摘要：射流曝气产生的微细气泡是影响氧传质效率的关键。在射流曝气传质学原理的基础上，通过搭建PⅣ 实验台对设计加工的射流曝气器产生的微细气泡直径等参量进行测量。结果表明，其产生的微细气泡粒径小、分布均匀，气泡上浮平均速度小，横向平均速度大、有漩涡。这些特点均有助延长气泡滞留时间或加强扰动，提高氧传质的效果。
关键词：射流曝气；微细气泡；PIV；氧传质效率
射流曝气作为一种高效节能的曝气技术，已成为当今污水生化处理技术领域的重要研究课题之一。它利用狭小通道对上升气流的约束作用，对水流形成强烈扰动和剪切，并抑制气泡与活性污泥絮体的长大n1。目前，对于射流曝气的研究主要集中在射流曝气的影响因素、工程应用及各式模型的建立和求解上。如文献中分别从射流曝气器结构和工作条件两方面分析影响射流曝气充氧性能的因素；文献中报道了联邦德国三大化工公司化学废水、日本日明生活污水及成都东站货洗废水的射流曝气处理；文献中通过射流曝气不同模型的求解，研究射流曝气的内部复杂流动。但就影响射流曝气氧传质效率的气泡本身，国内外文献鲜有报道。鉴于此，就影响射流曝气氧传质效率的气泡本身，利用搭建的PIV实验平台对设计加工的射流曝气器进行纯水实验，测量和分析其产生的微细气泡的直径、粒径分布、速度场等参量，以对提高射流曝气的传质研究有所借鉴。
1 射流曝气传质学原理
射流曝气作为一种科学的曝气方式，其产生的气泡是影响氧利用效率和传质效率的关键。通常，氧与污水中的污泥絮体传质包括3个过程，即液相传质、活性污泥附液膜传质和固相传质。对于液相传质和固相传质，水流的湍流扩散和活性污泥微小絮体的形成都可迅速完成，而活性污泥附液膜传质几乎控制了整个氧传质转移速率。活性污泥污水中氧传质转移速率基本方程为
N=KLA△C(1)
式中：N为活性污泥污水中氧传质转移速率；KL为液膜系数；A为扩散接触面积；△C为液膜两测浓度差。由式(1)可知，对于容积一定的活性污泥污水，影响氧传质效率的3个主要因素是液膜系数KL、扩散接触面积A和液膜两测浓度差△C。就射流曝气活性污泥污水充氧生化处理来说，实质是射流曝气产生的气泡问题。气泡越小，液膜厚度越薄，液膜系数KL自然越大；同时由于气泡小，气泡数就多，所以气液接触面积A增大。另外由于气液界面更新及时，液膜两测浓度差△C自然就大。
2 实验设备及测量方法
2．1 射流曝气器
实验用射流曝气器根据文献设计加工而成，如图1。它由喷嘴、引射管、双吸气室、双喉管和双扩散管等组成。经过加压的纯水(约O.1MPa)由射流曝气器喷嘴喷出形成高速射流(约20m/s)，以引射大气，然后在喉管和扩散管内产生强烈剪切混合，被引射气体粉碎成许多微细气泡，最后喷人曝气池内进一步对池内流体扰动混合，以促进界面更新，提高气泡的滞留率和气液接触时间，达到提高射流曝气充氧效率的目的。
2．2 PIV测量系统
采用的PIV测量系统的构成组件如图2，包括以下部分：
(1)TSI的ND。2个YAG双脉冲激光器，最大输出功率20mJ/Pulse，脉冲时间间隔可调，并根据需要打开其中1个或2个；
(2)分辨率为2400×2000像素的互相关CCD相机；
(3)同步装置。用于控制PIV系统的各组件，包括激光发生器、CCD照相机及图像采集和转换装置，使它们按照正确顺序执行指令；
(4)计算机系统。用于计算机操控和数据后处理，包括数据采集装置、安装的处理软件以及一些外围设备。利用PIV进行流场测量，示踪粒子的跟随性。本实验需要测量的是纯水水体中的气泡，而气泡本身可作为示踪粒子使用，因而无需向水体中投放示踪粒子。
2．3 实验装置及过程
图3是该实验装置的结构示意图。首先关闭所有阀门，向曝气池注水直至水面升至溢流板高度；将射流曝气器水平浸没安装在池底，关闭排水阀门和旁路阀门，打开其余3个阀门，启动水泵，带动水循环；待整个循环系统运行稳定后，从小到大调节干路阀门和旁路阀门来改变工作水流量，当观察到有气泡产生时，启动PIV系统，激光片光平
1.56；O.02 m/s。由此可见，气泡垂直上浮速度很小，但横向有一定速度，并有许多小漩涡。上升速度小可以延长气泡在水中的滞留时间，增加气泡内外氧的传质时间，有效促进氧的更新；一定的横向速度和小漩涡有助进一步加强池中水体扰动，促进液膜更新，也可促进氧的及时更新，从而提高其在水体中的氧传质效果。
综上所述，本实验的射流曝气器产生的微细气泡粒径小、分布均匀，同时上浮速度小，有一定的横向速度，并产生许多小漩涡。粒径小和分布均匀增大了气液接触面积，小的上升速度能延长气泡在水中的停留时间，即能延长气液接触时间，有效利用了气泡中的氧源，横向速度和小漩涡进一步扰动水体，促进液膜更新，提高氧的传质效率。
4 结 论
在射流曝气传质学原理的基础上，利用搭建的PIV实验平台，对设计加工的射流曝气器产生的微细气泡直径等参量进行测量，通过分析得到气泡粒径分布、气泡速度场，通过快速傅立叶变换得到整个气泡速度场内气泡的平均速度，为射流曝气的深入研究提供参考。
来源：《安徽工业大学学报》