一種加壓溶氣式微泡發(fā)生器的設(shè)計

(上海第二工業(yè)大學(xué)材料與環(huán)境工程學(xué)院， 上海201209)

隨著國家對河流黑臭水體治理的重視，微泡法作為一種可以穩(wěn)定提高供氧能力的修復(fù)技術(shù)[1]，在黑臭水體以及城市景觀水體的治理方面有著巨大的優(yōu)勢[2-4]。由于自身的尺度效應(yīng)，微泡出現(xiàn)沉降等特殊的理化特性，而這些特性能夠極大提升污水處理的能力[5-8]，因此，微泡發(fā)生裝置的研究受到人們的廣泛關(guān)注，現(xiàn)在已開發(fā)包括射流式、機械攪拌式、微多孔結(jié)構(gòu)等多種微泡發(fā)生裝置[9-12]。

加壓溶氣氣浮法[13]主要由流量泵、空壓機、耐壓溶氣罐和噴嘴等部分組成。 系統(tǒng)利用空壓機提供固定壓力的壓縮氣體，流量泵控制穩(wěn)定的水流，在高壓溶氣罐內(nèi)形成過飽和溶氣水。當(dāng)過飽和溶氣水在壓力罐內(nèi)充分混合后，經(jīng)過噴嘴以微泡的形式釋放，為水體內(nèi)的氧化還原反應(yīng)以及微生物的生長繁殖提供充足的氧源[14]。本文中嘗試研究一種加壓溶氣式微泡發(fā)生器，并通過實驗驗證其可行性，并在此基礎(chǔ)上對各個參數(shù)進行優(yōu)化，找到最佳運行條件。相比同類方法，除了能夠提高供氧能力，縮短處理時間、減小反應(yīng)器占地面積等方面的優(yōu)勢外[15-16]，又不同于傳統(tǒng)方法。本方法結(jié)構(gòu)簡單，采用中位粒徑更小的微泡，作為供氧的主體，可以提高氧氣在水中的停留時間，增加底層含氧量。

1 實驗

1.1 儀器與裝置

實驗測量所用儀器如表1所示，微泡發(fā)生器主要部件如表2所示。

表1 實驗測量儀器

表2 微泡發(fā)生器部件

1.2 實驗設(shè)備

通過管路將空壓機、計量泵和溶氣罐上端的氣液混合噴嘴相連。將空壓機上的另一條管路與溶氣罐的進氣口連接。在罐體出水口安裝噴嘴(用作釋放器)。2條氣路分別通過閥門1和閥門2控制流量，并由流量表1和流量表2讀取具體的數(shù)值；罐體的壓力由壓力表指示；計量泵的流量通過自身所帶流量控制閥控制，如圖1所示。

圖1 微泡發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure chart of micro-bubble generator

實驗使用壓力溶氣罐的內(nèi)徑為100 mm， 總高度為280 mm， 其中， 罐體上端進氣口距主體上端60 mm，下端出水口距主體下端為60 mm，頂端內(nèi)螺紋管高度為40 mm，如圖2所示。

實驗的主要操作步驟： 1)同時打開計量泵和空壓機的開關(guān)； 2)調(diào)節(jié)計量泵上的流量控制閥使水流量達(dá)到某個固定值(調(diào)節(jié)范圍為0～20 L/min)； 3)打開氣路閥門1， 使空氣和水在罐體頂端的氣液混合噴嘴處混合后流入溶氣罐內(nèi)；4)打開閥門2，調(diào)節(jié)壓力值，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時，觀察壓力表的讀數(shù)，得到罐體內(nèi)部的壓力值，同時讀取流量表1和流量表2的氣體流量值，兩者之和(即總氣體流量)與已知的水流量得到氣水體積流量比值；5)氣液混合物通過噴嘴2流入出水桶，采集水樣。

圖2 壓力溶氣罐尺寸圖Fig.2 Dimensional of pressure tank

實驗過程中，若空氣流量或壓力發(fā)生變化，調(diào)節(jié)閥門1，使系統(tǒng)的流量和壓力達(dá)到穩(wěn)定，記錄流量表1、流量表2和壓力表的值，用移液管從出水桶中采集水樣，用于測量。

1.3 實驗測定方法

1.3.1 微泡直徑測定

采用圖像儀測定水體中微泡尺寸分布。得到微泡的直徑分布、中位徑等參數(shù)，如圖3所示。

圖3 微泡直徑分布圖Fig.3 Distribution of micro-bubble diameter

實驗中的微泡直徑分布數(shù)據(jù)均為10次取樣拍照，分析得到的平均值，微泡數(shù)目可達(dá)到700個。

1.3.2 微泡體積分?jǐn)?shù)測定

運用可見分光光度計測定含微泡水中的透光率?；诠馊⑸浞?，利用百特經(jīng)驗公式計算微泡的體積分?jǐn)?shù)：

CV=-(3·D·log(I/I0))/(2·L·K)，

(1)

式中：CV為微泡的體積分?jǐn)?shù)， %；D為中位粒徑， μm；I/I0為光透過率；L為光程長度， μm；K為消光系數(shù)， 與折射率、 波長、 粒徑相關(guān)， 通常大于2 μm，K取值為2.0。

1.3.3 溶解氧測定

采用多功能水質(zhì)測定儀測量溶解氧隨時間的變化。

1.4 實驗?zāi)康?/h3>

實驗通過改變氣水比、壓力、水流量等參數(shù)，探究各參數(shù)對微泡尺寸分布、體積分?jǐn)?shù)和溶解氧的影響。實驗還探討了液面位置以及表面活性劑對微泡參數(shù)的影響，探尋實驗裝置的最佳運行條件。

2 結(jié)果與討論

2.1 氣水比對微泡中位徑的影響

在P=0.7 MPa，QL=20 L/min的條件下，調(diào)整氣體流速，使氣水體積比(以下簡稱氣水比)分別為0.5 ∶1、 1 ∶1、1.5 ∶1、2 ∶1、 2.5 ∶1、 3 ∶1、 4 ∶1、 5 ∶1共8組， 然后，在不同氣水比條件下，測得微泡的中位徑值，得到中位徑隨氣水比的變化，見圖4。

圖4 不同氣水體積比微泡的中位徑Fig.4 Medium size of micro-bubbles with different gas-water ratios

由圖4可以看出，氣水比對微泡中位徑大小的影響明顯。氣水比在0.5 ∶1～1.5 ∶1區(qū)間內(nèi)，隨著氣水比的增加，微泡的中位徑減?。辉?.5 ∶1～5 ∶1區(qū)間內(nèi)，隨著氣水比的增大，其中位徑增大。因此實驗的最佳的氣水比為1.5 ∶1。

2.2 壓力對微泡中位徑的影響

在氣水比為1.5 ∶1，QL=20 L/min條件下，分別調(diào)整罐體壓力從0.3～1.2 MPa，并測定微泡中位徑值。得到中位徑隨壓力的變化，見圖5。

圖5 不同壓力微泡的中位徑Fig.5 Medium size of micro-bubbles under different pressure

由圖5可以看出，在0.6 MPa以下，中位徑較小，而在壓力大于0.7 MPa時，微泡的中位徑出現(xiàn)突然增大，常規(guī)情況下壓力增大微泡的中位徑應(yīng)當(dāng)減小，這里出現(xiàn)在高壓區(qū)的反常現(xiàn)象，考慮可能是由于罐體較小，當(dāng)壓力過高時，罐體內(nèi)液面位置較低，導(dǎo)致微泡中位徑出現(xiàn)反?，F(xiàn)象，由于在P=0.3 MPa條件下， 出水流速過小， 生成微泡的數(shù)量較少； 而P=0.6 MPa壓力過高，增加能耗。因此P=0.4 MPa為實驗最佳壓力值。

2.3 水流量對微泡中位徑的影響

在P=0.7 MPa，氣水比為1.5 ∶1的條件下。調(diào)整罐體中水流量為5、 10、 15、 18、 20 L/min共5組，測得微泡的中粒徑，得到中位徑隨水流量的變化，見圖6。

圖6 不同水流量下微泡的中位徑Fig.6 Medium size of micro-bubbles at different water flow rates

從圖6中看出，在氣水比和壓力一定的情況下，微泡的中位徑隨著水流量的增加而減小。在水流量為20 L/min為時出現(xiàn)最小值。因此實驗最佳的水流量為20 L/min。

2.4 液面位置對微泡中位徑的影響

將罐體從下至上平均分為4個區(qū)域(分別用1區(qū)、2區(qū)、3區(qū)、4區(qū)表示，其中1區(qū)為最低液位，4區(qū)為最高液位)在P=0.4MPa，QL=20 L/min，氣水比為1.5 ∶1的條件下，測得微泡的中位徑，得到中位徑隨液面位置的變化，見圖7。

圖7 液位對微泡中位徑的影響Fig.7 Effect of liquid level on the median size of micro-bubbles

從圖7中可以看出，隨著液面位置的不斷升高，微泡的中位徑越來越小，其中的原因可能與系統(tǒng)的穩(wěn)定性有關(guān)，當(dāng)液位在3、4區(qū)時，罐內(nèi)的壓力可以在較長的時間內(nèi)保持穩(wěn)定，而當(dāng)液位在1、2區(qū)時，罐體內(nèi)部壓力不平衡，使得氣液飽和液在釋放的過程中不能很好地保持穩(wěn)定的狀態(tài)，從而使微泡的中位徑增大?？紤]到液位在4區(qū)時罐內(nèi)預(yù)留空間過小，長時間運行可能影響到氣水混合的效果，因此，選用3區(qū)作為設(shè)備的最佳運行液面位置。

2.5 表面活性劑對微泡中位徑的影響

在P=0.4 MPa，QL=20 L/min，氣水比為1.5 ∶1，液位面在3區(qū)的實驗條件下, 向20 L水中投加不同的表面活性劑包括十二烷基硫酸鈉(SDS)、 月桂酸鈉(SD)， 投加的質(zhì)量濃度分別為0、 0.01、 0.025、 0.05 g/L測得微泡的中位徑， 得到表面活性劑對中位徑的影響，見圖8。

圖8中兩條線分別表示投加不同濃度SD、SDS得到的微泡中位徑的曲線，對比未投加的空白組可以看出，投加SD的微泡的中位徑增大，原因可能是SD在水中溶解后會出現(xiàn)白色渾濁，當(dāng)投加質(zhì)量濃度超過0.025 g/L時，水體渾濁度逐漸增大，對中位徑的檢測造成干擾，固此在SD投加量為0.05 g/L時，未能得到可靠的中位徑結(jié)果。投加了SDS的微泡的中位徑，投加濃度0～0.025 g/L時，隨著SDS投加濃度的增大，微泡的中位徑出現(xiàn)減小，并在0.025 g/L出現(xiàn)最小值。對于SDS而言， 適量的SDS可以有效的降低水的表面張力， 增加微泡水量， 減小微泡的中位徑， 而過高的濃度會產(chǎn)生大量的泡沫， 使液面上層出現(xiàn)很厚的泡沫層， 嚴(yán)重影響對于下層微泡中位徑的測定， 因此， 表面活性劑對于中位徑的影響， 在低濃度時有促進其中位徑減小的作用， 高濃度時則使得微泡的中位徑變大。因此，SDS的最適投加濃度為0.025 g/L。

圖8 表面活性劑對微泡中位徑的影響Fig.8 Effect of surfactants on median size of micro-bubbles

2.6 微泡中位徑對溶解氧的影響

在P=0.4 MPa，QL=20 L/min， 氣水比為1.5 ∶1， 液位面在3區(qū)的條件下分別測得通氣1 h后空白組和添加0.025 g/L SDS兩組的溶解氧衰減值， 其中， 測得的水體的基礎(chǔ)溶解氧質(zhì)量濃度為5.0 mg/L。 見圖9。

圖9 微泡中位粒徑對溶解氧的影響Fig.9 Effect of median size of micro-bubbles on dissolved oxygen

根據(jù)測得數(shù)據(jù)， 空白組的中位徑為34.65 μm，添加SDS的數(shù)據(jù)為26.68 μm，實驗開始時，中位徑為34.65 μm，測得的溶解氧質(zhì)量濃度為10.2 mg/L； 中位徑為26.68 μm， 測得的溶解氧的質(zhì)量濃度為11.1 mg/L。從所得數(shù)據(jù)可以看出，中位粒徑值越小得到的溶解氧濃度越高。

2.7 表面活性劑對微泡的影響

在P=0.4 MPa，QL=20 L/min，氣水比為1.5 ∶1，液位面在3區(qū)的條件下，分別測得空白組和添加0.025 g/L SDS組的吸光度值， 得到表面活性劑對吸光度的影響，見圖10。根據(jù)公式，帶入吸光度數(shù)據(jù)后得到微泡水的體積分?jǐn)?shù)。得到表面活性劑對微泡水體積分?jǐn)?shù)的影響，見圖11。

圖10 表面活性劑對吸光度的影響Fig.10 Effect of surfactant on absorbance

圖11 表面活性劑對體積分?jǐn)?shù)的影響Fig.11 Effect of surfactant on volume fraction

由圖10可以看出， 在投加了表面活性劑后， 吸光度有明顯的增大， 即微泡的數(shù)量有所增加。 從圖11中可以看出， 實驗開始時添加了SDS組微泡水的體積分?jǐn)?shù)對比空白組的增加了近一倍， 從隨時間的變化上看， SDS組體積分?jǐn)?shù)總能維持在空白組的上方。

3 結(jié)論

1)設(shè)計一種加壓式微泡發(fā)生器，能制備出尺寸細(xì)小、氧溶解量高的微泡。

2)在P=0.4 MPa，QL=20 L/min，氣水比為1.5 ∶1，液位面在3區(qū)的條件下能夠最優(yōu)化運行，制備的微泡的中位徑在34.65 μm，添加表面活性劑SDS后，中位徑可減小到26.68 μm。

3)溶解氧值在直接曝氣后可以達(dá)到10.2 mg/L，添加SDS后可將溶解氧質(zhì)量濃度提升到11.1 mg/L，是空白水樣的2.2倍。