（化学工程与技术专业论文）曝气技术中氧传质影响因素的实验研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 本文以气液两相体系的氧传质过程及流体力学因素中对氧的传质系数的影响作为 研究对象，通过氧传质理论数学模型的分析方法，对所得结果进行了数据分析和理论探 讨。实验采用直径0 1 5 m ，高l l n 的圆柱状有机玻璃柱作为曝气传氧研究的反应器，通过 溶解氧仪连接计算机在线获得实验数据，计算了传质体系在不同实验条件下的氧的总传 质系数，表征了体系在不同条件下的氧传质的性能。对曝气量，表面活性剂，电解质， 温度等因素对曝气氧传质及流态和气泡行为的差异进行了比较，并根据实验结果进行了 相应的理论解释。结果表明：( 1 ) 氧的总传质系数随曝气空气流量增加呈非线性增加的 趋势。( 2 ) 水质对流型和气泡行为有显著影响，从而导致对传氧性能有很大的影响。 ( 3 ) 氧的总传质系数随着温度的增升高而增加，由温度变化引起的饱和溶解氧的变化 对氧转移速率起着决定性的作用，较低的水温将有利于氧的转移。 参考传质及流体控制的理论研究，论证了一种新型搅拌散气式曝气技术原理及机械 构造，并进行了该曝气设备的清水充氧性能实验，对该曝气机的动力效率等性能参数进 行了测定。其具有独特的搅拌曝气双重变频独立控制的曝气方式显示出该设备的充氧 性能好、控制性高、能耗低的技术特点。提出采用搅拌散气式曝气技术解决因水质变动 造成曝气量难以控制的方法，从而为污水处理工艺中曝气量的确定提供了新的思路，同 时也为稳定处理效果、降低曝气能耗和提高曝气技术的自动控制水平提供了重要的参 照。 关键词：曝气氧传质；搅拌散气式曝气；氧的总传质系数；充氧动力效率 曝气技术中氧传质影响因素的实验研究 t h e e x p e r i m e n t a ls t u d y o nt h ei n f l u e n c ef a c t o r so fo x y g e nt r a n s f e ri n a e r a t i o ns y s t e m a b s t r a c t i nt h i sa r t i c l e ，t h ei n f l u e n c ef a c t o r so no x y g e nt r a n s f e rp r o c e 燧o fg a s l i q u i da n d h y d r o d y n a m i c sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sh a v eb e e ns t u d i e db yu s i n g t h em e t h o do fm a t h e m a t i c a lm o d e lo fo x y g e nt r a n s f e rt h e o r y ap l e x i g l a sc o l u m ni su s e da s t h er e a c t o r ( 1 m - h i g h ，0 1 5 m i d ) a n dt h ed a t aa l eo b t a i n e dt h r o u g hao n l i n es y s t e m t h e v o l u m e t r i co x y g e nt r a n s f e rc o e f f i c i e n ta n do x y g e nt r a n s f e rp r o p e r t i e sa r ei n v e s t i g a t e d t h e e f f e c to fa e r a t i o nr a t e ，s u f f a c t a n t , e l e c t r o l y t ea n dt e m p e r a t u r ea l ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t s i n d i c a t e ( 1 ) t h ev o l u m e t r i co x y g e nt r a n s f e rc o e f f i c i e n ti si n c r e a s e db yt h ea e r a t i o nr a t e s i n c r e a s i n g ( 2 ) t h ec h a r a c t e ro fw a t e rh a v eg r e a ti n f l u e n c eo nt h ef l o wp a r e ma n db u b b l e s b e h a v i o r0 ) t h ev o l u m e t r i co x y g e nt r a n s f e rc o e f f i c i e n ti si n c r e a s e db yt h et e m p e r a t u r e s i n c r e a s i n g s a t u r a t e dd i s s o l v e do x y g e np l a yad e c i s i v er o l eo nt h eo x y g e nt r a n s f e rr a t e l o w e r t e m p e r a t u r ei sb e n e f i tt oo x y g e nt r a n s f e r r e f e r r i n gt ot h et r a n s f e ra n dh y d r o d y n a m i c st h e o r y ，an e wt e c h n o l o g yp r i n c i p l eo f a g i t a t i n ga e r a t o rh a sb e e ni n t r o d u c e d t h es i m u l a t i n ge x p e r i m e n t so fc l e a nw a t e ro x y g e n a t i o n o ft h ea e r a t i o ne q u i p m e n th a v e b e e nd o n e t h ep o w e re f f i c i e n c yo ft h ea e r a t i o ne q u i p m e n t h a sb e e nt e s t e d t h ee q u i p m e n th a st h eu n i q u ea e r m i o nm o d eo fd o u b l e - c o n t r o lo fa g i t a t i o n a n da e r a t i o n t h es i m u l a t i n ge x p e r i m e n t so ft h ea e r a t i o ne q u i p m e n ts h o wt h a tt h ee q u i p m e n t h a sc h a r a c t e r i s t i c so fo p t i m a lp r o p e r t y ，e a s yc o n t r o la n de n e r g ys a v i n g o n eo ft h es o l u t i o n s f o rt h ed e f i c i e n c yo fa e r a t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e nf o u n d i to f f e r ss i g n i f i c a n tr e f e r e n c ef o r s t a b l et r e a t m e n te f f e c t , l o w e re n e r g ys a v i n ga n da d v a n c e da u t o - c o n t r o l l e v e l k e yw o r d s ：a e r a t i o no x y g e nt r a n s f e r ；a g i t a t i o na n da e r a t i o nt e c h n o l o g y ；v o l u m e t r i c o x y g e nt r a n s f e rc o e f f i c i e n t ；p o w e re f f i c i e n c yo fo x y g e nt r a n s f e r i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 鳖壑挝氢至邋i 姻旦鑫盈星婆经亟包 作者签名：鲴垄 日期： 垒q 避年_ j 三月二蔓日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 盘整抖挺毖豳睦缝豳塾 作者签名： 重l 垄 日期：圭皇丝 年土盖月立互日 导师签名：；渔冬骛。 日期：二吐年l 月2 乒日 大连理工大学硕士学位论文 引言 自1 9 1 2 年英国的克拉克和盖奇发现，对污水长时间曝气会产生污泥，同时水质得到 明显改善，活性污泥法就和废水处理紧密联系起来。美国约有废水处理厂1 8 0 0 0 座，其 中8 4 为二级生物处理厂；英国共有处理厂约3 0 0 0 座，几乎全是二级生物处理厂；日本 有城市废水处理厂6 3 0 座，村镇废水处理厂2 0 0 0 座，其中二级处理厂和高级处理厂占9 8 左右；瑞典人口不足千万，但有1 5 4 0 座城市废水处理厂，其中9 1 为二级生物处理厂【1 l 。 在发达国家普遍采用的二级生物处理流程中，尤以活性污泥法的应用最广。 活性污泥法的一个基本要素就是溶解氧。没有充足的溶解氧，好氧微生物就不能发 挥氧化分解作用。溶解氧制约了活性污泥法的处理效果。而在一个典型的污水处理厂， 曝气耗费往往占运行费用的6 0 , - - , 8 0 2 1 。传统的曝气设备效率过低，曝气池运行的控制 不佳都使曝气的能耗难以下降。并且随着季节、服务区域内经济发展，污水处理厂进水 的组成都有很大的变化，但是现行的污水处理厂大多没有针对水质变动调整曝气量，从 而会出现曝气不足导致出水的处理效果不好，曝气过度导致能量浪费，运行成本的浪费。 因此，曝气量控制的好坏决定了活性污泥法的处理效果和运行能耗。分析导致需氧量变 化的因素，找到影响曝气氧传质的因子，解决进水水质变化导致的需氧量的变化，把溶 解氧控制在满足生物需要的最佳范围内，用最小的能耗达到生物活动的需求。开发高效 低耗的曝气设备，认清不同废水及操作条件对氧传质的影响，因地制宜，能够根据进水 水质的不同自动调整曝气量，使得既保证溶解氧需求，又尽可能地降低能耗，是环境工 作的重要研究任务之一。但在我国的水处理设备研究和制造体系中发展滞后，产业化程 度、技术水平相对较低，难以满足城市污水处理业高速发展的需求。 鉴于此，本课题主要从曝气氧传质的基础理论开始研究，对影响曝气氧传质的几种 因素进行分析实验，探讨曝气氧传质过程中提高氧传质效率的可行性方法，从而为合理 设计、评价、节能控制曝气池的运行提供理论基础。 曝气技术中氧传质影响因素的实验研究 1 文献综述 1 1绪论 在污水处理技术领域中，尤其在城市污水处理方面，生物法占有非常重要的地位。 在当前的好氧生物污水处理技术领域中，活性污泥法的应用最为广泛。活性污泥生物污 水处理法是水体自净的人工集中强化的过程，是使微生物群体“群居 在活性污泥上， 活性污泥在反应器一曝气池内呈悬浮状态，与污水广泛接触，使污水得到净化的技术【3 j 。 活性污泥法曝气基本物理化学模型就是三相流模型，它有三个基本要素，一是引起吸附 和氧化分解作用的微生物，也就是活性污泥颗粒( 固相) ；二是废水中的有机物和溶解 氧( 液相) ；三是溶解氧的主要来源，水中的微气泡( 气相) 。没有充足的溶解氧，好 氧微生物就不能发挥好好氧性氧化分解作用。因此一个有效的处理工艺，就必须使微生 物，有机物和氧充分接触，只有这样才能使三相相互作用，达到处理各种有机物的目的。 因而在充氧的同时，必须使活性污泥颗粒处于悬浮状态。充氧和混合是通过曝气设备来 实现的。 曝气机作为一种有效的污水处理设备己得到了推广，它的主要功能是向污水中充入 空气，同时使固、液、气三相充分混合，在水循环过程中，使空气中的氧溶入水中，并 和有机物、微生物充分接触、混合，供微生物呼吸，使有机物得到氧化，从而改善了被 污染的生态环境，使水质净化，创造出适合生物生长的环境。同时，污水处理厂的电能 主要消耗在二级生化处理活性污泥曝气工艺上，在各种生化处理过程中，曝气技术作为 一种不可或缺的环节，它的好坏不仅影响污水生化处理效果，而且直接影响污水厂的运 行费用。而且曝气池引起的二次污染及其占地也不容忽视。因此，如何提高曝气中的氧 传质效率，减小曝气池的占地面积，降低二次污染便引起了有关专业人士的重视。此外， 曝气还广泛地应用于除铁，防止水体富营养化，海水倒灌等方面1 4 j 。 综上所述，详细而准确地研究曝气池中的反应机理及其优化提高具有重要意义。 1 2 曝气氧传质的原理 1 2 1 传质理论的基本概念 在一个含有两种或两种以上组分的体系中，如果存在浓度梯度，则每一种组分都有 向低浓度方向转移的趋势。物质由高浓度方向向低浓度方向转移的过程称为质量传递 ( m a s st r a n s f e r ) 过程，简称为传质。 大连理工大学硕士学位论文 传质的本质是由于某种推动力所引起的物质分子或流体微元的运动。传质包括了分 子扩散，也包括了由于对流现象、甚至更简单的混合作用所产生的物质迁移。但不同于 物质的输送，如管道输送流体，则不能称为传质。 传质可分为四个方面的内容1 3 】在静止介质中的分子扩散，在层流流体中的分子扩散， 在自由紊动液流中的旋涡扩散以及两相间的传质。在实际的应用中，越过相界面的相间 传质现象有更重要的作用。 在废水的需氧生物处理方法中，曝气工艺应具有如下功制5 j ： ( 1 ) 产生并维持有效的气水接触作用，并且在水中由于生物氧化作用不断消耗氧气 的情况下，所供给的氧量足以保持水中的溶解氧保持不变； ( 2 ) 在曝气区内产生足够的混合作用和水的循环流型； ( 3 ) 维持液体的足够速度以使水中生物固体处于悬浮状态。 1 2 2 氧传质的理论模型 在曝气过程中，氧分子通过气、液界面由气相转移到液相，在界面两侧存在着气膜 和液膜，气体分子通过气膜和液膜属于传质理论研究的内容。1 9 0 4 年n e m s t 首先提出 传质的单膜模型。后来的发展也是以这一模型为基础的，常用的有下列三种模型1 6 】：1 9 2 6 年由w h i t m a n 提出的双膜理论、1 9 3 5 年由h i g b i e 提出的浅渗理论( p e n e t r a t i o nt h e o r y ) 及1 9 5 1 年由d a n c k w e r t s 提出的表面更新理论( s u r f a c er e n e w a lt h e o r y ) 。 此外，还有一些在这些基础上发展起来的其它理论。当前被污水生物处理科技界所 普遍接受的是双膜理论【7 1 。双膜理论属古典理论，不仅便于应用，更重要的是它能把气 膜阻力和液膜阻力的相对大小表示出来，这对气一液传质具体过程的计算具有相当重要 的意义1 8 】。 ( 1 ) 单膜理论【9 】 如图1 1 所示，假定气体沿水表面流过，水气蒸发进气流内，在气液两相的交界面 处，流速应接近于零。这相当于两相界面是一个固定的表面，而在这个表面附近6 的厚 度内，可以假定是一层静止的膜。界面处气体的浓度为c i ，膜边界处气体的浓度为c b ， 由于膜是静止的，膜内只能靠分子扩散来传递物质。 这层膜内所存在的浓度差c i c b 即传质阻力形成的。这就是n e m s t 提出的膜的概念。 因为膜很薄，膜内部浓度变化可以视为线性的。膜内侧液体中气体的浓度c b 是不变的， 称为主体浓度( b u l kc o n c e n t r a t i o n ) 。主体浓度也就是实际能够量测出来的浓度。膜内浓 度变化是假设存在的，同时也是无法量测的。膜的厚度也只能通过理论公式计算得出。 动量及热量在两相界面间的传递理论也都建立了类似的膜的概念，计算这些膜厚度的公 曝气技术中氧传质影响因素的实验研究 式形式虽然相似，但是计算所得的数值是不等的。 变 膜黟 图1 1 单膜传质理论示意图 f i g 1 1 t h es k e t c hm a po fs i n g l em e m b r a n e sm a s st r a n s f e r ( 2 ) 双膜理论 双膜理论观点是认为在气液界面存在着二层膜( 即气膜和液膜) 的物理模型。这两 层薄膜使气体分子从一相进入另一相时形成了阻力【l o l 。 不管搅拌混合有多大程度，气膜和液膜被认为总是存在的，但搅拌可以减小液膜的 厚度。由扩散发生的转移慢于由混合发生的转移，故转移的速度控制于此停滞的膜。 当液体未为气体饱和时，气体分子从气相转移至液相。这时对于微溶的气体，阻力 主要来自液膜，对于易溶的气体，主要来自气膜，对于中等程度溶解的气体，这两层膜 都呈现相当的阻力。对于过饱和溶液，被溶解的气体将会释放出来。在废水处理系统中， 氧是难溶的气体，它的传递速率通常正比于溶液中的饱和浓度差。 栩界面 c 注1 ) c 6 ：气相主体浓度2 ) c g i ：气相界面浓度3 ) c u ：液相界面浓度4 ) c l ：液相主体浓度 图1 2 气液两相界面浓度分布图 f i g 1 2 t h es k e t c hm a po fc o n c e n t r a t i o nb e t w e e ng a sa n df i q u i d 根据双膜理论，氧的总传质系数瓦有如下关系： 大连理工大学硕士学位论文 百d c 一屹眩一c ) ( 1 1 ) 墨。型 “ v ( 1 2 ) 式中，k 厶为氧总转移系数；a 为气液两相接触面积；v 为液相主体容积。 ( 3 ) 渗透理论( 浅渗理论) 1 9 3 5 年，i - i i g b i e n 】考虑到高流速下的紊动扩散，提出了渗透理论。该理论认为，处 于界面的液体，由于流体的扰动常被液流主体所置换，气相和液相都是按重复的短暂接 触来操作的，由于接触的时间短，就不可能达到稳定。当液体在界面停留期间，溶解气 体将藉不稳定的分子扩散而渗透到液相。该理沦有如下的几点基本假定：允许气体传 递进入它所接触的那部分水中的时间极短，故气体扩散进入水中的深度也必然是很浅 的；传递的过程是非稳定的，即随时间变化的，因此传递的通量并非一个恒量，与双 膜理论中的观点不同；该理论还认为传质阻力主要存在于液膜内；假设处于界面各 液体单元都具有相同的停留时间t ，故只存在一个扩散深度。因此，可得不稳定扩散方 程： j a c 。d ，1 a 2 c ( 1 3 ) a xa x 二 由此方程可得h i g b i e 渗透理论吸收速率表达式：k ， 一如n d rf f i2 接 吲n 4 ， 式中：n 为在f = 0 的时间间隔内的平均吸收速率，m o t ( l 2 x t ) ； l 为界面单元的停留时间，t 。 该理论得到传质系数吃= 2 4 d , 似) 渗透模型考虑了非稳态传质但没有考虑流体 微元停留时间分布的随机性，而是将它们简单的视为常数，其结果仍然与实际相去甚远。 ( 4 ) 表面更新理论 1 9 5 1 年d 锄c k w e r t s 【1 2 】在溶质渗透的基础上，提出了界面各单元的停留时间是按概 率而分布的，即存在一个界面的寿命分布函数。在考虑流体元年龄分布函数的基础上， 他提出了更加广为应用的表面更新理论。该理论认为在紊动水体中，液体不断向气体提 供新表面，同时将己在表面暴露一定时间的涡替换回液体内部。因此传递物质的表面不 可能是固定不变的，应该是由无数的接触时间不同的面积微元组成的，这些面积微元在 相应的接触时间内所传递的质量总和才是真正的传质量。d a n c k w e r t s 假定在界面上流体 曝气技术中氧传质影响因素的实验研究 微元的年龄分布函数为，ar e 州为表面更新率，为一常数；t 为时间参数，由此得到传 质系数一见，。 p e d m u t t e r l l 3 】认为d a n c k w e r t s 假定的表面停留时间的分布函数不尽合理，他提出了 一个“多容量效应概念对表面停留时间的分布函数进行了修正。关于该理论中的表面 更新率，许多人进行了研究，现在多用能量耗散和均方根速度脉动两种紊流特征来描述。 m a t s u o l l 4 1 等人对两种描述方式进行了修正，认为均方根速度脉动的模式比能量耗散 速率的模式更合理。 ( 5 ) 菲克定律【1 5 l 通过曝气，空气中的氧从气相传递到液相中，这既是一个传质过程，也是一个物质 扩散过程。扩散过程的推动力是物质在界面两侧的浓度差。物质的分子从浓度较高的一 侧向着较低的一侧扩散、转移。 扩散过程的基本规律可以用菲克( f i c k ) 定律加以概括，即： n 。d ，丝 ( 1 5 ) 。 。锻 式中：为物质的扩散速率，单位时间内单位断面上通过的物质数量； d ，为扩散系数，表示物质在某种物质中的扩散能力，主要取决于扩散物质 和介质的特性及温度； x 为扩散过程的长度； c 为物质浓度： d c d x 为浓度梯度，即单位长度内的浓度变化值。 上式表明，物质的扩散速率与浓度梯度成正比。 以m 表示在时间t 内通过界面扩散的物质数量，以a 表示界面面积，则下式成立： 。一l d m ( 1 6 ) y 。一一一 k1 o ， 。 彳班 丝，- - 一j ，彳堕( 1 7 ) 一jr 以一 1 ， md x 在气膜中，氧分子的传递动力很小，气相主体与界面之间的氧分压差值( p g - p i ) 很 低，一般可以认为p g = p i 。这样，界面处的溶解氧浓度值c s ，是在氧分压p g 条件下的溶 解氧的饱和浓度值。如果气相主体中的气压为一个大气压，则p g 就是一个大气压中的 氧分压( 约为一个大气压的1 5 ) 。 设液膜厚度为x f ( 此值极低) ，则液膜中溶解氧浓度的梯度为： 大连理工大学硕士学位论文 一l c 里d( 1 8 ) 一- 一 i _ 一 j 赵x f 代入( 1 7 ) 式中得： 警也4 华) ( 1 9 ) d l l 、x ，。 式中：捌出为氧传递速率，k 9 0 2 h , d ，为氧分子在液膜中的扩散系数，； a 为气、液两相接触面面积，m 2 ； ( g c ) x ，为液膜内溶解氧的浓度梯度，堙0 2 ( m 3 嗍) 。 设液相主体的容积为v ( m 3 ) ，并用其除上式，得： i d c 毛导( g c ) ( 1 1 0 ) 出y 、4 7 式中：d c 出为液相主体中溶解氧浓度变化速率( 或氧转移速率) ，姆q ( m 3 访) ； k ，为液膜中氧分子传质系数； 由于a 值难以测定，采用总传质系数k h 代替吃v ) ，从而上式变为： 了d c 一吃( g c ) ( 1 1 1 ) 式中：吃为氧总传质系数，此值表示在曝气过程中氧的总传递性，当传递过程中 阻力大时，则屹值低；反之则吃高。 吒的倒数1 吃的单位为( h ) ，表示曝气池中溶解氧浓度从c 提高到c s 所需时间。 当吃值低时，1 屹值高，使混合液内溶解氧浓度从c 提高到c s 所需时间长，说明氧 传递速率慢；反之，则传递速率快，所需时间短。 这样，为了提高d c 班值，可从两方面考虑： 提高k ，。值。这就需要加强液相主体的紊动程度，降低液膜厚度，加速气一液界 面的更新，增大气、液接触面积等。 提高c s 值。提高气相中的氧分压，如采用纯氧曝气、深井曝气等。 1 2 3 氧传质影响因素及研究进展 如前所述，氧由气相转入液相的机理通常用双膜理论来解释。双膜理论是基于在气 液界面存在着两层膜即气膜和液膜的物理模型。在废水生物处理的系统中k h 为包括两 膜中之一的阻力作用或两膜共同的阻力作用，是单位体积液体所具有的气一液界面面积 曝气技术中氧传质影响因素的实验研究 的函数。k h 的大小表征了曝气设备性能的好坏，同时作为废水处理的操作参数。废水 水质对k h 也有影响。c s 和c 分别为液相氧的饱和浓度和实际浓度，它们的差值表征了氧 传递推动力的大小。 氧从空气中转移入水中有两个途径：一是空气中的氧与水滴或水跃的界面充分接触 而溶于水中，这就是叶轮表面曝气；另一个是通过水面下放出的气泡使氧溶于水中，这 要靠鼓风曝气或射流曝气来实现。在废水生物处理系统中，氧的转移非常复杂，除了气、 液两相间传质过程共同性的因素外，还与污水本身的特性和污水中徽生物的吸氧性能有 关。许多相关学者【1 6 1 对氧传质速率的影响因素及其相应传质设备的选取、测试等方面进 行了大量的研究。 美国环保局对1 7 个废水处理厂数百组试验进行总结，制定了微孔曝气系统设计手 册，说明了对氧传递影响的因素旧，见表1 1 。 表1 1 氧传递的影响因素 t a b 1 1t h ei n f l u e n c ef a c t o ro fo x y g e nt r a n s f e r 影响因素对氧传递的影响 设 备 因 素 废水 特性 扩散器类型 扩散器开孔率 扩散器埋深 扩散器布置 水流方式 曝气池类型 水质 水温 扩散器堵塞微气泡扩散器较粗气泡氧传递效率高 单位面积上扩散微孔多的氧传递效率高 随着扩散器埋深的增加，氧利用率增大，但单位能耗转移的氧量保持不变 格网形布置较单侧布置水流螺旋式前进的及十字形布置的氧传递速率高 活塞流反应器较分段入流反应器氧传递效率高 短宽的曝气池较长宽的曝气池氧传递速率沿程变化小 有生物膜形成导致的扩散器表面堵塞会降低氧传递 干扰物质像表面活性剂含量的提高会降低氧传递 水温升高，氧传递速率增大，但溶解度降低 ( 1 ) 污水中氧传质速率的影响因素 而依据上述传质理论，针对一定工作状况的曝气系统，氧传质的推动力( c s c ) 为 定值，但是由于曝气池中混合液与作为这些模型建立基础的清水有很大的差别，这些传 质模型运用到污水曝气系统中时需对传质系数进行修正。由于污水中包含多种无机、有 机污染物质以及活性污泥絮凝体，所以同清水传质相比，其传质速率必然有较大的改变a 对于污水中氧传质速率的影响因素主要有： 污水水质 污水中含有多种杂质，它们对氧转移产生一定的影响，特别是某些表面活性物质。 大连理工大学硕士学位论文 其主要影响分两方面：降低液流主体的表面张力，从而减小气泡直径。对于一定通气 量的曝气系统，气泡直径的减小就导致了气液界面的增加，进而增加了传质速率。这 些活性物质，特别是一些大分子物质，将会聚集在气液界面，形成一层分子膜，阻碍氧 分子的扩散转移，导致氧传质速率的降低。引入一个修正系数口： 扣型糕等器坠 蚴 扣 丽雨矿瓦f u j 别 d o w i n g 1 a l ，e e k e n f e l d e r l l 9 】等人的研究表明，在浓度不是极低的情况下，表面活性物 质的综合作用是随着浓度的增加而增大氧传质系数，增大口值。k e i t e l 和o n k e l l 等人【刎 的研究表明，离子强度的降低将会增大气泡合并的机率，从而降低气液界面的面积，降 低口值。 由于污水中各类污染物质作用( 主要是有机物) ，将会降低水中的矿物盐浓度，进 而降低了污水中的离子强度和口值。然而具体污水中表面活性剂、离子强度等杂质对传 质系数的综合影响应通过实际的实验研究得出。 溶解氧的饱和度 由于污水中各种杂质的作用，氧在水中的饱和度也将受到水质的影响，引入一个系数卢 进行修正： 一蒜麓 ( 1 1 3 ) 由( 1 1 3 ) 可知，溶解氧的饱和度影响到的是传质推动力( c s c ) ，而非总氧传质系 数k h ，因此在这里不做更多的论述。 污水的温度 水温对氧转移的影响较大。水温上升，水的粘滞性降低，扩散系数增加，液膜厚度 减小，传质系数k i 丑提高。反之，水温降低则会增加水的粘滞性，降低扩散系数，增加 液膜厚度，从而降低传质系数k t a 。引入另一个系数y 进行修正： 蚝。( ) 一邑。( 2 0 ，c 广一加 ( 1 1 4 ) 式中：t 为液流主体的温度， ) ，的取值范围为1 0 0 8 。1 0 4 7 ，通常取1 0 2 4 水温对溶解氧饱和度c s 值也产生影响，c s 随着水温的上升而降低，因为k h 随着水 温的上升而提高，所以要综合考虑温度对氧传质速率的影响。 ( 2 ) 具体工艺与设备对氧气利用率的影响 曝气技术中氧传质影响因素的实验研究 曝气工艺的高效低耗体现在高氧转移速率和氧利用率。为改善氧向水中转移的速 率，应从两方面着手【2 1 】：一是增加亏氧量，即增加氧转移的推动力；二是提高氧的转移 系数k l a 值。而氧气利用率则与具体的工艺设备选择和运行条件控制有关，常有以下几 种途径： 纯氧曝气的应用 纯氧曝气即用纯氧代替空气对混合液进行曝气。氧气作为氧源时，气相中氧的分压 显著增加，按亨利定律，氧在水中的饱和浓度亦成正比增加，从而增大推动力。纯氧曝 气与传统曝气相比，有许多优点： 一是使用纯氧曝气可提高污泥的活性，且氧传递速率的提高使系统可承受更高的有 机负荷；二是纯氧曝气系统的污泥产量少，且污泥沉降性能及净水能力均优于传统曝气 系统；三是纯氧曝气可增大系统有机负荷，减少池容，降低基建费用；四是纯氧活性污 泥处理厂常按活塞流方式操作，并监控氧气的输送，因此比传统活性污泥法氧利用率高 2 2 1 o 纯氧曝气也存在缺点，主要是纯氧发生器容易出现故障、装置复杂、运行管理较麻 烦。水池顶部必须密闭不漏气，结构要求高。如果迸水中混入大量易挥发的碳氢化合物， 容易引起爆炸。同时生物代谢中生成的二氧化碳，将使气体中的二氧化碳分压上升，溶 解于溶液中，会导致p h 值的下降，妨碍生物处理的正常运行，影响处理效率。因而要适 时排气和进行p h 值的调节。 合理选用设备，改进布置方式，提高氧利用率 一般而言，微孔曝气器的口e 。远高于粗气泡扩散器，应作为首选对象。据g r o v e s 1 7 1 等在运行条件相同的对比试验中发现，新微孔曝气器的a e a 比新粗气泡扩散器高1 2 2 ， 一年以后，微孔曝气器的口e 。仅比粗气泡扩散器高3 3 。而对同一微孔扩散器，使用3 5 年后的口e 。比新用时降低1 9 。因此，应用微孔曝气器必须加强维护管理，才能起到有 效的节能作用。在布置方式上，采用格网形布置的口e 。高于单侧布置的，所以应优先选 用格网形布置。 发展新型曝气设备，改进曝气工艺 近年来科技工作者一方面开发出许多新型曝气器，旨在提高氧转移系数k b 值，进 而提高曝气效果；一方面通过对曝气系统设计和操作方式的改进，以达到氧的高效转移 和利用。 大连理工大学硕士学位论文 1 3 国内外曝气技术及设备进展 曝气技术对污水处理效率的高低起着关键作用，同时也是生化池( 如氧化沟、s b r 池、曝气滤池等) 能量消耗的重要因素，从而直接影响到氧的利用效率和能耗。据在某 城市污水处理厂调研情况表明，目前城市污水处理厂大部分采用的是各种类型的微孔鼓 风曝气工艺，曝气工艺过程所用能耗约占整个污水处理厂总用电量的5 0 到7 0 z 3 1 ，是 污水处理厂耗能最大的部分。曝气技术优良性指标中，单位充氧量的能耗是一个非常重 要的评价指标。 废水曝气的两种基本方法是：将空气或纯氧通过淹没的扩散器或其他曝气设备引 入废水；用机械搅拌废水，促进大气中空气的溶解，扩散空气系统由淹没在废水中的 扩散器、集管、空气主管、鼓风机和附属设备组成。 现有的曝气方法主要分为鼓风曝气和机械曝气，水下射流曝气等【1 5 l 。 1 3 1鼓风曝气 鼓风曝气系统由鼓风机、空气扩散装置和一系列连通的管道组成。按照我国的规定， 空气扩散装置分为微孔扩散器( 气泡直径小于3 m m ) 和中大气泡扩散器( 气泡直径大 于3 m m 以上) 。国外研究研究单位常把空气扩散装置分为多孔扩散装置、非多孔扩散 装置和其他类的空气扩散装置。 国外对鼓风曝气产品的开发大致可分为三个时期【2 4 】： 早期( 5 0 年代前) 多用小孔径曝气器，如扩散板等，充氧性能好，电耗少，但由于 阻力大，且堵塞后阻力急剧增大，充氧性能降低，因此逐渐被大气泡曝气设备所取代。 中期( 5 0 7 0 年代) 多用中、大气泡曝气设备，如爪形、塑料盆形、固定螺旋等，它们 充氧性能稍差，但有阻力小，不堵塞，安装维修方便等优点。7 0 年代至今，由于世界性 能源危机，国外又开始研制小孔径微气泡曝气设备，并在防堵、空气净化、风机漏油上 进行了技术改造。 国内所使用的曝气装置也可分为三个阶段：早期为穿孔管；7 0 年代末与8 0 年代初， 有金山l 型、i i 型、固定螺旋、散流器、密集多喷嘴、动态曝气器等。这些设备在过内 污水处理厂有较广泛应用，但它们所产生的气泡均属大、中气泡范围，能耗很大。从8 0 年代中期以后，我国开始研制了符合我国应用条件的微孔曝气设备。 国内曝气器( 头) 生产厂商有3 0 多家，主要有江苏宜兴天地环保的b g i i 型微孔 陶瓷曝气器，浙江凯琪水业k b b 型可变微孔曝气器等。江苏宜兴天地公司引进日本技 术生产的s a i 和s a i i 型微孔陶瓷曝气筒具有安装方便和充氧力强的特点。芬兰诺庞 曝气技术中氧传质影响因素的实验研究 公司( a b sn o p o n o y ) 是国外主要曝气设备生产商，其生产的d d sd i s cd i f f u s e r s y s t e m 微孔曝气器，利用橡胶膜产生气泡，气泡直径达到1 3 毫米1 2 5 1 。 鼓风曝气是目前国内最主流的曝气方式，也是污水处理厂标准活性污泥、s b r 、 m b r 、a o 等诸多工艺中应用最多最成熟的工艺。由于微孔曝气器( 头) 种类多，如膜 片式等，决定鼓风曝气设备类型也很多，其中微孔曝气器( 头) 是鼓风曝气方向设计的 主要方向，是空气扩散的重要装置，材质有陶瓷型和橡胶型。 鼓风式曝气设备的在运行使用中上主要存在的问题有 z 7 1 ：( 1 ) 反应池内水体流程 度显然不够，水体雷诺数( r e ) 一般在2 0 0 0 以下，氧气利用效率比较低，大部分空气 气泡都没有被水吸收又重新回到空气中，要想达到工艺要求只能靠延长曝气时间来达到 要求。( 2 ) 运行参数相对不稳。( 3 ) 控制风量，搅拌强度，微孔曝气的堵塞，曝气深 度等因素对氧传质效率的影响大。从以鼓风微孔曝气为主要曝气方式的污水厂实际运行 中看，污水处理费用的5 0 左右都消耗在曝气环节。 1 3 2 机械曝气 机械曝气器主要分为表面曝气机械和水下曝气机械，在表面曝气机械中又分为垂直 提升式型及水平推流型。 ( 1 ) 表面曝气机 水平推流型曝气设备：基本原理是电机驱动后，经传动部分减速带动轴以一定速 度回转，利用转刷、转盘( 碟) 的运转，推动水体作水平层流，同时将空气卷入水体更 新液面，进行充氧，可通过改变刷片( 或盘片) 的浸没水深、增减盘数或转数来改变充 氧量。这种设备多用于氧化沟工艺中。 美国u s f i l t e re n v i r e x 公司是奥贝尔氧化沟技术及碟式表曝机设备的创始公 司【z7 。，对该设备的研究开发工作已进入成熟和应用阶段，目前全世界已有6 0 0 多个采用 奥贝尔氧化沟工艺及相关设备的污水处理厂在可靠运转。 主要特点是结构简单，维护方便，充氧动力效率在1 8 2 7k 9 0 2 k w h 捌，动力消耗 少。但同时，此设各主要是针对氧化沟工艺定型设计，应用范围受限，另外相对其它曝 气机，水体的湍流程度不够，进入水体的气泡体积很大，虽然污泥处于悬浮流动状态， 但是微观气泡分布没有潜水曝气机好。另外设备体积庞大，显然输入电能中相当一部分 消耗在机器自身的运动中，而且运行时候与表面曝气机相似，产生较多的水雾造成二次 污染。 垂直提升式曝气设备：主要分为倒伞型叶轮表面曝气机、泵型叶轮高强度表面曝 气机及f r 浮筒式( 倒伞) 表面曝气机。 大连理工大学硕士学位论文 主要由叶轮、电机减速机、叶轮升降装置、联轴器、电动机等装置构成，多用于氧化沟 处理等各种工艺。其共同特点是：动力效率高，充氧量约在1 5 2 0 k 9 0 2 k h 2 9 1 ，提升 率高、径向推流能力强，机构简单；传动平稳，噪声低，运行可靠；另外针对不同类型 的表面曝气机，还有各种调节方式及特点，如调节叶轮高度、沉浸深度，电机转速等。 但是表面曝气机也存在着一些缺点【删： 叶轮曝气过程中产生较多的水雾构成对周围环境的污染，不适用于城市或附近有居 住区的地方。德国有关报道称，由于以上原因，不倾向使用这种曝气方式。 美国e i m c o 公司生产o x y r a t o r 倒伞表面曝气机已经有4 0 年历史。另外荷兰 s p a a n sb a b c o c k 公司自也生产s p a a n s - a 和s p a a n s b 型型倒伞表面曝气机，配s e w 减 速机。国内表面曝气机生产厂商有十几家。综合国内相关文献能耗指标，表面曝气机靠 提高电机转速来提高空气向水体中的充氧量，转速越大能耗越高，充氧量就越大。但是， 同时随着能耗的增加，充氧效率却在下降，这就在一定范围内限制了表面曝气机的使用。 ( 2 ) 射流式水下曝气机 潜水射流曝气机相对其它曝气机来说是较新的机型【3 l l ，主要由潜水泵和射流器等装 置构成，不同类型构造略有不同。一般原理为，水流由潜水泵吸入在泵的高压和文丘里 管的作用下形成高速水流进入吸气室，由于使吸气室形成负压，空气在大气压的作用下 通过吸气管进入吸气室，与水在混气室混合，水流将空气剪切成无数微小气泡，由射流 喷嘴喷入水中。 主要特点是溶解氧效率高，充氧量在0 4 6 1 2k 9 0 2 k w h 3 2 1 ，搅拌充分氧在水中的 转移效率高，同时易于安装。但是，目前国内主流机型存在一定的设计缺陷，水和空气 混合后向单方向曝气，这样会造成污水池中溶解氧不均匀，有的地方曝气不足，而有的 地方曝气过量，从而导致能耗较高。随着水深增加自吸空气量减少，如果想增加自吸空 气射入量则必须增大潜水泵功率能耗，而且超过6 米水深，已不能达到充分曝气效果。 国外射流曝气技术在二十世纪八十年代已经有了突破性进展1 3 3 j ，美国m t s 公司在1 9 8 4 年就开始在工业废水和市政污水领域推广其专利技术。但是射流曝气技术并没有得到足 够重视，目前国内主要生产厂商主要有江苏宜兴双力公司等2 0 多家公司。 1 3 3 潜水搅拌曝气 在各种曝气技术中，搅拌散气曝气技术是较新的一种。它具有搅拌曝气双重变频独 立控制的特点，使水活性污泥广气泡三相接触充分，适用于好氧曝气和搅拌等多种条件。 即可同时达到降低能量耗散率和提高曝气性能的目的。国内外潜水搅拌曝气机的应用进 展情况如下： 曝气技术中氧传质影响因素的实验研究 ( 1 ) 新型潜水搅拌曝气机【刈 由日本阪神动力株式会社研制的新型潜水搅拌曝气机，其工作原理为：电机通过减 速箱带动螺旋桨叶轮和散气叶轮旋转，使风机供给的空气进入散气叶轮，被破碎成细微 气泡，与水混合。再由螺旋桨叶轮搅拌为水气混合液( 气泡进一步细化) ，使其经导流 筒出水口喷射出来，在池内循环，实现充氧和搅拌。该机结构紧凑、体积小、性能可靠、 兼有曝气和搅拌双重功能。在日本的应用范围：已应用于1 千多个处理现场，已投入使 用1 万多台。 目前，国内安徽中联实业总公司在参考日本b a 5 0 - a 型水中曝气搅拌机的基础上， 研制了q b g 型潜水曝气机，该机充氧量和动力效率等相应指标达到和接近日本同类产 品( 样本标准) 的水平。在水下经生产试运转中，该机及其配套潜水电机密封性能良好， 具有充氧和搅拌双重功能，使用范围较广，即可作为污水处理的潜水曝气机使用，又可 单独作为潜水搅拌机使用，可以投入批量生产，以满足日益增加的水处理的需要。 ( 2 ) 推流式潜水曝气机【明 由诸暨市天立机电科技发展有限公司研制的推流式潜水曝气机，包括电机，与拦污 栅内腔连通的进气管，其主要特点为所述的电机为横向潜水电机，在电机上方竖置进气 管。使用时，电机大致呈横向放置在水中( 也包括等同的斜置方式) ，并将出水口顺着 水流方向放置，进气管与出水口不在同一直线，大致垂直于水平面，有利于确保进气管 顺利的从水面伸出，又能使曝气机产生的水流顺着自然水流方向运动，对水流起着推动 的作用，加速其流动，提高对污水的处理效果，节省能源。 ( 3 ) 环流式潜水曝气机【3 6 1 环流式潜水曝气机包括环形通道、叶轮，叶轮上设置有轮毅，轮毅外周设置有水平 面与轮毅中心轴线垂直的连接板，连接板上设置有若干副叶片与主叶片，副叶片、主叶 片上分别设置有环形后盖板与环形前盖板，主叶片将后盖板与前盖板之间分隔成若干个 气液混合室，环形通道上设置有若干只环流通道，环流通道由上下盖板及垂直于盖板水 平面且一边相交成8 0 度至9 0 度角的两块档板组成，环流通道以所述环形通道轴心线为 中心呈辐射状均布。 ( 4 ) 潜水浮动式曝气机【了