噴射環流技術的研究進展及其在垃圾滲濾液領域的應用

袁瑞慶，陸東蛟，李 佳，郭曉煜，王帥旗

(南京環美科技股份有限公司，江蘇 南京 210012)

噴射環流技術作為一項高效污水生物處理新型技術，其作用原理融合了深井曝氣[1]和高效射流曝氣等反應機理[2]，利用兩相噴頭將污水中的生物絮團剪切成很小的生物碎片[3]，極大地增加了微小氣泡、微生物和污水之間的接觸面積[4]，從而提高污水處理效率。它具有占地面積小、氧轉化效率高、剩余污泥量少、抗沖擊負荷能力強[5]等諸多優勢。兩相噴嘴產生的推動力推動有限的混合管內的氣體前進[6]，后端的氣體不斷補充，促使被噴射氣體不斷吸入混合管內，與液相反應[7]。

噴射環流技術最早研發的目的在于提高物相間的傳質效率[8]，從而實現同等時間內原料轉化率的成倍增加，大大提高產能。后來人們發現這項技術能通過加快氧轉移效率從而提高污染物的降解能力。20世紀80年代，德國克勞斯塔爾工科大學物相傳遞研究所[2]最早研究出適用于污水處理領域的噴射環流反應器，并成功實現了工程應用。近年來，垃圾滲濾液領域尤其是垃圾中轉站等土地資源緊張的區域，有賴于開發占地少、反應快的高效污水處理技術，噴射環流技術應運而生，但目前在該滲濾液處理領域的工程案例仍鮮有報道。

為解決有機物濃度高、冬季氣溫低[9]和用地緊張等特征的廢水污染問題，噴射環流作為一種新型、高效的污水處理技術已受到國內外各類學者的重視。本文系統介紹了噴射環流技術的發展歷程及其關鍵表征參數，并列舉分析了其在垃圾滲濾液領域的應用情況，為在該領域的持續發展提供了堅實基礎。

1 噴射環流反應器的類型和表征參數

1.1 噴射環流反應器的類型

噴射環流的主要構成是主體反應器、兩相噴頭及連接的管道閥門等。按照流體流動方式、噴嘴位置及反應器的構造，可分為多種類型。

(1)噴射環流作為一個外形為柱狀的反應器，其噴射方式按噴嘴位于反應器的底部和頂部的位置不同，可分為上噴式和下噴式環流反應器[10]。其噴射出的氣液方向相反。上噴式環流反應器的氣相停留時間更短、其氣含率更低[11]，相較于下噴式環流反應器，更適用于需要快速反應的工況中。

(2)按流體流動方式劃分，可分為內環流和外環流反應器。內環流反應器的流體在反應器內部循環，外循環反應器的流體通過動力設備，實現反應器外的循環。相對而言，外環流反應器的流體流動更加規律，且流動阻力小。

(3)按反應器的構成來說，可分為單導流筒式、多導流筒式、無導流筒式、隔板式和其他形式。導流筒或隔板的目的在于控制流體流動范圍，形成規整環流[12-13]。未設導流筒的反應器，其內部流體呈自然流態。

(4)根據流體推動力不同，可分為氣升式和液升式環流反應器[13]。氣升式反應器[14]是通過空氣借助于噴嘴噴射出液相，獲得的高速氣流的動能，在反應器內形成循環。液升式反應器[15]是當物料通過噴嘴時，將周圍的氣體吸入，形成氣液混合。

1.2 噴射環流反應器的表征參數

為了判斷噴射環流反應器相較于一般硝化工藝的優勢，并給出具體的評判指標，該項技術發展以來的性能表征指標參差不齊。已有的研究表明氣含率[16]、氣泡粒徑分布、含固率、液相停留時間、氧傳質系數、氧轉移效率等均可作為其表征參數。在此，選取最具貼合度的幾個指標進行分析。

1.2.1 氣含率

氣含率是指反應器內氣體所占混合氣液相的體積。氣含率分為全塔氣含率和局部氣含率。總體來說，全塔氣含率隨反應器內液體噴射流量的增大而增大[17][18]，但局部區域如反應器底部的氣含率影響因素較多。如若噴射速度形成的推動力無法使底部產生足夠的氣動力形成環流，底部氣含率將呈無規則變化。

1.2.2 氧傳質效率

兩相噴嘴曝氣時，氧分子通過氣液界面由氣相轉移到液相，并開始傳質。氧傳質系數表明一定時間內向液相中傳遞的氧分子的數量。研究表明射流量越大，氧總轉移系數也會增大[2]，但增大幅度會逐漸降低。

一般射流噴嘴的清水氧利用率在35%～40%左右，噴射環流內的氧利用率可高達90%，這與氧傳質效率高密切相關。氧傳質系數主要受吸氣量的增加而不斷增加[19]，孟磊等[20]采用純氧曝氣發現清水工況下氧傳質系數可高達3.5788。

1.2.3 液相混合時間

混合時間反映出反應器內污染物與氣相的接觸時間，一般來說，為使污染物充分降解，需設計足夠長的停留時間。因噴射環流技術的高效傳質性能和氧轉移率，與傳統生化反應器相比，僅需較少的混合時間便可使同樣濃度的污染物得以去除。混合時間隨通氣量的增加而降低[21]，當噴射速度達到一定值后混合時間變化較緩慢[22]。

1.2.4 環流液速

環流液速[21]是指氣液在反應器內做有規則的循環流動的速度。環流液速的加大促進了物相間的傳質和傳熱性能，從而使塔內的物料充分反應。研究發現，反應器內氣速的加大有利于液速提升[10]，而固含量和黏度等的加大會降低環流液速。

2 研究進展

噴射環流技術于上世紀30年代[23]開始就已經應用于化工上的加氫、氧化、磺化等工序。因其良好的傳質效果，后逐漸發展至污水尤其是高濃度高氨氮廢水處理領域。

2.1 化工領域的應用

熊俊鷹等[24]利用上噴式環流反應器進行甲苯三氧化硫磺化反應，結果表明，分布式多噴嘴結構的反應器，對氣含率的提高有顯著效果。馬寶歧[25]利用噴射反應器代替體積龐大而效率低下的間歇式鼓泡氧化塔來研究石蠟的氧化，不僅提高了氧化速度，同時縮短了生產周期，提高了生產能力。劉勇等[26]研究二氫月桂烯和莰烯的水合反應，其水合產率比傳統攪拌釜和固定床均有很大提高。

2.2 污水處理領域的應用

應用至污水處理領域后，反應器的構造經過了一系列的調整，使其傳質效率不斷得到提高[3]。總體來說，增加了循環反應區、后置脫氣區、消泡單元等，噴嘴的構造也為適應污水雜質多的特點持續地進行調整。

表1 噴射環流技術處理各類污水的運行情況

噴射環流在各類污水處理領域均已有成功應用的案例，但市政污水類的污染物濃度不高，無法充分體現反應器的優異性能[34]，針對高濃度高氨氮類污染物的高去除率，才能實現對噴射環流技術最充分的應用。

3 在垃圾滲濾液領域的應用

考慮到垃圾中轉站等滲濾液產生場所，不僅用地資源緊張，而且滲濾液的污染物呈現高COD、高氨氮等特性，尤其適用于利用噴射環流這項高效生物處理技術。

劉家燕等[35]利用噴射環流技術取代傳統硝化系統處理垃圾填埋場滲濾液，日處理量400 m3，噴射環流反應器容積為700 m3，可將含10000 mg/L COD的滲濾液處理至1000 mg/L以下。相對傳統生化，具有氧轉移率高、反應器容積小、占地少等諸多優勢。

韓穎等[36]將噴射環流與傳統MBR技術進行對比。在相同工況下，達到相同滲濾液水質處理效果時，噴射環流工藝的COD容積負荷比MBR高67%，主要構筑物占地面積減少47.5%，大型設備功率減少了25.3%。

許燈彪等[37]借鑒國外先進技術，發明了一種用于污水處理的噴射環流反應器，將反應器分成多節，每節長1.5～2.5 m，便于道路運輸。并已實際用于湖北十堰市等滲濾液處理工程。

J.Jungblut[38]利用高效緊湊反應器和膜過濾聯合工藝處理垃圾填埋滲濾液[39]。進水COD為2800～4300 mg/L，氨氮為820～1300 mg/L。最終COD的去除率在80%以上，氨氮小于1 mg/L，且處理效果穩定。

Yoon Ae Hw等[40]利用噴射環流反應器處理餐廚滲濾液，TCOD為180 g/L，SCOD為77 g/L，氨氮為530 mg/L。設置反應器循環流量為10 L/min，氧氣流量0.2 L/min，水力停留時間為24 h。表明使用純氧作為氣源可獲得最大的氧利用率，滿足超高濃度廢水的處理。

目前國內針對滲濾液領域的噴射環流應用案例極為有限，大多數的滲濾液處理站仍沿用傳統的生化處理工藝。占地面積大和土建工程的耗時耗力及其建成后的生化不穩定因素，導致這類滲濾液的處理效率低下，急需改善。

4 結 語

噴射環流作為一項高效生物處理技術，從20世紀80年代開始已經應用于污水處理領域，目前在印染、造紙、養殖、生活污水等水處理上的應用均比傳統生化具有優勢，主要體現在占地面積少、氧傳質效率高、剩余污泥量少和運行成本低等方面。為應對日益惡化的環境導致的更高濃度污水的處理，噴射環流在消泡方式、脫氣效率和污泥濃度提高等關鍵參數上有待進一步優化和研究。

總體來說，相較于傳統生化，噴射環流可有效取代硝化段工藝，日后的研究中可注重以下幾方面的改進。

(1)針對滲濾液處理尤其是中轉站等占地面積較少的場所，應多進行噴射環流技術的應用實踐，調整運行參數，判斷其可行性。

(2)針對常規污水處理領域，不應僅局限于水質指標的改善，對其中微生物群落的變化、反應器流體力學的特征等還需深入研究，優化結構設計。

(3)反應器內導流筒的設置和位置等需在實際應用中不斷探索，保證最高的氧傳質效率和更好的兩相噴頭分布方式。