微孔曝气充氧性能的影响因素研究

Posted 2023-01-14 水深

篇首语：智者的智慧是一种不平常的常识。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了微孔曝气充氧性能的影响因素研究相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

　　在污水处理系统中，曝气过程占整个污水处理厂能耗的45%～75%〔1〕。为了提高曝气过程中的氧转移效率，目前污水处理厂普遍采用微孔曝气系统。与大中气泡的曝气系统相比，微孔曝气系统能节约50%左右的能耗。尽管如此，其曝气过程的氧利用率也在20%～30%。另外，我国已经有较多地区采用微孔曝气技术对受污染河道进行治理，但如何针对不同水域情况合理选用微孔曝气器，目前尚无这方面的研究。因此，优化微孔曝气器的充氧性能参数对于实际生产和应用具有重要的指导意义。

　　影响微孔曝气充氧性能的因素很多，最主要的有曝气量、孔径和安装水深〔2〕。目前国内外对微孔曝气器充氧性能与孔径、安装水深的关系研究较少。而已有的研究较多关注氧总传质系数和充氧能力的提高，较为忽视曝气过程中的能耗问题〔3, 4〕。笔者以理论动力效率为主要研究指标，结合充氧能力和氧利用率的变化趋势，初步优化出曝气效率最高时的曝气量、孔径和安装水深等参数，为微孔曝气技术在实际工程中的应用提供参考。

　　1 材料和方法

　　1.1 试验装置

　　试验装置材质为有机玻璃，主体为1个D 0.4 m×2 m的圆柱形曝气池，溶解氧探头位于水面下0.5 m处(如图 1所示)。

图 1 曝气充氧试验装置

　　1.2 试验材料

　　微孔曝气器，橡胶膜材质，直径215 mm，孔径50、100、200、500、1 000 μm。sension378台式溶解氧测定仪，美国HACH公司。气体转子流量计，量程0～3 m3/h，精度±0.2%。HC-S鼓风机，江苏恒晟机泵设备制造厂。催化剂：CoCl2·6H2O，分析纯;脱氧剂：Na2SO3，分析纯。

　　1.3 试验方法

　　试验采用静态非稳态法，即测试时先投加Na2SO3和CoCl2·6H2O进行脱氧，当水中溶解氧降至0后开始曝气，记录水中溶解氧浓度随时间的变化，计算KLa值。分别对不同曝气量(0.5、1、1.5、2、2.5、3 m3/h)、不同孔径(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)条件下的充氧性能进行测试，同时参考CJ/T 3015.2—1993《曝气器清水充氧性能测定》〔5〕和美国清水充氧测试标准〔6〕。

　　2 结果和讨论

　　2.1 试验原理

　　试验基本原理依据1923年Whitman提出的双膜理论。氧的传质过程可用式(1)表示。

　　式中：dc/dt——传质速率，即单位时间内单位容积水中所传递的氧气量，mg/(L·s);

　　KLa——测试条件下曝气器的氧总传质系数，min-1;

　　C*——水中饱和溶解氧，mg/L;

　　Ct——曝气t时刻水中的溶解氧，mg/L。

　　若测试温度不在20 ℃，可采用式(2)对KLa进行修正：

　　充氧能力(OC，kg/h)由式(3)表示。

　　式中：V——曝气池体积，m3。

　　氧利用率(SOTE，%)由式(4)表示。

　　式中：q——标准状态下曝气量，m3/h。

　　理论动力效率〔E，kg/(kW·h)〕由式(5)表示。

　　式中：P——曝气设备功率，kW。

　　常用的评价曝气器充氧性能的指标有氧总传质系数KLa、充氧能力OC、氧利用率SOTE和理论动力效率E〔7〕。已有的研究较多关注于氧总传质系数、充氧能力和氧利用率的变化趋势，对理论动力效率的研究较少〔8, 9〕。理论动力效率作为唯一的效能指标〔10〕，能够反映出曝气过程中的能耗问题，是本试验关注的重点。

　　2.2 曝气量对充氧性能的影响

　　试验采用孔径200 μm曝气器底部2 m处曝气的方式对不同曝气量下的充氧性能进行评估，结果见图 2。

图 2 K_La及氧利用率随曝气量的变化情况

　　由图 2可知，KLa随曝气量的增加而逐渐增大。主要是因为曝气量越大，气液接触面积增大，充氧效率提高。另一方面，有研究者发现氧利用率随曝气量的增加而减小，本试验也发现了类似情况。这是因为在一定水深下，曝气量较小时增加了气泡在水中的停留时间，气液接触时间延长;曝气量较大时对水体扰动较强，大部分氧气未有效利用，最终以气泡形式从水面释放到空气中。本试验得出的氧利用率与文献相比不高，可能是反应器高度不够，大量氧气未与水体接触便逸出，降低了氧利用率。

　　理论动力效率(E)随曝气量的变化情况见图 3。

图 3 理论动力效率与曝气量的关系

　　由图 3可知，理论动力效率随曝气量的增加逐渐降低。这是因为在一定水深条件下，随着曝气量的增加，标准氧转移速率增加，但鼓风机消耗的有用功增加量比标准氧转移速率的增加量更显著，因此在试验考察的曝气量范围内，理论动力效率随曝气量的增加而减小。结合图 2和图 3的变化趋势，可以发现曝气量为0.5 m3/h时的充氧性能最佳。

　　2.3 孔径对充氧性能的影响

　　孔径对气泡的形成有很大影响，孔径越大，气泡的尺寸越大〔11〕。气泡对充氧性能的影响主要表现在两个方面：一是单个气泡越小，整体气泡的比表面积越大，气液间传质接触面积越大，越有利于氧气的转移;二是气泡越大，对水体的搅动作用越强，气液之间混合越快，充氧效果越好。往往第一点在传质过程中起主要作用。试验将曝气量设定为0.5 m3/h，考察孔径对KLa和氧利用率的影响，见图 4。

图 4 KLa和氧利用率随孔径的变化曲线

　　由图 4可知，KLa和氧利用率均随孔径的增加而减小。相同的水深和曝气量条件下，50 μm孔径曝气器的KLa约是1 000 μm孔径曝气器的3倍。因此当曝气器安装水深一定时，孔径越小的曝气器充氧能力和氧利用率越大。

　　理论动力效率随孔径的变化情况见图 5。

图 5 理论动力效率与孔径的关系

　　由图 5可知，理论动力效率随孔径的增加呈先增大后减小的趋势。这是因为一方面小孔径曝气器具有较大的KLa和充氧能力，有利于充氧的进行。另一方面，一定水深下阻力损失随孔径的减小而增大〔12〕。当孔径减小对阻力损失的促进作用大于氧传质作用时，理论动力效率就会随孔径的减小而降低。因此孔径较小时理论动力效率会随孔径增大而增大，并于孔径200 μm处达到最大值1.91 kg/(kW·h);当孔径>200 μm时，阻力损失在曝气过程中不再起主导作用，KLa和充氧能力会随着曝气器孔径的增加而减小，因而理论动力效率呈明显下降趋势。

　　2.4 安装水深对充氧性能的影响

　　曝气器的安装水深对曝气充氧效果有十分显著的影响。试验研究目标是2 m以下的浅水河道。已有的研究主要关注曝气器的浸没水深(即曝气器安装于池底部，通过增加水量的方式来增加水深)，试验主要针对曝气器的安装水深(即水池的水量保持不变，通过调节曝气器的安装高度找到曝气效果最佳的水深)，KLa和氧利用率随水深的变化情况见图 6。

图 6 K_La和氧利用率随水深的变化曲线

　　图 6表明，随着水深的增加，KLa和氧利用率均呈明显的增大趋势，KLa在水深0.8 m处和水深2 m处相差4倍多。这是因为水深越大，气泡在水体中的停留时间越长，气液接触时间就越长，氧传质效果越好。因此，曝气器安装越深越有利于充氧能力和氧利用率的提高。但安装水深增加的同时阻力损失也会增加，为了克服阻力损失，就必须增加曝气量，这势必会导致能耗和运行成本的增加。因此，为了得到最佳安装水深，有必要对理论动力效率与水深的关系进行评估，见表 1。

　　表 1显示，安装水深为0.8 m时理论动力效率极低，只有0.5 kg/(kW·h)，因此不宜采用浅水曝气。安装水深为1.1～1.5 m范围内，由于充氧能力显著增加，而曝气器所受到的阻力作用效果不明显，因此理论动力效率快速增加。随着水深进一步增加到1.8 m，阻力损失对充氧性能的影响越来越大，导致理论动力效率的增长趋于平缓，但依旧呈现增加趋势，且于安装水深为2 m时，理论动力效率达到最大1.97 kg/(kW·h)。因此，对于 < 2 m的河道，为使充氧性能最佳，宜采用底部曝气的方式。。

　　3 结论

　　利用静态非稳态法进行微孔曝气清水充氧试验，在试验水深(< 2 m)和孔径(50～1 000 μm)条件下，氧总传质系数KLa和氧利用率随安装水深的增大而增大;随孔径的增大而减小。在曝气量从0.5 m3/h增加到3 m3/h的过程中，氧总传质系数和充氧能力逐渐增大，氧利用率减小。

　　理论动力效率是唯一的效能指标。在试验条件下，理论动力效率随曝气量和安装水深的增加而增大，随孔径的增加先增大后减小。安装水深和孔径要合理组合才能使充氧性能达到最佳，一般情况下，水深越大选用的曝气器孔径越大。

　　试验结果表明不宜采用浅水曝气。在安装水深为2 m处，采用0.5 m3/h的曝气量和200 μm孔径的曝气器可以使理论动力效率达到最大值1.97 kg/(kW·h)。