新型高效富氧設備的研發及其消除黑臭水體的效果研究

胡長英

(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的重要工藝組成，對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內外學者的研究熱點[3]，同時溶氧曝氣也是受污染河道水質凈化的主要方式，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行能耗。從氧傳質的機理上來講，氣泡直徑越小，氧傳質效率越高，其內部就會存在愈大的壓力，因此氣泡在水中的溶解也會越快速，因此如何生成微納米級氣泡進行曝氣的技術成為主要的研究方向[4]。本文針對水處理領域對高效、低耗充氧曝氣裝置的實際需求，提出了一種高效富氧裝置，對其進行了充氧性能試驗，并考察了其改善污染河流水質的效果。

2 實驗材料和方法

2.1 高效富氧裝置設計與制作

本研究依據旋轉切割破碎氣泡的原理設計了如圖1所示的高效富氧裝備，該裝置整體由一個布氣裝置、一個液體入口和一個出口構成,外殼為圓柱形，內部為氣泡破碎混合系統，材質為304不銹鋼。

圖1 高效富氧裝置設計示意圖

2.2 高效富氧裝置性能評價與表征

為對高效富氧裝置的溶氧效果進行測試，實驗設計加工了一套溶氧能力測試小試裝置如圖2所示，一定流量的水體進入模擬水槽，在水體流動方向下游(靠近出水口處)用循環水泵抽取一定比例的水體輸送至高效富氧裝置，同時將制氧機產生的氧氣以一定的氣量進入富氧裝置(進氣壓力設置在0.1 MPa)，通過旋轉切割混合系統使水氧進行混合，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。

在溶氧能力測試實驗中，為了對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。

清水充氧曝氣試驗步驟如下：

圖2 高效富氧裝置溶氧性能測試裝置結構簡圖

(1)將清水注入到水槽內，當清水的體積達到500 L時，停止注入。

(2)利用亞硫酸鈉作為還原劑將水池內的氧進行消除。

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

(4)測定并記錄水溫、水中初始溶解氧濃度。

(5)開啟水泵，調節閥口將水泵的流量調至70 L/min(注：在本試驗中后續出現的液體流量均指液體的循環流量)。

(6)每隔1 s或1 min記錄一次水體中溶解氧濃度值，直至水中溶解氧達到50 mg/L，試驗結束。通過測定一定時間內的充氧能力和氧氣利用率來考察裝置的溶氧效果。

2.3 實驗儀器

本實驗中所用到的溶氧效果檢測儀器及方法如表1所示。

表1 實驗儀器

3 實驗結果與討論

3.1 高效富氧裝置溶氧性能分析

3.1.1 氧總轉移系數

氧總轉移系數是指曝氣裝置在標準條件下，在單位傳質推動力作用時，單位時間向單位體積水中傳遞氧的數量[5]。其計算公式如下：

ln(Cs-C)=lnC-KLa·t

(1)

KLas=KLaθ(20-T)

(2)

式(1)、(2)中，KLa為測試水溫條件下曝氣裝置氧總轉移系數，min-1，通過繪制ln(Cs-C)-t的關系曲線[6]，對ln(Cs-C)-t進行線性擬合，求得線性方程斜率的負值即為值；Cs為水中飽和溶解氧濃度，mg/L；C為與曝氣時間t相應的水中洛解氧濃度；t為曝氣時間；KLas為標準條件下，曝氣裝置氧總轉移系數，min-1；T為測試水溫，℃；θ為溫度修正系數1.024[6,7]。

在水氣比為35∶1的實驗條件下，用高效富氧裝置對自來水進行充氧實驗，通過記錄不同時間下水中溶氧濃度值，繪制ln(Cs-C)-t的散點圖如圖3所示,對圖中的點進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

氧總轉移系數值的大小表征了氧向水體轉移的快慢，KLas值越髙，氧向水體轉移的效率越高，達到溶解氧飽和濃度所用的時間也越短，反之值越低，氧的轉移效率越差，達到溶解氧飽和溶度所用的時間越長。文獻報道的傳統機械鼓風曝氣的氧總轉移系數0.098～0.338 L/min[9]之間,本實驗開發的新型曝氣裝置比傳統的機械鼓風曝氣提升了3～10倍，氧傳質效率得到了顯著提高。

圖3 確定KLa值的ln(Cs-C)-t的關系

3.1.2 氧氣利用率

充氧能力是指曝氣裝置在標準條件下，單位時間向溶解氧濃度為零的水中傳遞的氧量，計算公式如下：

(3)

式(3)中，qc為標準條件下曝氣裝置充氧能力，kg/h；KLas為標準條件下，曝氣裝置氧總轉移系數，min-1；V為測試水池中水的體積，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是評價曝氣裝置充氧性能的重要指巧，能夠表示曝氣裝置對氧氣利用率的高低[6]。曝氣裝畳在標準條件下，傳遞到水中的氧量占曝氣裝置供氧量的百分比。計算公式如下：

(4)

式(4)中，ε為標準條件下，曝氣裝置氧利用率，%；qc為標準條件下，曝氣裝置充氧能力，kg/h；1.416為標準狀態下，實驗條件下1 m3氣體中所含氧的重量，kg/m3；q為標準狀態下(0.1 Mpa，20 ℃)曝氣裝置通氣量(m3/h)。

(5)

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

由于曝氣轉子流量計計量條件與刻度標定條件存在差異，qb應按下式計算[8]：

(6)

式(6)中，qbo為測試時，轉子流量計的刻度流量，m3/h；Pbo為刻度標定時氣體的絕對壓力，0.1 MPa；Tbo為刻度標定時氣體的絕對溫度，293K[6]。

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

氧氣利用率的測定是在qbo=0.12 m3/h，Pb=0.15 MPa，Tb=292 K的條件下進行測定的，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%。

通過對高效富氧裝置的充氧性能表征參數的分析表明，高效富氧裝置在充氧性能方面表現出較大的優勢，尤其是氧利用率達到了85.77%，傳統的機械鼓風曝氣的氧利用率一般在18.04%～50.6%[7]，本實驗裝置相比傳統的機械鼓風曝氣提升了近1.7～5倍，氧氣不僅能實現高效的傳質也實現了高效的利用。

3.2 高效富氧裝置與傳統機械鼓風曝氣裝置的對比

為了進一步考察高效富氧裝置的充氧性能，本研究通過與機械鼓風曝氣裝置進行對比實驗，比較二者的充氧性能。在與高效富氧裝置相同環境測試的條件下，控制氣體的有效流量與高效富氧裝置相同，對水體進行曝氣。圖4為兩裝置水體中溶解氧含量隨時間變化曲線的對比圖，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到的飽和濃度更高，且達到飽和的時間也越短。而機械鼓風曝氣裝置水體中的溶解氧含量隨時間上升的速度比較緩慢。機械鼓風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50 mg/L，其飽和溶解氧濃度比機械鼓風曝氣裝置提高了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)，傳統鼓風曝氣裝置[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于機械鼓風曝氣裝置。

圖4 高效富氧裝置與機械鼓風曝氣裝置c-t關系對比

3.3 高效富氧裝置在改善污染河流水質中的應用研究

圖5 實際污水充氧曝氣后水質變化情況

高效富氧裝置能夠將進入該裝置的懸浮物和大分子有機物集團進行切割細化，通過循環水體流動，是污染物分散均勻，增加微生物、氧氣和污染物的接觸面積，有利于發揮微生物的活性，且富氧水又能增強微生物的去除能力，從而提高對污染物的去除能力，同時強化了硝化細茵對氨氮的氧化作用，有利于氨氮的去除。

4 結論

基于旋轉切割氣泡破碎原理設計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，形成復雜的旋轉氣液兩相流，細化氣泡，擴大傳遞界面，均勻氧氣分布，產生二次流等復雜流動狀態，可有效的提高氧的傳質效率。其氧總轉移系數0.97 L/min，溶氧能力為0.27 kg/h，在水氣比35∶1的實驗條件下下氧氣利用率達到85.77%，新型高效富氧裝置通過機械切割和水力剪切作用來提高氧的傳質效率，并且具有結構簡單、通水流量大、不易堵塞、操作方便等恃點。