MBBR填料輸送噴射器的設計及應用

徐振楊

（中國石化鎮海煉化分公司，浙江寧波 315207）

關鍵字：MBBR 填料 轉移 噴射器

1 MBBR工藝概述及池體結構

鎮海煉化乙烯污水處理場生化單元采用移動床生物膜反應器（Moving Biofilm Bed Reactor，以下簡稱MBBR）工藝，其核心技術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，依靠曝氣池內的曝氣和水流的提升作用處于流化狀態[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構，深約7 m，單池有效容積在588～840 m3。載體采用進口卡能士K3填料，材質聚乙烯，規格為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，廢氣進生物除臭單元。單間MBBR池體結構見圖2。

圖2 MBBR池體結構

2 問題分析和檢修措施

2.1 曝氣管破裂原因分析

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

經歷次搶修查找事故原因，發現其破裂點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象，綜合分析認定破裂的主要原因如下：

1）設計缺陷

池底穿孔曝氣管原設計通過池底繩牽引，在曝氣過程中擺動有助于氣泡擴散，而總管通過U型卡固定不動，導致其相連部位長期受交變應力，易造成在三通管件“馬鞍口”處發生破裂。

2）施工質量不高

固定U型卡箍用不銹鋼雙螺母緊固，不能避免振動松脫，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

曝氣管材質選用高密度聚乙烯，資料表明其可在-60～40℃間安全使用，參考GB/T6111－2003耐壓試驗最高溫度也僅為80℃，而空氣來自于多級離心風機，出口溫度107℃。高溫導致管線老化開裂，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，限制左右擺動幅度，固定三通部位支模澆筑在混凝土塊內保護；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合管，避免老化后撕裂。

2.3 檢修難點

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，活性污泥死亡發黑，上浮后與填料混合隔開水體，硫酸鹽還原菌在厭氧環境下將污水中硫酸根還原為H2S。池面稍一攪動，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，施工人員佩戴空氣呼吸器進入池內清理填料和沖洗置換底泥，再對破裂點加裝抱箍的方式。此作業方式效率低，檢修周期約2個月/間，作業風險高，且不能徹底解決曝氣管線再破裂問題。

3 MBBR池填料機械轉移方法比選

為解決上述問題，需采用便捷高效的機械運輸方式轉移填料及污泥，但MBBR工藝在國內應用時間短，同類企業均無成功有效案例可循。通過調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，外加裝臭氣消除設施，設備體積大轉運不便；低轉速、大流道混流泵自重大且需現場制作井筒彎管和吊裝支架，部分填料會破碎；現場臨時龍門吊加小型電動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，但需要設備連續提供液位差、建立初始真空度，轉移效率會隨著水中填料密度降低而降低。因此，高效機械轉移方案需同時滿足以下條件：

1）填料轉移中不能破碎，以免影響工藝效果和堵塞其他流體設備；2）生化池深度7 m，池面無承重平臺，四周為管架，吊機無法站位，大型機械也無法進入，只能選用輕型化機械；3）轉移時需密閉操作，避免惡臭或H2S散溢污染大氣和操作環境；4）自動連續作業，盡量避免人為干預，滿足工期要求、節約施工成本。

結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點，選用氣固噴射器進行MBBR池填料的機械轉移，其具有結構簡單、運行可靠、節能、維修量少、工程造價和運行成本低等特點。但常規工程應用中，噴射器在電廠、水泥、化工、建材、冶金、食品、飼料等行業的粉體輸送中較為常見，在環保行業中的液體和固體填料轉移尚無實例，因此，在實際應用之前對噴射器按現場和物料條件進行計算模擬，評價其可行性。

4 噴射器尺寸理論計算

4.1 計算依據

噴射器主要利用文丘里原理，在管道內形成壓力差對流體形成一個外部吸力，帶動流體運動，工程上產生的真空度范圍一般在980～1 960 Pa[2]。然而，因噴射器內部的流體組成復雜，存在氣、液、固等多相成分，其內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，結構示意見圖3，其中噴嘴尺寸d0（速度v）、喉管尺寸dn、噴嘴離喉管距離S、喉管長度Ln、入射/擴散管角度α/β對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。由于可變參數多，對模型簡化，以氣－固、氣－液噴射器已有經驗公式和試驗研究結論為基礎進行理論計算。

圖3 氣-固噴射器結構

4.2 d0、dn、Ln的計算

實際工程應用中，吸入口、吸入室、擴散口直徑D均取150 mm，最大空氣流量不超過2 000 m3/h；當馬赫數≤0.3時，氣體才能近似認為是不可壓縮流體[3]，適用于伯努利方程，由于標準大氣壓與現場公用系統供氣壓力P0比值遠小于0.528，故噴嘴氣體處于超臨界狀態，根據超臨界氣體質量流量公式（1），可計算確定噴嘴直徑d0max為35 mm。

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

根據丁巖峰[5]等人對噴嘴直徑在30～50 mm范圍的氣－固噴射器試驗結論：當噴嘴空氣速度v為0.49～0.51 a（a表示當地音速）時，吸入室真空度達到最大。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—現場最大空氣流量，取2 000 m3/h；v—噴嘴氣體流速，取0.5 a，171.5 m/s。

噴嘴直徑設計值與計算值相當或略大，留有一定裕量，如果實際輸送速度過大，應適當降低供氣壓力，此方案中噴嘴直徑d0取25 mm。

喉徑dn與氣－液固混合比、填料通過性有關，按照氣－固噴射器最佳面積比公式（3）計算喉管直徑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—擴散口出口壓力即背壓，因直通大氣，取1.013×105Pa。

根據黨慧麗[7]等人數值模擬結論，喉管長度Ln與喉徑dn比為3.9時空氣抽吸量最大，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。根據熊源泉[8]等人的試驗結論：在相同背壓和輸送風量下，試驗收縮角處于7.9°～35°范圍時，噴射器的性能隨著收縮角的增大而減小，當收縮角小于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，噴嘴的錐度根據經驗選取8°～12°，參考許瑞[9]等的研究結論，收縮角為10°時射流穩定性最好。由于噴射器擴散口直通大氣，擴散角大小對背壓無影響，將噴嘴錐度和收縮角α、擴散角β均設計為10°。

4.4 噴嘴距喉部距離S的確定

噴嘴距喉部距離S與吸入口相對位置對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入后續結構。據丁巖峰[5]模擬結論，噴嘴設在吸入口之后，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，導致能量大量損失，不利于物料的輸送。當S增大時，能量交換過程向吸入室方向移動，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，直至出現噎塞。S值目前尚無公式可參考，但有研究試驗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系，如樹脂粉S值取10～15 mm，粒徑3 mm的石灰石，S值可達到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，根據收縮角α進行逆向計算S值。根據經驗，設計噴嘴略微深入混合區30 mm，留下足夠的輸送空間，同時減少混合區紊流和碰撞，根據幾何關系可計算S為197 mm，圓整至200 mm。綜上所述，噴射器設計尺寸如圖4所示。

圖4 專用噴射器外形尺寸

5 噴射器數值模擬驗證

按圖4尺寸建立噴射器模型，并進行網格劃分，如圖5所示。

圖5 專用噴射器網格劃分

在ANSYS的Fluent流體計算模塊中進行數值模擬，迭代計算后的流線和流速云圖如圖6所示，計算結果得到噴射器吸入口真空度為2 474 Pa。此時能保證7 m吸程，吸入室卷吸作用明顯，空氣出噴嘴呈現一個加速過程，但到混合管中部位置時出現急劇衰減，轉化為液體的靜壓能，混合體出擴散管速度約1 m/s。

圖6 專用噴射器流線和流速云圖

6 工程應用驗證

將按設計要求制做的氣固噴射器架設在池蓋板上方，用DN50軟管接入空氣作為動力源，并安裝1只閥門控制風量（風壓）；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，利用無填料的活性污泥池作為儲存池并保持充水曝氣，使轉移過來的填料生物膜保持活性。

噴射器投運前，先減小MBBR池曝氣強度、關閉進水，使填料在液面上層富集，使吸入口能抽取更多的填料。投運時，噴射器空氣流量調至1 800 m3/h，填料運輸量約為4 m3/h，檢查噴出填料無破碎。

填料轉移清理完成后用移動泵退水，池內殘留積泥直接在池上用清水沖洗干凈，避免滋生H2S細菌和污染環境，方便了后續人員管線更換、加固等檢修工作。

實際工程應用表明：單間池內填料轉移可縮短至一周以內，與人工相比，極大地提高了轉移效率，也保留了填料上生物膜活性，以便檢修后能迅速恢復生產。目前噴射器已成功配合完成了全部8間MBBR池大修，運送填料6 000 m3，施工期間池面無臭氣和H2S溢出，大大縮短了施工期，生產效率明顯提升。

7 結論

通過對氣－固噴射器關鍵參數的設計和制造，并成功應用于實際工程案例，應用結果與理論計算的CFD數值模擬結果基本一致，參考經驗公式和已有試驗結論進行噴射器關鍵參數的設計具有一定的實踐性、可行性。相較其他機械輸送方式，氣－固噴射器成功應用于大體積污水塑料填料運輸轉移時可節省大量時間、成本，同時避免臭氣外溢等次生污染。