完全混合與推流式反應(yīng)器對(duì)比

1、完全混合與推流式反應(yīng)器的原理與對(duì)比CFFC, XFCXCF進(jìn)料濃度；F進(jìn)料的體積流量C反應(yīng)器內(nèi)物料濃度(等于出料濃度)X轉(zhuǎn)化率圖1 連續(xù)流完全混合反應(yīng)器示意圖1. 連續(xù)流完全混合反應(yīng)器1.1 基本原理連續(xù)流完全混合反應(yīng)器如圖1所示意，物料進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)后迅速被水體稀釋至出水濃度。反應(yīng)器作物料衡算：在穩(wěn)態(tài)情況下，反應(yīng)器內(nèi)積累量為零，即VdC=0，得：=V/F=(CF-C)/(-r)（1）式中，V代表有效反應(yīng)容積，r代表反應(yīng)速度，代表反應(yīng)時(shí)間。CCFC1/(-r)C=(C-CF)1/(-r)C圖2 完全混合反應(yīng)時(shí)間的圖解法示意由式（1）中可以看出，連續(xù)流完全混合反應(yīng)器設(shè)計(jì)反應(yīng)時(shí)間應(yīng)與進(jìn)出水物料濃度差

2、成正比；當(dāng)對(duì)出水的要求很高（即C<<CF）時(shí)，在反應(yīng)速率不變的情況下，設(shè)計(jì)反應(yīng)時(shí)間趨向于與進(jìn)水物料濃度成正比。圖2顯示了完全混合反應(yīng)器的空間利用情況：陰影部分為所需總停留時(shí)間，與后文中推流式或間歇式求解圖相比，在達(dá)到同樣去除率的條件下所需時(shí)間要長。由式(1)可以得出以下結(jié)論：對(duì)零級(jí)反應(yīng)：(-rA)=k，則有：對(duì)一級(jí)反應(yīng)：(-rA)=kC，則有：對(duì)二級(jí)反應(yīng)：(-rA)=kC2，則有：以上各式中，X=(CF-C)/CF。1.2 在實(shí)際應(yīng)用上，該反應(yīng)方式具有如下特點(diǎn)：l 進(jìn)入反應(yīng)器的污水能得到稀釋，使波動(dòng)的進(jìn)水水質(zhì)得到均化，故能耐沖擊負(fù)荷，對(duì)毒物濃度高的工業(yè)廢水特別適合；l 能直接處理較

3、高濃度的有機(jī)廢水，無需稀釋，只需控制曝氣時(shí)間；l 能把整個(gè)池子的工作情況控制在良好的同一條件下進(jìn)行，微生物的活性能夠充分發(fā)揮，污泥負(fù)荷率高；l 操作靈活，通過改變污泥負(fù)荷可使工作點(diǎn)處于污泥增長曲線上所期望的某一點(diǎn)，從而得到期望的水質(zhì)。2.推流式反應(yīng)器2.1基本原理推流式反應(yīng)器如圖3所示意，物料進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)后濃度呈梯度變化。對(duì)反應(yīng)器微元體dVr作物料衡算，在穩(wěn)態(tài)情況下，得： (2)式中，C代表物料濃度，r代表反應(yīng)速度，代表反應(yīng)時(shí)間，X代表轉(zhuǎn)化率。為方便比較，將式（2）由圖解法求解，如圖4所示。圖中陰影部分代表反應(yīng)器所需反應(yīng)時(shí)間。1/(-rA)CAfCA0C圖4 推流式反應(yīng)時(shí)間的圖解法示意FA0，

4、CA0XA0FAXAFA+dFAXA+dXAFAf，CAfXAfdVr圖3推流式反應(yīng)器示意圖對(duì)照連續(xù)流完全混合反應(yīng)器反應(yīng)時(shí)間圖解，對(duì)于簡單反應(yīng)而言，在入流濃度、反應(yīng)速率一致的情況下，達(dá)到相同的預(yù)期出流濃度時(shí)，推流所需的反應(yīng)時(shí)間更短。當(dāng)然，上述結(jié)論是基于水中有機(jī)污染物降解速率與其濃度呈遞增的條件下得出的。由式(2)可以得出以下結(jié)論：對(duì)零級(jí)反應(yīng)：(-rA)=k，則有：對(duì)一級(jí)反應(yīng)：(-rA)=kC，則有：對(duì)二級(jí)反應(yīng)：(-rA)=kC2，則有：以上各式中，X=(C0-C)/C0。2.2 在實(shí)際應(yīng)用上，該反應(yīng)方式具有如下特點(diǎn)：l 流型呈推流式，微生物所得到的營養(yǎng)及其生長特性沿池長變化，處理效率高；l 不

5、具有進(jìn)水即與池內(nèi)水體迅速混合的完全混合反應(yīng)的特點(diǎn)，故對(duì)耐沖擊負(fù)荷能力低。3. 連續(xù)流完全混合反應(yīng)器與推流式反應(yīng)器的對(duì)比對(duì)于單個(gè)反應(yīng)器，利用以上關(guān)于停留時(shí)間的討論結(jié)果列于表1中。表1推流式反應(yīng)器與連續(xù)流完全混合反應(yīng)器反應(yīng)時(shí)間的對(duì)比(相對(duì)于推流式反應(yīng)器的反應(yīng)時(shí)間為1)反應(yīng)級(jí)數(shù)轉(zhuǎn)化率X推流式反應(yīng)器連續(xù)流完全混合反應(yīng)器零級(jí)反應(yīng)90119911一級(jí)反應(yīng)9013.999121.5二級(jí)反應(yīng)90110991100從上表的數(shù)值可以看出：單級(jí)連續(xù)流完全混合反應(yīng)器在化學(xué)反應(yīng)級(jí)數(shù)愈高、轉(zhuǎn)化率愈高時(shí)，所需反應(yīng)時(shí)間愈大，即所需反應(yīng)體積愈大（即容積效率愈低）。因此，從理論的角度看，單級(jí)推流式反應(yīng)器比完全混合反應(yīng)器要好得多。

6、但在污水生物處理的實(shí)際應(yīng)用中，由于受到種種條件的限制，兩種反應(yīng)器又各有自己的適應(yīng)條件?，F(xiàn)分析如下：3.1 推流式曝氣池ab曝氣過程活性污泥重量圖5 推流式曝氣池活性污泥增長曲線曝氣池表面呈長方形狀，廢水從池首端進(jìn)入，在曝氣和水力條件的推動(dòng)下，混合液均衡地向前流動(dòng)，并從池尾端流出。從池首端到尾端，混合液內(nèi)影響活性污泥凈化功能的各種因素，如F/M值、活性污泥微生物的組成和數(shù)量、基質(zhì)的組成和數(shù)量等都在連續(xù)地變化，有機(jī)物降解速率、耗氧速率也都連續(xù)地變化?；钚晕勰嘣诔貎?nèi)是按增長曲線的一個(gè)區(qū)段進(jìn)行增長，參見圖5。971253468101經(jīng)預(yù)處理后的污水；2活性污泥反應(yīng)器曝氣池；3從曝氣池流出的混合液；4二

7、次沉淀池；5處理后的污水；6污泥泵站；7回流污泥系統(tǒng)；8剩余污泥；9來自空壓機(jī)房的空氣；10曝氣系統(tǒng)與空氣擴(kuò)散裝置圖6 傳統(tǒng)活性污泥法系統(tǒng)推流式曝氣池工藝系統(tǒng)如圖6所示。從圖可見，原污水從曝氣池首端進(jìn)入池內(nèi)，由二次沉淀池回流的回流污泥也同步注入。污水與回流污泥形成的混合液在池內(nèi)呈推流式流動(dòng)至池的末端，流出池外進(jìn)入二次沉淀池，在這里處理后的污水與活性污泥分離，部分污泥回流至曝氣池，部分污泥則作為剩余污泥排出系統(tǒng)。污水凈化過程中的第一階段的微生物代謝是在一個(gè)統(tǒng)一的曝氣池中連續(xù)進(jìn)行的，由于有機(jī)污染物濃度沿池長逐漸降低，需氧率沿池長也是降低的（見圖7）。因此，在池首段和前段混合液中的溶解氧濃度較低，甚

8、至可能是不足的，沿池長逐漸增高，在池末端溶解氧含量就已經(jīng)很充足了，一般都能夠達(dá)到規(guī)定的2mg/L左右。有機(jī)污染物在曝氣池內(nèi)的降解，經(jīng)歷了第一階段的吸附和第二階段代謝的完整過程，活性污泥以經(jīng)歷了一個(gè)從池首段的對(duì)數(shù)增長，經(jīng)減速增長到池末段的內(nèi)源呼吸期的完全生長期?；钚晕勰鄮缀踅?jīng)歷了一個(gè)生長周期，處理效果很高，特別適用于處理要求高而水質(zhì)較穩(wěn)定的污水。漸減曝氣池供氧曲線曝氣過程(曝氣池長度)需氧率圖7 傳統(tǒng)活性污泥法系統(tǒng)曝氣池需氧率的變化推流式曝氣池系統(tǒng)具有如下各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)：在曝氣池任何兩個(gè)斷面都存在有機(jī)質(zhì)的濃度梯度，因此存在著基質(zhì)降解動(dòng)力，BOD降解菌為優(yōu)占菌種，可避免產(chǎn)生污泥膨脹現(xiàn)象；運(yùn)行靈活，可采用

9、多種運(yùn)行方式；對(duì)污水處理的效果極好，BOD去除率可達(dá)90%以上，適于處理凈化程度和穩(wěn)定程度要求較高的污水；運(yùn)行得當(dāng)能夠增加凈化功能，如脫氮、除磷等。經(jīng)多年運(yùn)行實(shí)踐證實(shí)，推流式曝氣池系統(tǒng)存在著下列各項(xiàng)問題：(1) 曝氣池首端有機(jī)污染物負(fù)荷高，耗氧速度也高，為了避免由于缺氧形成厭氧狀態(tài)，進(jìn)水有機(jī)物負(fù)荷不宜過高，因此，曝氣池容積大，占用的土地較多，基建費(fèi)用高；(2) 耗氧速度沿池長是變化的（參見圖7），需氧量前大后小，而空氣的供應(yīng)往往是均勻分布，這就形成前段無足夠的溶解氧，后段氧的供應(yīng)將大大超過需要，造成浪費(fèi)，增加動(dòng)力費(fèi)用。對(duì)此，采用漸減供氧方式，可在一定程度上解決這一問題（參見圖7）。(3) 對(duì)進(jìn)

10、水水質(zhì)、水量變化的適應(yīng)性較低，運(yùn)行效果易受水質(zhì)、水量變化的影響。進(jìn)水濃度尤其是含有抑制物質(zhì)的濃度不能高，不能適應(yīng)沖擊負(fù)荷。這是因?yàn)槠淞餍褪峭屏魇?，進(jìn)入池中的污水與回流污泥在理論上是不與池中原有的混合液相混合，進(jìn)水水質(zhì)的變化對(duì)活性污泥影響較大，容易損害活性污泥，因此限制了對(duì)某些工業(yè)廢水的應(yīng)用。LB1234圖8 廊道型推流式曝氣池平面布置1. 單廊道曝氣池 2. 二廊道曝氣池3. 三廊道曝氣池 4. 四廊道曝氣池推流式曝氣池一般呈廊道型，根據(jù)所需長度，可為單廊道、二廊道以及三廊道的四廊道（參見圖8）。為了避免短路，推流式曝氣池的布置一般按以下進(jìn)行。(1) 平面布置：推流式曝氣池的長寬比一般為510

11、。進(jìn)水方式多樣，出水一般采用溢流堰。(2) 橫斷面布置：推流曝氣池的池寬和有效水深之比一般為12。有效水深最小為3m，最大為9m。根據(jù)橫斷面上的水流情況，又可分為平移推流和旋轉(zhuǎn)推流。平移推流式曝氣池底鋪滿擴(kuò)散器，池中的水流只有沿池長方向的流動(dòng)。這種池型的橫斷面寬深比可以大些。旋轉(zhuǎn)推流是在這種曝氣池中，擴(kuò)散器裝于橫斷面的一側(cè)。由于氣泡形成的密度差，池水產(chǎn)生旋流，形成了旋轉(zhuǎn)推流。a曝氣過程活性污泥重量圖9 完全混合式曝氣池活性污泥增長曲線3.2 完全混合曝氣池完全混合曝氣池的池型可以分為圓形也可以為方形或矩形。曝氣設(shè)備可采用表面曝氣機(jī)，置于池的頂部的中心。污水與回流污泥一進(jìn)池，在表面曝氣機(jī)的攪拌下

12、，立即和池內(nèi)混合液充分混合，水質(zhì)均勻，不像推流那樣前后段有明顯的區(qū)別。池內(nèi)混合液的組成以及F/M值，活性污泥微生物的數(shù)量等因素是完全均勻一致的，有機(jī)物降解的速率，耗氧速率都是不變的，而且在池內(nèi)各部位都是相同的。微生物在池內(nèi)的增值速率是不變的，在增值曲線上的位置是一個(gè)點(diǎn)，而不是一個(gè)區(qū)段（參見圖9）。美國1950年以前建造的曝氣池全是狹長的條形池，按推流設(shè)計(jì)。由于前段需氧量很大，因而通過漸減曝氣池來解決。但是，一般池子只有中段（約為全長的1/3處）需氧速率與氧傳遞速率配合的比較好一些，見圖10。在池的前段，因食料多，微生物的生長率高，需氧率也就很大，因而即使?jié)u減曝氣也不能根本解決問題，實(shí)際的需氧速

13、率受供氧速率控制和制約。圖中需氧率和供氧率之間其前后兩塊面積應(yīng)當(dāng)相等。 這樣的供氧和需氧情況，當(dāng)受到?jīng)_擊負(fù)荷時(shí)，前段陰影面積擴(kuò)大，后段陰影面積縮小，嚴(yán)重時(shí)，后段面積全部消失，出現(xiàn)全池缺氧情況。需氧率曲線需氧率曲線好氧率曲線L (曝氣池中廊道)圖10 傳統(tǒng)曝氣池中供氧和需氧率曲線從上面二種運(yùn)行方式看，推理式曝氣池系統(tǒng)的根本矛盾是供氧和需氧的矛盾，為了解決這個(gè)矛盾，漸減曝氣是通過布?xì)獾姆椒▉砀纳?，分步曝氣則是通過進(jìn)料分配的均勻性來改善。為了根本上改善各式各樣形式池子中混合液不均勻的狀態(tài)，在分步曝氣的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步大大增加進(jìn)水點(diǎn)，同時(shí)相應(yīng)增加回流污泥的入流點(diǎn)，見圖11。那么池子的混合液的不均勻性大大

14、改善了。入流廢水和回流污泥在曝氣池中和原有的池子中的池液迅速混合，這就是完全混合的概念。進(jìn)水回流污泥出水圖11 完全混合法完全混合活性污泥法系統(tǒng)具有如下各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)：(1) 進(jìn)入曝氣池的污水很快即被池內(nèi)已存在的混合液所稀釋、均化。當(dāng)入流出現(xiàn)沖擊負(fù)荷時(shí)，池液的組成變化較小，因而驟然增加的負(fù)荷可為全池混合液所分擔(dān)，而不是象推流中僅由部分回流污泥承擔(dān)。因而完全混合池從某種意義上來說，是一個(gè)大的緩沖器和均勻池，它不僅能緩和有機(jī)負(fù)荷的沖擊，也減少有毒物質(zhì)的影響，適用于處理工業(yè)廢水，特別是濃度較高的工業(yè)廢水。(2) 污水在曝氣池內(nèi)分布均勻，各部位的水質(zhì)相同，F(xiàn):M值相等，微生物群體的組成和數(shù)量幾近一致，生活環(huán)

15、境也基本相同，各部位有機(jī)污染物降解工況相同，因此，有可能通過對(duì)F:M值的調(diào)整，將整個(gè)曝氣池的工況控制在最佳條件，此時(shí)工作點(diǎn)處于微生物增殖曲線上的一個(gè)點(diǎn)上?；钚晕勰嗟膬艋δ艿靡粤己冒l(fā)揮。在處理效果相同的條件下，其負(fù)荷率較高與推流式曝氣池。(3) 曝氣池內(nèi)混合液的需氧速度均衡，動(dòng)力消耗低于推流式曝氣池。(4) 可使曝氣池與沉淀池合建，勿需單獨(dú)設(shè)置污泥回流系統(tǒng)，易于運(yùn)行管理。完全混合活性污泥法系統(tǒng)存在的主要問題是：在曝氣池混合液內(nèi)，各部位的有機(jī)污染物質(zhì)量相同、能的含量相同、活性污泥微生物質(zhì)與量相同，在這種情況下，微生物對(duì)有機(jī)物的降解動(dòng)力低下，因此，活性污泥易于產(chǎn)生膨脹現(xiàn)象。與此相對(duì)，在推流式曝氣池內(nèi)，相鄰的兩個(gè)過水?dāng)嗝?，由于后一斷面上的有機(jī)物濃度、微生物質(zhì)與量均高于前者，存在著有機(jī)物的降解動(dòng)力，因此，活性污泥產(chǎn)生膨脹的可能性較低。此外，在一般情況下，其處理水水質(zhì)低于采用推流式曝氣池的活性污泥法系統(tǒng)。3.3 多級(jí)反應(yīng)器系統(tǒng)當(dāng)原污水含有高濃度的有機(jī)污染物而又要求較高的去除率時(shí)，可以考慮采用兩級(jí)或三級(jí)活性污泥法處理系統(tǒng)。而每級(jí)都是獨(dú)立的處理系統(tǒng)，都有自己的二次沉淀池和污泥回流系統(tǒng)，這樣有利于回流污泥對(duì)污水的適用與接種。剩余污泥則可以每級(jí)分別排放，也可以集中于最后