HCR工藝的充氧性能研究

孫廣垠，郝威爾，陳 銳，付 民

(1.河北工程大學城市建設學院，河北邯鄲056038 2.華僑大學化工學院，福建廈門361021 3.邯鄲市市政污水處理有限責任公司，河北邯鄲056001)

隨著社會的迅猛發展，城市建設日新月異，而市政設施的建設往往跟不上城市發展的需要，導致一些城鄉結合部居住區、別墅等居住區的生活污水不能排入城市污水管網，尤其是一些旅游景點、部隊的駐扎營房和部分遠離城市的工業廠房排出的有機污水更不能得到處理就直接進入自然水體。因此，亟待開發一種小型、高效的生活污水降解與處理裝置來解決目前這些問題。HCR工藝(High Performance Compact Reactor)占地面積小，氧的轉移速率高，反應器的容積負荷大，水力停留時間短，是當前為西方國家所廣泛接受的一種高效好氧生物處理方法［1]。

本實驗就是對HCR反應器內的清水進行紊流變流量曝氣試驗，來研究其充氧性能，并通過試驗數據分析考察自制反應器的內徑、射流水量、溫度對其充氧效果的影響，確定該工藝較佳工況條件，為HCR反應器的推廣應用提供理論依據。

1 氧轉移的基本規律及參數

1.1 氧轉移的基本規律

目前在水處理領域，氣體分子在通過氣膜和液膜間的傳遞理論中應用較廣的是"雙膜理論"［2]，根據雙膜理論推導出氧轉移速率公式

式中C、Cs－曝氣時間為t(min)時和飽和時的溶解氧濃度(mg/L);KLa－氧總轉移系數(1/min)。

1.2 曝氣充氧性能主要評價指標［3]

氧總轉移系數KLa:將式(1)積分整理后有

將上述試驗中得到的KLs轉換成KLas得

式中KLas－標準狀態、測試條件下，曝氣器氧總轉移系數(1/min);T－測試水溫(℃);θ－溫度修正系數(1.024)。

充氧能力qc

式中V－測試水池中水的體積(m3);Cs(20)－20℃水中飽和溶解氧濃度(9.17mg/L)。

理論動力效率E

式中E－標準狀態下曝氣器充氧理論動力效率(kg/kW·h);NT－射流曝氣器理論功率(kW·h)。

射流曝氣按供氣方式分為供氣式和自吸式兩種［4]，本試驗采用自吸式。

自吸式射流曝氣器理論功率

式中NT－水泵理論功率(kW·h);H－水泵揚程(m);Q－通過射流量(m3/h);γ－水的容重(kg/m3)。

2 實驗部分

2.1 實驗裝置

HCR反應器裝置外筒直徑為13 cm，高度為70 cm。利用循環泵把試驗水提升增壓在反應器中進行射流曝氣充氧。水流沿導流筒向下與反應器底部接觸后在內筒與外筒之間向上流動，之后受高速射流的剪切作用向下形成往復循環。

2.2 實驗方法

本實驗采用清水作為試驗對象，把反應器加滿后，保持進水閥門、出水閥門和污泥回流閥門處于關閉狀態。啟動循環水泵前，用無水亞硫酸鈉對清水進行完全脫氧處理，試驗過程中間隔一段時間測定溶解氧量，直至飽和為止。水中溶解氧的變化率見公式(2)。根據充氧過程的C～t關系，作t～ln(Cs－C)關系坐標圖，得直線，直線的斜率即為KLa值，進而通過計算可求出充氧能力和理論動力效率值。

3 結果與討論

3.1 最佳內徑的確定

制備直徑為4 cm、4.8 cm、7 cm 和8 cm的反應器內筒，取射流量分別 2.2、2.3、2.35、2.5、2.6、2.7、2.8 和 2.9 m3/h 進行實驗，可以得到不同內徑時射流量與充氧能力的關系曲線如圖1所示。

由圖1可知，不同內徑下對應的射流量的充氧能力不同，在內徑等于7 cm時，充氧能力最大，因此將本試驗反應器的最佳內筒直徑確定為7 cm。

3.2 最佳射流量的確定

不同射流量下對氧總轉移系數和理論動力效率的影響如圖2所示。

由圖2知，隨著射流量的增加，充氧能力也隨之增大，但是理論動力效率卻降低。當理論動力效率最大時，充氧能力卻比較弱。在權衡兩者關系的前提下，將2.5 m3/h定為最佳射流水量，此時理論動力效率與充氧能力都比較高。

3.3 水溫對充氧能力的影響

水溫對氧的轉移影響比較大，水溫升高時，氧總轉移系數增高;但是水溫對溶解氧飽和度Cs值也會產生影響，溫度升高使Cs值降低。充氧能力水溫的變化如圖3所示。

從圖3可以看出，溫度的升高，氧總轉移系數總體上呈下降趨勢，但是在局部溫度變化范圍有所上升。表明由于溫度變化而引起的飽和溶解氧的變化對氧轉移速率起著決定性的作用，水溫較低時有利于氧的轉移。

3.4 正交試驗

在本試驗中，內筒直徑、射流量和溫度是影響KLas值的三個主要因素。每個因素確定4個位級，如表1所示。利用單一水平正交表L16(45)進行試驗方案的設計。按表1設置正交試驗，需做16次試驗，試驗結果見表2。

表1 正交試驗因素水平表Tab.1 The factors and levels of orthogonal test table

表2 L16(45)試驗和計算結果Tab.2 L16(45)orthogonal test and calculation results

從表2可得:對氧轉移效率的影響重要性順序為B(射流量)→ C(內筒直徑)→A(溫度)。

4 結論

反應器最佳內筒直徑為7 cm，考慮充氧能力和理論動力效率的兩者關系，選擇2.5 m3/h作為最佳射流量，水溫較低的時候有利于氧的轉移，影響該反應器氧轉移效率的主次因素順序為:射流量→內筒直徑→溫度。

［1] 劉康懷，康為民，李月中.HCR－一種高效好氧生物處理技術［J] .給水排水，2000，20(6):25－28.

［2] 張自杰，林沈忱，金儒霖.排水工程下冊(第4版)［M] .北京:中國建筑工業出版社，2000.

［3] CJ/T 3015.2 －93，曝氣器清水充氧性能測定［S] .

［4] 法浩然.硫酸法鈦白粉生產的廢酸治理［J] .江蘇化工，1999，27(3):35－36.