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        一種加壓溶氣式微泡發(fā)生器的設計

        2019-05-14 03:16:16
        中國粉體技術 2019年3期
        關鍵詞:氣水微泡水流量

        (上海第二工業(yè)大學材料與環(huán)境工程學院, 上海201209)

        隨著國家對河流黑臭水體治理的重視,微泡法作為一種可以穩(wěn)定提高供氧能力的修復技術[1],在黑臭水體以及城市景觀水體的治理方面有著巨大的優(yōu)勢[2-4]。由于自身的尺度效應,微泡出現(xiàn)沉降等特殊的理化特性,而這些特性能夠極大提升污水處理的能力[5-8],因此,微泡發(fā)生裝置的研究受到人們的廣泛關注,現(xiàn)在已開發(fā)包括射流式、機械攪拌式、微多孔結構等多種微泡發(fā)生裝置[9-12]。

        加壓溶氣氣浮法[13]主要由流量泵、空壓機、耐壓溶氣罐和噴嘴等部分組成。 系統(tǒng)利用空壓機提供固定壓力的壓縮氣體,流量泵控制穩(wěn)定的水流,在高壓溶氣罐內(nèi)形成過飽和溶氣水。當過飽和溶氣水在壓力罐內(nèi)充分混合后,經(jīng)過噴嘴以微泡的形式釋放,為水體內(nèi)的氧化還原反應以及微生物的生長繁殖提供充足的氧源[14]。本文中嘗試研究一種加壓溶氣式微泡發(fā)生器,并通過實驗驗證其可行性,并在此基礎上對各個參數(shù)進行優(yōu)化,找到最佳運行條件。相比同類方法,除了能夠提高供氧能力,縮短處理時間、減小反應器占地面積等方面的優(yōu)勢外[15-16],又不同于傳統(tǒng)方法。本方法結構簡單,采用中位粒徑更小的微泡,作為供氧的主體,可以提高氧氣在水中的停留時間,增加底層含氧量。

        1 實驗

        1.1 儀器與裝置

        實驗測量所用儀器如表1所示,微泡發(fā)生器主要部件如表2所示。

        表1 實驗測量儀器

        表2 微泡發(fā)生器部件

        1.2 實驗設備

        通過管路將空壓機、計量泵和溶氣罐上端的氣液混合噴嘴相連。將空壓機上的另一條管路與溶氣罐的進氣口連接。在罐體出水口安裝噴嘴(用作釋放器)。2條氣路分別通過閥門1和閥門2控制流量,并由流量表1和流量表2讀取具體的數(shù)值;罐體的壓力由壓力表指示;計量泵的流量通過自身所帶流量控制閥控制,如圖1所示。

        圖1 微泡發(fā)生器結構示意圖Fig.1 Structure chart of micro-bubble generator

        實驗使用壓力溶氣罐的內(nèi)徑為100 mm, 總高度為280 mm, 其中, 罐體上端進氣口距主體上端60 mm,下端出水口距主體下端為60 mm,頂端內(nèi)螺紋管高度為40 mm,如圖2所示。

        實驗的主要操作步驟: 1)同時打開計量泵和空壓機的開關; 2)調(diào)節(jié)計量泵上的流量控制閥使水流量達到某個固定值(調(diào)節(jié)范圍為0~20 L/min); 3)打開氣路閥門1, 使空氣和水在罐體頂端的氣液混合噴嘴處混合后流入溶氣罐內(nèi);4)打開閥門2,調(diào)節(jié)壓力值,當系統(tǒng)穩(wěn)定時,觀察壓力表的讀數(shù),得到罐體內(nèi)部的壓力值,同時讀取流量表1和流量表2的氣體流量值,兩者之和(即總氣體流量)與已知的水流量得到氣水體積流量比值;5)氣液混合物通過噴嘴2流入出水桶,采集水樣。

        圖2 壓力溶氣罐尺寸圖Fig.2 Dimensional of pressure tank

        實驗過程中,若空氣流量或壓力發(fā)生變化,調(diào)節(jié)閥門1,使系統(tǒng)的流量和壓力達到穩(wěn)定,記錄流量表1、流量表2和壓力表的值,用移液管從出水桶中采集水樣,用于測量。

        1.3 實驗測定方法

        1.3.1 微泡直徑測定

        采用圖像儀測定水體中微泡尺寸分布。得到微泡的直徑分布、中位徑等參數(shù),如圖3所示。

        圖3 微泡直徑分布圖Fig.3 Distribution of micro-bubble diameter

        實驗中的微泡直徑分布數(shù)據(jù)均為10次取樣拍照,分析得到的平均值,微泡數(shù)目可達到700個。

        1.3.2 微泡體積分數(shù)測定

        運用可見分光光度計測定含微泡水中的透光率?;诠馊⑸浞?,利用百特經(jīng)驗公式計算微泡的體積分數(shù):

        CV=-(3·D·log(I/I0))/(2·L·K),

        (1)

        式中:CV為微泡的體積分數(shù), %;D為中位粒徑, μm;I/I0為光透過率;L為光程長度, μm;K為消光系數(shù), 與折射率、 波長、 粒徑相關, 通常大于2 μm,K取值為2.0。

        1.3.3 溶解氧測定

        采用多功能水質(zhì)測定儀測量溶解氧隨時間的變化。

        1.4 實驗目的

        實驗通過改變氣水比、壓力、水流量等參數(shù),探究各參數(shù)對微泡尺寸分布、體積分數(shù)和溶解氧的影響。實驗還探討了液面位置以及表面活性劑對微泡參數(shù)的影響,探尋實驗裝置的最佳運行條件。

        2 結果與討論

        2.1 氣水比對微泡中位徑的影響

        在P=0.7 MPa,QL=20 L/min的條件下,調(diào)整氣體流速,使氣水體積比(以下簡稱氣水比)分別為0.5 ∶1、 1 ∶1、1.5 ∶1、2 ∶1、 2.5 ∶1、 3 ∶1、 4 ∶1、 5 ∶1共8組, 然后,在不同氣水比條件下,測得微泡的中位徑值,得到中位徑隨氣水比的變化,見圖4。

        圖4 不同氣水體積比微泡的中位徑Fig.4 Medium size of micro-bubbles with different gas-water ratios

        由圖4可以看出,氣水比對微泡中位徑大小的影響明顯。氣水比在0.5 ∶1~1.5 ∶1區(qū)間內(nèi),隨著氣水比的增加,微泡的中位徑減??;在1.5 ∶1~5 ∶1區(qū)間內(nèi),隨著氣水比的增大,其中位徑增大。因此實驗的最佳的氣水比為1.5 ∶1。

        2.2 壓力對微泡中位徑的影響

        在氣水比為1.5 ∶1,QL=20 L/min條件下,分別調(diào)整罐體壓力從0.3~1.2 MPa,并測定微泡中位徑值。得到中位徑隨壓力的變化,見圖5。

        圖5 不同壓力微泡的中位徑Fig.5 Medium size of micro-bubbles under different pressure

        由圖5可以看出,在0.6 MPa以下,中位徑較小,而在壓力大于0.7 MPa時,微泡的中位徑出現(xiàn)突然增大,常規(guī)情況下壓力增大微泡的中位徑應當減小,這里出現(xiàn)在高壓區(qū)的反?,F(xiàn)象,考慮可能是由于罐體較小,當壓力過高時,罐體內(nèi)液面位置較低,導致微泡中位徑出現(xiàn)反常現(xiàn)象,由于在P=0.3 MPa條件下, 出水流速過小, 生成微泡的數(shù)量較少; 而P=0.6 MPa壓力過高,增加能耗。因此P=0.4 MPa為實驗最佳壓力值。

        2.3 水流量對微泡中位徑的影響

        在P=0.7 MPa,氣水比為1.5 ∶1的條件下。調(diào)整罐體中水流量為5、 10、 15、 18、 20 L/min共5組,測得微泡的中粒徑,得到中位徑隨水流量的變化,見圖6。

        圖6 不同水流量下微泡的中位徑Fig.6 Medium size of micro-bubbles at different water flow rates

        從圖6中看出,在氣水比和壓力一定的情況下,微泡的中位徑隨著水流量的增加而減小。在水流量為20 L/min為時出現(xiàn)最小值。因此實驗最佳的水流量為20 L/min。

        2.4 液面位置對微泡中位徑的影響

        將罐體從下至上平均分為4個區(qū)域(分別用1區(qū)、2區(qū)、3區(qū)、4區(qū)表示,其中1區(qū)為最低液位,4區(qū)為最高液位)在P=0.4MPa,QL=20 L/min,氣水比為1.5 ∶1的條件下,測得微泡的中位徑,得到中位徑隨液面位置的變化,見圖7。

        圖7 液位對微泡中位徑的影響Fig.7 Effect of liquid level on the median size of micro-bubbles

        從圖7中可以看出,隨著液面位置的不斷升高,微泡的中位徑越來越小,其中的原因可能與系統(tǒng)的穩(wěn)定性有關,當液位在3、4區(qū)時,罐內(nèi)的壓力可以在較長的時間內(nèi)保持穩(wěn)定,而當液位在1、2區(qū)時,罐體內(nèi)部壓力不平衡,使得氣液飽和液在釋放的過程中不能很好地保持穩(wěn)定的狀態(tài),從而使微泡的中位徑增大??紤]到液位在4區(qū)時罐內(nèi)預留空間過小,長時間運行可能影響到氣水混合的效果,因此,選用3區(qū)作為設備的最佳運行液面位置。

        2.5 表面活性劑對微泡中位徑的影響

        在P=0.4 MPa,QL=20 L/min,氣水比為1.5 ∶1,液位面在3區(qū)的實驗條件下, 向20 L水中投加不同的表面活性劑包括十二烷基硫酸鈉(SDS)、 月桂酸鈉(SD), 投加的質(zhì)量濃度分別為0、 0.01、 0.025、 0.05 g/L測得微泡的中位徑, 得到表面活性劑對中位徑的影響,見圖8。

        圖8中兩條線分別表示投加不同濃度SD、SDS得到的微泡中位徑的曲線,對比未投加的空白組可以看出,投加SD的微泡的中位徑增大,原因可能是SD在水中溶解后會出現(xiàn)白色渾濁,當投加質(zhì)量濃度超過0.025 g/L時,水體渾濁度逐漸增大,對中位徑的檢測造成干擾,固此在SD投加量為0.05 g/L時,未能得到可靠的中位徑結果。投加了SDS的微泡的中位徑,投加濃度0~0.025 g/L時,隨著SDS投加濃度的增大,微泡的中位徑出現(xiàn)減小,并在0.025 g/L出現(xiàn)最小值。對于SDS而言, 適量的SDS可以有效的降低水的表面張力, 增加微泡水量, 減小微泡的中位徑, 而過高的濃度會產(chǎn)生大量的泡沫, 使液面上層出現(xiàn)很厚的泡沫層, 嚴重影響對于下層微泡中位徑的測定, 因此, 表面活性劑對于中位徑的影響, 在低濃度時有促進其中位徑減小的作用, 高濃度時則使得微泡的中位徑變大。因此,SDS的最適投加濃度為0.025 g/L。

        圖8 表面活性劑對微泡中位徑的影響Fig.8 Effect of surfactants on median size of micro-bubbles

        2.6 微泡中位徑對溶解氧的影響

        在P=0.4 MPa,QL=20 L/min, 氣水比為1.5 ∶1, 液位面在3區(qū)的條件下分別測得通氣1 h后空白組和添加0.025 g/L SDS兩組的溶解氧衰減值, 其中, 測得的水體的基礎溶解氧質(zhì)量濃度為5.0 mg/L。 見圖9。

        圖9 微泡中位粒徑對溶解氧的影響Fig.9 Effect of median size of micro-bubbles on dissolved oxygen

        根據(jù)測得數(shù)據(jù), 空白組的中位徑為34.65 μm,添加SDS的數(shù)據(jù)為26.68 μm,實驗開始時,中位徑為34.65 μm,測得的溶解氧質(zhì)量濃度為10.2 mg/L; 中位徑為26.68 μm, 測得的溶解氧的質(zhì)量濃度為11.1 mg/L。從所得數(shù)據(jù)可以看出,中位粒徑值越小得到的溶解氧濃度越高。

        2.7 表面活性劑對微泡的影響

        在P=0.4 MPa,QL=20 L/min,氣水比為1.5 ∶1,液位面在3區(qū)的條件下,分別測得空白組和添加0.025 g/L SDS組的吸光度值, 得到表面活性劑對吸光度的影響,見圖10。根據(jù)公式,帶入吸光度數(shù)據(jù)后得到微泡水的體積分數(shù)。得到表面活性劑對微泡水體積分數(shù)的影響,見圖11。

        圖10 表面活性劑對吸光度的影響Fig.10 Effect of surfactant on absorbance

        圖11 表面活性劑對體積分數(shù)的影響Fig.11 Effect of surfactant on volume fraction

        由圖10可以看出, 在投加了表面活性劑后, 吸光度有明顯的增大, 即微泡的數(shù)量有所增加。 從圖11中可以看出, 實驗開始時添加了SDS組微泡水的體積分數(shù)對比空白組的增加了近一倍, 從隨時間的變化上看, SDS組體積分數(shù)總能維持在空白組的上方。

        3 結論

        1)設計一種加壓式微泡發(fā)生器,能制備出尺寸細小、氧溶解量高的微泡。

        2)在P=0.4 MPa,QL=20 L/min,氣水比為1.5 ∶1,液位面在3區(qū)的條件下能夠最優(yōu)化運行,制備的微泡的中位徑在34.65 μm,添加表面活性劑SDS后,中位徑可減小到26.68 μm。

        3)溶解氧值在直接曝氣后可以達到10.2 mg/L,添加SDS后可將溶解氧質(zhì)量濃度提升到11.1 mg/L,是空白水樣的2.2倍。

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