提高充氧性能效率的研究★

董 阳　吕 贞　陈 波

(常州市排水管理处，江苏 常州　213017)



·水·暖·电·

提高充氧性能效率的研究★

以清水和活性污泥为试验对象，采用中试装置考察了外加不同措施对曝气中氧传质特性的影响，结果表明，外加斜管并未达到提高氧传质效率的目的，而外加悬浮填料明显提高了氧传质效率。

曝气，斜管，悬浮填料，清水，活性污泥

0　引言

溶解氧是活性污泥法的一个基本要素，溶解氧制约了活性污泥法的处理效果，氧的传质效率对污水处理效率的高低起着关键作用，同时也是生反池能量消耗的重要因素，目前城市污水处理厂，曝气工艺过程所用能耗约占整个污水处理厂总用电量的50%～70%[1]，因此，氧传质效率的好坏决定了活性污泥法的处理效果和运行能耗。本研究以Whitman提出的双膜理论为基础[2,3]，通过曝气充氧装置设计和实践了多组试验,探讨和优化曝气氧传质过程中提高氧传质效率的可行性方法，从而为合理设计，节能控制曝气池的运行提供理论基础。

1　试验装置及方法

1.1试验装置

试验装置见图1，水通过计量泵送入柱底进水口，然后流经柱体，空气经转子流量计计量后送入柱底的曝气头，鼓入的空气以大小不同的气泡形成分布于水中并发生氧的转移，从而测定氧的传质效率。

试验反应器为有机玻璃柱反应器，柱直径为600 mm，高度为2 200 mm。斜管填料：材质为聚丙烯PP，管径为50 mm，片厚0.5 mm，空隙率0.97 m/m；悬浮填料：比表面积大于500 m2/m3，比重大于0.95 g/cm3，空隙率大于95%。试验用水：清水为自来水，污泥为常州某污水处理厂活性污泥，MLSS 2 000 mg/L～2 500 mg/L。

1.2试验方法及评价指标

本实验采用间歇非稳态法，即实验时池水不进不出，池内溶解氧随时间而变，即将待曝气之水以无水亚硫酸钠为脱氧剂，氯化钴为催化剂，脱氧至0后开始曝气，液体中溶解氧的浓度C随时间的增加而提高，以ln(CS-C)-t 作图，其斜率的负值即为KLa值[3]。

具体实验步骤如下：

1)先向反应区内注入清水至一定高度，开启风机曝气至水中溶解氧饱和，所测值即为饱和值CS。

2)投药量计算。

柱内氧的总量G：G=CSV=π/4×D2HCS=0.57CS。

Na2SO3投加量G2：G2=1.5×8G=6.84CS。

COCl2投加量G3：G3=0.1×π/4×D2H=0.06。

3)将脱氧剂Na2SO3和催化剂COCl2溶解后倒入曝气柱，当柱内溶解氧至0后开始正常曝气，每隔1 min读一次数据，直至饱和为止。

4)重复以上步骤分别在清水和污泥两种条件下进行空白、单层斜管、双层斜管和填料试验；当加入双层斜管时，斜管放置方向相反，以增加气泡停留时间。

5)利用实验结果对斜管、填料的曝气充氧效果进行评价。

注：当记录仪上20 min内溶解氧增加值小于0.1 mg/L，或者是15 min内溶解氧浓度基本保持不变时，即可认为充氧已经饱和，可停止试验。

2　试验结果及分析

2.1斜管对氧传质效果的影响

1)清水试验。

氧传质系数会随着气泡停留时间的增加而增加[4]，为了增加气泡在水体中的气液接触时间，从而达到提高氧传质效率的目的，本实验在反应柱内设置三组对比试验，分别为空白，单层斜管和双层斜管试验，根据图2～图4计算，KLa20值分别为0.10，0.07和0.08，加入斜管之后KLa20值反而降低30%和20%，经分析，主要是由于反应装置底部仅仅使用一个曝气盘，加入斜管之后致使气泡被引入反应装置的一侧，虽气泡的停留时间延长，但是却导致反应区充氧不均匀。而将单层斜管和双层斜管进行对比发现，由于双层斜管进一步增加了气泡的停留时间，因此KLa20值提高14%，间接证实了增加气泡在水中的停留时间可以达到提高氧传质效率的目的。

2)污泥试验。

污泥试验曲线图见图5～图7。

在清水试验的基础上又进行了相应的污泥试验，三组试验KLa20值分别为0.12，0.07和0.06，与清水试验结论一致，加入斜管后KLa20值均降低41%和50%，但污泥试验的双层斜管KLa20值却比单层斜管低，主要是由于污泥条件下，在反应区中加入斜管对充氧的均匀性影响更为明显，导致反应器一侧会出现明显的污泥沉降，影响了氧的传质效率，即斜管对反应区污泥产生明显的阻碍，造成部分的泥水分离，导致KLa20值的降低。

因此，斜管虽能通过改变气泡路径增加气液接触时间，但会影响充氧的均匀性，导致KLa20降低，即不利于提高氧的传质效率。

2.2悬浮填料对氧传质效果的影响

由于悬浮填料孔隙率大，不规则，表面粗糙且具有多孔道立体结构，因此气流作用下产生不规则运动，对气泡起到切割作用，从而起到延长气液接触时间和增大气液之间接触面积的作用，所以本实验选取江苏某环保公司生产悬浮填料加入到反应装置中，验证悬浮填料对氧传质效率的影响。

根据图8，图9的试验结果，悬浮填料在清水和污泥中的KLa20值分别为0.11和0.14，与空白值相比分别增加10%和16.7%，说明悬浮填料确实能够明显提高氧传质效率。

由于试验中曝气设备是固定的，所以CS值是个定值，这样悬浮填料在反应柱中充氧率的提高是通过提高KLa值来实现的。经过分析在污泥条件下填料能使充氧率提高的原因在于：

1)悬浮填料的存在延长了气液接触时间，增大了气液之间接触面积。悬浮填料表面粗糙对气泡造成了切割破坏作用，使气泡直径变小，数量增多，增大了气液接触面积，从而提高了氧传质性能。

2)增大了水流紊流程度。由于悬浮填料阻挡使气泡曲折上升，紊流程度加大，接触充分，KLa值增高，提高了氧转移速率[5]。

3)外加悬浮填料试验条件下，污泥试验比清水试验提高KLa值更明显，主要是由于活性污泥絮凝体作为悬浮颗粒将改变气液界面的水动力学特性[6]，有助于增大生物吸附量和氧传质系数。

3　结语

以清水和活性污泥为试验对象结果表明，单层和双层斜管与空白相比，清水试验KLa20值降低30%和20%，污泥试验KLa20值降低41%和50%，说明外加斜管并未达到提高氧传质效率的目的。清水试验双层斜管的效果比单层斜管的效果提高14%，间接证实了延长气泡在水中的停留时间可以提高氧传质效率；外加悬浮填料明显提高氧传质效率，在清水和污泥条件下的KLa20值分别增加10%和增加16.7%，同时外加填料污泥试验比清水试验提高KLa20值更明显。

[1]朱五星,舒锦琼.城市污水处理厂能量优化策略研究[J].给水排水,2005,31(12):31-33.

[2]刘谦.传递过程原理[M].北京：高等教育出版社,1990:313.

[3]Lweis,W.K., Whitman, W.C.. Principles of Gas Absorption. Industrial Engineering Chemistry,1924(16):1215.

[4]刘春,张磊,杨景亮,等.微气泡曝气中氧传质特性研究[J].环境工程学报,2010,4(3):585-589.

[5]赵朋卫,徐高田,吴焕吉,等.喷射环流膜生物反应器氧传质性能研究[J].中北大学学报(自然科学版),2011,32(4):476-501.

[6]Andrews G.F., Fonta J.P., Marrotta E., et al.The Effeet of Cells on Oxygen Transfer Coeffieients: I. Cell Accumulation Around Bubbles. Chem. Eng. J.,1980(a),29，39.

Study on improve of oxygenation performance efficiency★

Dong YangLv ZhenChen Bo

(Changzhou Drainage Administration, Changzhou 213017, China)

In this research, with clean water and activated sludge as test subjects, using pilot plant study the effects of different measures applied for aeration of oxygen mass transfer characteristics. The results showed that additional pipe chute did not achieve the purpose of increasing the oxygen transfer efficiency. Additional suspension packing significantly improved oxygen transfer efficiency.

aeration, pipe chute, supension, clean water, activated sludge

1009-6825(2016)25-0115-03

2016-06-22★:城区水污染过程控制与水环境综合改善技术集成与示范(项目编号：2012ZX07301-001)

董阳(1984- )，男，硕士，工程师

董 阳吕 贞陈 波

(常州市排水管理处，江苏 常州213017)

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