在污水處理系統(tǒng)中，曝氣過(guò)程占整個(gè)污水處理廠能耗的45%~75%。為了提高曝氣過(guò)程中的氧轉(zhuǎn)移效率，目前污水處理廠普遍采用微孔曝氣系統(tǒng)。與大中氣泡的曝氣系統(tǒng)相比，微孔曝氣系統(tǒng)能節(jié)約50%左右的能耗。

盡管如此，其曝氣過(guò)程的氧利用率也在20%~30%。另外，我國(guó)已經(jīng)有較多地區(qū)采用微孔曝氣技術(shù)對(duì)受污染河道進(jìn)行治理，但如何針對(duì)不同水域情況合理選用微孔曝氣器，目前尚無(wú)這方面的研究。

因此，優(yōu)化微孔曝氣器的充氧性能參數(shù)對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。影響微孔曝氣充氧性能的因素很多，最主要的有曝氣量、孔徑和安裝水深。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)微孔曝氣器充氧性能與孔徑、安裝水深的關(guān)系研究較少。而已有的研究較多關(guān)注氧總傳質(zhì)系數(shù)和充氧能力的提高，較為忽視曝氣過(guò)程中的能耗問(wèn)題。筆者以理論動(dòng)力效率為主要研究指標(biāo)，結(jié)合充氧能力和氧利用率的變化趨勢(shì)，初步優(yōu)化出曝氣效率最高時(shí)的曝氣量、孔徑和安裝水深等參數(shù)，為微孔曝氣技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供參考。

1材料和方法

1.1試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置材質(zhì)為有機(jī)玻璃，主體為1個(gè)D0.4m×2m的圓柱形曝氣池，溶解氧探頭位于水面下0.5m處(如圖1所示)。

圖1曝氣充氧試驗(yàn)裝置

1.2試驗(yàn)材料

微孔曝氣器，橡膠膜材質(zhì)，直徑215mm，孔徑50、100、200、500、1000μm。sension378臺(tái)式溶解氧測(cè)定儀，美國(guó)HACH公司。氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)，量程0~3m3/h，精度±0.2%。HC-S鼓風(fēng)機(jī)，江蘇恒晟機(jī)泵設(shè)備制造廠。催化劑：CoCl2˙6H2O，分析純;脫氧劑：Na2SO3，分析純。

1.3試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用靜態(tài)非穩(wěn)態(tài)法，即測(cè)試時(shí)先投加Na2SO3和CoCl2˙6H2O進(jìn)行脫氧，當(dāng)水中溶解氧降至0后開(kāi)始曝氣，記錄水中溶解氧濃度隨時(shí)間的變化，計(jì)算KLa值。分別對(duì)不同曝氣量(0.5、1、1.5、2、2.5、3m3/h)、不同孔徑(50、100、200、500、1000μm)以及不同水深(0.8、1.1、1.3、1.5、1.8、2.0m)條件下的充氧性能進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)參考CJ/T3015.2—1993《曝氣器清水充氧性能測(cè)定》〔5〕和美國(guó)清水充氧測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)〔6〕。

2結(jié)果和討論

2.1試驗(yàn)原理

試驗(yàn)基本原理依據(jù)1923年Whitman提出的雙膜理論。氧的傳質(zhì)過(guò)程可用式(1)表示。

式中：dc/dt——傳質(zhì)速率，即單位時(shí)間內(nèi)單位容積水中所傳遞的氧氣量，mg/(L˙s);

KLa——測(cè)試條件下曝氣器的氧總傳質(zhì)系數(shù)，min-1;

C*——水中飽和溶解氧，mg/L;

Ct——曝氣t時(shí)刻水中的溶解氧，mg/L。

若測(cè)試溫度不在20℃，可采用式(2)對(duì)KLa進(jìn)行修正：

充氧能力(OC，kg/h)由式(3)表示。

式中：V——曝氣池體積，m3。

氧利用率(SOTE，%)由式(4)表示。

式中：q——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下曝氣量，m3/h。

理論動(dòng)力效率〔E，kg/(kW˙h)〕由式(5)表示。

式中：P——曝氣設(shè)備功率，kW。

常用的評(píng)價(jià)曝氣器充氧性能的指標(biāo)有氧總傳質(zhì)系數(shù)KLa、充氧能力OC、氧利用率SOTE和理論動(dòng)力效率E〔7〕。已有的研究較多關(guān)注于氧總傳質(zhì)系數(shù)、充氧能力和氧利用率的變化趨勢(shì)，對(duì)理論動(dòng)力效率的研究較少〔8,9〕。理論動(dòng)力效率作為唯一的效能指標(biāo)〔10〕，能夠反映出曝氣過(guò)程中的能耗問(wèn)題，是本試驗(yàn)關(guān)注的重點(diǎn)。

2.2曝氣量對(duì)充氧性能的影響

試驗(yàn)采用孔徑200μm曝氣器底部2m處曝氣的方式對(duì)不同曝氣量下的充氧性能進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2KLa及氧利用率隨曝氣量的變化情況

由圖2可知，KLa隨曝氣量的增加而逐漸增大。主要是因?yàn)槠貧饬吭酱?，氣液接觸面積增大，充氧效率提高。另一方面，有研究者發(fā)現(xiàn)氧利用率隨曝氣量的增加而減小，本試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)了類似情況。這是因?yàn)樵谝欢ㄋ钕?，曝氣量較小時(shí)增加了氣泡在水中的停留時(shí)間，氣液接觸時(shí)間延長(zhǎng);曝氣量較大時(shí)對(duì)水體擾動(dòng)較強(qiáng)，大部分氧氣未有效利用，最終以氣泡形式從水面釋放到空氣中。本試驗(yàn)得出的氧利用率與文獻(xiàn)相比不高，可能是反應(yīng)器高度不夠，大量氧氣未與水體接觸便逸出，降低了氧利用率。

理論動(dòng)力效率(E)隨曝氣量的變化情況見(jiàn)圖3。

圖3理論動(dòng)力效率與曝氣量的關(guān)系

由圖3可知，理論動(dòng)力效率隨曝氣量的增加逐漸降低。這是因?yàn)樵谝欢ㄋ顥l件下，隨著曝氣量的增加，標(biāo)準(zhǔn)氧轉(zhuǎn)移速率增加，但鼓風(fēng)機(jī)消耗的有用功增加量比標(biāo)準(zhǔn)氧轉(zhuǎn)移速率的增加量更顯著，因此在試驗(yàn)考察的曝氣量范圍內(nèi)，理論動(dòng)力效率隨曝氣量的增加而減小。結(jié)合圖2和圖3的變化趨勢(shì)，可以發(fā)現(xiàn)曝氣量為0.5m3/h時(shí)的充氧性能最佳。

2.3孔徑對(duì)充氧性能的影響

孔徑對(duì)氣泡的形成有很大影響，孔徑越大，氣泡的尺寸越大〔11〕。氣泡對(duì)充氧性能的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是單個(gè)氣泡越小，整體氣泡的比表面積越大，氣液間傳質(zhì)接觸面積越大，越有利于氧氣的轉(zhuǎn)移;二是氣泡越大，對(duì)水體的攪動(dòng)作用越強(qiáng)，氣液之間混合越快，充氧效果越好。往往第一點(diǎn)在傳質(zhì)過(guò)程中起主要作用。試驗(yàn)將曝氣量設(shè)定為0.5m3/h，考察孔徑對(duì)KLa和氧利用率的影響，見(jiàn)圖4。

圖4KLa和氧利用率隨孔徑的變化曲線

由圖4可知，KLa和氧利用率均隨孔徑的增加而減小。相同的水深和曝氣量條件下，50μm孔徑曝氣器的KLa約是1000μm孔徑曝氣器的3倍。因此當(dāng)曝氣器安裝水深一定時(shí)，孔徑越小的曝氣器充氧能力和氧利用率越大。

理論動(dòng)力效率隨孔徑的變化情況見(jiàn)圖5。

圖5理論動(dòng)力效率與孔徑的關(guān)系

由圖5可知，理論動(dòng)力效率隨孔徑的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)。這是因?yàn)橐环矫嫘】讖?a target="_blank" title="曝氣新聞專題">曝氣器具有較大的KLa和充氧能力，有利于充氧的進(jìn)行。另一方面，一定水深下阻力損失隨孔徑的減小而增大。當(dāng)孔徑減小對(duì)阻力損失的促進(jìn)作用大于氧傳質(zhì)作用時(shí)，理論動(dòng)力效率就會(huì)隨孔徑的減小而降低。因此孔徑較小時(shí)理論動(dòng)力效率會(huì)隨孔徑增大而增大，并于孔徑200μm處達(dá)到最大值1.91kg/(kW˙h);當(dāng)孔徑>200μm時(shí)，阻力損失在曝氣過(guò)程中不再起主導(dǎo)作用，KLa和充氧能力會(huì)隨著曝氣器孔徑的增加而減小，因而理論動(dòng)力效率呈明顯下降趨勢(shì)。

2.4安裝水深對(duì)充氧性能的影響

曝氣器的安裝水深對(duì)曝氣充氧效果有十分顯著的影響。試驗(yàn)研究目標(biāo)是2m以下的淺水河道。已有的研究主要關(guān)注曝氣器的浸沒(méi)水深(即曝氣器安裝于池底部，通過(guò)增加水量的方式來(lái)增加水深)，試驗(yàn)主要針對(duì)曝氣器的安裝水深(即水池的水量保持不變，通過(guò)調(diào)節(jié)曝氣器的安裝高度找到曝氣效果最佳的水深)，KLa和氧利用率隨水深的變化情況見(jiàn)圖6。

圖6KLa和氧利用率隨水深的變化曲線

圖6表明，隨著水深的增加，KLa和氧利用率均呈明顯的增大趨勢(shì)，KLa在水深0.8m處和水深2m處相差4倍多。這是因?yàn)樗钤酱?，氣泡在水體中的停留時(shí)間越長(zhǎng)，氣液接觸時(shí)間就越長(zhǎng)，氧傳質(zhì)效果越好。

因此，曝氣器安裝越深越有利于充氧能力和氧利用率的提高。但安裝水深增加的同時(shí)阻力損失也會(huì)增加，為了克服阻力損失，就必須增加曝氣量，這勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致能耗和運(yùn)行成本的增加。因此，為了得到最佳安裝水深，有必要對(duì)理論動(dòng)力效率與水深的關(guān)系進(jìn)行評(píng)估，見(jiàn)表1。

表1顯示，安裝水深為0.8m時(shí)理論動(dòng)力效率極低，只有0.5kg/(kW˙h)，因此不宜采用淺水曝氣。安裝水深為1.1~1.5m范圍內(nèi)，由于充氧能力顯著增加，而曝氣器所受到的阻力作用效果不明顯，因此理論動(dòng)力效率快速增加。隨著水深進(jìn)一步增加到1.8m，阻力損失對(duì)充氧性能的影響越來(lái)越大，導(dǎo)致理論動(dòng)力效率的增長(zhǎng)趨于平緩，但依舊呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，且于安裝水深為2m時(shí)，理論動(dòng)力效率達(dá)到最大1.97kg/(kW˙h)。因此，對(duì)于<2m的河道，為使充氧性能最佳，宜采用底部曝氣的方式。

3結(jié)論

利用靜態(tài)非穩(wěn)態(tài)法進(jìn)行微孔曝氣清水充氧試驗(yàn)，在試驗(yàn)水深(<2m)和孔徑(50~1000μm)條件下，氧總傳質(zhì)系數(shù)KLa和氧利用率隨安裝水深的增大而增大;隨孔徑的增大而減小。在曝氣量從0.5m3/h增加到3m3/h的過(guò)程中，氧總傳質(zhì)系數(shù)和充氧能力逐漸增大，氧利用率減小。

理論動(dòng)力效率是唯一的效能指標(biāo)。在試驗(yàn)條件下，理論動(dòng)力效率隨曝氣量和安裝水深的增加而增大，隨孔徑的增加先增大后減小。安裝水深和孔徑要合理組合才能使充氧性能達(dá)到最佳，一般情況下，水深越大選用的曝氣器孔徑越大。

試驗(yàn)結(jié)果表明不宜采用淺水曝氣。在安裝水深為2m處，采用0.5m3/h的曝氣量和200μm孔徑的曝氣器可以使理論動(dòng)力效率達(dá)到最大值1.97kg/(kW˙h)。

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