新型高效富氧设备的研发及其消除黑臭水体的效果研究

胡长英

(中科宇图科技股份有限公司，北京 100101)

1 引言

溶氧曝气作为污水好氧生物处理系统的重要工艺组成，对水处理效果起着重要作用[1,2]，如何提高水体中溶氧量一直是国内外学者的研究热点[3]，同时溶氧曝气也是受污染河道水质净化的主要方式，而曝气装置作为溶氧曝气工艺的核心，其充氧性能直接影响污水生物处理效果和运行能耗。从氧传质的机理上来讲，气泡直径越小，氧传质效率越高，其内部就会存在愈大的压力，因此气泡在水中的溶解也会越快速，因此如何生成微纳米级气泡进行曝气的技术成为主要的研究方向[4]。本文针对水处理领域对高效、低耗充氧曝气装置的实际需求，提出了一种高效富氧装置，对其进行了充氧性能试验，并考察了其改善污染河流水质的效果。

2 实验材料和方法

2.1 高效富氧装置设计与制作

本研究依据旋转切割破碎气泡的原理设计了如图1所示的高效富氧装备，该装置整体由一个布气装置、一个液体入口和一个出口构成,外壳为圆柱形，内部为气泡破碎混合系统，材质为304不锈钢。

图1 高效富氧装置设计示意图

2.2 高效富氧装置性能评价与表征

为对高效富氧装置的溶氧效果进行测试，实验设计加工了一套溶氧能力测试小试装置如图2所示，一定流量的水体进入模拟水槽，在水体流动方向下游(靠近出水口处)用循环水泵抽取一定比例的水体输送至高效富氧装置，同时将制氧机产生的氧气以一定的气量进入富氧装置(进气压力设置在0.1 MPa)，通过旋转切割混合系统使水氧进行混合，并将充氧的水体从上游释放入模拟水槽，起到水体增氧的作用。

在溶氧能力测试实验中，为了对比不同工况条件下的溶氧能力，采用清水充氧曝气，充氧水体为家用自来水。

清水充氧曝气试验步骤如下：

图2 高效富氧装置溶氧性能测试装置结构简图

(1)将清水注入到水槽内，当清水的体积达到500 L时，停止注入。

(2)利用亚硫酸钠作为还原剂将水池内的氧进行消除。

(3)将溶氧仪探头安装在曝气池固定位置水桶中部位置，应避免气泡直接经过溶氧仪探头。

(4)测定并记录水温、水中初始溶解氧浓度。

(5)开启水泵，调节阀口将水泵的流量调至70 L/min(注：在本试验中后续出现的液体流量均指液体的循环流量)。

(6)每隔1 s或1 min记录一次水体中溶解氧浓度值，直至水中溶解氧达到50 mg/L，试验结束。通过测定一定时间内的充氧能力和氧气利用率来考察装置的溶氧效果。

2.3 实验仪器

本实验中所用到的溶氧效果检测仪器及方法如表1所示。

表1 实验仪器

3 实验结果与讨论

3.1 高效富氧装置溶氧性能分析

3.1.1 氧总转移系数

氧总转移系数是指曝气装置在标准条件下，在单位传质推动力作用时，单位时间向单位体积水中传递氧的数量[5]。其计算公式如下：

ln(Cs-C)=lnC-KLa·t

(1)

KLas=KLaθ(20-T)

(2)

式(1)、(2)中，KLa为测试水温条件下曝气装置氧总转移系数，min-1，通过绘制ln(Cs-C)-t的关系曲线[6]，对ln(Cs-C)-t进行线性拟合，求得线性方程斜率的负值即为值；Cs为水中饱和溶解氧浓度，mg/L；C为与曝气时间t相应的水中洛解氧浓度；t为曝气时间；KLas为标准条件下，曝气装置氧总转移系数，min-1；T为测试水温，℃；θ为温度修正系数1.024[6,7]。

在水气比为35∶1的实验条件下，用高效富氧装置对自来水进行充氧实验，通过记录不同时间下水中溶氧浓度值，绘制ln(Cs-C)-t的散点图如图3所示,对图中的点进行线性拟合得到的方程为：

y=-0.95x+3.8333，

其中R2为0.9991，说明曲线拟合度极高，由公式(1)和(2)可求得：

KLa=0.95 L/min，KLas=0.9728 L/min

氧总转移系数值的大小表征了氧向水体转移的快慢，KLas值越髙，氧向水体转移的效率越高，达到溶解氧饱和浓度所用的时间也越短，反之值越低，氧的转移效率越差，达到溶解氧饱和溶度所用的时间越长。文献报道的传统机械鼓风曝气的氧总转移系数0.098～0.338 L/min[9]之间,本实验开发的新型曝气装置比传统的机械鼓风曝气提升了3～10倍，氧传质效率得到了显著提高。

图3 确定KLa值的ln(Cs-C)-t的关系

3.1.2 氧气利用率

充氧能力是指曝气装置在标准条件下，单位时间向溶解氧浓度为零的水中传递的氧量，计算公式如下：

(3)

式(3)中，qc为标准条件下曝气装置充氧能力，kg/h；KLas为标准条件下，曝气装置氧总转移系数，min-1；V为测试水池中水的体积，m3；Cs(20)为水池 ℃水中饱和溶解氧浓度的9.17，mg/L。

氧的利用率ε是评价曝气装置充氧性能的重要指巧，能够表示曝气装置对氧气利用率的高低[6]。曝气装畳在标准条件下，传递到水中的氧量占曝气装置供氧量的百分比。计算公式如下：

(4)

式(4)中，ε为标准条件下，曝气装置氧利用率，%；qc为标准条件下，曝气装置充氧能力，kg/h；1.416为标准状态下，实验条件下1 m3气体中所含氧的重量，kg/m3；q为标准状态下(0.1 Mpa，20 ℃)曝气装置通气量(m3/h)。

(5)

式(5)中，qb为气体的实际流量，m3/h；Pb为测试时气体的绝对压力，Mpa；Tb为测试时气体的绝对温度，(273+T)K；P为0.1 MPa；Ta为绝对温度293 K。

由于曝气转子流量计计量条件与刻度标定条件存在差异，qb应按下式计算[8]：

(6)

式(6)中，qbo为测试时，转子流量计的刻度流量，m3/h；Pbo为刻度标定时气体的绝对压力，0.1 MPa；Tbo为刻度标定时气体的绝对温度，293K[6]。

在47∶1的水气比的实验条件下，由公式(3)可求得高效富氧装置的充氧能力qc=0.27 kg/h(实验中溶氧性能测试装置水槽有效容积为0.5 m3。

氧气利用率的测定是在qbo=0.12 m3/h，Pb=0.15 MPa，Tb=292 K的条件下进行测定的，由公式(5)和(6)求得曝气通量q=0.22 m3/h。

qc=0.27 kg/h，q=0.22 m3/h，由公式(4)求得高效富氧装置氧的利用率ε=85.77%。

通过对高效富氧装置的充氧性能表征参数的分析表明，高效富氧装置在充氧性能方面表现出较大的优势，尤其是氧利用率达到了85.77%，传统的机械鼓风曝气的氧利用率一般在18.04%～50.6%[7]，本实验装置相比传统的机械鼓风曝气提升了近1.7～5倍，氧气不仅能实现高效的传质也实现了高效的利用。

3.2 高效富氧装置与传统机械鼓风曝气装置的对比

为了进一步考察高效富氧装置的充氧性能，本研究通过与机械鼓风曝气装置进行对比实验，比较二者的充氧性能。在与高效富氧装置相同环境测试的条件下，控制气体的有效流量与高效富氧装置相同，对水体进行曝气。图4为两装置水体中溶解氧含量随时间变化曲线的对比图，从图中可以看出，在相同的气体流量下，高效富氧装置溶解氧能够达到的饱和浓度更高，且达到饱和的时间也越短。而机械鼓风曝气装置水体中的溶解氧含量随时间上升的速度比较缓慢。机械鼓风曝气装置的饱和溶解氧浓度为24 mg/L，而高效富氧装置的饱和溶解氧浓度可达50 mg/L，其饱和溶解氧浓度比机械鼓风曝气装置提高了1倍多。新型曝气装置在水气比70∶1的溶氧速率为8.66 mg/(L·min)，传统鼓风曝气装置[9]的溶氧速率为0.74 mg/(L·min)，两者相差11倍。高效富氧装置的充氧效果要明显优于机械鼓风曝气装置。

图4 高效富氧装置与机械鼓风曝气装置c-t关系对比

3.3 高效富氧装置在改善污染河流水质中的应用研究

图5 实际污水充氧曝气后水质变化情况

高效富氧装置能够将进入该装置的悬浮物和大分子有机物集团进行切割细化，通过循环水体流动，是污染物分散均匀，增加微生物、氧气和污染物的接触面积，有利于发挥微生物的活性，且富氧水又能增强微生物的去除能力，从而提高对污染物的去除能力，同时强化了硝化细茵对氨氮的氧化作用，有利于氨氮的去除。

4 结论

基于旋转切割气泡破碎原理设计制造了一种高效富氧装置，使气液混合物在叶片组件的作用下，形成复杂的旋转气液两相流，细化气泡，扩大传递界面，均匀氧气分布，产生二次流等复杂流动状态，可有效的提高氧的传质效率。其氧总转移系数0.97 L/min，溶氧能力为0.27 kg/h，在水气比35∶1的实验条件下下氧气利用率达到85.77%，新型高效富氧装置通过机械切割和水力剪切作用来提高氧的传质效率，并且具有结构简单、通水流量大、不易堵塞、操作方便等恃点。