摘 要：气泡曝气过程中氧传质对于好氧生物处理过程具有重要意义。采用水力旋转剪切微气泡发生装置, 考察了运行条件和水质特性对微气泡曝气中氧传质特性的影响。结果表明, 微气泡曝气可获得较高的气含率和气泡停留时间; 表面活性剂十二烷基磺酸钠(SDS)可以提高微气泡曝气的气含率和气泡停留时间。微气泡曝气中氧的总体积传质系数明显高于传统气泡曝气。总体积传质系数随着空气流量的增加而增加; 氧传质效率随着空气流量的增加而减小, 且对空气流量的变化更为敏感。在温度15—35℃范围内, 微气泡曝气中氧的总体积传质系数随着温度的增加而增加, 变化关系与传统气泡曝气基本相同, 但对温度的变化更为敏感。微气泡曝气中, 表面活性剂SDS会使氧的总体积传质系数略有降低, 其不利影响明显小于传统气泡曝气; 氧的总体积传质系数随盐度( NaCl浓度)增加而逐渐增加, 并在NaCl浓度>5000mg/L后趋于稳定。
关键词：微气泡曝气 氧传质 运行条件 废水水质
曝气是废水好氧生物处理工艺的基本过程, 也是动力消耗的主要环节, 约占动力成本的45%—75%。曝气的主要方式包括气泡曝气和表面曝气, 传统的气泡曝气根据气泡尺寸可以分为大气泡曝气和小气泡曝气。曝气的主要目的之一是为微生物去除污染物提供溶解氧, 因此, 提高曝气中的氧传质速率对于降低曝气动力消耗具有重要意义。
研究表明, 气泡尺寸减少有助于提高气泡曝气的氧传质速率, 因此, 微气泡曝气越来越受到关注。微气泡的产生方法很多, 如水力剪切法、机械搅拌法和超声波法等, 产生的微气泡在环境、工业、医疗等领域都有应用, 其中微气泡曝气多采用水力剪切法。和传统气泡曝气相比, 微气泡尺寸很小(一般直径<50μm) , 因此比表面积很大而上升速率很小, 气-水接触时间长, 接触面积大, 有助于提高气-水传质速率。目前, 微气泡曝气强化气-水传质在臭氧传质和发酵传质方面研究较多, 而空气-水曝气充氧的研究报道还不多见。
本研究采用水力旋转剪切微气泡发生装置, 考察了微气泡曝气中运行条件和水质特征对空气-水充氧过程的影响, 初步探索了微气泡曝气中氧传质特性, 为微气泡曝气应用于废水生物处理提供参考。
1 材料与方法
1.1 实验装置
本研究采用水力旋转剪切微气泡发生装置,该装置空气流量范围为0—2 L/m in, 功率为370W, 气-水混合后高速旋转, 利用水力剪切作用产生微气泡。曝气容器为有机玻璃矩形槽,有效容积为24 L, 高度为0.35m。实验装置如图1所示。
1.2 氧的总体积传质速率系数(KLa)和标准氧传质效率(SOTE)测定
在完全混合条件下, 曝气充氧过程中, 水中溶解氧浓度随时间的变化符合一级动力学方程, 即
1. 3 气含率测定
气含率为曝气容器中气泡的体积比率。本研究在微气泡曝气过程中, 从曝气容器中取一定体积的气-水混合物, 测定其质量, 并计算其密度Q气- 水。已知气-水混和物密度Q气- 水和相同条件下水的密度Q水, 忽略气体的密度, 根据式( 4)计算气含率。
2 结果和讨论
2. 1 微气泡曝气中的气含率
在一定的空气流量下, 气含率反映了气泡在水中的停留时间, 气含率越大, 气泡在水中的停留时间越长, 有利于气-水充分接触, 强化气-水传质过程。微气泡在水中上升速率小, 停留时间长, 气含率高。表面活性剂有助于微气泡的形成并提高气泡的稳定性, 污水中的表面活性剂浓度一般为0－10mg/L。本研究在15℃、0.2 L /m in 的空气流量下(该条件下, 微气泡的平均直径为55.8μm), 测定了清水中和表面活性剂十二烷基磺酸钠(SDS)浓度为5和10mg/L条件下的气含率, 并计算了微气泡的平均停留时间, 结果如图2所示。
由图2可知, 微气泡曝气时, 清水中的气含率可以达到0.85%, 气泡平均停留时间为1.02min。表面活性剂SDS的存在增加了微气泡曝气的气含率和气泡停留时间, 当SDS浓度为10mg/L 时, 气含率为1.66%, 气泡停留时间为1.99min, 比清水条件下增加了近1倍, 表明表面活性剂对促进微气泡形成和保持气泡稳定性具有显著作用。同时, 本研究在曝气容器深度仅为0.35m条件下, 获得微气泡曝气的气含率远大于传统气泡曝气(如500L曝气容器中为0.3%), 表明微气泡曝气有利于强化氧传质过程。
2. 2 运行条件对微气泡曝气中氧传质的影响
运行条件对气泡曝气中氧传质具有显著影响,因此本研究考察了空气流量和温度对微气泡曝气中氧传质的影响。
2.2.1 空气流量
在15℃条件下, 考察了0－2.0 L/min 范围内,不同空气流量条件下氧的总体积传质系数和标准氧传质效率, 结果如图3所示。
图3
2.2.2 温 度
温度对氧传质速度和饱和溶解氧浓度都有显著影响, 本研究在0.2L/min空气流量下, 考察了15－35℃范围内氧的总体积传质系数的变化, 结果如图4所示。
2.3 水质条件对微气泡曝气中氧传质的影响
水质条件对气泡曝气氧传质具有显著影响, 一般来说, 水中的杂质会降低氧的总体积传质系数。本研究考察了表面活性剂SDS 和盐度( NaCl)对微气泡曝气氧传质的影响。
2.3.1 表面活性剂
传统气泡曝气中, 表面活性剂会降低氧的总体积传质系数, 可以用A因子来表示其影响程度, 如式(7)所示:
由图5可知, 随着表面活性剂浓度的增加, 微气泡曝气氧的总体积传质系数仅略有降低。当SDS浓度为10mg/L时, a因子为0.96。传统气泡曝气过程中, 表面活性剂会显著降低氧的总体积传质系数, 小气泡曝气时a因子仅为0.55,与之相比,微气泡曝气中, 表面活性剂的不利影响明显降低。可见, 表面活性剂对微气泡形成和稳定性的改善作用提高了气含率和气泡停留时间, 部分抵消了其对氧传质过程的不利影响。
2.3.2 盐 度
水中的盐度也会对气泡曝气的氧传质过程产生影响。一般来说, 废水中都含有一定的盐度, 特别是某些工业废水盐度较高。本研究在15℃、0.2L/min空气流量条件下, 考察了不同盐度(NaCl浓度,0－15000mg/L范围内)对微气泡曝气氧的总体积传质系数的影响, 结果如图6所示。
由图6可知, 随着盐度的升高, 氧的总体积传质系数逐渐增加并趋于稳定。盐度的存在可以降低溶液的表面张力, 同时降低微气泡界面的电位,从而提高微气泡的稳定性,使得微气泡的平均尺寸降低,有利于提高氧的总体积传质系数。当盐度增加到5000mg/L后,对氧传质的促进作用逐渐稳定。
3 结 论
(1)微气泡曝气可获得较高的气含率和气泡停留时间, 可以强化空气-水的氧传质过程; 表面活性剂SDS的存在有助于提高微气泡曝气的气含率和气泡停留时间。
(2)在空气流量0.2—2L/min范围内, 微气泡曝气中氧的总体积传质系数显著高于传统气泡曝气, 且随着空气流量的增加而增加; 标准氧传质效率同样高于传统气泡曝气, 且随着空气流量的增加而减小, 并对空气流量的变化更为敏感。在温度15—35℃范围内, 微气泡曝气中氧的总体积传质系数随着温度的增加而增加, 氧的总体积传质系数与温度的关系与传统气泡曝气基本相同, 但对温度的变化更为敏感。
(3)表面活性剂SDS浓度为0—10mg/L时, 微气泡曝气中氧的总体积传质系数略有降低, 但其不利影响明显小于传统气泡曝气。盐度(NaC l)为0—15000mg/L时,氧的总体积传质系数随盐度增加而逐渐增加并在>5000mg/L后趋于稳定。
来源：《环境工程学报》