王紹文 王鶴立 徐立群 赫俊國
(哈爾濱建筑大學多相工藝研究中心)

　　摘　要 闡述了受限曝氣的動力學特點，并進行了處理制革廢水的試驗研究。結果表明，均勻受限曝氣所實現的高分散系、高傳質的好氧生化體系對有機性廢水的處理效率高，能耗低，切實可行。
　　關鍵詞 制革廢水 好氧工藝 受限曝氣 質量傳遞

　　曝氣是污水好氧生化處理系統中最重要也是運轉費用最高的工藝環節。以城市污水好氧曝氣工藝為例，污水在曝氣池中的處理時間需6～8 h，鼓風機提供的能量利用率只有百分之幾，大部分能量白白浪費掉了，這樣使許多已建污水廠難以維持正常運轉。目前，要使我國的水污染狀況有重大改觀，急需一種高效率、低能耗的好氧曝氣技術。
　　傳統曝氣工藝形成上述情形的癥結所在是對動力學認識不足。首先從宏觀動力學上看，曝氣池大多存在曝氣死區。死區中的水要得到處理，一是靠曝氣造成的循環水流把其帶到主流區進行曝氣；二是靠已曝過氣的污水擴散到死水區進行充氧。顯然，為了處理死水區的污水，需要大幅度地增加曝氣時間與曝氣池的體積。為解決這個問題，研制了可方便地布滿曝氣池底部、徹底消除曝氣死區、實現均勻曝氣的大型微孔曝氣頭。
　　但更重要的是亞微觀水處理工藝動力學一直沒有得到足夠的重視。其一，好氧曝氣屬于氣、液、固多相物系的生化反應過程，其反應最基本的先決條件是物相接觸，即只有活性污泥、有機質與氧充分接觸，生化反應才能有效進行，而在多相流動物系中物相(亞微觀尺度)接觸的動力學致因工程界尚未形成清楚的認識。其二，為了持續進行反應與加快反應速率，應該不斷地更換其接觸面，使已經處理好的水從活性污泥或生物膜處流走，未處理的來水使生化消耗掉的溶解氧能得到及時補充。它涉及到氧與有機底質在細微部的質量傳遞問題，與蜚克定律所描寫的宏觀傳質規律截然不同，屬于亞微觀傳質范疇，其傳質阻力比宏觀傳質阻力高幾個數量級，其傳質過程也與宏觀傳質不同^［１］。上述兩個問題正是亞微觀水處理工藝動力學的核心問題，亞微觀是介于宏觀與微觀之間，相當于湍流渦旋微結構尺度量級的研究領域。亞微觀尺度的動力學研究能更真實地反映湍流水力條件等因素對水中物質遷移的作用和影響。正由于人們對其缺乏認識，故目前的好氧曝氣技術在工藝動力學上尚處于低效率高能耗的經驗摸索階段，風機提供的能量絕大部分變成了大氣團上升的動能白白浪費掉，從微孔曝氣出來的小氣泡迅速合并長大成大氣團，氣團尺度越大其上升速度越大，停留時間越短，表面積越小，氧的轉移率越低，使90%以上的電能白白浪費掉。為解決這個問題，研究實現了受限曝氣技術。

1 均勻受限曝氣的動力學基礎

　　傳統的曝氣方式是自由曝氣，即上升的氣泡流不受邊壁的約束，自由上升流動，雖然上升流速很大，但水流本身的剪切作用很小。故此，混合液中氣泡很大，活性污泥顆粒也很大，傳質速度很低，即空氣被輸送時所攜帶的能量并未有效地利用在造成水流強剪切形成高傳質流態上而被白白地浪費掉。
　　受限曝氣是一種全新的科學曝氣方式，它利用豎向通道的壁面對上升氣流的約束作用在水流中所形成的強擾動來造成水流中強烈的湍流剪切，并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^［2］，弗羅德數 Fr=v2/gL是反應湍流剪切作用的相似準則數，弗羅德數越大剪切作用越強。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傳質狀態，使空氣所攜帶的能量得到充分的利用。在這種環境下，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，大大增加了氣泡與活性污泥絮體比表面積，形成了曝氣池高分散系、高傳質的生化環境。
　　另外，在受限曝氣水流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可加速微小氣泡、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。當活性污泥菌膠團因生化作用吸收了附近的氧與有機底質后，附近的氧與有機底質向菌膠團的擴散正是屬于亞微觀尺度的擴散，其擴散阻力很大，擴散速度比宏觀擴散小幾千倍，速率遠小于活性污泥在生物酶作用下的生化反應速率，因而亞微觀傳質速率就成了活性污泥法處理效率的決定因素。理論上，氧與有機底質向污泥中的傳質分為三部分：液相傳質、活性污泥附液膜傳質、固相傳質。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，δ越大，傳質阻力越大，速度越低；②液膜兩側濃度差，這一數值越大，傳質速度越大。由于污泥附液膜附近液相傳質屬于亞微觀傳質范疇，故其傳質速度很小。這樣，當此處氧與有機底質因生化反應消耗后不能迅速及時地得到補充，污泥附液膜兩側的濃度差就很小，氧與有機底質向附液膜內轉移的速度也就很小，嚴重妨礙生化反應的進行。研究認為，在亞微觀尺度下，傳質主要是由物質遷移造成的，更確切地說是由于物質(氧與有機底質)相對于水的遷移造成的，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底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底質的補充速度和濃度，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。
　　另一方面受限曝氣器的表面就是生物膜的附著面，由于受限曝氣器中湍流剪切很強，因而生物膜厚度很薄，氧與有機底質向生物膜中轉移速率很高、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結合。從工藝動力學來看，新工藝的流態是科學的，它不僅可以大幅度縮減好氧曝氣時間，而且可以大幅度減少電能消耗。

2 驗條件及分析方法

試驗用水系某制革廠廢水處理站的調節沉淀池出水，其水質如表1。

　　試驗的工藝流程如圖1所示。活性污泥反應器內填充立管材料，使水、氣的流動空間受其通道壁面的限制。底部布置大型微孔曝氣頭，形成均勻曝氣。

　　試驗用均勻受限曝氣活性污泥反應器的有效容積為1m³，進水流量為0.25m³/h，污泥回流比100%。進水與回流污泥皆采用自動控制連續運行。不同的有機負荷通過改變水質和混合液污泥濃度來實現。供氣量通過氣體流量計控制調節。試驗條件改變時，待運行穩定后再取樣，以提高試驗數據的準確可靠性。試驗啟動后，每天在4個取樣點取樣觀察SV、生物相，并測定相應的pH值、DO、MLSS、COD等，對有機負荷率、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，以尋求均勻受限曝氣的最佳設計與控制參數。

3 試驗結果及分析?

3.1 有機物降解情況
　　均勻受限曝氣式活性污泥法的試驗結果說明了該工藝能在較短時間內高效降解有機物。圖2所示是15～20℃水溫時廢水中有機物隨反應時間的變化規律曲線。可以看到在反應開始的1h內，COD由440～736mg/L變為18～326mg/L，均以較大的速度下降，有機物降解曲線幾乎呈直線下降。反應初期，原水與回流污泥在混合擴散設備中被高速旋轉混合，在水的強剪切作用下，回流污泥絮體得到充分分散，從而提高了活性污泥的活性，加強了傳質過程；此時有機底物濃度高，被微生物吸附和分解的速度也較快，因此在反應初期有機底物去除效率很高。反應2h后曲線趨于平緩，反應至4h的COD值接近于150mg/L，可以認為此時廢水中的COD濃度已接近于在本試驗條件下難降解有機物的濃度Sn，所以曲線趨于平緩，COD值下降緩慢，雖然有機底物隨反應時間的增加而降低。

3.2 水溫對有機物降解的影響
　　本試驗在氣溫較低的3月末(T=6～10℃)啟動，正常運轉后，水溫隨季節自然變化，經歷了10～15℃、15～20℃、20～25℃三個溫度段。圖3所示是在相同負荷、不同水溫條件下，有機物在均勻受限曝氣反應器內的降解規律(圖中S0表示反應器進水COD濃度，Si表示反應時間為i時反應器內的COD濃度)。試驗表明，在較低溫度條件下，微生物仍能較正常地繁殖和生長發育，完成培養和馴化過程；在相同負荷條件下，溫度的變化不會引起處理效果的較大差異。本試驗的低溫階段(T=10～15℃)有機物去除率仍較高(70%以上)。研究認為，均勻受限曝氣式活性污泥反應器內多相物質的流態有利于加強傳質過程，提高活性污泥降解有機物的效率，從而削弱了低溫對生化反應速率的影響，提高了對溫度的適應性。此外，在溫度較低時，適當增加反應器內活性污泥濃度，可減小溫度對處理效果的影響。?

3.3 有機負荷率對有機物降解的影響
　　圖4所示是T=15～20℃時有機物負荷率對廢水處理效果的影響。可以看出，在相同反應時間里，隨著有機負荷率的提高，處理效果有所降低。從曲線的變化趨勢看，隨著反應時間的增加，這一影響明顯地趨于減小。同理在其他溫度條件下也存在著同樣的規律。圖中的結果是進水流量恒定在0.25m³/h、維持COD濃度在550mg/L左右，使MLSS由2490mg/L下降到1174mg/L而得到的。從試驗結果看，當有機負荷率高達2.80kgCOD/(kgMLSS·d)時，廢水在反應器內經4h反應后，出水中殘存COD所占進水的比例(Si/S0)將在30%以下，也就是去除率達70%以上。

3.4 氣水比對有機物降解的影響
　　試驗中控制有機負荷率為1.24kgCOD/(kgMLSS·d)左右，進水流量恒定，通過改變供氣量來調整氣水比，試驗結果見圖5。可以看到在反應2 h內，有機物初期降解速率隨氣水比的增加而逐漸增大，降解曲線逐漸變陡；在反應2h后，Si/S0已接近反應4h的Si/S0；在氣水比為(8～9)∶1時，有機物降解效果最好，此時出水中的有機物濃度約占原水的20%左右，去除率達80%。

　　活性污泥降解有機物的過程中，曝氣除提供必需的氧外，更重要的是使系統內多相物質處于最有利的傳質狀態。顯然，當氣水比增加時，系統溶解氧增多，活性污泥活性增加；另一方面，系統內上升微氣泡增多，使水的繞流速度增大，隨之慣性效應增強，湍流剪切力增強，有助于提高傳質和反應速率。反應初期的可利用營養物質較多，結果是有機物初期降解速率隨氣水比的增加而逐漸增大。當反應進行2h后，可以認為系統內有機底物濃度已接近本試驗條件下的難降解物質濃度Sn，因此有機物降解曲線下降緩慢。?
3.5 污泥增長的試驗研究
　　污泥增長量在污水廠運行中是被人們廣泛關注的一個重要問題。在反應器內降解有機物的同時由于新細胞的合成活性污泥在量上有所增長，但是由于內源代謝作用，其數量在增長的基礎上還略有減少。試驗求得了各溫度段產率系數Y、自身氧化率(衰減系數)Kd的值，如表2。

　　從表中數據可以看出：各溫度段的產率系數Y值都比較大，均在0.519以上；Kd值更高，在0.252以上。兩者均隨溫度的升高而增大，研究認為，上述現象是由本試驗工藝條件所決定的。在均勻受限曝氣的狀態下，由于加大了水的繞流速度和生活污泥絮體等小顆粒的慣性作用，使氣、水、有機底物、活性污泥絮體等多相物質的速度差增大，提高了它們的接觸碰撞機會，極大地增加了反應器內多相物質的有效碰撞幾率，加強了氧、水、活性污泥絮體、有機底物等物相的傳質，從而使生化反應速度加快。因此，微生物利用營養細胞自身合成和內源代謝的速度均被提高，導致Y、K_d值均較大。另外，溫度升高，酶活性隨之提高，細胞的合成以及內源代謝的速度加快，所以Y、K_d值隨溫度的升高而增大。?
3.6與完全混合式活性污泥法的比較
　　將本試驗的有關參數與哈爾濱制革廠廢水處理站的完全混合式活性污泥法運行參數列于表3，兩者所對應的月平均處理效果見圖6。

　　可以看到，均勻受限曝氣的時間只是完全混合式的20%，供氣量亦不到其20%，污泥負荷率是完全混合式的3～5倍，出水COD月平均值在150mg/L左右，各項指標均優于完全混合。

4 結論?

　　①采用均勻受限曝氣式活性污泥反應器處理有機性廢水(制革廢水)在技術上是可行的。當曝氣系統進水 COD介于427～750 mg/L、BOD5介于224～396mg/L時，經4h反應后出水COD<150mg/L、BOD₅<20mg/L，均優于行業廢水排放標準；同時對懸浮物有良好的去除作用，出水懸浮物一般在60mg/L以下。
　　②本工藝由于強化了物相傳質，能有效地削弱低溫對生化反應速率的影響，提高活性污泥微生物對溫度的適應性。
　　③均勻受限曝氣能較大地提高活性污泥法的有機負荷率。試驗中將有機負荷率提高到2.80kgCOD/(kgMLSS·d)，廢水在曝氣系統內反應4h后，有機物去除率仍能達到70%以上。
　　④本試驗工藝形成了高分散系、高傳質的生化環境，提高了能量的利用率，從而節省了供氣量。在有機負荷率為1.24kgCOD/(kgMLSS·d)條件下，氣水比僅為(8～9)∶1，可使制革廢水的COD去除率達80%左右。
　　⑤本試驗工藝的活性污泥產率較高，產率系數Y值在0.519以上；同時內源代謝也比較快，衰減系數Kd 較大，一般在0.252以上，證實了本工藝的高分散系高傳質的生化環境有利于提高微生物活性。
　　⑥試驗證明，均勻受限曝氣式活性污泥法明顯優于完全混合式，其高效、快速、節能降耗等方面也領先于其 他廢水處理工藝，進一步的研究工作將有助于推動廢水處理技術的發展。

參考文獻

　　1　王紹文.混凝動力學的渦旋理論探討.中國給水排水，1991；7(1)?
　　2　王紹文.慣性效應在絮凝中的動力學作用.中國給水排水，1998；14(2)

　　作者簡介：王紹文(1937-) 男 哈爾濱建筑大學教授?
　　通訊處：150009 哈爾濱市南崗區海河路202號 建工新區815信箱?
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