胡長(zhǎng)英

(中科宇圖科技股份有限公司，北京 100101)

1 引言

溶氧曝氣作為污水好氧生物處理系統(tǒng)的重要工藝組成，對(duì)水處理效果起著重要作用[1,2]，如何提高水體中溶氧量一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)[3]，同時(shí)溶氧曝氣也是受污染河道水質(zhì)凈化的主要方式，而曝氣裝置作為溶氧曝氣工藝的核心，其充氧性能直接影響污水生物處理效果和運(yùn)行能耗。從氧傳質(zhì)的機(jī)理上來講，氣泡直徑越小，氧傳質(zhì)效率越高，其內(nèi)部就會(huì)存在愈大的壓力，因此氣泡在水中的溶解也會(huì)越快速，因此如何生成微納米級(jí)氣泡進(jìn)行曝氣的技術(shù)成為主要的研究方向[4]。本文針對(duì)水處理領(lǐng)域?qū)Ω咝А⒌秃某溲跗貧庋b置的實(shí)際需求，提出了一種高效富氧裝置，對(duì)其進(jìn)行了充氧性能試驗(yàn)，并考察了其改善污染河流水質(zhì)的效果。

2 實(shí)驗(yàn)材料和方法

2.1 高效富氧裝置設(shè)計(jì)與制作

本研究依據(jù)旋轉(zhuǎn)切割破碎氣泡的原理設(shè)計(jì)了如圖1所示的高效富氧裝備，該裝置整體由一個(gè)布?xì)庋b置、一個(gè)液體入口和一個(gè)出口構(gòu)成,外殼為圓柱形，內(nèi)部為氣泡破碎混合系統(tǒng)，材質(zhì)為304不銹鋼。

圖1 高效富氧裝置設(shè)計(jì)示意圖

2.2 高效富氧裝置性能評(píng)價(jià)與表征

為對(duì)高效富氧裝置的溶氧效果進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)加工了一套溶氧能力測(cè)試小試裝置如圖2所示，一定流量的水體進(jìn)入模擬水槽，在水體流動(dòng)方向下游(靠近出水口處)用循環(huán)水泵抽取一定比例的水體輸送至高效富氧裝置，同時(shí)將制氧機(jī)產(chǎn)生的氧氣以一定的氣量進(jìn)入富氧裝置(進(jìn)氣壓力設(shè)置在0.1 MPa)，通過旋轉(zhuǎn)切割混合系統(tǒng)使水氧進(jìn)行混合，并將充氧的水體從上游釋放入模擬水槽，起到水體增氧的作用。

在溶氧能力測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，為了對(duì)比不同工況條件下的溶氧能力，采用清水充氧曝氣，充氧水體為家用自來水。

清水充氧曝氣試驗(yàn)步驟如下：

圖2 高效富氧裝置溶氧性能測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

(1)將清水注入到水槽內(nèi)，當(dāng)清水的體積達(dá)到500 L時(shí)，停止注入。

(2)利用亞硫酸鈉作為還原劑將水池內(nèi)的氧進(jìn)行消除。

(3)將溶氧儀探頭安裝在曝氣池固定位置水桶中部位置，應(yīng)避免氣泡直接經(jīng)過溶氧儀探頭。

(4)測(cè)定并記錄水溫、水中初始溶解氧濃度。

(5)開啟水泵，調(diào)節(jié)閥口將水泵的流量調(diào)至70 L/min(注：在本試驗(yàn)中后續(xù)出現(xiàn)的液體流量均指液體的循環(huán)流量)。

(6)每隔1 s或1 min記錄一次水體中溶解氧濃度值，直至水中溶解氧達(dá)到50 mg/L，試驗(yàn)結(jié)束。通過測(cè)定一定時(shí)間內(nèi)的充氧能力和氧氣利用率來考察裝置的溶氧效果。

2.3 實(shí)驗(yàn)儀器

本實(shí)驗(yàn)中所用到的溶氧效果檢測(cè)儀器及方法如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)儀器

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 高效富氧裝置溶氧性能分析

3.1.1 氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)

氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)是指曝氣裝置在標(biāo)準(zhǔn)條件下，在單位傳質(zhì)推動(dòng)力作用時(shí)，單位時(shí)間向單位體積水中傳遞氧的數(shù)量[5]。其計(jì)算公式如下：

ln(Cs-C)=lnC-KLa·t

(1)

KLas=KLaθ(20-T)

(2)

式(1)、(2)中，KLa為測(cè)試水溫條件下曝氣裝置氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)，min-1，通過繪制ln(Cs-C)-t的關(guān)系曲線[6]，對(duì)ln(Cs-C)-t進(jìn)行線性擬合，求得線性方程斜率的負(fù)值即為值；Cs為水中飽和溶解氧濃度，mg/L；C為與曝氣時(shí)間t相應(yīng)的水中洛解氧濃度；t為曝氣時(shí)間；KLas為標(biāo)準(zhǔn)條件下，曝氣裝置氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)，min-1；T為測(cè)試水溫，℃；θ為溫度修正系數(shù)1.024[6,7]。

在水氣比為35∶1的實(shí)驗(yàn)條件下，用高效富氧裝置對(duì)自來水進(jìn)行充氧實(shí)驗(yàn)，通過記錄不同時(shí)間下水中溶氧濃度值，繪制ln(Cs-C)-t的散點(diǎn)圖如圖3所示,對(duì)圖中的點(diǎn)進(jìn)行線性擬合得到的方程為：

y=-0.95x+3.8333，

其中R2為0.9991，說明曲線擬合度極高，由公式(1)和(2)可求得：

KLa=0.95 L/min，KLas=0.9728 L/min

氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)值的大小表征了氧向水體轉(zhuǎn)移的快慢，KLas值越髙，氧向水體轉(zhuǎn)移的效率越高，達(dá)到溶解氧飽和濃度所用的時(shí)間也越短，反之值越低，氧的轉(zhuǎn)移效率越差，達(dá)到溶解氧飽和溶度所用的時(shí)間越長(zhǎng)。文獻(xiàn)報(bào)道的傳統(tǒng)機(jī)械鼓風(fēng)曝氣的氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)0.098～0.338 L/min[9]之間,本實(shí)驗(yàn)開發(fā)的新型曝氣裝置比傳統(tǒng)的機(jī)械鼓風(fēng)曝氣提升了3～10倍，氧傳質(zhì)效率得到了顯著提高。

圖3 確定KLa值的ln(Cs-C)-t的關(guān)系

3.1.2 氧氣利用率

充氧能力是指曝氣裝置在標(biāo)準(zhǔn)條件下，單位時(shí)間向溶解氧濃度為零的水中傳遞的氧量，計(jì)算公式如下：

(3)

式(3)中，qc為標(biāo)準(zhǔn)條件下曝氣裝置充氧能力，kg/h；KLas為標(biāo)準(zhǔn)條件下，曝氣裝置氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)，min-1；V為測(cè)試水池中水的體積，m3；Cs(20)為水池 ℃水中飽和溶解氧濃度的9.17，mg/L。

氧的利用率ε是評(píng)價(jià)曝氣裝置充氧性能的重要指巧，能夠表示曝氣裝置對(duì)氧氣利用率的高低[6]。曝氣裝畳在標(biāo)準(zhǔn)條件下，傳遞到水中的氧量占曝氣裝置供氧量的百分比。計(jì)算公式如下：

(4)

式(4)中，ε為標(biāo)準(zhǔn)條件下，曝氣裝置氧利用率，%；qc為標(biāo)準(zhǔn)條件下，曝氣裝置充氧能力，kg/h；1.416為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，實(shí)驗(yàn)條件下1 m3氣體中所含氧的重量，kg/m3；q為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下(0.1 Mpa，20 ℃)曝氣裝置通氣量(m3/h)。

(5)

式(5)中，qb為氣體的實(shí)際流量，m3/h；Pb為測(cè)試時(shí)氣體的絕對(duì)壓力，Mpa；Tb為測(cè)試時(shí)氣體的絕對(duì)溫度，(273+T)K；P為0.1 MPa；Ta為絕對(duì)溫度293 K。

由于曝氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)計(jì)量條件與刻度標(biāo)定條件存在差異，qb應(yīng)按下式計(jì)算[8]：

(6)

式(6)中，qbo為測(cè)試時(shí)，轉(zhuǎn)子流量計(jì)的刻度流量，m3/h；Pbo為刻度標(biāo)定時(shí)氣體的絕對(duì)壓力，0.1 MPa；Tbo為刻度標(biāo)定時(shí)氣體的絕對(duì)溫度，293K[6]。

在47∶1的水氣比的實(shí)驗(yàn)條件下，由公式(3)可求得高效富氧裝置的充氧能力qc=0.27 kg/h(實(shí)驗(yàn)中溶氧性能測(cè)試裝置水槽有效容積為0.5 m3。

氧氣利用率的測(cè)定是在qbo=0.12 m3/h，Pb=0.15 MPa，Tb=292 K的條件下進(jìn)行測(cè)定的，由公式(5)和(6)求得曝氣通量q=0.22 m3/h。

qc=0.27 kg/h，q=0.22 m3/h，由公式(4)求得高效富氧裝置氧的利用率ε=85.77%。

通過對(duì)高效富氧裝置的充氧性能表征參數(shù)的分析表明，高效富氧裝置在充氧性能方面表現(xiàn)出較大的優(yōu)勢(shì)，尤其是氧利用率達(dá)到了85.77%，傳統(tǒng)的機(jī)械鼓風(fēng)曝氣的氧利用率一般在18.04%～50.6%[7]，本實(shí)驗(yàn)裝置相比傳統(tǒng)的機(jī)械鼓風(fēng)曝氣提升了近1.7～5倍，氧氣不僅能實(shí)現(xiàn)高效的傳質(zhì)也實(shí)現(xiàn)了高效的利用。

3.2 高效富氧裝置與傳統(tǒng)機(jī)械鼓風(fēng)曝氣裝置的對(duì)比

為了進(jìn)一步考察高效富氧裝置的充氧性能，本研究通過與機(jī)械鼓風(fēng)曝氣裝置進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，比較二者的充氧性能。在與高效富氧裝置相同環(huán)境測(cè)試的條件下，控制氣體的有效流量與高效富氧裝置相同，對(duì)水體進(jìn)行曝氣。圖4為兩裝置水體中溶解氧含量隨時(shí)間變化曲線的對(duì)比圖，從圖中可以看出，在相同的氣體流量下，高效富氧裝置溶解氧能夠達(dá)到的飽和濃度更高，且達(dá)到飽和的時(shí)間也越短。而機(jī)械鼓風(fēng)曝氣裝置水體中的溶解氧含量隨時(shí)間上升的速度比較緩慢。機(jī)械鼓風(fēng)曝氣裝置的飽和溶解氧濃度為24 mg/L，而高效富氧裝置的飽和溶解氧濃度可達(dá)50 mg/L，其飽和溶解氧濃度比機(jī)械鼓風(fēng)曝氣裝置提高了1倍多。新型曝氣裝置在水氣比70∶1的溶氧速率為8.66 mg/(L·min)，傳統(tǒng)鼓風(fēng)曝氣裝置[9]的溶氧速率為0.74 mg/(L·min)，兩者相差11倍。高效富氧裝置的充氧效果要明顯優(yōu)于機(jī)械鼓風(fēng)曝氣裝置。

圖4 高效富氧裝置與機(jī)械鼓風(fēng)曝氣裝置c-t關(guān)系對(duì)比

3.3 高效富氧裝置在改善污染河流水質(zhì)中的應(yīng)用研究

圖5 實(shí)際污水充氧曝氣后水質(zhì)變化情況

高效富氧裝置能夠?qū)⑦M(jìn)入該裝置的懸浮物和大分子有機(jī)物集團(tuán)進(jìn)行切割細(xì)化，通過循環(huán)水體流動(dòng)，是污染物分散均勻，增加微生物、氧氣和污染物的接觸面積，有利于發(fā)揮微生物的活性，且富氧水又能增強(qiáng)微生物的去除能力，從而提高對(duì)污染物的去除能力，同時(shí)強(qiáng)化了硝化細(xì)茵對(duì)氨氮的氧化作用，有利于氨氮的去除。

4 結(jié)論

基于旋轉(zhuǎn)切割氣泡破碎原理設(shè)計(jì)制造了一種高效富氧裝置，使氣液混合物在葉片組件的作用下，形成復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)氣液兩相流，細(xì)化氣泡，擴(kuò)大傳遞界面，均勻氧氣分布，產(chǎn)生二次流等復(fù)雜流動(dòng)狀態(tài)，可有效的提高氧的傳質(zhì)效率。其氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)0.97 L/min，溶氧能力為0.27 kg/h，在水氣比35∶1的實(shí)驗(yàn)條件下下氧氣利用率達(dá)到85.77%，新型高效富氧裝置通過機(jī)械切割和水力剪切作用來提高氧的傳質(zhì)效率，并且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通水流量大、不易堵塞、操作方便等恃點(diǎn)。