微孔曝氣充氧性能的影響因素研究

在污水處理系統(tǒng)中，曝氣過程占整個污水處理廠能耗的45%~75%〔1〕。為了提高曝氣過程中的氧轉移效率，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，其曝氣過程的氧利用率也在20%~30%。另外，我國已經(jīng)有較多地區(qū)采用微孔曝氣技術對受污染河道進行治理，但如何針對不同水域情況合理選用微孔曝氣器，目前尚無這方面的研究。因此，優(yōu)化微孔曝氣器的充氧性能參數(shù)對于實際生產(chǎn)和應用具有重要的指導意義。

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〔2〕。目前國內(nèi)外對微孔曝氣器充氧性能與孔徑、安裝水深的關系研究較少。而已有的研究較多關注氧總傳質(zhì)系數(shù)和充氧能力的提高，較為忽視曝氣過程中的 能耗問題〔3, 4〕。筆者以理論動力效率為主要研究指標，結合充氧能力和氧利用率的變化趨勢，初步優(yōu)化出曝氣效率最高時的曝氣量、孔徑和安裝水深等參數(shù)，為微孔曝氣技術在實際工程中的應用提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗裝置

試驗裝置材質(zhì)為有機玻璃，主體為1個D 0.4 m×2 m的圓柱形曝氣池，溶解氧探頭位于水面下0.5 m處(如圖 1所示)。

 圖 1 曝氣充氧試驗裝置

1.2 試驗材料

微孔曝氣器，橡膠膜材質(zhì)，直徑215 mm，孔徑50、100、200、500、1 000 μm。sension378臺式溶解氧測定儀，美國HACH公司。氣體轉子流量計，量程0~3 m3/h，精度±0.2%。HC-S鼓風機，江蘇恒晟機泵設備制造廠。催化劑：CoCl2·6H2O，分析純;脫氧劑：Na2SO3，分析純。

1.3 試驗方法

試驗采用靜態(tài)非穩(wěn)態(tài)法，即測試時先投加Na2SO3和CoCl2·6H2O進行脫氧，當水中溶解氧降至0后開始曝氣，記錄水中溶解氧濃度隨時間的變化，計算KLa值。分別對不同曝氣量(0.5、1、1.5、2、2.5、3 m3/h)、不同孔徑(50、100、200、500、1 000 μm)以及不同水深(0.8、1.1、1.3、1.5、1.8、2.0 m)條件下的充氧性能進行測試，同時參考CJ/T 3015.2—1993《曝氣器清水充氧性能測定》〔5〕和美國清水充氧測試標準〔6〕。

2 結果和討論 
2.1 試驗原理

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

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

KLa——測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時刻水中的溶解氧，mg/L。

若測試溫度不在20 ℃，可采用式(2)對KLa進行修正：

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——標準狀態(tài)下曝氣量，m3/h。

理論動力效率〔E，kg/(kW·h)〕由式(5)表示。

式中：P——曝氣設備功率，kW。

常用的評價曝氣器充氧性能的指標有氧總傳質(zhì)系數(shù)KLa、充氧能力OC、氧利用率SOTE和理論動力效率E〔7〕。已有的研究較多關注于氧總傳質(zhì)系數(shù)、充氧能力和氧利用率的變化趨勢，對理論動力效率的研究較少〔8, 9〕。理論動力效率作為唯一的效能指標〔10〕，能夠反映出曝氣過程中的能耗問題，是本試驗關注的重點。

2.2 曝氣量對充氧性能的影響

試驗采用孔徑200 μm曝氣器底部2 m處曝氣的方式對不同曝氣量下的充氧性能進行評估，結果見圖 2。

 圖 2 K_La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。主要是因為曝氣量越大，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，本試驗也發(fā)現(xiàn)了類似情況。這是因為在一定水深下，曝氣量較小時增加了氣泡在水中的停留時間，氣液接觸時間延長;曝氣量較大時對水體擾動較強，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。本試驗得出的氧利用率與文獻相比不高，可能是反應器高度不夠，大量氧氣未與水體接觸便逸出，降低了氧利用率。

理論動力效率(E)隨曝氣量的變化情況見圖 3。

 圖 3 理論動力效率與曝氣量的關系

由圖 3可知，理論動力效率隨曝氣量的增加逐漸降低。這是因為在一定水深條件下，隨著曝氣量的增加，標準氧轉移速率增加，但鼓風機消耗的有用功增加量比標準氧轉移速率的增加量更顯著，因此在試驗考察的曝氣量范圍內(nèi)，理論動力效率隨曝氣量的增加而減小。結合圖 2和圖 3的變化趨勢，可以發(fā)現(xiàn)曝氣量為0.5 m3/h時的充氧性能最佳。

2.3 孔徑對充氧性能的影響

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

 圖 4 KLa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，50 μm孔徑曝氣器的KLa約是1 000 μm孔徑曝氣器的3倍。因此當曝氣器安裝水深一定時，孔徑越小的曝氣器充氧能力和氧利用率越大。

理論動力效率隨孔徑的變化情況見圖 5。

 圖 5 理論動力效率與孔徑的關系

由圖 5可知，理論動力效率隨孔徑的增加呈先增大后減小的趨勢。這是因為一方面小孔徑曝氣器具有較大的KLa和充氧能力，有利于充氧的進行。另一方面，一定水深下阻力損失隨孔徑的減小而增大〔12〕。當孔徑減小對阻力損失的促進作用大于氧傳質(zhì)作用時，理論動力效率就會隨孔徑的減小而降低。因此孔徑較小時理論動力效率會隨孔徑增大而增大，并于孔徑200 μm處達到最大值1.91 kg/(kW·h);當孔徑>200 μm時，阻力損失在曝氣過程中不再起主導作用，KLa和充氧能力會隨著曝氣器孔徑的增加而減小，因而理論動力效率呈明顯下降趨勢。

2.4 安裝水深對充氧性能的影響

曝氣器的安裝水深對曝氣充氧效果有十分顯著的影響。試驗研究目標是2 m以下的淺水河道。已有的研究主要關注曝氣器的浸沒水深(即曝氣器安裝于池底部，通過增加水量的方式來增加水深)，試驗主要針對曝氣器的安裝水深(即水池的水量保持不變，通過調(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圖 6。

 圖 6 K_La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，KLa在水深0.8 m處和水深2 m處相差4倍多。這是因為水深越大，氣泡在水體中的停留時間越長，氣液接觸時間就越長，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阻力損失也會增加，為了克服阻力損失，就必須增加曝氣量，這勢必會導致能耗和運行成本的增加。因此，為了得到最佳安裝水深，有必要對理論動力效率與水深的關系進行評估，見表 1。

表 1顯示，安裝水深為0.8 m時理論動力效率極低，只有0.5 kg/(kW·h)，因此不宜采用淺水曝氣。安裝水深為1.1~1.5 m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，因此理論動力效率快速增加。隨著水深進一步增加到1.8 m，阻力損失對充氧性能的影響越來越大，導致理論動力效率的增長趨于平緩，但依舊呈現(xiàn)增加趨勢，且于安裝水深為2 m時，理論動力效率達到最大1.97 kg/(kW·h)。因此，對于 < 2 m的河道，為使充氧性能最佳，宜采用底部曝氣的方式。具體參見http://www.dowater.com更多相關技術文檔。

3 結論

利用靜態(tài)非穩(wěn)態(tài)法進行微孔曝氣清水充氧試驗，在試驗水深(< 2 m)和孔徑(50~1 000 μm)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0.5 m3/h增加到3 m3/h的過程中，氧總傳質(zhì)系數(shù)和充氧能力逐漸增大，氧利用率減小。

理論動力效率是唯一的效能指標。在試驗條件下，理論動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到最佳，一般情況下，水深越大選用的曝氣器孔徑越大。

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

(來源：《工業(yè)水處理》雜志)