影响射流曝气的因素

浅析影响射流曝气的因素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关注。射流曝气器一般由喷嘴、吸入室、混入室三个部分组成，这是一个典型的单喷嘴构造，也是污水生化处理常用的曝气用射流器。见图1。图1射流器结构示意图把射流曝气作为一种曝气方法使用，并作为一种污水生化处理系统运行，综合射流器、池型、工艺配置提出较为合理的设计参数及运行参数，从而使射流曝气法更加具有普遍性。现从以下几个方面分析影响射流曝气工艺的因素：一、射流曝气器结构参数的影响1、喷嘴形状。喷嘴形状有多种，如圆薄壁孔板形、流线形、圆锥形收缩及多孔喷嘴等。其中以流线形喷嘴效率最好，但因其加工困难，所以不如圆锥形喷嘴使用范围广泛。圆薄壁孔板形喷嘴的射流紧密段较短，射流具有较高的破裂率，所以其喉嘴距较短。由于喷嘴口径的尺寸对射流器的影响很敏感，因此要考虑防锈问题，一般喷嘴的材料常用不锈钢、铜或者其它材料进行镀铬处理。2、喷嘴收缩角(对圆锥形收缩喷嘴而言)或喷嘴直径。由于射流器的工作介质为污水或污水与活性污泥的混合物，从防止喷口堵塞方面来考虑，喷口直径不宜太小，但从吸气室连接法兰进气口喉管扩散管喷嘴射流器在整个曝气池中曝气与气液的均匀性以及在操作运转的灵活性等方面考虑，喷口直径也不宜过大。一般直径为25mm左右为宜。3、吸气室。它是喷嘴和喉管共同的固定基础，进气管与之相连。吸气室一般为圆筒状，气体截面积为喷嘴出口面积的6～10倍。根据吸入流体与工作液体的流动方向可把吸气管设计成与工作液体平行或斜交(垂直)两种。一般认为吸入气体的进入方向和工作水的进入方向之夹角以40～60°为好，夹角线与喷嘴管轴线交点宜在喷嘴之前，这样可防止进气直径冲击入射水。4、喉管进口段。它把吸气室与喉管连接起来。为了减少被吸入气体的能量损失，一般采用收缩圆锥形或光滑曲线形，其收缩角在13～120°之间。当喉管喷嘴面积比m(m指喉管截面与喷口截面之比)小时，收缩角取小值；喉管喷嘴面积比m大时，收缩角取大值。也有人认为收缩角宜在30～60°之间。5、喉嘴距，即喷嘴出口断面到喉管入口断面之间的距离。这段距离对射流器充氧效果来说是不利的，故要求做得越短越好。它一般在(0.5～2)d喷嘴的范围内。当喉管较短时，适当增大喉嘴距，可以防止射流穿透喉管而不起混合作用。6、喉管长径比(L/D)及喉管喷嘴面积比(m)。用射流器来曝气，喉管是一个关键部件。由于引射介质为空气，按照曝气充氧的要求，一方面希望气泡被“切割”越小越好，这就要求工作介质与引射介质之间要进行剧烈的紊动混合作用。喉管的适当长度及大小(一般用喉管截面与喷口截面之比m来表示)，对加强氧的转移作用以及为充分发挥活性污泥的生物学特性具有重要作用。另一方面也希望能抽吸更多的气体，以满足废水生物处理的供氧要求，前者要求混合管的直径偏小为佳，而后者要求偏大为好，两者之间的要求看似矛盾，但从氧的转移及动力消耗这两方面来考虑，两者之间又存在着一个最佳值，因为自吸充氧，混合管直径要求不宜过大，否则高速射流在混合管部分不起紊动混合作用，而同时混合管的长度也不宜过小，否则射流会直接穿透混合管而不起混合、掺混作用。喉管的长度不但影响其本身的工作，而且影响在它后面的扩散管的工作：喉管越长，其中的摩擦损失越大，出口处速度分布越均匀，扩散管中的损失就越小：喉管越短，其中的摩擦损失越小，它的出口处速度越不均匀，它后面的扩散管中的损失就越大；为了减少摩擦损失和扩散损失，这样就存在一个最优长度的问题。根据长径比的大小，射流器可分为短喉管和长喉管两种。短喉管的长径比L/D一般在4～10之间，长喉管的长径比与喉管面积比m有关，其长径比大小一般在60以上。研究结果表明，短喉管最佳长径比在4～8之间，也有人认为此值应更大，在8～15之间，北京建筑工程学院李燕城实验结果认为L/D=(90～120)，当然这已属于长喉管范围了。对于面积比m，北京建筑工程学院李燕城通过实验得出如下经验公式：m=7.16～0.148d(4)式中：d—喷嘴直径，在此经验公式中d=(14～30)mm。7、扩散管。射流器扩散管实际上起着混合管与尾管之间的连接作用，从流体力学的角度来看它是起着一个由动能逐渐向压能转化的作用，以减少能量的损失。当曝气用射流器安装在曝气池水面以上时，这个作用是很明显的。空气和流体的扩散管实验结果表明，当扩散角为4～10°时，阻力系数最小，因此扩散管的扩散角θ在4～10°之间比较好。为了进一步减小扩散损失，当面积比m＜4时，可采用分段扩散的方法，扩散角分别由小到大。扩散管长度一般为4～7(d尾管-d喉管)。8、其它因素。为了保证射流器具有良好的水力性能，防止出现折冲水流和漏水现象，必须保证喷嘴、喉管、扩散管三者在组装或加工时必须同心，同轴(心)度应达到精度等级的9～10级，或控制在0.05～0.40mm之内，射流器越小，精度要求越高，射流器越大精度可降低些。对于喷嘴和喉管这两个主要部件，为了减少摩擦阻力损失，提高射流器效率，内壁加工光洁度应达到3.2～1.6以上。二、工作条件的影响1、供气方式。根据供气方式的不同，射流曝气可分为两大类：强制供气(有压)式和自吸(负压)式。供气式：空气的进入是由外部风机以低压送入吸入室，空气量的控制比较方便，安装上多在池内淹没于水中，维修不方便。自吸式：空气的进入是靠有压工作流体经喷嘴喷出的高速射流在吸入室形成负压，将空气吸入，其最大优点是：取消了鼓风机，设备简单，而且多安装在池外，不淹没于水中，安装维修方便，但由于进气量的限制，充氧能力也受一定的限制。因此应根据工程实际情况选用适合的供气方式。2、工作介质压力。国内常用的射流器根据工作介质的压力可分为高压型与低压型两种，高压射流器目前的工作压力为0.2MPa，低压为0.07MPa。高压型射流器喷嘴流速为20m/s左右，低压为12m/s左右。低压型射流器理论上的能量消耗是高压型的1/3，而实际上可能还要少一些。3、曝气池水深。由于氧的吸收与水深成正比的关系，因此增大曝气池水深可提高氧的转移率，但也不是无限制地增加，如果水深超过了氧100%溶解的深度就没有意义了；而且这只是一个理论值，在实际应用中还要考虑费用等因素。北京建筑工程学院李燕城等通过实验得出一个最佳曝气池水深计算公式，可供参考：H=3.05+0.082d(5)式中：H—曝气池有效水深，m；d—喷嘴直径，mm；在此经验公式中d=(14～30)mm。由上式看出，在喷嘴直径d=(14～30)mm范围内，曝气池最佳水深为H=4.2～5.5m。4、服务面积。生化处理曝气池中溶解氧浓度要保持在2mg/L左右。射流器出流在曝气池中形成的混合搅拌作用使曝气池中液体混合均匀需要一个过程。如果曝气池中某一点上氧的扩散速度小于活性污泥的耗氧速度，就会出现缺氧现象，破坏生化处理过程。因此就有一个服务面积问题。如果服务面积太小，则溶解氧浓度过大，会产生过氧化现象；服务面积太大，就会出现厌氧消化。北京建筑工程学院李燕城通过实验得出服务面积的一个经验公式，可供参考：a=0.29+0.044d(6)式中：a—一个射流器所能担负的曝气水面正方形边长，m；d—喷嘴直径，mm；在此经验公式中d=(14～30)mm。5、射流器安装方式。射流曝气器的安装方式分为竖直(垂直)安装(立式)和水平安装(卧式)两种方式。由于气、液两相的水平运动与垂直运动在流态上有较大的差异，所以射流器的安装方式对它的性能有一定的影响。(1)竖直安装：射流向下，除了本身具有的能量外，还受重力作用，吸入室、混合室内都不存水，因此阻力小，水利条件好；流动比较对称，也会减小阻力损失；工作停止时，整个射流器内不存水，易维修管理，尤其是抽送有腐蚀气体时，更显示出其优越性；但垂直安装需要一定高度的空间。(2)水平安装：射流为水平方向，在流动过程中由于重力的影响，气泡相对地集中在上部，使阻力损失增加。通常水平安装的负荷都比较大，而竖式安装的负荷都比较小；从生产管理上要求射流器的负荷应小些。因此在工艺没有特殊要求的情况下，宜采用竖直安装。6、射流器安装高度。安装高度系指射流器喷口断面中心距曝气池水面的垂直距离。射流器在曝气池中的安装高度分为：(1)浸没式安装：射流器喷口置于曝气池水面下一定深度处(射流器可位于曝气池内或池外)。(2)低位安装：射流器扩散管出口断面比曝气池水面高0～2m，由于高度较小，比较容易安装。工作压力条件下，高位安装比低位安装的吸气量可以增加30%左右。这是由于利用液体位能对气体进行了附加压缩的缘故。但提升液体到高位安装的射流器，需要增加耗用功率，而且需要较大的空间来满足安装高度的要求。因此使这种安装方式的应用受到限制。研究结果表明，射流器的安装高度对充氧动力效率E的影响是很大的。高位射流的动力效率最低，低位安装稍高(提高30%以上)，浸没式安装最高(比低位安装高20%左右)；另外，浸没式安装比低位安装的氧利用率高(高约25%左右)。三、扩散管(尾管)对工艺的影响1、在喉管内液体的紊动与吸氧率的关系射流形成高速紊流，一方面可使曝气器喷嘴处局部饱和的水迅速与亏氧混合以增加吸氧速率；另一方面可产生穿透活性污泥絮体的剪切应力，提高了传质速率，单位时间内能获得较高的吸氧率。根据双膜理论，Fick等人认为物质扩散速率与浓度梯度成正比，即Vd=DL*(dC/dX)(1)式中：Vd—物质的扩散速率(溶解氧的传质速度)，单位时间内单位断面上通过的物质数量(溶氧量)：DL—扩散系数，表示物质在某种物质中的扩散能力，主要取决于扩散物质和介质的特性及温度；dC/dX—浓度梯度，即单位长度内的浓度变化值，从射流器构造来分析我们可以这样认为，在射流的管段内，当氧和污水(污泥)接触的瞬时，射流水柱的表面氧的浓度最大，然后水柱流经喉管时，气流开始混合，在剪切力的作用下发生紊流，氧向管内的污水转移，被吸收的氧的总量不变，但浓度在降低，为浓度梯度的形成段。dX不能单纯的理解为长度，它可以是一个面或一个单位体积，一个微粒体积的水和一个微粒体积的氧相互切割、碰撞、磨擦产生不规则的高速运动，它们的比表面积成倍增大，浓度梯度在不断减小，氧的利用率在不断提高。这就是溶解氧为什么利用率较高的成因之一。对于不与溶剂起化学作用，并且溶解度较小的气体，在一定温度下溶入液体的气体量可用亨利定律计算：CＡ=HA·PA(2)式中：CＡ—溶质在液相中的摩尔浓度，mol/L；PA—溶质在气相中的分压，Pa；HA—亨利系数，mol/(L·Pa)。由以上的公式(1)、(2)可推导出氧转移公式：dC/dt=KLa(CS-C)(3)式中：dC/dt—液相主体中溶解氧浓度变化速率(或氧转移速率)，KgO2/(m3·h)；Cs—饱和溶解氧浓度，KgO2/m3；(Cs-C)—氧浓度差，Cs-C差越大，Vd越大，由此而形成氧的传质推动力，KgO2/m3；KLa—氧总转移系数，比值表示在曝气过程中氧的总传递性，当传递过程中阻力大时，则KLa值低，反之则KLa高；我们把它称为第一次氧向污水(或回流污泥)的转移，此时污水(污泥)为氧含量最高，处于过饱和状态。dC/dt在射流管内的过程是相当快的。一般在2秒内即可完成。2、扩散管(尾管)排出与吸氧率的关系扩散管(尾管)充当着气—液—固混合物向曝气池中排放的作用。扩散管(尾管)的大小影响到抽吸气气量及氧转移作用，尾管具有增强水气混合和增加溶解氧的作用，从而能达到强烈搅拌的目的，在喉管存在着过饱和的溶解氧和夹带微型空气泡，通过尾管的释放作用，我们把它称为第二次氧的转移，公式(1)、(2)、(3)照样适用，特别是式(3)它完成的过程是较慢的，其速度主要取决于曝气池的大小和池中水体有效的搅拌半径的密切的联系，小到几分钟，大到数个小时。这个过程是应控制的。池中的溶解氧维持在1.5—2.5mg/l的范围内。此时将处于传质状态，此时的传质状态，可以从以上论述得知，尾管大小、长度、浸没深度及出口位置对充氧效果都有重要影响。气—液排放方式。气—液混合物经尾管后排至曝气池中，目前采用两种形式：即尾管直接排放(