MBBR填料輸送噴射器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

徐振楊

（中國(guó)石化鎮(zhèn)海煉化分公司，浙江寧波 315207）

關(guān)鍵字：MBBR 填料 轉(zhuǎn)移 噴射器

1 MBBR工藝概述及池體結(jié)構(gòu)

鎮(zhèn)海煉化乙烯污水處理場(chǎng)生化單元采用移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器（Moving Biofilm Bed Reactor，以下簡(jiǎn)稱MBBR）工藝，其核心技術(shù)是將密度接近水的懸浮填料直接投加到曝氣池中作為微生物的活性載體，依靠曝氣池內(nèi)的曝氣和水流的提升作用處于流化狀態(tài)[1]，使廢水、空氣、生物膜三者充分接觸、相互作用，以獲得良好的凈化效果。MBBR工藝流程見圖1。

圖1 MBBR工藝處理流程

MBBR池為半埋地敞口混凝土結(jié)構(gòu)，深約7 m，單池有效容積在588～840 m3。載體采用進(jìn)口卡能士K3填料，材質(zhì)聚乙烯，規(guī)格為Φ25×5 mm，填充率35%～40%。MBBR池采用高密度聚乙烯穿孔管曝氣、篩孔出水，活性污泥池采用硬聚氯乙烯橡膠微孔曝氣器、溢流堰出水。池頂用玻璃鋼蓋板全密閉，廢氣進(jìn)生物除臭單元。單間MBBR池體結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 MBBR池體結(jié)構(gòu)

2 問(wèn)題分析和檢修措施

2.1 曝氣管破裂原因分析

污水處理場(chǎng)于2010年3月建成投運(yùn)，自2011年1月起先后有6間MBBR池發(fā)生池底曝氣管破裂上浮，另有2間發(fā)生曝氣總管縱向撕開，造成池內(nèi)溶解氧快速下降為0，致使生化單元基本喪失處理能力，極大影響了設(shè)備的生產(chǎn)運(yùn)行。

經(jīng)歷次搶修查找事故原因，發(fā)現(xiàn)其破裂點(diǎn)分別為連通管與曝氣管連接彎頭本體、曝氣豎管與曝氣管連接三通和熔接接縫處，以及水面上一段豎管縱向開裂。此外，固定管線U型卡箍大多有松脫現(xiàn)象，綜合分析認(rèn)定破裂的主要原因如下：

1）設(shè)計(jì)缺陷

池底穿孔曝氣管原設(shè)計(jì)通過(guò)池底繩牽引，在曝氣過(guò)程中擺動(dòng)有助于氣泡擴(kuò)散，而總管通過(guò)U型卡固定不動(dòng)，導(dǎo)致其相連部位長(zhǎng)期受交變應(yīng)力，易造成在三通管件“馬鞍口”處發(fā)生破裂。

2）施工質(zhì)量不高

固定U型卡箍用不銹鋼雙螺母緊固，不能避免振動(dòng)松脫，脫落后總管上浮牽扯曝氣管，易致彎頭部位拉斷。

3）選材不當(dāng)

曝氣管材質(zhì)選用高密度聚乙烯，資料表明其可在-60～40℃間安全使用，參考GB/T6111－2003耐壓試驗(yàn)最高溫度也僅為80℃，而空氣來(lái)自于多級(jí)離心風(fēng)機(jī)，出口溫度107℃。高溫導(dǎo)致管線老化開裂，承壓能力下降，最終撕裂損壞。

2.2 檢修措施

針對(duì)以上原因，采取了池底安裝固定金屬卡槽，使曝氣管可上下活動(dòng)，限制左右擺動(dòng)幅度，固定三通部位支模澆筑在混凝土塊內(nèi)保護(hù)；原固定U型卡螺栓直接焊死防脫；考慮水中氯離子較高，曝氣總管采用了鋼塑復(fù)合管，避免老化后撕裂。

2.3 檢修難點(diǎn)

因加工高含硫原油，污水中硫酸根含量大于1 000 mg/L。管線破裂后僅一兩天，活性污泥死亡發(fā)黑，上浮后與填料混合隔開水體，硫酸鹽還原菌在厭氧環(huán)境下將污水中硫酸根還原為H2S。池面稍一攪動(dòng)，空氣中H2S濃度就大于100 μg/g，極大威脅人的生命安全。

歷次搶修均采用彩鋼瓦局部隔離破裂點(diǎn)，施工人員佩戴空氣呼吸器進(jìn)入池內(nèi)清理填料和沖洗置換底泥，再對(duì)破裂點(diǎn)加裝抱箍的方式。此作業(yè)方式效率低，檢修周期約2個(gè)月/間，作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高，且不能徹底解決曝氣管線再破裂問(wèn)題。

3 MBBR池填料機(jī)械轉(zhuǎn)移方法比選

為解決上述問(wèn)題，需采用便捷高效的機(jī)械運(yùn)輸方式轉(zhuǎn)移填料及污泥，但MBBR工藝在國(guó)內(nèi)應(yīng)用時(shí)間短，同類企業(yè)均無(wú)成功有效案例可循。通過(guò)調(diào)研各廠商提供的施工方案，常見的幾種流體物料輸送方案均存在缺陷，真空泵抽吸法是間斷操作，需大面積填料堆放地，外加裝臭氣消除設(shè)施，設(shè)備體積大轉(zhuǎn)運(yùn)不便；低轉(zhuǎn)速、大流道混流泵自重大且需現(xiàn)場(chǎng)制作井筒彎管和吊裝支架，部分填料會(huì)破碎；現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)龍門吊加小型電動(dòng)提升抓斗是間歇操作，直接接觸H2S；虹吸管可以避免填料破碎，但需要設(shè)備連續(xù)提供液位差、建立初始真空度，轉(zhuǎn)移效率會(huì)隨著水中填料密度降低而降低。因此，高效機(jī)械轉(zhuǎn)移方案需同時(shí)滿足以下條件：

1）填料轉(zhuǎn)移中不能破碎，以免影響工藝效果和堵塞其他流體設(shè)備；2）生化池深度7 m，池面無(wú)承重平臺(tái)，四周為管架，吊機(jī)無(wú)法站位，大型機(jī)械也無(wú)法進(jìn)入，只能選用輕型化機(jī)械；3）轉(zhuǎn)移時(shí)需密閉操作，避免惡臭或H2S散溢污染大氣和操作環(huán)境；4）自動(dòng)連續(xù)作業(yè)，盡量避免人為干預(yù)，滿足工期要求、節(jié)約施工成本。

結(jié)合上述各種方案中泵的效率、虹吸管的大流道、真空泵的真空度等優(yōu)點(diǎn)，選用氣固噴射器進(jìn)行MBBR池填料的機(jī)械轉(zhuǎn)移，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、節(jié)能、維修量少、工程造價(jià)和運(yùn)行成本低等特點(diǎn)。但常規(guī)工程應(yīng)用中，噴射器在電廠、水泥、化工、建材、冶金、食品、飼料等行業(yè)的粉體輸送中較為常見，在環(huán)保行業(yè)中的液體和固體填料轉(zhuǎn)移尚無(wú)實(shí)例，因此，在實(shí)際應(yīng)用之前對(duì)噴射器按現(xiàn)場(chǎng)和物料條件進(jìn)行計(jì)算模擬，評(píng)價(jià)其可行性。

4 噴射器尺寸理論計(jì)算

4.1 計(jì)算依據(jù)

噴射器主要利用文丘里原理，在管道內(nèi)形成壓力差對(duì)流體形成一個(gè)外部吸力，帶動(dòng)流體運(yùn)動(dòng)，工程上產(chǎn)生的真空度范圍一般在980～1 960 Pa[2]。然而，因噴射器內(nèi)部的流體組成復(fù)雜，存在氣、液、固等多相成分，其內(nèi)部流體的理論分析和案例研究仍然是目前工程上較大的難題。

文章所述的為氣－液－固混合噴射器，結(jié)構(gòu)示意見圖3，其中噴嘴尺寸d0（速度v）、喉管尺寸dn、噴嘴離喉管距離S、喉管長(zhǎng)度Ln、入射/擴(kuò)散管角度α/β對(duì)噴射器性能影響最大。工程上要求吸入口真空度Pb、吸入口流量Qb越大越好，噴射器的體積越小越好。由于可變參數(shù)多，對(duì)模型簡(jiǎn)化，以氣－固、氣－液噴射器已有經(jīng)驗(yàn)公式和試驗(yàn)研究結(jié)論為基礎(chǔ)進(jìn)行理論計(jì)算。

圖3 氣-固噴射器結(jié)構(gòu)

4.2 d0、dn、Ln的計(jì)算

實(shí)際工程應(yīng)用中，吸入口、吸入室、擴(kuò)散口直徑D均取150 mm，最大空氣流量不超過(guò)2 000 m3/h；當(dāng)馬赫數(shù)≤0.3時(shí)，氣體才能近似認(rèn)為是不可壓縮流體[3]，適用于伯努利方程，由于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓與現(xiàn)場(chǎng)公用系統(tǒng)供氣壓力P0比值遠(yuǎn)小于0.528，故噴嘴氣體處于超臨界狀態(tài)，根據(jù)超臨界氣體質(zhì)量流量公式（1），可計(jì)算確定噴嘴直徑d0max為35 mm。

式中：k—絕熱系數(shù)，1.4；d0—噴嘴直徑，mm；P0—噴嘴前靜止?fàn)顟B(tài)下壓力，取供氣壓力0.8 MPa（A）；R—287，常數(shù)；T—溫度，常溫下取293.15 K；Qm—空氣質(zhì)量流量，空氣密度取1.205 kg/m3。

根據(jù)丁巖峰[5]等人對(duì)噴嘴直徑在30～50 mm范圍的氣－固噴射器試驗(yàn)結(jié)論：當(dāng)噴嘴空氣速度v為0.49～0.51 a（a表示當(dāng)?shù)匾羲伲r(shí)，吸入室真空度達(dá)到最大。將最佳噴速代入公式（2），可確定噴嘴直徑d0min為21.4 mm。

式中：Q—現(xiàn)場(chǎng)最大空氣流量，取2 000 m3/h；v—噴嘴氣體流速，取0.5 a，171.5 m/s。

噴嘴直徑設(shè)計(jì)值與計(jì)算值相當(dāng)或略大，留有一定裕量，如果實(shí)際輸送速度過(guò)大，應(yīng)適當(dāng)降低供氣壓力，此方案中噴嘴直徑d0取25 mm。

喉徑dn與氣－液固混合比、填料通過(guò)性有關(guān)，按照氣－固噴射器最佳面積比公式（3）計(jì)算喉管直徑dn為70 mm。

式中：Pb—吸入口壓力，按吸程4 m加上0.5 m安裝高度，取44 100 Pa；P—擴(kuò)散口出口壓力即背壓，因直通大氣，取1.013×105Pa。

根據(jù)黨慧麗[7]等人數(shù)值模擬結(jié)論，喉管長(zhǎng)度Ln與喉徑dn比為3.9時(shí)空氣抽吸量最大，因此Ln取270 mm。

4.3 收縮角α的確定

收縮角α對(duì)噴射器性能有一定影響，收縮角越小，固體顆粒相互碰撞與壁面摩擦越小，能量損失小。根據(jù)熊源泉[8]等人的試驗(yàn)結(jié)論：在相同背壓和輸送風(fēng)量下，試驗(yàn)收縮角處于7.9°～35°范圍時(shí)，噴射器的性能隨著收縮角的增大而減小，當(dāng)收縮角小于9°后，噴射器性能變化不大。為避免填料噎塞、反彈，收縮角α越小越好，噴嘴的錐度根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取8°～12°，參考許瑞[9]等的研究結(jié)論，收縮角為10°時(shí)射流穩(wěn)定性最好。由于噴射器擴(kuò)散口直通大氣，擴(kuò)散角大小對(duì)背壓無(wú)影響，將噴嘴錐度和收縮角α、擴(kuò)散角β均設(shè)計(jì)為10°。

4.4 噴嘴距喉部距離S的確定

噴嘴距喉部距離S與吸入口相對(duì)位置對(duì)噴射器固氣比有較大影響，收縮噴嘴噴出氣體是射流型，物料被高速射流的氣體卷吸攜帶而進(jìn)入后續(xù)結(jié)構(gòu)。據(jù)丁巖峰[5]模擬結(jié)論，噴嘴設(shè)在吸入口之后，隨著噴嘴靠近深入混合管，吸入口真空度越來(lái)越高，更有利于物料吸入和混合。但隨著S減小，受到管道截面面積縮小影響，氣體和物料與壁面碰撞更加劇烈，導(dǎo)致能量大量損失，不利于物料的輸送。當(dāng)S增大時(shí)，能量交換過(guò)程向吸入室方向移動(dòng)，氣體和固體顆粒接觸空間增大、摩擦減小，固氣比增大，吸入口真空度便迅速衰減，直至出現(xiàn)噎塞。S值目前尚無(wú)公式可參考，但有研究試驗(yàn)表明不同固體顆粒有不同的最佳S值，一般S值與固體顆粒呈正比關(guān)系，如樹脂粉S值取10～15 mm，粒徑3 mm的石灰石，S值可達(dá)到115 mm。

該案例中輸送的K3填料相較石灰石顆粒尺寸大了很多倍，根據(jù)收縮角α進(jìn)行逆向計(jì)算S值。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)噴嘴略微深入混合區(qū)30 mm，留下足夠的輸送空間，同時(shí)減少混合區(qū)紊流和碰撞，根據(jù)幾何關(guān)系可計(jì)算S為197 mm，圓整至200 mm。綜上所述，噴射器設(shè)計(jì)尺寸如圖4所示。

圖4 專用噴射器外形尺寸

5 噴射器數(shù)值模擬驗(yàn)證

按圖4尺寸建立噴射器模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖5所示。

圖5 專用噴射器網(wǎng)格劃分

在ANSYS的Fluent流體計(jì)算模塊中進(jìn)行數(shù)值模擬，迭代計(jì)算后的流線和流速云圖如圖6所示，計(jì)算結(jié)果得到噴射器吸入口真空度為2 474 Pa。此時(shí)能保證7 m吸程，吸入室卷吸作用明顯，空氣出噴嘴呈現(xiàn)一個(gè)加速過(guò)程，但到混合管中部位置時(shí)出現(xiàn)急劇衰減，轉(zhuǎn)化為液體的靜壓能，混合體出擴(kuò)散管速度約1 m/s。

圖6 專用噴射器流線和流速云圖

6 工程應(yīng)用驗(yàn)證

將按設(shè)計(jì)要求制做的氣固噴射器架設(shè)在池蓋板上方，用DN50軟管接入空氣作為動(dòng)力源，并安裝1只閥門控制風(fēng)量（風(fēng)壓）；吸入口和噴出口用DN150軟管從蓋板觀察窗分別伸入MBBR池和活性污泥池內(nèi)，利用無(wú)填料的活性污泥池作為儲(chǔ)存池并保持充水曝氣，使轉(zhuǎn)移過(guò)來(lái)的填料生物膜保持活性。

噴射器投運(yùn)前，先減小MBBR池曝氣強(qiáng)度、關(guān)閉進(jìn)水，使填料在液面上層富集，使吸入口能抽取更多的填料。投運(yùn)時(shí)，噴射器空氣流量調(diào)至1 800 m3/h，填料運(yùn)輸量約為4 m3/h，檢查噴出填料無(wú)破碎。

填料轉(zhuǎn)移清理完成后用移動(dòng)泵退水，池內(nèi)殘留積泥直接在池上用清水沖洗干凈，避免滋生H2S細(xì)菌和污染環(huán)境，方便了后續(xù)人員管線更換、加固等檢修工作。

實(shí)際工程應(yīng)用表明：?jiǎn)伍g池內(nèi)填料轉(zhuǎn)移可縮短至一周以內(nèi)，與人工相比，極大地提高了轉(zhuǎn)移效率，也保留了填料上生物膜活性，以便檢修后能迅速恢復(fù)生產(chǎn)。目前噴射器已成功配合完成了全部8間MBBR池大修，運(yùn)送填料6 000 m3，施工期間池面無(wú)臭氣和H2S溢出，大大縮短了施工期，生產(chǎn)效率明顯提升。

7 結(jié)論

通過(guò)對(duì)氣－固噴射器關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)和制造，并成功應(yīng)用于實(shí)際工程案例，應(yīng)用結(jié)果與理論計(jì)算的CFD數(shù)值模擬結(jié)果基本一致，參考經(jīng)驗(yàn)公式和已有試驗(yàn)結(jié)論進(jìn)行噴射器關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)具有一定的實(shí)踐性、可行性。相較其他機(jī)械輸送方式，氣－固噴射器成功應(yīng)用于大體積污水塑料填料運(yùn)輸轉(zhuǎn)移時(shí)可節(jié)省大量時(shí)間、成本，同時(shí)避免臭氣外溢等次生污染。