完全混合与推流式反应器对比

完全混合与推流式反应器的原理与对比

1. 连续流完全混合反应器

1.1 基本原理

连续流完全混合反应器如图1所示意，物料进入反应器内后迅速被水体稀释至出水浓度。反应器作物料衡算：

CF F C, X F FCFd??FCd??rVd??VdC

C X 在稳态情况下，反应器内积累量为零，即VdC=0，得： θ=V/F=(CF-C)/(-r) （1）

式中，V代表有效反应容积，r代表反应速度，θ代表反应CF－进料浓度；F－进料的体积流量 时间。 C－反应器内物料浓度(等于出料浓度)

由式（1）中可以看出，连续流完全混合反应器设计X－转化率 反应时间应与进出水物料浓度差成正比；当对出水的要求

图1 连续流完全混合反应器示意图

很高（即C<

1图2显示了完全混合反应器的空间利用情况：阴影部

(?r)分为所需总停留时间，与后文中推流式或间歇式求解图相

θ=(C-CF){1/(-r)C}

比，在达到同样去除率的条件下所需时间要长。

1/(-r)C 由式(1)可以得出以下结论：

①对零级反应：(-rA)=k，则有：

??CF?CXCF? kk1X

k1?XC

CF

C

②对一级反应：(-rA)=kC，则有：

??③对二级反应：(-rA)=kC2，则有：

图2 完全混合反应时间的图解法示意

??1X

kCF(1?X)2以上各式中，X=(CF-C)/CF。

1.2 在实际应用上，该反应方式具有如下特点：

? 进入反应器的污水能得到稀释，使波动的进水水质得到均化，故能耐冲击负荷，对毒物浓度高

的工业废水特别适合；

? 能直接处理较高浓度的有机废水，无需稀释，只需控制曝气时间；

? 能把整个池子的工作情况控制在良好的同一条件下进行，微生物的活性能够充分发挥，污泥负

荷率高；

? 操作灵活，通过改变污泥负荷可使工作点处于污泥增长曲线上所期望的某一点，从而得到期望

的水质。

2.推流式反应器

2.1基本原理

推流式反应器如图3所示意，物料进入反应器内后浓度呈梯度变化。对反应器微元体dVr作物

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料衡算，在稳态情况下，得：

XAfdXdCAA?????CA0? (2) CA0(?r)0(?r)AACAf式中，C代表物料浓度，r代表反应速度，τ代表反应时间，X代表转化率。

为方便比较，将式（2）由图解法求解，如图4所示。图中阴影部分代表反应器所需反应时间。

dVr FA0，CA0 XA0 FA XA FA+dFA XA+dXA FAf，CAf XAf 图3推流式反应器示意图

对照连续流完全混合反应器反应时间图解，对于简单反应而言，在入流浓度、反应速率一致的情况下，达到相同的预期出流浓度时，推流所需

CAfdC1/(-rA) A的反应时间更短。当然，上述结论是基于水中有??? CA0(?r)机污染物降解速率与其浓度呈递增的条件下得A出的。

由式(2)可以得出以下结论： ①对零级反应：(-rA)=k，则有：

???CF?CXCF? kk②对一级反应：(-rA)=kC，则有：

??ln?1?1??

k?1?X?CAf CA0 C

③对二级反应：(-rA)=kC2，则有：

图4 推流式反应时间的图解法示意

??1X

kC0(1?X)以上各式中，X=(C0-C)/C0。

2.2 在实际应用上，该反应方式具有如下特点：

? 流型呈推流式，微生物所得到的营养及其生长特性沿池长变化，处理效率高； ? 不具有进水即与池内水体迅速混合的完全混合反应的特点，故对耐冲击负荷能力低。

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3. 连续流完全混合反应器与推流式反应器的对比

对于单个反应器，利用以上关于停留时间的讨论结果列于表1中。

表1推流式反应器与连续流完全混合反应器反应时间的对比(相对于推流式反应器的反应时间为1)

反应级数 零级反应 一级反应 二级反应 转化率X 90％ 99％ 90％ 99％ 90％ 99％ 推流式反应器τ 1 1 1 1 1 1 连续流完全混合反应器θ 1 1 3.9 21.5 10 100 从上表的数值可以看出：单级连续流完全混合反应器在化学反应级数愈高、转化率愈高时，所需反应时间愈大，即所需反应体积愈大（即容积效率愈低）。因此，从理论的角度看，单级推流式反应器比完全混合反应器要好得多。但在污水生物处理的实际应用中，由于受到种种条件的限制，两种反应器又各有自己的适应条件。现分析如下：

3.1 推流式曝气池

曝气池表面呈长方形状，废水从池首端进入，在曝气和水力条件的推动下，混合液均衡地向前流动，并从池尾端流出。从池首端到尾端，混合液内影响活性污泥净化功能的各种因素，如F/M值、活性污泥微生物的组成和数量、基质的组成和数量等都在连续地变化，有机物降解速率、耗氧速率也都连续地变化。

活性污泥在池内是按增长曲线的一个区段进行增长，参见图5。 推流式曝气池工艺系统如图6所示。从图可见，原污水从曝气池首端进入池内，由二次沉淀池回流的回流污泥也同步注入。污水与回流污泥形成的混合液在池内呈推流式流动至池的末端，流出池外进入二次沉淀池，在这里处理后的污水与活性污泥分离，部分污

10 1 2 活性污泥重量 b a 曝气过程

图5 推流式曝气池

活性污泥增长曲线

3 4 5 9 7 6 8 1－经预处理后的污水；2－活性污泥反应器－曝气池；3－从曝气池流出的混合液；4－二次沉淀池；5－处理后的污水；6－污泥泵站；7－回流污泥系统；8－剩余污泥；9－来自空压机房的空气；10－曝气系统与空气扩散装置

图6 传统活性污泥法系统

泥回流至曝气池，部分污泥则作为剩余污泥排出系统。

污水净化过程中的第一阶段的微生物代谢是在一个统一的曝气池中连续进行的，由于有机污染物浓度沿池长逐渐降低，需氧率沿池长也是降低的（见图7）。因此，在池首段和前段混合液中的溶解氧浓度较低，甚至可能是不足的，沿池长逐渐增高，在池末端溶解氧含量就已经很充足了，一般

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都能够达到规定的2mg/L左右。有机污染物在曝气池内的降解，经历了第一阶段的吸附和第二阶段代谢的完整过程，活性污泥以经历了一个从池首段的对数增长，经减速增长到池末段的内源呼吸期的完全生长期。活性污泥几乎经历了一个生长周期，处理效果很高，特别适用于处理要求高而水质较稳定的污水。

渐减曝气池供氧曲线 推流式曝气池系统具有如下各项优点：①在

曝气池任何两个断面都存在有机质的浓度梯度，因此存在着基质降解动力，BOD降解菌为优占菌种，可避免产生污泥膨胀现象；②运行灵活，可采用多种运行方式；③对污水处理的效果极好，BOD去除率可达90%以上，适于处理净化程度和稳定程度要求较高的污水；④运行得当能够增加净化功能，如脱氮、除磷等。

经多年运行实践证实，推流式曝气池系统存

曝气过程(曝气池长度)

在着下列各项问题：

(1) 曝气池首端有机污染物负荷高，耗氧速图7 传统活性污泥法系统曝气池需氧率的变化 度也高，为了避免由于缺氧形成厌氧状态，进水有机物负荷不宜过高，因此，曝气池容积大，占用的土地较多，基建费用高；

(2) 耗氧速度沿池长是变化的（参见图7），需氧量前大后小，而空气的供应往往是均匀分布，这就形成前段无足够的溶解氧，后段氧的供应将大大超过需要，造成浪费，增加动力费用。对此，采用渐减供氧方式，可在一定程度上解决这一问题（参见图7）。

(3) 对进水水质、水量变化的适应性较低，运行效果易受水质、水量变化的影响。进水浓度尤其是含有抑制物质的浓度不能高，不能适应冲击负荷。这是因为其流型是推流式，进入池中的污水与回流污泥在理论上是不与池中原有的混合液相混合，进水水质的变化对活性污泥影响较大，容易损害活性污泥，因此限制了对某些工业废水的应用。

推流式曝气池一般呈廊道型，根据所需长度，可为单廊道、二廊道以及三廊道的四廊道（参见图8）。为了避免短路，推流式曝气池的布置一般按以下进行。

L 需氧率 1 B 2

3

图8 廊道型推流式曝气池平面布置

1. 单廊道曝气池 2. 二廊道曝气池 3. 三廊道曝气池 4. 四廊道曝气池

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4

(1) 平面布置：推流式曝气池的长宽比一般为5~10。进水方式多样，出水一般采用溢流堰。 (2) 横断面布置：推流曝气池的池宽和有效水深之比一般为1~2。有效水深最小为3m，最大为9m。根据横断面上的水流情况，又可分为平移推流和旋转推流。

平移推流式曝气池底铺满扩散器，池中的水流只有沿池长方向的流动。这种池型的横断面宽深比可以大些。

旋转推流是在这种曝气池中，扩散器装于横断面的一侧。由于气泡形成的密度差，池水产生旋流，形成了旋转推流。

3.2 完全混合曝气池

完全混合曝气池的池型可以分为圆形也可以为方形或矩形。曝气设备可采用表面曝气机，置于池的顶部的中心。

a 污水与回流污泥一进池，在表面曝气机的搅拌下，立即和池内混合液充分混合，水质均匀，不像推流那样前后段有明显的区别。池内混合液的组成以及F/M值，活性污泥微生物的数量等

曝气过程 因素是完全均匀一致的，有机物降解的速率，耗氧速率都是不变

的，而且在池内各部位都是相同的。 图9 完全混合式曝气池

活性污泥增长曲线 微生物在池内的增值速率是不变的，在增值曲线上的位置是

一个点，而不是一个区段（参见图9）。

美国1950年以前建造的曝气池全是狭长的条形池，按推流设计。由于前段需氧量很大，因而通过渐减曝气池来解决。但是，一般池子只有中段（约为全长的1/3处）需氧速率与氧传递速率配合的比较好一些，见图10。在池的前段，因食料多，微生物的生长率高，需氧率也就很大，因而即使渐减曝气也不能根本解决问题，实际的需氧速率受供氧速率控制和制约。图中需氧率和供氧率之间其前后两块面积应当相等。

这样的供氧和需氧情况，当受到冲击负荷时，前段阴影面积扩大，后段阴影面积缩小，严重时，后段面积全部消失，出现全池缺氧情况。

活性污泥重量 d?0 dt需氧率曲线 需氧率曲线 好氧率曲线

L (曝气池中廊道)

图10 传统曝气池中供氧和需氧率曲线

从上面二种运行方式看，推理式曝气池系统的根本矛盾是供氧和需氧的矛盾，为了解决这个矛盾，渐减曝气是通过布气的方法来改善，分步曝气则是通过进料分配的均匀性来改善。

为了根本上改善各式各样形式池子中混合液不均匀的状态，在分步曝气的基础上，进一步大大增加进水点，同时相应增加回流污泥的入流点，见图11。那么池子的混合液的不均匀性大大改善了。入流废水和回流污泥在曝气池中和原有的池子中的池液迅速混合，这就是完全混合的概念。

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进水 出水

回流污泥 图11 完全混合法

完全混合活性污泥法系统具有如下各项优点：

(1) 进入曝气池的污水很快即被池内已存在的混合液所稀释、均化。当入流出现冲击负荷时，池液的组成变化较小，因而骤然增加的负荷可为全池混合液所分担，而不是象推流中仅由部分回流污泥承担。因而完全混合池从某种意义上来说，是一个大的缓冲器和均匀池，它不仅能缓和有机负荷的冲击，也减少有毒物质的影响，适用于处理工业废水，特别是浓度较高的工业废水。

(2) 污水在曝气池内分布均匀，各部位的水质相同，F:M值相等，微生物群体的组成和数量几近一致，生活环境也基本相同，各部位有机污染物降解工况相同，因此，有可能通过对F:M值的调整，将整个曝气池的工况控制在最佳条件，此时工作点处于微生物增殖曲线上的一个点上。活性污泥的净化功能得以良好发挥。在处理效果相同的条件下，其负荷率较高与推流式曝气池。

(3) 曝气池内混合液的需氧速度均衡，动力消耗低于推流式曝气池。

(4) 可使曝气池与沉淀池合建，勿需单独设置污泥回流系统，易于运行管理。

完全混合活性污泥法系统存在的主要问题是：在曝气池混合液内，各部位的有机污染物质量相同、能的含量相同、活性污泥微生物质与量相同，在这种情况下，微生物对有机物的降解动力低下，因此，活性污泥易于产生膨胀现象。与此相对，在推流式曝气池内，相邻的两个过水断面，由于后一断面上的有机物浓度、微生物质与量均高于前者，存在着有机物的降解动力，因此，活性污泥产生膨胀的可能性较低。此外，在一般情况下，其处理水水质低于采用推流式曝气池的活性污泥法系统。

3.3 多级反应器系统

当原污水含有高浓度的有机污染物而又要求较高的去除率时，可以考虑采用两级或三级活性污泥法处理系统。而每级都是独立的处理系统，都有自己的二次沉淀池和污泥回流系统，这样有利于回流污泥对污水的适用与接种。剩余污泥则可以每级分别排放，也可以集中于最后一级处理系统排放。

运行经验证实，当原污水BODu (总碳氧化需氧量或总生化需氧量)值在300mg/L以上时，首级活性污泥法系统一采用完全混合式曝气池为宜，因为完全混合曝气池对水质、水量的冲击负荷有较强的承受能力。如原水BODu值在300mg/L以下时，首级曝气池可以考虑采用推流式曝气池，对此，建议采用阶段曝气活性污泥法系统。当原水BODu值在150mg/L以下时，勿需考虑采用多级活性污泥处理系统。

采用多级活性污泥法系统，可以获得高质量的处理水，但建设费及运行费都较高，只有在非常必要时考虑采用。

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