無泡式充氧膜絲的充氧特性研究*

鄭 俊 趙夢軻 張德偉 余 沛

(1.安徽工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002；2.安徽華騏環(huán)?？萍脊煞萦邢薰荆不?馬鞍山 243061；3.安徽省曝氣生物濾池工程技術(shù)研究中心，安徽 馬鞍山 243061)

隨著經(jīng)濟(jì)和人民生活水平的提高，我國城鎮(zhèn)生活污水量也顯著增加。截至2016年底，城市污水處理總量448.8億m3/a。曝氣設(shè)備是污水處理領(lǐng)域主要的能耗系統(tǒng)[1-2]，曝氣設(shè)備電能的消耗占污水處理系統(tǒng)全部電能消耗的60%以上[3]，同時(shí)曝氣設(shè)備又是污水處理過程中重要的工藝設(shè)備之一，其曝氣效率對污水處理過程有較大的影響[4-5]。曝氣系統(tǒng)性能直接影響到污水處理效果和能源消耗[6]。

無泡式充氧多采用膜材料進(jìn)行曝氣，目的是讓空氣在膜材料的空腔內(nèi)流動，水相在膜外側(cè)流動，通過氧分壓差，使氧氣透過膜壁上的微孔擴(kuò)散進(jìn)入水體[7-8]。因?yàn)槟の⒖椎目讖胶苄。?jīng)過微孔擴(kuò)散的氧氣高度分散，從而使氧氣更易溶于水中，提高氧利用率。同時(shí)，在水處理中無泡式充氧結(jié)合了氣體分離膜技術(shù)和生物膜水處理技術(shù)，利用充氧膜絲作為生物膜的附著載體，形成的生物膜中擁有較多的生物群落和較長的食物鏈從而實(shí)現(xiàn)污水的凈化[9]。因此，開展無泡式充氧膜絲的充氧特性研究，對提高氧轉(zhuǎn)移率、降低污水處理能耗，乃至提高我國水處理設(shè)備的自主研發(fā)能力都具有深遠(yuǎn)意義[10]。

1 試驗(yàn)部分

1.1 充氧性能的測定設(shè)備

膜組件采用兩端集氣的方式向水體中充氧，基本適應(yīng)條件為溫度10～45 ℃、pH 2～12、操作壓強(qiáng)-0.01～0.05 MPa，滿足本研究需要改變的相關(guān)參數(shù)變化范圍。膜組件的相關(guān)性能參數(shù)：中空纖維膜有效長度1.65 m，膜內(nèi)/外徑0.7/1.6 mm，孔徑分布0.01～0.10 μm，膜面積5 m2，膜通量20～60 L/(m2·h)，中空纖維膜數(shù)量610根，連接管直徑40 mm，孔隙率80%。

膜組件兩端膜殼分別被固定于反應(yīng)器底部兩側(cè)，膜懸掛于反應(yīng)器中部固定的橫管上，因此膜在反應(yīng)器中呈現(xiàn)凸曲線的形態(tài)。架設(shè)充氧管路，利用空氣壓縮機(jī)對膜組件兩段同時(shí)進(jìn)行供氣，氣體通過中空纖維膜以無泡式充氧的方式進(jìn)入水體中。使用磁力循環(huán)驅(qū)動泵(MP-6RZ)來循環(huán)反應(yīng)器內(nèi)的水，帶動反應(yīng)器內(nèi)水流的流動進(jìn)而改變水流速度，管路上設(shè)有壓強(qiáng)表(AKS 803)和氣體流量計(jì)(LZB-3WB)，用來測定充氧壓強(qiáng)、氣體流量等參數(shù)。

1.2 氧體積傳質(zhì)系數(shù)測定方法

氧體積傳質(zhì)系數(shù)以動力學(xué)方法測定，每次試驗(yàn)前對水體進(jìn)行消氧處理，再立即開始無泡式充氧，使用便攜式溶氧儀(LD0101-05)記錄DO隨充氧時(shí)間的變化，同時(shí)考慮到實(shí)際過程中DO初期變化較快，因此分別在無泡式充氧開始0、2、5、10、15、20、25、30 min時(shí)測定瞬時(shí)的DO，并記錄當(dāng)時(shí)所處的溫度。計(jì)算方程[11]396如下：

ln[(c*-c0)/(c*-ct)]=(Q/V)[1-exp(-KLa×l/vL)]t

(1)

式中：c*為測定溫度下液相中飽和DO，mg/L；c0為液相中初始DO，mg/L；t為充氧時(shí)間，min；ct為液相中t時(shí)DO，mg/L；Q為氣體流量，L/min；V為液相體積，L，即池體有效容積233 L；KLa為氧體積傳質(zhì)系數(shù)，h-1；l為中空纖維膜有效長度，m，本試驗(yàn)中為1.65 m；vL為膜表面液相流動速度，m/h。

通過對ln[(c*-c0)/(c*-ct)]與t作線性相關(guān)趨勢線，可得到斜率，繼而由式(1)求得氧體積傳質(zhì)系數(shù)。

1.3 充氧膜絲的起泡點(diǎn)測量方法

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，起泡點(diǎn)形成機(jī)理[12-13]為：膜內(nèi)的氣體在氣相壓力的推動下到達(dá)膜-液相界面，并形成微小的氣泡，在界面處表面張力的作用下，微小氣泡滯留于界面上；在后續(xù)氣流的推動下，氣相壓力不斷增大，氣泡不斷長大，同時(shí)長大過程中，相鄰的小氣泡相互兼并、積聚成為更大的氣泡；氣泡內(nèi)的推力突破表面張力，離開膜界面，逸入液相。

起泡點(diǎn)測量的具體操作步驟：(1)反應(yīng)器內(nèi)注入清水至指定刻度；(2)對浸入水中的中空纖維膜進(jìn)行充氧，觀察膜表面是否出現(xiàn)氣泡，若未發(fā)現(xiàn)氣泡，穩(wěn)定幾分鐘后，繼續(xù)通過膜組件向反應(yīng)器內(nèi)充氧，直至觀察到氣泡出現(xiàn)為止；(3)記錄此時(shí)的充氧壓強(qiáng)，即該氣體在該條件下的起泡點(diǎn)。

1.4 兩種充氧方式的比較

使用充氧盤充氧模擬傳統(tǒng)鼓泡充氧。在回流量為20 L/h(即水流速度為0.011 m/s)、充氧壓強(qiáng)為0.035 MPa、水溫約為19 ℃、氣體流量為600 mL/min的操作條件下，分別測定鼓泡充氧與無泡式充氧的相應(yīng)參數(shù)，并計(jì)算氧體積傳質(zhì)系數(shù)。

按照表1中的材料性能對比分析來看，整個(gè)材料的充填過程中，其對應(yīng)的材料充填性能變化和膏體自身的變化粒徑存在著明顯的關(guān)系，要想保障整體充填工藝應(yīng)用的質(zhì)量得到保障，就應(yīng)該注重在集料優(yōu)化過程中，及時(shí)的按照對應(yīng)的集料優(yōu)化控制去處理對應(yīng)的集料[2]。同時(shí)按照膏體充填工藝的選擇需求，在進(jìn)行對應(yīng)的充填工藝應(yīng)用過程中，及時(shí)的針對充填工藝應(yīng)用中的粒徑變化進(jìn)行對應(yīng)的粒徑變化曲線繪制，整個(gè)曲線繪制結(jié)果如圖2所示，按照該圖中的曲線粒徑變化關(guān)系來看，整個(gè)充填工藝運(yùn)行中，對應(yīng)的充填集料的變化和整個(gè)材料的粒徑變化性能是具有明顯關(guān)聯(lián)性的，只有保障將對應(yīng)的材料充填粒徑變化范圍控制好，這樣才能滿足整體的材料充填應(yīng)用需求。

2 結(jié)果與討論

2.1 充氧方式比較結(jié)果

根據(jù)鼓泡充氧的氧傳質(zhì)方程[11]396，求出氧體積傳質(zhì)系數(shù)為0.064 1 h-1。由式(1)可求出無泡式充氧的氧體積傳質(zhì)系數(shù)為0.559 2 h-1，約為鼓泡充氧的8.7倍，無泡式充氧優(yōu)于鼓泡充氧。這是因?yàn)闊o泡式充氧不產(chǎn)生肉眼可見的氣泡，不能起到攪動水體的作用，而鼓泡充氧產(chǎn)生了大量的大氣泡，充分?jǐn)噭恿怂w致使水力條件即湍流程度發(fā)生改變，產(chǎn)生的大氣泡容易在水中破裂，隨水流較快地?cái)U(kuò)散，并充滿池體，所以使得無泡式充氧更具優(yōu)勢。

2.2 充氧壓強(qiáng)對氧體積傳質(zhì)系數(shù)的影響

當(dāng)充氧壓強(qiáng)處于起泡點(diǎn)以下時(shí)，即能實(shí)現(xiàn)無泡式充氧，這種充氧方式具有高效性和高氧利用率。在回流量為40 L/h(即水流速度為0.022 m/s)、水溫約為25 ℃時(shí)，池中水深為0.4 m處起泡點(diǎn)為0.369 MPa。在起泡點(diǎn)以下，測定0.015、0.025、0.035 MPa的充氧壓強(qiáng)下反應(yīng)器的DO(見圖1)，并計(jì)算得到相應(yīng)的氧體積傳質(zhì)系數(shù)分別為0.073 9、0.155 6、0.559 2 h-1。DO隨充氧壓強(qiáng)增大而增加，相同條件下充氧60 min，0.015 MPa時(shí)DO最高達(dá)到1.75 mg/L，氧體積傳質(zhì)系數(shù)為0.073 9 h-1；0.035 MPa時(shí)DO升至2.24 mg/L，氧體積傳質(zhì)系數(shù)為0.559 2 h-1。

不同充氧壓強(qiáng)下，氧體積傳質(zhì)系數(shù)相差較大，但30 min前DO變化較小。分析認(rèn)為，氧氣溶于水時(shí)，氧轉(zhuǎn)移的決定性阻力集中在液膜，而當(dāng)水中DO為零時(shí)，氧傳遞推動力都很大，且為充氧效果的主要控制因素，氧轉(zhuǎn)移率也都很大，所以30 min前DO變化表現(xiàn)出相近的趨勢。隨著水中DO升高到一定值后，吸附在膜壁上的微氣泡相互融合形成大氣泡，抵消了充氧強(qiáng)度帶來的氧體積傳質(zhì)系數(shù)的提高，因此30 min后表現(xiàn)出明顯的差異性?？傮w上看，隨著充氧壓強(qiáng)的增大，氧體積傳質(zhì)系數(shù)變化趨勢加快，分析認(rèn)為水從中空纖維膜間穿過時(shí)與膜成一定夾角，即氣-液相之間是處于錯(cuò)流的狀態(tài)，充氧壓強(qiáng)增大時(shí)液相邊界層厚度會變薄，因而氧體積傳質(zhì)系數(shù)會提高。

圖1 不同充氧壓強(qiáng)下DO的變化

相關(guān)學(xué)者在研究中空纖維膜的無泡式充氧特性時(shí)發(fā)現(xiàn)，充氧壓力的增大在一定程度上可能對液相邊界層產(chǎn)生壓縮作用，削弱了液相邊界層阻力，氧體積傳質(zhì)系數(shù)得以提高[14]。這與本試驗(yàn)結(jié)論相同。張六六等[15]也得出類似的研究結(jié)論，并表示在一定范圍內(nèi)充氧壓強(qiáng)對氧體積傳質(zhì)系數(shù)有很大的影響，隨著充氧壓強(qiáng)的增大，氧體積傳質(zhì)系數(shù)逐漸增大。侯霙等[16]也證明了這一觀點(diǎn)。因此，在不降低氧體積傳質(zhì)系數(shù)的條件下，試圖通過降低充氧壓強(qiáng)來降低充氧成本是不可行的。

2.3 水流速度對氧體積傳質(zhì)系數(shù)的影響

當(dāng)充氧壓強(qiáng)為0.015 MPa、水溫約為19 ℃時(shí)，測定池中水深為0.4 m處不同水流流速下反應(yīng)器的DO變化，結(jié)果見圖2。隨水流速度的增大，DO呈上升趨勢；水流速度≤0.022 m/s時(shí)DO相對較低，水流速度為0.045、0.091 m/s時(shí)DO最高且變化速率最快。基于起泡點(diǎn)形成機(jī)理，氣泡滯留于界面時(shí)，氣泡內(nèi)的推力小于表面張力，水流速度增大后，氣、液接觸面積相對增大，水流速度可促進(jìn)氣泡突破表面張力，逸入液相。在無泡式充氧的方式下，隨水流速度的增大，氧體積傳質(zhì)系數(shù)也隨之增大。鄭斐[17]對中空纖維膜充氧效果的影響分析中，也發(fā)現(xiàn)了相似的結(jié)果。具體原因主要有：(1)在無泡式充氧中，液相邊界層是氧傳質(zhì)的主要阻力來源，隨水流速度的變大，液相邊界層厚度變薄，液相阻力變低，從而加快了氧的傳遞；(2)適當(dāng)增大水流速度可帶走因表面張力而附著在膜上的小氣泡，從而降低了形成大氣泡的概率，又因?yàn)樾馀萦兄鄬^大的比表面積，因而增大了液相中氧傳遞的總面積，提高了氧體積傳質(zhì)系數(shù)。

圖2 不同水流速度下DO的變化

假設(shè)中空纖維膜由無數(shù)細(xì)小的球型固體顆粒連接而成，當(dāng)流體流過固體顆粒、液滴并與固體顆粒、液滴之間存在著傳質(zhì)，其對流傳質(zhì)系數(shù)的關(guān)系式[18]為：

Sh=a×Reb×Scc

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：Sh為舍伍德數(shù)，其值為對流傳質(zhì)與擴(kuò)散傳質(zhì)的比值；a為系數(shù)；Re為雷諾數(shù)，其值為流體慣性力與黏滯力的比值；b為反映膜表面速度對傳質(zhì)影響的指數(shù)；Sc為施密特?cái)?shù)，其值為動黏滯系數(shù)與擴(kuò)散系數(shù)的比值；c為反映速度邊界層與濃度邊界層之比對傳質(zhì)影響的指數(shù)；K為氧的總傳質(zhì)系數(shù)，m/s；d0為中空纖維膜外徑，m，本研究中為1.6×10-3m；D為氧在水中的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s，本研究中水溫約19 ℃，則其值為1.98×10-9m2/s；ρ為液體密度，kg/m3，水溫約19 ℃時(shí)其值為998.4 kg/m3；v為水流速度，m/s；μ為液體黏度，Pa·s，水溫約19 ℃時(shí)其值為1.029 9×10-3Pa·s。

對式(2)兩邊同時(shí)求對數(shù)，整理可得式(6)。由于Sc與溫度有關(guān)，而在本試驗(yàn)中溫度變化不明顯，因此不考慮其對K的影響，經(jīng)計(jì)算可得Sc=521。c取值0.33，作出lnSh與lnRe的線性函數(shù)方程為式(7)。由此可計(jì)算得到b=0.813 9，a=8.923 3-0.33×ln521=6.858 9，代入式(2)得到式(8)。

lnSh=lna+b×lnRe+c×lnSc

(6)

lnSh=0.813 9lnRe+8.923 3，R2=0.927 58

(7)

Sh=6.858 6×Re0.813 9×Sc0.33

(8)

試驗(yàn)中水流速度被控制在0.011～0.091 m/s，對應(yīng)的Re為17.55～140.44，處于層流狀態(tài)，但b=0.813 9，說明氧體積傳質(zhì)系數(shù)與水流速度呈正相關(guān)關(guān)系，且在一定程度上有較大的影響，這可能是由于膜表面液相邊界層的厚度因水流速度的變化而變薄，液膜阻力減小因而氧體積傳質(zhì)系數(shù)隨之增大。ZHENG等[19]分析認(rèn)為，水流速度的增加造成液相紊流加劇，氣-液界面處液膜厚度減小，傳質(zhì)阻力降低，傳質(zhì)速率提高。

2.4 水深對充氧性能的影響

當(dāng)充氧壓強(qiáng)為0.035 MPa、水溫約為19 ℃時(shí)，測定不同水流速度、不同水深下DO的變化，并計(jì)算相應(yīng)的氧體積傳質(zhì)系數(shù)和氧轉(zhuǎn)移速率(SOTR)，結(jié)果見圖3。

圖3 氧體積傳質(zhì)系數(shù)與SOTR隨水深的變化

隨著水深和水流速度的增大，氧體積傳質(zhì)系數(shù)與SOTR均增大。根據(jù)傳質(zhì)的雙膜理論，水深相同時(shí)，水流速度增大，單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)移到水中的DO就大，這有助于小氣泡的擴(kuò)散；水流速度相同，水深增大，小氣泡上升過程中與水接觸的時(shí)間延長，有助于氧向水中的傳遞。當(dāng)水體DO處于未飽和狀態(tài)且水流速度不變的條件下，隨著水深的增加，液相主體的紊流程度增強(qiáng)，氧的轉(zhuǎn)移過程加快；當(dāng)水深較深時(shí)，中空纖維膜間氣液紊流程度加強(qiáng)，使得液膜表面阻力減小，進(jìn)而中空纖維膜表面氣體的更新速度加快，這使得氧體積傳質(zhì)系數(shù)整體上來說相對較大。尹訓(xùn)飛等[20]研究認(rèn)為，SOTR隨水深的增大而增大，這與本試驗(yàn)現(xiàn)象基本吻合。張斌等[21]在研究曝氣器充氧性能時(shí)發(fā)現(xiàn)，水深5、6、10 m，隨著水深的增加充氧能力也增大。謝宇寧[22]在增氧性能試驗(yàn)中也得出了類似的結(jié)論，認(rèn)為SOTR隨著水深的增加而增加。

因此，在無泡式充氧的實(shí)際工程應(yīng)用中，可根據(jù)實(shí)際條件適當(dāng)增加水深，有利于提高氧體積傳質(zhì)系數(shù)、SOTR和氧的利用率，進(jìn)一步降低運(yùn)行過程中能量的消耗與資金的投入。

3 結(jié) 論

(1) 無泡式充氧時(shí)，水流速度為0.022 m/s，水深為0.4 m處0.015、0.025、0.035 MPa的充氧壓強(qiáng)下，氧體積傳質(zhì)系數(shù)分別為0.073 9、0.155 6、0.559 2 h-1，氧體積傳質(zhì)系數(shù)隨著充氧壓強(qiáng)的增大而增大。不降低氧體積傳質(zhì)系數(shù)的條件下試圖降低充氧壓強(qiáng)來降低成本是不可行的。

(2) 水流速度為0.045、0.091 m/s時(shí)DO最高且變化速率最快。氧體積傳質(zhì)系數(shù)與水流速度呈正相關(guān)關(guān)系。

(3) 當(dāng)充氧壓強(qiáng)為0.035 MPa、水深為0.1～0.7 m、水流速度為0～0.091 m/s時(shí)，隨著水深和水流速度的增大，氧體積傳質(zhì)系數(shù)與SOTR均增大。