曹敬華1，明欲曉²
( 1.青島建筑工程學(xué)院 環(huán)境工程系，山東青島 266033；2.青島大學(xué)應(yīng)用化學(xué)系，山東青島 266071)

　　摘　要：通過試驗考察了壓力對加壓生物反應(yīng)器的氧轉(zhuǎn)移效率(EA)及氧轉(zhuǎn)移動力效率(EP)的影響。結(jié)果表明：氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)(KLa)是壓力的函數(shù)，隨壓力增加近似呈直線下降；EA隨壓力增加而顯著提高，但其提高速率隨壓力增大而減小；EP也是壓力的函數(shù)，壓力對EP的影響與溶解氧濃度有關(guān)，在一定的供氧條件下存在一個臨界溶解氧濃度值，在低于該臨界值的溶解氧范圍內(nèi)EP隨壓力增加而降低，而在高于該臨界值的溶解氧范圍內(nèi)EP隨壓力增加而提高，當(dāng)達(dá)到某一最大值后隨著壓力的繼續(xù)增加，EP逐漸減小。若在與EP最大值對應(yīng)的壓力下供氧，則可將供氧能耗降至最小。一般情況下，加壓生物反應(yīng)器在壓力為250～600kPa條件下工作可能是比較經(jīng)濟(jì)合理的。另外，串聯(lián)使用加壓生物反應(yīng)器可明顯提高EA和EP。
　　關(guān)鍵詞：壓力；加壓生物反應(yīng)器；EA；EP
　　中圖分類號：X703.3
　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼：C
　　文章編號：1000-4602(2002)09-0034-03

1 材料與方法

1.1 試驗
　　試驗裝置如圖1所示。

　　反應(yīng)器為鋼制，高為6000mm，內(nèi)徑為800mm，水深為5000mm，有效容積為2.48m³，空氣擴(kuò)散器淹沒深度為4800mm。采用非穩(wěn)態(tài)曝氣方法確定KLa，投加還原劑(亞硫酸鈉)和催化劑(氯化鈷)制作脫氧清水(鈷離子濃度為0.05mg/L)。為消除因亞硫酸鈉積累造成的影響，每次測定KLa都使用新鮮的脫氧清水。試驗溫度為(20±0.2)℃，空氣流量為1m³/h。用薄膜溶解氧電極測定溶解氧。
1.2 KLa的確定氧轉(zhuǎn)移速率方程為：
　　　　　dC/dt=K_La(C_SM-C) 　　　(1)
　　根據(jù)式(1)中dC/dt與(C_SM-C)的關(guān)系，采用最小二乘法確定K_La。

2 結(jié)果與討論

　　試驗結(jié)果如表1所示。
　　由表1可見,壓力(P_b)對K_La有不利影響(壓力增加則K_La減小,隨壓力增加K_La近似呈線性降低)，其原因可能是壓力增加后氣泡直徑變小，雖然氣泡在水中的停留時間延長，但攪動能力減弱，液膜厚度增加，從而導(dǎo)致氧轉(zhuǎn)移阻力增加，這對K_La造成的不利影響大于因停留時間延長對K_La產(chǎn)生的有利影響，致使K_La隨壓力增加而減小。另外，壓力增加后氣泡表面積減小(總的氣泡個數(shù)不變)也可能是造成K_La降低的又一個原因。?

表1 ?K_La與壓力的關(guān)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為試驗組數(shù),r為相關(guān)系數(shù)。

　　壓力對氧轉(zhuǎn)移速率有兩種相反的影響，一種是提高壓力能增加飽和溶解氧濃度而使氧轉(zhuǎn)移速率提高，另一方面是壓力使K_La降低，從而使氧轉(zhuǎn)移速率減小。這兩種影響的相對強(qiáng)弱將最終決定加壓條件下的EA及EP的大小。
　　不同溶解氧濃度(C)下的EA與壓力Pb的關(guān)系表明，在較低的壓力范圍內(nèi)提高反應(yīng)器的壓力可使EA顯著增加，這說明通過 提高壓力可顯著提高供氧能力，但EA的增加速率隨壓力增加而減小，在較高的壓力范圍內(nèi)(Pb＞600kPa)，再繼續(xù)提高壓力則EA增加甚微。這一方面是因為氣泡在反應(yīng)器內(nèi)的平均氧分壓與壓力不成正比，而是隨壓力增加則平均氧分壓的增加速率逐漸減小；另一方面則是由于壓力提高導(dǎo)致KLa減小的緣故，這表明通過提高壓力來增大供氧能力也有一定的限度。
　　另外試驗還表明，在高溶解氧濃度或低α(污水和清水的KLa比值)、β(污水和清水中飽和溶解氧濃度比值)值及低飽和溶解氧的環(huán)境中EA值較小，此時為保證較高的供氧能力則需維持較高的壓力。
　　不同溶解氧濃度(C)下的EP/EP′(不同壓力條件下的氧轉(zhuǎn)移動力效率與常壓下的氧轉(zhuǎn)移動力效率之比)與壓力Pb之間的關(guān)系試驗，在試驗條件下Pb對EP/EP′的影響比較復(fù)雜。對某一給定的CS、α及β值范圍，在低溶解氧濃度范圍內(nèi)的EP/EP′＜1.0，但隨壓力升高EP/EP′會逐漸減小，這說明在加壓條件下供氧會消耗較多的能量，壓力越高則耗能越多；另一方面在較高溶解氧濃度范圍內(nèi)的EP/EP′＞1.0且EP/EP′隨壓力增加而增加，待EP/EP′達(dá)到最大值后隨著壓力繼續(xù)增加而逐漸減小，在某一壓力下存在EP/EP′的最大值，此狀態(tài)下供氧消耗的能量最少。此外，對應(yīng)于EP/EP′=1.0的臨界溶解氧濃度值主要取決于CS、α及β值(CS、α及β值越小，臨界溶解氧濃度越小，則EP/EP′值越大)。在t=25～30℃、α=0.8、β=0.9的條件下臨界溶解氧濃度約為5 mg/L。
　　反應(yīng)器內(nèi)的壓力和溶解氧濃度是影響供氧能力及供氧能耗的主要因素，故在加壓生物反應(yīng)器設(shè)計中合理確定壓力和溶解氧濃度是非常重要的。維持高溶解氧濃度可以得到高有機(jī)物去除速率并使投資降低，但這不僅增加供氧難度，使能耗增大，而且需要有更高的供氧能力，為此往往需要維持一定的壓力以滿足其供氧需求，而壓力對供氧能耗的影響程度則又取決于溶解氧濃度的大小。經(jīng)濟(jì)合理的壓力和溶解氧濃度值應(yīng)當(dāng)是在出水水質(zhì)符合要求的前提下，使整個污水處理工程凈現(xiàn)值最小。一般情況下，如果溶解氧濃度大于臨界值則宜采用較高的壓力使EP/EP′達(dá)到最大值以減小能耗；如果溶解氧濃度小于臨界值，在滿足供氧要求的前提下應(yīng)盡量維持較低的壓力。
　　試驗表明，壓力＞600kPa時EA增加很小、EP較低，且提升污水的能耗也相應(yīng)較大(與操作壓力成正比)，因此實際操作中壓力不宜高于600kPa。另外，壓力的確定也應(yīng)當(dāng)考慮利用加壓生物反應(yīng)器自身的能量(即采用氣浮去除出水中懸浮物所需的壓力值，實踐表明該壓力≥250kPa)，因此對于一般的加壓生物反應(yīng)器，在壓力為250～600kPa條件下工作可能是比較合理的。
　　為降低能耗可串聯(lián)使用加壓生物反應(yīng)器(以第一級反應(yīng)器的出氣作為第二級反應(yīng)器的氣源)，以便更大程度地利用壓縮空氣中的氧。第二級反應(yīng)器的氧轉(zhuǎn)移效率E_A2為：

?　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——第二級反應(yīng)器中的溶解氧濃度，kg/m³?
　　　　　 C_SM2——第二級反應(yīng)器中的平均飽和溶解氧濃度，kg/m³
　　　　　 E_A1——第一級反應(yīng)器中的氧轉(zhuǎn)移效率?
?　　　　 E_A2——第二級反應(yīng)器中的氧轉(zhuǎn)移效率?
? 　　　　H₂——第二級反應(yīng)器中的空氣擴(kuò)散器在水面下的深度，m
?　　　　 P_b2——第二級反應(yīng)器中的水面壓力，kPa?
　　總氧轉(zhuǎn)移效率EA及EP/EP′分別為：

　　式中?C₁——第一級反應(yīng)器中的溶解氧濃度，kg/m³
?　　　　H₁——第一級反應(yīng)器中的空氣擴(kuò)散器在水面下的深度，m
?　　　　P_b1——第一級反應(yīng)器中的水面壓力，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條件下,兩級串聯(lián)與單級加壓生物反應(yīng)器的E_A及E_P/E_P′的比較見表2。

表2 兩級串聯(lián)與單級加壓生物反應(yīng)器的E_A及E_P/E_P′的比較 項目 單級加壓生物反應(yīng)器 兩級串聯(lián)加壓生物反應(yīng)器 第一級 第二級 合計 增量(與單級加壓反應(yīng)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：分別在C¹=C₂=2 mg/L和C₁=C₂=5 mg/L的兩種工況下測定。

　　由表2可見，串聯(lián)使用反應(yīng)器能顯著提高EA和EP，因此在實際工程中應(yīng)盡可能串聯(lián)使用加壓反應(yīng)器以提高供氧能力、降低能耗。另外，串聯(lián)反應(yīng)器還可使第一級反應(yīng)器保持高負(fù)荷、提高有機(jī)物去除速率、減小所需反應(yīng)器容積，而第二級反應(yīng)器則能以正常的負(fù)荷保證出水水質(zhì)滿足要求。

3 結(jié)論

　　① 氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)KLa是壓力的函數(shù)，隨壓力增加近似呈線性下降。
　　② 在加壓條件下EA明顯提高，增大壓力能夠顯著提高供氧能力，但EA的增加速率隨壓力增大而減小。
　　③ EP也是壓力的函數(shù)。在低于臨界值的溶解氧濃度范圍內(nèi)的EP隨壓力增加而減小，而在高于臨界值溶解氧濃度范圍內(nèi)的EP隨壓力增加而增加，待達(dá)到某一最大值后隨著壓力繼續(xù)增加，EP則逐漸減小。在EP最大值對應(yīng)的壓力下供氧則可將供氧能耗降至最小。臨界溶解氧濃度值的大小取決于供氧條件，在t=25～30℃、α=0.8及β=0.9時臨界溶解氧濃度約為5mg/L。
　　④ 一般情況下加壓生物反應(yīng)器在250～600kPa下工作可能是比較經(jīng)濟(jì)、合理的。串聯(lián)使用加壓生物反應(yīng)器可明顯提高E_A及E_P。

參考文獻(xiàn)：

　　[1]明欲曉，曹敬華.壓力生物氧化法初步研究[J].中國環(huán)境科學(xué)，1991,11(2):141-143.

　　電　　話：(0532)5072876(H) 5071262(O)
　　收稿日期：2002-03-11