無泡式充氧膜絲的充氧特性研究*

鄭 俊 趙夢軻 張德偉 余 沛

(1.安徽工業大學能源與環境學院，安徽 馬鞍山 243002；2.安徽華騏環保科技股份有限公司，安徽 馬鞍山 243061；3.安徽省曝氣生物濾池工程技術研究中心，安徽 馬鞍山 243061)

隨著經濟和人民生活水平的提高，我國城鎮生活污水量也顯著增加。截至2016年底，城市污水處理總量448.8億m3/a。曝氣設備是污水處理領域主要的能耗系統[1-2]，曝氣設備電能的消耗占污水處理系統全部電能消耗的60%以上[3]，同時曝氣設備又是污水處理過程中重要的工藝設備之一，其曝氣效率對污水處理過程有較大的影響[4-5]。曝氣系統性能直接影響到污水處理效果和能源消耗[6]。

無泡式充氧多采用膜材料進行曝氣，目的是讓空氣在膜材料的空腔內流動，水相在膜外側流動，通過氧分壓差，使氧氣透過膜壁上的微孔擴散進入水體[7-8]。因為膜微孔的孔徑很小，經過微孔擴散的氧氣高度分散，從而使氧氣更易溶于水中，提高氧利用率。同時，在水處理中無泡式充氧結合了氣體分離膜技術和生物膜水處理技術，利用充氧膜絲作為生物膜的附著載體，形成的生物膜中擁有較多的生物群落和較長的食物鏈從而實現污水的凈化[9]。因此，開展無泡式充氧膜絲的充氧特性研究，對提高氧轉移率、降低污水處理能耗，乃至提高我國水處理設備的自主研發能力都具有深遠意義[10]。

1 試驗部分

1.1 充氧性能的測定設備

膜組件采用兩端集氣的方式向水體中充氧，基本適應條件為溫度10～45 ℃、pH 2～12、操作壓強-0.01～0.05 MPa，滿足本研究需要改變的相關參數變化范圍。膜組件的相關性能參數：中空纖維膜有效長度1.65 m，膜內/外徑0.7/1.6 mm，孔徑分布0.01～0.10 μm，膜面積5 m2，膜通量20～60 L/(m2·h)，中空纖維膜數量610根，連接管直徑40 mm，孔隙率80%。

膜組件兩端膜殼分別被固定于反應器底部兩側，膜懸掛于反應器中部固定的橫管上，因此膜在反應器中呈現凸曲線的形態。架設充氧管路，利用空氣壓縮機對膜組件兩段同時進行供氣，氣體通過中空纖維膜以無泡式充氧的方式進入水體中。使用磁力循環驅動泵(MP-6RZ)來循環反應器內的水，帶動反應器內水流的流動進而改變水流速度，管路上設有壓強表(AKS 803)和氣體流量計(LZB-3WB)，用來測定充氧壓強、氣體流量等參數。

1.2 氧體積傳質系數測定方法

氧體積傳質系數以動力學方法測定，每次試驗前對水體進行消氧處理，再立即開始無泡式充氧，使用便攜式溶氧儀(LD0101-05)記錄DO隨充氧時間的變化，同時考慮到實際過程中DO初期變化較快，因此分別在無泡式充氧開始0、2、5、10、15、20、25、30 min時測定瞬時的DO，并記錄當時所處的溫度。計算方程[11]396如下：

ln[(c*-c0)/(c*-ct)]=(Q/V)[1-exp(-KLa×l/vL)]t

(1)

式中：c*為測定溫度下液相中飽和DO，mg/L；c0為液相中初始DO，mg/L；t為充氧時間，min；ct為液相中t時DO，mg/L；Q為氣體流量，L/min；V為液相體積，L，即池體有效容積233 L；KLa為氧體積傳質系數，h-1；l為中空纖維膜有效長度，m，本試驗中為1.65 m；vL為膜表面液相流動速度，m/h。

通過對ln[(c*-c0)/(c*-ct)]與t作線性相關趨勢線，可得到斜率，繼而由式(1)求得氧體積傳質系數。

1.3 充氧膜絲的起泡點測量方法

根據相關文獻，起泡點形成機理[12-13]為：膜內的氣體在氣相壓力的推動下到達膜-液相界面，并形成微小的氣泡，在界面處表面張力的作用下，微小氣泡滯留于界面上；在后續氣流的推動下，氣相壓力不斷增大，氣泡不斷長大，同時長大過程中，相鄰的小氣泡相互兼并、積聚成為更大的氣泡；氣泡內的推力突破表面張力，離開膜界面，逸入液相。

起泡點測量的具體操作步驟：(1)反應器內注入清水至指定刻度；(2)對浸入水中的中空纖維膜進行充氧，觀察膜表面是否出現氣泡，若未發現氣泡，穩定幾分鐘后，繼續通過膜組件向反應器內充氧，直至觀察到氣泡出現為止；(3)記錄此時的充氧壓強，即該氣體在該條件下的起泡點。

1.4 兩種充氧方式的比較

使用充氧盤充氧模擬傳統鼓泡充氧。在回流量為20 L/h(即水流速度為0.011 m/s)、充氧壓強為0.035 MPa、水溫約為19 ℃、氣體流量為600 mL/min的操作條件下，分別測定鼓泡充氧與無泡式充氧的相應參數，并計算氧體積傳質系數。

按照表1中的材料性能對比分析來看，整個材料的充填過程中，其對應的材料充填性能變化和膏體自身的變化粒徑存在著明顯的關系，要想保障整體充填工藝應用的質量得到保障，就應該注重在集料優化過程中，及時的按照對應的集料優化控制去處理對應的集料[2]。同時按照膏體充填工藝的選擇需求，在進行對應的充填工藝應用過程中，及時的針對充填工藝應用中的粒徑變化進行對應的粒徑變化曲線繪制，整個曲線繪制結果如圖2所示，按照該圖中的曲線粒徑變化關系來看，整個充填工藝運行中，對應的充填集料的變化和整個材料的粒徑變化性能是具有明顯關聯性的，只有保障將對應的材料充填粒徑變化范圍控制好，這樣才能滿足整體的材料充填應用需求。

2 結果與討論

2.1 充氧方式比較結果

根據鼓泡充氧的氧傳質方程[11]396，求出氧體積傳質系數為0.064 1 h-1。由式(1)可求出無泡式充氧的氧體積傳質系數為0.559 2 h-1，約為鼓泡充氧的8.7倍，無泡式充氧優于鼓泡充氧。這是因為無泡式充氧不產生肉眼可見的氣泡，不能起到攪動水體的作用，而鼓泡充氧產生了大量的大氣泡，充分攪動了水體致使水力條件即湍流程度發生改變，產生的大氣泡容易在水中破裂，隨水流較快地擴散，并充滿池體，所以使得無泡式充氧更具優勢。

2.2 充氧壓強對氧體積傳質系數的影響

當充氧壓強處于起泡點以下時，即能實現無泡式充氧，這種充氧方式具有高效性和高氧利用率。在回流量為40 L/h(即水流速度為0.022 m/s)、水溫約為25 ℃時，池中水深為0.4 m處起泡點為0.369 MPa。在起泡點以下，測定0.015、0.025、0.035 MPa的充氧壓強下反應器的DO(見圖1)，并計算得到相應的氧體積傳質系數分別為0.073 9、0.155 6、0.559 2 h-1。DO隨充氧壓強增大而增加，相同條件下充氧60 min，0.015 MPa時DO最高達到1.75 mg/L，氧體積傳質系數為0.073 9 h-1；0.035 MPa時DO升至2.24 mg/L，氧體積傳質系數為0.559 2 h-1。

不同充氧壓強下，氧體積傳質系數相差較大，但30 min前DO變化較小。分析認為，氧氣溶于水時，氧轉移的決定性阻力集中在液膜，而當水中DO為零時，氧傳遞推動力都很大，且為充氧效果的主要控制因素，氧轉移率也都很大，所以30 min前DO變化表現出相近的趨勢。隨著水中DO升高到一定值后，吸附在膜壁上的微氣泡相互融合形成大氣泡，抵消了充氧強度帶來的氧體積傳質系數的提高，因此30 min后表現出明顯的差異性。總體上看，隨著充氧壓強的增大，氧體積傳質系數變化趨勢加快，分析認為水從中空纖維膜間穿過時與膜成一定夾角，即氣-液相之間是處于錯流的狀態，充氧壓強增大時液相邊界層厚度會變薄，因而氧體積傳質系數會提高。

圖1 不同充氧壓強下DO的變化

相關學者在研究中空纖維膜的無泡式充氧特性時發現，充氧壓力的增大在一定程度上可能對液相邊界層產生壓縮作用，削弱了液相邊界層阻力，氧體積傳質系數得以提高[14]。這與本試驗結論相同。張六六等[15]也得出類似的研究結論，并表示在一定范圍內充氧壓強對氧體積傳質系數有很大的影響，隨著充氧壓強的增大，氧體積傳質系數逐漸增大。侯霙等[16]也證明了這一觀點。因此，在不降低氧體積傳質系數的條件下，試圖通過降低充氧壓強來降低充氧成本是不可行的。

2.3 水流速度對氧體積傳質系數的影響

當充氧壓強為0.015 MPa、水溫約為19 ℃時，測定池中水深為0.4 m處不同水流流速下反應器的DO變化，結果見圖2。隨水流速度的增大，DO呈上升趨勢；水流速度≤0.022 m/s時DO相對較低，水流速度為0.045、0.091 m/s時DO最高且變化速率最快。基于起泡點形成機理，氣泡滯留于界面時，氣泡內的推力小于表面張力，水流速度增大后，氣、液接觸面積相對增大，水流速度可促進氣泡突破表面張力，逸入液相。在無泡式充氧的方式下，隨水流速度的增大，氧體積傳質系數也隨之增大。鄭斐[17]對中空纖維膜充氧效果的影響分析中，也發現了相似的結果。具體原因主要有：(1)在無泡式充氧中，液相邊界層是氧傳質的主要阻力來源，隨水流速度的變大，液相邊界層厚度變薄，液相阻力變低，從而加快了氧的傳遞；(2)適當增大水流速度可帶走因表面張力而附著在膜上的小氣泡，從而降低了形成大氣泡的概率，又因為小氣泡有著相對較大的比表面積，因而增大了液相中氧傳遞的總面積，提高了氧體積傳質系數。

圖2 不同水流速度下DO的變化

假設中空纖維膜由無數細小的球型固體顆粒連接而成，當流體流過固體顆粒、液滴并與固體顆粒、液滴之間存在著傳質，其對流傳質系數的關系式[18]為：

Sh=a×Reb×Scc

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：Sh為舍伍德數，其值為對流傳質與擴散傳質的比值；a為系數；Re為雷諾數，其值為流體慣性力與黏滯力的比值；b為反映膜表面速度對傳質影響的指數；Sc為施密特數，其值為動黏滯系數與擴散系數的比值；c為反映速度邊界層與濃度邊界層之比對傳質影響的指數；K為氧的總傳質系數，m/s；d0為中空纖維膜外徑，m，本研究中為1.6×10-3m；D為氧在水中的擴散系數，m2/s，本研究中水溫約19 ℃，則其值為1.98×10-9m2/s；ρ為液體密度，kg/m3，水溫約19 ℃時其值為998.4 kg/m3；v為水流速度，m/s；μ為液體黏度，Pa·s，水溫約19 ℃時其值為1.029 9×10-3Pa·s。

對式(2)兩邊同時求對數，整理可得式(6)。由于Sc與溫度有關，而在本試驗中溫度變化不明顯，因此不考慮其對K的影響，經計算可得Sc=521。c取值0.33，作出lnSh與lnRe的線性函數方程為式(7)。由此可計算得到b=0.813 9，a=8.923 3-0.33×ln521=6.858 9，代入式(2)得到式(8)。

lnSh=lna+b×lnRe+c×lnSc

(6)

lnSh=0.813 9lnRe+8.923 3，R2=0.927 58

(7)

Sh=6.858 6×Re0.813 9×Sc0.33

(8)

試驗中水流速度被控制在0.011～0.091 m/s，對應的Re為17.55～140.44，處于層流狀態，但b=0.813 9，說明氧體積傳質系數與水流速度呈正相關關系，且在一定程度上有較大的影響，這可能是由于膜表面液相邊界層的厚度因水流速度的變化而變薄，液膜阻力減小因而氧體積傳質系數隨之增大。ZHENG等[19]分析認為，水流速度的增加造成液相紊流加劇，氣-液界面處液膜厚度減小，傳質阻力降低，傳質速率提高。

2.4 水深對充氧性能的影響

當充氧壓強為0.035 MPa、水溫約為19 ℃時，測定不同水流速度、不同水深下DO的變化，并計算相應的氧體積傳質系數和氧轉移速率(SOTR)，結果見圖3。

圖3 氧體積傳質系數與SOTR隨水深的變化

隨著水深和水流速度的增大，氧體積傳質系數與SOTR均增大。根據傳質的雙膜理論，水深相同時，水流速度增大，單位時間內轉移到水中的DO就大，這有助于小氣泡的擴散；水流速度相同，水深增大，小氣泡上升過程中與水接觸的時間延長，有助于氧向水中的傳遞。當水體DO處于未飽和狀態且水流速度不變的條件下，隨著水深的增加，液相主體的紊流程度增強，氧的轉移過程加快；當水深較深時，中空纖維膜間氣液紊流程度加強，使得液膜表面阻力減小，進而中空纖維膜表面氣體的更新速度加快，這使得氧體積傳質系數整體上來說相對較大。尹訓飛等[20]研究認為，SOTR隨水深的增大而增大，這與本試驗現象基本吻合。張斌等[21]在研究曝氣器充氧性能時發現，水深5、6、10 m，隨著水深的增加充氧能力也增大。謝宇寧[22]在增氧性能試驗中也得出了類似的結論，認為SOTR隨著水深的增加而增加。

因此，在無泡式充氧的實際工程應用中，可根據實際條件適當增加水深，有利于提高氧體積傳質系數、SOTR和氧的利用率，進一步降低運行過程中能量的消耗與資金的投入。

3 結 論

(1) 無泡式充氧時，水流速度為0.022 m/s，水深為0.4 m處0.015、0.025、0.035 MPa的充氧壓強下，氧體積傳質系數分別為0.073 9、0.155 6、0.559 2 h-1，氧體積傳質系數隨著充氧壓強的增大而增大。不降低氧體積傳質系數的條件下試圖降低充氧壓強來降低成本是不可行的。

(2) 水流速度為0.045、0.091 m/s時DO最高且變化速率最快。氧體積傳質系數與水流速度呈正相關關系。

(3) 當充氧壓強為0.035 MPa、水深為0.1～0.7 m、水流速度為0～0.091 m/s時，隨著水深和水流速度的增大，氧體積傳質系數與SOTR均增大。