高濃度溶氧水制備及裝置設(shè)計(jì)

張婷婷 陳卉 馮藝瑋 張智良

（中鋼集團(tuán)武漢安全環(huán)保研究院有限公司，湖北 武漢 430081）

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，大量污染物進(jìn)入水體，黑臭水體不僅影響城市居民日常生活，同時(shí)也嚴(yán)重影響了城市形象。治理黑臭水體常采用曝氣法，利用特殊設(shè)備向水中進(jìn)行曝氣，提高溶解氧含量，增強(qiáng)好氧微生物代謝活性，加快水中微生物對(duì)污染物的代謝氧化，具有見效快、對(duì)環(huán)境影響小等特點(diǎn)，曝氣法已成為黑臭水體最常用的治理手段［1］。為提高水體中的溶解氧含量，常用的方法有機(jī)械曝氣、鼓風(fēng)曝氣和射流曝氣，但由于傳統(tǒng)的曝氣法所產(chǎn)生的氣泡體積大、上浮速率快、傳質(zhì)時(shí)間短而導(dǎo)致處理效果不如微納米氣泡。微納米氣泡由于其具有停留時(shí)間長、表面帶電、內(nèi)部高壓、強(qiáng)氧化性等特殊的理化性質(zhì)可以大幅度提高水中溶解氧的含量以及停留時(shí)間。目前市面上進(jìn)行制備微納米氣泡常采用溶氣釋氣、水動(dòng)力空化法以及超聲空化法［2］。本試驗(yàn)旨在研發(fā)一種新型的曝氣裝置，利用微納米氣泡制備高濃度溶氧水進(jìn)行污水治理。將在高壓溶氣罐中安裝一組中空纖維膜，利用中空纖維膜透氣不透水的特性，在高壓的條件下提高氧轉(zhuǎn)移效率，超高壓電場(chǎng)對(duì)氧氣分子進(jìn)行極化將氧氣經(jīng)中空纖維膜以擴(kuò)散的方式注入到水體中，使氧氣更容易與水分子結(jié)合，從而制備出溶解氧濃度更高的高濃度溶氧水。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

研究所用的試驗(yàn)系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 高濃度溶氧水制備流程

本試驗(yàn)研發(fā)出的新型曝氣裝置的主要組成部分是蓄水池、裝有中空纖維膜的高壓溶氣罐、超聲裝置、超高壓裝置、壓力表以及流量計(jì)。試驗(yàn)采用的高壓溶氣罐外徑為426 mm，直段長1 300 mm，有效容積約為160 L；溶氣罐和氣路上安裝了1.5級(jí)精度的壓力表用于測(cè)量容器罐內(nèi)的混合壓力以及進(jìn)氣壓力。

1.2 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)利用中空纖維膜透氣不透水的特性，在高壓的條件下提高氧轉(zhuǎn)移效率研究不同壓力下對(duì)高濃度溶氧水制備效果的影響；外加超高壓電場(chǎng)使通過進(jìn)氣管路的氧氣經(jīng)過電場(chǎng)變成負(fù)氧離子，經(jīng)過中空纖維膜與細(xì)小水流反應(yīng)生成高濃度溶氧水使氧氣更容易與水分子結(jié)合，在最佳進(jìn)氣壓力條件下研究不同電壓大小對(duì)高濃度溶氧水制備效果的影響；超聲空化是使超聲波在液體內(nèi)造成負(fù)壓形成空穴進(jìn)而生成微納米氣泡，在最佳進(jìn)氣壓力條件下，開啟位于出水管路上的超聲裝置，超聲裝置功率從10%~100%調(diào)節(jié)，探究出水管路上設(shè)置超聲裝置對(duì)高濃度溶氧水制備效果是否有影響；同時(shí)進(jìn)行高濃度溶氧水穩(wěn)定性的測(cè)定，探究不同條件下制備好的高濃度溶氧水的保存及效果。每組試驗(yàn)在設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行15 min后取樣10 L，考察制備出的每組高濃度溶氧水中的DO濃度、氣液比以及溶解氧停留時(shí)間，探究超高壓電場(chǎng)、超聲波和進(jìn)水條件對(duì)高濃度溶氧水制備的影響。

在研究制備最優(yōu)的高濃度溶氧水后，在最佳制備條件下對(duì)固定體積的黑臭湖泊水樣（水樣來自湖北省武漢市某黑臭湖泊水體）進(jìn)行處理。試驗(yàn)時(shí)，將采集的黑臭湖泊水樣分別注入尺寸相同的模擬池中，其中一部分每天固定時(shí)間注入4 h高濃度溶氧水，另一部分注入等體積的清水。通過對(duì)比兩種運(yùn)行條件下，各污染指標(biāo)（DO、COD、氨氮和總磷）隨時(shí)間的變化，探究高濃度溶氧水對(duì)黑臭湖泊上覆水水質(zhì)的影響效果。

2 結(jié)果與分析

2.1 進(jìn)氣壓力

當(dāng)進(jìn)氣壓力范圍在0.3~1.0 MPa時(shí)，濃度隨進(jìn)氣壓力的變化情況如圖2所示。溶解氧濃度隨著進(jìn)氣壓力的增加而增加，在此壓力下溶解氧濃度可達(dá)51.6 mg/L；當(dāng)進(jìn)氣壓力為1.0 MPa時(shí)，在不密封常溫常壓條件下，溶解氧濃度隨時(shí)間變化情況如圖3所示，3 h后溶解氧濃度仍能達(dá)到33.7 mg/L；密封條件下，保存7 d后，溶解氧濃度隨時(shí)間變化情況如圖4所示，溶解氧濃度仍能達(dá)到30 mg/L以上。實(shí)驗(yàn)測(cè)得進(jìn)氣壓力為1.0 MPa時(shí)制得的高濃度溶氧水氣液比為1.46%，說明大部分的氣體均是以不易逸出的微納米氣泡形態(tài)存在于高濃度溶氧水中。分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，增加進(jìn)氣壓力相當(dāng)于增加了氣相與液相氧氣濃度差，從而增加氣液傳質(zhì)效率，使得高濃度溶氧水中的溶解氧濃度增加，氣體通過中空纖維膜進(jìn)入水體，使氧氣以微納米氣泡的形式停留在水中，因此制得的高濃度溶氧水具有較好的穩(wěn)定性［3］。

圖2 濃度隨進(jìn)氣壓力的變化情況（25℃）

圖3 不密封條件下溶解氧濃度隨時(shí)間變化情況

圖4 密封保存條件下溶解氧濃度隨時(shí)間變化情況

2.2 電場(chǎng)強(qiáng)度

進(jìn)氣壓力1.0 MPa時(shí)在進(jìn)氣管路增加電場(chǎng)，溶解氧濃度隨電壓的變化情況如圖5所示。當(dāng)電壓達(dá)到20 kV時(shí)，高濃度溶氧水的濃度最高可達(dá)53.6 mg/L；在進(jìn)水管路外加電場(chǎng)，高濃度溶氧水中溶解氧濃度最多為50.4 mg/L，進(jìn)水管路增加電場(chǎng)對(duì)溶解氧濃度的影響不大。從溶解氧濃度變化趨勢(shì)可得，在進(jìn)氣管路外加電場(chǎng)時(shí)，溶解氧濃度隨著電壓的升高略有增加，但對(duì)提升效果同樣不明顯。在不密封、常溫常壓條件下，溶解氧濃度隨時(shí)間變化情況如圖3所示，3 h后高濃度溶氧水中溶解氧含量仍能達(dá)到31.9mg/L；在密封條件下，保存7 d后，溶解氧濃度隨時(shí)間變化情況如圖4所示，高濃度溶氧水中溶解氧含量仍能超過27.6 mg/L。

圖5 溶解氧濃度隨電壓的變化情況（進(jìn)氣壓力1.0 MPa）

2.3 超聲功率

當(dāng)進(jìn)氣壓力1.0 MPa時(shí)，在高壓溶氣罐出水處設(shè)置超聲波裝置，在超聲波的作用下，溶解氧濃度隨超聲功率的變化情況如圖6所示，制備出的高濃度溶氧水的溶解氧濃度最高為62.0 mg/L。在超聲功率超過最大功率60%，運(yùn)行15 min后，出水溫度升高，超聲波產(chǎn)生較明顯的熱效應(yīng)，反而使得高濃度溶氧水的溶解氧濃度降低。在超聲功率為60%且不密封、常溫常壓的條件下，溶解氧濃度隨時(shí)間變化情況如圖3所示，3 h后高濃度溶氧水中溶解氧含量仍能達(dá)到35.2 mg/L；在密封條件下，保存7 d后，溶解氧濃度隨時(shí)間變化情況如圖4所示，高濃度溶氧水中溶解氧含量測(cè)得為33.9 mg/L。因此，本次試驗(yàn)可得，超聲波對(duì)高濃度溶氧水溶解氧濃度有提升效果，說明在超聲裝置內(nèi)，部分液體在超聲波的作用下出現(xiàn)局部應(yīng)力拉伸進(jìn)而形成負(fù)壓，部分逸出的氧氣在裝置內(nèi)的氣液相界面發(fā)生再次溶解。但功率過大時(shí)，超聲波熱效應(yīng)會(huì)影響高濃度溶氧水的穩(wěn)定性。

圖6 溶解氧濃度隨超聲功率的變化情況（進(jìn)氣壓力1.0 MPa）

2.4 高濃度溶氧水對(duì)黑臭水體水質(zhì)影響研究

在高濃度溶氧水制備的最佳條件下，即進(jìn)氣壓力為1.0 MPa，超聲功率60%，將采集的黑臭湖泊水樣（見表1）分別注入尺寸相同的模擬池中，其中一部分每天固定時(shí)間注入4 h高濃度溶氧水，另一部分注入等體積的清水，注入流量為0.2 L/min。分別檢測(cè)并觀察各污染指標(biāo)（DO、COD、氨氮和總磷）隨時(shí)間的變化情況。

表1 采樣點(diǎn)水質(zhì)指標(biāo) mg/L

進(jìn)氣壓力為1.0 MPa，超聲功率60%，DO濃度隨時(shí)間變化情況如圖7（a）所示，在通入高濃度溶氧水的4 h內(nèi)，水體中的溶解氧濃度不斷升高，在4 h時(shí)水體中的溶解氧濃度達(dá)到2.3 mg/L，是初始值的11.5倍，并有繼續(xù)升高的趨勢(shì)。說明高濃度溶氧水對(duì)水體增氧效果明顯。同時(shí)由于高濃度溶氧水中的氧氣是微納米氣泡的形式存在，因此對(duì)水體是以較平穩(wěn)的速率增加水體溶解氧濃度。

COD濃度隨時(shí)間變化情況如圖7（b）所示，在初次注入高濃度溶氧水的過程中，水樣的COD值先快速下降，至2.5 h后，COD濃度趨于穩(wěn)定，整個(gè)過程中水樣的COD值從初始值62.88 mg/L降至34.73 mg/L。在注入高濃度溶氧水4 h后，COD的去除率達(dá)到了44.7%。

氨氮濃度隨時(shí)間變化情況如圖7（c）所示，在初次注入高濃度溶氧水的過程中，水樣的氨氮值不斷下降，至3 h后，氨氮濃度趨于穩(wěn)定，整個(gè)過程中水樣的氨氮值從初始值10.33 mg/L降至5.82 mg/L。在注入高濃度溶氧水4 h后，氨氮的去除率達(dá)到了43.7%。

TP濃度隨時(shí)間變化情況如圖7（d）所示，在注入高濃度溶氧水的過程中，水樣中的TP濃度不斷降低，4 h后，水樣的TP濃度從1.87 mg/L降至0.82 mg/L，TP的去除率達(dá)到了56.1%。

圖7 DO、COD、氨氮、TP濃度隨時(shí)間變化情況（進(jìn)氣壓力1.0 MPa，超聲功率60%）

通過上述實(shí)驗(yàn)與空白對(duì)照組可得，高濃度溶氧水對(duì)DO、COD、氨氮和總磷均有明顯效果。同時(shí)在處理的過程中，由于高濃度溶氧水緩慢的加入到水體中，相比于常規(guī)曝氣方式，水中并未有較多宏觀大氣泡的產(chǎn)生，因此對(duì)底泥的擾動(dòng)不大，一定程度上減少了惡臭氣體的逸出。該設(shè)備具有較高的集成度，作為臨時(shí)處理裝置時(shí)運(yùn)輸方便；作為長期維護(hù)裝置時(shí)，由于設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中占地面積很小，僅1 m2左右，同時(shí)設(shè)備前期幾乎不需要投入土建成本，因此在工程應(yīng)用中具有一定的優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)論

由于微納米氣泡能夠產(chǎn)生高活性自由基［4］，它們?cè)谒幚碇械臐撛趹?yīng)用越來越受到關(guān)注。目前在國內(nèi)用于制備高濃度溶氧水并進(jìn)行大量推廣的設(shè)備和技術(shù)并不成熟，研究尚處于摸索階段。通過本實(shí)驗(yàn)，得出如下結(jié)論：

1）當(dāng)中空纖維膜進(jìn)氣壓力1.0 MPa、超聲波功率因數(shù)為60%時(shí)制備溶氧水效果最佳，制得的溶氧水溶解氧濃度最高可達(dá)62.0 mg/L。

2）向黑臭水體中注入高濃度溶氧水運(yùn)行4 h后，黑臭水體的溶解氧從0.2 mg/L提高至2.3 mg/L，水樣的COD、氨氮、TP的去除率分別為44.7%、43.7%和56.1%，其中水樣的溶解氧指標(biāo)從劣Ⅴ類提升至優(yōu)于Ⅴ類水的溶解氧限值。

3）本實(shí)驗(yàn)研究制備出的高濃度溶氧水裝置具有穩(wěn)定性好、占地面積小、能耗低、便于運(yùn)輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，該設(shè)備前期幾乎不需要投入土建成本且設(shè)備具有較高的集成度，可進(jìn)行大量推廣。同時(shí)制備出的高濃度溶氧水經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可對(duì)黑臭水體具有一定的處理作用，為今后高濃度溶氧水在黑臭水體治理工程中的應(yīng)用提供了方向。