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水力
流态研究在污水处理曝气池中的应用
薄荣业1
(1.桂林理工大学环境与科学学院,广西桂林)
摘要:
水资源短缺,水污染严重已经成为制约我国经济和社会发展的重要因素。
随之出现了许多新兴污水处理工艺。
活性污泥法仍是首选工艺,而曝气池是活性污泥法的心脏。
目前有关曝气池的研究主要集中在各种废水的处理效果方面,而对曝气池的流场分布与水力特性方面的理论研究还较少。
本文通过实验对其进行研究,以提高曝气池处理效果和效率。
关键词:
活性污泥法曝气池流态PIV
Abstract:
TheshortageofwaterresourcesandwaterpollutionhavebecomeanimportantfactorrestrictingChina'seconomicandsocialdevelopment.Thenmanynewsewagetreatmenttechnologiesemerge.Theactivatedsludgeprocessisstillthepreferredtechnique,andtheactivatedsludgeaerationtankistheheartofit.Atpresenttheresearchonthetreatmenteffectinallkindsofwastewaterofaerationtankispopular,andtheoreticalresearchonthehydrauliccharacteristicsoftheflowfielddistributionandtheaerationtankisless.Inthispaper,throughtheexperimentalstudyonit,wetrytoimprovetheeffectoftreatingpondaerationandefficiency.
Keywords:
activatedsludgemethod;aerationtank;flowregime;PIV
1绪论
1.1引言
水是人类及一切生物赖以生存的必不可少的重要物质,是工农业生产、经济发展和环境改善不可替代的极为宝贵的自然资源。
中国水资源总量少于巴西、俄罗斯、加拿大、美国和印度尼西亚,居世界第六位。
若按人均水资源占有量这一指标来衡量,则仅占世界平均水平的1/4,排名在第一百一十名之后。
缺水状况在中国普遍存在,而且有不断加剧的趋势。
全国约有670个城市,一半以上存在着不同程度的缺水现象[1,2]。
其中严重缺水的有一百一十多个。
中国水资源总量虽然较多,但人均量并不丰富。
由于全球气候条件变化,科技的进步,废水排放量的增加,水质不断恶化,人类可利用的天然水资源越来越少[3,4]。
保护水环境已成为全世界关注的重要问题。
其他自然资源不同的是,水资源是可再生资源,所以现在往往采用回收和处理工业废水和生活污水来扩大水资源的利用。
目前出现了许多新的污水处理工艺,活性污泥法仍是首选工艺,而曝气池是活性污泥法的心脏。
为了保证微生物有足够的氧进行物质代谢,曝气池通过曝气增加污水中的溶解氧的含量,使氧气、活性污泥、营养物充分混合,使污泥处于悬浮状态。
从流体力学的角度来说,这些作用都是通过气液两相流动来实现的。
所以气液两相流的角度出发,通过曝气池内曝气管的孔径尺寸及曝气量的变化来研究曝气池内流速及流态,深刻地理解曝气池内流场的流动特性,对促进曝气池内生化反应,提高污水处理的效率有着重要意义。
目前有关曝气池的研究主要集中在各种废水的处理效果方面,而对曝气池的流场分布与水力特性方面的理论研究还较少。
通过以KCl为示踪剂的脉冲示踪电导法对上向流曝气生物滤池在不同填料层高度和操作条件下的水力学特性进行摸拟,了解流体在反应器中的流动特征并为进一步提高反应器处理效率而改善水力条件。
1.2活性污泥法
活性污泥分法[5]是当前应用最为广泛的污水处理技术之一。
该方法自1914年在英国曼彻斯特市建成污水试验厂以来,已有80多年的历史。
随着工程应用的日益拓展,它在技术上得到不断的改进和完善,特别是近30年来,科技人员对其反应机理进行了广泛深入的试验研究,在环境工程微生物学、生化反应动力学理论方面取得了重大突破,彻底克服了以前人们在污水生物处理系统的设计和运行中因采用经验或半经验方法造成的盲目性,使活性污泥法的工程设计更加科学合理,同时能够较好地预测和指导系统的运行管理。
活性污泥法是以活性污泥为主体的污水生物处理方法,其主要处理构筑物是初次沉淀池、曝气池和二次沉淀池活性污泥系统历经80多年的研究和应用,产生出多种各具特色的运行方式。
1.2.1传统活性污泥法
传统活性污泥法工艺是最早采用的活性污泥法,它具有以下几个特点:
曝气池为推流式,采用空气曝气且沿池长均匀曝气,有机负荷F/M在0.2~0.5KgBOD/(KgMLVSS·d)之间。
传统活性污泥法处理效果较好,BOD5去除率可达90%~95%,适用于处理净化程度和稳定程度要求较高的废水;对废水的处理程度比较灵活。
但是传统活性污泥法曝气池容积较大,占地面积多;在曝气池末端可能出现供氧速率高于需氧速率的现象,增加动力费用;并且对冲击负荷适应性较弱。
北京市高碑店污水厂一期工程就用此工艺,于1993年12月竣工投产,现在运行良好。
传统活性污泥工艺有时也称为标准活性污泥工艺或普通活性污泥工艺。
其工艺流程如图1所示。
图1
1.2.2厌氧、好氧活性污泥法
在传统的活性污泥法基本流程的基础上,由于应用生物除磷和脱氮,将厌氧状态组合到活性污泥法中,因此采用在生化反应池中隔开一段作为厌氧段,其它部分仍然保留好氧状态的方法或使生化反应反复周期地实现厌氧、好氧状态,把这种厌氧和好氧状态同时存在或反复周期实现以达到处理效果。
厌氧、好氧活性污泥法包括脱氮为主的A/O法,除磷为主的A/O法和除磷脱氮的厌氧、缺氧、好氧活性污泥法(A2/O法)。
美国LargoFL污水处理厂采用的是除磷为主的A/O法,除磷效果良好。
我国天津市东郊污水处理厂采用的是脱氮为主的A/O法。
广州大坦沙污水处理厂和太原北郊污水厂都采用了A2/O法,现在运行良好。
1.2.3氧化沟活性污泥法
氧化沟活性污泥法是将传统活性污泥法中的生物反应池用氧化沟来代替,其它保持不变。
从20世纪60年代开始,氧化沟污水处理技术在欧美等地区得到迅速发展,有些国家拥有氧化沟的数量占全国污水厂的比例为40%,我国氧化沟的数量也在日益增加,全国各地都有氧化沟工艺的污水处理厂,不但数量越来越多而且规模也越来越大运行方式也在不断地发展,其迅速发展的原因是十分明显的,因为氧化沟具有出水水质好、耐冲击负荷、运行稳定、管理简单、污泥量少等优点,得到广泛的应用。
氧化沟包括卡鲁塞尔氧化沟、奥贝尔氧化沟、三沟式氧化沟和厌氧段加氧化沟等。
1.2.4AB法活性污泥系统
AB法是吸附生物降解法(AdsorptionBioderation)的简称,是原西德亚琛大学B.Bohnke教授于20世纪70年代中期开发,80年代初开始应用于工程实践的。
该法是在传统两段活性污泥法和高负荷活性污泥法的基础上开发的一种新工艺,属于高负荷活性污泥法的范畴,在技术上有所突破。
A级以高负荷或超高负荷运行(污泥负荷>2.0kgBOD5/kgMLSS.d),B级以低负荷运行(污泥负荷一般为0.1~0.3kgBOD5/kgMLSS.d)。
A级曝气池停留时间短30~60min,B级停留时间为2~4h。
该系统不设初沉池,A级是一个开放性的生物系统。
A、B两级各自有独立的污泥回流系统,两级的污泥互不相混。
该工艺处理效果稳定,具有抗冲击负荷、pH值变化的能力,在德国以及欧洲有广泛的应用。
该工艺还可以根据经济实力进行分期建设。
例如,可先建A级,以削减污水中的大量有机物,达到优于一级处理的效果,等条件成熟,再建B级以满足更高的处理要求。
近年来,AB法在我国的青岛海泊河污水处理厂、淄博污水处理厂、新疆乌鲁木齐市河东污水处理厂等有应用。
1.2.5间歇式活性污泥法(SBR法)
间歇式活性污泥法(SBR法)是从Fill&Draw(充排式)反应器发展而来的,其工作过程是:
在较短的时间内把污水加入到反应器中,并在反应器充满水后开始曝气,污水中的有机物通过生物降解达到排放要求后停止曝气,沉淀一定时间将上清液排出。
上述过程可概括为:
短时间进水→曝气反应→沉淀→短时间排水→进入下一个工作周期。
1.3曝气池概述
曝气生物滤池(BiologiealAeratedFilter,BAF)是在20世纪80年代末在欧美发展起来的一种新型的污水处理技术,曝气生物滤池工艺的基本原理是利用颗粒状填料及其附着生长的生物膜通过生物代谢作用、物理过滤作用、膜及膜和填料的物理吸附作用以及反应器内食物多级捕食作用,实现污染物在同一单元反应器内去除。
曝气池是所有活性污泥处理工艺的核心部分,其作用是搅拌混合液体使空气中的氧溶解到污水混合液中使活性污泥与水充分接触,以满足好氧生物所需氧量。
为了保证污泥处理的效率,保证回流污泥的数量和质量,要求污泥颗粒要松散,且具有较好的凝聚沉降性。
并且在曝气池内悬浮的污泥颗粒可以更好的与污水接触。
1.3.1曝气池的分类
曝气池的池型和所需的反应器的水力特征密切相关,曝气方式也必须与池型和水力要求相配合,曝气池按照水力学流态的不同分为推流式、完全混合式以及二者结合型三大类。
污水进入完全混合式曝气池与池内混合液迅速混合。
曝气池内各点水质均匀,池型一般为正多边形或圆形,通常可与二沉池合建,目前使用较少。
(1)推流式曝气池:
呈矩形,污水从一端进从另一端出,一般都采用鼓风曝气扩散器。
根据横断面上的水流流态,又可分为平移推流式和旋转推流式。
平移推流式曝气池的曝气装置布设于池底,池中水流平稳地沿池长方向流动。
旋转推流式的扩散器布设在横断面的一侧,由于产生气泡时存在强烈的密度差,池水产生漩流。
池中的水沿池长方向形成旋转推流流动。
(2)完全混合曝气池:
池型可以为圆形、方形和矩形。
污水与回流污泥从底部进入池中心,迅速与池中混合液完全混合,池中微生物的种类、浓度与推流式不同。
根据和沉淀池的关系可将完全混合曝气池分为分建式和合建式。
如图2为合建式。
图2
(3)二者结合型:
有时在推流式曝气池中,会用多个表曝机来搅拌和充氧,在每个单独的表曝机影响范围,是完全混合式而就全池来说,又近似推流式。
由于要求相邻的表曝机旋转方向要相反,机与机之间水流相冲突,我们通常在两机之间用挡板隔开,避免相互干扰。
1.3.2曝气方法
曝气方法主要分鼓风曝气和机械曝气两种。
如图3所示。
鼓风曝气也称为压缩空气曝气,鼓风曝气系统主要由曝气器、扩散器、鼓气风机和空气输配管系统组成。
鼓起风机的作用是将压缩空气通过空气输配管输送到池底,形成气泡逸出。
扩散器的作用是将空气扩散成空气泡,把空气中的氧溶于水中。
空气输配管系统负责将空气送到扩散器,要求曝气设备各点压力均衡,沿程阻力损失要小。
通常扩散器要布置在池底或一侧,目的是增加混合液跟气泡的接触时间。
扩散器按规模可分为大型气泡扩散器、中型气泡扩散器、小型气泡扩散器以及微型气泡扩散器。
采用鼓风曝气法的曝气池一般为长方形混凝土池。
机械曝气通常是利用装在池内的机械叶轮转动实现曝气。
'高速转动的叶轮使空气中的氧融入污水中。
将叶轮装置在曝气池表面的称为表面曝气,。
机械曝气法的原理是通过叶轮装置的旋转,不断搅拌池内污水,使其不断地循环流动,不但增大了气液接触面积,还可以更有效地增大吸氧量。
常用的机械曝气池有标准型加速曝气池、方形加速曝气池、工O型加速曝气池和圆形表面加速曝气池。
图3
1.3.3曝气池内气液两相流主要参数
曝气池内的两相流态是相对复杂的流动过程。
近年来,人们对曝气池内不同的气液流态特征做了大量研究,而曝气池中气液两相流的运动特征分析主要依赖于以下两相流的参数:
流态又称流型,即流体流动的形式和结构。
流态是两相流中最为重要的一个参数,两相流的压力损失和热传递性都是直接受它影响,其流动形式十分复杂,两相流中其他参数也是依赖于对流态的分析。
液态的分类见图4所示。
图4
单位时间内两相流的流量可采用不同的单位制分别用流量和容积流量表示。
对各项流量,可用分相质量流和分相容积流来表示。
两相流的体积流量我们用Q表示、气相体积流量用Qq表示、液相体积流量用Q表示,三者满足:
Q=Qq+Q1
1.3.4气液两相流两相流概述
20世纪30年代初,美国一些研究学者首次提出了“两相流”的概念,苏联在1943年首次将“两相流”一词发表在学术刊物上。
20世纪20年代起,世界各国都陆续开始两相流的研究工作,最早的是美国、德国、前苏联,我国的两相流研究始于20世纪60年代。
两相流按照定义可以分为以下三类:
气液两相流、气固两相流、液固两相流。
在自然界和其他领域中两相流比比皆是,例如:
云、雾、风、雪、雨、冰雹、流沙等自然现象,工业中的硫化床、锅炉系统,环境中的烟尘污染,生物体内的血液运动等等。
两相流之所以作为一门基础工程学科,是因为其在自然界与其他领域中的广泛应用。
因此,两相流的实验研究是十分必要的。
由于两相流在自然界和众多领域中应用广泛,近年来一些领域因为缺乏两相流的相关知识,发生了许多严重的工业事故,危害了人门生命财产。
正是这些经验教训,使人们对两相流知识逐渐重视起来,促进两相流领域迅速地发展起来。
受到国内外环境科学领域的高度关注。
近几十年来,两相流的研究已经发展成为学术界的一个独立的学科,被广泛应用于各个领域中。
比如说核工程、电力工程、冶金业、航天工程、化学工程、航天工程、石油业、制冷业等等。
1.3.5研究现状
目前国内对于污水处理中曝气池的流态研究较少。
吉林农业大学流采用速检测仪和PIV(粒子图像测速法)技术[5],华南理工大学采用KCl为示踪剂的脉冲示踪电导法对上向流曝气生物滤池在不同填料层高度和操作条件下的水力学特性进行摸拟研究[6]。
2实验简介
2.1吉林大学
2.1.1PIV技术
PIV技术是一种粒子成像测速技术。
PIV技术的最大贡献是突破了LDV(LaserDopplerVelocity)激光多普勒测速仪等空间单点测量技术的局限性,既具备了单点测量技术的精度和分辨率,又能获得平面流场显示的整体结构和瞬态图像,可在同一时刻记录下整个流场的有关信息,并且可分别给出平均速度、脉动速度及应变率等,同时它还是一种非接触式的测量方法。
2.1.2实验简介
设计一模拟曝气池反应器,装有流量计、空气压缩机、压力表、止回阀、摄像机等。
实验装置如图5所示。
图5
(1)连接好管路跟实验装置,向反应器内注入自来水,关闭进水阀。
(2)将示踪粒子投入反应器,空气压缩机通电,通过流量计将曝气量调至最大,使反应器先曝气一小时左右。
(3)找好反应器的中心点,用Mark笔标记,将CCD摄像机固定在测试区域前。
(4)待光线最佳、流态稳定后打开摄像系统,通过调整摄像机的光圈、快门速度、曝光强度、焦距和等参数,使拍摄效果达到最佳。
在确认拍摄效果可以后将影像保存至硬盘中。
(5)改变镜头光圈大小、快门速度、曝光增强、曝气量等参数,重复拍摄,以便于分析不同的参数条件下,曝气池内流速流态的变化。
(6)对保存的影像进行处理,转换成像素为800x600的图片,用计算机软件提取出图片中的示踪粒子运动轨迹。
示踪粒子的运动轨迹即能基本描述出反应器内液体的流态。
讲所得图片进行对比,用C语言把BMP二值图像读成矩阵,找出小球坐标。
2.1.3结论
研究发现,曝气量是改变曝气池内流态特征的主要因素。
2.2华南理工大学
2.2.1装置
由有机玻璃制作的上向流曝气生物滤池,如图6所示
2.2.2实验方法
采用脉冲示踪电导法研究流体在反应器中的停留时间分布。
实验采用注射器吸取5mL浓度为1mol•L-1的KCl溶液并迅速注入进水口,并在曝气生物滤池不同高度取样口监测电导率,直到电导率恢复至背景值为止。
2.2.3结 论
水流速度、气流速度、填料层高度对停留时间和流态有重要影响。
曝气生物滤池沿程流态特征为:
在填料层底部,较大的流体阻力导致流态偏离理想推流;但随填料层高度的增加,流态逐渐接近推流;在填料层顶部,大气泡所引起的填料层扰动会导致流态波动且偏离理想推流。
曝气对流态的影响无明显规律,可能导致流态接近或偏离推流。
平均停留时间主要受填料层高度和水流速度影响,受气流速度影响较小;流体在滤床中的扩散和反混现象导致实际平均停留时间大于理论停留时间。
3展望
随着水污染的日益加重,污水处理得到人们的广泛关注,处理工艺增多,单单关注工艺对其处理效果过的影响没有创新,水处理过程中流太对处理效果的影响研究是一个新的方向。
相信对其进行深入研究定能取得重大成功。
参考文献
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