新型射流曝气器的研究与应用.pdf

新型射流曝气器的研究与应用 彭宏 1 杨忠明 2 吴金苗 2 1． 四川农业大学资源环境学院，成都 611130;2． 成都绿水科技有限公司，成都 610041 摘要 成都绿水科技有限公司开发了一种新型射流曝气器， 该射流曝气器与传统射流曝气器相比， 在喷嘴形状、 吸气 室、 喉管段、 扩散管、 导流片均有所创新。结合纯氧曝气， 其已成功应用于重钢焦化厂焦化废水处理。结果表明 该设 备充氧动力效率高， 可达5. 31 kg/ kWh ， 仅用较少供氧量便可保证溶解氧浓度在2 mg/L以上， 纯氧利用效率可达 91 以上， 且抗冲击负荷能力强， 泡沫少， 电耗、 运行成本低。 关键词 射流曝气器;GWQ 扩散器;纯氧;焦化废水 STUDY AND APPLICATION OF NEW TYPE JET AERATOR Peng Hong1Yang Zhongming2Wu Jinmiao2 1． College of Resource and Environment，Sichuan Agriculture University，Chengdu 611130，China; 2． Chengdu Greenwater Technology Co． ， Ltd，Chengdu 610041，China AbstractA novel jet aerator was developed by Chengdu Greenwater Technology Co． ，Ltd． Compared with traditional jet aerators，innovations exhibited in terms of nozzles shape，induction chamber，larynx tube segment，diffusion tube and flow deflector． With pure oxygen aeration，this new jet aerator has been successfully used in the disposal of coking wastewater from Chongqing Steel Group． The results showed that an oxygenation efficiency as high as 5. 31 kg/ kWhcould be achieved and the concentration of dissolved oxygen could be maintained over 2 mg/L at a relatively low level of oxygen supply． Whats more， the oxygen utilization efficiency could exceed 91 ． Meanwhile，it showed strong resistance to shock load and produced less bubbles． The operational cost was also lowered due to less power consumption． Keywordsjet aerator;GWQ diffuser;pure oxygen;coking wastewater 0引言 目前曝气方式主要有机械曝气、 鼓风曝气、 射流 曝气 ［1］。射流曝气作为继鼓风曝气、 机械曝气之后 的第三种曝气方式， 以其结构简单、 占地省、 基建投资 少等优点引起人们的极大重视 ［2］。 射流器是一种集吸气和混合反应于一体的曝气 设备， 它通过液体射流对气体进行抽吸和压缩， 实现 将空气 /氧气带入水中达到给污水充氧的目的 ［3］。 由于射流曝气设备兼有充氧和推流作用， 动力效率比 转刷类曝气机高， 维护比微孔曝气简单， 早在国外大 型污水厂中采用。而国内对射流曝气法的研究较晚， 专业用于污水处理的射流器系列还未形成， 虽然近年 来我国污水处理射流曝气技术有了一定的发展， 但与 发达国家还有很大的差距， 主要存在以下问题 传统 射流曝气器仅经一次射流， 能量回收较低， 因此氧利 用率、 动力效率相对较低; 搅拌和推流效果不佳， 吸气 量小、 服务面积小， 还未形成完整的大系列射流曝气 设备; 曝气性能随其运行时间增加而衰减; 喷头直径 ≤30 mm 较小， 较易产生堵塞， 使用范围小 ［4］。为 解决以上问题， 成都绿水科技有限公司研制了一种新 型射流曝气器， 并将其应用于实际焦化废水处理中， 取得了很好的处理效果。 1试验部分 1. 1GWQ 扩散器 成都绿水科技有限公司开发的 GWQ 扩散器 见 图 1 ， 主要由文丘里射流器、 潜水泵和水力喷射管三 部分组成。通过水泵吸入混合液与氧气在文丘里管 内混合， 超饱和氧混合液再通过水力喷射器高速注入 生化池中， 水力喷射器回收了动能， 产生了相当于水 泵能力 5 倍的流量。 1. 2试验方案 重庆钢铁集团有限公司焦化厂原有污水处理工 531 环境工程 2012 年 10 月第 30 卷第 5 期 图 1 GWQ 扩散器 艺流程为污水采用两组独立的并联系统进行处理， 设 为 1 号处理系统和 2 号处理系统， 为验证纯氧曝气提 高可生化处理能力的可能性和操作弹性， 1 号处理系 统维持原有鼓风曝气工艺， 将 2 号处理系统改为纯氧 曝气工艺。改造后工艺流程见图 2。 图 2改造后污水处理工艺流程 试验中保持 1 号处理系统工艺状况不变， 改变 2 号处理系统工艺参数， 用纯度高达 95 以上的氧气 代替原有鼓风曝气。对两组系统在处理相同负荷和 不同负荷下进行对比试验， 进而对比空气曝气系统和 纯氧曝气系统的处理效果。 在现场固定每次试验条件下取样点位置， 根据现 场条件， 只需取原水水质和每组系统二沉池的最终出 水水质即可。因 1 号处理系统和 2 号处理系统的进 水都来自共同的均和池， 只需测均和池的水质即为两 组处理系统的进水水质。 1. 3试验设备 试验过程中所需要的材料和设备规格及数量见 表 1。 表 1主要设备清单 设备、 材料名称规格数量 GWQ 扩散器 3001 台 GWQ 扩散器 1003 台 氧气调压阀组150 m3/h， 1 ～ 5 105Pa1 套 空温汽化器150 m3/h1 套 低温液体槽5 000 L/2 105Pa1 只 溶解氧仪4 只 1. 4测定方法 结合重钢焦化厂实际条件， 试验中各测试项目和 测定方法如表 2 所示。 表 2测定项目和测定方法 测定项目测定方法 DO溶解氧仪 COD重铬酸钾法 NH3-N 纳氏试剂分光光度法 NO － 2 -NN- 1-萘基 -乙二胺光度法 NO － 3 -N酚二磺酸分光光度法 水温温度计 pH酸度计 2试验结果与讨论 2. 1射流曝气器结构的改进 成都绿水科技有限公司研制的新型射流曝气器 专利名称 高效曝气器， 专利号 200620033457. 3 结 构由喷嘴、 喉管、 吸气腔、 扩散管、 导流片等部分组成， 与传统的射流曝气结构有明显差异， 其结构示意图如 图 3、 图 4 所示 ［5］。 1 喷嘴形状。喷嘴形状有多种， 其中以圆锥形 喷嘴加工较简单， 使用范围广泛。同时由于传统的射 631 环境工程 2012 年 10 月第 30 卷第 5 期 图 3新型射流曝气器结构示意 图 4传统射流曝气器结构示意 流器喷嘴喷口直径不大于30 mm［6］， 但本公司研制的 射流器喷口直径达120 mm， 完善了现有射流曝气设 备系列的完整性。 2 吸气室。成都绿水科技有限公司研究的射流 器射流吸气方式采用的是喉部窄缝吸入方式， 改变了 传统射流曝气大空腔的吸入方式， 并由传统射流曝气 卷入吸气方式改为渗入吸气方式。研究表明 喷嘴出 口断面到喉管入口断面之间的距离越短越好， 窄缝吸 气方式最佳 ［7］。 3 喉管段。用射流曝气， 喉管是一个关键部分， 喉管的适当长度和大小， 对加强的氧的转移作用以及 充分发挥活性污泥的生物学特性具有重要作用， 为了 减少摩擦和扩散损失， 研究结构表明， 当喉管长度 L 与喉管直径 D 的比值 k 10 ～ 4 、 喉管面积与喷 嘴面积的比值 m 5 ～ 2. 5 减小时， 气液混合效果最 佳 ［7］。 4 扩散管。从流体力学的角度来看其起着由动 能逐渐向压能转化的作用， 以此减少能量的损失， 从 而提高氧的传递效率和动力效率。空气和流体的扩 散管试验表明， 一般最大扩散角不超过 20， 过大时 就有严重的边界层分离流动， 而增大局部阻力 ［8］。 5 导流片。在锥形渐缩管和扩散管内增加扇形 的导流片， 该导流片的工作面呈流线形设计， 阻损小， 切割液流， 使得水气混合液气相液接触面积加大， 从 而气相高效地向液相传递， 大大提高氧利用率。 2. 2动力效率 根据 2 号预 曝气池 中 GWQ 扩 散 器 启 动 后 前 15 min的 DO 浓度监测数据， 见图 5。动力效率计算 结果见表 3。 由表 3 可知 1 GWQ 扩散器在污水中实际动力 效率为5. 31 kg/kWh， 远远高于其他曝气设备的动 图 5溶解氧浓度随时间变化情况 表 3动力效率计算表 动力效率相关参数参数值 曝气器氧总转移系数 / 1min － 1 0. 29 温度修正系数1. 02 20 ℃ 温度下 DO 饱和浓度 / mg L － 1 9. 17 测试温度 /℃ 35 曝气器充氧能力 / kg h － 1 65. 12 水泵流量 / m3h － 1 300 水泵扬程 /m 15 曝气器水功率 /kW12. 25 曝气器动力效率 / kg kW － 1h－ 1 5. 31 供氧量 / kg h － 1 71. 5 氧气利用率 / 91 力效率; 2 试验验证了即使在开放式系统条件下， GWQ 扩散器的纯氧氧气利用率≥90 ， 达到了经济 用氧的目的; 3 采用 GWQ 氧气扩散器二次射流混合 技术， 将纯氧曝气应用于焦化污水处理过程中， 可以 达到不中断水处理运行进行维护检修的目的， 大大降 低维修成本。 2. 3溶解氧 重钢焦化污水处理站原两组系统需使用一台 55. 7 m3/min， 94 kW的鼓风机进行供氧曝气， 且 1 号 和 2 号处理系统总共处理水量最大为60 m3/h。 1 号 和 2 号预曝气池溶解氧通常都低于0. 2 mg/L， 1 号和 2 号好氧池溶解氧在4 ～ 6. 5 mg/L， 在进水负荷较大 时， 好氧池溶解氧也不能保证， 1 号和 2 号系统的好 氧池均有溶解氧只达到0. 6mg/L的情况， 不满足工艺 溶解氧大于等于3 mg/L的要求。 而在 2 号系统使用 GWQ 扩散器进行纯氧曝气， 用纯氧代替空气， 可以使氧的分压提高， 从而大幅度 提高氧移动的推进力以及氧移动速度， 因此可使曝气 池 内 保 持 有 较 高 的 活 性 污 泥 浓 度 6 000 ～ 731 环境工程 2012 年 10 月第 30 卷第 5 期 8 000 mg/L ， 进而可承受较高的有机负荷量和冲击 负荷， 缩短曝气池的停留时间， 改善常规曝气 空气 中存在的问题。纯氧曝气条件下 2 号系统中的预曝 气池中的溶解氧无论在多少水量下都可以达到工艺 所需的2 mg/L以上， 参见表 4。且 2 号系统的好氧池 中的溶解氧在处理负荷增大的情况下， 仍可满足好氧 池溶解氧≥3 mg/L的要求， 参见表 5。 表 42 号预曝池纯氧曝气充氧能力测试操作记录表 记录时间 处理水量 / m3h － 1 2 号预曝池供氧量 / m3h － 1 溶解氧 / mg L － 1 12 － 02 － 16 3051405. 7 12 － 03 － 16 0052224. 5 12 － 04 － 14 0053212. 9 12 － 06 － 14 0056233. 3 12 － 15 － 16 0050202. 8 12 － 16 － 14 0065202. 5 12 － 17 － 9 3091213. 1 12 － 18 － 10 00132202. 9 12 － 19 － 8 15130192. 3 表 52 号好氧池纯氧曝气充氧能力测试操作记录表 记录时间 处理水量 / m3h － 1 2 号好氧池供氧量 / m3h － 1 溶解氧 / mg L － 1 12 － 15 － 16 0050564. 3 12 － 15 － 17 3049585. 7 12 － 15 － 19 006148. 53. 6 12 － 16 － 10 0063475. 7 12 － 16 － 11 3065423. 8 12 － 16 － 14 0065433. 4 2. 4抗负荷冲击性能 在试验期间， 采集了部分常规操作试验数据， 将 其列于表 6 中进行对比。 由表 6 数据分析可知 1 2 号系统最终的出水 COD 和 NH3-N 均低于 1 号系统最终出水 COD 和 NH3-N; 2 2 号系统处理能力高于 1 号系统处理能力， 且污水处理能力相对提高了 50 ; 3 2 号系统与 1 号 系统的出水 NO － 2 -N、 NO － 3 -N 浓度差异不大， 说明纯氧 曝气对硝化菌并不存在负面影响。 表 6试验数据分析记录表 时间系统 处理水量 / m3h － 1 ρ COD / mg L － 1 ρ NH3-N / mg L － 1 ρ NO － 2 -N / mg L － 1 ρ NO － 3 -N / mg L － 1 二沉池出水曝气池进口二沉池出水二沉池出水二沉池出水 12 － 081 号45135. 7425. 25. 611. 893. 01 2 号 45119. 5819. 65. 68. 882. 68 12 － 091 号55130. 4633. 615. 44. 592. 46 2 号 55120. 41288. 410. 23. 1 12 － 101 号51127. 3550. 444. 81. 462. 31 2 号 51115. 3339. 225. 28. 942. 43 12 － 111 号25108. 4430. 816. 84. 783. 26 2 号 2590. 3425. 211. 29. 673. 1 12 － 121 号25104. 3444. 8283. 762. 89 2 号 2590. 4529. 41411. 562. 8 12 － 131 号25110. 9042283. 623. 1 2 号 40105. 8525. 125. 211. 042. 34 12 － 141 号22107. 454233. 67. 224. 11 2 号 2697. 4522. 48. 410. 552. 98 12 － 151 号40144. 355630. 817. 944. 23 2 号 60120. 6733. 68. 419. 223. 1 12 － 161 号41129. 245721. 8417. 033. 97 2 号 62108. 25358. 9618. 743. 24 注 1 号为鼓风曝气系统， 2 号为纯氧曝气系统。 831 环境工程 2012 年 10 月第 30 卷第 5 期 3经济性评价 使用 GWQ 扩散器进行纯氧曝气， 与目前使用空 气曝气比较， 会带来相关成本的增加或减少， 按照同 等水处理能力的同比条件， 并以重钢焦化厂和重钢集 团公司分别作为核算单位， 得到使用 GWQ 扩散器进 行纯氧曝气的成本增减分析结果见表 7。 表 7纯氧曝气成本增减分析 项目 空气法氧气法成本增 /减－ 重钢焦化重钢集团重钢焦化重钢集团重钢焦化重钢集团 电耗 /元812 160. 00812 160. 00192 240. 00192 240. 00－ 619 920. 00－ 619 920. 00 氧耗 /元760 320. 00 760 320. 00 维修 /元30 000. 0030 000. 0012 000. 0012 000. 00－ 18 000. 00－ 18 000. 00 消泡水 /元172 800. 00172 800. 00－ 172 800. 00－ 172 800. 00 检修后调试成本 /元10 000. 0010 000. 00－ 10 000. 00－ 10 000. 00 折旧 /元95 000. 0095 000. 00 95 000. 00 95 000. 00 总成本 /元1 024 960. 001 024 960. 001 059 560. 00299 240. 00 34 600. 00－ 725 720. 00 年处理水量 /m3689 040689 040 751 680751 68062 64062 640 单位成本 /元1. 491. 491. 410. 40－ 0. 078－ 1. 089 由表 7 可见 以重钢焦化为核算单位， 由于用氧 成本和资产折旧增加， 虽年总成本增加34 600 元， 但 年处理水量增加了62 640 m3， 单位水处理成本下降 0. 078 元 /m3。以重钢集团公司作为核算单位， 因焦 化纯氧 曝 气 所 需 氧 气 量 很 小 176 m3/h ， 对 重 钢 40 000多 m3/h 的空分制氧能力而言， 不会因焦化污 水处理用氧而需增加氧气产量， 也不会因焦化厂不用 氧而节省任何氧量。对重钢集团公司而言， 使用纯氧 曝 气 的 氧 气 成 本 增 加 为 零。 因 此 年 成 本 下 降 725 720 元， 单位水处理成本下降 1. 09 元 /m3。使用 纯氧曝气， 重钢集团公司可以更好更充分地利用其现 有的产能资源， 既可达到环保目标， 也能取得很好的 经济效益。 4结论 新型射流曝气设备的开发研制与试验， 不仅与传 统射流曝气结构有所不同， 而且突破了传统射流曝气 设备只适用处理小水量的局限， 从而完善了射流曝气 系列的完整性。同时， 新型射流曝气设备在重钢焦化 厂的成功运行， 对评价、 设计和应用新型的射流曝气 器具有重要意义， 特别对于有空分的行业污水处理 站， 采用新型射流曝气设备， 在处理效果和经济方面 更具有突出的优越性， 值得大力推广和应用。 参考文献 ［1］陈福泰， 胡德智， 栾兆坤． 射流曝气器研究进展［J］． 环境污染 治理技术与设备， 2002， 3 2 76- 80． ［2］姚萌， 贺延龄． 与射流曝气器充氧性能相关的一些因素［J］． 工 业水处理， 2004， 24 4 74- 76． ［3］高激飞， 顾国维． 射 流 曝 气 器 的 改 进 与 发 展［J］． 净水技术， 2005， 24 4 1- 5． ［4］陈维平， 江帆． 射流曝气的气液两相流的数值模拟［J］． 环境污 染治理技术与设备， 2006， 7 3 1- 5． ［5］高远， 岳晓勤． 浅析影响射流曝气的因素［J］． 中国市政工程， 2002， 96 3 49- 51． ［6］赵义． 射流曝气池填料对氧传递的影响［J］． 中国给水排水， 1991， 7 4 34- 35． ［7］瞿永彬， 俞庭康， 沈燕云． 射流曝气器充氧性能研究［J］． 同济 大学学报， 1993， 21 1 129- 130． ［8］栾金义． 射流自吸式曝气塔传质特性研究［J］． 化学反应工程 与工艺， 1998， 14 4 405- 406． 作者通信处彭宏611130四川省成都市温江区惠民路 211 号四 川农业大学资源环境学院 电话 028 86291132 E- mailscux_hong 163． com 2011 － 12 － 15 收稿 931 环境工程 2012 年 10 月第 30 卷第 5 期