曝气技术广泛应用在生活污水和工业废水的好氧生物处理中[1],主要有机械曝气、鼓风曝气、射流曝气。其中射流曝气是利用射流曝气器将气流或气-液混合流导入曝气池,以增加液体中氧含量的系统,由于其一系列优点而得到较为广泛的应用。射流曝气作为一种曝气充氧方法,从20世纪40年代开始应用到废水处理中,至今已有60多年的历史。
射流曝气系统的核心设备是射流器。射流器是利用射流紊动扩散作用来传递能量和质量的流体机械和混合反应设备,它由喷嘴、吸气室、喉管及扩散管等部件构成[2]。图1是一个典型的单喷嘴射流器结构,也是废水生化处理中常用的曝气用射流器。
射流器采用文丘里喷嘴,工作水泵出水通过射流器的喷嘴,随着喷嘴直径变小,液体以极高的速度从喷嘴喷射出来,高速流动的液体穿过吸气室进入喉管,在喉管形成局部真空,通过导气管吸入(或压入)的大量空气进入喉管后,在喷水压力的作用下被分割成大量微小的气泡,与水形成混合体。气液混合体通过扩散管向外排出,其速度减慢,压力增强,形成强力喷射流,对废水搅拌充氧。气泡经多次切割,喷射扰动后,变成无数的细小气泡,其表面积很大,使空气中的氧更易快速溶解于水中。由于气泡直径小,上升速度缓慢,从而延长了大气中氧气溶解于水的时间,促使废水和氧气充分混合接触,氧化废水中的还原性物质,杀灭大部分还原菌和其它一些厌氧菌,进而达到处理废水的目的[3]。
射流曝气作为一种曝气充氧方法,它的作用不仅仅是作为一种气泡扩散充氧装置(如鼓风曝气中的各种空气扩散装置),也不能单纯看作是一种机械曝气设备,而是介于两者之间,利用气泡扩散和水力剪切两个作用达到曝气和混合的目的[4]。实际上,在活性污泥法废水处理系统中,由于通常采用废水与活性污泥的混合物作为工作介质,当吸入(或压入)空气后在射流器的喉管内发生相当剧烈的混合作用。这一混合作用一方面进行着气-液-固(活性污泥)之间的紊动扩散与能量交换及气-液-固三相间的转移过程,还有更加突出的是发生在被高速剧烈紊动“切割”得非常细微的气泡、活性污泥的微小颗粒以及废水(液相)中有机物这三者之间的生物学上的作用。因此,要评价射流曝气用于活性污泥法的作用,如果仅仅作为曝气充氧装置来理解就没有充分反映这一综合过程的全部机理。
这一综合过程的机理应当理解为在活性污泥微生物存在的条件下,发生在射流器喉管部分的高速紊动过程中的生物学特性与三相间物理力学特性的综合过程。气体经高速水流吸入后经喉管压缩,气、液相剧烈混合,此时气泡刚形成,吸氧率高;气泡进一步在管道中受剧烈揽动,粉碎成细微气泡,使气、液接触面积增大,也提高吸氧率。尤其是当工作介质为废水与活性污泥混合物时,喉管的紊动搅拌作用不只限于微小气泡对废水的充氧作用,同时还发生气-固、液-固间等多方面的作用,特别是当活性污泥被“切割”成非常细小的颗粒,无疑将大大增加活性污泥的表面更新率与吸附表面积,从而使活性污泥的细小絮状体能与气泡中的氧及废水中的有机物有充分的接触吸附作用,使吸附能力大大提高。这是其它类型曝气设备所不能达到的[4]。
射流曝气法与其它曝气方法的区别在于其核心设备射流曝气器。射流曝气法的优点:
(2)构造简单、工作可靠、运转灵活、便于调节、不易堵塞、易维修管理。
(3)当采用自吸式射流曝气器时,可取消鼓风机,消除噪音污染。
(4)在射流曝气器喉管内,由于射流的紊动及能量交换作用,形成了剧烈的混掺现象,不仅在瞬间(10-2s)完成氧从气相向液相中的转移,而且射流曝气的工作水流是进水和回流污泥的混合液或曝气池混合液,因此在混合液内迅速地进行着泥(微生物)-水(有机物)-气(溶解氧)三者间的传质与生化反应,这是一个在特定条件下发生的快速生物反应与三相间传质的综合过程[1]。
(5)提高了污泥的活性,基质降解常数较其它活性污泥法高。(6)所需曝气时间短,土建投资省,运转费用低,占地面积小。
国外用射流曝气技术作为废水生化处理可以追溯到20世纪40年代。1947年美国的DOW化学公司将射流曝气法用于规模为1.85×105m3/d的含酚废水处理厂,布置了724只射流器,采用压力供气,工作介质为二沉池出水或曝气池混合液[5]。20世纪五六十年代,射流曝气法在国外应用得更多,并逐渐成为继鼓风曝气和机械曝气后的第3类曝气法[5]。1968年德国的拜耳化学公司采用获得专利的被称为8/14型射流器(即喷嘴直径为8mm,混合管直径14mm)以压力供气方式处理化工废水[6,7],射流器设在曝气池底部,池深4.8m,淹没深度4.2mm。其运行参数为:废水量720m3/h,空气量3320m3/h,水深4.2m,氧利用率7.7%,充氧能力340kg/h,耗能115kW·h,充氧动力效率2.95kg/(kW·h)。但这种装置的缺点是构造比较复杂,制造、安装、检修比较困难。
20世纪80年代以来,德国拜耳和赫司特两大化工公司先后完成了采用高塔—射流曝气活性污泥法处理化工废水的扩建过程,日处理废水量分别为1.6×105m3(工业废水90000m3,市政污水70000m3)和1.0×105m3。它们分别采用获得专利的狭缝射流器和径向射流喷嘴进行曝气。这两种压力供气射流器结合高塔型(水深25～30m)的反应器,强化了氧的分布、溶解和利用,有效地防止了气泡并聚,提高了氧的利用率,在水深17m的条件下充氧动力效率达到3.8kg/(kW·h),系统BOD5的去除率均在90%以上[7]。日本在北九洲市日明废水处理厂中应用了射流曝气系统,废水处理量为75000m3/d,进水BOD5为136mg/L,处理后出水BOD5为4.7mg/L。
国内对射流曝气技术的研究和应用始于20世纪70年代,主要用在中小型废水处理装置中[8]。1978年以来,同济大学等单位对城市及工业废水的处理工艺、活性污泥生物学特性进行了较为系统的绸印染废水。北京市政设计院研究了“II型射流器”的充氧性能,并在生物接触法中使用了射流器,处理感光胶片生产中的涂布废水和地毯染纱废水[6]。20世纪90年代末,清华大学的孟立新开发出集曝气与搅拌为一体的新型射流器,其清水充氧能力达到日本同类产品的水平,并实际应用到SBR工艺中。同一时期,北京工业大学和中国环境科学院合作研制开发的氧化沟用供气式射流曝气器,也达到了国外同类产品的先进水平[8]。而后,西安交通大学环境科学与工程中心、陕西科技大学造纸环保研究所和陕西清源环保工程有限公司,在吸收国内外先进技术的基础上,自主研制开发了新一代节能型生物曝气系统———FAS-Jet系列供气式低压射流曝气好氧生物处理系统,并将其成功应用于宁夏沙湖纸业有限公司2000m3/d综合废水生物处理工程、日本独资洛川伊天果汁有限公司20000m3/a浓缩果汁项目废水处理工程等多项工程。
该厂采用水解酸化—射流曝气—煤渣吸附工艺处理废水,其工艺流程见图2。
其中曝气池尺寸:3.0m×3.0m×3.5m,有效容积45m3,池中安装一个射流曝气器,喷嘴直径20mm,充氧能力30m3/h。
该结果表明,COD总去除率在95%左右,其中氧化沟的去除率在90%左右,达到了预期的效果。验收后,当进水COD达到1500mg/L时,出水COD仍小于100mg/L。
射流曝气器是向生化废水中提供足够溶解氧的关键设备,它的充氧性能不仅影响生化效果,而且直接影响运行费用。射流曝气技术的应用与完善,关键在于射流曝气器的研究与发展。常规射流器由于充氧能力和动力效率较低,限制了该技术的推广应用。因此,针对现有射流器的不足之处研制开发新型射流器,不断提高其充氧效率,提高氧利用率,改善氧转移动力效率;根据不同的原水水质和应用条件,开发不同型号的射流曝气器,使射流曝气技术得到进一步推广应用,是推进射流曝气技术发展的关键。