【分享】微孔曝气器脉冲式充氧效果

摘要： 针对生化池连续曝气过程中氧转移率低的问题，结合污水处理中的实际情况，提出了盘式微孔曝气器脉冲式充氧方法来提高氧的转移率。通过４组不同类型的盘式微孔曝气器分别在脉冲式和连续曝气下的实验对比发现，脉冲式曝气产生的是气泡簇，对生成的气泡进行图像统计分析，得出同一区域范围内脉冲式曝气生成的气泡数量多、平均直径小。实验数据分析显示，脉冲式曝气达到氧饱和所需的时间较连续曝气方式增加了１０％左右，但氧的利用率增加了５０％以上，且动力效率提高了２８％以上。脉冲式曝气方式大幅度提高了氧的利用率，节约能耗的同时具有更好的充氧效果，为活性污泥好氧生化处理系统工艺提供了新的研究思路。

关键词： 微孔曝气器；脉冲式；微气泡；氧传质

微孔曝气器是活性污泥水处理曝气系统中的核心设备，通过曝气器增加污水中氧的含量，用于微生物的生长和生化反应，改善水体环境。有统计资料表明，曝气系统电能的消耗占污水处理系统全部电能消耗的６０％以上，曝气系统的电耗费用占整个污水处理系统运行成本的４０％左右。传统的曝气系统因氧利用率低导致能耗大的缺点一直受到国内外专家密切关注，并对此进行了相关的研究，然而这些问题并未得到实质性的改善，因此，改进曝气设备使其提高效率、降低能耗成为环保产业的重要研究课题。

本研究采用脉冲式微孔曝气充氧方式来提高曝气器效率。实验采用４种相同直径、不同类型膜片的曝气盘在曝气池中进行清水性能实验，测得其在实验条件下的充氧性能，实验对比分析了脉冲式曝气和连续曝气方式的充氧效果，初步得出脉冲式曝气具有更好的充氧效果，为污水处理中的曝气系统提供新的研究方向。

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实验部分

１.１实验装置

脉冲式微孔曝气器实验装置示意图如图１所示，主体是一个０.８ｍ×０.６ｍ×１ｍ的矩形曝气池，为了便于观察实验现象，曝气池用透明的有机玻璃制成。

１.２实验设备和仪器  

实验设备和仪器包括型号为ＺＢＭ-０.１／８空气压缩机、型号ＡＲ２０００-０２调压阀、型号ＦＸ２Ｎ-６４ＭＴ的ＰＬＣ、型号ＬＺＢ-１０转子流量计和型号ＪＰＢ-６０７Ａ溶解氧测量仪。  

４种盘型微孔曝气盘的直径都为Φ２７０ｍｍ，分别是平ＥＰＤＭ膜片材料的微孔曝气器、凸ＥＰＤＭ膜片材料的微孔曝气器、蘑菇头状微孔曝气器和硅橡胶膜片材料的微孔曝气器，如图２所示。  

 

 

１.３气泡形成受力分析  

由于曝气产生的气泡众多，以单个气泡为例，分析其在传统的连续曝气和脉冲式曝气情况下的受力情况，如图３所示。气泡在连续曝气情况下生成过程中受到上升浮力Ｆｆ、约束力Ｆσ、流体对气泡的粘性力Ｆｄ、惯性力Ｆｌ、通过小孔的气体冲量的力Ｆｍ等力的作用，气泡受力分析如图３（ａ）所示。采用脉冲曝气方式时，膜片在收缩过程中还受到阻力Ｆｚ的作用。由于周期性的气压，膜片做间歇性的鼓起、收缩，膜片在收缩的某一瞬间过程中气泡的受力情况如图３（ｂ）所示。  

 

气泡在连续曝气情况下的受到的力平衡公式如下式（１）所示：  

 

 

具体公式表达式如下所示：  

 

式中：ρｇ为气相密度，ｋｇ／ｍ３；Ｃｌ为虚拟质量系数，１１／１６；ρｌ为液相密度，ｋｇ／ｍ３；Ｖｂ为气泡体积，ｍ３；Ｕｂ为气泡质心垂直速度，ｍ／ｓ；ｄｍａｘ为气泡直径，ｍｍ；ＣＤ为阻力系数；θ为气泡接触角；σ为表面张力，Ｎ／ｍ；ｄｗ为气泡的接触直径，ｍ；ｄＯＲ为孔口直径，ｍ；ｑ为孔口气体流量，ｍ３／ｓ。
由式（１）整理可得，在膜片鼓起时气泡直径ｄｍａｘ１：  

 

气泡在脉冲式曝气情况下，周期性的气压使膜片收缩、鼓起，在膜片收缩的过程中，气泡又受到阻力Ｆｚ的作用，如式（３）所示：  

 

式中：Ｓｄ为球形气泡在垂直方向上的投影面积，ｍ２；ｕ为气泡向下振动时脱离孔口的瞬时速度。
由力的平衡条件得：  

 

式中：  

 

由式（４）整理可得，在膜片收缩时气泡直径ｄｍａｘ２：  

 

式中：ｄｍａｘ１为连续曝气中膜片鼓起时气泡直径，ｍ；ｄｍａｘ２为膜片收缩时气泡在某一时刻直径，ｍ。  

比较式（２）和式（６）可得，膜片在某一收缩的过程中，都有ｄｍａｘ２＜ｄｍａｘ１，即膜片在收缩过程中，气泡直径变小；在膜片鼓起过程中，由于膜片孔没有完全扩张，产生气泡的大小较膜片完全鼓起时产生的气泡小。同时，对气泡运动特性的数值模拟研究发现，气泡初始直径越小，上升的速度越慢，即气泡越小，则气泡停留在水中时间更长，与水体充分接触，更多的氧能扩散进入水体中。  

１.４实验方法  

本研究做４组不同曝气器的对比实验，以平板ＥＰＤＭ盘型微孔曝气器为例，其具体实验流程如下：用气管将仪器按图１所示连在一起，并检查装置的密封性；将曝气盘安装在距池底２０ｃｍ处，进行消氧处理，即往水中加入２０ｇ的亚硫酸钠Ｎａ２ＳＯ３和０.５ｇ的氯化钴ＣｏＣｌ２·６Ｈ２Ｏ，使水中的溶解氧浓度降低到０.２０ｍｇ／Ｌ左右开始本次实验的测量；通过ＰＬＣ来控制电磁换向阀的通断周期，周期为０.１ｓ，通断各为０.０５ｓ；用型号为ＪＰＢ-６０７Ａ的溶解氧测量仪以３０ｓ的间隔时间记录水中溶解氧浓度，持续测量直至水中的溶解氧达到饱和。平板ＥＰＤＭ盘型微孔曝气器的实验现象如图４所示。为了排除其他因素对测试结果的干扰，实验装置处于相同的条件下来测得水中溶解氧浓度Ｃｔ，测得当时实验所处的气压为标准大气压１.０１ＭＰａ，通气量为１.５Ｎｍ３／ｈ，曝气池中水温为２２.７℃，气温为２４.３℃。  

 

１.５实验原理和性能指标  

为了有效评价充氧效果，通过清水实验测试微孔曝气器在不同工作条件下的氧总转移系数ＫＬａ、充氧能力ＥＬ、氧利用率ＥＡ和动力效率ＥＰ，对相关性能指标的影响因素进行理论分析。  

（１）氧总转移系数ＫＬａ：氧总转移系数ＫＬａ表示氧在曝气过程中的总传递性，当ＫＬａ高时表示水中溶解氧从Ｃ０到Ｃｓ所用的时间短，传递过程中阻力小，氧传递速率快。  

液膜内氧传递方程式经整理可得：
 

 

式中：Ｃ０为初始溶解氧浓度；ＣＳ为溶解氧饱和浓度；Ｃｔ为ｔ时刻相对应的溶解氧浓度；ｔ为曝气时间；ＫＬａ为氧总转移系数。  

实验数据经处理后，求得ｌｎ（Ｃｓ－Ｃｔ），与时间ｔ进行线性拟合，以时间ｔ为横坐标，ｌｎ（Ｃｓ－Ｃｔ）为纵坐标，绘制出ｌｎ（Ｃｓ－Ｃｔ）～ｔ关系直线图，该关系直线的斜率即为氧总转移系数ＫＬａ。  

将ＫＬａ转化成标况下的ＫＬａｓ，可求出标准氧总转移系数ＫＬａｓ（１．０１ＭＰａ、２０℃条件下测定）。  

 

（２）充氧能力ＥＬ：曝气设备充氧能力ＥＬ指的是在标况的测试条件下，曝气设备在单位时间内向溶解氧浓度为零的液体中所传递的氧量。可得式（９）：  

 

 

式中：ＥＬ为标况下曝气设备的充氧能力，ｋｇ／ｈ；Ｖ为反应池中水的体积，ｍ３；Ｃ０为向反应池水体曝气前，水中溶解氧的起始浓度，ｍｇ／Ｌ；Ｃｓ（２０）为２０℃时水中溶解氧的浓度，ｍｇ／Ｌ。  

因此，本实验中计算曝气设备充氧能力ＥＬ公式：  

 

 

（３）氧利用率ＥＡ：氧利用率ＥＡ也称为氧转移效率，是指在标准状态下传递到水中的氧占供氧量的百分比（％）。氧利用率ＥＡ计算公式如下：
 

 

 

式中：ＥＡ为标准状态下，曝气设备氧利用率，％；Ｑ气（标）为标准状态下通气量，ｍ３／ｈ；０.２８为标准状态下，１ｍ３空气中含氧气的重量，ｋｇ／ｍ３。  

式（１１）中Ｑ气（标）是按式（１２）计算：  

 

 

式中：Ｑ气为流量计实际测得通气量，ｍ３／ｈ；Ｐｃ为实验时测定的气体绝对压力，ＭＰａ；Ｐｊ为绝对压力，０.１ＭＰａ；Ｔｃ为实验时测定的气体绝对温度（２７３＋Ｔ）Ｋ；Ｔｊ为绝对温度２９３Ｋ。  

（４）动力效率ＥＰ：动力效率ＥＰ是指每消耗１ｋＷｈ电传递到水中的氧量，是曝气设备重要的能效指标。计算公式如式（１３）所示：  

 

式中：Ｅｐ为曝气设备的动力效率（ｋｇ／ｋＷｈ）；Ｎ为充氧时曝气设备所消耗的理论功率。
 

空气压缩机所消耗的理论功率计算公式如式（１４）所示：  

 

 

 

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结果与讨论

２.１曝气实验现象  

从图４实验现象中可以看到，连续微孔曝气产生的是平稳的气泡流，且曝气盘膜片一直处于鼓起状态；脉冲式微孔曝气产生的是一股一股的气泡簇，水体的紊流性更大，同时可以观察到曝气盘膜片周期性的鼓起、收缩现象，气泡也从不同的角度从膜片的表面产生，溶入水体中。  

 

２.２脉冲曝气对气泡生成的影响  

根据气泡生成理论分析，气泡在脉冲曝气情况下气泡直径变小，为了验证以上理论分析的正确性，对气泡形成过程的图像进行了分析处理。因为曝气盘口处的气泡多而密集、不易区分，因此取样的气泡是在距池底８０ｃｍ处，如图４中２个黑框部分。实验采用的高像素数码相机（ＶＷ-６００光学显微系统）在同一位置进行多次拍照，再用生物学图像分析软件Ｉｍａｇｅｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎｐｌｕｓ６.０对多张气泡图像进行统计、分析，在选定范围内取其气泡个数的平均值。其中的２张图片如图５所示，数据统计结果如表１所示。从图５可以看到，脉冲式曝气生成的气泡数量多、单个气泡面积小。利用Ｉｍａｇｅ-ＰｒｏＰｌｕｓ６.０统计功能进行数据分析，数据整理如表１所示。从表１中可以看到，在同一区域范围内，脉冲式曝气产生的气泡个数比连续曝气多了近４６％；脉冲式产生的气泡平均直径比连续曝气产生的气泡小，同时可以看到气泡平均面积较连续曝气产生的气泡小，符合理论分析。综合上述情况，在同一区域范围内，脉冲式曝气生成的气泡直径小，产生的气泡总面积较连续曝气方式生成的气泡大，增加气液间的接触面积，更加有利于氧的转移。  

 

 

 

２.３曝气实验数据分析  

根据１.５小节中相关性能评价指标，将４组对比实验数据整理如图６和表２所示。实验测得４种曝气盘在同一种曝气方式情况下氧总转移系数ＫＬａ和氧利用率ＥＡ有所区别，但是区别不是很明显。每种曝气盘在２种曝气情况下氧总转移系数ＫＬａ和氧利用率ＥＡ有较大区别：脉冲式曝气较连续曝气时间增加了１０％左右，即在脉冲式曝气情况下达到水体氧饱和所需时间较长；脉冲式曝气氧的利用率较传统的连续曝气方式提高了５０％以上，大幅度提高了氧的利用率。
 

 

 

 

 

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结论

（１）实验结果表明，脉冲式微孔曝气器产生的是周期性气泡簇，相对于传统的连续曝气充氧方式，服务面积大大增加；脉冲式的曝气方式提高了出气压力和速度，加速了水体的紊动程度；微孔膜片亦会随着气压的周期性上下振动，气泡通过微小孔眼时被振动拉伸、挤压，使气泡尽快脱离孔眼，形成微小气泡，可增大气液接触面积，提高氧的转移率。通过清水性能实验验证了微孔曝气器脉冲式充氧设计方案具有更好的充氧效果。  

（２）采用高像素数码相机拍摄实验生成的气泡，再用生物学图像分析软件Ｉｍａｇｅｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎｐｌｕｓ６.０对多组拍摄的气泡进行统计分析，得到脉冲式曝气产生的气泡较传统连续曝气产生的气泡数量多，平均气泡直径小，增加了气液接触面积。  

（３）由４组实验数据分析可得，虽然脉冲曝气的时间较传统的连续曝气增加了１０％，但是氧的利用率较传统的连续曝气方式提高了５０％以上，且动力效率提高到２８％以上，达到节能的目的。在氧转移系数差别不大的情况下，氧的利用率和动力效率更为重要，采用脉冲式曝气可以大幅度提高氧的利用率，动力效率也有很大的提高，从而减少能源浪费，降低运行成本。

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