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1、均勻受限曝氣機(jī)理及清水充氧試驗(yàn)研究 曝氣是污水好氧生化處理系統(tǒng)的一個(gè)重要工藝環(huán)節(jié)，它的作用是向反應(yīng)器內(nèi)充氧，保證微生物生化作用所需之溶解氧，并保持反應(yīng)器內(nèi)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(jī)物提供有利的生化反應(yīng)條件。同時(shí)，曝氣也是污水好氧生化處理系統(tǒng)中運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用最高的工藝環(huán)節(jié)，曝氣充氧電耗一般占總動(dòng)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(shí)間一般需6～8h，空壓機(jī)所供氧量的利用率只有百分之幾，大部分被白白浪費(fèi)掉了，這就使曝氣池設(shè)備
2、的體積及基建投資龐大，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用很高，很多城市或工廠的污水處理難以實(shí)施，而許多已建污水廠難以維持正常運(yùn)轉(zhuǎn)，其主要原因即在于此。因而，高效節(jié)能型曝氣技術(shù)的研究已成為當(dāng)前污水生物處理技術(shù)領(lǐng)域面臨的最重要課題之一?！ ?均勻受限曝氣的動(dòng)力學(xué)機(jī)理 傳統(tǒng)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?cái)U(kuò)散，由于水流本身湍動(dòng)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(zhǎng)大，加上活性污泥絮凝體尺寸也較大，比表面積小，傳質(zhì)效率低下。也就是說(shuō)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(qiáng)剪切并形成高傳質(zhì)流
3、態(tài)上，形成浪費(fèi)［1］。受限曝氣是一種較科學(xué)的曝氣方式，它利用狹小豎向通道的壁面對(duì)上升氣流的約束作用，對(duì)水流形成劇烈擾動(dòng)，造成系統(tǒng)內(nèi)強(qiáng)烈的湍流剪切，并利用它抑制氣泡與活性污泥絮體的長(zhǎng)大?；炷齽?dòng)力學(xué)的研究成果表明［2］，弗羅德數(shù)Fr=v2/gL是反映湍流剪切作用的相似準(zhǔn)則數(shù)，F(xiàn)r越大則剪切作用越強(qiáng)。從式中可見(jiàn)，在同樣流速下，流動(dòng)空間越小剪切作用越強(qiáng)。因此，讓很少的氣流通過(guò)一些小的豎向流動(dòng)空間就可以造成強(qiáng)剪切，實(shí)現(xiàn)小尺度氣泡與小尺度活性污泥絮體的高分散狀態(tài)，并為實(shí)現(xiàn)高傳質(zhì)的工況提供必要條件。在這種條件下，一方面利用氣流的上
4、升作用大幅度增強(qiáng)了水流的湍動(dòng)能量，另一方面利用湍動(dòng)水流的剪切作用抑制了氣泡與活性污泥絮體的長(zhǎng)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(zhì)的生化環(huán)境。此時(shí)，空氣所攜帶的能量得到了更充分的利用?！ ⊥瑫r(shí)，在受限曝氣水流中充滿著高比例高強(qiáng)度的微渦旋，形成了強(qiáng)烈湍動(dòng)的流態(tài)。利用湍動(dòng)水流的慣性效應(yīng)，特別是微渦旋的離心慣性效應(yīng)(二者正是微細(xì)部物相遷移和接觸的動(dòng)力學(xué)致因［2］)可加速微小氣泡、活性污泥相對(duì)于有機(jī)底物的遷移，大幅度增加亞微觀傳質(zhì)速率和有機(jī)質(zhì)與氧向微小活性污泥絮體轉(zhuǎn)移的速率。當(dāng)活性污泥菌膠
5、團(tuán)因生化作用利用了吸附的氧與有機(jī)質(zhì)后，附近的氧與有機(jī)質(zhì)向菌膠團(tuán)的繼續(xù)擴(kuò)散就屬于亞微觀尺度的擴(kuò)散。當(dāng)然，其擴(kuò)散阻力比宏觀擴(kuò)散高幾個(gè)數(shù)量級(jí)［3］，擴(kuò)散速率遠(yuǎn)小于活性污泥在生物酶作用下的生化反應(yīng)速率，因此亞微觀傳質(zhì)速率就成了影響活性污泥法處理效率的決定因素。一般認(rèn)為，氧與有機(jī)底物向污泥絮體中的傳質(zhì)可分為三個(gè)部分：液相傳質(zhì)、活性污泥附液膜傳質(zhì)、固相傳質(zhì)。液相傳質(zhì)在湍動(dòng)水流中由湍流擴(kuò)散可以迅速完成。固相傳質(zhì)可用多孔丸模型描述，在湍動(dòng)水流中形成的微小絮體可使其傳質(zhì)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(zhì)，它取決于兩
6、個(gè)因素：①液膜厚度δ越大，傳質(zhì)阻力越大，速度越低；②液膜兩側(cè)濃度差值越大，傳質(zhì)速度越快。由于附液膜附近的液相傳質(zhì)屬于亞微觀傳質(zhì)范疇，故其傳質(zhì)速度很小，當(dāng)此處氧與有機(jī)質(zhì)因生化反應(yīng)消耗后，不能得到迅速及時(shí)的補(bǔ)充，附液膜兩側(cè)的濃度差就很小，氧與有機(jī)質(zhì)向附液膜內(nèi)轉(zhuǎn)移的速度也就很小，嚴(yán)重防礙生化反應(yīng)的進(jìn)行。研究認(rèn)為，亞微觀尺度下的傳質(zhì)主要是由物質(zhì)相對(duì)遷移造成的，加強(qiáng)慣性效應(yīng)特別是微渦旋離心慣性效應(yīng)，是增加氧與有機(jī)質(zhì)在附液膜附近的亞微觀區(qū)域內(nèi)與水相對(duì)運(yùn)動(dòng)的有效措施：①?gòu)?qiáng)化慣性效應(yīng)的同時(shí)也就增加了這個(gè)區(qū)域的湍流剪切力，降低了附液膜
7、厚度；②強(qiáng)化慣性效應(yīng)也就提高了附液膜附近液相中氧與有機(jī)質(zhì)的補(bǔ)充速度和濃度，也就增加了附液膜內(nèi)外的濃度差，因此也就有效地提高了生化體系的傳質(zhì)速度?！ 【C上所述，合理利用風(fēng)機(jī)供氣所提供的能量，提高反應(yīng)器中水流的湍動(dòng)強(qiáng)度，是提高曝氣效果、強(qiáng)化三相傳質(zhì)——反應(yīng)效率的可行途徑，也是所提出的受限曝氣技術(shù)的動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)。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(qiáng)，因此生物膜厚度很薄，氧與基質(zhì)向生物膜中轉(zhuǎn)移速率很高且活性好，是一種高效生物膜。由此可見(jiàn)這種新工藝是高分散系高傳質(zhì)的活性污泥法與高效生物膜法的
8、有機(jī)復(fù)合。在研究亞微觀動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的同時(shí)，也注意到了傳統(tǒng)污水處理技術(shù)在宏觀動(dòng)力學(xué)上仍存在很多不足［4］。例如常用的微孔曝氣設(shè)備普遍存在非曝氣主流區(qū)與曝氣死區(qū)問(wèn)題，前者需要靠消耗較多能耗形成水力循環(huán)運(yùn)動(dòng)，把非曝氣主流區(qū)的污水帶到曝氣主流區(qū)（一般即微孔曝氣頭上部有效空間）進(jìn)行充氧，這就較大地延長(zhǎng)了曝氣時(shí)間，并浪費(fèi)了較多的能量；后者只能把已經(jīng)曝氣充氧的
