新型气液混输型曝气增氧设备性能.pdf

2 0 1 1 年第 3 O卷第 3期 化 工 进 展 CHEM I CAL I NDUSTRY AND ENGI NEERI NG PROGRESS 48 3 新型气液混输型曝气增氧设备性能 杨春玲，张有忱，黎镜 中 (北京化工大学机 电工程学 院，北京 1 0 0 0 2 9)摘要：介绍了水处理过程中曝气氧传质的基本原理以及几种传统曝气设备的优缺点，同时重点介绍了一种新 型曝气增氧设备离式螺旋曝气设备，并对该设备进行曝气性能试验研究。试验结果表明，该曝气装置具有 良 好的曝气性能，充氧能力良好，氧利用率较高可达 3 0 X 上，安装使用简便，可广泛应用于化工炼油等行业水 处 理 过 程。关键词：氧传质；曝气设备；氧总传质系数；清水充氧 中图分类号：T Q 0 5 1；X 7 0 3 3 文献标 志码：A 文章编号：1 0 0 06 6 1 3(2 0 1 1)0 3 0 4 8 30 5 St ud y o n a e r a t i on pe r f o r m a nc e o f a ne w g a s l i qui d i nc r e a s i ng o x yg e n a e r a t i o n e qu i pm e nt Y ANG Ch u nl i ng，ZHANG Yo u c h e n，LIJi n gz h o n g(C o l l e g e o f Me c h a n i c a l a n d E l e c tr i c al E n g i n e e r i n g，B e i j i n g U n i v e r s i t y o f C h e mi c a l T e c h n o l o g y，B e i j i n g 1 0 0 0 2 9，C h i n a)Abs t r a c t：The pa p e r i nt r o du c e s t he b a s i c pr i n c i pl e o f o x y ge n t r a n s f e r i n wa s t e wa t e r t r e a t me n t，a n d t he r e l a t i v e me r i t s o f s e ve r a l t y pe s of t r a d i t i on a l a e r a t i o n e q ui p me n t，a n d p r e s e n t s a ne w i nc r e a s i n g o xy g e n a e r a t i o n e q u i pme n t，s c r e w a e r a t i o n e q u i p m e nt Th e a e r a t i o n pe r f o r m a nc e o f t he e q ui pme n t wa s i n ve s t i ga t e d The t es t r e s u l t s ho we d t ha t t he a e r a t i o n e qu i p m e nt h a d g oo d a e r a t i o n pe r f o r ma n c e，g oo d o xy g e n a t i o n c a pa c i t y，hi gh o x yg e n u t i l i z a t i o n e ffi c i e n c y o v e r 30 ，e a s y i n s t a l l a t i o n，a n d c o u l d be wi d e l y us e d i n wa s t e wa t e r t r ea t me n t p r o c e s s o f r e fin i ng p e troc he mi c a l c h e mi c a l i n du s t r i e s Ke y wo r ds：ox yg e n t r a ns f e r；a e r a t i o n e q ui p m e n t；ox yg e n t r a ns f e r c oe ffi c i e n t；ox yg e n a t e d c l e a n w a t e r t es t 在石油加工行业中，工业废水的处理 问题一直 是受人关注 的问题，随着水资源短缺和水体污染问 题越来越严重，废水 的处理更加受到世界各国的重 视。曝气设备作为废水生物处理工艺中的核心设备 也已日益受到世界各国水处理界和企业界的高度重 视。近几年，国内废水处理设备多采用进 口曝气设 备，这不仅增加了工程投资，还由于维护管理或者 国外产品本身的性能等 问题，给污水处理过程带来 许多问题。因此，提高我国曝气设备 的自主研发能 力至关重要。本文作者介绍了一种新型的曝气设备，并对该曝气设备进行了曝气性能研究。1 曝气氧传质的原理 在一个含有两种或两种以上组分的体系中，如 果存在浓度梯度，则每一种组分都有向低浓度方向 转移 的趋势。物质 由高浓度方 向向低浓度方 向转移 的过程称为质量传递过程，简称为传质。收稿 日期：2 0 1 0 0 7 1 9；修改稿 日期：2 0 1 0 0 8 0 6。基金 项 目：中 国石 油化 工集 团 公司技 术 开发项 目(3 0 9 0 4 0)。第一作者：杨春玲(1 9 8 6 一)，女，硕士研究生。联系人：张有忱，教授，主要从事机械设计理论、流场分析和机械制造 的研究。E ma i l z h a n g y c ma i l b u c t e d uc n。4 8 4 化 工 进 展 2 0 1 1 年第 3 O卷 1 1 氧传质理论模型 在曝气过程中，氧分子通过气、液界面由气相 转移到液相，在界面两侧存在着气膜和液膜，气 体 分子 通过 气膜 和 液膜 属于 传质 理论 研 究 的 内 容。1 9 0 4年 Ne ms t 首先提 出传质 的单膜模型，后 来 的发展也是 以这一模型为基础 的。常用 的有 3 种模型：双膜理论、浅渗理论(p e n e t r a t i o n t h e o r y)及表面更新理论(s u r f a c e r e n e wa l t h e o r y)。当前被 污水生物处理科技界所普遍接 受的是双膜 理论。双膜理论是基 于在气液 界面 存在着 两层膜 即 气膜和液膜的物理 模型。当物质通过相 界面从 一 相转移到另一相 时，传质 阻力在每相 中产生浓度 梯度(图 1)。在废水生物处理 的系统 中，氧是难 溶气 体，它 的传递速率可用下式表达。d C d t=Ke (Cs c)式中，包括两膜 中之一的阻力作用或两膜 共同的阻力作用，是单位体积液体所具有的液 气界 面面积的函数，其大小表征了曝气设备性能的好坏；和 C分别为液相氧的饱和浓度和实际浓度，它们 的差值表征了氧传递推动力的大小。相界面 图 l 气液两相界面浓度分布图 c b 一气相主体浓度；c 广气 相界面浓度；c L 一液相界面浓度 c l _一液相主体浓度 1 2 增强曝气效果的途径 曝气工艺 的高效低耗体现在 高氧 转移速 率和 氧利用率。为改善氧 的转移速率，提高曝气效果，可从两方面考虑：一是增加水 中亏氧量，即增加 氧转移的推动力；二是提高氧的转移系数 的值。而氧气利用率则与具体的运行条件控制和工艺设备 选择有关，常有以下几种途径。(1)纯氧曝气 的应用纯氧曝气即用纯氧代替 空气对混合液进行曝气。氧气作为氧源时，气相 中 氧的分压显著增加，按亨利定律，氧在水中的饱和 浓度亦呈正比增加，从而增大推动力。纯氧曝气与 传统曝气相比，有许多优点：一是使用纯氧曝气可 提高污泥的活性，且氧传递速率的提高使系统可承 受更高的有机负荷；二是纯氧曝气系统的污泥产量 少，且污泥沉降性能及净水能力均优于传统曝气系 统；三是纯氧曝气可增大系统有机负荷，减少池容，降低基建费用；四是纯氧活性污泥处理厂常按活塞 流方式操作，并监控氧气的输送，因此比传统活性 污泥法氧利用率高。纯氧曝气也存在缺 点，主要是 纯氧发生器容易出现故障、装置复杂、运行管理较 麻 烦。(2)合理选用曝气设备，改进布置方式，提高 氧利用率一般而言，微孔曝气器的氧利用率远高 于粗气泡扩散器，应作为首选对象。在布置方式上，采用格网形布置的氧利用率高于单侧布置的，所 以 应优先选用格 网形布置。(3)发展新型的曝气设备，改进曝气工艺近 年来许多科研工作者方面开发 出许多新型曝气 器，提高氧转移率，降低能耗，进而提高曝气 效 果I 2 ；一方面通过对曝气系统设计和操作方式的改 进，以达到氧 的高效转移和利用。本文 中介绍的 离式螺旋曝气设备就是开发 的一种新型的曝气增 氧设备。2 新 型曝气增氧设备 离式螺旋 曝气 设备简介 离式螺旋曝气设备是在原有的迷 宫螺旋泵。o 的基础上研制开发的。在对迷宫螺旋泵进行性能试 验时发现，迷宫螺旋体同时具有气液混输性能，且 出口处流体夹带气泡均匀、气泡小，具有 良好的曝 气效果。该曝气设备属于 自吸式曝气设备，空气的 吸入是靠入 口处形成负压的作用 自动吸入的，因此 不需要空气压缩机压缩气体，降低 了功耗，提高了 效率，具有新颖性和创造性，可作为传统曝气设备 的替代产品。离式螺旋曝气设备的实物图和示意图 如 图 2、图 3所示。图 2 离式螺旋曝气设备实物图 第 3期 杨春玲等：新型气液混输型曝气增氧设备性能 图 3 离式螺旋曝气 设备示意图 1 一电动机：2 一进口：3 端盖；4 一转子；5 一定子；6 一 出口 图 4 迷 宫螺旋 体结构示意图 转 子-。定 子 离式螺旋曝气设备工作原理，该曝气设备是由 一对带有多头螺纹且旋 向相反的转子和 定子组成，转子和定子之间留有 间隙。由转子和定子及转子和 定 子之 间的问隙所 形成的工作腔称为迷宫螺旋体(如图 4所示)。当电动机带动转子旋转时，转子螺 纹对其槽 内介质产生两方面的作用：一方面携带介 质克服摩擦阻力做圆周运动；另一方面推动介质沿 轴向前进，从而获得扬程。介质从螺纹间隙中流出。气体和液体进入螺纹空隙腔后，由于湍流剪切作用，使得气泡变形、分裂，产生微气泡，微气泡从装置 的出口排出，送入到曝气池 内，最终达到曝气增氧 的 目的。迷宫螺旋体是离式螺旋曝气设备的主要部件。迷宫螺旋体主要参数：螺纹形状、几何尺寸以及螺 旋升角、螺纹槽深 h、转子和定子之间的间隙 C、螺纹槽宽 b G 与螺纹棱宽 b 等参数。螺纹形状有矩 形、梯形、三角形和半圆形等螺纹基本型线，其 中 三角形迷宫螺旋槽所获得的扬程最高，半圆形螺纹 的效率最高。三角形迷宫螺旋槽的几何尺寸如 图 5 所示。3 离式螺旋曝气设备的曝气性能试验 本 试验 的 目的 是利用 试 验手 段对 该 曝气 设备 的 充氧能力、氧利用率等进行 测试，从而综合评价该曝 气设备的曝气性能。曝气设备曝气性能研究的主要 手段是清水充氧试验，本试验在北京高碑店污水处 理厂曝气实验室对离式螺旋曝气设备进行 了清水充 氧性能测试。图5 三角形迷宫螺旋槽的几何尺寸 一螺纹槽深；r 转子和定子之问的问隙；6 o 一螺纹槽宽 一螺纹棱宽；一 齿形角；D一名义直径 3 1 试验设备与步骤 为了测试离式螺旋曝气设备 的充氧性 能，采用 溶氧仪测量该曝气设备排 出水池 内的含氧量，试验 原理图如图 6所示。图 6 离式螺旋曝气设备曝气试验原理 图(1)试验主要设备三相异步 电动机；离式 迷宫螺旋设备；电容式压力变送传感器(压力表)；气体转子流量计 L Z B一 2 5；德 国 WT w Ox i 3 3 0 i 溶 氧仪。(2)试验步骤开启配电控制箱的控制开关；将溶解氧仪探头安装到指定测点；向池 内注入清水 至所需高度；测定并记录水温、水中溶解氧浓度；用温水溶解氯化钴后再溶解亚硫酸钠，将药剂溶液 由池面均匀撒入水中，并搅拌均匀：当水中溶解氧 浓度降为零时，开启电动机，带动离式螺旋曝气设 备开始进行曝气充氧；当曝气池表面有气泡 出现 时，开始计时，每隔 1 m i n记录一次溶解氧值，直到水 中溶解氧达饱和浓度。3 2 试验数据 离式螺旋曝气设备输送介质为水和空气，电动 机转速为 2 9 5 0 r m i n，在保持该曝气设备的出口压 力为 0 6 MP a的情况下，气体转子流量计 的读数为 2 8 m h，即进气量为 2 8 m h。曝气实验室曝气池 体积 为 2 mX 2 mX 7 m，清水有效 容积 为 2 I T I 2 4 8 6 化 工 进 展 2 0 1 1 年第 3 0卷 m6 5 m=2 6m，室温 1 0 6，初始水温 1 1 2，中问水温 1 1 7，实验终了水温 1 1 9；大气 中含 氧 1 2 5 mg L。溶氧仪测得曝气池 内水 中的溶解氧浓度 C与时 间 t 关系如表 1所示，同时可绘制水中溶解氧浓度 随时间的变化的 C t 曲线(如图 7所示)。表 1 水 中溶解氧 浓度 与时间 f 的关系 t n fi n C mg-L一 t mi n C mg L t mi n C mg L O O 4 2 5 3 6 5 O 6-3 1 0 5 2 6 3 8 51 6 4 2 0 6 2 7 3 8 5 2 6 5 3 0 8 28 40 5 3 6 6 4 O 9 2 9 42 5 4 6 6 5 1 0 3 0 42 5 5 6 7 6 1 1 31 43 5 6 6 8 7 1-2 3 2 4-4 5 7 6 8 8 l-4 3 3 4 5 5 8 6 9 9 1 6 3 4 4 7 5 9 6 9 1 O 1 7 3 5 4 8 6 O 7 2 l 1 1 8 3 6 4 8 61 7 4 l 2 2 0 3 7 4 9 6 2 7 5 l 3 2 1 3 8 5 0 6 3 7 5 1 4 2 2 3 9 5 1 6 4 7 7 1 5 2-3 4 0 5 2 6 5 7 8 1 6 2 5 41 5 4 6 6 7 _ 8 1 7 2 6 4 2 5 6 6 7 77 1 8 2 7 4 3 5 6 6 8 78 1 9 2 8 4 4 5 8 6 9 7 9 2 0 2 9 4 5 5 8 7 0 79 21 3 1 4 6 5 9 7 l 8 O 2 2 3-3 4 7 6 0 7 2 8-3 2 3 3 4 4 8 6 1 7 3 8 3 2 4 3 5 4 9 6 2 7 4 8 4 图 7 水中溶解氧浓度 随时间变化 的 C-t 曲线 3 3结果 与讨论 该曝气设备 的曝气性 能可从 以下几 个方面来 分析 J。(1)氧总转移系数 氧总转移系数 鼠 是指曝气器在标准状态(1 a t m，2 0)的测试条 件下，在单位传质推动力作用时，单位时间内向单 位体积水中传递氧的数量。氧 的总传质 系数在曝气充气过程 中代表 了氧 的总传递性，氧传递基本方程式见式(1)。，=(c)(1)Uf 式中，为溶解氧饱和浓度，mg L；C为溶解 氧浓度，mg L。式(1)积分得式(2)。l n(c)=I n c s 一 (2)由式(2)可知，I n(C s c)与 t 成线性关系，绘制 l n(C s-C)一 t的关系 曲线，可得曝气设备的氧 总转移系数，本试验测试结果绘制的 1 n(一0一 f 的关系 曲线如图 8所示，求得 K L =0 0 1 7 4 6 m i n 一。t r n i n 图 8 离式螺旋曝气 设备 的趋 势线 由式(2)整理得式(3)。C=(1 一e-K t)(3)由式(3)可得，水中溶解氧浓度 c 随曝气时 间 t 变化的 C t 曲线(如 图 7所示)。可利用回归 法拟合出该线性方程的斜率即为 鼠 的值。由于溶解氧饱和浓度、温度、污水性质和搅动 程度等因素都影响氧的传递速率，在实际应用 中，为了便于 比较，需进行压力和温度校正，把非标准 条件下 转换成标准条件(2 0，1 a t m)下的 c 20 ，通常采用式(4)计算。KL a=KL a r )1 0 2 4 。一 (4)第 3期 杨春玲等：新型气液混输型曝气增氧设备性能 式 中，丁 为试验 时的水温，；K L c 为水温 为 时测得 的总传递系数，mi n _。；c 2 0 为水温 为 2 0 时的总传递系数，mi n _。因此，本 试验 K L (2 0)=0 0 1 7 4 6 x 1 0 2 4 。(mi n 一 )。(2)充氧能力 O C充氧能力 O C是指曝气器 在标准状态、测试条件下，单位时间向溶解氧浓度 为零的水 中传递的氧量。其公式如式(5)所示。O C=K 2 0)(标)一c v (5)式中，O C为标准条件下的充氧能力，k g h；V 为曝气池体积，I l l 0；C s 标)为 2 0 水中饱和溶解氧 浓度 9 1 7 mg L；C为 2 0水中实际溶解氧浓度，mg L；在本试验 中，它为水 中起始溶解氧浓度。因 此，本试验计算 的 O C=O 2 3 8 8 7 k g h。(3)氧利用率 氧利用率是曝气器在标准状 态、测试条件下，传递到水 中的氧量占曝气器供氧 量的百分 比，公式如式(6)所示。：l(】0 (6)。供氧 量 氧 的利用率是评价一种曝气装置的指标，表示 气体利用率的高低。本试验=0 2 3 8 8 7 (0 2 8 2 8)1 0 0=3 0 47 。通 过以上对离式螺旋曝气 设备的曝气性 能测 试结果分析表明，该曝气装置可以有效增加水中的 含氧量(图 7)，充氧能力和氧利用率较好，特别是 氧利用率可 以达到 3 0 以上。在上文中已经提到可 以采用纯氧曝气的方法增强曝气效果，该方法是氧 气作为氧源，如果曝气设备 的氧利用率较低，就会 对氧源气体(氧气)造成浪 费，这在纯氧曝气 时是 应该尽量避免 的。所以在纯氧曝气时对曝气设备的 氧利用率要求较高。该离式螺旋曝气设备氧利用率 较高，如果采用纯氧曝气，该曝气设备具有一定的 优势。同时，离式螺旋曝气设备属 于 自吸式曝气设 备，入 口处形成负压，气体 自然吸入，不需要空气 压缩机压缩气体，这样就省去了空压机和鼓风机，降低 了曝气设备的成本。此外，该曝气设备安装使 用简单，无需在曝气池 内布置微孔曝气头和供气管 道网络等耗能大、造价高的笨重设备，节约工时，降低成本。4 结 论 离式螺旋曝气设备是一种 新型的曝气增氧设 备，该曝气设备具有 以下特 点。(1)离式螺旋曝气设备是在迷宫螺旋泵基础 上研制开发的，具有泵的基本功能。在输送气液两 相混合物时，不仅可 以向曝气池 内输送微气泡 实 现 曝气功能，同时还可 以向曝气池 内注入液体。因此该曝气装备在实现曝气 的同时，还可 以将待 曝气 的污水注入到曝气池 内，这也是该曝气设备 的创新之一。(2)该新型曝气设备属于 自吸式曝气设备，可以省去空压机、鼓风机以及曝气头等装置，降低 了设备成本。同时该曝气设备氧利用率高，若采用 纯氧曝气提 高曝气效果，也可以采用该设备。(3)此外，该曝气设备下一步研究的方 向应 在保持高的氧利用率的前提下，尽量增加该曝气设 备 的进 气量。综上所述，离式螺旋曝气设备曝气效果 良好，氧利用率高，可达 3 0 以上，设备成本较低，安装 使用简便，为炼油化工行业水处理过程提供了新的 曝气技术，具有创新性和新颖性，值得推广。致谢：感谢北京高碑店污水处理厂对本试验研 究工作的全力支持。参考文献 1】李慧君，岳晓勤，王蔚蔚，等废水好氧生物处理中曝气技术的 现状和研究动向【J】西安建筑科技大学学报，2 0 0 3，3 5(3)：2 6 9 2 71 2 杜堂正，李德昌，聂丽华 一种新型曝气设备及其气液传质研究 J J 化 工进 展，2 0 0 5，2 4(5)：5 2 6 5 3 1 3 韩国军，王浩宇，楚文军迷宫螺旋泵工作原理与特性 J l _石油 化 工设 备，2 0 0 8，3 7(3)：3 2 3 4 4】马润梅，王奎升，黎镜中 迷宫螺旋泵性能的试验研究 J 1 _ 流体机 械，2 0 0 7，3 5(1 2)：1-4 5 田国文，张有忱，黎镜中 迷宫螺旋泵内部流动的 C F D模拟【J J 北 京化工大学学报，2 0 0 7，3 4(2)：2 1 8 2 2 0 6 王春林，邢研，阮劲松，等迷宫螺旋泵螺旋槽的实验研究 J】水 泵技术，2 0 0 6(2)：1 8 2 0 7 刘星曝气技术中氧传质影响因素的实验研究 D 大连：大连理 工大学，2 0 0 8 8 Ba d i n o J r A C，F a c c i o t t i M C R，S c h mi d e l V o l u me t r i c o x y g e n t r a n s f e r c o e ffi c i e n t s()i n b a t c h c u l t i v a t i o n s i n v o l v i n g n o n Ne wt o n i a n b r o t h s J Bi o c h e mi c a l En g ine e r i n g J o u r n a l，2 0 0 1，8：l 1 l 一 1 1 9 9 Ma r q u e sDAV，T o r t e sBR，Po r t oALF，e t a 1 Co mp a r i s o n o fo x y g e n ma s s tr a n s f e r c o e ffi c i e n t i n s i mp l e a n d e x tr a c t i v e f e r me n t a t i o n s y s t e ms J Bi o c h e mi c a l En g i n e e r i n gJ o u r n a l，2 0 0 9，4 7：1 2 2 1 2 6