摘要：針對生化池連續曝氣過程中氧轉移率低的問題，結合污水處理中的實際情況，提出了盤式微孔曝氣器脈沖式充氧方法來提高氧的轉移率。通過４組不同類型的盤式微孔曝氣器分别在脈沖式和連續曝氣下的實驗對比發現，脈沖式曝氣産生的是氣泡簇，對生成的氣泡進行圖像統計分析，得出同一區域範圍内脈沖式曝氣生成的氣泡數量多、平均直徑小。實驗數據分析顯示，脈沖式曝氣達到氧飽和所需的時間較連續曝氣方式增加了１０％左右，但氧的利用率增加了５０％以上，且動力效率提高了２８％以上。脈沖式曝氣方式大幅度提高了氧的利用率，節約能耗的同時具有更好的充氧效果，為活性污泥好氧生化處理系統工藝提供了新的研究思路。

關鍵詞：微孔曝氣器；脈沖式；微氣泡；氧傳質

微孔曝氣器是活性污泥水處理曝氣系統中的核心設備，通過曝氣器增加污水中氧的含量，用于微生物的生長和生化反應，改善水體環境。有統計資料表明，曝氣系統電能的消耗占污水處理系統全部電能消耗的６０％以上，曝氣系統的電耗費用占整個污水處理系統運行成本的４０％左右。傳統的曝氣系統因氧利用率低導緻能耗大的缺點一直受到國内外專家密切關注，并對此進行了相關的研究，然而這些問題并未得到實質性的改善，因此，改進曝氣設備使其提高效率、降低能耗成為環保産業的重要研究課題。

本研究采用脈沖式微孔曝氣充氧方式來提高曝氣器效率。實驗采用４種相同直徑、不同類型膜片的曝氣盤在曝氣池中進行清水性能實驗，測得其在實驗條件下的充氧性能，實驗對比分析了脈沖式曝氣和連續曝氣方式的充氧效果，初步得出脈沖式曝氣具有更好的充氧效果，為污水處理中的曝氣系統提供新的研究方向。

１實驗部分

１.１實驗裝置

脈沖式微孔曝氣器實驗裝置示意圖如圖１所示，主體是一個０.８ｍ×０.６ｍ×１ｍ的矩形曝氣池，為了便于觀察實驗現象，曝氣池用透明的有機玻璃制成。

１.２實驗設備和儀器

實驗設備和儀器包括型号為ＺＢＭ-０.１／８空氣壓縮機、型号ＡＲ２０００-０２調壓閥、型号ＦＸ２Ｎ-６４ＭＴ的ＰＬＣ、型号ＬＺＢ-１０轉子流量計和型号ＪＰＢ-６０７Ａ溶解氧測量儀。

４種盤型微孔曝氣盤的直徑都為Φ２７０ｍｍ，分别是平ＥＰＤＭ膜片材料的微孔曝氣器、凸ＥＰＤＭ膜片材料的微孔曝氣器、蘑菇頭狀微孔曝氣器和矽橡膠膜片材料的微孔曝氣器，如圖２所示。

１.３氣泡形成受力分析

由于曝氣産生的氣泡衆多，以單個氣泡為例，分析其在傳統的連續曝氣和脈沖式曝氣情況下的受力情況，如圖３所示。氣泡在連續曝氣情況下生成過程中受到上升浮力Ｆｆ、約束力Ｆσ、流體對氣泡的粘性力Ｆｄ、慣性力Ｆｌ、通過小孔的氣體沖量的力Ｆｍ等力的作用，氣泡受力分析如圖３（ａ）所示。采用脈沖曝氣方式時，膜片在收縮過程中還受到阻力Ｆｚ的作用。由于周期性的氣壓，膜片做間歇性的鼓起、收縮，膜片在收縮的某一瞬間過程中氣泡的受力情況如圖３（ｂ）所示。

氣泡在連續曝氣情況下的受到的力平衡公式如下式（１）所示：

具體公式表達式如下所示：

式中：ρｇ為氣相密度，ｋｇ／ｍ３；Ｃｌ為虛拟質量系數，１１／１６；ρｌ為液相密度，ｋｇ／ｍ３；Ｖｂ為氣泡體積，ｍ３；Ｕｂ為氣泡質心垂直速度，ｍ／ｓ；ｄｍａｘ為氣泡直徑，ｍｍ；ＣＤ為阻力系數；θ為氣泡接觸角；σ為表面張力，Ｎ／ｍ；ｄｗ為氣泡的接觸直徑，ｍ；ｄＯＲ為孔口直徑，ｍ；ｑ為孔口氣體流量，ｍ３／ｓ。

由式（１）整理可得，在膜片鼓起時氣泡直徑ｄｍａｘ１：

氣泡在脈沖式曝氣情況下，周期性的氣壓使膜片收縮、鼓起，在膜片收縮的過程中，氣泡又受到阻力Ｆｚ的作用，如式（３）所示：

式中：Ｓｄ為球形氣泡在垂直方向上的投影面積，ｍ２；ｕ為氣泡向下振動時脫離孔口的瞬時速度。

由力的平衡條件得：

式中：

由式（４）整理可得，在膜片收縮時氣泡直徑ｄｍａｘ２：

式中：ｄｍａｘ１為連續曝氣中膜片鼓起時氣泡直徑，ｍ；ｄｍａｘ２為膜片收縮時氣泡在某一時刻直徑，ｍ。

比較式（２）和式（６）可得，膜片在某一收縮的過程中，都有ｄｍａｘ２＜ｄｍａｘ１，即膜片在收縮過程中，氣泡直徑變小；在膜片鼓起過程中，由于膜片孔沒有完全擴張，産生氣泡的大小較膜片完全鼓起時産生的氣泡小。同時，對氣泡運動特性的數值模拟研究發現，氣泡初始直徑越小，上升的速度越慢，即氣泡越小，則氣泡停留在水中時間更長，與水體充分接觸，更多的氧能擴散進入水體中。

１.４實驗方法

本研究做４組不同曝氣器的對比實驗，以平闆ＥＰＤＭ盤型微孔曝氣器為例，其具體實驗流程如下：用氣管将儀器按圖１所示連在一起，并檢查裝置的密封性；将曝氣盤安裝在距池底２０ｃｍ處，進行消氧處理，即往水中加入２０ｇ的亞硫酸鈉Ｎａ２ＳＯ３和０.５ｇ的氯化钴ＣｏＣｌ２·６Ｈ２Ｏ，使水中的溶解氧濃度降低到０.２０ｍｇ／Ｌ左右開始本次實驗的測量；通過ＰＬＣ來控制電磁換向閥的通斷周期，周期為０.１ｓ，通斷各為０.０５ｓ；用型号為ＪＰＢ-６０７Ａ的溶解氧測量儀以３０ｓ的間隔時間記錄水中溶解氧濃度，持續測量直至水中的溶解氧達到飽和。平闆ＥＰＤＭ盤型微孔曝氣器的實驗現象如圖４所示。為了排除其他因素對測試結果的幹擾，實驗裝置處于相同的條件下來測得水中溶解氧濃度Ｃｔ，測得當時實驗所處的氣壓為标準大氣壓１.０１ＭＰａ，通氣量為１.５Ｎｍ３／ｈ，曝氣池中水溫為２２.７℃，氣溫為２４.３℃。

１.５實驗原理和性能指标

為了有效評價充氧效果，通過清水實驗測試微孔曝氣器在不同工作條件下的氧總轉移系數ＫＬａ、充氧能力ＥＬ、氧利用率ＥＡ和動力效率ＥＰ，對相關性能指标的影響因素進行理論分析。

（１）氧總轉移系數ＫＬａ：氧總轉移系數ＫＬａ表示氧在曝氣過程中的總傳遞性，當ＫＬａ高時表示水中溶解氧從Ｃ０到Ｃｓ所用的時間短，傳遞過程中阻力小，氧傳遞速率快。

液膜内氧傳遞方程式經整理可得：

式中：Ｃ０為初始溶解氧濃度；ＣＳ為溶解氧飽和濃度；Ｃｔ為ｔ時刻相對應的溶解氧濃度；ｔ為曝氣時間；ＫＬａ為氧總轉移系數。

實驗數據經處理後，求得ｌｎ（Ｃｓ－Ｃｔ），與時間ｔ進行線性拟合，以時間ｔ為橫坐标，ｌｎ（Ｃｓ－Ｃｔ）為縱坐标，繪制出ｌｎ（Ｃｓ－Ｃｔ）～ｔ關系直線圖，該關系直線的斜率即為氧總轉移系數ＫＬａ。

将ＫＬａ轉化成标況下的ＫＬａｓ，可求出标準氧總轉移系數ＫＬａｓ（１．０１ＭＰａ、２０℃條件下測定）。

（２）充氧能力ＥＬ：曝氣設備充氧能力ＥＬ指的是在标況的測試條件下，曝氣設備在單位時間内向溶解氧濃度為零的液體中所傳遞的氧量。可得式（９）：

式中：ＥＬ為标況下曝氣設備的充氧能力，ｋｇ／ｈ；Ｖ為反應池中水的體積，ｍ３；Ｃ０為向反應池水體曝氣前，水中溶解氧的起始濃度，ｍｇ／Ｌ；Ｃｓ（２０）為２０℃時水中溶解氧的濃度，ｍｇ／Ｌ。

因此，本實驗中計算曝氣設備充氧能力ＥＬ公式：

（３）氧利用率ＥＡ：氧利用率ＥＡ也稱為氧轉移效率，是指在标準狀态下傳遞到水中的氧占供氧量的百分比（％）。氧利用率ＥＡ計算公式如下：

式中：ＥＡ為标準狀态下，曝氣設備氧利用率，％；Ｑ氣（标）為标準狀态下通氣量，ｍ３／ｈ；０.２８為标準狀态下，１ｍ３空氣中含氧氣的重量，ｋｇ／ｍ３。

式（１１）中Ｑ氣（标）是按式（１２）計算：

式中：Ｑ氣為流量計實際測得通氣量，ｍ３／ｈ；Ｐｃ為實驗時測定的氣體絕對壓力，ＭＰａ；Ｐｊ為絕對壓力，０.１ＭＰａ；Ｔｃ為實驗時測定的氣體絕對溫度（２７３＋Ｔ）Ｋ；Ｔｊ為絕對溫度２９３Ｋ。

（４）動力效率ＥＰ：動力效率ＥＰ是指每消耗１ｋＷｈ電傳遞到水中的氧量，是曝氣設備重要的能效指标。計算公式如式（１３）所示：

式中：Ｅｐ為曝氣設備的動力效率（ｋｇ／ｋＷｈ）；Ｎ為充氧時曝氣設備所消耗的理論功率。

空氣壓縮機所消耗的理論功率計算公式如式（１４）所示：

２結果與讨論

２.１曝氣實驗現象

從圖４實驗現象中可以看到，連續微孔曝氣産生的是平穩的氣泡流，且曝氣盤膜片一直處于鼓起狀态；脈沖式微孔曝氣産生的是一股一股的氣泡簇，水體的紊流性更大，同時可以觀察到曝氣盤膜片周期性的鼓起、收縮現象，氣泡也從不同的角度從膜片的表面産生，溶入水體中。

２.２脈沖曝氣對氣泡生成的影響

根據氣泡生成理論分析，氣泡在脈沖曝氣情況下氣泡直徑變小，為了驗證以上理論分析的正确性，對氣泡形成過程的圖像進行了分析處理。因為曝氣盤口處的氣泡多而密集、不易區分，因此取樣的氣泡是在距池底８０ｃｍ處，如圖４中２個黑框部分。實驗采用的高像素數碼相機（ＶＷ-６００光學顯微系統）在同一位置進行多次拍照，再用生物學圖像分析軟件Ｉｍａｇｅｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎｐｌｕｓ６.０對多張氣泡圖像進行統計、分析，在選定範圍内取其氣泡個數的平均值。其中的２張圖片如圖５所示，數據統計結果如表１所示。從圖５可以看到，脈沖式曝氣生成的氣泡數量多、單個氣泡面積小。利用Ｉｍａｇｅ-ＰｒｏＰｌｕｓ６.０統計功能進行數據分析，數據整理如表１所示。從表１中可以看到，在同一區域範圍内，脈沖式曝氣産生的氣泡個數比連續曝氣多了近４６％；脈沖式産生的氣泡平均直徑比連續曝氣産生的氣泡小，同時可以看到氣泡平均面積較連續曝氣産生的氣泡小，符合理論分析。綜合上述情況，在同一區域範圍内，脈沖式曝氣生成的氣泡直徑小，産生的氣泡總面積較連續曝氣方式生成的氣泡大，增加氣液間的接觸面積，更加有利于氧的轉移。

２.３曝氣實驗數據分析

根據１.５小節中相關性能評價指标，将４組對比實驗數據整理如圖６和表２所示。實驗測得４種曝氣盤在同一種曝氣方式情況下氧總轉移系數ＫＬａ和氧利用率ＥＡ有所區别，但是區别不是很明顯。每種曝氣盤在２種曝氣情況下氧總轉移系數ＫＬａ和氧利用率ＥＡ有較大區别：脈沖式曝氣較連續曝氣時間增加了１０％左右，即在脈沖式曝氣情況下達到水體氧飽和所需時間較長；脈沖式曝氣氧的利用率較傳統的連續曝氣方式提高了５０％以上，大幅度提高了氧的利用率。

３結論

（１）實驗結果表明，脈沖式微孔曝氣器産生的是周期性氣泡簇，相對于傳統的連續曝氣充氧方式，服務面積大大增加；脈沖式的曝氣方式提高了出氣壓力和速度，加速了水體的紊動程度；微孔膜片亦會随着氣壓的周期性上下振動，氣泡通過微小孔眼時被振動拉伸、擠壓，使氣泡盡快脫離孔眼，形成微小氣泡，可增大氣液接觸面積，提高氧的轉移率。通過清水性能實驗驗證了微孔曝氣器脈沖式充氧設計方案具有更好的充氧效果。

（２）采用高像素數碼相機拍攝實驗生成的氣泡，再用生物學圖像分析軟件Ｉｍａｇｅｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎｐｌｕｓ６.０對多組拍攝的氣泡進行統計分析，得到脈沖式曝氣産生的氣泡較傳統連續曝氣産生的氣泡數量多，平均氣泡直徑小，增加了氣液接觸面積。

（３）由４組實驗數據分析可得，雖然脈沖曝氣的時間較傳統的連續曝氣增加了１０％，但是氧的利用率較傳統的連續曝氣方式提高了５０％以上，且動力效率提高到２８％以上，達到節能的目的。在氧轉移系數差别不大的情況下，氧的利用率和動力效率更為重要，采用脈沖式曝氣可以大幅度提高氧的利用率，動力效率也有很大的提高，從而減少能源浪費，降低運行成本。

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