曹敬華1，明欲曉²
( 1.青島建筑工程學院 環境工程系，山東青島 266033；2.青島大學應用化學系，山東青島 266071)

　　摘　要：通過試驗考察了壓力對加壓生物反應器的氧轉移效率(EA)及氧轉移動力效率(EP)的影響。結果表明：氧總轉移系數(KLa)是壓力的函數，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，壓力對EP的影響與溶解氧濃度有關，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EP隨壓力增加而降低，而在高于該臨界值的溶解氧范圍內EP隨壓力增加而提高，當達到某一最大值后隨著壓力的繼續增加，EP逐漸減小。若在與EP最大值對應的壓力下供氧，則可將供氧能耗降至最小。一般情況下，加壓生物反應器在壓力為250～600kPa條件下工作可能是比較經濟合理的。另外，串聯使用加壓生物反應器可明顯提高EA和EP。
　　關鍵詞：壓力；加壓生物反應器；EA；EP
　　中圖分類號：X703.3
　　文獻標識碼：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。

　　反應器為鋼制，高為6000mm，內徑為800mm，水深為5000mm，有效容積為2.48m³，空氣擴散器淹沒深度為4800mm。采用非穩態曝氣方法確定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的確定氧轉移速率方程為：
　　　　　dC/dt=K_La(C_SM-C) 　　　(1)
　　根據式(1)中dC/dt與(C_SM-C)的關系，采用最小二乘法確定K_La。

2 結果與討論

　　試驗結果如表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，從而導致氧轉移阻力增加，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,r為相關系數。

　　壓力對氧轉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移速率提高，另一方面是壓力使K_La降低，從而使氧轉移速率減小。這兩種影響的相對強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的關系表明，在較低的壓力范圍內提高反應器的壓力可使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(Pb＞600kPa)，再繼續提高壓力則EA增加甚微。這一方面是因為氣泡在反應器內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移動力效率與常壓下的氧轉移動力效率之比)與壓力Pb之間的關系試驗，在試驗條件下Pb對EP/EP′的影響比較復雜。對某一給定的CS、α及β值范圍，在低溶解氧濃度范圍內的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的EP/EP′＞1.0且EP/EP′隨壓力增加而增加，待EP/EP′達到最大值后隨著壓力繼續增加而逐漸減小，在某一壓力下存在EP/EP′的最大值，此狀態下供氧消耗的能量最少。此外，對應于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。
　　反應器內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，故在加壓生物反應器設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。經濟合理的壓力和溶解氧濃度值應當是在出水水質符合要求的前提下，使整個污水處理工程凈現值最小。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，壓力的確定也應當考慮利用加壓生物反應器自身的能量(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。
　　為降低能耗可串聯使用加壓生物反應器(以第一級反應器的出氣作為第二級反應器的氣源)，以便更大程度地利用壓縮空氣中的氧。第二級反應器的氧轉移效率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——第二級反應器中的溶解氧濃度，kg/m³?
　　　　　 C_SM2——第二級反應器中的平均飽和溶解氧濃度，kg/m³
　　　　　 E_A1——第一級反應器中的氧轉移效率?
?　　　　 E_A2——第二級反應器中的氧轉移效率?
? 　　　　H₂——第二級反應器中的空氣擴散器在水面下的深度，m
?　　　　 P_b2——第二級反應器中的水面壓力，kPa?
　　總氧轉移效率EA及EP/EP′分別為：

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

表2 兩級串聯與單級加壓生物反應器的E_A及E_P/E_P′的比較 項目 單級加壓生物反應器 兩級串聯加壓生物反應器 第一級 第二級 合計 增量(與單級加壓反應器相比)，(%) 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，串聯使用反應器能顯著提高EA和EP，因此在實際工程中應盡可能串聯使用加壓反應器以提高供氧能力、降低能耗。另外，串聯反應器還可使第一級反應器保持高負荷、提高有機物去除速率、減小所需反應器容積，而第二級反應器則能以正常的負荷保證出水水質滿足要求。

3 結論

　　① 氧總轉移系數KLa是壓力的函數，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。在低于臨界值的溶解氧濃度范圍內的EP隨壓力增加而減小，而在高于臨界值溶解氧濃度范圍內的EP隨壓力增加而增加，待達到某一最大值后隨著壓力繼續增加，EP則逐漸減小。在EP最大值對應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器在250～600kPa下工作可能是比較經濟、合理的。串聯使用加壓生物反應器可明顯提高E_A及E_P。

參考文獻：

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

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