采用微泡曝气器的好氧活性污泥废水处理的发展外文翻译资料

 2022-11-04 16:38:41

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采用微泡曝气器的好氧活性污泥废水处理的发展

摘要

在大型污水处理厂中，好氧生化反应过程是最重要的，在此阶段对微生物的氧气供应往往限制了整个废水处理过程的效率。另一方面，许多微泡反应器已经在提高水中溶解氧方面不断改进。因此，这篇文章主要对微泡在污水处理系统中的应用进行了研究。

研究中把微泡发生器与传统的气泡发生器的氧气吸收性能进行了对比。为了评估这两种气泡发生器,每种发生器上连接了一个泡沫柱，用来测量液相体积氧传递系数、气体滞留和单位体积液体的能耗。结果显示，所有的微泡发生器允许的氧气溶解速度比传统的气泡发生器要快。螺旋液体流动型微气泡发生器即使在较低的空气流量下，氧传递系数仍然最高,虽然所消耗的能量要比传统的发生器多。

为了改善工业废水处理系统，此项研究中提出了一种新的曝气系统，这种曝气系统使用的是螺旋流微泡发生器。现目前的系统具有体积小、可移植性、氧气溶解速度快的优点。为了确保有机废水处理的性能，曝气率效果的影响、溶解氧的浓度以及设备在处理典型有机废物时的具体消耗都需要进行研究。对于新型的反应系统，其在处理有机废物方面的最佳条件问题已经得到了解决。

关键词：

曝气、泡沫、过滤、多相流、好氧活性污泥、废水处理

  1. 引言

水在人们的日常生活中是非常重要的，无论是在农业生产还是工业产品生产中，水都扮演着不可缺少的角色。近年来，随着人口不断增加，工业不断进步，我们过渡到了现代消费社会，然而，水资源污染问题发生的越来越频繁。

在大规模的污水处理过程中，生化处理是经常采用的处理手段。在城市和人口密集的地区，占地面积更小，处理能力更强的水厂是必需的。对于发展中国家，低成本和易维护则显得更重要。为了促进好氧生化反应，向微生物供氧的速率必须要快，因为氧气含量是限制因素；因此，我们需要一个高效的供氧器和更实用的好氧废水处理系统。

微泡的定义是一个直径为10-60毫米的小气泡。微泡有一些重要的特征，如气液界面区域较大，液相停留时间长，溶解速度快，因此在向水中溶解氧气时有一定的优势。要产生微泡，需要有特定类型的微泡发生器。

奥纳瑞等人在1999年开发出一种螺旋流型微气泡发生器，容易产生大量的微泡。这种类型的微泡反应器已经在日本广岛的牡蛎培养中得到了应用。通过向牡蛎周围的海水中提供微泡，大大的提高了牡蛎的生长速度，仅仅需要通常所需时间的一半就可以收获更大的牡蛎。日本高桥1998年提出了一种两相喷嘴式热管微泡发生器。渡边2004年研究了文丘里管的微泡形成原理。

在日本，微泡在工业上有很多的应用。寺坂和神宝2007年提出了一种新型的悬浮系统，用来还原使用微泡好氧反应器时废水中悬浮的细小碳颗粒。寺坂2008年将微泡悬浮技术应用于还原废水中的铁的氧化物悬浮颗粒。，在2009年又开发了一种新型结晶系统，这种系统利用了有趣的微泡收缩现象。小林2008年对微泡在超声波方面的表现进行了研究。林田2010年发现了微泡在特定的超声波照射下的凝聚现象。渡边在2010年又提出了微泡的一项应用，即利用蒸汽微泡产生微小水飞沫。

然而，几乎所有的微泡反应器都需要机械移动部件，用于对水施加一个巨大的剪切力，例如一个泵。当悬浮在废水上的絮状活性污泥流入泵时，其絮凝状态被破坏，从而降低了污泥的活性。

为了防止微泡反应器对活性污泥的破坏作用，臼井2006年提出了在由聚乙二醇高分子制成的好氧过滤器上修复活性污泥。固定污泥床系统与普通系统相比有更高的效率，然而它的复杂性却又让其难以实现工业化。

在这项研究中，我们以氧气溶解设备的氧气转移速率和能耗率为基准对几种商业微泡反应器进行了评估。我们选择的最合适的微泡反应器连接在一个使用好氧活性污泥废水处理的新型曝气系统上。为了测量微泡曝气系统活性污泥处理中的实际应用，我们需要研究那些对氧气溶解速率和有机废物消耗率有影响的操作。

  1. 微泡发生器的原理

下面举例对微泡发生器的原理进行阐述。

2.1螺旋流式

图一显示的是一种螺旋流型微泡发生器的内部结构（奥纳瑞，1999），用泵送的水从侧面的一个洞垂直进入一个圆柱筒，所产生的螺旋流在圆筒内形成了一个像漩涡一样的空腔。气体是从底部的一个孔口吸入，然后从圆筒顶部随着水流一起喷出，此时的气相由于高速螺旋流产生的离心力作用被分解为非常小的气泡也就是微泡。

图一 螺旋流型微泡发生器

2.2文丘里式

图二显示了一个文丘里式微泡发生器，一股携带者气泡的液体流从一个文丘里管入口处流入，当两相流加速流过文丘里管的窄部时，动态压力变化剧烈而使气泡减少或产生穴蚀现象，从而形成微泡。

图二 文丘里式微泡发生器

2.3喷射式

图三显示了一个典型的喷射式微泡发生器，圆柱体反应器里的液流通道被设计为先收缩再逐渐扩大的形式，从而沿水流方向产生复杂的压力曲线。气体从最小压力点自动吸入，通过气穴蚀现象减小为一定的数量的微泡。

图三 喷射式微泡发生器

2.4加压溶解式

图四所示是一种典型的加压溶解式微泡发生器，气体和液体的混合物在加压罐中被加压，使气体在水中的溶解度达到饱和浓度。然后使用减压阀对这种饱和溶液进行液相脉冲，从而产生微泡。微泡的大小和数量取决于加压罐的压力大小。

图四 加压溶解式微泡发生器

  1. 材料和方法

3.1微泡发生器评估

3.1.1实验仪器

图五是评估微泡发生器所用的实验仪器，气体分配器装置在鼓泡塔的底部，鼓泡塔内径200毫米，高度1.4米。供应的自来水液面在鼓泡塔的1.25米高度处，在鼓泡塔顶部安装有一部超声波UD-500水平传感器（日本基恩士有限公司），鼓泡塔中心0.9米高处安装了一台B-506溶解氧测定仪（饭岛爱电子公司）。每个气体分配器的气体吸收速率比较如下:本研究中对四种微泡发生器进行了对比。我们采用了典型的螺旋流式微泡发生器，M2-LM；文丘里式微泡发生器，由玻璃制成；喷射式微泡发生器O-Max I型（光环科技有限公司）；加压溶解式微泡发生器Awawa A-01(四元古川有限公司）。另外一方面，我们采用带有16个1毫米孔洞的多孔板作为通用的气体分配器。对于泡沫发生器我们采用了一个恒流喷嘴板和一个多孔细泡沫玻璃板。在恒流喷嘴板上，331个内径为0.3毫米，长度为20毫米的喷嘴安装在节距14毫米的三角形区域内。对于本项研究中使用的恒流喷嘴板的氧气转性能，寺坂和津下在1991年进行了报道。多孔板采用的是烧结树脂版，孔径约为40毫米。

图五 带通风装置的气体吸收实验仪器

3.1.2气体滞留的测量

气体滞留可表示为：

(1)

其中lL是水平传感器到气液界面的距离，h0是静态液体高度，l0是水平传感器和静态液面之间的距离。

3.1.3体积氧传递系数测量

体积溶解氧传递系数KLa是通过非稳定态的测量方法和一台溶解氧测定仪来测定的。对于所有的气体分配器，除了加压溶解式微泡发生器，水中溶解氧都被氮气气泡所剥离，因此KLa通过下式估测：

(2)

其中tA是曝气时间，CL是溶解氧浓度，C0是最初溶解氧浓度，从CL和tA的曲线斜率可得出，KLa可由公式（1）中的确定。

另一方面，对于加压溶解式微泡反应器，溶解氧是通过空气微泡来补充，其KLa可由下式确定：

(3)

其中C*是饱和溶解氧的浓度，C*的值通过实验测定。虽然在这项研究中使用的螺旋流式、喷射式、加压溶解式微泡发生器有制造商建议使用的供气速率，但是为了匹配每种气体分配器，表面气体流速是有所不同的，变化范围在0.05times;10-3到20times;10-3米每秒之间。

3.1.4特殊能耗测量

为了在液体中鼓气泡，用于压缩气体的气体压缩机所产生的能耗是必要的。对大多数微泡发生器而言，不只是一个气体压缩机，液体泵也要利用高速液流将气泡冲碎成微泡。

气体压缩机的功耗EG估算如下：

(4)其中We和omega;分别是压缩气体通过气体分配器做的功和气体流量。

另一方面，液体泵的能耗EL可表示为：

(5)

其中W和ŋ分别是液体泵的耗电量和液体泵的整体效率，ŋ通常假定为0.5，W的值通过钳形表和电压电位计测得。

总的能耗E由液体泵的能耗EL和气体压缩机的能耗EG之和表示。

(6)

具体所需能量通过下式计算：

(7)

在此项研究中，鼓泡塔内的液体体积是一个固定的常数，为0.05立方米。

3.2好氧污水处理新型曝气系统的评估

3.2.1曝气系统

目前提倡使用的曝气系统由一个引流管和一个过滤室构成，引流管用于增加溶解氧浓度，过滤室则是为了将清水与悬浮活性污泥分离。通过一个连接在系统底部的螺旋流式微泡发生器，空气微泡被输送到引流管。在曝气系统中，水泵用于将水回流到微泡发生器。如果水中的活性污泥流到水泵中，污泥中的微生物会受到强烈的剪切力而被破坏。因此，引流管应放置在过滤室，过滤室的侧壁由网状过滤器构成。

图六显示了曝气系统的实验仪器。为了评估所提出的曝气系统和观察系统结构，实验单元被建造成半圆柱体的形态。因此，通过垂直截面可观察到内部水流情况。过滤室的引流管内径为100毫米，高度为0.9米。

图六 采用微泡曝气污水处理新曝气系统的实验仪器

曝气系统布置在污泥槽液面下，污泥槽高度为1.125米，横截面为128毫米times;257毫米。悬浮活性污泥液面高度在1.025处。废水通过引流管上来的空气微泡来增加氧气含量，紧接着溶解氧被供应到槽内的悬浮活性污泥。浓缩水的循环流（如图六中箭头所示），是由引流管的起升效应产生，从而将输送水所产生的能耗降到最低。除此之外，由于过滤室的存在，活性污泥不会直接经过水泵，只有滤液被送到水泵。因此，活性污泥既不会直接接触到气泡，也不会在水泵中受到破坏。

3.2.2筛网过滤器的优化

筛网过滤器的作用是防止活性污泥进入水泵，网格的大小可能会影响循环液体流速和基质消耗速率。由于筛网过滤器表面的活性污泥不断积累，从而形成了泥饼，导致经过筛网过滤器的废水量减少，这将导致利用好氧活性污泥进行废水处理的效率降低。因此，我们需要对过滤器的筛缝面积比进行优化。

筛网过滤器是由尼农装配在一个铝冲孔板上而制成的。为了优化网格大小，我们用五种网格对悬浮活性污泥进行过滤，并对大部分的滤液和滤液中的污泥体积进行了研究以及实验观察。

3.2.3气体滞留量和体积氧传递系数测量

引流管的气体滞留量使用静态压差法测量：

(8)

其中HA和hA分别是引流管的充气顶面的水位和污泥槽的水位，体积氧系数KLa是用自来水以非稳定态的方法，利用氧气吸收来测量，如公式三所示。溶解氧浓度则是在污泥槽内高度为0.9米处测量。

3.2.4有机废物消耗率测量

葡萄糖作为活性污泥的基质，在此项研究中，我们用它作为模型有机废物。我们将最初始的葡萄糖浓度S0设置为500times;10-3千克/立方米，每隔几分钟对污泥槽内的溶解氧浓度CDO进行测量，每十五分钟从污泥槽上部取悬浮活性污泥的样本测量葡萄糖浓度S。

为了评估新系统内的有机废物消耗率，我们需要对具体基质消耗率的最大值qSmax进行调查。现目前

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