压力对加压生物反应器氧转移的影响

曹敬华1，明欲晓²
( 1.青岛建筑工程学院 环境工程系，山东青岛 266033；2.青岛大学应用化学系，山东青岛 266071)

　　摘　要：通过试验考察了压力对加压生物反应器的氧转移效率(EA)及氧转移动力效率(EP)的影响。结果表明：氧总转移系数(KLa)是压力的函数，随压力增加近似呈直线下降；EA随压力增加而显著提高，但其提高速率随压力增大而减小；EP也是压力的函数，压力对EP的影响与溶解氧浓度有关，在一定的供氧条件下存在一个临界溶解氧浓度值，在低于该临界值的溶解氧范围内EP随压力增加而降低，而在高于该临界值的溶解氧范围内EP随压力增加而提高，当达到某一最大值后随着压力的继续增加，EP逐渐减小。若在与EP最大值对应的压力下供氧，则可将供氧能耗降至最小。一般情况下，加压生物反应器在压力为250～600kPa条件下工作可能是比较经济合理的。另外，串联使用加压生物反应器可明显提高EA和EP。
　　关键词：压力；加压生物反应器；EA；EP
　　中图分类号：X703.3
　　文献标识码：C
　　文章编号：1000-4602(2002)09-0034-03

1 材料与方法

1.1 试验
　　试验装置如图1所示。

　　反应器为钢制，高为6000mm，内径为800mm，水深为5000mm，有效容积为2.48m³，空气扩散器淹没深度为4800mm。采用非稳态曝气方法确定KLa，投加还原剂(亚硫酸钠)和催化剂(氯化钴)制作脱氧清水(钴离子浓度为0.05mg/L)。为消除因亚硫酸钠积累造成的影响，每次测定KLa都使用新鲜的脱氧清水。试验温度为(20±0.2)℃，空气流量为1m³/h。用薄膜溶解氧电极测定溶解氧。
1.2 KLa的确定氧转移速率方程为：
　　　　　dC/dt=K_La(C_SM-C) 　　　(1)
　　根据式(1)中dC/dt与(C_SM-C)的关系，采用最小二乘法确定K_La。

2 结果与讨论

　　试验结果如表1所示。
　　由表1可见,压力(P_b)对K_La有不利影响(压力增加则K_La减小,随压力增加K_La近似呈线性降低)，其原因可能是压力增加后气泡直径变小，虽然气泡在水中的停留时间延长，但搅动能力减弱，液膜厚度增加，从而导致氧转移阻力增加，这对K_La造成的不利影响大于因停留时间延长对K_La产生的有利影响，致使K_La随压力增加而减小。另外，压力增加后气泡表面积减小(总的气泡个数不变)也可能是造成K_La降低的又一个原因。?

表1 ?K_La与压力的关系 Pb(kPa) K_La(h^-1) n r² 100 3.02 8 0.982 200 2.90 8 0.978 300 2.81 8 0.992 400 2.72 8 0.976 500 2.58 8 0.985 600 2.39 8 0.969 700 2.22 8 0.988 800 2.03 8 0.981 注：n为试验组数,r为相关系数。

　　压力对氧转移速率有两种相反的影响，一种是提高压力能增加饱和溶解氧浓度而使氧转移速率提高，另一方面是压力使K_La降低，从而使氧转移速率减小。这两种影响的相对强弱将最终决定加压条件下的EA及EP的大小。
　　不同溶解氧浓度(C)下的EA与压力Pb的关系表明，在较低的压力范围内提高反应器的压力可使EA显著增加，这说明通过 提高压力可显著提高供氧能力，但EA的增加速率随压力增加而减小，在较高的压力范围内(Pb＞600kPa)，再继续提高压力则EA增加甚微。这一方面是因为气泡在反应器内的平均氧分压与压力不成正比，而是随压力增加则平均氧分压的增加速率逐渐减小；另一方面则是由于压力提高导致KLa减小的缘故，这表明通过提高压力来增大供氧能力也有一定的限度。
　　另外试验还表明，在高溶解氧浓度或低α(污水和清水的KLa比值)、β(污水和清水中饱和溶解氧浓度比值)值及低饱和溶解氧的环境中EA值较小，此时为保证较高的供氧能力则需维持较高的压力。
　　不同溶解氧浓度(C)下的EP/EP′(不同压力条件下的氧转移动力效率与常压下的氧转移动力效率之比)与压力Pb之间的关系试验，在试验条件下Pb对EP/EP′的影响比较复杂。对某一给定的CS、α及β值范围，在低溶解氧浓度范围内的EP/EP′＜1.0，但随压力升高EP/EP′会逐渐减小，这说明在加压条件下供氧会消耗较多的能量，压力越高则耗能越多；另一方面在较高溶解氧浓度范围内的EP/EP′＞1.0且EP/EP′随压力增加而增加，待EP/EP′达到最大值后随着压力继续增加而逐渐减小，在某一压力下存在EP/EP′的最大值，此状态下供氧消耗的能量最少。此外，对应于EP/EP′=1.0的临界溶解氧浓度值主要取决于CS、α及β值(CS、α及β值越小，临界溶解氧浓度越小，则EP/EP′值越大)。在t=25～30℃、α=0.8、β=0.9的条件下临界溶解氧浓度约为5 mg/L。
　　反应器内的压力和溶解氧浓度是影响供氧能力及供氧能耗的主要因素，故在加压生物反应器设计中合理确定压力和溶解氧浓度是非常重要的。维持高溶解氧浓度可以得到高有机物去除速率并使投资降低，但这不仅增加供氧难度，使能耗增大，而且需要有更高的供氧能力，为此往往需要维持一定的压力以满足其供氧需求，而压力对供氧能耗的影响程度则又取决于溶解氧浓度的大小。经济合理的压力和溶解氧浓度值应当是在出水水质符合要求的前提下，使整个污水处理工程净现值最小。一般情况下，如果溶解氧浓度大于临界值则宜采用较高的压力使EP/EP′达到最大值以减小能耗；如果溶解氧浓度小于临界值，在满足供氧要求的前提下应尽量维持较低的压力。
　　试验表明，压力＞600kPa时EA增加很小、EP较低，且提升污水的能耗也相应较大(与操作压力成正比)，因此实际操作中压力不宜高于600kPa。另外，压力的确定也应当考虑利用加压生物反应器自身的能量(即采用气浮去除出水中悬浮物所需的压力值，实践表明该压力≥250kPa)，因此对于一般的加压生物反应器，在压力为250～600kPa条件下工作可能是比较合理的。
　　为降低能耗可串联使用加压生物反应器(以第一级反应器的出气作为第二级反应器的气源)，以便更大程度地利用压缩空气中的氧。第二级反应器的氧转移效率E_A2为：

?　E_A2=α×K_La×(C_SM2-C₂)／A×(GS/V)×ρ　　　(2)?
?　C_SM2=β×C_S／2[B×(P_b2／101.3+H₂／10.34)+[（B×(1-E_A2)×100）／21[79+B×(1-E_A2)]×P_b2／101.3]
?　A=21×(1-E_A1)/100?
?　B=[(1-E_A1)×100／[79+21×(1-E_A1)
　　式中 ?C₂——第二级反应器中的溶解氧浓度，kg/m³?
　　　　　 C_SM2——第二级反应器中的平均饱和溶解氧浓度，kg/m³
　　　　　 E_A1——第一级反应器中的氧转移效率?
?　　　　 E_A2——第二级反应器中的氧转移效率?
? 　　　　H₂——第二级反应器中的空气扩散器在水面下的深度，m
?　　　　 P_b2——第二级反应器中的水面压力，kPa?
　　总氧转移效率EA及EP/EP′分别为：

　　式中?C₁——第一级反应器中的溶解氧浓度，kg/m³
?　　　　H₁——第一级反应器中的空气扩散器在水面下的深度，m
?　　　　P_b1——第一级反应器中的水面压力，kPa
　　在t=25℃、CS=8.3mg/L、α=0.8、β=0.9、P_b1=400kPa、P_b2=350kPa及H₁=H₂=4.8m条件下,两级串联与单级加压生物反应器的E_A及E_P/E_P′的比较见表2。

表2 两级串联与单级加压生物反应器的E_A及E_P/E_P′的比较 项目 单级加压生物反应器 两级串联加压生物反应器 第一级 第二级 合计 增量(与单级加压反应器相比)，(%) E_A 0.395 0.395 0.242 0.54 36.7 0.351 0.351 0.161 0.455 29.6 EP/EP′ 0.70 0.957 36.7 1.185 1.536 29.6 注：分别在C¹=C₂=2 mg/L和C₁=C₂=5 mg/L的两种工况下测定。

　　由表2可见，串联使用反应器能显著提高EA和EP，因此在实际工程中应尽可能串联使用加压反应器以提高供氧能力、降低能耗。另外，串联反应器还可使第一级反应器保持高负荷、提高有机物去除速率、减小所需反应器容积，而第二级反应器则能以正常的负荷保证出水水质满足要求。

3 结论

　　① 氧总转移系数KLa是压力的函数，随压力增加近似呈线性下降。
　　② 在加压条件下EA明显提高，增大压力能够显著提高供氧能力，但EA的增加速率随压力增大而减小。
　　③ EP也是压力的函数。在低于临界值的溶解氧浓度范围内的EP随压力增加而减小，而在高于临界值溶解氧浓度范围内的EP随压力增加而增加，待达到某一最大值后随着压力继续增加，EP则逐渐减小。在EP最大值对应的压力下供氧则可将供氧能耗降至最小。临界溶解氧浓度值的大小取决于供氧条件，在t=25～30℃、α=0.8及β=0.9时临界溶解氧浓度约为5mg/L。
　　④ 一般情况下加压生物反应器在250～600kPa下工作可能是比较经济、合理的。串联使用加压生物反应器可明显提高E_A及E_P。

参考文献：

　　[1]明欲晓，曹敬华.压力生物氧化法初步研究[J].中国环境科学，1991,11(2):141-143.

　　电　　话：(0532)5072876(H) 5071262(O)
　　收稿日期：2002-03-11