膜孔参数及表面活性剂对微孔曝气器充氧性能的影响研究

Back

2017-11-25

摘要：污水处理厂曝气设备的性能及水质条件是影响曝气充氧性能的重要因素，比较了清水及不同表面活性剂浓度下橡胶膜曝气器的曝气充氧性能，以标准氧传质效率（ＳＯＴＥ）为评价指标，得出了不同工况及膜孔参数下曝气充氧性能的变化规律。结果表明：在清水条件下，ＳＯＴＥ随着通气量、膜孔间距、膜孔孔径的增大而降低；表面活性剂条件下的ＳＯＴＥ（αＳＯＴＥ）随着表面活性剂浓度的增大而降低；修正系数（α，αＳＯＴＥ与ＳＯＴＥ的比值）随着膜孔孔径的增大而增大，膜孔孔径越小，表面活性剂对橡胶膜曝气器充氧性能的抑制作用越大。


关键词：通气量；表面活性剂；标准氧传质效率；膜孔孔径；膜孔间距


曝气系统能耗约占污水处理厂能耗的４５％～７５％，因此曝气系统的设计及运营效果对节能降耗意义重大。对于曝气设备而言，曝气器的性能及稳定性对曝气系统至关重要。近年来，橡胶膜微孔曝气器由于其良好的充氧性能而被广泛应用于污水处理厂。


在实际污水处理中，影响曝气充氧性能的因素很多。对橡胶膜曝气器而言，膜孔孔径及间距是最直接的影响因素，且柔性材质膜孔孔径以及气泡直径会随着通气量的变化而变化；对水质条件而言，表面活性剂会改变液相的理化性质以及气泡的流体力学行为，进而影响微孔曝气气液传质效果。目前，国内外关于运行工况对曝气充氧性能影响的研究较多，但对橡胶膜微孔曝气器本身研究较少，并且关于表面活性剂对气泡特性及充氧性能的研究还存在争议。庄健等认为，在一定范围内，曝气器的充氧性能随着孔径的增大而降低；于江忠等认为，在曝气强度为０．０５ｍ３／（ｍ２·ｓ）、微孔曝气器膜片开孔眼数量为１５时，曝气效果最好；ＲＯＳＳＯ等认为，表面活性剂在气液界面的积累会降低传质速率，而且相对于表面曝气和粗孔曝气，微孔曝气系统中降低程度更大；ＤＡＶＩＥＳ认为，少量表面活性剂能使气液界面产生一层附加的薄膜，这层薄膜所产生的应力会阻碍表面运动；罗涛等在中试规模上研究了十二烷基苯磺酸钠（ＳＤＢＳ）对微孔曝气氧传质的影响，发现ＳＤＢＳ质量浓度在０～２０ｍｇ／Ｌ变化时，氧总转移系数（ＫＬａ）先减小后增大；另外有学者则认为，表面活性剂会减小气泡直径，提高气泡表面黏度和弹性，从而促进氧传质。因此，本研究比较了清水及不同表面活性剂浓度下橡胶膜曝气器的曝气充氧性能，以标准氧传质效率（ＳＯＴＥ）为评价指标，得出了不同工况及膜孔参数下曝气充氧性能的变化规律，以期对曝气器生产厂商有一定的指导价值。


１材料与方法


１．１试验装置


试验装置（见图１）主体呈圆柱体，底面直径为０．６ｍ，高为２．０ｍ，测试有效水深一般为１．０ｍ；在液相主体中部安装一个溶氧仪探头，通过无纸记录仪连接到电脑。


１—溶氧仪及记录器；２—溶氧仪探头；３—空压机；４—Ｕ 型管；５—曝气器；６—曝气池；７—放空阀
图１　试验装置示意图
１．２主要设备及仪器


圆盘式橡胶膜曝气器；ＬＰ-４０／ＬＰ-６０气泵（功率４０Ｗ）；气体转子流量计（量程１ｍ３／ｈ，精度±２％）；压力表（精度±２％）；气温、水温表（精度±０．１℃）；ＷＷＡ-０．４／７型空压机（全无油润滑空气压缩机）；ＤＯ４２００微电脑溶氧控制器（精度±０．５％）；ＸＳＲ１０Ｒ无纸记录仪；自制Ｕ型管。


１．３试验材料


脱氧剂（Ｎａ２ＳＯ３，工业纯）；催化剂（ＣｏＣｌ２·６Ｈ２Ｏ，工业纯）；表面活性剂（ＳＤＢＳ，分析纯）；试验用水（自来水，总溶解性固体（ＴＤＳ）约为２００ｍｇ／Ｌ）。


１．４测定方法


本试验原理是由ＷＨＩＴＭＡＮ提出的双膜理论。试验按照《微孔曝气清水氧传质性能测定》（ＣＪ／Ｔ４７５—２０１５）进行。考虑到ＴＤＳ对饱和溶解氧的影响，同时采用美国最新的清水氧传质测试标准提供的修正方法对ＴＤＳ进行了修正，以增强数据的可比性，见式（１）。


式中：y为标准氧总转移系数（ＫＬａｓ），ｍｉｎ－１；x为ＫＬａ，ｍｉｎ－１；c为ＴＤＳ质量浓度，ｍｇ／Ｌ。


２结果与结论


２．１通气量及膜孔间距


ＫＬａｓ是表征曝气器在标准测试条件下的氧总传质性能特征，可以在一定程度上表征曝气过程充氧能力。在清水条件下，膜孔孔径为０．９ｍｍ时，不同膜孔间距及通气量下ＫＬａｓ的变化曲线见图２。如图２所示，随着通气量的增大，单位时间内液相中气含率增大，气液两相之间湍动效果增强，有利于氧传质，进而ＫＬａｓ逐渐增大。当通气量较小时，不同膜孔间距下ＫＬａｓ变化不明显；随着通气量的增大，膜孔间距越小，橡胶膜孔出气数量越大，单位时间内液相中气含率越大，故ＫＬａｓ总体越大。但是，曝气生产厂商不能无限缩小橡胶膜膜孔之间的膜孔间距，膜孔间距减小会导致橡胶膜膜孔之间的抗撕裂强度降低，增大曝气过程中的曝气器曝气膜片撕裂的可能性。


图２　不同膜孔间距及通气量下ＫＬａｓ的变化曲线
在清水条件下，当膜孔孔径为０．９ｍｍ时，不同膜孔间距及通气量下ＳＯＴＥ的变化曲线见图３。如图３所示，ＳＯＴＥ随着通气量的增大而下降；当通气量一定时，随着膜孔间距的增大，ＳＯＴＥ呈现整体下降的趋势。当膜孔间距一定时，随着通气量的增大，橡胶膜膜孔张开越大，形成的气泡直径越大，相对于微气泡，大气泡比表面积降低，并且气泡上升速度增大，气泡停留时间变短，因此ＳＯＴＥ下降；当通气量一定时，随着膜孔间距的增大，相同橡胶膜膜面积下气孔数量减少，单位时间内生成的气泡数量减少（见图４），并且气泡上升速度增大导致气泡停留时间变短，影响气液传质效果，因此ＳＯＴＥ下降。


图３　不同膜孔间距及通气量下ＳＯＴＥ的变化曲线


图４　不同膜孔间距下气泡分布特性
２．２通气量及膜孔孔径


在清水条件下，当膜孔间距为３．０ｍｍ时，不同膜孔孔径下ＳＯＴＥ的变化曲线见图５。如图５所示，当通气量分别为０．１、０．３ｍ３／ｈ时，随着膜孔孔径的变大，ＳＯＴＥ呈现整体下降的趋势。在相同条件下，膜孔孔径与产生气泡的直径呈一定的正相关，即产生气泡的直径随着膜孔孔径的增大而增大。膜孔孔径越小，产生的气泡直径越小，气泡比表面积越大，有利于氧传质，ＳＯＴＥ提高；膜孔孔径越大，产生的气泡直径越大，气泡比表面积越小，不利于氧传质，ＳＯＴＥ下降。


图５　不同膜孔孔径下ＳＯＴＥ的变化曲线
２．３表面活性剂及膜孔孔径


表面活性剂条件下的ＳＯＴＥ表示为αＳＯＴＥ。当膜孔间距为２．０ｍｍ时，不同表面活性剂质量浓度下αＳＯＴＥ的变化曲线见图６。如图６所示，当膜孔孔径分别为０．３、０．７ｍｍ时，随着表面活性剂浓度的增大，αＳＯＴＥ逐渐下降，并且膜孔孔径为０．７ｍｍ的αＳＯＴＥ总体大于膜孔孔径为０．３ｍｍ的αＳＯＴＥ。表面活性剂由于其亲水亲油的性质会在上升气泡的气液界面上积累，增加了界面的氧转移阻力并降低了内部气体循环和总的氧转移速率。随着表面活性剂浓度的提高，气液界面积累的表面活性剂分子越来越多，严重影响气液之间的传质，导致αＳＯＴＥ的下降。


图６　不同表面活性剂质量浓度下αＳＯＴＥ的变化曲线
修正系数（α）为αＳＯＴＥ与ＳＯＴＥ的比值。不同膜孔孔径下α的变化曲线见图７。如图７所示，清水条件下，ＳＯＴＥ随着膜孔孔径的变大而逐渐降低，与图５相一致；当存在表面活性剂时，αＳＯＴＥ随着膜孔孔径的变大而总体逐渐降低，与图６相一致。当在清水中加入表面活性剂时，随着膜孔孔径的变大，同时，曝气产生的气泡直径随之变大，α逐渐增大，说明膜孔孔径变大，ＳＯＴＥ下降速度变慢，表面活性剂对微孔曝气器的充氧性能抑制作用变弱。对于移动界面来说，湍流传质是界面氧传质的驱动力，主要通过界面更新速率和表面活性剂分子能覆盖的实际面积两个方面影响。膜孔孔径越小，越容易被表面活性剂覆盖，进而表现出αＳＯＴＥ的快速下降。


图７　不同膜孔孔径下α 的变化曲线
表面活性剂在微气泡界面上的积累程度比在大气泡上严重的多，由于水力停留时间较长，表面活性剂分子在微气泡界面的积累时间较充裕。同时，小气泡的界面速率也较低，一旦表面活性剂附在界面上，疏水基就会进入气泡内部，阻碍了内部气体循环，严重降低了氧传质速率。随着膜孔孔径的增大，气液湍流效果增强，即增大流动性可以部分抵消表面活性剂的效应。但是能量密度更大，曝气效率较低。


因此，在开发曝气设备时，应该充分考虑水质条件及工况条件对微孔曝气充氧性能的影响。在实际污水生物处理过程中，污水中的表面活性剂对微孔曝气器甚至超微孔曝气器的抑制作用较明显，所以并不是气泡越小越有利于曝气池内三相混合及气液传质效果，在推流式曝气池前端，当表面活性剂浓度较高时，应该适当增大曝气器的孔径来实现最佳的曝气效果。


３结论和建议


（１）ＳＯＴＥ随着通气量、膜孔间距、膜孔孔径的增大而降低。


（２）αＳＯＴＥ随着表面活性剂浓度的增大而降低，α随着膜孔孔径的增大而增大。膜孔孔径越小，表面活性剂对橡胶膜曝气器充氧性能的抑制作用越大。


（３）对于橡胶膜曝气器，建议曝气器生产厂家应根据不同水质及工况条件优化曝气器膜孔孔径及间距，保证橡胶膜曝气器的最佳充氧性能，实现节能降耗和稳定运行。