水車驅動式生物轉盤氧傳質模型的構建

查 曉,馬 駿,呂錫武

(1.蘇州科技大學環境科學與工程學院,江蘇蘇州 215000;2.東南大學能源與環境學院,江蘇南京 210096;3.蘇州市相城城市建設發展有限公司,江蘇蘇州 215000)

生物轉盤是從生物濾池基礎上發展起來的一種生物膜技術,其結構簡單、抗沖擊負荷能力強且運行成本較低,在生活污水、工業廢水等多個方面的應用取得了良好的處理效果[1]。但由于機械裝置的限制,生物轉盤通常只能應用于小型的污水處理。為擴大生物轉盤的應用,各國學者在傳統的生物轉盤構型基礎上提出了一批改進構型的生物轉盤以適應不同的水質情況和處理需求,例如生物轉籠[2]、加裝生物填料的轉動水車[3]、增加了膜模塊的生物轉盤[4]等。跌水接觸氧化技術源自接觸氧化技術,因無需曝氣、能耗低、運行管理簡單等優點在我國分散式農村污水處理中得到廣泛應用[5]。但跌水接觸氧化技術的處理效果受到溫度、跌水充氧能力等方面的限制,仍有待提高。

本課題組將跌水接觸氧化技術與生物轉盤技術相結合,并受到傳統水車啟發,采取水車跌水驅動作為驅動方式,以期提高充氧能力并降低能耗。水車驅動式跌水生物轉盤(multi-stage waterwheel driving rotating biological contactors,Ms-wdRBCs)在分散式生物污水處理方面取得了良好的污染物去除效果,其中充氧能力是裝置運行的關鍵之一[6-7]。為Ms-wdRBCs建立氧傳質模型有助于進一步了解其充氧能力,從而對其設計與運行管理起到指導作用,并為其他改進構型的生物轉盤氧傳質模型建立提供參考。

Ms-wdRBCs可設多級,一般為3～4級,單級水車生物轉盤(wdRBC)的構型如圖1所示[6-7]。Ms-wdRBCs運行過程中氧傳質過程為:污水提升后依靠重力自由跌落至wdRBCs主體接水池,污水跌落時,受氧濃度差推動,空氣中的氧氣由氣相經兩相界面轉移至液相(即跌落污水);跌落污水與接水池液面接觸時,接觸面及附近水體發生攪動,增加氣相至液相的氧傳遞;驅動水車轉動帶動盤片轉動,進一步增加接水池水體被攪動程度。可簡化為跌水下落過程的充氧和盤片轉動過程的充氧兩部分。現從這兩部分充氧過程分別考慮,建立氧傳質模型。

圖1 wdRBC構型及氧傳質試驗裝置示意圖

1 試驗裝置及試驗用水

本試驗針對wdRBC的充氧能力展開。試驗裝置如圖1所示。氧傳質試驗裝置包括一級wdRBC、零氧進水水箱、驅動水箱、進水布水管及支架、驅動水布水管及支架、兩個蠕動泵。wdRBC中間設驅動水車,水車直徑為20 cm,寬為5 cm;兩側分別分布一個盤片區,單個盤片區長為14 cm,寬為28 cm,盤片直徑為20 cm,間隔2 cm,盤片浸沒度為45%。

前期對Ms-wdRBCs的運行模式進行優化,利用充氧效率和氧總傳質系數作為衡量,對不同跌水高度(0.1～0.9 m)、跌水流量(3～15 mL/s)和盤片轉速(6～15 r/min)時的wdRBC充氧能力進行評估。結果表明,跌水高度高于0.5 m時充氧能力較好,跌水流量為7.5 mL/s時充氧能力最佳,而盤片轉速的持續增加可以一定程度地增加充氧能力。因此,此充氧模型基于以上較優的條件建立。

試驗用水車驅動水采用自來水,貯存在驅動水箱中;轉盤區進水,即本模型考察主體,采用自來水進行脫氧處理,貯存在零氧水箱中。零氧水箱帶蓋密封,使用前采用脫氧劑(無水硫酸鈉)和催化劑(氯化鈷)脫除水中溶解氧,脫氧劑和催化劑投加量和投加方法參照相關文獻[8]。使用前檢測溶解氧質量濃度,應小于0.2 mg/L。溶解氧濃度監測由YSI550A便攜式溶解氧測量儀(YSI Co.,Yellow Springs,OH,USA)測定。

2 跌水充氧過程氧傳質模型

李發站等[9]針對跌水接觸氧化技術的充氧過程,以雙膜理論為基礎,依據物料平衡建立了跌水曝氣充氧的半理論半經驗公式。參考該模型,對Ms-wdRBCs跌水充氧過程進行模型的建立與校正。模型假設氧傳質單向進行,即氧氣進入液體后不再逸出;液體跌落過程中氧氣不被消耗;液體下落呈連續狀態,即下落過程液體形成一柱體,如圖2所示。圖2中柱體為水柱節段,傳質微元為紅色部分。該模型以速度為主要過程變量。根據質量守恒定律,跌落過程某一瞬間的水柱微元物料衡算關系如式(1)。

圖2 跌水過程水柱傳質微元示意圖

mo=Vtdρ

(1)

其中:mo——氧向水柱微元傳質質量,kg;

Vt——t時微元體積,m3;

dρ——微元內溶解氧質量濃度變化量,kg/m3。

根據雙膜理論,水柱微元物料衡算關系如式(2)和式(3)。

m0=k(ρs-ρ)At

(2)

Vt=πD2dh/4

(3)

其中:k——傳質系數;

ρs——飽和溶解氧質量濃度,mg/L;

ρ——微元內溶解氧質量濃度,mg/L;

At——傳質時間為t時的微元傳質面積,m2;

D——跌水水柱微元的傳質直徑,m;

dh——微元內跌水高度變化量,m。

Ms-wdRBC經布水箱跌落出水,初速度較小,因而在校正模型中忽略不計,帶入式(4)～式(6)可得式(7)。

vt=(2ght)0.5

(4)

At=πDdh

(5)

t=dh/vt

(6)

(7)

其中:vt——t時傳質微元跌水下落速度,m/s;

t——跌水下落時間,s;

g——重力加速度,m2/s,通常取9.8 m2/s;

ht——t時傳質微元跌水下落高度,m。

令K=kD,利用邊界條件ht=0、ρ=ρ0;ht=h,ρ=ρt積分,可得式(8)。

(8)

其中:ρt——跌水后溶解氧質量濃度,mg/L;

ρ0——跌水前溶解氧質量濃度,mg/L;

h——跌水高度,m。

圖3 h0.5和試驗值擬合關系

(9)

即經一定高度跌水后,進入生物轉盤的液體溶解氧質量濃度計算如式(10)。

ρ=1-e-1.207 8h0.5ρs-e-1.207 8h0.5ρ0

(10)

3 生物轉盤轉動過程氧傳質模型

生物轉盤多作為污水處理過程中的好氧生物反應器,溶解氧濃度是其運行過程中的重要參數,一些學者從不同角度對生物轉盤的氧傳質建立了不同的氧傳質模型。已提出的生物轉盤的氧傳質模型主要包括物理傳遞模型和生物膜附著傳遞模型兩種。不考慮生物膜附著的物理傳遞模型具有更強的普適性,應用也更加簡便。Zeevalkink等[10]依據理論分析,推導出氧傳質系數與盤片轉速的關系模型。Ouano[11]則采用量綱分析,引入了體積修正系數,而后Kim等[12]利用體積修正系數提出了Kim &Molof模型[式(11)～式(12)]。Kubsad等[13]主要針對體積修正系數對Kim &Molof模型進行了修正[式(11)、式(13)]。不同于體積修正模型,Sant′Anna[14]綜合考慮浸沒度、盤片直徑、轉速對氧傳質的影響,引入雷諾系數、弗羅德系數、浸沒系數建立了模型。

KLa=0.001 1(KNV)0.732

(11)

NV=ω1.5φ0.5S-1

(12)

其中:KLa——氧傳質系數,min-1;

NV——體積修正系數;

ω——盤片轉速,r/min;

φ——盤片直徑,m;

S——1/2盤片間距,m。

NV=1.697Anω1.5φ0.5/V

(13)

其中:A——單片盤片暴露于空氣中的面積,m2;

n——盤片數;

V——擾動水體積,m3。

綜合考慮實用性與簡便性,本文以Kim &Molof模型(1982)及修正的Kim &Molof模型(2004)為基礎,針對本試驗裝置運行進行校正。利用本試驗裝置參數進行計算。基于Kim &Molof模型(1982)的體積修正系數如式(14),基于修正的Kim &Molof模型(2004)的體系修正系數如式(15)。

NV-1=ω1.5φ0.5S-1=ω1.5×0.10.5×0.02-1= 44.721 4ω1.5

(14)

NV-2=1.697Anω1.5φ0.5/V=1.697×(2×168.52°/360°×π×0.12)×14×ω1.5×0.20.5÷(0.28×0.28×0.13)≈30.646ω1.5

(15)

對wdRBC不同工況時的充氧情況進行監測,利用兩種體積修正系數計算所得的KLa值與試驗所得KLa值呈線性關系,如圖4所示。盡管本試驗所得KLa值與利用兩種Kim &Molof模型計算所得的KLa值出入較大,但呈良好的線性關系(R2=0.972 2)。影響試驗值與模擬值差異性的因素包括裝置構型、盤片材料等,但引入體積修正系數仍可以得到一個較好的適用模型。

圖4 基于Kim &Molof模型(1982)和Kim &Molof模型(2004)的KLa模擬值與試驗值擬合關系

生物轉盤運行過程中,氧傳質主要發生水槽液體表面氣液界面和盤片兩側附著液膜上。Kim &Molof模型(1982)假定氧傳質只發生在盤片兩側附著的液膜上,且生物轉盤裝置的物理變量都歸納包括在體積更新系數中。體積更新系數被定義為液膜流量與反應器有效體積之比。此時,反應器有效體積僅考慮盤片區域液體體積,而盤片與水槽壁之間的液體體積被忽略不計。且Kim &Molof模型(1982)提出的體積更新系數計算具有一定局限性,如盤片邊緣距水槽底部距離/盤片半徑為0.042,盤片中心到液體自由表面距離/每輪旋轉盤片的接觸時間為0.15等。而修正的Kim &Molof模型(2004)則從液膜厚度角度對體積更新系數進行了修正,利用Zeevalkink等[10]提出的液膜厚度公式,使體積更新系數最終取決于盤片暴露空氣面積、盤片數、盤片直徑、液體體積及盤片轉速。液膜厚度公式是理論結合試驗的經驗公式,受到生物轉盤構型材質影響。

因此,針對Ms-wdRBC的KLa,利用Kim &Molof模型(1982)和Kim &Molof模型(2004)提出的兩種體積更新系數計算方式進行校正。KLa與體積更新系數的關系符合式(16),即二者的對數呈線性關系。

KLa=αNVβ

(16)

利用試驗所得KLa值與兩種計算方式所得的體積更新系數分別去對數作圖,結果如圖5所示,R2均為0.981 9。引入KLa與溫度的關系[式(17)],由此可得基于體積更新系數的兩個Ms-wsRBC轉盤轉動氧傳質模型。

KLa(20)=KLa(t)×θ20-T

(17)

其中:KLa(20)——20 ℃時的氧傳質系數,min-1;

KLa(t)——試驗得氧傳質系數,min-1;

θ——溫度修正系數,取值為1.024;

T——實際水溫,℃。

模型 Ⅰ 如式(18),體積更新系數計算如式(12);模型 Ⅱ 如式(19),體積更新系數計算如式(13)。

KLa(T)=0.000 765NV0.858 5/θ20-T

(18)

KLa(T)=0.001 06NV0.858 5θ20-T

(19)

其中:KLa(T)——氧傳質系數,h-1。

已知ln(Cs-C)=ln(Cs-C0)-KLa·t,結合以上跌水充氧和轉盤轉動充氧兩部分的模型討論,則wdRBC的出水溶解氧濃度可以簡化為式(20)～式(22)。

(20)

C1=(1-e-1.207 8h0.5)Cs-e-1.207 8h0.5c0

(21)

KLa=0.001 06NV0.858 5θ20-T

(22)

其中:C0——初始溶解氧質量濃度,mg/L;

C1——跌水后溶解氧質量濃度,mg/L;

Cs——飽和溶解氧質量濃度,mg/L。

4 氧傳質模型校驗擬合

對提出的簡化模型,選擇不同運行條件,利用試驗值進行驗證,兩種體積更新系數計算方式所得的模擬值與試驗值的擬合關系如圖6所示。

圖6 基于Kim &Molof模型(1982)和Kim &Molof模型(2004)的溶解氧模擬值與試驗值擬合關系

基于Kim &Molof模型(1982)和(2004)的兩種簡化模型與試驗值的擬合R2分別為0.904 5和0.892 8,兩種模型模擬溶解氧值均略大于試驗值,分別是試驗值的1.062 1倍和1.026 8倍。因而,推薦采用更接近試驗值的基于Kim &Molof模型(2004)的簡化模型,即NV值由式(13)確定。則最終模型公式確定為式(13)、式(20)～式(22)。

5 結論

Ms-wdRBCs結合了生物轉盤與跌水充氧技術,強化了充氧能力。本文將理論推導與試驗相結合,建立了Ms-wdRBCs的氧傳質過程模型。結果表明,Ms-wdRBCs具有良好的充氧能力,能滿足作為好氧反應器時的充氧需求。該模型為Ms-wdRBCs后續的設計與運行改進提供了理論基礎,也為相關的充氧裝置提供了氧傳質模型建立的參考。