孫廣垠，郝威爾，陳 銳，付 民

(1.河北工程大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，河北邯鄲056038 2.華僑大學(xué)化工學(xué)院，福建廈門361021 3.邯鄲市市政污水處理有限責(zé)任公司，河北邯鄲056001)

隨著社會(huì)的迅猛發(fā)展，城市建設(shè)日新月異，而市政設(shè)施的建設(shè)往往跟不上城市發(fā)展的需要，導(dǎo)致一些城鄉(xiāng)結(jié)合部居住區(qū)、別墅等居住區(qū)的生活污水不能排入城市污水管網(wǎng)，尤其是一些旅游景點(diǎn)、部隊(duì)的駐扎營房和部分遠(yuǎn)離城市的工業(yè)廠房排出的有機(jī)污水更不能得到處理就直接進(jìn)入自然水體。因此，亟待開發(fā)一種小型、高效的生活污水降解與處理裝置來解決目前這些問題。HCR工藝(High Performance Compact Reactor)占地面積小，氧的轉(zhuǎn)移速率高，反應(yīng)器的容積負(fù)荷大，水力停留時(shí)間短，是當(dāng)前為西方國家所廣泛接受的一種高效好氧生物處理方法［1]。

本實(shí)驗(yàn)就是對HCR反應(yīng)器內(nèi)的清水進(jìn)行紊流變流量曝氣試驗(yàn)，來研究其充氧性能，并通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析考察自制反應(yīng)器的內(nèi)徑、射流水量、溫度對其充氧效果的影響，確定該工藝較佳工況條件，為HCR反應(yīng)器的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 氧轉(zhuǎn)移的基本規(guī)律及參數(shù)

1.1 氧轉(zhuǎn)移的基本規(guī)律

目前在水處理領(lǐng)域，氣體分子在通過氣膜和液膜間的傳遞理論中應(yīng)用較廣的是"雙膜理論"［2]，根據(jù)雙膜理論推導(dǎo)出氧轉(zhuǎn)移速率公式

式中C、Cs－曝氣時(shí)間為t(min)時(shí)和飽和時(shí)的溶解氧濃度(mg/L);KLa－氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)(1/min)。

1.2 曝氣充氧性能主要評價(jià)指標(biāo)［3]

氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)KLa:將式(1)積分整理后有

將上述試驗(yàn)中得到的KLs轉(zhuǎn)換成KLas得

式中KLas－標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)、測試條件下，曝氣器氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)(1/min);T－測試水溫(℃);θ－溫度修正系數(shù)(1.024)。

充氧能力qc

式中V－測試水池中水的體積(m3);Cs(20)－20℃水中飽和溶解氧濃度(9.17mg/L)。

理論動(dòng)力效率E

式中E－標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下曝氣器充氧理論動(dòng)力效率(kg/kW·h);NT－射流曝氣器理論功率(kW·h)。

射流曝氣按供氣方式分為供氣式和自吸式兩種［4]，本試驗(yàn)采用自吸式。

自吸式射流曝氣器理論功率

式中NT－水泵理論功率(kW·h);H－水泵揚(yáng)程(m);Q－通過射流量(m3/h);γ－水的容重(kg/m3)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

HCR反應(yīng)器裝置外筒直徑為13 cm，高度為70 cm。利用循環(huán)泵把試驗(yàn)水提升增壓在反應(yīng)器中進(jìn)行射流曝氣充氧。水流沿導(dǎo)流筒向下與反應(yīng)器底部接觸后在內(nèi)筒與外筒之間向上流動(dòng)，之后受高速射流的剪切作用向下形成往復(fù)循環(huán)。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)采用清水作為試驗(yàn)對象，把反應(yīng)器加滿后，保持進(jìn)水閥門、出水閥門和污泥回流閥門處于關(guān)閉狀態(tài)。啟動(dòng)循環(huán)水泵前，用無水亞硫酸鈉對清水進(jìn)行完全脫氧處理，試驗(yàn)過程中間隔一段時(shí)間測定溶解氧量，直至飽和為止。水中溶解氧的變化率見公式(2)。根據(jù)充氧過程的C～t關(guān)系，作t～ln(Cs－C)關(guān)系坐標(biāo)圖，得直線，直線的斜率即為KLa值，進(jìn)而通過計(jì)算可求出充氧能力和理論動(dòng)力效率值。

3 結(jié)果與討論

3.1 最佳內(nèi)徑的確定

制備直徑為4 cm、4.8 cm、7 cm 和8 cm的反應(yīng)器內(nèi)筒，取射流量分別 2.2、2.3、2.35、2.5、2.6、2.7、2.8 和 2.9 m3/h 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以得到不同內(nèi)徑時(shí)射流量與充氧能力的關(guān)系曲線如圖1所示。

由圖1可知，不同內(nèi)徑下對應(yīng)的射流量的充氧能力不同，在內(nèi)徑等于7 cm時(shí)，充氧能力最大，因此將本試驗(yàn)反應(yīng)器的最佳內(nèi)筒直徑確定為7 cm。

3.2 最佳射流量的確定

不同射流量下對氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)和理論動(dòng)力效率的影響如圖2所示。

由圖2知，隨著射流量的增加，充氧能力也隨之增大，但是理論動(dòng)力效率卻降低。當(dāng)理論動(dòng)力效率最大時(shí)，充氧能力卻比較弱。在權(quán)衡兩者關(guān)系的前提下，將2.5 m3/h定為最佳射流水量，此時(shí)理論動(dòng)力效率與充氧能力都比較高。

3.3 水溫對充氧能力的影響

水溫對氧的轉(zhuǎn)移影響比較大，水溫升高時(shí)，氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)增高;但是水溫對溶解氧飽和度Cs值也會(huì)產(chǎn)生影響，溫度升高使Cs值降低。充氧能力水溫的變化如圖3所示。

從圖3可以看出，溫度的升高，氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)總體上呈下降趨勢，但是在局部溫度變化范圍有所上升。表明由于溫度變化而引起的飽和溶解氧的變化對氧轉(zhuǎn)移速率起著決定性的作用，水溫較低時(shí)有利于氧的轉(zhuǎn)移。

3.4 正交試驗(yàn)

在本試驗(yàn)中，內(nèi)筒直徑、射流量和溫度是影響KLas值的三個(gè)主要因素。每個(gè)因素確定4個(gè)位級，如表1所示。利用單一水平正交表L16(45)進(jìn)行試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)。按表1設(shè)置正交試驗(yàn)，需做16次試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表Tab.1 The factors and levels of orthogonal test table

表2 L16(45)試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果Tab.2 L16(45)orthogonal test and calculation results

從表2可得:對氧轉(zhuǎn)移效率的影響重要性順序?yàn)锽(射流量)→ C(內(nèi)筒直徑)→A(溫度)。

4 結(jié)論

反應(yīng)器最佳內(nèi)筒直徑為7 cm，考慮充氧能力和理論動(dòng)力效率的兩者關(guān)系，選擇2.5 m3/h作為最佳射流量，水溫較低的時(shí)候有利于氧的轉(zhuǎn)移，影響該反應(yīng)器氧轉(zhuǎn)移效率的主次因素順序?yàn)?射流量→內(nèi)筒直徑→溫度。

［1] 劉康懷，康為民，李月中.HCR－一種高效好氧生物處理技術(shù)［J] .給水排水，2000，20(6):25－28.

［2] 張自杰，林沈忱，金儒霖.排水工程下冊(第4版)［M] .北京:中國建筑工業(yè)出版社，2000.

［3] CJ/T 3015.2 －93，曝氣器清水充氧性能測定［S] .

［4] 法浩然.硫酸法鈦白粉生產(chǎn)的廢酸治理［J] .江蘇化工，1999，27(3):35－36.