(1中国科学技术大学化学与材料科学学院,安徽合肥230026;2安徽建筑工业学院环境工程系,安徽合肥230022)

  摘要:根据曝气过程中氧转移的有关理论,推导出需气量的表达式;并通过曝气过程中能量消耗的分析,导出动力消耗的表达式.通过计算分析得出,在一定的条件下,曝气器有最优孔径.一般水深在4m左右,曝气器的最优孔径最小.一定孔径的曝气器,存在最佳安装水深,最佳安装水深随曝气器孔径的增大而增长.水深较小时,宜选用孔径较小的曝气器;水深较大时,宜选用孔径较大的曝气器.正常的情况下,采用浅水曝气是不利的.

  在污水好氧生物处理过程中,提高曝气过程中氧转移的动力效率,降低动力消耗,对减少污水处理成本有重要的意义.污水处理曝气方式主要有两大类:鼓风曝气和机械曝气.在鼓风曝气中,一般用鼓风机提供气源,用曝气器将空气分散到水中.曝气器

  的性能影响空气中的氧向水中转移,从而影响动力消耗.曝气器的氧转移效率的高低与产生的气泡的大小有关,气泡尺寸小的曝气器,氧转移效率较高[1],目前倾向于使用气泡尺寸小的曝气器.但气泡尺寸减小,曝气器的阻力增加,对于相同气量的空气,需要的功率也增大[2],对鼓风曝气来说,减小气泡尺寸,并不一定能减少动力消耗.有研究表明[3],

  *收稿日期:20050523;修回日期:200605-18金项目:安徽省“十五”科技攻关项目(01013024)资助者简介:汤利华,男,1962年生,硕士,副教授研究方向:水污染治理技术,E-mail:讯作者:****教授Tel76中国科学技术大学学报第36卷

  氧总转移系数的大小与所需要的功率有一定的关系,并且气泡尺寸的大小与氧总转移系数有一定的关系,但是,还难以得出一定条件下曝气器的最优孔径以及曝气器的最优孔径与主要影响因素的关系.探讨曝气过程中曝气器的孔径与动力消耗的关系,进而找出一定条件下曝气器的最优孔径和曝气器的最优孔径与主要影响因素的关系,对正确选择和布置曝气器、进行曝气器产品研究开发、降低动力消耗有重要的意义.

  在鼓风曝气过程中,鼓风机使空气具有一定的压力,用来克服静水压力、管道系统的阻力、曝气器的阻力.在鼓风曝气过程中,空气经过风机后,温度略有上升,为了简化问题的讨论,忽略温度的变化,将鼓风曝气过程看作等温过程.根据气体压力变化时等温过程中功的计算理论[4],可写出下式

  根据亨利定律,溶解在水中氧的摩尔分数与氧分压的关系如下[5]:xO=POyO,(4)

  式中,xO/%为氧在水中的摩尔分数;POy/Pa为气相中氧的分压;kO为亨利系数.

  大气压下流量为G的空气通过曝气池时,体积会发生明显的变化,体积的变化主要由两个问题导致:压力的变化和氧的转移.氧的转移使气体的质量减少,体积变小,但在以空气为气源的曝气过程中,氧的转移引起的气体体积的变化是有限的. 目前曝气过程中氧的转移率一般不超过30%[6] ,空气中氧的体积百分比为21%,因此由于氧的转移引起的空气体积变化的平均值一般不超过0. 3×0.21×100% =3. 15%,为了简化问题的讨论,不考虑由氧转移引起的气体体积的变化,则在一定的水深处,空气量为

  设在水深H处有一气泡,可推得单位体积的气7777期 曝气器的最优孔径分析

  气流通过曝气器上的孔时,其阻力损失由三部分构成:进孔损失、孔中沿程损失和出孔损失,阻力损失的公式可写成如下形式[ 8] :hA= ξi+λ ld+ξo v2g,

  式中,v/(m, s-1 )为曝气器空气流速;ξi为进口阻力系数;ξo为出口阻力系数; λ为气孔沿程阻力系数;l/m为气孔长度.

  从式( 16)能够准确的看出,随着曝气器孔径的减小,一方面空气量减少,有助于降低动力消耗;另一方面阻力增大,将增加动力消耗.将式( 16)对d求偏导并令导数等于零,从理论上可解得使曝气功率最小的孔径d0.d0的意义是:当曝气器的孔径等于d0时,需要的动力最小;当曝气器的孔径大于d0时,减小曝气器的孔径能节约动力;当曝气器的孔径小于d0778 中 国 科 学 技 术 大 学 学 报 第36卷

  时,减小曝气器的孔径将增加动力消耗.直接通过方程求解d0很难,能够最终靠作图求解.将式( 16)变换为

  水深在2. 5,4. 5m之间,最优孔径最小,需要的动力也最小,在此范围之外,减少或加大水深,最优孔径增大,同时动力消耗也加大.改变参数的值,计算得到的值有所变化,但最优孔径的变化趋势是相同的.

  从式( 16)能够准确的看出,影响曝气过程动力消耗的因素很多,其中水深有重要的影响.用同样的参数对不同的水深进行计算,结果见表1.从表1能够准确的看出,不同的水深条件下,最优孔径的大小有所变化.

  最优孔径与水深的这一关系,可以从理论上得到解释.从式(2)能够准确的看出,鼓气曝气的阻力主要由三部分构成:水深、管道系统的阻力损失和曝气器的阻力损失.因管道系统的阻力损失一般约为0. 5m,因此在水深很小时,曝气器的阻力占总阻力的比例较大,增加孔径有助于整体上降低功率的消耗,最优孔径应比水深较大时的大.当水深超过一定的程度后,气泡在水中的停留时间比较久,如果曝气器的孔径很小,从式( 13)能够准确的看出,空气中的含氧量减小很快,从式(5)能够准确的看出,氧分压的降低也很快,这样会导致氧转移的速度最初很快,经过一段时间后,氧转移的速度很小,不能发挥气泡停滞时间长的优势,反而由于曝气器的孔径很小,导致阻力增大,动力消耗增加,因此,当水深超过一定的程度后,最优孔径增大.

  这一结果对曝气产品的开发具有一定的意义.无限制的减小曝气器的孔径并不能带来动力效率的无限提高.存在动力消耗最小的最优孔径,当曝气器7797期 曝气器的最优孔径分析

  的孔径接近这一孔径时,进一步减小曝气器的孔径对减少动力消耗的意义不大,反而可能会引起动力消耗加大、空气预处理难度提高和曝气器频繁堵塞[ 13] ,增加污水处理的成本.这时改进曝气产品的性能应从别的方面去考虑,如减薄曝气材料的厚度、改进曝气材料的理化性能等.

  目前曝气器的规格很多,不同曝气器的孔径大小不一样.在曝气方式上,根据水深的大小有浅水曝气、中水曝气和深水曝气,关于曝气最有利的水深是有争议的.用式( 17)在不同的孔径条件下以水深为变量进行计算,计算结果见表2.

  右,这时采用孔径很小、氧转移效率很高的曝气器是不利的.在这种情况下,空气的体积一般可直接根据水量按气水比的要求计算确定,曝气器氧转移效率达到一定的程度后,继续提高氧转移效率,并不能减少空气体积,反而使阻力增大,动力消耗增加.这种场合下所要求的曝气装置的氧转移效率可通过下式[7]计算确定:

  从表2能够准确的看出,不同的孔径条件下,存在使功率消耗最小的最佳水深;随着孔径的增加,最佳水深的深度也增加.改变参数的值,计算得到的数值有所变化,但最佳水深随孔径变化的变化趋势是相同的.

  这一现象也能从理论上得到解释.在气泡直径很小时,氧转移的速度快,而空气中的含氧量是一定的,水深很大使气水接触时间非常长对提高氧转移的效率意义不大,反而因风压过大导致动力消耗增加;当气泡的直径较大时,因氧转移的速度慢,没有一定的水深保证气水接触时间,会使充氧效率整体下降.

  因此,就曝气器的选择来说,如采用浅水曝气,应选用孔径小的曝气器;如采用深水曝气,应选用孔径较大些的曝气器. 目前,微孔曝气器的孔径已达到

  100,200μm[ 13] ,采用中等水深的曝气方式是比较有利的;如采用深水曝气,曝气器的孔径应在200μm以上;就现有的曝气器产品来说,采用浅水曝气一般是不利的.

  在有些场合下,空气量不是由供氧的需要决定的,例如用生物膜法处理低浓度的废水,空气量由搅动混合的需要决定,一般要求气水比达到1 ∶ 15左

  ( Ⅰ )在一定条件下,存在使动力消耗最小的曝气器的最优孔径,并且曝气器的最优孔径是随着条件的改变而改变.

  (Ⅱ)只有在曝气器的孔径大于最优孔径的范围内,减小曝气器的孔径才能减少动力消耗,否则将增大动力消耗.

  (Ⅲ)水深对曝气器的最优孔径有影响,在水深较小的范围内,增加水深最优孔径减小;当水深增大到某些特定的程度,增加水深最优孔径增大.

  (Ⅳ)一定孔径的曝气器存在最佳安装水深,曝气器最佳安装水深随曝气器孔径的增大而增大.当曝气水深较小时,应选用孔径较小的曝气器;曝气水深较大时,选用较大孔径的曝气器.

  (Ⅴ)有些场合下,供气量不是取决于供氧量,应根据供气量的需要和供氧量的需要计算所需的氧转移效率再选择相应的曝气器,不应盲目选择孔径小、氧转移效率高的曝气器.

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