陳鳴釗，馮 騫，肖玉冰

(河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098)

任何一種污水處理工藝都會(huì)與水流發(fā)生聯(lián)系，污水在各種處理設(shè)備中流動(dòng)并產(chǎn)生各種反應(yīng)變化，最后以清水(或達(dá)標(biāo)的水)排出。因此，研究污水的流動(dòng)特性對(duì)提高污水處理效率具有重要意義。

本文將探討污水在各種處理設(shè)備中的流動(dòng)特性，介紹“水體勢(shì)能的大氣復(fù)氧方法——?jiǎng)菽茉鲅跎鷳B(tài)床［1-2］”，即厭氧/勢(shì)能增氧生態(tài)凈化(potential energy increasing oxygen ecological purification technology，PIEP)工藝如何將污水生物處理工藝與水利科學(xué)相結(jié)合而得到最新產(chǎn)品。

1 平流紊動(dòng)擴(kuò)散理論的應(yīng)用

在城市生活污水(或有機(jī)廢水)處理工藝中，常采用厭氧/好氧工藝流程。采用厭氧工藝時(shí)，常選用代表第2代厭氧反應(yīng)器的UASB法。污水處理過(guò)程中產(chǎn)生的甲烷氣體通過(guò)三相分離后，回流使水中的污泥顆粒運(yùn)動(dòng)形成上流式厭氧污泥床。UASB法的關(guān)鍵在于三相分離器的設(shè)計(jì)能否讓水中的污泥顆粒產(chǎn)生自下而上的上流運(yùn)動(dòng)。

如果追蹤污水在厭氧反應(yīng)器中運(yùn)動(dòng)及濃度降低的過(guò)程，并將其投影到x軸方向上，則可以用污水濃度在x方向上的變化來(lái)描述反應(yīng)器中污水的濃度變化，這便與平流紊動(dòng)擴(kuò)散理論產(chǎn)生了聯(lián)系。污水在河流中的流動(dòng)變化規(guī)律常用河流水質(zhì)數(shù)學(xué)模型來(lái)描述，各種河流水質(zhì)數(shù)學(xué)模型的研究，其最根本的內(nèi)容是求解平流紊動(dòng)擴(kuò)散基本微分方程式。該微分方程式符合分子擴(kuò)散(或紊動(dòng)擴(kuò)散)Fick第一定律［3］:

式中:Fa——a物質(zhì)的通量(為矢量，包括x，y，z方向);ρ——密度;-?Ca——a物質(zhì)濃度梯度，負(fù)號(hào)表示 a物質(zhì)自高濃度向低濃度處擴(kuò)散;D——分子擴(kuò)散系數(shù)(為10-9～10-10m2/s)，對(duì)于流動(dòng)水體中的紊流擴(kuò)散，僅將式(1)中的D換為E(紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)，為10-4～10-6m2/s)，由于E?D，故可以忽略D。

圖1 分子擴(kuò)散過(guò)程Fig．1 Process of molecule diffusion

如果緩慢地將濃染料沿裝滿(mǎn)清水的容器壁注入，不讓其產(chǎn)生擾動(dòng)，則可看到如圖1所示的分子擴(kuò)散過(guò)程。

開(kāi)始時(shí)刻(t=0)，有一條染料與清水的分界線(xiàn);經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后(t＞0)，染料逐漸向清水中擴(kuò)散;當(dāng)t=∞時(shí)，濃度完全均勻。取3個(gè)小的水層來(lái)分析染料的濃度變化，假定A層為5個(gè)單位，B層為3個(gè)單位，C層為1個(gè)單位。令在每一層內(nèi)作隨機(jī)擴(kuò)散向上和向下的分子各占1/2，則B層有1.5個(gè)單位進(jìn)入A層，1.5個(gè)單位進(jìn)入C層。同樣，A層有2.5個(gè)單位進(jìn)入B層，C層則有0.5個(gè)單位進(jìn)入B層。綜合這3個(gè)小水層看，有1.0個(gè)單位染料從高濃度的A層進(jìn)入B層，再?gòu)腂層進(jìn)入低濃度C層，即有1.0單位的染料從高濃度向低濃度方向擴(kuò)散，這就是Fick定律的自然過(guò)程。據(jù)此，筆者對(duì)厭氧池進(jìn)行改進(jìn):(a)將厭氧池改進(jìn)為圓池;(b)進(jìn)水由導(dǎo)管從池的上部引入，從池的底部按圓池的切線(xiàn)方向排出;(c)池中懸掛少量填料，如圖2所示。

圖2 厭氧池改進(jìn)示意圖Fig．2 Schematic diagram of anaerobic tank improvement

這些改進(jìn)是根據(jù)水流特性將進(jìn)、出水的水頭差(勢(shì)能)轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能［4-5］，讓污水沿圓池壁出流形成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，圓池底部進(jìn)水，上部出水，整個(gè)水流自下而上緩慢地做旋轉(zhuǎn)上升運(yùn)動(dòng)，并且進(jìn)入的高濃度污水不斷向低濃度污水作紊動(dòng)擴(kuò)散混合運(yùn)動(dòng)，同時(shí)又遇上池中懸掛的少量填料，增加了紊動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的反射作用，使得進(jìn)入的高濃度污水很快混合均勻，從而讓污水與顆粒和填料表面上的厭氧細(xì)菌得到充分接觸，提高厭氧反應(yīng)效率。

2 Fick定律與雙膜理論相結(jié)合的應(yīng)用

在城市污水(或有機(jī)廢水)處理工藝中，最后必須采用好氧微生物處理工藝才可以使水質(zhì)達(dá)標(biāo)。常用的好氧微生物處理工藝可分為兩大類(lèi):一類(lèi)為活性污泥法，是水體自?xún)舻娜斯?qiáng)化(包括氧化塘、SBR等);另一類(lèi)為生物膜法［6］，是土地自?xún)舻娜斯?qiáng)化(如污水灌溉農(nóng)田)，是使微生物群落附著在其他物體表面上呈膜狀，并讓該生物膜和污水接觸而使之凈化的方法。常用的生物膜法有生物轉(zhuǎn)盤(pán)、滴濾池、生物濾池、生物濾塔、生物接觸氧化和生物流化床等方法。好氧微生物處理工藝共同的基本點(diǎn)有2個(gè):(a)增加污水中溶解氧(采用曝氣或復(fù)氧法)，使好氧微生物得以生長(zhǎng)、繁殖、分解污水。溶解氧增長(zhǎng)率(即氧氣利用效率)越高，其允許進(jìn)水的有機(jī)負(fù)荷越高，處理效率也越高。(b)填料(統(tǒng)稱(chēng))的比表面積越大處理效率越高。

曝氣法和復(fù)氧法均依據(jù)大氣復(fù)氧雙膜理論增加污水中的溶解氧［1，7］。由大氣復(fù)氧雙膜理論可知，水—?dú)饨缑娲嬖谝粋€(gè)不流動(dòng)的水體薄膜，在這個(gè)薄膜中隱態(tài)的分子擴(kuò)散控制著氣體的傳輸率:

式中:OS、O——水中溶解氧的飽和濃度與實(shí)際濃度;Em——氧分子擴(kuò)散系數(shù);X——薄膜厚度;H——水深;A、V——水的表面積和體積，A/V稱(chēng)為比表面積;KL——氧的質(zhì)量傳輸系數(shù)。

2.1 曝氣方法

增加溶解氧的機(jī)理是水中氣泡內(nèi)部大氣中氧分子通過(guò)氣泡壁表面的薄膜與水中的氧分子進(jìn)行交換，從而增加水中溶解氧(DO)。單位體積氣泡的表面積(即比表面積)越大，氧分子交換量越大，水中的DO含量增加也越快，故微孔曝氣最好。

2.2 大氣復(fù)氧方法

大氣復(fù)氧方法的典型例子是生物轉(zhuǎn)盤(pán)法［8］。如果在生物轉(zhuǎn)盤(pán)的盤(pán)片上取1個(gè)單位面積并做上記號(hào)，通過(guò)追蹤可看到它在不斷地出露大氣和淹沒(méi)于水下，周而復(fù)始。當(dāng)盤(pán)片出露大氣時(shí)，盤(pán)片(填料)表面附有一層水膜，大氣中氧氣分子與水膜中的氧分子進(jìn)行交換，從而增加水膜中的DO含量，并很快向OS趨近。當(dāng)盤(pán)片(填料)淹沒(méi)于水下時(shí)，盤(pán)片水膜中DO含量趨近于OS，而污水中實(shí)際DO含量大大小于OS，由于高含量的DO會(huì)很快地向低含量DO的水中紊動(dòng)擴(kuò)散，因此盤(pán)片水膜中的DO含量很快由OS向O趨近。當(dāng)盤(pán)片再出露水面時(shí)DO含量又較低(即有較大的OS-O值)，故而生物轉(zhuǎn)盤(pán)的復(fù)氧是高效的，是Fick定律與雙膜理論相結(jié)合的典范。也就是說(shuō)，只要使盤(pán)片(填料)不斷出露大氣和淹沒(méi)水下，就能不斷進(jìn)行大氣復(fù)氧。生物轉(zhuǎn)盤(pán)盤(pán)片面積(或填料比表面積)越大復(fù)氧量越大。

3 滲流理論的應(yīng)用

好氧工藝的填料比表面積越大，填料表面所結(jié)生物膜量越多，處理效率越高。從幾何學(xué)可知表面積最大為圓球，因此采用價(jià)格便宜的卵石、黃砂可獲得最佳的比表面積。由滲流理論［3-4，9］可知，水在土壤孔隙中的滲流服從達(dá)西定律:

式中:Q、v——滲透流量和滲透速度;Kφ——土壤滲透系數(shù)(礫質(zhì)砂為 0.05～0.3 cm/s，中砂為 0.01～0.04 cm/s，粉砂為0.01～0.02 cm/s，卵石為0.1 ～0.6 cm/s，圓礫為0.06～0.1 cm/s);W——滲流斷面面積;I——滲流的水力坡度(梯度);h——水頭損失;L——滲徑長(zhǎng)度。

水流在土壤孔隙中的實(shí)際速度為

式中:n——土的孔隙率。

增氧生態(tài)床采用淺層、多層結(jié)構(gòu)，每一層從底到頂按大礫石、中礫石、小礫石、粗砂、細(xì)砂分層鋪砌。多層生態(tài)床的上一層與下一層隔有水泥砂漿層，水不能從上一層滲到下一層，從上一層向下一層水的流動(dòng)是利用增氧機(jī)的虹吸動(dòng)力。

當(dāng)污水排入增氧生態(tài)床時(shí)，水流通過(guò)集水廊道隨水位的上升自下而上運(yùn)動(dòng)，即從大顆粒大孔隙(小孔隙率)向小顆粒小孔隙(大孔隙率)運(yùn)動(dòng)(不同土的孔隙率見(jiàn)表1)。由式(4)可知，水流越來(lái)越慢，且水中的顆粒及脫落的生物膜被層層攔截。當(dāng)水位上升超過(guò)增氧機(jī)的虹吸管頂部時(shí)，虹吸開(kāi)始，水從集水廊道中以很大的速度被吸出，且自上而下運(yùn)動(dòng)。水流實(shí)際流速越向下越大，由于孔隙從小到大，故在填料中攔截下來(lái)的顆粒及脫落的生物膜可以暢通地通過(guò)虹吸管排向下一層。如此向下傳遞進(jìn)入底部二沉池沉淀，不會(huì)發(fā)生堵塞現(xiàn)象。如正常運(yùn)行2a的南京臘梅食品廠在翻修時(shí)發(fā)現(xiàn)，從第2層以下的卵石、黃砂填料像新鋪砌的一樣，沒(méi)有任何堵塞現(xiàn)象。

表1 各種土的孔隙率［10］Table 1 Porosities of different kinds of soil

4 虹吸及水電站尾水管理論的應(yīng)用

在增氧生態(tài)床的兩端設(shè)立增氧機(jī)［2］，增氧機(jī)的設(shè)計(jì)是根據(jù)虹吸和水電站尾水管理論制成。水利工程中經(jīng)常用到虹吸理論，即將虹吸管內(nèi)空氣排出，使管內(nèi)形成一定的真空度，由于虹吸管進(jìn)口處水流的壓強(qiáng)大于大氣壓強(qiáng)，因此在管內(nèi)管外形成壓強(qiáng)差，水流便由壓強(qiáng)大的地方流向壓強(qiáng)小的地方。只要虹吸管中有一定的真空度、一定的上下游水位差，水流便會(huì)不斷地由上游通過(guò)虹吸管流向下游，虹吸管頂部的真空度應(yīng)限制在7～8 m以下［10］。因?yàn)榈退^電站水輪機(jī)出口有較大的動(dòng)能，因此在建水電站時(shí)，常常通過(guò)修建水輪機(jī)尾水管來(lái)充分利用此能量。

當(dāng)污水進(jìn)入每一層盒子，盒子中水位上升，水位超過(guò)彎管頂部時(shí)，彎管頂部與流水的水面之間形成真空，水便自動(dòng)被虹吸至下一層盒子，直到水被吸干，空氣從吸水口進(jìn)入彎管，破壞虹吸，虹吸斷開(kāi)，水位又繼續(xù)上升，周而復(fù)始。

根據(jù)水電站尾水管理論［11］，在出水管尾部設(shè)計(jì)了擴(kuò)散角θ。若不按尾水管理論設(shè)計(jì)，管中出口流速僅為0.37 m/s，如按尾水管理論設(shè)計(jì)，則管中出口流速達(dá)到0.7 m/s。由于出口流速加大，相應(yīng)的增氧機(jī)體積縮小，降低了成本，提高了盒子中水被吸干的速度。

在生態(tài)床兩頭設(shè)立增氧機(jī)，其作用是利用強(qiáng)大的虹吸動(dòng)力，將每一個(gè)單位淺層生態(tài)床中的水吸干排入下面一層，與此同時(shí)大氣也隨之進(jìn)入填料孔隙之中，填料表面的水膜與空氣接觸，水膜及大氣中的氧分子運(yùn)動(dòng)則產(chǎn)生水氣兩相之間的大氣復(fù)氧。由式(2)可知，填料中水體被吸干后，填料的比表面積即是水的表面積A，該值越大復(fù)氧效果越好，與生物膜法是相適應(yīng)的。由于填料采取淺層、多層結(jié)構(gòu)，因此相應(yīng)的水的體積也較小，由式(2)可知V越小，大氣復(fù)氧效果越好。由于污水自上而下經(jīng)歷了排干和新鮮污水再充滿(mǎn)的過(guò)程，排干時(shí)填料所附水膜中溶解氧很快增加，向飽和溶解氧靠近，隨后新鮮污水加入其溶解氧含量很低，甚至為零，故此(OS-O)值也接近于OS值。式(2)的右邊3個(gè)變量全部都向著使dO/dt增加的方向增長(zhǎng)。所以上述改進(jìn)的設(shè)計(jì)，其大氣復(fù)氧效率很高。觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，這時(shí)的充氧能力在該增氧生態(tài)床中的數(shù)值為每小時(shí)每立方米填料可增加溶解氧2.2 g(即ρ(DO)=2.2 mg/L)。故此，好氧微生物生長(zhǎng)、繁殖十分活躍［12］。

5 A-PIEP法在工程實(shí)例中的應(yīng)用

5.1 南京臘梅食品廠實(shí)例

南京臘梅食品廠是生產(chǎn)著名“臺(tái)灣三鴻肉松”的工廠，每日排放污水為100 m3左右，其ρ(CODCr)=3000 mg/L左右，污水含有油脂，又黑又臭。應(yīng)用A-PIEP法處理后，ρ(CODCr)降為100 mg/L左右(達(dá)標(biāo)的水質(zhì) ρ(CODCr)＜150 mg/L)，見(jiàn)表2。

表2 南京臘梅食品廠驗(yàn)收監(jiān)測(cè)值Table 2 Monitored water quality for acceptance inspection of Lamei Food Factory，in Nanjing

5.2 揚(yáng)州煤氣總公司焦化煤氣廢水處理實(shí)例

揚(yáng)州煤氣總公司生產(chǎn)的焦化煤氣供應(yīng)揚(yáng)州全市居民使用，其在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢水屬于高濃度有機(jī)廢水，CODCr、NH4-N、酚、氰等的質(zhì)量濃度都很高，在其排放的濃氨水中ρ(CODCr)高達(dá)22000 mg/L。本文僅列出通過(guò)前處理工藝之后進(jìn)入?yún)捬酢鲅醯螢V池工藝環(huán)節(jié)的效果。該A-PIEP的處理能力為1200 m3/d(其中濃氨水50t/d，終冷水150t/d，冷卻水1000t/d)，采用2級(jí)A-PIEP處理，一級(jí)厭氧出水ρ(SS)和ρ(CODCr)分別為125mg/L和806mg/L，最終出水ρ(SS)和ρ(CODCr)分別為40mg/L和90mg/L，去除率分別為68.0%和88.8%。

6 結(jié) 語(yǔ)

將普遍應(yīng)用的厭氧/好氧工藝改進(jìn)為A-PIEP工藝，主要是應(yīng)用滲流理論將滴濾池改為淺層、多層結(jié)構(gòu)，填料按顆粒大小分層鋪砌，并利用平流紊動(dòng)擴(kuò)散理論、Fick定律、大氣復(fù)氧雙膜理論及虹吸原理將填料中污水很快吸干，進(jìn)行高效率的大氣復(fù)氧，取得較高的處理效率。南京臘梅食品廠及揚(yáng)州煤氣總公司焦化煤氣廢水處理實(shí)例表明其處理效果較好。

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