水质条件对氧传质影响的研究✳

邹联沛,赵洪涛,刘知人,占金美,杨开亮,丁国际

(上海大学 环境与化学工程学院 ,上海 200072)

0 引 言

曝气是目前大多数污水处理厂的一个重要工艺环节,也是能耗最大的一个环节,占整个污水处理厂能耗的 45%～75%[1],它的作用是向反应器内充氧,保证微生物生化作用所需的溶解氧,并保持反应器内微生物、底物、溶解氧三者的充分混合,为微生物降解有机物提供有利的生化反应条件[2],同时也起到防止活性污泥在曝气池中沉淀的作用.而动力效率是衡量曝气效果的重要效能指标,因此,优化曝气的传质效率能够在很大程度上提高工艺整体的经济性.

曝气设备的作用是将氧传递到液体中,是属于气液相间的一种复杂的传质过程.在实际应用中,氧在水中的总传质系数 KLa受多种因素的影响[3],如氧传质系数随表面活性剂浓度的增加而降低,随悬浮固体浓度的增加先降低而后增加[4];在 20～55℃之间,自来水中氧传质速率为一定值[5];水深也对氧总转移系数有较大影响,在曝气深度为 2.5～4.5 m的范围内,氧总转移系数修正系数的范围为 0.78～0.86[6].

目前,尚不能将所有的影响因素对 K La的影响作全面的分析,其中有关温度、浊度、p H对水体曝气过程中氧传质影响的报道甚少,相关研究结果也只能作参考[7].本文主要研究温度、浊度、p H对水体曝气过程中氧传质的影响,以期掌握这些因素对水体中氧传质的影响规律,为曝气设备的选型提供相关的理论基础,为曝气设备的运行提供试验数据支持.

1 材料和方法

1.1 实验装置

实验装置主要由曝气筒、曝气器、空压机、溶解氧测试仪4部分组成,如图1所示.各部分的主要参数为:

1)曝气筒.直径 D=150 mm,H=2 000 mm,材质为有机玻璃;

2)曝气器.橡胶膜微孔曝气头(H 120 mm);

3)空压机.Resun Lp-40空压机(Cap: 50 L/min;Pressure:0.04 MPa);

4)溶解氧测试仪.Hanna HI9142溶解氧仪.

图1 实验装置示意图Fig.1 Experimental apparatus

1.2 实验方法

溶解氧传质系数的测定采用间歇非稳态法,即测定时曝气筒内的水不进不出,筒内溶解氧随时间而变化.实验前,先用脱氧剂无水亚硫酸钠和催化剂氯化钴进行脱氧,然后在溶解氧等于零的状态下曝气.在充氧过程中,每隔一定时间,测定溶解氧值,直到饱和为止.若这个过程中的整个液体是完全混合的,而且符合一级反应形式时,则水中溶解氧的转移速率g OTR可用式(1)表示,再将式 (1)积分可得式 (2)式中:C s为液体中氧的饱和浓度,mg/L;C1,C2为分别为经过时间 t1,t2时,液体中的溶解氧浓度,mg/L;KLa为氧总转移系数,h-1.

p H的调节用 NaOH和 HCl溶液,水温用恒温槽来控制,充气气体流量为 0.25 m3/h,溶解氧浓度采用溶氧仪测定.

亚硫酸钠的投加量计算式为

式中:V为试验水量;K为脱氧安全系数(取 2.0);8为理论上每消耗 1 kg氧所需要的亚硫酸钠量,kg.

催化剂氯化钴所需要的量,按钴离子浓度为 0.3～ 0.5 mg/L计算.氯化钴和亚硫酸钠用温水溶解并搅拌均匀后使用.

2 结果与分析

2.1 不同温度对氧传质系数及氧转移速率的影响

温度在 10～ 30℃范围内对曝气过程中氧传质系数 KLa及氧转移速率gOTR影响的实验结果分别显示在图2和图3中.K La和饱和溶解氧 C s均是影响 g OTR的重要因子.从图2中可以看出,K La随着温度的升高而增大,但 C s随温度变化的趋势正好相反.图3的结果表明,无论水体中溶解氧的浓度为多大,g OTR值在 10～ 20℃之间均缓慢下降,数值上基本不变,但在 25℃附近g OTR有增大的趋势,然后随温度的升高又趋于减小,这说明在 25℃左右时氧在无浊度蒸馏水中的转移效率最高;同时,由图3还可以看出,随着水中溶解氧浓度的增大,gOTR在 25℃附近增大的趋势越来越缓,随温度升高而减小的速率越来越大.这可能是由于水体中氧转移速率受饱和溶解氧浓度 C s,传质系数 K La,曝气中气泡直径大小以及界面表接触面积等的影响.而在 10～ 30℃温度范围内,水体饱和溶解氧 C s降低了 37.6%,氧传质系数却增加了 38.9%,总体的效果是使gOTR基本保持不变,但却未考虑接触面积的影响.虽然温度变化对曝气气泡大小基本没有影响,而水体的粘度却因温度的升高而降低,气泡上升速度变大,致使界面表接触面积相对变小,故gOTR值总体趋势会减小.至于在 25℃时,gOTR出现增大的趋势有待于进一步的研究.

其他研究人员也有类似的结果.孙从军、陈季华[8]研究发现,由温度变化引起的饱和溶解氧的变化对氧转移速率起着决定性的作用,而较低的水温将有利于氧的转移.J.C.T.VOGELAAR[9]研究发现,在 20～ 55℃ 之间,自来水中的 gOTR值基本不变.Boogerd[10]等研究也发现,在 15～ 70℃ 之间,机械搅拌发酵罐中的 g OTR值仅有很小的变化,在空气混合搅拌的发酵罐中 g OTR值会缓慢、稳定地减小.而Krahe[11]等研究却发现,在机械搅拌发酵罐内g OTR值会随着温度的升高而增大.这是由于实验条件不同所致.

图2 不同温度下无浊度蒸馏水的 K La和 C s值Fig.2 K La and C s values of non-turbidity water at different temperatures

图3 不同溶解氧浓度条件下系统的g OTR值随温度的变化Fig.3 Changes of g OTRvalues of the system with temperature at different dissolv ed oxygen concentration

2.2 不同浊度对氧传质系数及氧转移速率的影响

本研究通过用高岭土和无浊度蒸馏水来配制不同浊度的水以研究浊度对氧传质系数和氧转移速率的影响,实验温度控制在 20℃,实验结果分别如图4和图5所示.从图4中可以看出,氧传质系数随着水体浊度的增加而不断增大,呈明显的正相关关系(Pearson,n=5,p＜0.01);而在不同浊度的蒸馏水中,饱和溶解氧的浓度值基本不变.从图5中可以看出,无论水体溶解氧浓度的大小是多少,系统的g OTR值均随着水体浊度的增加而稳定地增大,也呈现出一定的正相关关系 (Pearson,n=5,p＜0.05),只是随着水体溶解氧浓度的增大,gOTR随浊度升高而增大的速率变小.

高岭土是一种易于分散悬浮于水中、具有较大比表面积和吸附性能的材料,因此在蒸馏水中加入高岭土会增进表面水紊动传质过程,从而增加了气液界面附近待传质组分的浓度梯度;同时,由于高岭土颗粒直径小于 10μm,附着于气泡的表面时可能会防止气泡的聚并和增大.气泡小则上升速度小,气含率增加,传质界面面积增大,从而加强了气液之间的传质,使 K La和g OTR增大.

JIA-MING CHERN[12]等研究发现,在水体中加入表面活性剂和硅藻土能够增加表面水紊动传质系数.霍霄鹏[13]等的研究结果表明,在水体中加入的活性炭微粒的质量一定的情况下,传质增强因子 E随着活性炭微粒粒径的减小而增大,即随着活性炭微粒总表面积的增大而增大.本文的研究结果与这些结论均一致.

图4 不同浊度下水体的 K La和 C s值Fig.4 K La and C s values of water at different turbidities

图5 不同溶解氧浓度条件下系统的g OTR值随浊度的变化Fig.5 Changes of g OTR values of the system with turbidities at different dissolv ed oxygen concentration

2.3 不同 p H对氧传质系数及氧转移速率的影响

在实验温度为 20℃的条件下,研究了不同 p H值对 K La和g OTR的影响,实验结果分别显示在图6和图7中.从图6中可以看出,随着 p H的增加,KLa值先降低后增加,并在 p H为 7时达到最小值;Cs的变化趋势与 K La类似.图7显示的结果表明:无论水体的溶解氧的大小是多少,g OTR均是随着 p H的增大而先减小后增大,在 p H为 7时最小.不过,随着水体中溶解氧浓度的增高,gOTR受 p H的影响变小.

图6 不同 p H条件下水体的 K La和 C s值Fig.6 K La and C svalues of water at different p H

图7 不同溶解氧浓度条件下系统的g OTR值随 p H的变化Fig.7 Changes of g O TR values of the system with p H at different dissolv ed oxygen concentration

目前,有关 p H值对曝气水体中氧传质系数和氧转移速率影响的研究甚少,影响的机制还不清楚,有待于进一步的研究.作者认为,这可能与水中的酸碱离子对液膜厚度等产生的影响有关,在中性条件下,液膜的厚度最大,而在酸性或者碱性条件下,液膜厚度会变薄,从而导致了在中性条件下氧传质系数最小.由于饱和溶解氧浓度也是先减小后增大,所以综合考虑饱和溶解氧 C s与 K La对g OTR的影响,就得到g OTR随着 p H的增大而先减小然后增大.

3 结 论

1)K La随着温度的升高而不断变大;g OTR的总体趋势是缓慢减小的,在 10～20℃之间缓慢减小,但在 25℃附近有增大的趋势,然后随着温度的升高又趋于减小;随着水中溶解氧浓度的增大,gOTR随着温度的升高而减小的速率越来越大.

2)KLa和gOTR均随着水体浊度的增加而不断地增大,均与水体的浊度呈明显的正相关关系.

3)随着 p H的增加,K La值先降低后增加,并在 p H为 7时达到最小值;系统的g OTR值也是随着 p H的增大而先减小后增大,只是在溶解氧高的情况下,g OTR随 p H的变化较缓.

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