imc工艺和高效射流曝气器在高氨氮废水处理中的应用及节能效果分析 17页

水污染治理节能技术交流展示会些墅竺竺坚!竺坐：竺呈2竺婴!型型垡塑鲤型!垡型!墅堑坠坚呈!!!堕竺曼唑型lMC工艺和高效射流曝气器在高氨氮废水处理中的应用及节能效果分析褚士军，邹俊峰(宜兴市荣盛达环保有限公司)1前言水的富营养化是我国环境面临的主要污染之一，水体的富营养化是一种氮、磷等植物营养物质含量超出水体自净能力而引起的水质污染现象，其中氮是造成我国水体富营养化的主要污染因子之一。大量工业废水和生活污水夹杂着氮污染。生活污水中氮的污染较轻、处理难度低、处理率高，在我国已基本得到有效治理或控制。工业废水中氮污染比较严重，特别是煤化工行业(包括煤的气化、液化、干馏，以及焦油加工和电石乙炔化工等)、合成氨工业、屠宰养殖业、垃圾填埋场等，’’废水中氮污染的绝对浓度高，处理难度大。因资金、技术等因素制约，此类废水超排的情况时有发生。要解决我国水体的富营养化污染首先需要从这些行业着手。因能源危机和石油价格上涨，近年来代表新能源领域的煤气化工业在我国发展迅猛，但由于所排废水的氮污染十分严重，达标处理难度极高，在部分地区煤化工项目因环保原因而招到否决。我国缺油富煤，为保障能源安全，煤的气化是大势所趋，因此如何合理解决煤气化高氮氮废水的达标排放或回用问题显的尤为重要。本公司长期从事高氨氮有机废水的处理，对高氨氮废水具有丰富的治理经验，特别是近年来在煤气化工艺废水的处理领域，拥有独到的处理技术，为大量煤化工企业解决了废水达标排放问题和废水回收利用问题。2高氨氮废水的常规处理技术2．1国内外处理高氨氮废水的常用技术国内外处理氨氮废水的技术基本处于同等水平，低浓度氨氮废水(氨氮≤lOOmg／L)主要采用A『O生物脱氮工艺，对于高浓度氨氮废水(氨氮≥100mg／L)，则处理技术较多，主要有折点氯化法、吹脱法、晶析法等物化工艺和以NO法、生物滤池法、SBR法等为代表的生化工艺。2．1．I物化除氨氮工艺·折点氯化法折点氯化法是利用氯的强氧化性，将氨氮氧化成硝酸盐，其特点是：①折点氯化法是直接法，氨氮转化速度快，系统建设费用低；②折点氯化法只是转变氮的形态，总氮未变，因此未从根本上消除氮污染；③折点氯化法达到折点状态的控制要求很高，难以掌握：④折点氯化法处理后余氯含量较高；需要进行除氯处理：13n褚士军等：IMC工艺和高效射流曝气器在高氨氮废水处理中的应用及节能效果分析⑤氨氮浓度高时采用一步折点氯化法无法保证达到排放标准。·吹脱法吹脱法是利用空气扩散机理，在一定条件下使废水中的氨氮扩散进入大气或吸收回用，从而消除氮污染，其特点是：①统建设费用低；②造成氨氮的二次污染问题；③适用范围较窄，寒冷地区吹脱塔易结冰；④运行费用较高，要达到较好的效果需要合适的温度和pH值；⑤处理程度低，出水氨氮通常仍高达200mg／L以上，不能实现达标排放。·晶析法晶析法是通过化学药品与氨氮反应结晶，从而从废水中分离出氨氮，其特点是：①属于直接法，反应速度快，系统简单，建设费用低：②适用于超高浓度氨氮(氨氦≥1000mg／L)废水的处理：③处理程度低。出水氨氮不能实现达标排放。从以上物化方法的特点来看，基本都不能直接实现达标排放，故目前氨氮的物化处理方法基本只作预处理使用。2．1．2生化脱氮工艺生化脱氮是目前国内外处理氨氮废水的主要工艺，传统A／O法、生物滤池法、SBR法等生化脱氮原理均基于硝化与反硝化原理(A／O原理)。硝化与反硝化原理：在未经处理的废水中，含氮化合物主要是以有机氮如蛋白质、尿素、胺类化合物、硝基化合物以及氮基酸等形式存在，此外也含有少量的氨态氮如N}Is及NH’。等。在氨化菌的作用下，有机氮化合物分解。转化为氨态氮，以氨基酸为例，其反应式为：RCHNH2C00H+0。一RC00H+c02+NH3在活性污泥系统内是比较容易完成氨化反应的。在硝化菌作用下，氨态氮迸一步分解、氧化，就此分两个阶段，首先在亚硝化菌作用下，氨(Nli4)转化为亚硝酸盐氮，反应式为：Nl{4"+3／202一N02一十H20+2H’一△F(AF=278．42kJ)继之，亚硝酸氮(NQ—N)在硝化菌作用下，进一步转化为硝态氮，其反应式为：№++1／202一N03一△F(△F--72．27kJ)硝化的总反应式为；№++202--NO,‘+H20+2H+一△F(AF=351k1)从上式可见，lg氨氮氧化成硝态氮需氧4．579，其中亚硝化反应需氧3．439，．硝化反应需氧1．149。在反应过程中还消耗水中的重碳酸盐碱度，约为7．149CaC03／gNH·一N。反硝化反应是指硝态氮(N03-N)和亚硝酸盐氮(NO,-N)在反硝化菌作用下，被还原为气态氮(N：)的过程。反硝化菌属异养型兼性厌氧菌，在厌氧条件下，以N0，。一N为电子受体，以有机碳为电子供体。在反硝化菌的代谢活动下，No，．N有两个转化途径，即：同步反硝化(合成)。最终产物为有机氮化合物，成为菌体的组成部分；异步反硝化(分解)，最终产物为气态氮。一般以后者为主．通过以上硝化和反硝化作用，最终达到去除废水中有机氮化合物和氨氮的目的。根据硝化和反硝化脱氮原理设计的废水生物净化脱氮工艺人们常称为A／O工艺。14n褚士羊牛1Mc‘艺扣高救射漉曝气嚣在高曩置废水址理中的应用蕊节能照晨分析·A／O法现在所指的A／O工艺其特征是缺氧与好氧为不同空间的串联反应器(空间分隔)，通常缺氧池设置在好氧池前。其工艺过程如图l：从流程可知：为达到反硝化的目的和效率，回流液提供的硝态氮越多越好。提高参与反硝化的回流硝态氮量有两种方法可选：一是增加回流量，二是提高回流液中硝态氮肋浓度。提高回流量时，由于回流渡(曝气后的废水)氧含量高，有可能造成^级池的富氧化，而反硝化要求无氧或低氧，所以提高回流量容易破坏反硝化环境，降低反硝化率，同时也增加了回流动力消耗。提高硝态氮浓度时，由于0级池出水和回流液水质相同．提高硝态氩浓度意味着出水总氨的升高，将直接导致出水超标。因此对于传统M'O工艺需要统筹回流量与硝态氮的不良影响。由于存在硝态氮反硝化时重新转化为氪氮的客观事实．因此传统A／O工艺脱氮是有限度的，A／O工艺的脱氨效率通常不超过85％．处理氨氢≥lOOmg／L的废水时超标情况比较严重。A／O工艺处理流程．图1：习·生物瘟旭生物滤池属生物膜法，其脱氮机理也为A／O。生物滤池在空间上也可以组成A／O系统，使之达到传统A／O工艺同样的脱氮效果，但实际上生物滤池的脱氮效果较传统A／O工艺好．原因是氧在生物膜处形成了浓度梯度(见圈2)。生物膜外例与氧首先接触，艘外侧处于好氧状态，进行硝化反应。而内侧由于氧传递的速度受到生物膜的制约，处于缺氧甚至厌氧状态，发生反硝化反应。所以以形式^／0串联的生物淀池脱氮效果较好。废水中的硝态氮也会园生物膜的制约而影响传递效率，在硝态氮的扩散过程中，只有一部分可以进入生物膜内侧而被反硝化．故生物滤池的脱氮效率通常不超过90％。生物膜处氧的浓度梯度如图2所示：生物膜02Nm+3／2。2一№+H2。+“。△FN“+t／Z0：一N吼一△F好轼区NH4·／N02．N03-。№二≯o、，一∞n褚士军等：IMc工艺和高效射流曝气器在高氨氮废水处理中的应用及节能效果分析·SBR法SBR'T艺是一种间歇式的活性污泥法，其特点是所有生化反应均在同一池内完成，不需要好氧废水的回流，因此理论上脱氮效率更高，也更节能。但常规SBRI艺处理含氮废水时，硝化和去除CoD的过程同时进行，反硝化时因废水中CoD物质已基本消耗怠尽。碳源不足，故反硝化效果不佳，出水的硝态氮含量仍较高。要提高反硝化效果就需要外加碳源，运行成本较高。因此，不能有效利用原水中的COD物质是SBR脱氮工艺最主要的缺点。3高氨氮废水的lMC处理技术3．1IMC反应器的基本原理IMC法是由本公司自主研制开发的新型高效节能高氨氮废水处理技术。IMC法结合了异步硝化与反硝化(A／0)和同步硝化与反硝化(SND)的各自优点，具有双重脱氮功能。同时也能充分利用废水中的COD物质进行脱氮反应，减少了外加碳源用量，降低了运行成本，具有节能增效特点。IMC法是一种改进型的SBR工艺，其基本原理是：在反应的不同时间段，使反应器内环境处于好氧和缺氧的连续变化之间，从而在环境条件上形成多个A／O的串联：另外由于反应器内好氧和缺氧环境不断变化，反应器不同空间上的溶氧并不均匀，且在不同时间点上的溶氧变化也可以导致SND现象的发生。多个串联A／O的异步硝化与反硝化作用要强于单个A／O工艺，因此即使不计SND作用，．其脱氮效果也将高于A／O工艺。IMC反应器内好氧和缺氧环境的变化频率远高于其它形式的反应器，故无论从发生概率和程度上IMC法的SND作用都远高于其它形式的反应器。IMC法采用连续进水的方式，在反应的主要过程中均有原水的COD物质存在，从而可以充分利用原水中的COD进行脱氮反应，达到节约运行成本的效果。3．2IMC反应器的运行过程IMC反应器集反应池、沉淀池为一体，连续进水，间歇反应，反应停止后沉淀，最后撤除上清液，并排出剩余污泥，成为一个周期，周而复始。IMC反应器的运行程序(见图3)，具体过程如下：①进水阶段：废水进入IMC池的阶段，通常为一个运行周期的开始。②反应阶段：宏观上分为曝气和搅拌两种反应，曝气时发生硝化反应，搅拌时发生反硝化反应，两种反应以时间串联交替进行，依次反复数次。整个反应过程在微观上形成了不断变化的氧浓度梯度，从而促使SND现象也充斥了整个反应过程。③沉淀阶段，停止反应，池中泥水静止分离，活性污泥逐渐沉到池底，上层水逐渐变清。④滗水阶段：沉淀结束后，置于反应池末端的滗水器开始工作，自上而下逐渐排出上清液。IMC反应器的运行程序参见图3：在IlVIC工艺中，硝化和反硝化在同一池内进行，不需要好氧混合液的回流，因此理论上脱氮效率可接近于100％。实践表明，IlVlC工艺的脱氮效率可以达到99％以上。3．3IMC工艺的特点①由于IMC池集反应、沉淀于一身，节约了沉淀池。所以占地面积省。②硝化和反硝化在同一池内进行，不需要好氧混合液的回流，节约了污泥和污水回流系统。运行费用低、设备简单、维护方便。16n褚士军等：IMC工艺和高效射流曝气器在高氨氮废水处理中的应用及节能效果分析遗束翳段反应阶硬汽逭所段滗味阶段图3l眦反应器的运行程序③由于每次滗水只排出池中少量达标废水，其它剩余泥水对进水有很强的缓冲功能，因此IMC法的抗冲击负荷能力很强，对原污水水质、水量变化的适应能力较高。，④IMC反应器中BOD浓度梯度的存在有利于抑制丝状菌的生长，能克服传统A／0法常见的污泥膨胀问题。⑤按照水力学的观点，活性污泥的沉降，以在完全静止状态下沉降为佳，IMC池几乎是在静止状态下沉降，因此沉降的时间更短，效率更高。⑥[MC反应器进水采用连续流，能够充分利用原水中的COD进行脱氮反应，克服了SBR及其其它变形工艺不能充分利用原水COD的缺点，从而更节能。。．3．4主要生化脱氮工艺的对比表1：主要生化脱氮工艺对比表装A／0生物滤池SIBRIMC主要指标＼氨氮处理效率不超过85％不超过90％接近10096主要反应原理A／OA／0．S胁A／0，S胁山，o，SND抗冲击能力弱一般强好氧水回流需要不需要污泥回流需要不需要原水COD能利用不能利用能利用补充碳源少多少沉淀池需要不需要产泥量多少多一般工程投资省较高省占地面积较大省运行能耗省‘省较高省17n褚-．L-$等：IMC工艺和高效射流曝气器在高氨氮废水处理中的应用及节能效果分析4新型高效DJAM型射流曝气器的应用4．1曝气技术及曝气装置在污水处理中的应用在当前污水处理技术领域中。生化法是应用最为广泛的技术之一。生化法是采取人工措施，创造适宜条件，强化微生物的新陈代谢功能，加速污水中有机污染物降解的污水生物处理技术。所谓人工措施就是在反应器——曝气池中设置空气扩散装置，即曝气装置。曝气装置在曝气池内的主要作用有二个：1)充氧。在曝气装置作用下，完成空气(氧)——混合液的传质和扩散过程，即将空气中的氧(或纯氧)转移到混合液中的活性污泥絮体上，以供给微生物的生物过程的需要。2)搅拌、混合。曝气装置提供动力，使曝气池内的混合液处在剧烈的混合状态。使活性污泥、溶解氧、污水中的有机污染物三者充分接触。同时，也起到防止活性污泥在曝气池内沉淀的作用。显然，曝气装置是生化法处理工艺的核心工艺单元——生物反应器提供完成需氧反应过程的氧和保障反应过程工艺条件的最关键的设备。曝气装置品质的优劣，在很大程度上决定了整个污水处理工艺过程能力和效率的高低。4．2新型高效正压供气DJAM型碟式射流曝气器曝气设备作为污水生化处理工艺中的核心设备已日益受到世界各国水处理界和企业界的高度重视，随着污水生物处理工艺对曝气设备的要求越来越高，以及能源的日趋紧张，新型高效低能曝气设备的研究已经成为推动污水处理事业和环保产业发展以及节能降耗的重要因素。另外，我国的环保产业与国外相比还有很大差距，近年来在国内建设的污水处理工程中花费了大量资金用于进口国外曝气设备和进行维护管理。因此，加速国外先进曝气设备的消化吸收，提高我国曝气设备的科技含量和国产化率，增强在市场中的竞争能力，是促进该领域发展的根本途径。目前国内通过对机械、鼓风、两者联合的机械一鼓风这三类曝气装置进行多年的引进、消化、吸收和自主研发，已和国际处于同等水平。然而在射流曝气技术与装置方面，在九十年代前，我国与国际水平本身就存在较大差距，而在九十年代，国外先进的微孔曝气设备又充斥着我国的环保市场，原本性能不佳的射流曝气进一步陷入困境，研制和应用几乎处于停滞状态。而同期美国、德国、日本等发达国家对射流曝气技术及装置继续做了大量的研究工作，并取得了突破性进展，已经开发出高效射流曝气装置，以其动力效率高、加工制造容易、工作可靠、易维护管理、能改善活性污泥活性等综合性能优势，在污(废)水处理中得到了广泛的应用。因此我国在射流曝气技术及装置方面与国际先进水平的差距进一步扩大。本公司立足于吸收国内外先进科技成果，发展射流曝气技术，提高射流曝气技术水平，开发出了一种适用于不同生物处理工艺的高性能、低能耗、低成本、高可靠性和使用寿命的新型高效碟式射流曝气器。弥补了我国在射流曝气技术及装置领域的不足，提高了我国曝气装置的整体技术水平，为我国更广泛地参与国际竞争打下扎实的基础。4．2．1结构形状及安装DJAM型碟式射流曝气器主要Eb#t"腔、内腔、外喷嘴、内喷嘴、进气13和进液口六部分组成。内外腔体均为由上下两个碟形壳体对合粘结而成的空腔，内外腔体同轴套合，进液口和进气口沿轴心方向分别连接内腔和外腔，内、外喷嘴分别沿内、外腔体周面同心分布。内腔即为工作介质腔，外腔即为引射介质腔。曝气器自身不含任何机电部件和传动部件，工作时需要配套的设备有：射流循环水泵、鼓风机。DJAM型碟式射流曝气器的立面剖视结构简图：18n褚士军等：IHC工艺和高效射流曝气器在高氨氯废水处理中的应用及节能效果分析压力空气压力循环水田4-I立面剖视结构简图DJAM一1型碟式射流曝气器的俯视半剖结构示意图图4-2俯视半剖结构示意图DJAM型碟式射流曝气器一个明显的特点是混合腔(外喷嘴)呈喷嘴状，与工作介质喷嘴(内喷嘴)构成了一组双重喷嘴。将混合腔设计成喷嘴状的主要原理有四个：①这种设计既有利于提高氧的利用率，又能减少撞击损失。要减少撞击损失，气液间的速度差需要尽量小，但是速度差越小液体的切割作用就越弱，氧的利用率就越低，只有扩大速度差才有利于氧利用率的提高。混合腔设计成喷嘴状时，混合腔入口较大，引射介质的流速就低，切割作用就强：混合腔出口较小，引射介质的流速就高，工作介质与引射介质的速度差就小，撞击损19n讨士军等：IWC工艺和高效射流曝气器在高氨氮废水处理中的应用及节能效果分析失就少，因此混合腔需要设计成喷嘴状。②这种设计还能利用混合液的动能来实现二次喷射，提高能量的使用效率。混合喷射液与喷嘴外的液体存在较大的速度差，能产生强烈的二次切割作用。③这种设计同时也有利于池内液体紊流的形成，使氧的利用率进一步提高。收缩状喷嘴喷射的液体发散现象较直管喷嘴明显，携带(卷入)周围液体的能力也强。产生紊流的范围也大。④这种设计能够减小气泡直径，增加水中氧的溶解度，提高氧的传递速度。收缩喷嘴喷射的液体发散使流速迅速减小，混合液的动能转为压能，气体被压缩，直径逐渐减小，水中氧的溶解度也增加，使空气中的氧可以更快地溶入气液混合流中去，从而提高氧的传递速度。为了适应复杂的运行环境，DJAM型碟式射流曝气器必须选用耐腐抗蚀的材质。符合这一要求的通用材料为：不锈钢、工程塑料(PVC或ABS)、玻璃钢(FRP)。玻璃钢作为一种新兴的增强型树脂复合材料，目前已广泛地应用于航空、航天及其它高科技领域。玻璃钢以其耐腐蚀、抗老化、可塑性强、容易制造、可以手工成型、便于实现小批量生产、使用寿命超长(在常温条件下。普通玻璃钢的使用寿命通常在25年以上)等优异性能而成为一种重要的实用型新材料。本型曝气器无传动和相对运动部件，喷嘴的射流速度也不需要达到常规负压射流器的射流速度(只需常规负压射流器射流速度的50％左右)，对材质的耐磨性能要求并不高，普通玻璃钢即可满足这种耐磨需要。另外，由数控机床开制的钢制模具表面光洁、精度高，易于制作成型和脱模。综合以上因素，本公司确定采用玻璃钢作为DJ埘型碟式射流曝气器的主体材质。考虑到不可避免的、但是轻微的水力磨损，本公司仍采用耐磨的nI一189树脂(艇用树脂)作为玻璃钢的应用树脂，以保证DJAM型碟式射流曝气器的使用寿命。同时，也可根据用户或工程需要制作成不锈钢材质。DJAM型碟式射流曝气器具有自动耦合式和固定式两种安装方式。‘自动耦合装置由：固定底座、承插件、导轨、滑块、上固定块、下固定块六部分组成。固定底座和上固定块作为整个自动耦合装置的定位之用，与曝气器固定的滑块沿导轨滑动。安装时曝气器下滑，固定底座上的承插件(接工作介质)自动插入曝气器，直至限位销起作用；检修维护时曝气器上滑，固定的承插件(接工作介质)自动脱出曝气器。承插件固定于固定底座上，采用了特殊的衬胶材质，起到密封的作用。固定式安装系统由：固定底座、平衡杆两部分组成。固定底座定位，平衡杆用于调整曝气器的水平度。曝气器的安装高度为800n'mA，安装力求喷嘴中心水平。4．2．2工作原理DJ^lI碟式射流曝气器的工作原理见图5．4．2．2．1曝气充氧工作原理在DJAM型碟式射流曝气器内，一定压力的工作介质(一般为废水或废水与活性污泥的混合液)经过内喷嘴高速喷射，形成一股高速轴对称射流柬。这股射流柬穿过进气室后经一定的引射距离后进入混合腔。在此期间。射流的流动边界附近处的工作介质与空气之间存在速度不连续的间断面，间断面受到高速射流柬不可避免的干扰，失去稳定而产生涡旋，卷吸周围空气进入射流束，同时不断移动、变形、分裂，产生紊动，其影响逐渐向内外两侧发展，一方面向射流束中心扩散，同时也向周围空气扩散，形成内外两个自由紊动的混合层．根据动量转换定律，工作介质边界的空气被加速，空气进入射流中，并在扩大的射流中被吸收、加速、掺和到增大的射流束中。因此，与这股高速紊动射流束相接触的空气被工作介质携带20n褚士军等：IIIc工艺和高效射流曝气器在高氨氛废水处理中的应用及节能效果分析至混合室。这时吸气室为真空状态。外界空气随即源源不断地补充进来。单喷嘴二次紊流区循环水图5工作原理除挟带作用外，由于动量的横向传递，卷吸进入的空气获得动量而随同射流束运动，射流束逐渐失去动量而流速降低，在混合层中存在一定的流速梯度，从而形成很强的剪切力。这些剪切力能把边界上的涡流加以切割，同时又引起剧烈的紊动。这种附加的紊流能促进很高的氧转移率与充分的流体混合作用。卷吸与掺混作用的结果，射流断面不断扩大，流速则不断降低，流量却沿程增加。．在能量转换方面，起初是工作介质的压能在喷嘴处转变为动能：在进气室中，一部分动能转变为压能，以供给引射空气之用；在进入混合室后，工作介质的一部分动能传递给引射空气：另外，混合流体在混合室中的流动过程中由于剧烈的紊动搅拌及水力剪切，液体与气体间的质量交换与能量传递作用，因而混合流体的速度也逐渐趋于均衡，同时亦发生混合流体的动能相反地转变为压能，当然这要伴随着能量的损失。气液混合流由混合室喷嘴以一个较高的速度喷射进入废水，由于射流柬扩散而流速迅速减小，动能转变为压能，导致压力升高，能量由液体传递给气体，液体对气体压缩做功，气泡直径逐渐减小，而氧的溶解度随压力的增加而提高，使引射空气的氧可以最大速度地溶入气液混合流中去。在活性污泥法曝气池底部，从射流曝气器内至喷嘴释放出的气泡最终在水面破灭的整个期间有四个传质阶段：‘◆在喷嘴内形成气泡；◆在水平方向惯性流动；◆在垂直方向上升流动：◆由水力搅拌方式形成的二次紊流。工作介质与在混合腔里被剪切的非常小的气泡组成一种乳白色的气一水混合物，经混合腔喷嘴喷射至曝气池中时向曝气池的各个方向扩散，此时起一般鼓风曝气的充氧作用。在这里，所排出的液体和气体的混合物能供给最大的充氧作用与紊流搅拌作用。从传质过程来看，DJAM型碟式射流曝气器比较复杂，氧传递的途径比较多，因此DJ脯型碟式2ln褚4-：g等：IMC．r-E和高效射流曝气器在高氨氮废水处理中的应用及节能效果分析射流曝气器的氧利用率很高，只是其他曝气装置无法比拟的。4．2．2．2混和搅拌工作原理曝气时，强烈的气提作用和动量交换使池内液体循环翻滚，同时完成迅速的充氧、混合和搅拌：在停止压力供气时，循环液通过内喷嘴高速喷出，周围低速液体被强烈卷入并进行动量交换，卷入部分又加入喷射主流，射流断面不断扩大，携带流量不断增加，流速降低，周而复始，最终实现对液体的无氧混合搅拌。并且由于气液混和物或液体从喷嘴高速喷射，与周围液体进行动量交换后能带动周围液体向背对喷嘴的方向流动，因此DJAM型碟式射流曝气器还具有推流作用。由于DJAM碟式射流曝气器安装于活性污泥池的底部，因此无论有氧或无氧运行，均能达到很好的混合搅拌效果，保证活性污泥始终处于悬浮状态。DJAM型碟式射流曝气器首次引入了撞击损失理论，通过简化喷嘴、优化喷嘴口径等来减少能量和动能损失，从而提高了充氧效率、混和搅拌效果和推流能力。4．2．3技术性能及优点DJh-t型碟式射流曝气器(以DJAM-I—lOP型为例)的主要结构参数见表2。在曝气器浸没水深5m，循环水量400"--420m3／h，供气量为800一--1200m3／h时，DJ灿I_I—lOP碟式射流曝气器的技术性能为：●氧利用率：22．O～28．2％：●充氧能力：76．5～89．6kgOdh；●动力效率：4．17～5．36k902／kw·h：●服务面积：120～150m2。表2DJAM型碟式射流曝气器的主要结构参数序号项目数值备注直径(姗)1420r外形尺寸总高(咖)685直径(咖)352内喷嘴流速(m／s)12．44～14．5l水射流速外喷嘴直径(衄)803(混合室)流速(皿／s)12．61～13．93空气流速空气(衄)2004外接管径液体(衄)200外腔(衄)50～+O．5m误差材质厚度内腔(衄)8O～+O。5rae误差喷嘴组数(组)10双重喷嘴DJAM碟式射流曝气器主要具有如下特点：(1)采用正压供气，工作水深超出常规曝气装置的1～2倍，可达5～13米，能够适应深水曝气的需要；(2)喷射口径大，长期运行无堵塞之虑：(3)多个喷嘴环状均布，减少了微气泡之间相互碰撞和并聚的几率，能提高氧利用率：(4)服务面积大、充氧能力强、氧的利用率高；(5)省电节能，动力效率高于其它方式20～5096：(6)供气时具有曝气充氧和混合搅拌功能，停止压力供气时具有无氧混合搅拌功能：22n褚士军等：IMC工艺和高效射流曝气嚣在高氨氮废水处理中的应用及节能效果分析(7)充氧能力和供气量的调节范围达到4-20％，可以适应变频智能曝气工艺控制的需要。采用耐酸耐碱耐磨的FRP材质，防腐蚀、抗老化、耐磨损性能优越，使用寿命超长：(8)日常运行、操作、管理简单易行；(9)采用自动耦合式安装，安装和检修简单方便：，∞不仅适用于连续曝气生化系统，还特别适用于间歇曝气生化系统；a】)可大幅度提高现有处理设施的处理能力和效果。4．2．4经济效益分析为了更好地了解OJAM碟式射流曝气器的技术经济性能，下面以两个工程实例来分析比较：4．2．4．1实例l：‘某化肥厂所排含高浓度氨氮废水，水质：CODCr．．300rag／L：BOD5：180rag／L：NIt3一N：175rag／L：SS：120mg／L，水量120m3／h，要求处理出水达到GB8978-1996的一级排放标准。处理的主体工艺采用SBR脱氮工艺。。●工艺条件SBR池采用3只，单只面积480m2，水深5．6m，总V=8100m3。SBR工艺的运行周期8h，每周期曝气4h。混合液污泥浓度：MLSS=6000mg几；f-MLVSS／MLSS=O．8。曝气池出口处溶解氧浓度C=2mg／L．a’=O．75k902／kgBOD,b7=0．18k902／kgBOD；KLa修整系数：Q=o．85：B=0．95。T_25℃：p=1．0。●工艺计算◆需氧量的计算R=02=a7QSr+b’X!V+02NI-h-N--9509．76kgOz／d；◆平均溶解氧饱和度艮《．f上+旦1IZ02&1C『42)氏=1．013×105+9．8X5×103=1．503×105PaQt-巡二Q：三里2×100％：17．53％79+21(1-0．20)．C。(200)---9．17mg／L,C。(25。)--8．4mg／L则：c．。簿)-8．4(塑+婴)--'9．73mg／U2．02642C-。玎，--9．17(塑+业)：10．62mg／L2．02642’◆鼓风、射流曝气20℃时脱氧清水的需氧量计算肛而意鬻器‰网=14568．90k902／d=1214．08kg(h仉舻而聂雨豕历圈面聂丙酮¨h◆供气量n褚士军等：IMC_r-E和高效射流曝气器在高氨氩废水处理中的应用及节能效果分析G。：—．竺垒一：20234．59m。／h：337．24m3／min。0．3EA以三种曝气器及其组合进行分析比较：◆鼓风机、循环水泵、DJAlI型碟式射流曝气器组合系统单台DJAM型碟式射流曝气器的充氧能力为76．5"-'89．6kgO,／h，取80k902／h；服务面积70～90m2，取80m2，则：按需氧量计算，n=1214．08．80=16台，3池平均分布，单池6台，共用18台。按服务面积校验n／3=480．80=6台，两种选择一致。单只曝气器选WQ300一11一18．5潜污泵l台，Q=420m3／h；H=7m；N=18．5KW。3只DJAM型碟式射流曝气器选SSR200鼓风机l台，共需6台，单台流量57．22m3／min：压力0．55klrf／cm2：功率75KW。总供气量343．32m3／h，符合供气量的需求。因DJAM型碟式射流曝气器具有无氧搅拌功能，因此无需配套反硝化用的混合搅拌装置。◆鼓风机、潜水搅拌机(必须设置)、微孔曝气器组合系统单只微孔曝气器的充氧能力为0．13"0．15k．gOJh，取0．14k902／h：服务面积0．3---0．5m2，取0。4m2，则：按需氧量计算，n=1214．08÷O．14=8672只，3池平均分布，单池2900只，共用8700只。按服务面积校验n／3=480--0．4=1200只，只能按照需氧量计算结果选择。共需选SSR200鼓风机6台，单台流量57．08m3／min：压力0．60kgf／cm2：功率90KW。总供气量342．48m3／h，符合供气量的需求。另外反硝化时无氧搅拌需要配套潜水搅拌机QJBlI／6共12台。◆鼓风机、鼓风式潜水曝气机组合系统表3例1投资及能耗表序能耗．单价1次投资25年费用(万元)：号热、磊．|。；j曼I。数量，各，注。≮。《b—t妒警。‘*‘{、赢一。e：，l删卜r(万元)“(万元)能耗费设备费总费用潜污泵18台150．002．5045．001215．0072．001287．00射鼓风机6台270．006．0036．001458．0057．601515．60流lDJAll18台O．OO4．0072．00O．OO72．OO72．00无需维护曝气管道阀门18套O．00O．305．40O．008．64合计420．00159．402673．00210．242883．24≯警’二嚎‘售7籍薯：8700仓。冀戎06⋯旺00869．600．00。348．00348．00更换5次j∞≈j囊‘?馓鼓风机；名，6冶≯’230．00-6．50”∥39：001782：00’，62．40．1844．40∥’童懿鹾≯之7．36810．00。43．78，+853．78。。．∞。麓≯?谗二搅．拌≯机．‘■2氙，i00．00，2．^2Bi麓7，：”冬；管道阀门-：。jl套．。0．0017．"40”．’17．400．0027．84．iij{～、，?毒m冷矗。让．，孟一kf·m：47430．00，0玉e153．362592．00’482．023074．02潜潜曙机54台270．006．00324．002187．00518．402705．4需维护水鼓风机6台270．006．OO36．001458．0057．601515．603曝管道阀门54套O．00O．158．10O．0012．96气机合计540．∞388．103645．00588．964233．96n褚士军等：IMC工艺和高效射流曝气器在高氨氮废水处理中的应用及节能效果分析单台鼓风式潜水曝气机的充氧能力为22～26k902／h，取24kg(h／h：服务面积20---40m2，取30m。，功率7．5KW，则：按需氧量计算，n=1214．08+25=51台，3池平均分布，单池18台，共用54台。按服务面积校验n／3=480+30=16台，只能按照需氧量计算结果选择。9台鼓风式潜水曝气机选SSR200鼓风机l台。共需6台，单台流量57．22m3／min；压力0．55kgf／cm'；功率75KW。总供气量343．32m3／h，符合供气量的需求。因鼓风式潜水曝气机具有无氧搅拌功能，因此无需配套反硝化用的混合搅拌装置。由例1可知：◆对于该股高浓度氨氮废水，采用DJAM型碟式射流曝气器组合时25年的设备投资最省，微孔曝气器次之(较JAM—I型碟式射流曝气器高129％)，自吸式潜水曝气机最高(较DJAM型碟式射流曝气器高180％，较微孔曝气器高22％)。采用DJAM型碟式射流曝气器组合时25年的运行总成本最省，微孔曝气器次之(较JAM—I型碟式射流曝气器高190．78万元)，自吸式潜水曝气机最高(较DJAM型碟式射流曝气器高1350．72万元，较微孔曝气器高1159．94万元)。4．2．4．2实例2：某污水厂日处理城市污水10000m3／d，水质：CODc，：400mg／L：BODs：200mg／L，要求处理出水达到GB8978-1996的一级排放标准。曝气工艺仍采用SBR-r艺。仍以实例一所列的三种曝气装置来比较●工艺条件SBR池采用4只，水深6皿，总V=lOOOOm3。运行周期6h，每周期曝气3h。混合液污泥浓度：MLSS=4000mR／hf=此VSS／MLSS=0．8。曝气池出口处溶解氧浓度C=2mg／L。a。=0．5kROJkgBOD：b’=O．18kgO,／kgBOD；KLa修整系数：a：0．85；B=O．95。T=25℃：p=1．0。●工艺计算．◆需氧量的计算R=02=a’QSr+b7X’V=8200kg(h／d：◆平均溶解氧饱和度c以他+垒112026(1拶42)Pb=1．013X105+9．8X5×103--I．503×105PaQt．坐=Q：兰旦!×100％：17．53％79+21(1—0．20)C。(200)---9．17mg／L；C。(250)=8．4mg／L账c-c删川器+等，：．---9．73mg／Ln褚士军等：IgC工艺和高效射流曝气器在高氨氮废水处理中的应用及节能效果分析c堋，=9．17(丝+一17．53)：10．62mg／L2．02642。◆鼓风、射流曝气20"C时脱氧清水的需氧量计算肛画砑鬻篙丽网=12562．36kgOffd=1046．86k舢。忻丽聂而承葡叼面聂丙而酬n。◆供气量G。：土=17447．73m3／h=290．80m3／min。0．3E』◆鼓风机、循环水泵、DJAM型碟式射流曝气器组合系统n=1046．86+80=14台，4池平均分布，单池4台，共16台。单只曝气器选WQ300-11-18．5潜污泵1台，Q=420m3／h；H=7m；N=18．5KW。4只DJAM型碟式射流曝气器选BK9030鼓风机l台，流量73．2m3／min；压力0．55kgf／cm2：功率105KW，总供气量292．8m3／h，符合供气量的需求。◆鼓风机、潜水搅拌机(必须设置)、微孔曝气器组合系统按需氧量计算，n=1046．86÷O．14=7478只，4池平均分布，单池1900只，共用7600只。共需选BK9030鼓风机4台，单台流量76．08m3／min：压力0．60kgf／cm2：功率145KW。另外反硝化时无氧搅拌需要配套潜水搅拌机QJBIi／6共16台。◆鼓风机、鼓风式潜水曝气机组合系统按需氧量算，n=1045．68+25=42台，．3池平均分布，单池14台，共用42台。表4例2投资及能耗表一序，+：矗。，：．，’，：能耗。单价1次投资25年费用：万元)。：?名：”称。2，数量各注。号‘iy：?，≮。‘叠：：．》l+(KW)：(万元)一(万元)能耗费设备费总费用射潜污泵16台135．002．5040．00972．0064．001036．00流鼓风机4台240．007．0028．OO1296．0044．801340．80lDJ朋16台0．OO4．OO64．00O．OO64．00无需维护曝气管道阀门16套0．00O．304．80O．007．68合计375．00133．802268．00180．482448．48：计!’?嚣奢孑*札眵琴。舻7}'jon÷“喊串j}一o》式u鲁，+?．～t～w‘。”0．000．008。j。。60．h80，，O．OO304。00，304．00更换5次，}Ejn{．、?．鹰气器1～永t：，4．+4囊．澎：i；。微：，√7．jj^‘～一》■誓孤i豉‘风?机：：、。4‘台毒280．00如：7j50．；．30．OO．1512．00。’48．OO1560；00～．。。告一+、》。‘i馕～．苗；q，，磷，，。j瀑5’搅拌机!。12台74100．00，’．2．28‘。。。27．36810．OOr．43：78853．78f’”叁r’管道阎I’丁。i。9L套，’。D．。007，6．00，．j：6．00．j：+0．00：。。9．609．60≥?：，⋯'、’缎。舀盎棚．盒蔷二鞑j+．h—380．：oo．，I．o：“9巧晖置。，0辔、：124．162322．00。405．382727．38v、*s：，潜潜曝机42台190．006．00252．001368．OO403．201771．20需维护水鼓风机4台240．007．0028．001296．0044．801340．803曝管道阀门42套．0．000．156．300．OOlO．0810．08气机合计430．00286．302664．00458．083122．08n褚士军等：IMC：r-l：和高效射流曝气器在高氧氮废水处理中的应用及节能效果分析14台鼓风式潜水曝气机选BK9030鼓风机1台，共需4台，单台流量73．2m3／mini压力0．55kgf／cd,功率105KII，总供气量292．8m3／h。由例2可知：◆处理1万吨级城市污水时，采用DJAM型碟式射流曝气器组合时25年的设备投资最省，微孔曝气器次之(较JAM—I型碟式射流曝气器高125％)，鼓风式潜水曝气机最高(较aJAli型碟式射流曝气器高154％，较微孔曝气器高13％)。◆采用DJAM型碟式射流曝气器组合时25年的运行总成本最省，微孔曝气器次之(较JAM—I型碟式射流曝气器高278．90万元)，鼓风式潜水曝气机最高(较DJAM-I型碟式射流曝气器高673．60万元，较徼孔曝气器高394．70万元)。以上三种曝气器在相同条件下的工程应用计算中表明：◆对于本项目废水的处理，从长期正常运行的条件来分析，采用DJAM型碟式射流曝气器时总运行成本(包括设备、能耗费用)最低，微孔曝气器次之，鼓风式潜水曝气机总运行成本最高。因此，DJAM型碟式射流曝气器的经济性能最佳!◆从使用功能上看，DJA^I型碟式射流曝气器、潜水鼓风曝气机均具备曝气和无氧混合搅拌功能。微孔曝气器只能曝气。因此，DJ删型碟式射流曝气器、潜水鼓风曝气机的使用功能最全!◆从安装和操作维护上看，OJAM型碟式射流曝气器最简便。鼓风式潜水曝气机在曝气和无氧混合搅拌反复切换时需要不断反复控制阀门，由于控制阀太多，所以常规操作量巨大，人工无法胜任，采用自动控制时投资又太高，所以采用的可行性极低。微孔曝气器需要配套潜水搅拌来满足工艺运行条件。增加的工作量可以想象，但可行性优于潜水曝气机。因此，DIAM型碟式射流曝气器的安装和操作维护工作量最少!◆从使用的稳定性上看，DJ斌型碟式射流曝气器可以连续免维护使用25年以上。鼓风式潜水曝气机应机电设备使用寿命的制约而需要经常性的维护与更换，容易导致工作间断。采用进口膜材料的微孔曝气器一般使用寿命为5年而国产膜最多3年，由于采用的数量较多，某些微孔曝气器可能在不到使用年限时就损坏，因此微孔曝气器在运行过程中需要不断地更换，而更换微孔曝气器十分麻烦，需要清空池体，重新投入运行时又要重新培养活性污泥，周期很长。因此，NAM型碟式射流曝气器的运行稳定性最好!OJAM型碟式射流曝气器是一种新型、高效、多功能的充氧设备，其优异的性能主要得益于特殊的压力供气射流方式、独特的喷嘴结构和优良的玻璃钢复合材料。该射流曝气器在充氧性能上已达到和超过了国外同类产品，在动力效率上已与微孔曝气器一起成为目前最节能的在用曝气装置，且在使用功能、适用范围、使用寿命、安装检修、运行可靠性等方面明显优于微孔曝气器等在用曝气器械，目前尚未见比DJAM型碟式射流曝气器综合性能更优的曝气装置的报道。5工程应用新能源领域的煤气化工业在我国有着广阔的发展前景，但煤气化废水氨氮浓度高水量大，常规工艺达标处理比较困难，部分工程存在环境安全隐患。本公司采用IMC脱氮工艺成功处理了多个煤气化项目废水，客观验证了IMC工艺高效、节能、稳定的特点。以下以山东兖矿国宏化工有限公司年产125万吨甲醇工程为例，介绍IMC工艺在煤气化废水处理领域中的应用情况。n褚士军等：IMc工艺和高效射流曝气器在高氧氖废水处理中的应用及节能效果分析5．1水质水量情况山东兖矿国宏化工有限公司年产甲醇125万吨，气化废水量200m3／11，COD850mg／L，BOD390mg／L，NH3-N400mg／L，60mg／L，BOD小于20mg／L，NH5．2主要处理工艺流程出水达到山东省南水北调沿线废水排放标准，即COD小于3-N小于lOmg／L，SS小于lOmg／L。5．3IMO池设计参数IMC池设置3座，单座尺寸：40X20X5．6m，有效水深5m。总有效容积12960m3。每日4周期，单周期时长6hr，反应4．Ohr，沉淀1．Ohr，滗水1．Ohr。反应阶段硝化和反硝化交替次数：4次，具体时间顺序如表5-I所示。MLSS=4000mg／L。污泥龄：30天。COD负荷：0．178kgCOD／kgMLSS·d。NK,-N负荷：0．038kgNI'G—N／kgMLSS·d。排水率：10％。设计运行消耗：碳酸钠0．9吨／天，甲醇2吨／天。表5：I惦池运行时序表毫号生，i；{，!日：i?’j铮／I崩}P·4％b1／2If^l*i0*IjV-4‰lt^E#_‘“Mp-a06(1Wt鼍耳i0’40C8-a060lJUL41．j_-l__I_一·j莳--l_-__llj0．30-_lI---一{日％I--I--I_，d8h-4搬}鼍足t女jt≈Sn；-___________一l’‘l一·t·r。-____．__-__-_一i‘≯．___________．__-，dnfeaoE{-H-：·_。^十o、：V-d。6。l羞f_电甘月％_b：llOml30In-!nA4-406bl毛榍二00·c0p-40601坨lr,ll：。，曲斛位，t鲁iir月Eii十制"艚)P-4‰j坨一节电f升秉120《ISV一蚰缸2t木2讨闻一’VMP-406C2_蕾蕾耳熏100360C8·d06以t肌鼬———·—一哂l明_——_-·_÷“：：0一÷如m一啪tSV·t06(2t^曩通气电螬月盥P·_—一165l器——-·—一珊瑚一P冀弛_-—一Ⅻ(旦4诂后{扯脯三十一击十毋)5V·d0雠_-拄扫景∞一J85230一÷Ⅻ095一jIsBM-196虻_毛^量删拍P-4060I／2l叶量l州瑚鱼，t●tli奸讨目‘三i产f营钟／l崩、P·406bI／2■f如，丹l2_0，∞ISV·4惦03t^电琦一孙0瑚MP·406c3射蠢薯耳摹2{0唧C8—406e3鼙风帆2●0_———一捕弧一350370——·-—一m‘n——-一4瑚I5V一40k3蔓凡札正气电靖一枷_———一埘305_瑚310t15‘§—--—一删rg“目ft^^二卜}十#)“一006b3_群&扫熏碰-一硒珈-_-_蜘啦-●五CM-406b3鼍^罩蚋0)珊P-4Ⅸ日i／Pt州睫24：棚n褚士军等：IMC工艺和高效射流曝气器在高氨氖废水处理中的应用及节能效果分析5．4处理效果兖矿国宏废水工程于2007年10月投产，至今运行始终稳定，出水水质达到规定的排放标准。具体出水水质为：COD20～50mg／L，BODl0---15mg／L，NII广N3～5mg／L，SSIO～20mg／L。处理效果见下图6。罾_产∞霪琴哆黔罗零弹j謦哆琴：弩节攀譬譬疑竹9隔l：舔≯j，：?：八“受努◆产寰?≯》!、_：．；⋯，惫8岁1＼7＼。．扫、{一’^1；，。。-：7为∞≯?V，。■篡V：，、V；一＼r一”。j¨。，：6∞F丽1蠹：．?；。÷_+；“。。o。；。二耋蕊’、，≯；j。，”：。：5旬l!唑型J堇一I：≥_：≥：i1，、，；’：弦j、～一，!，⋯，：∥!4℃¨_jI??¨．。?t—j。o；j享。。。急，ojj3罾∞∞40?、”。一；j毒2亍》⋯j：’≯’_，t二74一t；7～。j一浮。’≯_．=_：。～??，·一j∞1警己。。诲。÷譬2翌_．≥；；?，：霉．熹√7葛l???。?：jj，j。ZOOQout牵§母◇p母母母斧毋庐pmJn图6处理效果图表6已运行工程业绩氦氮浓度mg／L建设单位主要产品备注设计进实际进设计出实际出中石化金陵分公司合成氨170250～450155～i070m1／h山东兖矿国泰化工有限公司醋酸190200～350155～10120m’／h陕西渭南煤化工有限公司合成氨250200～350155～1070m3／h陕西神木化学工业有限公司甲醇300300～5001510～1550m3／h山东华鲁恒升化工有限公司合成氨250200～350155～10150m3／h山东兖矿国宏化工有限公司甲醇400500～80083～5200m1／h河南煤气(集团)义马气化厂煤气400250～350150～2lOOml／h表7在建工程业绩氨氮浓度mg／L建设单位主要产品备注设计进实际进设计出实际出印度jsw钢厂焦碳2002550m3／h内蒙古新奥新能能源有限公司二甲醚40015lOOm3／h兖矿榆林煤化科技有限公司甲醇30015200m3／h神华宁煤集团有限公司二甲醚35015260m’／h贵州鑫盛化工有限公司二甲醚35015500／h8江苏灵谷化工有限公司合成氨350150m3／h总氮25内蒙久泰化工有限公司甲醇30015340m3／h甘肃化亭煤化工有限公司甲醇30015150m柏