董 陽　呂 貞　陳 波

(常州市排水管理處，江蘇 常州　213017)

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·水·暖·電·

提高充氧性能效率的研究★

以清水和活性污泥為試驗(yàn)對象，采用中試裝置考察了外加不同措施對曝氣中氧傳質(zhì)特性的影響，結(jié)果表明，外加斜管并未達(dá)到提高氧傳質(zhì)效率的目的，而外加懸浮填料明顯提高了氧傳質(zhì)效率。

曝氣，斜管，懸浮填料，清水，活性污泥

0　引言

溶解氧是活性污泥法的一個(gè)基本要素，溶解氧制約了活性污泥法的處理效果，氧的傳質(zhì)效率對污水處理效率的高低起著關(guān)鍵作用，同時(shí)也是生反池能量消耗的重要因素，目前城市污水處理廠，曝氣工藝過程所用能耗約占整個(gè)污水處理廠總用電量的50%～70%[1]，因此，氧傳質(zhì)效率的好壞決定了活性污泥法的處理效果和運(yùn)行能耗。本研究以Whitman提出的雙膜理論為基礎(chǔ)[2,3]，通過曝氣充氧裝置設(shè)計(jì)和實(shí)踐了多組試驗(yàn),探討和優(yōu)化曝氣氧傳質(zhì)過程中提高氧傳質(zhì)效率的可行性方法，從而為合理設(shè)計(jì)，節(jié)能控制曝氣池的運(yùn)行提供理論基礎(chǔ)。

1　試驗(yàn)裝置及方法

1.1試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置見圖1，水通過計(jì)量泵送入柱底進(jìn)水口，然后流經(jīng)柱體，空氣經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計(jì)計(jì)量后送入柱底的曝氣頭，鼓入的空氣以大小不同的氣泡形成分布于水中并發(fā)生氧的轉(zhuǎn)移，從而測定氧的傳質(zhì)效率。

試驗(yàn)反應(yīng)器為有機(jī)玻璃柱反應(yīng)器，柱直徑為600 mm，高度為2 200 mm。斜管填料：材質(zhì)為聚丙烯PP，管徑為50 mm，片厚0.5 mm，空隙率0.97 m/m；懸浮填料：比表面積大于500 m2/m3，比重大于0.95 g/cm3，空隙率大于95%。試驗(yàn)用水：清水為自來水，污泥為常州某污水處理廠活性污泥，MLSS 2 000 mg/L～2 500 mg/L。

1.2試驗(yàn)方法及評價(jià)指標(biāo)

本實(shí)驗(yàn)采用間歇非穩(wěn)態(tài)法，即實(shí)驗(yàn)時(shí)池水不進(jìn)不出，池內(nèi)溶解氧隨時(shí)間而變，即將待曝氣之水以無水亞硫酸鈉為脫氧劑，氯化鈷為催化劑，脫氧至0后開始曝氣，液體中溶解氧的濃度C隨時(shí)間的增加而提高，以ln(CS-C)-t 作圖，其斜率的負(fù)值即為KLa值[3]。

具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1)先向反應(yīng)區(qū)內(nèi)注入清水至一定高度，開啟風(fēng)機(jī)曝氣至水中溶解氧飽和，所測值即為飽和值CS。

2)投藥量計(jì)算。

柱內(nèi)氧的總量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)將脫氧劑Na2SO3和催化劑COCl2溶解后倒入曝氣柱，當(dāng)柱內(nèi)溶解氧至0后開始正常曝氣，每隔1 min讀一次數(shù)據(jù)，直至飽和為止。

4)重復(fù)以上步驟分別在清水和污泥兩種條件下進(jìn)行空白、單層斜管、雙層斜管和填料試驗(yàn)；當(dāng)加入雙層斜管時(shí)，斜管放置方向相反，以增加氣泡停留時(shí)間。

5)利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果對斜管、填料的曝氣充氧效果進(jìn)行評價(jià)。

注：當(dāng)記錄儀上20 min內(nèi)溶解氧增加值小于0.1 mg/L，或者是15 min內(nèi)溶解氧濃度基本保持不變時(shí)，即可認(rèn)為充氧已經(jīng)飽和，可停止試驗(yàn)。

2　試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1斜管對氧傳質(zhì)效果的影響

1)清水試驗(yàn)。

氧傳質(zhì)系數(shù)會(huì)隨著氣泡停留時(shí)間的增加而增加[4]，為了增加氣泡在水體中的氣液接觸時(shí)間，從而達(dá)到提高氧傳質(zhì)效率的目的，本實(shí)驗(yàn)在反應(yīng)柱內(nèi)設(shè)置三組對比試驗(yàn)，分別為空白，單層斜管和雙層斜管試驗(yàn)，根據(jù)圖2～圖4計(jì)算，KLa20值分別為0.10，0.07和0.08，加入斜管之后KLa20值反而降低30%和20%，經(jīng)分析，主要是由于反應(yīng)裝置底部僅僅使用一個(gè)曝氣盤，加入斜管之后致使氣泡被引入反應(yīng)裝置的一側(cè)，雖氣泡的停留時(shí)間延長，但是卻導(dǎo)致反應(yīng)區(qū)充氧不均勻。而將單層斜管和雙層斜管進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，由于雙層斜管進(jìn)一步增加了氣泡的停留時(shí)間，因此KLa20值提高14%，間接證實(shí)了增加氣泡在水中的停留時(shí)間可以達(dá)到提高氧傳質(zhì)效率的目的。

2)污泥試驗(yàn)。

污泥試驗(yàn)曲線圖見圖5～圖7。

在清水試驗(yàn)的基礎(chǔ)上又進(jìn)行了相應(yīng)的污泥試驗(yàn)，三組試驗(yàn)KLa20值分別為0.12，0.07和0.06，與清水試驗(yàn)結(jié)論一致，加入斜管后KLa20值均降低41%和50%，但污泥試驗(yàn)的雙層斜管KLa20值卻比單層斜管低，主要是由于污泥條件下，在反應(yīng)區(qū)中加入斜管對充氧的均勻性影響更為明顯，導(dǎo)致反應(yīng)器一側(cè)會(huì)出現(xiàn)明顯的污泥沉降，影響了氧的傳質(zhì)效率，即斜管對反應(yīng)區(qū)污泥產(chǎn)生明顯的阻礙，造成部分的泥水分離，導(dǎo)致KLa20值的降低。

因此，斜管雖能通過改變氣泡路徑增加氣液接觸時(shí)間，但會(huì)影響充氧的均勻性，導(dǎo)致KLa20降低，即不利于提高氧的傳質(zhì)效率。

2.2懸浮填料對氧傳質(zhì)效果的影響

由于懸浮填料孔隙率大，不規(guī)則，表面粗糙且具有多孔道立體結(jié)構(gòu)，因此氣流作用下產(chǎn)生不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，對氣泡起到切割作用，從而起到延長氣液接觸時(shí)間和增大氣液之間接觸面積的作用，所以本實(shí)驗(yàn)選取江蘇某環(huán)保公司生產(chǎn)懸浮填料加入到反應(yīng)裝置中，驗(yàn)證懸浮填料對氧傳質(zhì)效率的影響。

根據(jù)圖8，圖9的試驗(yàn)結(jié)果，懸浮填料在清水和污泥中的KLa20值分別為0.11和0.14，與空白值相比分別增加10%和16.7%，說明懸浮填料確實(shí)能夠明顯提高氧傳質(zhì)效率。

由于試驗(yàn)中曝氣設(shè)備是固定的，所以CS值是個(gè)定值，這樣懸浮填料在反應(yīng)柱中充氧率的提高是通過提高KLa值來實(shí)現(xiàn)的。經(jīng)過分析在污泥條件下填料能使充氧率提高的原因在于：

1)懸浮填料的存在延長了氣液接觸時(shí)間，增大了氣液之間接觸面積。懸浮填料表面粗糙對氣泡造成了切割破壞作用，使氣泡直徑變小，數(shù)量增多，增大了氣液接觸面積，從而提高了氧傳質(zhì)性能。

2)增大了水流紊流程度。由于懸浮填料阻擋使氣泡曲折上升，紊流程度加大，接觸充分，KLa值增高，提高了氧轉(zhuǎn)移速率[5]。

3)外加懸浮填料試驗(yàn)條件下，污泥試驗(yàn)比清水試驗(yàn)提高KLa值更明顯，主要是由于活性污泥絮凝體作為懸浮顆粒將改變氣液界面的水動(dòng)力學(xué)特性[6]，有助于增大生物吸附量和氧傳質(zhì)系數(shù)。

3　結(jié)語

以清水和活性污泥為試驗(yàn)對象結(jié)果表明，單層和雙層斜管與空白相比，清水試驗(yàn)KLa20值降低30%和20%，污泥試驗(yàn)KLa20值降低41%和50%，說明外加斜管并未達(dá)到提高氧傳質(zhì)效率的目的。清水試驗(yàn)雙層斜管的效果比單層斜管的效果提高14%，間接證實(shí)了延長氣泡在水中的停留時(shí)間可以提高氧傳質(zhì)效率；外加懸浮填料明顯提高氧傳質(zhì)效率，在清水和污泥條件下的KLa20值分別增加10%和增加16.7%，同時(shí)外加填料污泥試驗(yàn)比清水試驗(yàn)提高KLa20值更明顯。

[1]朱五星,舒錦瓊.城市污水處理廠能量優(yōu)化策略研究[J].給水排水,2005,31(12):31-33.

[2]劉謙.傳遞過程原理[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]劉春,張磊,楊景亮,等.微氣泡曝氣中氧傳質(zhì)特性研究[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào),2010,4(3):585-589.

[5]趙朋衛(wèi),徐高田,吳煥吉,等.噴射環(huán)流膜生物反應(yīng)器氧傳質(zhì)性能研究[J].中北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)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★:城區(qū)水污染過程控制與水環(huán)境綜合改善技術(shù)集成與示范(項(xiàng)目編號(hào)：2012ZX07301-001)

董陽(1984- )，男，碩士，工程師

董 陽呂 貞陳 波

(常州市排水管理處，江蘇 常州213017)

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