董 亮 曾 濤 劉少北 王 勇 張長練 何 雨

(四川理工學(xué)院過程裝備與控制工程四川省高校重點實驗室，四川 自貢 643000)

進水流量和曝氣強度對管式曝氣池液相流態(tài)及氧傳質(zhì)特性的影響*

董 亮 曾 濤#劉少北 王 勇 張長練 何 雨

(四川理工學(xué)院過程裝備與控制工程四川省高校重點實驗室，四川 自貢 643000)

利用粒子圖像測速技術(shù)(PIV)和溶解氧在線測試儀對管式曝氣池在不同進水流量和不同曝氣強度工況下的液相流態(tài)和氧傳質(zhì)特性進行了測定。結(jié)果表明，管式曝氣池在相同曝氣強度下，氧轉(zhuǎn)移系數(shù)和氧轉(zhuǎn)移效率均隨著進水流量的增加而逐漸增加；而在相同進水流量時，氧轉(zhuǎn)移系數(shù)和氧轉(zhuǎn)移效率均隨曝氣強度的增大呈先下降后逐漸上升的趨勢。綜合考慮理論和實際情況，PIV測量時曝氣強度選擇0.750 m3/h。當(dāng)進水流量為0.234 m3/h時，管式曝氣池上中下3個區(qū)域的渦量面積分布最均勻，液相死區(qū)最少，說明此時氣液兩相混合程度最好。因此，管式曝氣池的最佳進水流量確定為0.234 m3/h。

粒子圖像測速技術(shù) 管式曝氣池 氧轉(zhuǎn)移系數(shù) 氧轉(zhuǎn)移效率 液相流態(tài) 進水流量 曝氣強度

氧傳質(zhì)特性對污水好氧生化處理效果起關(guān)鍵作用。氧轉(zhuǎn)移系數(shù)和氧轉(zhuǎn)移效率分別表征氧轉(zhuǎn)移速率和氧轉(zhuǎn)移程度[1-2]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者研究了進氣量、曝氣方式、填料、水質(zhì)和表面活性劑等對氧轉(zhuǎn)移系數(shù)和氧轉(zhuǎn)移效率的影響[3-7]。但進水流量和曝氣強度對氧轉(zhuǎn)移系數(shù)和氧轉(zhuǎn)移效率的影響研究很少。此外，已有研究表明，液相流態(tài)也會影響氧轉(zhuǎn)移系數(shù)和氧轉(zhuǎn)移效率，而且也受進水流量和曝氣強度的影響[8-9]。近年來，液相流態(tài)主要使用粒子圖像測速技術(shù)(PIV)進行測量[10-16]。因此，本研究對管式曝氣池在不同進水流量和不同曝氣強度的工況下對氧轉(zhuǎn)移系數(shù)、氧轉(zhuǎn)移效率以及液相流態(tài)(主要考慮流速和渦量)的影響，旨在尋求最適宜操作條件，為工程應(yīng)用提供堅實的理論基礎(chǔ)。

1 實驗和方法

1.1 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)如圖1所示，主要由進水系統(tǒng)、管式曝氣池、溶解氧在線測試儀、PIV系統(tǒng)組成。曝氣池為長方體的玻璃容器，長(PIV測量時設(shè)為X軸)0.775 m、寬0.120 m、高(PIV測量時設(shè)為Y軸)0.570 m，有效容積49.3 L。PIV系統(tǒng)圖像像素為2 048×2 048，采樣速率為16幀/s，示蹤劑選用羅丹明B懸浮液[17-18]。

1—管式曝氣池；2—微孔曝氣軟管；3—計算機；4—相機；5—同步器；6—進水流量計；7—進水泵；8—進水箱；9—激光電源；10—激光器；11—固液分離溢流口；12—氣泡；13—溶解氧在線測試儀；14—空氣壓縮機圖1 實驗系統(tǒng)示意圖Fig.1 Test system flow chart

1.2 氧轉(zhuǎn)移系數(shù)和氧轉(zhuǎn)移效率的測定

在不同曝氣強度和進水流量工況下，曝氣池內(nèi)加滿自來水后投加Na2SO3和CoCl2進行脫氧[19]。當(dāng)曝氣池內(nèi)溶解氧為0 mg/L時開始曝氣并計時，直至曝氣池內(nèi)溶解氧為7 mg/L(接近飽和)時結(jié)束。根據(jù)式(1)計算氧轉(zhuǎn)移系數(shù)。

(1)

式中：KLa為氧轉(zhuǎn)移系數(shù)，min-1；t為曝氣時間，min；C*為飽和溶解氧質(zhì)量濃度，mg/L；Ct為t時刻溶解氧質(zhì)量濃度，mg/L。

由于測定過程中的溫度不同，將KLa統(tǒng)一修正為20 ℃時的KLa，修正公式如下：

(2)

式中：KLa(20)為20 ℃時的氧轉(zhuǎn)移系數(shù)，min-1；T為溶解氧的測定溫度，℃。

氧轉(zhuǎn)移效率根據(jù)式(3)計算。

(3)

式中：EO2為氧轉(zhuǎn)移效率，%；V為曝氣池有效容積，m3；q為曝氣強度，m3/min；ρO2為氧氣密度，取1 429 mg/L。

1.3 PIV測量

PIV測定時曝氣強度選擇0.750 m3/h，拍攝進水流量分別為0、0.054、0.144、0.234 m3/h工況下的速度矢量圖、流線圖和渦量圖。相機從曝氣池的正面進行拍攝，即垂直于激光方向，分別拍攝下部A、中部B和上部C 3個區(qū)域，拍攝位置均在正面正中115 mm×86 mm的范圍內(nèi)。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 氧傳質(zhì)特性

管式曝氣池的氧傳質(zhì)特性參數(shù)氧轉(zhuǎn)移系數(shù)和氧轉(zhuǎn)移效率如表1所示。在相同曝氣強度下，氧轉(zhuǎn)移系數(shù)和氧轉(zhuǎn)移效率均隨進水流量的增大而增大；而在相同進水流量時，氧轉(zhuǎn)移系數(shù)和氧轉(zhuǎn)移效率均隨曝氣強度的增大先降低后升高。分析原因，隨著進水流量的增加，即進水流速和動能的增加，上面下來的進水和上升的氣泡之間發(fā)生的撞擊加劇，氣泡被撞碎且不斷往回(向上)移動，部分氣泡甚至形成渦旋使得氣泡停留時間延長，氧傳質(zhì)效率增加；由雙膜理論可知，液膜和氣膜對氣體分子的轉(zhuǎn)移產(chǎn)生動力，氣液之間的撞擊可以減少薄膜的厚度，隨著進水流量和曝氣強度的增加，氣液撞擊加劇進而減少了液膜和氣膜的厚度。但氧氣為微溶氣體，其溶于水的動力主要來自于液膜，而且微孔曝氣軟管的曝氣區(qū)域較長，微量的增加曝氣強度并不能立馬改變曝氣區(qū)域的曝氣量，因此氧傳質(zhì)特性受曝氣強度的影響不及進水流量顯著，甚至隨曝氣流量的增大產(chǎn)生波動。但理論上說，曝氣強度增強是有利于氧傳質(zhì)的，所以PIV測量時選擇曝氣強度為0.750 m3/h。

表1 氧傳質(zhì)特性測定結(jié)果

圖2 曝氣池下部的液相流態(tài)特征Fig.2 Liquid flow state characteristics of the bottom of the aeration tank

2.2 管式曝氣池下部的液相流態(tài)

圖2給出了曝氣池下部區(qū)域在進水流量為0～0.234 m3/h 4種不同流量的工況下，液相速度矢量圖、流線圖和渦量圖。從速度矢量圖可以看出，液相高速區(qū)集中在中心區(qū)域。從流線圖可以看出，隨著進水流量的增加，中心區(qū)域形成較大的渦旋結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為較強的卷吸，且卷吸面積較大。從渦量圖可以看出，進水流量較小時，渦量分布面積不均勻，液相死區(qū)較多；隨著進水流量的增加，渦量面積分布更均勻，進水流量為0.234 m3/h時渦量面積分布達到最佳，液相死區(qū)最少，有利于進水的充分混合，提高容積利用率、廢水處理效率和高濃度進水的稀釋速率[20]。

2.3 管式曝氣池中部的液相流態(tài)

圖3給出了曝氣池中部區(qū)域在進水流量為0～0.234 m3/h 4種不同流量的工況下，液相速度矢量圖、流線圖和渦量圖。從速度矢量圖可以看出，曝氣池隨進水流量的增加，液相高速區(qū)逐漸向左偏移。從流線圖可以看出，4個工況的差別較小，中心區(qū)域均出現(xiàn)渦旋結(jié)構(gòu)。從渦量圖可以看出，隨著進水流量的增加，渦量面積分布更趨均勻，不再呈柱狀結(jié)構(gòu)，說明氣液兩相混合程度良好，有助于減少液相死區(qū)，提高容積利用率、廢水處理效率和高濃度進水的稀釋速率。分析其原因，曝氣池中部區(qū)域為氣泡上升速度最快的區(qū)域，隨著進水流量的增加，此區(qū)域的液相擾流最強。

2.4 曝氣池上部的液相流態(tài)

圖4給出了曝氣池上部區(qū)域在進水流量為0～0.234 m3/h 4種不同流量的工況下，液相速度矢量圖、流線圖和渦量圖。從速度矢量圖可以看出，曝氣池隨進水流量的增加，液相高速區(qū)域位置呈向左遷移的變化特征。從流線圖可以看出，4種工況下均形成較大的渦旋結(jié)構(gòu)，但隨著進水流量的增加渦旋結(jié)構(gòu)變小。從渦量圖可以看出，隨著進水流量的增加，渦量面積分布更加均勻。分析其原因，隨著進水流量增加，氣泡與進水發(fā)生較強的沖擊，大多數(shù)氣泡在曝氣池上部被撞碎或偏移，進水流量為0.234 m3/h時氣液兩相混合程度較好。

綜上，當(dāng)進水流量為0.234 m3/h時，管式曝氣池上中下3個區(qū)域的渦量面積分布最均勻，液相死區(qū)最少，說明此時氣液兩相混合程度最好。因此，本研究中管式曝氣池整體最佳進水流量確定為0.234 m3/h。

圖3 曝氣池中部的液相流態(tài)特征Fig.3 Liquid flow state characteristics of the centre of the aeration tank

圖4 曝氣池上部的液相流態(tài)特征Fig.4 Liquid flow state characteristics of the top of the aeration tank

3 結(jié) 論

(1) 管式曝氣池在相同曝氣強度下，氧轉(zhuǎn)移系數(shù)和氧轉(zhuǎn)移效率均隨著進水流量的增大而逐漸增大；而在相同進水流量時，氧轉(zhuǎn)移系數(shù)和氧轉(zhuǎn)移效率均隨曝氣強度的增大先降低后升高。綜合考慮理論和實際情況，PIV測量時曝氣強度選擇0.750 m3/h。

(2) 當(dāng)進水流量為0.234 m3/h時，管式曝氣池上中下3個區(qū)域的渦量面積分布最均勻，液相死區(qū)最少，說明此時氣液兩相混合程度最好。因此，本研究中管式曝氣池整體最佳進水流量確定為0.234 m3/h。

[1] 金仁村，鄭平，王向東，等．改進型氣升式內(nèi)環(huán)流硝化反應(yīng)器氧傳遞特性的研究[J]．高校化學(xué)工程學(xué)報，2006，20(1)：41-45．

[2] 賈榮暢，劉穎，朱燕，等．微孔曝氣器孔徑與運行氣量對微孔曝氣氧傳質(zhì)的影響研究[J]．環(huán)境污染與防治，2015，37(8)：75-79．

[3] MAVINIC D S，MAHENDRAKER V，HALL K J．Comparison of oxygen transfer parameters determined from steady state oxygen uptake rate and the non-steady-state changing power level methods[J]．Journal of Environmental Engineering，2005，131(5)：692-701．

[4] 劉鵬，鄭祥，王博，等．曝氣系統(tǒng)中水質(zhì)條件對氧傳質(zhì)影響的研究進展[J]．工業(yè)水處理，2014，34(9)：1067-1071．

[5] 李志華，張云姣，何春博，等．改善氣液傳質(zhì)效率實現(xiàn)絲狀菌膨脹污泥控制的方法[J]．環(huán)境工程學(xué)報，2015，9(3)：10-14．

[6] PARK S，YANG H．Flow and oxygen-transfer characteristic in an aeration system using an annular nozzle ejector[J]．Industrial & Engineering Chemistry Research，2013，52(4)：1756-1763．

[7] CHEN X L，LIU G H，F(xiàn)AN H T，et al．Effects of surfactant contamination on oxygen mass transfer in fine bubble aeration process[J]．Korean Journal of Chemical Engineering，2013，30(9)：1741-1746．

[8] TALVY S，COCKX A，LINE A．Modeling hydrodynamics of gas-liquid airlift reactor[J]．AIChE Journal，2007，53(2)：335-353．

[9] BLAZEJ M，CARTLAND G G M，GENERALIS S C，et al．Gas-liquid simulation of an airlift bubble column reactor[J]．Chemical Engineering and Processing:Process Intensification，2004，43(2)：137-144．

[10] JIN Z Y，DONG Q T，YANG Z G．A stereoscopic PIV study of the effect of rime ice on the vortex structures in the wake of a wind turbine[J]．Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2014，134(1)：139-148．

[11] AYATI A A，KOLAAS J，JENSEN A，et al．A PIV investigation of stratified gas-liquid flow in a horizontal pipe[J]．International Journal of Multiphase Flow，2014，61(8)：129-143．

[12] KELLER J，M?LLER G，BOES R M．PIV measurements of air-core intake vortices[J]．Flow Measurement and Instrumentation，2014，40(4)：74-81．

[13] KOSIWCZUK W，CESSOU A，TRINITE M，et al．Simultaneous velocity field measurements in two-phase flows for turbulent mixing of sprays by means of two-phase PIV[J]．Experiments in Fluids，2005，39(5)：895-908．

[14] LIU Z L，ZHENG Y．PIV study of bubble rising behavior[J]．Powder Technology，2006，168(1)：10-20．

[15] 杜向潤，孫楠，王蒙．基于PIV測量技術(shù)的變曝氣量下氣液兩相流速度場研究[J]．水力學(xué)報，2015，46(11)：1371-1377．

[16] 李春麗，田瑞，陶中蘭，等．膜生物反應(yīng)器內(nèi)流場動力學(xué)特性的PIV實驗研究[J]．環(huán)境工程學(xué)報，2013，7(3)：918-924．

[17] PAFFEL M，WILLER C，KOMPENHANS J．Particle image velocimetry：a practical guide[M]．New York：Springer Verlag，1998．

[18] 阮馳，孫傳東，白永林，等．水流場PIV測試系統(tǒng)示蹤粒子特性研究[J]．實驗流體力學(xué)，2006，20(2)：72-77．

[19] 艾恒雨，賈東祥，馬艷華，等．兩種填料曝氣池氧傳質(zhì)特性的比較研究[J]．中國給水排水，2010，26(21)：141-144．

[20] 劉金貴，李瑞杰，曹晶晶．蘇北近海水動力場及污水稀釋擴散的模擬[J]．海洋學(xué)研究，2009，37(3)：8-12．

Effectsofinletflowrateandaerationintensityonliquidflowstateandoxygenmasstransfercharacteristicsoftubularaerationtank

DONGLiang，ZENGTao，LIUShaobei，WANGYong，ZHANGChanglian，HEYu．

(KeyLaboratoryinSichuanCollegesonIndustryProcessEquipmentsandControlEngineering，SichuanUniversityofScience&Engineering，ZigongSichuan643000)

Liquid flow state and oxygen mass transfer characteristics of tubular aeration tank were measured under different inlet flow rate and different aeration intensity using particle image velocimetry (PIV) and dissolved oxygen online tester． Results showed that oxygen transfer coefficient and oxygen transfer efficiency in tubular aeration tank increased with the increase of inlet flow rate when aeration intensity was the same,while those decreased firstly and then increased with the increase of aeration intensity when inlet flow rate was the same． Considering both theoretical and practical conditions，0.750 m3/h was selected as aeration intensity for PIV measurement． When inlet flow rate was 0.234 m3/h,vorticity distribution tended to be the most homogeneous,and liquid dead area tended to be the least for the 3 areas of top,centre and bottom of the tank． That is to say,0.234 m3/h should be selected as the best inlet flow rate since this condition made liquid phase and gas phase mixed adequately．

PIV； tubular aeration tank； oxygen transfer coefficient； oxygen transfer efficiency； liquid flow state； inlet flow rate； aeration intensity

董 亮，男，1987年生，碩士研究生，研究方向為水處理反應(yīng)器的多相流測試與模擬。#

。

*四川省科技支撐計劃項目(No.2014GZ0132)；自貢市科技局重點項目(No.2013X12)；四川理工學(xué)院創(chuàng)新基金資助項目(No.y2016011)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.11.018

2016-09-26)