无泡式充氧膜丝的充氧特性研究*

郑 俊 赵梦轲 张德伟 余 沛

(1.安徽工业大学能源与环境学院，安徽 马鞍山 243002；2.安徽华骐环保科技股份有限公司，安徽 马鞍山 243061；3.安徽省曝气生物滤池工程技术研究中心，安徽 马鞍山 243061)

随着经济和人民生活水平的提高，我国城镇生活污水量也显著增加。截至2016年底，城市污水处理总量448.8亿m3/a。曝气设备是污水处理领域主要的能耗系统[1-2]，曝气设备电能的消耗占污水处理系统全部电能消耗的60%以上[3]，同时曝气设备又是污水处理过程中重要的工艺设备之一，其曝气效率对污水处理过程有较大的影响[4-5]。曝气系统性能直接影响到污水处理效果和能源消耗[6]。

无泡式充氧多采用膜材料进行曝气，目的是让空气在膜材料的空腔内流动，水相在膜外侧流动，通过氧分压差，使氧气透过膜壁上的微孔扩散进入水体[7-8]。因为膜微孔的孔径很小，经过微孔扩散的氧气高度分散，从而使氧气更易溶于水中，提高氧利用率。同时，在水处理中无泡式充氧结合了气体分离膜技术和生物膜水处理技术，利用充氧膜丝作为生物膜的附着载体，形成的生物膜中拥有较多的生物群落和较长的食物链从而实现污水的净化[9]。因此，开展无泡式充氧膜丝的充氧特性研究，对提高氧转移率、降低污水处理能耗，乃至提高我国水处理设备的自主研发能力都具有深远意义[10]。

1 试验部分

1.1 充氧性能的测定设备

膜组件采用两端集气的方式向水体中充氧，基本适应条件为温度10～45 ℃、pH 2～12、操作压强-0.01～0.05 MPa，满足本研究需要改变的相关参数变化范围。膜组件的相关性能参数：中空纤维膜有效长度1.65 m，膜内/外径0.7/1.6 mm，孔径分布0.01～0.10 μm，膜面积5 m2，膜通量20～60 L/(m2·h)，中空纤维膜数量610根，连接管直径40 mm，孔隙率80%。

膜组件两端膜壳分别被固定于反应器底部两侧，膜悬挂于反应器中部固定的横管上，因此膜在反应器中呈现凸曲线的形态。架设充氧管路，利用空气压缩机对膜组件两段同时进行供气，气体通过中空纤维膜以无泡式充氧的方式进入水体中。使用磁力循环驱动泵(MP-6RZ)来循环反应器内的水，带动反应器内水流的流动进而改变水流速度，管路上设有压强表(AKS 803)和气体流量计(LZB-3WB)，用来测定充氧压强、气体流量等参数。

1.2 氧体积传质系数测定方法

氧体积传质系数以动力学方法测定，每次试验前对水体进行消氧处理，再立即开始无泡式充氧，使用便携式溶氧仪(LD0101-05)记录DO随充氧时间的变化，同时考虑到实际过程中DO初期变化较快，因此分别在无泡式充氧开始0、2、5、10、15、20、25、30 min时测定瞬时的DO，并记录当时所处的温度。计算方程[11]396如下：

ln[(c*-c0)/(c*-ct)]=(Q/V)[1-exp(-KLa×l/vL)]t

(1)

式中：c*为测定温度下液相中饱和DO，mg/L；c0为液相中初始DO，mg/L；t为充氧时间，min；ct为液相中t时DO，mg/L；Q为气体流量，L/min；V为液相体积，L，即池体有效容积233 L；KLa为氧体积传质系数，h-1；l为中空纤维膜有效长度，m，本试验中为1.65 m；vL为膜表面液相流动速度，m/h。

通过对ln[(c*-c0)/(c*-ct)]与t作线性相关趋势线，可得到斜率，继而由式(1)求得氧体积传质系数。

1.3 充氧膜丝的起泡点测量方法

根据相关文献，起泡点形成机理[12-13]为：膜内的气体在气相压力的推动下到达膜-液相界面，并形成微小的气泡，在界面处表面张力的作用下，微小气泡滞留于界面上；在后续气流的推动下，气相压力不断增大，气泡不断长大，同时长大过程中，相邻的小气泡相互兼并、积聚成为更大的气泡；气泡内的推力突破表面张力，离开膜界面，逸入液相。

起泡点测量的具体操作步骤：(1)反应器内注入清水至指定刻度；(2)对浸入水中的中空纤维膜进行充氧，观察膜表面是否出现气泡，若未发现气泡，稳定几分钟后，继续通过膜组件向反应器内充氧，直至观察到气泡出现为止；(3)记录此时的充氧压强，即该气体在该条件下的起泡点。

1.4 两种充氧方式的比较

使用充氧盘充氧模拟传统鼓泡充氧。在回流量为20 L/h(即水流速度为0.011 m/s)、充氧压强为0.035 MPa、水温约为19 ℃、气体流量为600 mL/min的操作条件下，分别测定鼓泡充氧与无泡式充氧的相应参数，并计算氧体积传质系数。

按照表1中的材料性能对比分析来看，整个材料的充填过程中，其对应的材料充填性能变化和膏体自身的变化粒径存在着明显的关系，要想保障整体充填工艺应用的质量得到保障，就应该注重在集料优化过程中，及时的按照对应的集料优化控制去处理对应的集料[2]。同时按照膏体充填工艺的选择需求，在进行对应的充填工艺应用过程中，及时的针对充填工艺应用中的粒径变化进行对应的粒径变化曲线绘制，整个曲线绘制结果如图2所示，按照该图中的曲线粒径变化关系来看，整个充填工艺运行中，对应的充填集料的变化和整个材料的粒径变化性能是具有明显关联性的，只有保障将对应的材料充填粒径变化范围控制好，这样才能满足整体的材料充填应用需求。

2 结果与讨论

2.1 充氧方式比较结果

根据鼓泡充氧的氧传质方程[11]396，求出氧体积传质系数为0.064 1 h-1。由式(1)可求出无泡式充氧的氧体积传质系数为0.559 2 h-1，约为鼓泡充氧的8.7倍，无泡式充氧优于鼓泡充氧。这是因为无泡式充氧不产生肉眼可见的气泡，不能起到搅动水体的作用，而鼓泡充氧产生了大量的大气泡，充分搅动了水体致使水力条件即湍流程度发生改变，产生的大气泡容易在水中破裂，随水流较快地扩散，并充满池体，所以使得无泡式充氧更具优势。

2.2 充氧压强对氧体积传质系数的影响

当充氧压强处于起泡点以下时，即能实现无泡式充氧，这种充氧方式具有高效性和高氧利用率。在回流量为40 L/h(即水流速度为0.022 m/s)、水温约为25 ℃时，池中水深为0.4 m处起泡点为0.369 MPa。在起泡点以下，测定0.015、0.025、0.035 MPa的充氧压强下反应器的DO(见图1)，并计算得到相应的氧体积传质系数分别为0.073 9、0.155 6、0.559 2 h-1。DO随充氧压强增大而增加，相同条件下充氧60 min，0.015 MPa时DO最高达到1.75 mg/L，氧体积传质系数为0.073 9 h-1；0.035 MPa时DO升至2.24 mg/L，氧体积传质系数为0.559 2 h-1。

不同充氧压强下，氧体积传质系数相差较大，但30 min前DO变化较小。分析认为，氧气溶于水时，氧转移的决定性阻力集中在液膜，而当水中DO为零时，氧传递推动力都很大，且为充氧效果的主要控制因素，氧转移率也都很大，所以30 min前DO变化表现出相近的趋势。随着水中DO升高到一定值后，吸附在膜壁上的微气泡相互融合形成大气泡，抵消了充氧强度带来的氧体积传质系数的提高，因此30 min后表现出明显的差异性。总体上看，随着充氧压强的增大，氧体积传质系数变化趋势加快，分析认为水从中空纤维膜间穿过时与膜成一定夹角，即气-液相之间是处于错流的状态，充氧压强增大时液相边界层厚度会变薄，因而氧体积传质系数会提高。

图1 不同充氧压强下DO的变化

相关学者在研究中空纤维膜的无泡式充氧特性时发现，充氧压力的增大在一定程度上可能对液相边界层产生压缩作用，削弱了液相边界层阻力，氧体积传质系数得以提高[14]。这与本试验结论相同。张六六等[15]也得出类似的研究结论，并表示在一定范围内充氧压强对氧体积传质系数有很大的影响，随着充氧压强的增大，氧体积传质系数逐渐增大。侯霙等[16]也证明了这一观点。因此，在不降低氧体积传质系数的条件下，试图通过降低充氧压强来降低充氧成本是不可行的。

2.3 水流速度对氧体积传质系数的影响

当充氧压强为0.015 MPa、水温约为19 ℃时，测定池中水深为0.4 m处不同水流流速下反应器的DO变化，结果见图2。随水流速度的增大，DO呈上升趋势；水流速度≤0.022 m/s时DO相对较低，水流速度为0.045、0.091 m/s时DO最高且变化速率最快。基于起泡点形成机理，气泡滞留于界面时，气泡内的推力小于表面张力，水流速度增大后，气、液接触面积相对增大，水流速度可促进气泡突破表面张力，逸入液相。在无泡式充氧的方式下，随水流速度的增大，氧体积传质系数也随之增大。郑斐[17]对中空纤维膜充氧效果的影响分析中，也发现了相似的结果。具体原因主要有：(1)在无泡式充氧中，液相边界层是氧传质的主要阻力来源，随水流速度的变大，液相边界层厚度变薄，液相阻力变低，从而加快了氧的传递；(2)适当增大水流速度可带走因表面张力而附着在膜上的小气泡，从而降低了形成大气泡的概率，又因为小气泡有着相对较大的比表面积，因而增大了液相中氧传递的总面积，提高了氧体积传质系数。

图2 不同水流速度下DO的变化

假设中空纤维膜由无数细小的球型固体颗粒连接而成，当流体流过固体颗粒、液滴并与固体颗粒、液滴之间存在着传质，其对流传质系数的关系式[18]为：

Sh=a×Reb×Scc

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：Sh为舍伍德数，其值为对流传质与扩散传质的比值；a为系数；Re为雷诺数，其值为流体惯性力与黏滞力的比值；b为反映膜表面速度对传质影响的指数；Sc为施密特数，其值为动黏滞系数与扩散系数的比值；c为反映速度边界层与浓度边界层之比对传质影响的指数；K为氧的总传质系数，m/s；d0为中空纤维膜外径，m，本研究中为1.6×10-3m；D为氧在水中的扩散系数，m2/s，本研究中水温约19 ℃，则其值为1.98×10-9m2/s；ρ为液体密度，kg/m3，水温约19 ℃时其值为998.4 kg/m3；v为水流速度，m/s；μ为液体黏度，Pa·s，水温约19 ℃时其值为1.029 9×10-3Pa·s。

对式(2)两边同时求对数，整理可得式(6)。由于Sc与温度有关，而在本试验中温度变化不明显，因此不考虑其对K的影响，经计算可得Sc=521。c取值0.33，作出lnSh与lnRe的线性函数方程为式(7)。由此可计算得到b=0.813 9，a=8.923 3-0.33×ln521=6.858 9，代入式(2)得到式(8)。

lnSh=lna+b×lnRe+c×lnSc

(6)

lnSh=0.813 9lnRe+8.923 3，R2=0.927 58

(7)

Sh=6.858 6×Re0.813 9×Sc0.33

(8)

试验中水流速度被控制在0.011～0.091 m/s，对应的Re为17.55～140.44，处于层流状态，但b=0.813 9，说明氧体积传质系数与水流速度呈正相关关系，且在一定程度上有较大的影响，这可能是由于膜表面液相边界层的厚度因水流速度的变化而变薄，液膜阻力减小因而氧体积传质系数随之增大。ZHENG等[19]分析认为，水流速度的增加造成液相紊流加剧，气-液界面处液膜厚度减小，传质阻力降低，传质速率提高。

2.4 水深对充氧性能的影响

当充氧压强为0.035 MPa、水温约为19 ℃时，测定不同水流速度、不同水深下DO的变化，并计算相应的氧体积传质系数和氧转移速率(SOTR)，结果见图3。

图3 氧体积传质系数与SOTR随水深的变化

随着水深和水流速度的增大，氧体积传质系数与SOTR均增大。根据传质的双膜理论，水深相同时，水流速度增大，单位时间内转移到水中的DO就大，这有助于小气泡的扩散；水流速度相同，水深增大，小气泡上升过程中与水接触的时间延长，有助于氧向水中的传递。当水体DO处于未饱和状态且水流速度不变的条件下，随着水深的增加，液相主体的紊流程度增强，氧的转移过程加快；当水深较深时，中空纤维膜间气液紊流程度加强，使得液膜表面阻力减小，进而中空纤维膜表面气体的更新速度加快，这使得氧体积传质系数整体上来说相对较大。尹训飞等[20]研究认为，SOTR随水深的增大而增大，这与本试验现象基本吻合。张斌等[21]在研究曝气器充氧性能时发现，水深5、6、10 m，随着水深的增加充氧能力也增大。谢宇宁[22]在增氧性能试验中也得出了类似的结论，认为SOTR随着水深的增加而增加。

因此，在无泡式充氧的实际工程应用中，可根据实际条件适当增加水深，有利于提高氧体积传质系数、SOTR和氧的利用率，进一步降低运行过程中能量的消耗与资金的投入。

3 结 论

(1) 无泡式充氧时，水流速度为0.022 m/s，水深为0.4 m处0.015、0.025、0.035 MPa的充氧压强下，氧体积传质系数分别为0.073 9、0.155 6、0.559 2 h-1，氧体积传质系数随着充氧压强的增大而增大。不降低氧体积传质系数的条件下试图降低充氧压强来降低成本是不可行的。

(2) 水流速度为0.045、0.091 m/s时DO最高且变化速率最快。氧体积传质系数与水流速度呈正相关关系。

(3) 当充氧压强为0.035 MPa、水深为0.1～0.7 m、水流速度为0～0.091 m/s时，随着水深和水流速度的增大，氧体积传质系数与SOTR均增大。