供足夠溶解氧的關(guān)鍵設備,它的充氧性能不僅影響生化效果,而且直接影響運行費用。射流曝氣技術(shù)的應用與完善, 關(guān)鍵在于射流曝氣器的研究與發(fā)展。常規射流器由于充氧能力和動(dòng)力效率較低, 限制了該技術(shù)的推廣應用。因此,針對現有射流器的不足之處研制開(kāi)發(fā)新型射流器,不斷提高其充氧效率, 提高氧利用率, 改善氧轉移動(dòng)力效率; 根據不同的原水水質(zhì)和應用條件,開(kāi)發(fā)不同型號的射流曝氣器,使射流曝氣技術(shù)得到進(jìn)一步推廣應用, 是推進(jìn)射流曝氣技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。

參　考　文　獻
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