高分散系、高传质均匀受限曝气处理制革废水研究

王绍文 王鹤立 徐立群 赫俊国
(哈尔滨建筑大学多相工艺研究中心)

　　摘　要 阐述了受限曝气的动力学特点，并进行了处理制革废水的试验研究。结果表明，均匀受限曝气所实现的高分散系、高传质的好氧生化体系对有机性废水的处理效率高，能耗低，切实可行。
　　关键词 制革废水 好氧工艺 受限曝气 质量传递

　　曝气是污水好氧生化处理系统中最重要也是运转费用最高的工艺环节。以城市污水好氧曝气工艺为例，污水在曝气池中的处理时间需6～8 h，鼓风机提供的能量利用率只有百分之几，大部分能量白白浪费掉了，这样使许多已建污水厂难以维持正常运转。目前，要使我国的水污染状况有重大改观，急需一种高效率、低能耗的好氧曝气技术。
　　传统曝气工艺形成上述情形的症结所在是对动力学认识不足。首先从宏观动力学上看，曝气池大多存在曝气死区。死区中的水要得到处理，一是靠曝气造成的循环水流把其带到主流区进行曝气；二是靠已曝过气的污水扩散到死水区进行充氧。显然，为了处理死水区的污水，需要大幅度地增加曝气时间与曝气池的体积。为解决这个问题，研制了可方便地布满曝气池底部、彻底消除曝气死区、实现均匀曝气的大型微孔曝气头。
　　但更重要的是亚微观水处理工艺动力学一直没有得到足够的重视。其一，好氧曝气属于气、液、固多相物系的生化反应过程，其反应最基本的先决条件是物相接触，即只有活性污泥、有机质与氧充分接触，生化反应才能有效进行，而在多相流动物系中物相(亚微观尺度)接触的动力学致因工程界尚未形成清楚的认识。其二，为了持续进行反应与加快反应速率，应该不断地更换其接触面，使已经处理好的水从活性污泥或生物膜处流走，未处理的来水使生化消耗掉的溶解氧能得到及时补充。它涉及到氧与有机底质在细微部的质量传递问题，与蜚克定律所描写的宏观传质规律截然不同，属于亚微观传质范畴，其传质阻力比宏观传质阻力高几个数量级，其传质过程也与宏观传质不同^［１］。上述两个问题正是亚微观水处理工艺动力学的核心问题，亚微观是介于宏观与微观之间，相当于湍流涡旋微结构尺度量级的研究领域。亚微观尺度的动力学研究能更真实地反映湍流水力条件等因素对水中物质迁移的作用和影响。正由于人们对其缺乏认识，故目前的好氧曝气技术在工艺动力学上尚处于低效率高能耗的经验摸索阶段，风机提供的能量绝大部分变成了大气团上升的动能白白浪费掉，从微孔曝气出来的小气泡迅速合并长大成大气团，气团尺度越大其上升速度越大，停留时间越短，表面积越小，氧的转移率越低，使90%以上的电能白白浪费掉。为解决这个问题，研究实现了受限曝气技术。

1 均匀受限曝气的动力学基础

　　传统的曝气方式是自由曝气，即上升的气泡流不受边壁的约束，自由上升流动，虽然上升流速很大，但水流本身的剪切作用很小。故此，混合液中气泡很大，活性污泥颗粒也很大，传质速度很低，即空气被输送时所携带的能量并未有效地利用在造成水流强剪切形成高传质流态上而被白白地浪费掉。
　　受限曝气是一种全新的科学曝气方式，它利用竖向通道的壁面对上升气流的约束作用在水流中所形成的强扰动来造成水流中强烈的湍流剪切，并用它抑制气泡与活性污泥絮体的长大。混凝动力学的研究成果表^［2］，弗罗德数 Fr=v2/gL是反应湍流剪切作用的相似准则数，弗罗德数越大剪切作用越强。从式中可见，在同样流速下，流动空间越小剪切作用越强。因此，让很少的气流通过一些小的竖向流动空间就可以造成强剪切，实现小尺度气泡与小尺度活性污泥絮体的高传质状态，使空气所携带的能量得到充分的利用。在这种环境下，一方面利用气流的上升作用大幅度增强了水流的湍动能量，另一方面用湍动水流的剪切作用抑制了气泡与活性污泥絮体的长大，大大增加了气泡与活性污泥絮体比表面积，形成了曝气池高分散系、高传质的生化环境。
　　另外，在受限曝气水流中充满高比例高强度的微涡旋，利用微涡旋的离心惯性效应可加速微小气泡、活性污泥相对有机底质的迁移，大幅度增加亚微观传质速率和有机底质与氧向微小活性污泥絮体转移的速率。当活性污泥菌胶团因生化作用吸收了附近的氧与有机底质后，附近的氧与有机底质向菌胶团的扩散正是属于亚微观尺度的扩散，其扩散阻力很大，扩散速度比宏观扩散小几千倍，速率远小于活性污泥在生物酶作用下的生化反应速率，因而亚微观传质速率就成了活性污泥法处理效率的决定因素。理论上，氧与有机底质向污泥中的传质分为三部分：液相传质、活性污泥附液膜传质、固相传质。三者之中起决定性作用的是活性污泥附液膜的传质，它取决于两个因素：①液膜厚度δ，δ越大，传质阻力越大，速度越低；②液膜两侧浓度差，这一数值越大，传质速度越大。由于污泥附液膜附近液相传质属于亚微观传质范畴，故其传质速度很小。这样，当此处氧与有机底质因生化反应消耗后不能迅速及时地得到补充，污泥附液膜两侧的浓度差就很小，氧与有机底质向附液膜内转移的速度也就很小，严重妨碍生化反应的进行。研究认为，在亚微观尺度下，传质主要是由物质迁移造成的，更确切地说是由于物质(氧与有机底质)相对于水的迁移造成的，加强惯性效应特别是微涡旋离心惯性效应是增加氧与有机底质在附液膜附近的亚微观区域内与水相对运动的有效措施：①强化惯性效应的同时也就增加了这个区域的湍流剪切力，降低了附液膜厚度；②强化惯性效应也就提高了附液膜附近液相中氧与有机底质的补充速度和浓度，增加了附液膜内外的浓度差，因此也就有效地提高了生化体系的传质速度。
　　另一方面受限曝气器的表面就是生物膜的附着面，由于受限曝气器中湍流剪切很强，因而生物膜厚度很薄，氧与有机底质向生物膜中转移速率很高、活性好，是一种高效生物膜。由此可见，这种新工艺是高分散系高传质的活性污泥法与高效生物膜法的有机结合。从工艺动力学来看，新工艺的流态是科学的，它不仅可以大幅度缩减好氧曝气时间，而且可以大幅度减少电能消耗。

2 验条件及分析方法

试验用水系某制革厂废水处理站的调节沉淀池出水，其水质如表1。

　　试验的工艺流程如图1所示。活性污泥反应器内填充立管材料，使水、气的流动空间受其通道壁面的限制。底部布置大型微孔曝气头，形成均匀曝气。

　　试验用均匀受限曝气活性污泥反应器的有效容积为1m³，进水流量为0.25m³/h，污泥回流比100%。进水与回流污泥皆采用自动控制连续运行。不同的有机负荷通过改变水质和混合液污泥浓度来实现。供气量通过气体流量计控制调节。试验条件改变时，待运行稳定后再取样，以提高试验数据的准确可靠性。试验启动后，每天在4个取样点取样观察SV、生物相，并测定相应的pH值、DO、MLSS、COD等，对有机负荷率、气水比等不同条件下的有机物降解规律及活性污泥增长规律等进行研究，以寻求均匀受限曝气的最佳设计与控制参数。

3 试验结果及分析?

3.1 有机物降解情况
　　均匀受限曝气式活性污泥法的试验结果说明了该工艺能在较短时间内高效降解有机物。图2所示是15～20℃水温时废水中有机物随反应时间的变化规律曲线。可以看到在反应开始的1h内，COD由440～736mg/L变为18～326mg/L，均以较大的速度下降，有机物降解曲线几乎呈直线下降。反应初期，原水与回流污泥在混合扩散设备中被高速旋转混合，在水的强剪切作用下，回流污泥絮体得到充分分散，从而提高了活性污泥的活性，加强了传质过程；此时有机底物浓度高，被微生物吸附和分解的速度也较快，因此在反应初期有机底物去除效率很高。反应2h后曲线趋于平缓，反应至4h的COD值接近于150mg/L，可以认为此时废水中的COD浓度已接近于在本试验条件下难降解有机物的浓度Sn，所以曲线趋于平缓，COD值下降缓慢，虽然有机底物随反应时间的增加而降低。

3.2 水温对有机物降解的影响
　　本试验在气温较低的3月末(T=6～10℃)启动，正常运转后，水温随季节自然变化，经历了10～15℃、15～20℃、20～25℃三个温度段。图3所示是在相同负荷、不同水温条件下，有机物在均匀受限曝气反应器内的降解规律(图中S0表示反应器进水COD浓度，Si表示反应时间为i时反应器内的COD浓度)。试验表明，在较低温度条件下，微生物仍能较正常地繁殖和生长发育，完成培养和驯化过程；在相同负荷条件下，温度的变化不会引起处理效果的较大差异。本试验的低温阶段(T=10～15℃)有机物去除率仍较高(70%以上)。研究认为，均匀受限曝气式活性污泥反应器内多相物质的流态有利于加强传质过程，提高活性污泥降解有机物的效率，从而削弱了低温对生化反应速率的影响，提高了对温度的适应性。此外，在温度较低时，适当增加反应器内活性污泥浓度，可减小温度对处理效果的影响。?

3.3 有机负荷率对有机物降解的影响
　　图4所示是T=15～20℃时有机物负荷率对废水处理效果的影响。可以看出，在相同反应时间里，随着有机负荷率的提高，处理效果有所降低。从曲线的变化趋势看，随着反应时间的增加，这一影响明显地趋于减小。同理在其他温度条件下也存在着同样的规律。图中的结果是进水流量恒定在0.25m³/h、维持COD浓度在550mg/L左右，使MLSS由2490mg/L下降到1174mg/L而得到的。从试验结果看，当有机负荷率高达2.80kgCOD/(kgMLSS·d)时，废水在反应器内经4h反应后，出水中残存COD所占进水的比例(Si/S0)将在30%以下，也就是去除率达70%以上。

3.4 气水比对有机物降解的影响
　　试验中控制有机负荷率为1.24kgCOD/(kgMLSS·d)左右，进水流量恒定，通过改变供气量来调整气水比，试验结果见图5。可以看到在反应2 h内，有机物初期降解速率随气水比的增加而逐渐增大，降解曲线逐渐变陡；在反应2h后，Si/S0已接近反应4h的Si/S0；在气水比为(8～9)∶1时，有机物降解效果最好，此时出水中的有机物浓度约占原水的20%左右，去除率达80%。

　　活性污泥降解有机物的过程中，曝气除提供必需的氧外，更重要的是使系统内多相物质处于最有利的传质状态。显然，当气水比增加时，系统溶解氧增多，活性污泥活性增加；另一方面，系统内上升微气泡增多，使水的绕流速度增大，随之惯性效应增强，湍流剪切力增强，有助于提高传质和反应速率。反应初期的可利用营养物质较多，结果是有机物初期降解速率随气水比的增加而逐渐增大。当反应进行2h后，可以认为系统内有机底物浓度已接近本试验条件下的难降解物质浓度Sn，因此有机物降解曲线下降缓慢。?
3.5 污泥增长的试验研究
　　污泥增长量在污水厂运行中是被人们广泛关注的一个重要问题。在反应器内降解有机物的同时由于新细胞的合成活性污泥在量上有所增长，但是由于内源代谢作用，其数量在增长的基础上还略有减少。试验求得了各温度段产率系数Y、自身氧化率(衰减系数)Kd的值，如表2。

　　从表中数据可以看出：各温度段的产率系数Y值都比较大，均在0.519以上；Kd值更高，在0.252以上。两者均随温度的升高而增大，研究认为，上述现象是由本试验工艺条件所决定的。在均匀受限曝气的状态下，由于加大了水的绕流速度和生活污泥絮体等小颗粒的惯性作用，使气、水、有机底物、活性污泥絮体等多相物质的速度差增大，提高了它们的接触碰撞机会，极大地增加了反应器内多相物质的有效碰撞几率，加强了氧、水、活性污泥絮体、有机底物等物相的传质，从而使生化反应速度加快。因此，微生物利用营养细胞自身合成和内源代谢的速度均被提高，导致Y、K_d值均较大。另外，温度升高，酶活性随之提高，细胞的合成以及内源代谢的速度加快，所以Y、K_d值随温度的升高而增大。?
3.6与完全混合式活性污泥法的比较
　　将本试验的有关参数与哈尔滨制革厂废水处理站的完全混合式活性污泥法运行参数列于表3，两者所对应的月平均处理效果见图6。

　　可以看到，均匀受限曝气的时间只是完全混合式的20%，供气量亦不到其20%，污泥负荷率是完全混合式的3～5倍，出水COD月平均值在150mg/L左右，各项指标均优于完全混合。

4 结论?

　　①采用均匀受限曝气式活性污泥反应器处理有机性废水(制革废水)在技术上是可行的。当曝气系统进水 COD介于427～750 mg/L、BOD5介于224～396mg/L时，经4h反应后出水COD<150mg/L、BOD₅<20mg/L，均优于行业废水排放标准；同时对悬浮物有良好的去除作用，出水悬浮物一般在60mg/L以下。
　　②本工艺由于强化了物相传质，能有效地削弱低温对生化反应速率的影响，提高活性污泥微生物对温度的适应性。
　　③均匀受限曝气能较大地提高活性污泥法的有机负荷率。试验中将有机负荷率提高到2.80kgCOD/(kgMLSS·d)，废水在曝气系统内反应4h后，有机物去除率仍能达到70%以上。
　　④本试验工艺形成了高分散系、高传质的生化环境，提高了能量的利用率，从而节省了供气量。在有机负荷率为1.24kgCOD/(kgMLSS·d)条件下，气水比仅为(8～9)∶1，可使制革废水的COD去除率达80%左右。
　　⑤本试验工艺的活性污泥产率较高，产率系数Y值在0.519以上；同时内源代谢也比较快，衰减系数Kd 较大，一般在0.252以上，证实了本工艺的高分散系高传质的生化环境有利于提高微生物活性。
　　⑥试验证明，均匀受限曝气式活性污泥法明显优于完全混合式，其高效、快速、节能降耗等方面也领先于其 他废水处理工艺，进一步的研究工作将有助于推动废水处理技术的发展。

参考文献

　　1　王绍文.混凝动力学的涡旋理论探讨.中国给水排水，1991；7(1)?
　　2　王绍文.惯性效应在絮凝中的动力学作用.中国给水排水，1998；14(2)

　　作者简介：王绍文(1937-) 男 哈尔滨建筑大学教授?
　　通讯处：150009 哈尔滨市南岗区海河路202号 建工新区815信箱?
　　电　　话：(0451)5646472