曝氣增氧技術(shù)的試驗研究

曝氣增氧技術(shù)的試驗研究

在石油和焦炭行業(yè)，廢水處理一直是一個受關(guān)注的問題。隨著水資源的缺乏和水污染的惡化，廢水處理變得越來越嚴(yán)重。曝氣設(shè)備作為廢水生物處理工藝中的核心設(shè)備也已日益受到世界各國水處理界和企業(yè)界的高度重視。近幾年,國內(nèi)廢水處理設(shè)備多采用進(jìn)口曝氣設(shè)備,這不僅增加了工程投資,還由于維護(hù)管理或者國外產(chǎn)品本身的性能等問題,給污水處理過程帶來許多問題。因此,提高我國曝氣設(shè)備的自主研發(fā)能力至關(guān)重要。本文作者介紹了一種新型的曝氣設(shè)備,并對該曝氣設(shè)備進(jìn)行了曝氣性能研究。1低濃度梯度的分布在一個含有兩種或兩種以上組分的體系中,如果存在濃度梯度,則每一種組分都有向低濃度方向轉(zhuǎn)移的趨勢。物質(zhì)由高濃度方向向低濃度方向轉(zhuǎn)移的過程稱為質(zhì)量傳遞過程,簡稱為傳質(zhì)。1.1污水生物處理中膜技術(shù)的發(fā)展在曝氣過程中,氧分子通過氣、液界面由氣相轉(zhuǎn)移到液相,在界面兩側(cè)存在著氣膜和液膜,氣體分子通過氣膜和液膜屬于傳質(zhì)理論研究的內(nèi)容。1904年Nemst首先提出傳質(zhì)的單膜模型,后來的發(fā)展也是以這一模型為基礎(chǔ)的。常用的有3種模型:雙膜理論、淺滲理論(penetrationtheory)及表面更新理論(surfacerenewaltheory)。當(dāng)前被污水生物處理科技界所普遍接受的是雙膜理論。雙膜理論是基于在氣液界面存在著兩層膜即氣膜和液膜的物理模型。當(dāng)物質(zhì)通過相界面從一相轉(zhuǎn)移到另一相時,傳質(zhì)阻力在每相中產(chǎn)生濃度梯度(圖1)。在廢水生物處理的系統(tǒng)中,氧是難溶氣體,它的傳遞速率可用下式表達(dá)。式中,KLa包括兩膜中之一的阻力作用或兩膜共同的阻力作用,是單位體積液體所具有的液-氣界面面積的函數(shù),其大小表征了曝氣設(shè)備性能的好壞;Cs和C分別為液相氧的飽和濃度和實際濃度,它們的差值表征了氧傳遞推動力的大小。1.2純氧曝氣系統(tǒng)曝氣工藝的高效低耗體現(xiàn)在高氧轉(zhuǎn)移速率和氧利用率。為改善氧的轉(zhuǎn)移速率,提高曝氣效果,可從兩方面考慮:一是增加水中虧氧量,即增加氧轉(zhuǎn)移的推動力;二是提高氧的轉(zhuǎn)移系數(shù)KLa的值。而氧氣利用率則與具體的運行條件控制和工藝設(shè)備選擇有關(guān),常有以下幾種途徑。(1)純氧曝氣的應(yīng)用純氧曝氣即用純氧代替空氣對混合液進(jìn)行曝氣。氧氣作為氧源時,氣相中氧的分壓顯著增加,按亨利定律,氧在水中的飽和濃度亦呈正比增加,從而增大推動力。純氧曝氣與傳統(tǒng)曝氣相比,有許多優(yōu)點:一是使用純氧曝氣可提高污泥的活性,且氧傳遞速率的提高使系統(tǒng)可承受更高的有機(jī)負(fù)荷;二是純氧曝氣系統(tǒng)的污泥產(chǎn)量少,且污泥沉降性能及凈水能力均優(yōu)于傳統(tǒng)曝氣系統(tǒng);三是純氧曝氣可增大系統(tǒng)有機(jī)負(fù)荷,減少池容,降低基建費用;四是純氧活性污泥處理廠常按活塞流方式操作,并監(jiān)控氧氣的輸送,因此比傳統(tǒng)活性污泥法氧利用率高。純氧曝氣也存在缺點,主要是純氧發(fā)生器容易出現(xiàn)故障、裝置復(fù)雜、運行管理較麻煩。(2)合理選用曝氣設(shè)備,改進(jìn)布置方式,提高氧利用率一般而言,微孔曝氣器的氧利用率遠(yuǎn)高于粗氣泡擴(kuò)散器,應(yīng)作為首選對象。在布置方式上,采用格網(wǎng)形布置的氧利用率高于單側(cè)布置的,所以應(yīng)優(yōu)先選用格網(wǎng)形布置。(3)發(fā)展新型的曝氣設(shè)備,改進(jìn)曝氣工藝近年來許多科研工作者一方面開發(fā)出許多新型曝氣器,提高氧轉(zhuǎn)移率,降低能耗,進(jìn)而提高曝氣效果;一方面通過對曝氣系統(tǒng)設(shè)計和操作方式的改進(jìn),以達(dá)到氧的高效轉(zhuǎn)移和利用。本文中介紹的離式螺旋曝氣設(shè)備就是開發(fā)的一種新型的曝氣增氧設(shè)備。2離式螺旋曝氣設(shè)備的結(jié)構(gòu)離式螺旋曝氣設(shè)備是在原有的迷宮螺旋泵的基礎(chǔ)上研制開發(fā)的。在對迷宮螺旋泵進(jìn)行性能試驗時發(fā)現(xiàn),迷宮螺旋體同時具有氣液混輸性能,且出口處流體夾帶氣泡均勻、氣泡小,具有良好的曝氣效果。該曝氣設(shè)備屬于自吸式曝氣設(shè)備,空氣的吸入是靠入口處形成負(fù)壓的作用自動吸入的,因此不需要空氣壓縮機(jī)壓縮氣體,降低了功耗,提高了效率,具有新穎性和創(chuàng)造性,可作為傳統(tǒng)曝氣設(shè)備的替代產(chǎn)品。離式螺旋曝氣設(shè)備的實物圖和示意圖如圖2、圖3所示。離式螺旋曝氣設(shè)備工作原理,該曝氣設(shè)備是由一對帶有多頭螺紋且旋向相反的轉(zhuǎn)子和定子組成,轉(zhuǎn)子和定子之間留有間隙。由轉(zhuǎn)子和定子及轉(zhuǎn)子和定子之間的間隙所形成的工作腔稱為迷宮螺旋體(如圖4所示)。當(dāng)電動機(jī)帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時,轉(zhuǎn)子螺紋對其槽內(nèi)介質(zhì)產(chǎn)生兩方面的作用:一方面攜帶介質(zhì)克服摩擦阻力做圓周運動;另一方面推動介質(zhì)沿軸向前進(jìn),從而獲得揚程。介質(zhì)從螺紋間隙中流出。氣體和液體進(jìn)入螺紋空隙腔后,由于湍流剪切作用,使得氣泡變形、分裂,產(chǎn)生微氣泡,微氣泡從裝置的出口排出,送入到曝氣池內(nèi),最終達(dá)到曝氣增氧的目的。迷宮螺旋體是離式螺旋曝氣設(shè)備的主要部件。迷宮螺旋體主要參數(shù):螺紋形狀、幾何尺寸以及螺旋升角α、螺紋槽深h、轉(zhuǎn)子和定子之間的間隙c、螺紋槽寬bG與螺紋棱寬bL等參數(shù)。螺紋形狀有矩形、梯形、三角形和半圓形等螺紋基本型線,其中三角形迷宮螺旋槽所獲得的揚程最高,半圓形螺紋的效率最高。三角形迷宮螺旋槽的幾何尺寸如圖5所示。3曝氣性能測試本試驗的目的是利用試驗手段對該曝氣設(shè)備的充氧能力、氧利用率等進(jìn)行測試,從而綜合評價該曝氣設(shè)備的曝氣性能。曝氣設(shè)備曝氣性能研究的主要手段是清水充氧試驗,本試驗在北京高碑店污水處理廠曝氣實驗室對離式螺旋曝氣設(shè)備進(jìn)行了清水充氧性能測試。3.1溶解氧測試試驗為了測試離式螺旋曝氣設(shè)備的充氧性能,采用溶氧儀測量該曝氣設(shè)備排出水池內(nèi)的含氧量,試驗原理圖如圖6所示。(1)試驗主要設(shè)備三相異步電動機(jī);離式迷宮螺旋設(shè)備;電容式壓力變送傳感器(壓力表);氣體轉(zhuǎn)子流量計LZB-25;德國WTWOxi330i溶氧儀。(2)試驗步驟開啟配電控制箱的控制開關(guān);將溶解氧儀探頭安裝到指定測點;向池內(nèi)注入清水至所需高度;測定并記錄水溫、水中溶解氧濃度;用溫水溶解氯化鈷后再溶解亞硫酸鈉,將藥劑溶液由池面均勻撒入水中,并攪拌均勻;當(dāng)水中溶解氧濃度降為零時,開啟電動機(jī),帶動離式螺旋曝氣設(shè)備開始進(jìn)行曝氣充氧;當(dāng)曝氣池表面有氣泡出現(xiàn)時,開始計時,每隔1min記錄一次溶解氧值,直到水中溶解氧達(dá)飽和濃度Cs。3.2國內(nèi)大氣回收率實驗離式螺旋曝氣設(shè)備輸送介質(zhì)為水和空氣,電動機(jī)轉(zhuǎn)速為2950r/min,在保持該曝氣設(shè)備的出口壓力為0.6MPa的情況下,氣體轉(zhuǎn)子流量計的讀數(shù)為2.8m3/h,即進(jìn)氣量為2.8m3/h。曝氣實驗室曝氣池體積為2m×2m×7m,清水有效容積為2m×2m×6.5m=26m3,室溫10.6℃,初始水溫11.2℃,中間水溫11.7℃,實驗終了水溫11.9℃;大氣中含氧12.5mg/L。溶氧儀測得曝氣池內(nèi)水中的溶解氧濃度C與時間t關(guān)系如表1所示,同時可繪制水中溶解氧濃度隨時間的變化的C-t曲線(如圖7所示)。3.3離式螺旋曝氣設(shè)備的氧利用率該曝氣設(shè)備的曝氣性能可從以下幾個方面來分析。(1)氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)KLa氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)KLa是指曝氣器在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(1atm,20℃)的測試條件下,在單位傳質(zhì)推動力作用時,單位時間內(nèi)向單位體積水中傳遞氧的數(shù)量。氧的總傳質(zhì)系數(shù)在曝氣充氣過程中代表了氧的總傳遞性,氧傳遞基本方程式見式(1)。式中,Cs為溶解氧飽和濃度,mg/L;C為溶解氧濃度,mg/L。式(1)積分得式(2)。由式(2)可知,ln(Cs-C)與t成線性關(guān)系,繪制ln(Cs-C)-t的關(guān)系曲線,可得曝氣設(shè)備的氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)KLa,本試驗測試結(jié)果繪制的ln(Cs-C)-t的關(guān)系曲線如圖8所示,求得KLa=0.01746min-1。由式(2)整理得式(3)。由式(3)可得,水中溶解氧濃度C隨曝氣時間t變化的C-t曲線(如圖7所示)?？衫没貧w法擬合出該線性方程的斜率即為KLa的值。由于溶解氧飽和濃度、溫度、污水性質(zhì)和攪動程度等因素都影響氧的傳遞速率,在實際應(yīng)用中,為了便于比較,需進(jìn)行壓力和溫度校正,把非標(biāo)準(zhǔn)條件下KLa轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)條件(20℃,1atm)下的KLa(20),通常采用式(4)計算。式中,T為試驗時的水溫,℃;KLa(T)為水溫為T時測得的總傳遞系數(shù),min-1;KLa(20)為水溫為20℃時的總傳遞系數(shù),min-1。因此,本試驗KLa(20)=0.01746×1.024(20-11.7)(min-1)。(2)充氧能力OC充氧能力OC是指曝氣器在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)、測試條件下,單位時間向溶解氧濃度為零的水中傳遞的氧量。其公式如式(5)所示。式中,OC為標(biāo)準(zhǔn)條件下的充氧能力,kg/h;V為曝氣池體積,m3;Cs(標(biāo))為20℃水中飽和溶解氧濃度9.17mg/L;C為20℃水中實際溶解氧濃度,mg/L;在本試驗中,它為水中起始溶解氧濃度。因此,本試驗計算的OC=0.23887kg/h。(3)氧利用率ε氧利用率是曝氣器在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)、測試條件下,傳遞到水中的氧量占曝氣器供氧量的百分比,公式如式(6)所示。氧的利用率是評價一種曝氣裝置的指標(biāo),表示氣體利用率的高低。本試驗ε=0.23887/(0.28×2.8)×100%=30.47%。通過以上對離式螺旋曝氣設(shè)備的曝氣性能測試結(jié)果分析表明,該曝氣裝置可以有效增加水中的含氧量(圖7),充氧能力和氧利用率較好,特別是氧利用率可以達(dá)到30%以上。在上文中已經(jīng)提到可以采用純氧曝氣的方法增強曝氣效果,該方法是氧氣作為氧源,如果曝氣設(shè)備的氧利用率較低,就會對氧源氣體(氧氣)造成浪費,這在純氧曝氣時是應(yīng)該盡量避免的。所以在純氧曝氣時對曝氣設(shè)備的氧利用率要求較高。該離式螺旋曝氣設(shè)備氧利用率較高,如果采用純氧曝氣,該曝氣設(shè)備具有一定的優(yōu)勢。同時,離式螺旋曝氣設(shè)備屬于自吸式曝氣設(shè)備,入口處形成負(fù)壓,氣體自然吸入,不需要空氣壓縮機(jī)壓縮氣體,這樣就省去了空壓機(jī)和鼓風(fēng)機(jī),降低了曝氣設(shè)備的成本。此外,該曝氣設(shè)備安裝使用簡單,無需在曝氣池內(nèi)布置微孔曝氣頭和供氣管道網(wǎng)絡(luò)等耗能大、造價高的笨重設(shè)備,節(jié)約工時,降低成本。4曝氣池內(nèi)注入液體離式螺旋曝氣設(shè)備是一種新型的曝氣增氧設(shè)備,該曝氣設(shè)備具有以下特點。(1)離式螺旋曝氣設(shè)備是在迷宮螺旋泵基礎(chǔ)上研制開發(fā)的,具有泵的基本功能。在輸送氣液兩相混合物時,不僅可以向曝氣池內(nèi)輸送微氣泡實現(xiàn)曝氣功能,同時還可以向曝氣池內(nèi)注入液體。因此該曝氣裝備在實現(xiàn)曝氣的同時,還可以將待曝氣的污水注入到曝氣池內(nèi),這也是該曝氣設(shè)備的創(chuàng)新