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高效能碟式射流曝气器在污水处理中的应用

碟式射流曝气器是一种高效多功能充氧曝气设备。它以独特的结构特征,压力供气形式,引用水力切割原理,实现多重微气泡紊流态氧交换过程,从而显著提升了污水处理系统生化效能。

1968年,美国WestPaulson试验所首先研究了压力供气的射流器,该射流器的清水充氧动力效率为 2.08kgO2/kW·h。1970年,美国的Willson等取消了射流器混合管及扩散管,并把喷嘴直径扩大到62.5px以上,旨在减少设备成本及维修费,并解决了堵塞问题。该射流器也采用压力供气,动力效率达到2.54kgO2/kW·h。1970年后,德国、澳大利亚、日本等国在Willson射流器基础上相继开发出多种应用型射流器,动力效率均达到3.5kgO2/kW·h左右。总体上我国射流曝气器研制方面发展迟缓,性能水平比较低。武汉轻工院、武汉水电学院及武汉建材学院等单位曾经研制过双级射流器,其采用了两级喷射的形式,利用第一级混合管作为第二级的喷嘴,使水射流的能量得到充分的利用,当工作压力为l.0kg/cm2时,动力效率为2.07kgO2/kW·h。

国内在污水处理中较早使用了射流器,但多为负压吸气式,能耗高、效率低、能力小。2000年前高效射流曝气器完全依赖于进口。

1.碟式射流曝气器的结构与原理,遂于 2002 年开始研究射流器,通过引入“撞击损失”理论,于2003年底研发出一种高效多功能射流曝气器——碟式射流曝气器DJAM 型)。  

1.1  碟式射流曝气器的结构

碟式射流曝气器采用了特殊的双级多喷嘴构造,取消了射流器的扩散管。该射流器由外腔(引射介质腔)、内腔(工作介质腔)、混合腔(内外喷嘴之间)、外喷嘴、内喷嘴、工作介质口、引射介质口七部分组成。内外腔体均为由上下两个蝶形壳体对合粘结而成,内外腔体同轴套合,引射介质口和工作介质口沿轴心方向分别上下连接外腔和内腔,内、外喷嘴分别沿内、外腔体周面同心均布。

结构见图 1-1。  

1.2  碟式射流曝气器的工作原理

碟式射流曝气器具有充氧曝气和混合搅拌的双重功能。

1.2.1碟式射流曝气器的充氧曝气原理

z  第一级氧转移

在碟式射流曝气器内,工作介质(射流液)经内喷嘴高速喷射,进入混合腔后与引射介质(空气)接触,对引射介质进行切割、吸收和分散,使空气中的氧迅速溶解到工作介质中,同时形成新的气液混合流。

z  第二级氧转移

在碟式射流曝气器外,混合流体经外喷嘴喷射,进入曝气池后与待处理水接触、碰撞,一方面工作介质中的溶解氧直接进入待处理水,另一方面混合流中的气泡在接触与碰撞被进一步切割、吸收和分散。

z  第三级氧转移

微小气泡因浮力在上升过程中继续与待处理水进行氧的传递和扩散。

z  第四级氧转移

最后,由于大量上升气泡的翻涌,形成垂直紊流,将部分气泡重新卷入,延长了微小气泡与待处理水之间的氧的传递和扩散时间。

综合来说,碟式射流曝气器的氧传递过程比较复杂,提供给氧扩散的时间也很富

余,因此碟式射流曝气器的氧利用率很高。

充氧工作原理(见图1-3:  

1.2.2碟式射流曝气器的混合搅拌原理

在切断压力供气时,工作介质通过内喷嘴高速喷出,周围低速液体被强烈卷入并进行动量交换,卷入部分又加入喷射主流,射流断面不断扩大,携带流量不断增加,流速逐步降低,周而复始,最终实现对待处理水的无氧混合搅拌。

在充氧曝气时,碟式射流曝气器同时具有充氧曝气和混合搅拌的双重功能,改善了充氧曝气的效能。

1.3  碟式射流曝气器的主要优特点和技术性能指标

碟式射流曝气器主要具有如下特点:

z  供气时具有曝气充氧和混合搅拌功能,停止供气时具有无氧混合搅拌功能;

z  多个喷嘴环形辐射状均布,减少了微气泡之间的并聚几率,能提高氧利用率;  

z  结构简单、材质特殊、寿命超长、为常规曝器装置的 5~10倍;

z  多个喷嘴环形辐射状均布,减少了微气泡之间的并聚几率,能提高氧利用率;  

z  采用正压供气,工作水深超出常规曝气装置的 1~2倍,服务面积大;

z 喷嘴口径大、运行无堵塞、日常运行、操作、管理简单易行;无需维护及检修;  

z  充氧能力强、氧的利用率高、省电节能,动力效率高于其它方式 20~50%

z  不仅适用于连续曝气生化系统,还特别适用于间歇曝气生化系统;

z  污泥活性好,浓度可达 8g/l 以上,可大幅度提高处理设施的处理能力和效果

z  对有机产生的污泥比其它曝气型式咸少剩余泥 35℅;

 

碟式射流曝气器主要技术性能指标:

z  动力效率:4.17~5.36kgO2/kW·h。

z  氧利用率:22.0~28.2%

z  充氧能力:76.5~89.6kgO2/h

z  服务面积:市政污水:300~350m2 /单台


1、 碟式射流曝气器在污水处理中的应用

  当今污水生化处理系统中曝气方式采用率较高的是微孔曝气器,但是微孔曝气器易破裂易堵塞、难维护、寿命短。多项工程实践证明,碟式射流曝气器效率高、功能多、免维护、寿命长,因而碟式射流曝气器在各类污水处理中具有广阔的应用前景。


2.1  碟式射流曝气器在煤化工废水处理中的应用

  我国煤炭储量丰富,随着煤气化、焦化工艺的日臻成熟,我国煤化工业逐渐步进入了平稳快速的发展时期。但是,煤的气化、焦化带来了严重的水污染。气化、焦化废水污染物种类繁多、成分复杂(无机类如氰化物、硫氰化物、硫化物、铵盐等,有机类如多环芳香族化合物和含氮、氧、硫的杂环化合物等) 、危害性高、处理难度大。

  煤化工废水中氨氮含量均在 300mg/l 以上。随着国家和地方排放标准的提高,脱氮成为煤化工废水处理的难题。国内能够成功处理煤化工废水的污水工艺首推 IMC(创新型 SBR) ,IMC 工艺基于以时间推流实现多级短程硝化与仅硝脱氮处理。IMC 工艺目前建设占比已达 80%以上,成功运行率约 100%。近年来,宜兴荣盛达与天津晟远环境在国内大力推广 IMC 工艺处理煤化工废水,为煤化工产业的健康快速发展发挥了重要作用。

  在 IMC工艺中,碟式射流曝气器淋漓尽致地发挥出效率高、充氧快、功能多、适用性强、免维护的独特作用。

i. 效率高:采用常规曝气器时,污水中氧利用率仅为清水中的 50%左右,碟式射流曝气器在污水中的氧利用率达到清水中的 70%以上,比其它曝气器高40~50%。

ii. 充氧快:IMC工艺中 A/O反应条件循环连续变化,为提高 A段或O段的有效反应时间就需要缩短 A/O反应条件的转换时间。碟式射流曝气器采用水力切割原理,活性污泥的表面更新极快,部分氧可以直接被活性污泥吸收利用。碟式射流曝气器可在 5分钟内使待处理水从缺氧状态转化为富氧状态,仅为其它曝气器所需时间的 1/3~1/5,从而为系统提供了充分的有效反应时间。

iii. 功能多:由于碟式射流曝气器具备无氧混合搅拌功能,故采用碟式射流曝气器的 IMC 反应器不需要再为 A 段反应设置独立的搅拌器,这样不仅节约了建设成本,也减少了维护保养的工作量,提高了IMC系统的稳定性。

iv. 效率高:IMC 工艺采用了同步硝化/反硝化技术,其前提是反应器内部需要形成氧浓度梯度。碟式射流曝气器充氧时自然形成的氧浓度梯度刚好与之匹配。

v. 免维护:煤化工废水的粉煤灰含量高、硬度高,粉煤灰容易沉积、钙镁容易结垢,其它曝气器极易发生堵塞现象。碟式射流曝气器在煤化工废水处理过程中能长期无堵塞运行,不仅消除了维护保养工作量,也提高了出水安全性。

  为了更好地了解碟式射流曝气器在煤化工废水处理过程中性能,下面以实际工程设计为例来计算、分析和比较。比较对象选择最常用的微孔曝气器。


某煤化工废水处理工程:

设计废水流量:200m3/h,

设计废水水质:

CODCr:1000mg/L;

BOD5:500mg/L;

NH3-N:450mg/L;

SS:150mg/L。

处理出水水质要求:

达到 GB8978-1996 中的一级排放标准,即:

CODCr:80mg/L;

BOD5:20mg/L;

NH3-N:10mg/L;

SS:70mg/L。


vi. 工艺条件

IMC池采用 4 只,单只面积 800m2,水深 5.0 米,总有效容积=12000m3。

IMC工艺的运行周期 6 小时,每周期总曝气 3 小时,混合搅拌时间 1.5 小时,沉淀1.0 小时,滗水 0.5 小时。

混合液污泥浓度:MLSS=4500mg/L;f=MLVSS/MLSS=0.8。

IMC池出口溶氧浓度 C=1.5mg/L。

vii. 供氧计算结果

IMC池总耗氧量:11566.40kg/d,总需氧量:18703.56kg/d。

                                                          表 1   供氧系统比较

主要技术经济指标比较见图 1:

从上述比较可以看出在相同处理要求下,采用碟式射流曝气器其电耗、设备费用、寿命期费用等具有比较明显的优势。不仅如此,采用碟式射流曝气器还具有如下优点:  

1)  寿命期内免维护,长周期运行不仃产和节约维护费用;

2)  寿命期内免更换,无需清空反应池,免除重新投运时调试的工时和费用;

3)  反应池不必设置导流墙就可达到良好的搅拌状态,节约了土建投资;

4)  池内接管简单,数量少,比微孔曝气器节约外围管道配套的费用。


2.2  碟式射流曝气器在中高浓度有机废水处理中的应用

   我国是世界制造大国,也是一个水资源短缺的国家,工业化发展给环境带来巨大的压力。工业废水具有相对污染总量高、水质复杂多样等特点,而有机工业废水在工业废水中所占的比重最大,已成为我国污染防治的重点和难点。造纸、印染、聚酯废水等行业所排有机废水浓度高、水量大,易对环境造成直接损害。特别是工业废水排放也是危险化学品污染的主要来源之一。

   传统活性污泥工艺是应用最广泛的生物处理方法,处理程度深、出水水质优的特点为业界推崇。但是传统活性污泥法污泥产量大且容易发生污泥膨胀现象,制约了该工艺更为广泛的应用。由于碟式射流曝气器特殊的充氧特点,在活性污泥反应器内能够有效减少剩余污泥的产生和避免发生丝状菌过度生长引起的污泥膨胀。碟式射流曝气器充氧时能形成明显的溶解氧浓度梯度,在混合腔内 0.1 秒左右溶解氧浓度即可达到饱和甚至过饱和状态,而在射流器外部,由于形成了垂直紊流区,部分区域瞬时有可能仍处于缺氧状态。由于存在这种较大较明显的溶解氧浓度梯度,从而抑制了生丝状菌的生长,避免了污泥膨胀。 碟式射流曝气器内部和周边的高容氧环境可以使区域内的活性污泥进入“内原消化”阶段,从而有效减少了剩余污泥量。

   我们仍采用实际工程为例,以微孔曝气器为对象进行计算、分析和比较。

某合成聚酯废水处理工程:

废水量:100m3/h;

进入活性污泥池废水水质:

CODCr:2000mg/L;

BOD5:1000mg/L;

SS:300mg/L。

处理出水水质要求:

达到GB8978-1996 中的一级排放标准,即:

CODCr:100mg/L;

BOD5:20mg/L;

SS:70mg/L。


                                          表 2  供氧系统比较

主要技术经济指标比较见图 2:

   从上述比较来看,碟式射流曝气器在能耗、建设费用、运转费用和污泥产量上具有明显优势。不仅如此,采用碟式射流曝气器可以缩小活性污泥池的规模,节约用地和降低基建费用,其综合技术经济效能显著优于微孔曝气生化系统。

结语

碟式射流曝气器具有节能、多功能、免维护、防止污泥膨胀、系统综合效能高等诸多优点,不仅在高含氮、高有机废水的治理方面具有高度的适用性,也在其它如市政污水处理等领域中具有广阔的应用前景。 宜兴市荣盛达环保有限公司可充分利用碟式射流曝气器的优点和特点,在高含氮、高有机污染废水治理领域发挥更大的作用。希望能在国家环保产业协会支持和帮助下大力推广碟式射流曝气器等节能高效的环保设备, 为国家节能减排作出更大的贡献。