膜孔參數及表面活性劑對微孔曝氣器充氧性能的影響研究

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2017-11-25

摘要：污水處理廠曝氣設備的性能及水質條件是影響曝氣充氧性能的重要因素，比較了清水及不同表面活性劑濃度下橡膠膜曝氣器的曝氣充氧性能，以標準氧傳質效率（ＳＯＴＥ）為評價指標，得出了不同工況及膜孔參數下曝氣充氧性能的變化規律。結果表明：在清水條件下，ＳＯＴＥ隨著通氣量、膜孔間距、膜孔孔徑的增大而降低；表面活性劑條件下的ＳＯＴＥ（αＳＯＴＥ）隨著表面活性劑濃度的增大而降低；修正系數（α，αＳＯＴＥ與ＳＯＴＥ的比值）隨著膜孔孔徑的增大而增大，膜孔孔徑越小，表面活性劑對橡膠膜曝氣器充氧性能的抑制作用越大。


關鍵詞：通氣量；表面活性劑；標準氧傳質效率；膜孔孔徑；膜孔間距


曝氣系統能耗約占污水處理廠能耗的４５％～７５％，因此曝氣系統的設計及運營效果對節能降耗意義重大。對于曝氣設備而言，曝氣器的性能及穩定性對曝氣系統至關重要。近年來，橡膠膜微孔曝氣器由于其良好的充氧性能而被廣泛應用于污水處理廠。


在實際污水處理中，影響曝氣充氧性能的因素很多。對橡膠膜曝氣器而言，膜孔孔徑及間距是最直接的影響因素，且柔性材質膜孔孔徑以及氣泡直徑會隨著通氣量的變化而變化；對水質條件而言，表面活性劑會改變液相的理化性質以及氣泡的流體力學行為，進而影響微孔曝氣氣液傳質效果。目前，國內外關于運行工況對曝氣充氧性能影響的研究較多，但對橡膠膜微孔曝氣器本身研究較少，并且關于表面活性劑對氣泡特性及充氧性能的研究還存在爭議。莊健等認為，在一定范圍內，曝氣器的充氧性能隨著孔徑的增大而降低；于江忠等認為，在曝氣強度為０．０５ｍ３／（ｍ２·ｓ）、微孔曝氣器膜片開孔眼數量為１５時，曝氣效果最好；ＲＯＳＳＯ等認為，表面活性劑在氣液界面的積累會降低傳質速率，而且相對于表面曝氣和粗孔曝氣，微孔曝氣系統中降低程度更大；ＤＡＶＩＥＳ認為，少量表面活性劑能使氣液界面產生一層附加的薄膜，這層薄膜所產生的應力會阻礙表面運動；羅濤等在中試規模上研究了十二烷基苯磺酸鈉（ＳＤＢＳ）對微孔曝氣氧傳質的影響，發現ＳＤＢＳ質量濃度在０～２０ｍｇ／Ｌ變化時，氧總轉移系數（ＫＬａ）先減小后增大；另外有學者則認為，表面活性劑會減小氣泡直徑，提高氣泡表面黏度和彈性，從而促進氧傳質。因此，本研究比較了清水及不同表面活性劑濃度下橡膠膜曝氣器的曝氣充氧性能，以標準氧傳質效率（ＳＯＴＥ）為評價指標，得出了不同工況及膜孔參數下曝氣充氧性能的變化規律，以期對曝氣器生產廠商有一定的指導價值。


１材料與方法


１．１試驗裝置


試驗裝置（見圖１）主體呈圓柱體，底面直徑為０．６ｍ，高為２．０ｍ，測試有效水深一般為１．０ｍ；在液相主體中部安裝一個溶氧儀探頭，通過無紙記錄儀連接到電腦。


１—溶氧儀及記錄器；２—溶氧儀探頭；３—空壓機；４—Ｕ 型管；５—曝氣器；６—曝氣池；７—放空閥
圖１　試驗裝置示意圖
１．２主要設備及儀器


圓盤式橡膠膜曝氣器；ＬＰ-４０／ＬＰ-６０氣泵（功率４０Ｗ）；氣體轉子流量計（量程１ｍ３／ｈ，精度±２％）；壓力表（精度±２％）；氣溫、水溫表（精度±０．１℃）；ＷＷＡ-０．４／７型空壓機（全無油潤滑空氣壓縮機）；ＤＯ４２００微電腦溶氧控制器（精度±０．５％）；ＸＳＲ１０Ｒ無紙記錄儀；自制Ｕ型管。


１．３試驗材料


脫氧劑（Ｎａ２ＳＯ３，工業純）；催化劑（ＣｏＣｌ２·６Ｈ２Ｏ，工業純）；表面活性劑（ＳＤＢＳ，分析純）；試驗用水（自來水，總溶解性固體（ＴＤＳ）約為２００ｍｇ／Ｌ）。


１．４測定方法


本試驗原理是由ＷＨＩＴＭＡＮ提出的雙膜理論。試驗按照《微孔曝氣清水氧傳質性能測定》（ＣＪ／Ｔ４７５—２０１５）進行。考慮到ＴＤＳ對飽和溶解氧的影響，同時采用美國最新的清水氧傳質測試標準提供的修正方法對ＴＤＳ進行了修正，以增強數據的可比性，見式（１）。


式中：y為標準氧總轉移系數（ＫＬａｓ），ｍｉｎ－１；x為ＫＬａ，ｍｉｎ－１；c為ＴＤＳ質量濃度，ｍｇ／Ｌ。


２結果與結論


２．１通氣量及膜孔間距


ＫＬａｓ是表征曝氣器在標準測試條件下的氧總傳質性能特征，可以在一定程度上表征曝氣過程充氧能力。在清水條件下，膜孔孔徑為０．９ｍｍ時，不同膜孔間距及通氣量下ＫＬａｓ的變化曲線見圖２。如圖２所示，隨著通氣量的增大，單位時間內液相中氣含率增大，氣液兩相之間湍動效果增強，有利于氧傳質，進而ＫＬａｓ逐漸增大。當通氣量較小時，不同膜孔間距下ＫＬａｓ變化不明顯；隨著通氣量的增大，膜孔間距越小，橡膠膜孔出氣數量越大，單位時間內液相中氣含率越大，故ＫＬａｓ總體越大。但是，曝氣生產廠商不能無限縮小橡膠膜膜孔之間的膜孔間距，膜孔間距減小會導致橡膠膜膜孔之間的抗撕裂強度降低，增大曝氣過程中的曝氣器曝氣膜片撕裂的可能性。


圖２　不同膜孔間距及通氣量下ＫＬａｓ的變化曲線
在清水條件下，當膜孔孔徑為０．９ｍｍ時，不同膜孔間距及通氣量下ＳＯＴＥ的變化曲線見圖３。如圖３所示，ＳＯＴＥ隨著通氣量的增大而下降；當通氣量一定時，隨著膜孔間距的增大，ＳＯＴＥ呈現整體下降的趨勢。當膜孔間距一定時，隨著通氣量的增大，橡膠膜膜孔張開越大，形成的氣泡直徑越大，相對于微氣泡，大氣泡比表面積降低，并且氣泡上升速度增大，氣泡停留時間變短，因此ＳＯＴＥ下降；當通氣量一定時，隨著膜孔間距的增大，相同橡膠膜膜面積下氣孔數量減少，單位時間內生成的氣泡數量減少（見圖４），并且氣泡上升速度增大導致氣泡停留時間變短，影響氣液傳質效果，因此ＳＯＴＥ下降。


圖３　不同膜孔間距及通氣量下ＳＯＴＥ的變化曲線


圖４　不同膜孔間距下氣泡分布特性
２．２通氣量及膜孔孔徑


在清水條件下，當膜孔間距為３．０ｍｍ時，不同膜孔孔徑下ＳＯＴＥ的變化曲線見圖５。如圖５所示，當通氣量分別為０．１、０．３ｍ３／ｈ時，隨著膜孔孔徑的變大，ＳＯＴＥ呈現整體下降的趨勢。在相同條件下，膜孔孔徑與產生氣泡的直徑呈一定的正相關，即產生氣泡的直徑隨著膜孔孔徑的增大而增大。膜孔孔徑越小，產生的氣泡直徑越小，氣泡比表面積越大，有利于氧傳質，ＳＯＴＥ提高；膜孔孔徑越大，產生的氣泡直徑越大，氣泡比表面積越小，不利于氧傳質，ＳＯＴＥ下降。


圖５　不同膜孔孔徑下ＳＯＴＥ的變化曲線
２．３表面活性劑及膜孔孔徑


表面活性劑條件下的ＳＯＴＥ表示為αＳＯＴＥ。當膜孔間距為２．０ｍｍ時，不同表面活性劑質量濃度下αＳＯＴＥ的變化曲線見圖６。如圖６所示，當膜孔孔徑分別為０．３、０．７ｍｍ時，隨著表面活性劑濃度的增大，αＳＯＴＥ逐漸下降，并且膜孔孔徑為０．７ｍｍ的αＳＯＴＥ總體大于膜孔孔徑為０．３ｍｍ的αＳＯＴＥ。表面活性劑由于其親水親油的性質會在上升氣泡的氣液界面上積累，增加了界面的氧轉移阻力并降低了內部氣體循環和總的氧轉移速率。隨著表面活性劑濃度的提高，氣液界面積累的表面活性劑分子越來越多，嚴重影響氣液之間的傳質，導致αＳＯＴＥ的下降。


圖６　不同表面活性劑質量濃度下αＳＯＴＥ的變化曲線
修正系數（α）為αＳＯＴＥ與ＳＯＴＥ的比值。不同膜孔孔徑下α的變化曲線見圖７。如圖７所示，清水條件下，ＳＯＴＥ隨著膜孔孔徑的變大而逐漸降低，與圖５相一致；當存在表面活性劑時，αＳＯＴＥ隨著膜孔孔徑的變大而總體逐漸降低，與圖６相一致。當在清水中加入表面活性劑時，隨著膜孔孔徑的變大，同時，曝氣產生的氣泡直徑隨之變大，α逐漸增大，說明膜孔孔徑變大，ＳＯＴＥ下降速度變慢，表面活性劑對微孔曝氣器的充氧性能抑制作用變弱。對于移動界面來說，湍流傳質是界面氧傳質的驅動力，主要通過界面更新速率和表面活性劑分子能覆蓋的實際面積兩個方面影響。膜孔孔徑越小，越容易被表面活性劑覆蓋，進而表現出αＳＯＴＥ的快速下降。


圖７　不同膜孔孔徑下α 的變化曲線
表面活性劑在微氣泡界面上的積累程度比在大氣泡上嚴重的多，由于水力停留時間較長，表面活性劑分子在微氣泡界面的積累時間較充裕。同時，小氣泡的界面速率也較低，一旦表面活性劑附在界面上，疏水基就會進入氣泡內部，阻礙了內部氣體循環，嚴重降低了氧傳質速率。隨著膜孔孔徑的增大，氣液湍流效果增強，即增大流動性可以部分抵消表面活性劑的效應。但是能量密度更大，曝氣效率較低。


因此，在開發曝氣設備時，應該充分考慮水質條件及工況條件對微孔曝氣充氧性能的影響。在實際污水生物處理過程中，污水中的表面活性劑對微孔曝氣器甚至超微孔曝氣器的抑制作用較明顯，所以并不是氣泡越小越有利于曝氣池內三相混合及氣液傳質效果，在推流式曝氣池前端，當表面活性劑濃度較高時，應該適當增大曝氣器的孔徑來實現最佳的曝氣效果。


３結論和建議


（１）ＳＯＴＥ隨著通氣量、膜孔間距、膜孔孔徑的增大而降低。


（２）αＳＯＴＥ隨著表面活性劑濃度的增大而降低，α隨著膜孔孔徑的增大而增大。膜孔孔徑越小，表面活性劑對橡膠膜曝氣器充氧性能的抑制作用越大。


（３）對于橡膠膜曝氣器，建議曝氣器生產廠家應根據不同水質及工況條件優化曝氣器膜孔孔徑及間距，保證橡膠膜曝氣器的最佳充氧性能，實現節能降耗和穩定運行。