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鼓风曝气充氧性能与曝气器水深关系 冯俊生 万玉山 江苏工业学院环境与安全工程系, 常州 213016 摘要 应用相似原理, 建立曝气器清水充氧性能与曝气器浸没深度变化的数学模式, 为曝气器充氧性能科学预测和曝 气工艺设计提供可靠的参数。 关键词 相似原理 曝气性能 数学模型 0 引言 曝气是污水好氧生物处理系统中一个重要的工 艺,是气-液间质量的传递过程。常用的传质模型有 Lewis和 Whitman 的双膜理论 ,Higbie 的浅渗理论和 Danckwerts 的表面更新理论。虽然浅渗理论和表面更 新理论在物理概念上以及所得出的关系上,对于理解 气 -液间传质现象比双膜理论更为深刻, 但双膜理论 能够将气膜阻力与液膜阻力的相对大小用数学计算 式表达出来, 所以在实际应用中, 仍然采用双膜理 论 [ 1] 。建立在双膜理论基础上的鼓风曝气充氧性能 评价指标根据其作用不同, 可分为基础指标 氧总转 移系数 KLa ; 技术指标 充氧能力 OC 、氧利用率 EA 、 理论动力效率 EP 。 目前 ,各种曝气器的清水性能指标是在经验水深 条件下 ,通过模型曝气柱或模型曝气池确定的 ,如果 将模型指标直接用于原型设计 ,不仅在运行后很难达 到设计指标,而且未必能使曝气系统工作在最佳条件 下,由于各种曝气器的曝气性能不仅受污水性质的影 响,而且与水流运动状态 Re 、曝气量 GS、曝气器浸没 深度 h 和气泡直径db等参数有很大的关系 。特别是 微孔曝气系统, 紊流流态很强, 深入探讨和建立数学 模式都很困难。本研究应用相似原理, 建立了曝气器 性能指标随曝气器浸没深度变化的数学模式 ,为曝气 器充氧性能的科学预测及曝气工艺设计提供了可靠 的参数。 1 曝气充氧性能与水深模型的建立 曝气过程很复杂 ,要把所有的相似准数都考虑在 内是不现实的, 但可以对曝气过程起主导作用的相似 准数进行数学处理和建立数学模式 ,为研究曝气充氧 性能与水深之间的关系提供理论基础 。曝气实质上 是传质过程 ,在清水曝气系统中, 扩散过程相似最复 杂,也最重要,扩散过程的相似 ,要求在发生扩散系统 中,存在几何相似与流体力学相似条件下的物质扩散 相似, 所以它包括两个相似准数, 即控制主体扩散过 程的 Schmidt 数和控制扩散边界相似的 Sherwood 数, 根据许保玖先生的推导, 两个相似准数为 Sc μ ρ D 1 式中 μ 流体粘性系数; ρ 密度; D 气体扩散系数, 在温度及压力恒定条件 下 ,其为常数。 Sh KLL D 2 式中 KL 传质系数; L 界面特征长度 。 两个相似准数的物理意义是 Sc 粘滞动量通 量 扩散动量通量 ; Sh 总传质通量 扩散传质通量。 由于气泡在水中的传质与 Re 数有关 ,不同 Re 数下, Sc 和Sh 数之间的函数关系不同 ,Eckenfelder 根据文 献和试验数据建立如下相关关系式 [ 1] Sh h 1 3 β′ Re Sc 1 2 3 将上述准数代入 3 式得 KLdb D h 1 3 β ′ dbυpρL μ μ ρLD 4 式中 h 试验水深 ; KL 总传质系数 ; db 气泡直径 ; υb 气泡上升速度 ; β′ 经验常数 。 在上述相关式中出现了有量纲的参数 h 1 3 ,似乎 不是很和谐 ,但这个参数却反映了两个体系之间放大 19 环 境 工 程 2007年 2 月第25 卷第1 期 的因素水深。 如果曝气过程相似, 根据相似理论 ,在满足几何 相似的基础上有 Sh1Sh2; Sc1Sc2; Re1Re2。 由于 Sh KLdb D ; Re dbυbρL μ ; Sc μ ρLD 。 在清水曝气过程相似时, 对于同一类型的曝气器, μ 、 ρL、 D 可认为不变 。当气流非常缓慢, 浮力正好等于 克服表面张力时, 气泡直径 db 6doσ Δ ρ g 1 3 , 式 中, Δ ρ 液气之间的密度差 , σ表面张力 , do曝气 器孔径 ; 当气流流速较高时, 由于惯性影响成为主要 因素 , 而最初气泡的大小几乎与孔径尺寸毫无关 系 [ 2] 。因此,当 Re 400 时 , υb可用 Stokes 及过度区 公式表示 ,当 Re 300～ 4 000时, υ b可用Mendelson 公 式 [ 1] ,即 υb[ 2σ dbρLgdb 2] 1 2 符号同前 , 但无 论那种计算公式 , υ b仅是孔径和清水性质 σ、ρL的函 数关系。 故有 KL1h 1 3 1β ′1 KL2h 1 3 2β′2 5 根据双膜理论, 氧总转移系数 KLa有如下关系 dC dt KLa CS-C KLa KLA V 6 式中 KLa 氧总转移系数 ; A 气 、 液两相接触面积 ; V 液相主体容积。 所以 KLa1 KLa2 β′ 1 β′2 h2 h1 1 3 7 令 β′2 β′ 1 β 则 KLa2 KLa1 β h1 h2 1 3 8 OC2 OC1 β h2 h1 2 3 9 EP2 EP1 β h2 h1 2 3 N1 N2 10 EA2 EA1 β h2 h1 2 3 Q1 Q2 11 式中 N 理论功率; Q 标准状态下曝气量; β 经验常数。其它符号同前 。 在上述 10 、 11 中 ,在不同的水深条件下 ,如果 要求原型的理论动力效率与模型的理论动力效率相 等,即 Ep1Ep2,则 N1 N2β h1 h2 2 3 ,同理 ,如果 EA1EA2,则 Q1 Q2β h1 h2 2 3 。 2 结果应用 经实验分析 ,常数 β 和Re 数与曝气器类型等有 关,根据研究经验 , β 0. 9 ～ 1. 0。为了达到模型 Re 数和原型Re 数相似,使计算值与实验数据相符 ,模型 水深 h 不应取的太小 。为了检验本数学模式的正确 性,任意选取已公开发表的 ,且与曝气充氧性能与曝 气器水深有关的文献资料为例 。 例1 俞庭康 [ 3] 的“橡胶膜曝气器充氧性能与水深关系 的研究” ,原实验结果和模型计算结果如表 1。 表 1 曝气充氧性能与水深关系 水深 m 氧总转移系数 KLa h-1 充氧能力 OC kgh- 1 理论动力效率 Ep kgkW- 1 h- 1 氧利用率 EA 试验计算试验计算试验计算试验计算 411. 000. 2018. 0435. 8 58. 809. 190. 2020. 2106. 736. 9936. 137. 38 68. 208. 650. 2260. 2366. 226. 5840. 442. 21 78. 218. 220. 2640. 2636. 446. 4147. 146. 79 88. 567. 860. 3140. 2876. 686. 1056. 151. 15 注 1. 试验列为俞庭康的试验结果, 计算列为数学模式计算结果。 2.以水深 h 4m为模型, β0 . 9。 例2 李振安 [ 4] 的“一种新型鼓泡曝气装置的研究” ,为 了计算方便 ,以原实验水深 h 1. 0 m 为模型 ,经验常 数 β 0. 9,原实验结果和模型计算结果如表 2。 表 2 曝气充氧性能与水深关系 池 浸 深 m 试验增氧能力 kgh- 1 计算增氧能力 kgh- 1 1 . 50 . 0690 . 067 2 . 00 . 0810 . 081 2 . 50 . 0910 . 094 3 . 00 . 1030 . 108 3 . 50 . 1150 . 118 4 . 00 . 1300 . 129 4 . 50 . 1420 . 140 5 . 00 . 1540 . 150 注 试验增氧能力为李振安的试验结果, 计算增氧能力为数学模 式计算结果。 20 环 境 工 程 2007年 2 月第25 卷第1 期 3 结论 对于任何类型和形状的曝气器 ,其清水曝气充氧 性能指标, 如氧总转移系数 KLa 、 充氧能力 OC 、 氧 利用率 EA 、理论动力效率 EP 与曝气器水深有如 下数学模式 KLa2 KLa1 β h1 h2 1 3 ; OC2 OC1 β h2 h1 2 3 ; EP2 EP1 β h2 h1 2 3 N1 N2 ; EA2 EA1 β h2 h1 2 3 Q1 Q2 此数学模式的建立, 对研究曝气充氧性能与曝气 器水深之间的关系有非常大的指导作用 ,但经验常数 β 值的确定有待进一步的研究。 参考文献 [ 1] 许保久. 当代给水与废水处理原理. 北京 高等教育出版社, 1990 122 -159. [ 2] T. K. 修伍德等. 时均等译. 传质学. 北京 化学工业出版社, 1988 206 -278. [ 3] 俞庭康等. 橡胶膜曝气器充氧性能与水深研究关系的研究. 给 水排水, 2001, 27 2 17 -20. [ 4] 李振安等. 一种新型鼓泡曝气装置的研究. 农业工程学报, 1997,13 1 97 -100. 作者通讯处 冯俊生 213016 江苏省常州市 江苏工业学院环境 与安全工程系 E -mail fjsjpu. edu. cn 2006- 04-18 收稿 化妆品生产废水处理工程设计与调试实例 王 炜 汪晓军 周相武 华南理工大学环境科学与工程学院, 广州 510640 摘要 采用“ 水解酸化-接触氧化”组合工艺处理高浓度日用化工废水, 同时以曝气生物滤池工艺进行深度处理, 进一 步提高废水处理效率。 经过系统处理, 废水 CODCr从进水4 000 mg L左右降为80 mg L以下, BOD5从进水1 100 mg L左 右降为20 mg L以下, 处理效率均达到 98, 排放水质完全达到广州市污水排放一级标准 DB4437-90 。 通过工程的长 期实际运行表明, 该系统处理的出水水质稳定, 处理效率高。 关键词 日用化工 废水处理 水解酸化 生物接触氧化 曝气生物滤池 0 引言 国内某日用化工集团在广州市从化经济开发区 的工厂,主要生产膏霜类及嗜喱水类日用化妆品。生 产过程中产生的废水主要为清洗废水, 其中含有大量 的油脂及表面活性剂等高浓度大分子物质,污染物主 要为非离子物质 ,而且部分抑制生物生长。对这类废 水多采用物理、化学预处理结合生化作用的处理方 法。工厂投资近 100 万元兴建污水处理站 ,现该污水 处理站已运行正常 , 出水 CODCr为80 mg L以下, BOD5 为20 mg L以下 ,均达到了广州市污水一级排放标准, 并通过当地有关部门的验收。本文对该污水处理站 的有关设计与调试情况进行介绍。 1 工艺设计 1. 1 废水水量水质和处理要求 废水排放属高浓度不平衡间歇排放, 水量约为 50 t d。 为预留日后发展空间 ,平面布置时预留远期废 水 规划为100 m 3 d 处理设施所需用地。 工程处理废水主要为生产清洗容器排放含原料 即十二烷基苯磺酸钠、十二醇醚硫酸钠等 的高 CODCr和 BOD5的 废 水 。 CODCr的 平 均 浓 度 为 4 000 mg L左右, BOD5平均浓度为1 100 mg L左右。 处理后排放水质达到广州市污水排放标准 DB4437-90 中二时段一级排放标准及广东省水污 染物排放限值 DB44 26-2001 中二时段一级标准, 主要水质指标的限定值如表 1。 表 1 水质指标限定值mg L pH 除外 项目 CODCrBOD5 动植物油SSpH硫化物 数值802010606～ 91 1. 2 处理工艺流程 因生产废水中有时含有较高浓度的抑制生物生 21 环 境 工 程 2007年 2 月第25 卷第1 期 STUDY ON PERANCE OF TREATING POLLUTED RIVER WATER IN SEEPAGE BIOLOGICAL BEDLin Yanqing He Miao Hu Hongying et al7 Abstract The seepage biological bed SBBis the advisable technique for the treatment of heavily polluted water in small -river, and has good prospect in the application of the polluted river management in the north of China. The poor operation perance inwinter due to low water temperature, is one of main difficulties that affecting polluted river water treatment in the north of China. Based on the field pilot-scale experiment for the whole year, the effect of water temperature on polluted river water treatment by SBB is studied. The study shows that SBB has a good effect of removing CODCr, NH3-N and turbidity in river water; the removal rate and loaging are affected greatly by water temperature. Keywords seepage biological bed, polluted river water treatment, water temperature and operation perance THE EXPERIMENT ON INFLUENCE OF DENSITY FLOW ON COAGULATING PRECIPITATION IN THE SEDIMENTARY BASINZhanYong DongJieshuang Zhu Xuedan 10 Abstract Density flow is extremely unfavourable to the precipitation process in horizontal -flow sedimentation basin, in order to raise precipitation effect, forestall the influence of density flow onflocculation basin, reasons for ing the density flow andthe characteristicsof density flow movement are discussed. Test results show that controlling the stability of the pattern of flow is the main measure to control the density flow in the sedimentary basin. Keywords density flow, pattern of flow, sedimentation basin and coagulating precipitation PILOT-SCALE TEST OF SIMULTANEOUS NITRIFICATION AND DENITRIFICATION SNDOF AN INTEGRATED MEMBRANE BIOREACTORLiu Jiangfeng Wang Zhiwei Wu Zhichao et al 13 Abstract The integratedflat plate MBR was operated at membrane flux 25. 2～ 25. 7 L m2hfor 112 dayswithMLSS concentration 19～ 20 g L. During the operation,MBRwas not cleaned physically or chemically except normal aeration which was used to scour membrane surface. The effectof DO concentration on simultaneous nitrification anddenitrification SNDin the MBR was investigated. Test results indicated that there was a good SND effect in MBR; and SND effectwas not affected by temperature variations in range of 18～ 12 ℃. Keywords integrated membrane bioreactor, flat plate membrane, simultaneous nitrification denitrification and wastewater treatment NITROGEN AND PHOSPHORUS REMOVAL PERANCE OF A2 O PROGESS AS A FUNCTION OF THE SLUDGE AGEWang Jianlong Peng Yongzhen Wang Shuying 16 Abstract Sludge Retention Time SRT, which was an important parameter in activated sludge process design and operation, has shown more effect than other parameters. CODCr, nitrogen NH 4-N, TNand phosphate PO 3 - 4-P removal from sewage by anaerobic -anoxic -oxic A 2 O processwere studied at different SR T ,which were 5, 10, 15, 20, 25 and 30 d, respectively . During experiment other parameters kept constant. The result shown that a sludge age of 15 days was found to be optimal resulting in maximum organic substances removal efficiencies, during which the removal rate of CODCr, NH 4-N, TN and PO 3 - 4 -P was 93, 98, 81and 82, respectively , at the same time the profiles of organic substances concentration in A2 O processwere also analyzed. Keywords sludge retention time, A2 O process, nitrogen removal and phosphate removal A RELATION BETWEEN BLASTING AERATION PERANCE AND SUBMERSION DEPTH OF AERATORFeng Junsheng Wan Yushan 19 Abstract Using resemblance principle, a mathematical model was established of aerator clear water aeration perance and aerator with the immersion depth in operating ,which provides the dependable parameters for scientifically estimating aeration perance and design of aeration technique. Keywords resemblance principle, aeration perance and math model DESIGNAND COMMISSIONING OF COSMETIC WASTEWATER TREATMENT SYSTEM Wang Wei Wang Xiaojun Zhou Xiangwu 21 Abstract The high concentration cosmetic wastewater can be treated by means of hydrolytic acidification-biological contacting oxidation system, and biological aeratedfilter BAFfor advanced treatment, so that the removal rate can be improved. Through the operation of thisproject, the CODCrof effluent can fall below 80 mg L from about 4 000mg L of influent, and BOD5of effluent can fall below 20 mg L from about 1 100mg L of influent, and also the removal rate can both reach 98. Quality of effluent is up to the integrated wastewater discharge standard of Guangzhou GB4437 -90. It is indicated by the plant operation of this project for a long time that this process has a high efficiency of treatment with a stable water quality of the effluent. Keywords consmetic, wastewater treatment, hydrolytic acidification, biological contacting oxidation and biological aerated filter 2 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 25, No. 1,Feb. , 2007