典型污染物對(duì)微氣泡曝氣中氧傳質(zhì)特性的影響

呂 越，劉 春，楊 梟，吳克宏

（1.中國(guó)人民解放軍理工大學(xué)工程兵工程學(xué)院，江蘇南京 210007；2.河北科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018；3.天津科技大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300457）

典型污染物對(duì)微氣泡曝氣中氧傳質(zhì)特性的影響

呂 越1，劉 春2，楊 梟3，吳克宏1

（1.中國(guó)人民解放軍理工大學(xué)工程兵工程學(xué)院，江蘇南京 210007；2.河北科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018；3.天津科技大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300457）

微氣泡曝氣是一種新型的曝氣方式，廢水中的污染物對(duì)微氣泡曝氣中氧傳質(zhì)過(guò)程具有顯著影響。采用氣-水旋流微氣泡發(fā)生裝置進(jìn)行空氣微氣泡曝氣，考察了微氣泡曝氣中表面活性劑、油脂、苯酚、硝基苯、懸浮固體（高嶺土）等典型污染物對(duì)氧傳質(zhì)的影響。結(jié)果表明，微氣泡曝氣和傳統(tǒng)氣泡曝氣的表觀狀態(tài)具有明顯差異，呈現(xiàn)乳濁狀態(tài)。表面活性劑、豆油、苯酚、硝基苯等污染物均有助于微氣泡的產(chǎn)生和穩(wěn)定性，從而提高微氣泡曝氣的氣含率和氣泡平均停留時(shí)間。同時(shí)，這些污染物存在時(shí)，微氣泡曝氣氧傳質(zhì)系數(shù)為7.44～11.56 h－1，α因子為0.77～1.20，顯著高于傳統(tǒng)氣泡曝氣。污染物對(duì)微氣泡的形成和穩(wěn)定性具有積極作用，可以克服其對(duì)氧傳質(zhì)過(guò)程的負(fù)面效應(yīng)。氣含率和污染物種類是影響微氣泡曝氣氧傳質(zhì)過(guò)程的重要因素。

微氣泡曝氣；典型污染物；氣含率；氧傳質(zhì)系數(shù)；α因子

曝氣是廢水處理工藝的重要過(guò)程，根據(jù)氣泡尺寸，傳統(tǒng)的氣泡曝氣可以分為大氣泡曝氣（coarse bubbleaeration）和小氣泡曝氣（fine bubble aeration）［1］。近來(lái)，微氣泡（microbubble）曝氣在氣液傳質(zhì)等方面表現(xiàn)出一些優(yōu)良特性，因此在環(huán)境污染控制領(lǐng)域逐漸受到關(guān)注［2－5］，包括在廢水處理中的研究和應(yīng)用［6－7］。微氣泡的產(chǎn)生方法很多，如氣－水旋流法［8－9］、機(jī)械攪拌法［4］、超聲波法［10］等，其中微氣泡曝氣多采用氣－水旋流法。和傳統(tǒng)氣泡曝氣相比，微氣泡尺寸很?。ㄒ话阒睆叫∮?0μm），因此比表面積很大而上升速率很小，氣－水接觸時(shí)間長(zhǎng)，接觸面積大，有助于提高氣－水傳質(zhì)速率［9－11］。目前，微氣泡曝氣強(qiáng)化氣－水傳質(zhì)在臭氧傳質(zhì)和發(fā)酵傳質(zhì)方面研究較多［5，12－13］，而廢水處理空氣曝氣的研究報(bào)道仍較缺乏。

城市污水和工業(yè)廢水中的一些典型污染物對(duì)傳統(tǒng)氣泡曝氣的氧傳質(zhì)過(guò)程具有顯著影響［14－16］，同時(shí)也會(huì)影響微氣泡形成過(guò)程［4，10］，如表面活性劑等。通常來(lái)說(shuō)，在傳統(tǒng)氣泡曝氣過(guò)程中，廢水中的污染物會(huì)降低氧傳質(zhì)速率。然而在微氣泡曝氣過(guò)程中，某些污染物可以促進(jìn)微氣泡的形成并提高微氣泡的穩(wěn)定性，進(jìn)而有利于微氣泡曝氣的氧傳質(zhì)過(guò)程?？梢?jiàn)，廢水中污染物對(duì)微氣泡曝氣氧傳質(zhì)過(guò)程的影響可能與傳統(tǒng)氣泡曝氣存在差異。因此，認(rèn)識(shí)典型污染物對(duì)微氣泡曝氣氧傳質(zhì)過(guò)程的真實(shí)影響對(duì)于其未來(lái)的應(yīng)用十分必要。

本研究采用氣－水旋流微氣泡發(fā)生裝置進(jìn)行空氣微氣泡曝氣，考察廢水中典型污染物在微氣泡曝氣過(guò)程中對(duì)氧傳質(zhì)過(guò)程的影響，為微氣泡曝氣在廢水處理中的實(shí)際應(yīng)用提供參考。選取的典型污染物包括表面活性劑、油脂（豆油）、有機(jī)污染物苯酚和硝基苯以及懸浮固體（高嶺土），測(cè)定并比較了典型污染物存在時(shí)微氣泡曝氣的氣含率和氧傳質(zhì)系數(shù)，并計(jì)算了氣泡停留時(shí)間和α因子。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及微氣泡產(chǎn)生條件

本研究采用氣－水旋流微氣泡發(fā)生裝置（北京本洲納米科技有限公司提供），該裝置空氣流量范圍為0.2～2 L／min，功率為370 W，氣－水混合后高速旋轉(zhuǎn)，利用水力剪切作用產(chǎn)生微氣泡。曝氣容器為有機(jī)玻璃矩形槽，有效容積為24 L，高度為0.35 m。微氣泡曝氣系統(tǒng)示意圖如圖1所示。本研究控制空氣流量為0.2 L／min，在此條件下產(chǎn)生微氣泡的平均直徑為55.85μm。

1.2 典型污染物

本研究選取4種典型的表面活性劑，包括十二烷基苯磺酸鈉（SDBS，陰離子型）、苯扎溴銨（陽(yáng)離子型）、甜菜堿（兩性離子型）和吐溫20（非離子型）。油脂類污染物選取豆油為代表，懸浮固體選取高嶺土為代表，其他典型有機(jī)污染物選取苯酚和硝基苯?？紤]到實(shí)際廢水的污染物濃度，本研究確定的表面活性劑質(zhì)量濃度為5～20 mg／L，其他污染物質(zhì)量濃度為50～200 mg／L。

1.3 氣含率及氣泡平均停留時(shí)間測(cè)定

氣含率為曝氣容器中氣泡的體積比率。本研究在微氣泡曝氣過(guò)程中，從曝氣容器中取一定體積的氣－水混合物，測(cè)定其質(zhì)量，并計(jì)算其密度ρ（氣－水）。已知?dú)猓旌臀锩芏圈眩猓┖拖嗤瑮l件下水的密度ρ（水），忽略氣體的密度，根據(jù)式（1）計(jì)算氣含率。

式中：V為水相體積，L；Q為空氣流量，L／min。

1.4 氧傳質(zhì)系數(shù)（KLa）及α因子［16］

本研究在清水中加入Na2SO3和CoCl2去除原有溶解氧，然后開(kāi)始曝氣，采用溶解氧測(cè)定儀（WTW Oxi 330i，德國(guó)）測(cè)定充氧過(guò)程中不同時(shí)刻t溶解氧的濃度c以及飽和溶解氧濃度cs，得到ln（cs－c）和t的直線關(guān)系，其斜率即為氧的總體積傳質(zhì)系數(shù)K La。

通常，污染物對(duì)曝氣氧傳質(zhì)過(guò)程的影響采用α因子表示，定義為相同條件下，污染物存在時(shí)的氧傳質(zhì)系數(shù)與清水氧傳質(zhì)系數(shù)之比，即K La（污染物）／K La（清水）。

1.5 相關(guān)性分析［17］

本研究使用SPSS statistics 19軟件進(jìn)行相關(guān)性分析。Pearson相關(guān)系數(shù)是描述變量間的線性關(guān)系程度和方向的統(tǒng)計(jì)量，用R來(lái)描述。p值表示相關(guān)性系數(shù)檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量顯著性概率，p＜0.05時(shí)，說(shuō)明2個(gè)變量間相關(guān)性顯著。

2 結(jié)果和討論

2.1 微氣泡曝氣的表觀狀態(tài)

在15℃、空氣流量為0.2 L／min時(shí)，觀察微氣泡曝氣在清水和存在表面活性劑SDBS時(shí)的表觀狀態(tài)，結(jié)果如圖2所示?？梢钥吹剑馀萜貧夥€(wěn)定時(shí)，微氣泡均勻分布于整個(gè)曝氣容器，氣－水混合物呈現(xiàn)乳濁狀，和傳統(tǒng)氣泡曝氣表觀狀態(tài)具有顯著差異，其原因在于微氣泡尺寸極小。同時(shí)，表面活性劑SDBS使微氣泡曝氣的表觀乳濁狀態(tài)更為顯著，證實(shí)其對(duì)微氣泡產(chǎn)生和穩(wěn)定存在具有明顯促進(jìn)作用，增加了曝氣容器中的微氣泡產(chǎn)生量。

圖1 微氣泡曝氣系統(tǒng)示意圖Fig.1 Profile of microbubble aeration system

圖2 微氣泡曝氣的表觀狀態(tài)Fig.2 Apparent state of microbubble aeration

2.2 微氣泡曝氣中氣含率及氣體停留時(shí)間

1）表面活性劑

在15℃、空氣流量為0.2 L／min時(shí)，表面活性劑存在時(shí)微氣泡曝氣的氣含率和氣泡平均停留時(shí)間如圖3和圖4所示?？梢钥吹剑煌砻婊钚詣┐嬖跁r(shí)，氣含率和氣泡平均停留時(shí)間分別為1.02%～2.67%和1.2～3.2 min，顯著高于清水條件及傳統(tǒng)氣泡曝氣［16］。同時(shí)，氣含率隨著表面活性劑質(zhì)量濃度的提高而增大。此外，非離子型表面活性劑吐溫20存在時(shí)，氣含率顯著高于其他離子型表面活性劑。

圖3 表面活性劑存在時(shí)微氣泡曝氣中的氣含率Fig.3 Gas-holdup in microbubble aeration with surfactants existing

圖4 表面活性劑存在時(shí)微氣泡曝氣中的氣泡平均停留時(shí)間Fig.4 Average gas retention time in microbubble aeration with surfactants existing

2）其他污染物

在15℃、空氣流量為0.2 L／min，其他污染物（質(zhì)量濃度為200 mg／L）存在時(shí)的氣含率和氣泡平均停留時(shí)間如圖5所示?？梢钥吹?，其他典型有機(jī)污染物存在時(shí)，微氣泡曝氣中氣含率和氣泡平均停留時(shí)間同樣顯著高于清水條件，表明這些污染物在微氣泡形成過(guò)程中對(duì)微氣泡的產(chǎn)生和穩(wěn)定性均有促進(jìn)作用。污染物存在時(shí)微氣泡曝氣較高的氣含率和氣泡平均停留時(shí)間有助于強(qiáng)化氧傳質(zhì)過(guò)程。

2.3 污染物對(duì)微氣泡曝氣中氧傳質(zhì)的影響

1）表面活性劑

在15℃、空氣流量為0.2 L／min，不同表面活性劑存在時(shí)，微氣泡曝氣中的氧傳質(zhì)系數(shù)和α因子如圖6、圖7所示?？梢钥吹?，不同表面活性劑存在時(shí)，微氣泡曝氣中氧傳質(zhì)系數(shù)為7.44～11.56 h－1。對(duì)離子型表面活性劑而言，微氣泡曝氣的氧傳質(zhì)系數(shù)隨著表面活性劑質(zhì)量濃度增大而增加，與傳統(tǒng)氣泡曝氣中表面活性劑影響存在差異。同時(shí)，在傳統(tǒng)氣泡曝氣中，表面活性劑的α因子均小于1.0，表現(xiàn)出表面活性劑對(duì)氧傳質(zhì)的負(fù)面效應(yīng)。在微氣泡曝氣中，4種表面活性劑的α因子變化范圍為0.77～1.20，顯著高于傳統(tǒng)氣泡曝氣。這些結(jié)果表明，表面活性劑對(duì)微氣泡的形成和穩(wěn)定性具有積極作用，特別是對(duì)氣含率的提高，可以克服對(duì)氧傳質(zhì)的負(fù)面效應(yīng)。對(duì)于非離子型表面活性劑吐溫20，氧傳質(zhì)系數(shù)隨著質(zhì)量濃度的增加逐漸降低，其趨勢(shì)與離子型表面活性劑存在顯著差異，表明表面活性劑種類對(duì)于氧傳質(zhì)具有顯著影響。

圖5 其他污染物存在時(shí)微氣泡曝氣中的氣含率和氣泡平均停留時(shí)間Fig.5 Gas holdup and average gas retention time in microbubble aeration with other contaminants existing

圖6 4種表面活性劑不同質(zhì)量濃度下微氣泡曝氣氧傳質(zhì)系數(shù)Fig.6 KLa values of four types of surfactants with different concentrations in microbubble aeration

圖7 4種表面活性劑不同質(zhì)量濃度下微氣泡曝氣α因子Fig.7 α-factors of four types of surfactants with different concentrations in microbubble aeration

2）豆油

以豆油為典型的油脂類污染物，測(cè)定了不同豆油質(zhì)量濃度下微氣泡曝氣中氧傳質(zhì)系數(shù)和α因子，如圖8所示?？梢钥吹?，當(dāng)豆油質(zhì)量濃度從50 mg／L增至200 mg／L時(shí)，氧傳質(zhì)系數(shù)從8.17 h－1提高至9.50 h－1，α因子從0.85提高至0.98。這些結(jié)果與表面活性劑比較接近，表明豆油在微氣泡曝氣中對(duì)于氧傳質(zhì)的影響類似于表面活性劑。事實(shí)上，在傳統(tǒng)氣泡曝氣中已有報(bào)道證實(shí)豆油具有相關(guān)的特性［18］。

3）苯酚和硝基苯

以苯酚和硝基苯為典型的工業(yè)廢水有機(jī)污染物，測(cè)定了不同苯酚和硝基苯質(zhì)量濃度下，微氣泡曝氣中氧傳質(zhì)系數(shù)和α因子，如圖9所示?？梢钥吹剑?dāng)苯酚質(zhì)量濃度從50 mg／L增加至200 mg／L時(shí)，氧傳質(zhì)系數(shù)從10.63 h－1提高至11.56 h－1，α因子從1.10提高至1.20。當(dāng)硝基苯質(zhì)量濃度從50 mg／L增加至200 mg／L時(shí)，氧傳質(zhì)系數(shù)從9.88 h－1提高至11.41 h－1，α因子從1.02提高至1.08。顯然，苯酚和硝基苯存在促進(jìn)了微氣泡曝氣中氧傳質(zhì)過(guò)程，α因子均大于1.0。

圖8 不同質(zhì)量濃度豆油存在時(shí)微氣泡曝氣氧傳質(zhì)系數(shù)和α因子Fig.8 K La values andα-factors in microbubble aeration with soybean oil of different concentration existing

圖9 不同質(zhì)量濃度苯酚和硝基苯存在時(shí)微氣泡曝氣氧傳質(zhì)系數(shù)和α因子Fig.9 K La values andα-factors with phenol and nitrobenzene of different concentration existing in microbubble aeration

4）懸浮固體（高嶺土）

以高嶺土為典型的固體懸浮污染物［19］，測(cè)定了不同高嶺土質(zhì)量濃度下，微氣泡曝氣中氧傳質(zhì)系數(shù)和α因子，如圖10所示。可以看到，當(dāng)高嶺土質(zhì)量濃度為100 mg／L時(shí)，氧傳質(zhì)系數(shù)最大，為11.16 h－1，此時(shí)最大α因子為1.15。不同于有機(jī)污染物對(duì)微氣泡曝氣氧傳質(zhì)的影響，高嶺土在微氣泡曝氣中可能通過(guò)機(jī)械作用影響微氣泡產(chǎn)生過(guò)程，改變氣泡尺寸，從而影響氧傳質(zhì)過(guò)程，而這種影響取決于高嶺的質(zhì)量濃度，因而存在一個(gè)較優(yōu)的質(zhì)量濃度值。

2.4 氣含率和氧傳質(zhì)過(guò)程相關(guān)性分析

對(duì)同一種污染物存在條件下的氣含率和氧傳質(zhì)系數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析。結(jié)果顯示，氣含率和氧傳質(zhì)系數(shù)之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系（R＞0.98，p＜0.01），表明氣含率是決定微氣泡曝氣氧傳質(zhì)速率的重要因素。然而，對(duì)所有污染物存在條件下的氣含率和氧傳質(zhì)系數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果顯示，氣含率和氧傳質(zhì)系數(shù)之間不存在顯著的相關(guān)關(guān)系（R＝0.306，p＝0.334），表明污染物種類對(duì)微氣泡曝氣氧傳質(zhì)過(guò)程也具有顯著影響。

圖10 不同質(zhì)量濃度高嶺土存在時(shí)微氣泡曝氣氧傳質(zhì)系數(shù)和α因子Fig.10 K La values andα-factors with Kaolin of different concentration existing in microbubble aeration

3 結(jié) 語(yǔ)

1）微氣泡曝氣和傳統(tǒng)氣泡曝氣的表觀狀態(tài)具有明顯差異，呈現(xiàn)乳濁狀態(tài)。

2）表面活性劑、豆油、苯酚、硝基苯等污染物均有助于微氣泡的產(chǎn)生和穩(wěn)定性，從而提高微氣泡曝氣的氣含率和氣泡平均停留時(shí)間。

3）表面活性劑、豆油、苯酚、硝基苯、高嶺土等污染物存在時(shí)，微氣泡曝氣氧傳質(zhì)系數(shù)為7.44～11.56 h－1，α因子為0.77～1.20，顯著高于傳統(tǒng)氣泡曝氣。這些污染物對(duì)微氣泡的形成和穩(wěn)定性具有積極作用，可以克服其對(duì)氧傳質(zhì)過(guò)程的負(fù)面效應(yīng)。

4）氣含率和污染物種類是影響微氣泡曝氣氧傳質(zhì)過(guò)程的重要因素。

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Effect of typical contaminants on oxygen transfer in microbubble aeration

LYU Yue1，LIU Chun2，YANG Xiao3，WU Ke-hong1
（1.Engineering Institute of Engineering Corps，PLA University of Science and Technology，Nanjing Jiangsu 210007，China；2.College of Environmental Science and Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang Hebei 050018，China；3.College of Marine Science and Engineering，Tianjin University of Science and Technology，Tianjin 300457，China）

Microbubble aeration is a new type of bubble aeration，and contaminants in waste water has great influence on oxygen transfer in microbubble aeration.The effects of different typical contaminants on oxygen transfer in microbubble aeration were investigated by using a gas-water circulation type microbubble generator，including surfactants，soybean oil，phenol and nitrobenzene as well as suspended solid（kaolin）.The results indicate that different from traditional bubble aeration，microbubble aeration seems like milk-turbid due to very small bubble size.The soluble organic contaminants improve generation and stability of microbubbles，resulting in higher gas holdup and gas retention time.The range of oxygen transfer coefficientK Lais 7.44～11.56 h－1，and the range ofα-factors is 0.77～1.20 in microbubble aeration with the typical contaminants under all test conditions，larger than those in traditional bubble aeration.The improvement of microbubble generation and stability in presence of the contaminants should be responsible for the reduction of negative effect of contaminants on oxygen transfer.The gas hold-up and contaminant type are the important influencing factors for oxygen transfer in microbubble aeration.

microbubble aeration；typical contaminants；gas holdup；oxygen transfer coefficient；α-factor

X703

A

1008-1542（2012）05-0469-06

2012-05-16；

2012-09-06；責(zé)任編輯：張士瑩

河北省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃重點(diǎn)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（11966726D）

呂 越（1975-），男，河北石家莊人，工程師，碩士研究生，主要從事水環(huán)境治理方面的研究。

劉 春副教授。E-mail：liuchun＠hebust.edu.cn