袁瑞庆，陆东蛟，李 佳，郭晓煜，王帅旗

(南京环美科技股份有限公司，江苏 南京 210012)

喷射环流技术作为一项高效污水生物处理新型技术，其作用原理融合了深井曝气[1]和高效射流曝气等反应机理[2]，利用两相喷头将污水中的生物絮团剪切成很小的生物碎片[3]，极大地增加了微小气泡、微生物和污水之间的接触面积[4]，从而提高污水处理效率。它具有占地面积小、氧转化效率高、剩余污泥量少、抗冲击负荷能力强[5]等诸多优势。两相喷嘴产生的推动力推动有限的混合管内的气体前进[6]，后端的气体不断补充，促使被喷射气体不断吸入混合管内，与液相反应[7]。

喷射环流技术最早研发的目的在于提高物相间的传质效率[8]，从而实现同等时间内原料转化率的成倍增加，大大提高产能。后来人们发现这项技术能通过加快氧转移效率从而提高污染物的降解能力。20世纪80年代，德国克劳斯塔尔工科大学物相传递研究所[2]最早研究出适用于污水处理领域的喷射环流反应器，并成功实现了工程应用。近年来，垃圾渗滤液领域尤其是垃圾中转站等土地资源紧张的区域，有赖于开发占地少、反应快的高效污水处理技术，喷射环流技术应运而生，但目前在该渗滤液处理领域的工程案例仍鲜有报道。

为解决有机物浓度高、冬季气温低[9]和用地紧张等特征的废水污染问题，喷射环流作为一种新型、高效的污水处理技术已受到国内外各类学者的重视。本文系统介绍了喷射环流技术的发展历程及其关键表征参数，并列举分析了其在垃圾渗滤液领域的应用情况，为在该领域的持续发展提供了坚实基础。

1 喷射环流反应器的类型和表征参数

1.1 喷射环流反应器的类型

喷射环流的主要构成是主体反应器、两相喷头及连接的管道阀门等。按照流体流动方式、喷嘴位置及反应器的构造，可分为多种类型。

(1)喷射环流作为一个外形为柱状的反应器，其喷射方式按喷嘴位于反应器的底部和顶部的位置不同，可分为上喷式和下喷式环流反应器[10]。其喷射出的气液方向相反。上喷式环流反应器的气相停留时间更短、其气含率更低[11]，相较于下喷式环流反应器，更适用于需要快速反应的工况中。

(2)按流体流动方式划分，可分为内环流和外环流反应器。内环流反应器的流体在反应器内部循环，外循环反应器的流体通过动力设备，实现反应器外的循环。相对而言，外环流反应器的流体流动更加规律，且流动阻力小。

(3)按反应器的构成来说，可分为单导流筒式、多导流筒式、无导流筒式、隔板式和其他形式。导流筒或隔板的目的在于控制流体流动范围，形成规整环流[12-13]。未设导流筒的反应器，其内部流体呈自然流态。

(4)根据流体推动力不同，可分为气升式和液升式环流反应器[13]。气升式反应器[14]是通过空气借助于喷嘴喷射出液相，获得的高速气流的动能，在反应器内形成循环。液升式反应器[15]是当物料通过喷嘴时，将周围的气体吸入，形成气液混合。

1.2 喷射环流反应器的表征参数

为了判断喷射环流反应器相较于一般硝化工艺的优势，并给出具体的评判指标，该项技术发展以来的性能表征指标参差不齐。已有的研究表明气含率[16]、气泡粒径分布、含固率、液相停留时间、氧传质系数、氧转移效率等均可作为其表征参数。在此，选取最具贴合度的几个指标进行分析。

1.2.1 气含率

气含率是指反应器内气体所占混合气液相的体积。气含率分为全塔气含率和局部气含率。总体来说，全塔气含率随反应器内液体喷射流量的增大而增大[17][18]，但局部区域如反应器底部的气含率影响因素较多。如若喷射速度形成的推动力无法使底部产生足够的气动力形成环流，底部气含率将呈无规则变化。

1.2.2 氧传质效率

两相喷嘴曝气时，氧分子通过气液界面由气相转移到液相，并开始传质。氧传质系数表明一定时间内向液相中传递的氧分子的数量。研究表明射流量越大，氧总转移系数也会增大[2]，但增大幅度会逐渐降低。

一般射流喷嘴的清水氧利用率在35%～40%左右，喷射环流内的氧利用率可高达90%，这与氧传质效率高密切相关。氧传质系数主要受吸气量的增加而不断增加[19]，孟磊等[20]采用纯氧曝气发现清水工况下氧传质系数可高达3.5788。

1.2.3 液相混合时间

混合时间反映出反应器内污染物与气相的接触时间，一般来说，为使污染物充分降解，需设计足够长的停留时间。因喷射环流技术的高效传质性能和氧转移率，与传统生化反应器相比，仅需较少的混合时间便可使同样浓度的污染物得以去除。混合时间随通气量的增加而降低[21]，当喷射速度达到一定值后混合时间变化较缓慢[22]。

1.2.4 环流液速

环流液速[21]是指气液在反应器内做有规则的循环流动的速度。环流液速的加大促进了物相间的传质和传热性能，从而使塔内的物料充分反应。研究发现，反应器内气速的加大有利于液速提升[10]，而固含量和黏度等的加大会降低环流液速。

2 研究进展

喷射环流技术于上世纪30年代[23]开始就已经应用于化工上的加氢、氧化、磺化等工序。因其良好的传质效果，后逐渐发展至污水尤其是高浓度高氨氮废水处理领域。

2.1 化工领域的应用

熊俊鹰等[24]利用上喷式环流反应器进行甲苯三氧化硫磺化反应，结果表明，分布式多喷嘴结构的反应器，对气含率的提高有显著效果。马宝歧[25]利用喷射反应器代替体积庞大而效率低下的间歇式鼓泡氧化塔来研究石蜡的氧化，不仅提高了氧化速度，同时缩短了生产周期，提高了生产能力。刘勇等[26]研究二氢月桂烯和莰烯的水合反应，其水合产率比传统搅拌釜和固定床均有很大提高。

2.2 污水处理领域的应用

应用至污水处理领域后，反应器的构造经过了一系列的调整，使其传质效率不断得到提高[3]。总体来说，增加了循环反应区、后置脱气区、消泡单元等，喷嘴的构造也为适应污水杂质多的特点持续地进行调整。

表1 喷射环流技术处理各类污水的运行情况

喷射环流在各类污水处理领域均已有成功应用的案例，但市政污水类的污染物浓度不高，无法充分体现反应器的优异性能[34]，针对高浓度高氨氮类污染物的高去除率，才能实现对喷射环流技术最充分的应用。

3 在垃圾渗滤液领域的应用

考虑到垃圾中转站等渗滤液产生场所，不仅用地资源紧张，而且渗滤液的污染物呈现高COD、高氨氮等特性，尤其适用于利用喷射环流这项高效生物处理技术。

刘家燕等[35]利用喷射环流技术取代传统硝化系统处理垃圾填埋场渗滤液，日处理量400 m3，喷射环流反应器容积为700 m3，可将含10000 mg/L COD的渗滤液处理至1000 mg/L以下。相对传统生化，具有氧转移率高、反应器容积小、占地少等诸多优势。

韩颖等[36]将喷射环流与传统MBR技术进行对比。在相同工况下，达到相同渗滤液水质处理效果时，喷射环流工艺的COD容积负荷比MBR高67%，主要构筑物占地面积减少47.5%，大型设备功率减少了25.3%。

许灯彪等[37]借鉴国外先进技术，发明了一种用于污水处理的喷射环流反应器，将反应器分成多节，每节长1.5～2.5 m，便于道路运输。并已实际用于湖北十堰市等渗滤液处理工程。

J.Jungblut[38]利用高效紧凑反应器和膜过滤联合工艺处理垃圾填埋渗滤液[39]。进水COD为2800～4300 mg/L，氨氮为820～1300 mg/L。最终COD的去除率在80%以上，氨氮小于1 mg/L，且处理效果稳定。

Yoon Ae Hw等[40]利用喷射环流反应器处理餐厨渗滤液，TCOD为180 g/L，SCOD为77 g/L，氨氮为530 mg/L。设置反应器循环流量为10 L/min，氧气流量0.2 L/min，水力停留时间为24 h。表明使用纯氧作为气源可获得最大的氧利用率，满足超高浓度废水的处理。

目前国内针对渗滤液领域的喷射环流应用案例极为有限，大多数的渗滤液处理站仍沿用传统的生化处理工艺。占地面积大和土建工程的耗时耗力及其建成后的生化不稳定因素，导致这类渗滤液的处理效率低下，急需改善。

4 结 语

喷射环流作为一项高效生物处理技术，从20世纪80年代开始已经应用于污水处理领域，目前在印染、造纸、养殖、生活污水等水处理上的应用均比传统生化具有优势，主要体现在占地面积少、氧传质效率高、剩余污泥量少和运行成本低等方面。为应对日益恶化的环境导致的更高浓度污水的处理，喷射环流在消泡方式、脱气效率和污泥浓度提高等关键参数上有待进一步优化和研究。

总体来说，相较于传统生化，喷射环流可有效取代硝化段工艺，日后的研究中可注重以下几方面的改进。

(1)针对渗滤液处理尤其是中转站等占地面积较少的场所，应多进行喷射环流技术的应用实践，调整运行参数，判断其可行性。

(2)针对常规污水处理领域，不应仅局限于水质指标的改善，对其中微生物群落的变化、反应器流体力学的特征等还需深入研究，优化结构设计。

(3)反应器内导流筒的设置和位置等需在实际应用中不断探索，保证最高的氧传质效率和更好的两相喷头分布方式。