论文部分内容阅读
摘要：
鲁奇炉具有可气化劣质煤、氧耗低、碳转化率高、热效率高、气化产生的氢含量高等优点，在煤制天然气中得到广泛应用。但该炉型产生的气化污水浓度高，处理难度大，在一定程度上限制了该炉型的推广应用。高效射流反应器组合处理工艺具有深井曝气和流化污泥床的特点：曝气区容积负荷可达2～3kgCOD/m3.d，污泥浓度可达10g/L；沉淀区上升流速可达2～3m3/m2.h，回流污泥浓度可达20g/L，可大幅降低水池的容积和造价。此外，由于氧的转化率达50%，曝气气水比低（20～30:1），可明显消除气化污水曝气产生的泡沫，改善操作环境，并具有同步硝化/反硝化的效果。
关键词：
鲁奇炉气化污水；高效射流反应器；消泡作用；同步硝化/反硝化；好氧颗粒污泥
中图分类号： [R123.3] 文献标识码： A 文章编号：
鲁奇炉由于气化温度低，荒煤气中含有大量的酚类、氨、吡啶等有机物，煤气净化后的污水浓度高，COD浓度一般在3000mg/L以上，造成生化处理构筑物体积庞大，占地面积大，土建投资费用高，且好氧处理过程中容易产生大量的泡沫，严重影响周围环境和日常运行。根据我方多年在本行业的经验积累，提出一種利用射流深水曝气+立式斜板沉淀的组合处理工艺，该工艺可大大缩短好氧生化处理的水力停留时间，抑制生化处理曝气产生的泡沫。
组合工艺的特点
射流深水曝气池
高效射流反应器水深一般在10～20米，根据射流深井曝气的原理，采用射流+鼓风的混合曝气方式进行充氧。
射流曝气工艺的最大特点就是在喷头处的能量高度集中，循环泵的能量几乎全部集中在了喷头处，利用高密度的能量造成强烈的紊流，将空气充分细化；同时对活性污泥的絮体也进行了充分的切割，减小其尺度，最大限度的提高了液相到固相的传质速率，将污水中的杂质对传氧速率的影响减小到最小限度。
除射流曝气外，另设置鼓风曝气系统作为补充，以降低供氧能耗，同时还可促进反应器内的垂直循环（包括射流器导流筒[1][3]内外的垂直循环和导流板两侧的垂直循环）：鼓风曝气产生的气泡可增大上升区的空隙率[2]，而导流筒内的空隙率一定的条件下，增大导流筒外的空隙率可促进反应器上升区的上升流速，从而促进反应器内的垂直循环，从而提高反应器运行效率。
鼓风曝气系统淹没水深5～6米，可采用常规低压鼓风机，从而降低曝气能耗,另外更换曝气器时只需排空部分池容,可保留底部污泥,有利于快速重启。鼓风曝气器的主要作用是提高上升区的空隙率，因此可采用散流曝气器等中孔曝气器，以降低鼓风曝气系统的故障率。射流器导流筒上端淹没水深1米，末端距池底2米，以保证垂直循环的顺畅；导流板下端距池底1米，以保证池内整体循环和防止形成死区。反应器构造如下图1所示：
图1 高效射流反应器构造示意图
立式斜板沉淀池
高效的好氧反应器一方面要保证充足的供氧能力，另一方面要保证池内高浓度的污泥，二者缺一不可。
该组合工艺的沉淀池采用立式沉淀斜板，斜板采用独特的设计形式：单片斜板为60°菱形，沿斜向60°轧制出凹槽，之后将其竖直放置，将另一块轧制好的菱形板竖直放置并与其靠紧，凹槽保持交错排列，即组成一蜂窝状斜孔。将多块这种轧制好的菱形板竖直放置并交错排列、靠紧，即形成一完整的斜管组件，如下图2所示：
图2立式沉淀斜板单件及组装示意图
该形式斜板的最大特点是将单片板的倾斜放置改为竖直放置，这一改动使组装件垂直方向上的承重能力提高数倍，可达100kg/m2；也是因为每一单片板的竖直放置，消除了传统斜板因承重而弯曲变形的隐患，使组装件的垂直高度大大提高，可达2米甚至更高；斜板垂直高度的增加也意味着有效沉淀面积的提高，可适应更高的固体负荷，使单位面积上的产水率提高2～3倍，达2～3m3/m2.h，。此外该组装件安装极为方便，只需在池内用自攻螺丝将各单片板连接即可，避免了传统斜板安装中的二次搬运，大大提高了安装速度和质量。
由于射流曝气的强烈剪切作用，菌胶团和空气被充分细化，虽然强化了传质效果，但同时也增大了脱气和泥水分离的难度。
该组合工艺采用独特构造的沉淀池：由两块混凝土竖板将沉淀池上半部分为中间的絮凝脱气区和两侧的沉淀区，该种分布可提高絮凝脱气区的面积，从而降低泥水混合液的下降流速，保证气水分离效果；此外该种分布形式也降低了沉淀区的跨度，便于斜板支架的制作和安装。竖板的垂直高度根据清水区高度、立式斜板的高度以及斜板下部二次絮凝区所需高度确定，一般在5～6米。在二次絮凝区内，上升的泥水混合液和下沉的大颗粒絮状污泥发生接触絮凝，使絮体颗粒进一步增大形成拥挤沉淀（高密度沉淀），一方面使沉降速度提高，同时也降低了进入斜板区内的固体浓度，降低了斜板沉淀的固体负荷，保证了沉淀分离效果。沉淀池底部为浓缩区，通过压缩沉淀进一步提高回流污泥的含固率，一般可达10～20g/L，保证了射流曝气池内的污泥浓度，同时也省去了污泥浓缩池。
该种形式的沉淀池配套使用中心传动刮泥机，将传统斜板沉淀池的多斗沉淀排泥改为机械排泥，一方面提高了水池的容积利用率，同时也保证了排泥效果。沉淀池整体高度为10～12米，充分利用了曝气池的高度，使该组合工艺相得益彰。
沉淀池构造如下图3所示：
图3立式斜板沉淀池断面示意图
专用射流喷头
与常规射流曝气器不同，高效射流反应器的进气管在中间，经喷嘴喷出的是环状水流[1][3][4]，该环状水流有两方面的作用：其一是在中间形成真空，将空气吸入，其二是夹带其外围的水流，所以通常这种喷头都配套导流筒[3]。高压水流经喷头射入反应器，由于负压作用同时吸入大量空气。水流和气流的共同作用又使喷头下方形成高速紊流剪切区，把吸入的气体分散成细小的气泡。富含溶解氧的混合污水经导流筒达到反应器底部后，又向上返流形成环流，再经剪切向下射流，如此循环往复运行[3]。于是，污水被反复充氧，气泡和微生物菌胶团被不断剪切细化，并形成致密细小的絮凝体[5]。如下图4～6所示：
图4 图5图6
射流曝气运行实景 导流筒内外循环示意图环流喷嘴示意图
反应器特点
供氧速率快，容积负荷高
由于独特的喷嘴型式和反应器构造，使高效射流反应器具有极强的供氧速率，氧利用率可达50%以上[1]，混合液污泥浓度可达8～10g/L，对于鲁奇炉气化污水的处理，容积负荷可达2kgCOD/m3.d，COD去除率稳定在80%以上。
污泥沉淀性好，产率低
因供氧速率快、容积负荷高、污泥浓度高以及喷嘴处反复的剪切细化，高效射流反应器混合液中最终会形成细小密实的菌胶团颗粒[5]，沉降性好，每降解1kgBOD所产生的剩余污泥量比其他好氧方法平均减少40%左右[1][3]。
曝气产生的消泡少
经调研类比，用高效射流曝气器处理鲁奇炉气化污水，运行中产生的泡沫明显减少，杜绝了消泡剂的使用，极大的改善了操作环境和劳动强度。
曝气产生的泡沫是废水中的表面活性物质和气泡反应、相互作用产生的，因此泡沫的多少主要取决于废水的性质和曝气方式。
泡沫的产生：
泡沫产生的客体是发泡物质，曝气过程中鼓入的空气是诱因。发泡物质主要是表面活性物质及酚类等有机物，其本身是可生化降解的，产生泡沫的主要原因是微生物对发泡物质的降解只限于气泡在水中上升这一很短的时间内，曝气器向废水中供氧产生气泡后，废水中的发泡物质还没来得及充分降解就随气泡上升到水面与活性污泥脱离，形成泡沫，导致无法继续反应，而曝气器在不断产生气泡，气泡不断上升形成泡沫，导致泡沫不断累积。
曝气方式对泡沫产生的影响：
对于特定的废水，不同的曝气方式产生的泡沫量不同：总体而言，氧利用率越高的曝气器，曝气的气水比越小，泡沫的产生量越少。其原因可理解为：氧利用率高的曝气器，由于气泡尺度小、量少、在水中上升时间长，污泥中微生物对泡沫降解时间长，部分发泡物质得到降解，使得气泡上升到水面后形成的泡沫少。
消泡原理：
对于高效射流反应器，如上所述，除具有气泡尺度小、气泡在反应器中停留时间长的特点外，还具有另外一个特点：
大部分气泡上升到导流筒上端附近后又在喷嘴高速水流的夹带作用下被卷吸到导流筒内，重新下降到池底………如此反复[3]。即大部分气泡要经过几轮上下垂直循环后才能最终上升到水面，这种效果同时延长了气泡和泡沫在反应器内的停留时间，一方面增大了曝气氧利用率，同时也延长了污泥中微生物对泡沫和发泡物质的降解时间，使曝气产生的大部分泡沫在最终上升到水面之前得到降解，使泡沫产生量降低。此外，水面上的部分泡沫也会被射流器产生的高速水流重新卷吸到导流筒内进行生化降解。在这双重作用下，使反应器的泡沫明显减少。
同步硝化反硝化作用
该高效射流反应器在其内部形成了明显的氧浓度梯度：在喷嘴出口处，气、固、液三相剧烈混合，将菌胶团和空气充分剪切细化，氧浓度最高；在导流板外侧、远离喷嘴的区域，无充氧曝气作用，只依靠导流板两侧混合液的密度差形成垂直循环，避免形成死区，在此处氧浓度最低；形成了同步硝化/反硝化的宏观环境[6]。从微观角度来看，菌胶团先在喷嘴处被剪切、细化、充氧，之后在导流板外侧重新絮凝，形成缺氧装态，菌胶团颗粒周期性的经历好氧和缺氧状态，形成了同步硝化/反硝化的微观环境[6]。
应用实例
山西某厂采用鲁奇气化工艺，产生的气化污水COD浓度1500～2000mg/L，氨氮浓度200～300mg/L，采用高效射流反應器组合工艺进行好氧生化处理，好氧生化水力停留时间20小时，二沉池水力负荷3m3/m2.h，曝气气水比20:1，COD去除率稳定在80%以上，氨氮去除率稳定在30%以上，混合液污泥浓度8～10g/L，取得了良好的处理效果和效益。
结束语
鉴于我国的能源结构和消费趋势，利用劣质的褐煤和鲁奇炉气化工艺生产煤制天然气符合我国的能源战略需要，具有广阔的发展前景。本文中提出的高效射流曝气器组合工艺具有建造成本低、运行维护简单、处理效果好、可消除曝气泡沫等优点，为鲁奇炉气化污水的处理提供了一种有价值的解决方案。
参考文献：
刘康怀、席为民、李月中，HCR----一种高效好氧生物处理技术[J]，给水排水、2000年26卷第4期，25～28
CECS 42:92 深井曝气设计规范[S]
陈志强，温沁雪，刘京，喷射环流生物反应技术应用进展[J]，中国给水排水、2004 Vol. 20 No.10，36～39
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年2月第3卷第2期，76～80
王建龙，张子键，吴伟伟，2009好氧颗粒污泥的研究进展[J]，环境科学学报，29(3):449～ 473
万金保，王敬斌，同步硝化反硝化脱氮机理分析及影响因素研究[J]，江西科学，2008年4月第26卷第2期，345～350
作者简介：
李春泉，1975年8月～，男，河北辛集人，大学本科学历，工程师职称，任职于上海达源环境科技工程有限公司，主要从事工业污水处理的工程设计及研究。
鲁奇炉具有可气化劣质煤、氧耗低、碳转化率高、热效率高、气化产生的氢含量高等优点，在煤制天然气中得到广泛应用。但该炉型产生的气化污水浓度高，处理难度大，在一定程度上限制了该炉型的推广应用。高效射流反应器组合处理工艺具有深井曝气和流化污泥床的特点：曝气区容积负荷可达2～3kgCOD/m3.d，污泥浓度可达10g/L；沉淀区上升流速可达2～3m3/m2.h，回流污泥浓度可达20g/L，可大幅降低水池的容积和造价。此外，由于氧的转化率达50%，曝气气水比低（20～30:1），可明显消除气化污水曝气产生的泡沫，改善操作环境，并具有同步硝化/反硝化的效果。
关键词：
鲁奇炉气化污水；高效射流反应器；消泡作用；同步硝化/反硝化；好氧颗粒污泥
中图分类号： [R123.3] 文献标识码： A 文章编号：
鲁奇炉由于气化温度低，荒煤气中含有大量的酚类、氨、吡啶等有机物，煤气净化后的污水浓度高，COD浓度一般在3000mg/L以上，造成生化处理构筑物体积庞大，占地面积大，土建投资费用高，且好氧处理过程中容易产生大量的泡沫，严重影响周围环境和日常运行。根据我方多年在本行业的经验积累，提出一種利用射流深水曝气+立式斜板沉淀的组合处理工艺，该工艺可大大缩短好氧生化处理的水力停留时间，抑制生化处理曝气产生的泡沫。
组合工艺的特点
射流深水曝气池
高效射流反应器水深一般在10～20米，根据射流深井曝气的原理，采用射流+鼓风的混合曝气方式进行充氧。
射流曝气工艺的最大特点就是在喷头处的能量高度集中，循环泵的能量几乎全部集中在了喷头处，利用高密度的能量造成强烈的紊流，将空气充分细化；同时对活性污泥的絮体也进行了充分的切割，减小其尺度，最大限度的提高了液相到固相的传质速率，将污水中的杂质对传氧速率的影响减小到最小限度。
除射流曝气外，另设置鼓风曝气系统作为补充，以降低供氧能耗，同时还可促进反应器内的垂直循环（包括射流器导流筒[1][3]内外的垂直循环和导流板两侧的垂直循环）：鼓风曝气产生的气泡可增大上升区的空隙率[2]，而导流筒内的空隙率一定的条件下，增大导流筒外的空隙率可促进反应器上升区的上升流速，从而促进反应器内的垂直循环，从而提高反应器运行效率。
鼓风曝气系统淹没水深5～6米，可采用常规低压鼓风机，从而降低曝气能耗,另外更换曝气器时只需排空部分池容,可保留底部污泥,有利于快速重启。鼓风曝气器的主要作用是提高上升区的空隙率，因此可采用散流曝气器等中孔曝气器，以降低鼓风曝气系统的故障率。射流器导流筒上端淹没水深1米，末端距池底2米，以保证垂直循环的顺畅；导流板下端距池底1米，以保证池内整体循环和防止形成死区。反应器构造如下图1所示：
图1 高效射流反应器构造示意图
立式斜板沉淀池
高效的好氧反应器一方面要保证充足的供氧能力，另一方面要保证池内高浓度的污泥，二者缺一不可。
该组合工艺的沉淀池采用立式沉淀斜板，斜板采用独特的设计形式：单片斜板为60°菱形，沿斜向60°轧制出凹槽，之后将其竖直放置，将另一块轧制好的菱形板竖直放置并与其靠紧，凹槽保持交错排列，即组成一蜂窝状斜孔。将多块这种轧制好的菱形板竖直放置并交错排列、靠紧，即形成一完整的斜管组件，如下图2所示：
图2立式沉淀斜板单件及组装示意图
该形式斜板的最大特点是将单片板的倾斜放置改为竖直放置，这一改动使组装件垂直方向上的承重能力提高数倍，可达100kg/m2；也是因为每一单片板的竖直放置，消除了传统斜板因承重而弯曲变形的隐患，使组装件的垂直高度大大提高，可达2米甚至更高；斜板垂直高度的增加也意味着有效沉淀面积的提高，可适应更高的固体负荷，使单位面积上的产水率提高2～3倍，达2～3m3/m2.h，。此外该组装件安装极为方便，只需在池内用自攻螺丝将各单片板连接即可，避免了传统斜板安装中的二次搬运，大大提高了安装速度和质量。
由于射流曝气的强烈剪切作用，菌胶团和空气被充分细化，虽然强化了传质效果，但同时也增大了脱气和泥水分离的难度。
该组合工艺采用独特构造的沉淀池：由两块混凝土竖板将沉淀池上半部分为中间的絮凝脱气区和两侧的沉淀区，该种分布可提高絮凝脱气区的面积，从而降低泥水混合液的下降流速，保证气水分离效果；此外该种分布形式也降低了沉淀区的跨度，便于斜板支架的制作和安装。竖板的垂直高度根据清水区高度、立式斜板的高度以及斜板下部二次絮凝区所需高度确定，一般在5～6米。在二次絮凝区内，上升的泥水混合液和下沉的大颗粒絮状污泥发生接触絮凝，使絮体颗粒进一步增大形成拥挤沉淀（高密度沉淀），一方面使沉降速度提高，同时也降低了进入斜板区内的固体浓度，降低了斜板沉淀的固体负荷，保证了沉淀分离效果。沉淀池底部为浓缩区，通过压缩沉淀进一步提高回流污泥的含固率，一般可达10～20g/L，保证了射流曝气池内的污泥浓度，同时也省去了污泥浓缩池。
该种形式的沉淀池配套使用中心传动刮泥机，将传统斜板沉淀池的多斗沉淀排泥改为机械排泥，一方面提高了水池的容积利用率，同时也保证了排泥效果。沉淀池整体高度为10～12米，充分利用了曝气池的高度，使该组合工艺相得益彰。
沉淀池构造如下图3所示：
图3立式斜板沉淀池断面示意图
专用射流喷头
与常规射流曝气器不同，高效射流反应器的进气管在中间，经喷嘴喷出的是环状水流[1][3][4]，该环状水流有两方面的作用：其一是在中间形成真空，将空气吸入，其二是夹带其外围的水流，所以通常这种喷头都配套导流筒[3]。高压水流经喷头射入反应器，由于负压作用同时吸入大量空气。水流和气流的共同作用又使喷头下方形成高速紊流剪切区，把吸入的气体分散成细小的气泡。富含溶解氧的混合污水经导流筒达到反应器底部后，又向上返流形成环流，再经剪切向下射流，如此循环往复运行[3]。于是，污水被反复充氧，气泡和微生物菌胶团被不断剪切细化，并形成致密细小的絮凝体[5]。如下图4～6所示：
图4 图5图6
射流曝气运行实景 导流筒内外循环示意图环流喷嘴示意图
反应器特点
供氧速率快，容积负荷高
由于独特的喷嘴型式和反应器构造，使高效射流反应器具有极强的供氧速率，氧利用率可达50%以上[1]，混合液污泥浓度可达8～10g/L，对于鲁奇炉气化污水的处理，容积负荷可达2kgCOD/m3.d，COD去除率稳定在80%以上。
污泥沉淀性好，产率低
因供氧速率快、容积负荷高、污泥浓度高以及喷嘴处反复的剪切细化，高效射流反应器混合液中最终会形成细小密实的菌胶团颗粒[5]，沉降性好，每降解1kgBOD所产生的剩余污泥量比其他好氧方法平均减少40%左右[1][3]。
曝气产生的消泡少
经调研类比，用高效射流曝气器处理鲁奇炉气化污水，运行中产生的泡沫明显减少，杜绝了消泡剂的使用，极大的改善了操作环境和劳动强度。
曝气产生的泡沫是废水中的表面活性物质和气泡反应、相互作用产生的，因此泡沫的多少主要取决于废水的性质和曝气方式。
泡沫的产生：
泡沫产生的客体是发泡物质，曝气过程中鼓入的空气是诱因。发泡物质主要是表面活性物质及酚类等有机物，其本身是可生化降解的，产生泡沫的主要原因是微生物对发泡物质的降解只限于气泡在水中上升这一很短的时间内，曝气器向废水中供氧产生气泡后，废水中的发泡物质还没来得及充分降解就随气泡上升到水面与活性污泥脱离，形成泡沫，导致无法继续反应，而曝气器在不断产生气泡，气泡不断上升形成泡沫，导致泡沫不断累积。
曝气方式对泡沫产生的影响：
对于特定的废水，不同的曝气方式产生的泡沫量不同：总体而言，氧利用率越高的曝气器，曝气的气水比越小，泡沫的产生量越少。其原因可理解为：氧利用率高的曝气器，由于气泡尺度小、量少、在水中上升时间长，污泥中微生物对泡沫降解时间长，部分发泡物质得到降解，使得气泡上升到水面后形成的泡沫少。
消泡原理：
对于高效射流反应器，如上所述，除具有气泡尺度小、气泡在反应器中停留时间长的特点外，还具有另外一个特点：
大部分气泡上升到导流筒上端附近后又在喷嘴高速水流的夹带作用下被卷吸到导流筒内，重新下降到池底………如此反复[3]。即大部分气泡要经过几轮上下垂直循环后才能最终上升到水面，这种效果同时延长了气泡和泡沫在反应器内的停留时间，一方面增大了曝气氧利用率，同时也延长了污泥中微生物对泡沫和发泡物质的降解时间，使曝气产生的大部分泡沫在最终上升到水面之前得到降解，使泡沫产生量降低。此外，水面上的部分泡沫也会被射流器产生的高速水流重新卷吸到导流筒内进行生化降解。在这双重作用下，使反应器的泡沫明显减少。
同步硝化反硝化作用
该高效射流反应器在其内部形成了明显的氧浓度梯度：在喷嘴出口处，气、固、液三相剧烈混合，将菌胶团和空气充分剪切细化，氧浓度最高；在导流板外侧、远离喷嘴的区域，无充氧曝气作用，只依靠导流板两侧混合液的密度差形成垂直循环，避免形成死区，在此处氧浓度最低；形成了同步硝化/反硝化的宏观环境[6]。从微观角度来看，菌胶团先在喷嘴处被剪切、细化、充氧，之后在导流板外侧重新絮凝，形成缺氧装态，菌胶团颗粒周期性的经历好氧和缺氧状态，形成了同步硝化/反硝化的微观环境[6]。
应用实例
山西某厂采用鲁奇气化工艺，产生的气化污水COD浓度1500～2000mg/L，氨氮浓度200～300mg/L，采用高效射流反應器组合工艺进行好氧生化处理，好氧生化水力停留时间20小时，二沉池水力负荷3m3/m2.h，曝气气水比20:1，COD去除率稳定在80%以上，氨氮去除率稳定在30%以上，混合液污泥浓度8～10g/L，取得了良好的处理效果和效益。
结束语
鉴于我国的能源结构和消费趋势，利用劣质的褐煤和鲁奇炉气化工艺生产煤制天然气符合我国的能源战略需要，具有广阔的发展前景。本文中提出的高效射流曝气器组合工艺具有建造成本低、运行维护简单、处理效果好、可消除曝气泡沫等优点，为鲁奇炉气化污水的处理提供了一种有价值的解决方案。
参考文献：
刘康怀、席为民、李月中，HCR----一种高效好氧生物处理技术[J]，给水排水、2000年26卷第4期，25～28
CECS 42:92 深井曝气设计规范[S]
陈志强，温沁雪，刘京，喷射环流生物反应技术应用进展[J]，中国给水排水、2004 Vol. 20 No.10，36～39
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年2月第3卷第2期，76～80
王建龙，张子键，吴伟伟，2009好氧颗粒污泥的研究进展[J]，环境科学学报，29(3):449～ 473
万金保，王敬斌，同步硝化反硝化脱氮机理分析及影响因素研究[J]，江西科学，2008年4月第26卷第2期，345～350
作者简介：
李春泉，1975年8月～，男，河北辛集人，大学本科学历，工程师职称，任职于上海达源环境科技工程有限公司，主要从事工业污水处理的工程设计及研究。