曝氣技術(shù)廣泛應(yīng)用在生活污水和工業(yè)廢水的好氧生物處理中[ 1 ] ,主要有機(jī)械曝氣、鼓風(fēng)曝氣、射流曝氣。其中射流曝氣是利用射流曝氣器將氣流或氣- 液混合流導(dǎo)入曝氣池,以增加液體中氧含量的系統(tǒng),由于其一系列優(yōu)點(diǎn)而得到較為廣泛的應(yīng)用。射流曝氣作為一種曝氣充氧方法,從20世紀(jì)40年代開始應(yīng)用到廢水處理中,至今已有60多年的歷史。

1　射流曝氣技術(shù)簡(jiǎn)介

1. 1　射流器的結(jié)構(gòu)

射流曝氣系統(tǒng)的核心設(shè)備是射流器。射流器是利用射流紊動(dòng)擴(kuò)散作用來(lái)傳遞能量和質(zhì)量的流體機(jī)械和混合反應(yīng)設(shè)備, 它由噴嘴、吸氣室、喉管及擴(kuò)散管等部件構(gòu)成[ 2 ] 。圖1 是一個(gè)典型的單噴嘴射流器結(jié)構(gòu),也是廢水生化處理中常用的曝氣用射流器。

圖1　射流器結(jié)構(gòu)
1. 噴嘴; 2. 吸氣室; 3. 喉管; 4. 擴(kuò)散管; 5. 尾管

1. 2　射流曝氣的基本原理

射流器采用文丘里噴嘴, 工作水泵出水通過射流器的噴嘴,隨著噴嘴直徑變小,液體以極高的速度從噴嘴噴射出來(lái),高速流動(dòng)的液體穿過吸氣室進(jìn)入喉管,在喉管形成局部真空,通過導(dǎo)氣管吸入(或壓入)的大量空氣進(jìn)入喉管后, 在噴水壓力的作用下被分割成大量微小的氣泡, 與水形成混合體。氣液混合體通過擴(kuò)散管向外排出, 其速度減慢, 壓力增強(qiáng),形成強(qiáng)力噴射流,對(duì)廢水攪拌充氧。氣泡經(jīng)多次切割,噴射擾動(dòng)后, 變成無(wú)數(shù)的細(xì)小氣泡, 其表面積很大,使空氣中的氧更易快速溶解于水中。由于氣泡直徑小,上升速度緩慢,從而延長(zhǎng)了大氣中氧氣溶解于水的時(shí)間,促使廢水和氧氣充分混合接觸,氧化廢水中的還原性物質(zhì),殺滅大部分還原菌和其它一些厭氧菌,進(jìn)而達(dá)到處理廢水的目的[ 3 ] 。

1. 3　廢水生物處理中射流曝氣的獨(dú)特作用

射流曝氣作為一種曝氣充氧方法, 它的作用不僅僅是作為一種氣泡擴(kuò)散充氧裝置(如鼓風(fēng)曝氣中的各種空氣擴(kuò)散裝置) , 也不能單純看作是一種機(jī)械曝氣設(shè)備,而是介于兩者之間,利用氣泡擴(kuò)散和水力剪切兩個(gè)作用達(dá)到曝氣和混合的目的[ 4 ] 。實(shí)際上,在活性污泥法廢水處理系統(tǒng)中,由于通常采用廢水與活性污泥的混合物作為工作介質(zhì), 當(dāng)吸入(或壓入)空氣后在射流器的喉管內(nèi)發(fā)生相當(dāng)劇烈的混合作用。這一混合作用一方面進(jìn)行著氣- 液- 固(活性污泥) 之間的紊動(dòng)擴(kuò)散與能量交換及氣-液- 固三相間的轉(zhuǎn)移過程, 還有更加突出的是發(fā)生在被高速劇烈紊動(dòng)“切割”得非常細(xì)微的氣泡、活性污泥的微小顆粒以及廢水(液相)中有機(jī)物這三者之間的生物學(xué)上的作用。因此, 要評(píng)價(jià)射流曝氣用于活性污泥法的作用,如果僅僅作為曝氣充氧裝置來(lái)理解就沒有充分反映這一綜合過程的全部機(jī)理。
這一綜合過程的機(jī)理應(yīng)當(dāng)理解為在活性污泥微生物存在的條件下,發(fā)生在射流器喉管部分的高速紊動(dòng)過程中的生物學(xué)特性與三相間物理力學(xué)特性的綜合過程。氣體經(jīng)高速水流吸入后經(jīng)喉管壓縮,氣、液相劇烈混合,此時(shí)氣泡剛形成, 吸氧率高; 氣泡進(jìn)一步在管道中受劇烈攬動(dòng),粉碎成細(xì)微氣泡, 使氣、液接觸面積增大,也提高吸氧率。尤其是當(dāng)工作介質(zhì)為廢水與活性污泥混合物時(shí), 喉管的紊動(dòng)攪拌作用不只限于微小氣泡對(duì)廢水的充氧作用, 同時(shí)還發(fā)生氣- 固、液- 固間等多方面的作用,特別是當(dāng)活性污泥被“切割”成非常細(xì)小的顆粒,無(wú)疑將大大增加活性污泥的表面更新率與吸附表面積,從而使活性污泥的細(xì)小絮狀體能與氣泡中的氧及廢水中的有機(jī)物有充分的接觸吸附作用, 使吸附能力大大提高。這是其它類型曝氣設(shè)備所不能達(dá)到的[ 4 ] 。

1. 4　射流曝氣技術(shù)的主要性能特點(diǎn)

射流曝氣法與其它曝氣方法的區(qū)別在于其核心設(shè)備射流曝氣器。射流曝氣法的優(yōu)點(diǎn):

(1)射流曝氣器混合攪拌作用強(qiáng),具有較高的的充氧能力、氧利用率和氧動(dòng)力轉(zhuǎn)移效率。
(2)構(gòu)造簡(jiǎn)單、工作可靠、運(yùn)轉(zhuǎn)靈活、便于調(diào)節(jié)、不易堵塞、易維修管理。
(3)當(dāng)采用自吸式射流曝氣器時(shí),可取消鼓風(fēng)機(jī),消除噪音污染。
(4)在射流曝氣器喉管內(nèi),由于射流的紊動(dòng)及能量交換作用,形成了劇烈的混摻現(xiàn)象, 不僅在瞬間( 10- 2s)完成氧從氣相向液相中的轉(zhuǎn)移,而且射流曝氣的工作水流是進(jìn)水和回流污泥的混合液或曝氣池混合液,因此在混合液內(nèi)迅速地進(jìn)行著泥(微生物) - 水(有機(jī)物) - 氣(溶解氧)三者間的傳質(zhì)與生化反應(yīng),這是一個(gè)在特定條件下發(fā)生的快速生物反應(yīng)與三相間傳質(zhì)的綜合過程[ 1 ] 。
(5)提高了污泥的活性,基質(zhì)降解常數(shù)較其它活性污泥法高。(6)所需曝氣時(shí)間短,土建投資省,運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低,占地面積小。

2　射流曝氣技術(shù)在工業(yè)廢水處理中的應(yīng)用進(jìn)展

2. 1　國(guó)外射流曝氣技術(shù)的發(fā)展
國(guó)外用射流曝氣技術(shù)作為廢水生化處理可以追溯到20世紀(jì)40年代。1947年美國(guó)的DOW 化學(xué)公司將射流曝氣法用于規(guī)模為1. 85 ×105 m3 / d的含酚廢水處理廠,布置了724只射流器,采用壓力供氣,工作介質(zhì)為二沉池出水或曝氣池混合液[ 5 ] 。20世紀(jì)五六十年代,射流曝氣法在國(guó)外應(yīng)用得更多,并逐漸成為繼鼓風(fēng)曝氣和機(jī)械曝氣后的第3類曝氣法[ 5 ] 。1968年德國(guó)的拜耳化學(xué)公司采用獲得專利的被稱為8 /14型射流器(即噴嘴直徑為8 mm,混合管直徑14mm )以壓力供氣方式處理化工廢水[ 6, 7 ] , 射流器設(shè)在曝氣池底部, 池深4. 8 m, 淹沒深度4. 2 mm。其運(yùn)行參數(shù)為:廢水量720 m3 / h, 空氣量3 320 m3 /h,水深4. 2 m,氧利用率7. 7% ,充氧能力340 kg / h,耗能115 kW ·h,充氧動(dòng)力效率2. 95 kg / ( kW ·h) 。但這種裝置的缺點(diǎn)是構(gòu)造比較復(fù)雜, 制造、安裝、檢修比較困難。

20世紀(jì)80年代以來(lái), 德國(guó)拜耳和赫司特兩大化工公司先后完成了采用高塔—射流曝氣活性污泥法處理化工廢水的擴(kuò)建過程, 日處理廢水量分別為1. 6 ×105 m3 (工業(yè)廢水90 000 m3 , 市政污水70 000 m3 )和1. 0 ×105 m3。它們分別采用獲得專利的狹縫射流器和徑向射流噴嘴進(jìn)行曝氣。這兩種壓力供氣射流器結(jié)合高塔型(水深25～30 m )的反應(yīng)器,強(qiáng)化了氧的分布、溶解和利用, 有效地防止了氣泡并聚,提高了氧的利用率, 在水深17 m 的條件下充氧動(dòng)力效率達(dá)到3. 8 kg / ( kW ·h) ,系統(tǒng)BOD5的去除率均在90%以上[ 7 ] 。日本在北九洲市日明廢水處理廠中應(yīng)用了射流曝氣系統(tǒng), 廢水處理量為75 000 m3 / d,進(jìn)水BOD5 為136 m g /L , 處理后出水BOD5 為4. 7 m g /L。

2. 2　國(guó)內(nèi)射流曝氣技術(shù)的發(fā)展

國(guó)內(nèi)對(duì)射流曝氣技術(shù)的研究和應(yīng)用始于20世紀(jì)70 年代, 主要用在中小型廢水處理裝置中[ 8 ] 。1978年以來(lái),同濟(jì)大學(xué)等單位對(duì)城市及工業(yè)廢水的處理工藝、活性污泥生物學(xué)特性進(jìn)行了較為系統(tǒng)的綢印染廢水。北京市政設(shè)計(jì)院研究了“II型射流器”的充氧性能,并在生物接觸法中使用了射流器,處理感光膠片生產(chǎn)中的涂布廢水和地毯染紗廢水[ 6 ] 。20世紀(jì)90年代末, 清華大學(xué)的孟立新開發(fā)出集曝氣與攪拌為一體的新型射流器, 其清水充氧能力達(dá)到日本同類產(chǎn)品的水平,并實(shí)際應(yīng)用到SBR工藝中。同一時(shí)期, 北京工業(yè)大學(xué)和中國(guó)環(huán)境科學(xué)院合作研制開發(fā)的氧化溝用供氣式射流曝氣器, 也達(dá)到了國(guó)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平[ 8 ] 。而后, 西安交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程中心、陜西科技大學(xué)造紙環(huán)保研究所和陜西清源環(huán)保工程有限公司, 在吸收國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上, 自主研制開發(fā)了新一代節(jié)能型生物曝氣系統(tǒng)———FAS - Jet系列供氣式低壓射流曝氣好氧生物處理系統(tǒng), 并將其成功應(yīng)用于寧夏沙湖紙業(yè)有限公司2 000 m3 / d綜合廢水生物處理工程、日本獨(dú)資洛川伊天果汁有限公司20 000m3 / a濃縮果汁項(xiàng)目廢水處理工程等多項(xiàng)工程。

3　射流曝氣技術(shù)在我國(guó)工業(yè)廢水處理中的應(yīng)用實(shí)例

3. 1　在醬油加工廢水處理中的應(yīng)用牡丹江市調(diào)味廠日排放生產(chǎn)廢水60 m3 , 廢水中主要成分為糧食殘留物、各種微生物分泌的酶和代謝產(chǎn)物,還有微量洗滌劑、消毒劑。廢水主要來(lái)自包裝車間、生產(chǎn)車間的制曲、發(fā)酵回淋等生產(chǎn)工段[ 9 ] 。

該廠采用水解酸化—射流曝氣—煤渣吸附工藝處理廢水,其工藝流程見圖2。
其中曝氣池尺寸: 3. 0 m ×3. 0 m ×3. 5 m,有效容積45 m3 ,池中安裝一個(gè)射流曝氣器,噴嘴直徑20mm,充氧能力30 m3 / h。

表1　廢水處理效果 
項(xiàng)目 COD / (m g·L - 1 )  ρ( SS ) / (m g·L - 1 )  ρ(N H3  -N ) / (m g·L - 1 )  色度(稀釋倍數(shù))  
處理前 700～1 300  150～280  35～55  80～350  
處理后 70～100  10～30  6～11  30～46  
平均去除率, %  92  90  85  87  

3. 2　在飲料加工廢水處理中的應(yīng)用

武漢江申(百事可樂)飲料有限公司廢水處理工程處理廢水水量為550 m3 / d,廢水COD 為800～1 500 m g /L ,處理系統(tǒng)包括水解酸化池—接觸氧化池—序批式氧化溝。其中氧化溝有2座, 按序批式運(yùn)行,總有效容積為457 m3 , 采用的曝氣設(shè)備是工作液總流量為320 m3 / h 的16 支自吸式射流曝氣器。運(yùn)行結(jié)果表明, 自吸式射流曝氣器不僅滿足了曝氣充氧的要求,而且滿足了攪拌推流的要求,曝氣攪拌階段溝內(nèi)混合液平均水平流速大于0. 25 m / s,活性污泥呈完全懸浮狀態(tài),沒有沉淀現(xiàn)象發(fā)生[ 8 ] 。該工程已于1997年11月正式竣工驗(yàn)收。驗(yàn)收前,武漢市東西湖區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)站取樣檢測(cè)COD, 檢測(cè)結(jié)果: 處理設(shè)施進(jìn)出口COD 平均值分別為869. 18, 46. 28 m g /L。
該結(jié)果表明, COD 總?cè)コ�率�?5%左右,其中氧化溝的去除率在90%左右, 達(dá)到了預(yù)期的效果。驗(yàn)收后, 當(dāng)進(jìn)水COD 達(dá)到1 500 m g /L 時(shí), 出水COD 仍小于100 m g /L。

3. 3　在制漿造紙廢水處理中的應(yīng)用
寧夏沙湖紙業(yè)有限公司產(chǎn)紙量為35 000 t / a,該廠廢水主要來(lái)源于制漿和造紙工藝中的擠漿、洗漿和漂白等工段,廢水種類包括黑液、中段水、白水和板紙廢水。其中黑液排放量為1 500 m3 / d, 其它廢水合并進(jìn)入中段水處理系統(tǒng), 其排放量為18 500m3 / d。該廠綜合廢水處理工藝流程如圖3所示。作為好氧生物處理單元的氧化溝, 采用先進(jìn)的供氣式低壓射流曝氣系統(tǒng)供氧。該系統(tǒng)將氧化溝中的混合液用混合泵打入安裝在溝底的射流曝氣器,并在射流曝氣器的混合室與鼓風(fēng)機(jī)壓入的空氣混

圖2　廢水處理工藝流程

該廠廢水處理站處理能力90 m3 / d, 占地面積260 m2 ,總投資32萬(wàn)元,運(yùn)行費(fèi)用約1. 7元/m3 , 廢水處理效果見表1。合,完成氧從氣相向液相的轉(zhuǎn)移,同時(shí)對(duì)混合液在氧化溝中的循環(huán)流動(dòng)起到推動(dòng)作用, 充氧動(dòng)力效率可達(dá)5. 0 ～5. 8 kg / ( kW ·h ) 。該廢水處理工程于2003年3月20日開始正式進(jìn)水調(diào)試, 2003年9月29日通過當(dāng)?shù)丨h(huán)保局檢測(cè)驗(yàn)收[ 10 ] , 廢水處理效果
見表2。

圖3　綜合廢水處理工藝流程

表2　廢水處理效果 
項(xiàng)目 COD / (m g·L -1 )  BOD5 / (m g·L -1 )  ρ(SS) / (m g·L -1 )  pH  
混合池進(jìn)水 1 683  806  596  7.  2～8.  7  
水解酸化池出水 1 203  560  260  7.  0～8.  5  
二沉池出水 359  < 89  < 87  7.  0～7.  6  
去除率, %  > 78  > 89  > 86     

4　結(jié)語(yǔ)
射流曝氣器是向生化廢水中提供足夠溶解氧的關(guān)鍵設(shè)備,它的充氧性能不僅影響生化效果,而且直接影響運(yùn)行費(fèi)用。射流曝氣技術(shù)的應(yīng)用與完善, 關(guān)鍵在于射流曝氣器的研究與發(fā)展。常規(guī)射流器由于充氧能力和動(dòng)力效率較低, 限制了該技術(shù)的推廣應(yīng)用。因此,針對(duì)現(xiàn)有射流器的不足之處研制開發(fā)新型射流器,不斷提高其充氧效率, 提高氧利用率, 改善氧轉(zhuǎn)移動(dòng)力效率; 根據(jù)不同的原水水質(zhì)和應(yīng)用條件,開發(fā)不同型號(hào)的射流曝氣器,使射流曝氣技術(shù)得到進(jìn)一步推廣應(yīng)用, 是推進(jìn)射流曝氣技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。

參　考　文　獻(xiàn)
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