进水流量和曝气强度对管式曝气池液相流态及氧传质特性的影响*

董 亮 曾 涛 刘少北 王 勇 张长练 何 雨

(四川理工学院过程装备与控制工程四川省高校重点实验室，四川 自贡 643000)

进水流量和曝气强度对管式曝气池液相流态及氧传质特性的影响*

董 亮 曾 涛#刘少北 王 勇 张长练 何 雨

(四川理工学院过程装备与控制工程四川省高校重点实验室，四川 自贡 643000)

利用粒子图像测速技术(PIV)和溶解氧在线测试仪对管式曝气池在不同进水流量和不同曝气强度工况下的液相流态和氧传质特性进行了测定。结果表明，管式曝气池在相同曝气强度下，氧转移系数和氧转移效率均随着进水流量的增加而逐渐增加；而在相同进水流量时，氧转移系数和氧转移效率均随曝气强度的增大呈先下降后逐渐上升的趋势。综合考虑理论和实际情况，PIV测量时曝气强度选择0.750 m3/h。当进水流量为0.234 m3/h时，管式曝气池上中下3个区域的涡量面积分布最均匀，液相死区最少，说明此时气液两相混合程度最好。因此，管式曝气池的最佳进水流量确定为0.234 m3/h。

粒子图像测速技术 管式曝气池 氧转移系数 氧转移效率 液相流态 进水流量 曝气强度

氧传质特性对污水好氧生化处理效果起关键作用。氧转移系数和氧转移效率分别表征氧转移速率和氧转移程度[1-2]。近年来，国内外学者研究了进气量、曝气方式、填料、水质和表面活性剂等对氧转移系数和氧转移效率的影响[3-7]。但进水流量和曝气强度对氧转移系数和氧转移效率的影响研究很少。此外，已有研究表明，液相流态也会影响氧转移系数和氧转移效率，而且也受进水流量和曝气强度的影响[8-9]。近年来，液相流态主要使用粒子图像测速技术(PIV)进行测量[10-16]。因此，本研究对管式曝气池在不同进水流量和不同曝气强度的工况下对氧转移系数、氧转移效率以及液相流态(主要考虑流速和涡量)的影响，旨在寻求最适宜操作条件，为工程应用提供坚实的理论基础。

1 实验和方法

1.1 实验系统

实验系统如图1所示，主要由进水系统、管式曝气池、溶解氧在线测试仪、PIV系统组成。曝气池为长方体的玻璃容器，长(PIV测量时设为X轴)0.775 m、宽0.120 m、高(PIV测量时设为Y轴)0.570 m，有效容积49.3 L。PIV系统图像像素为2 048×2 048，采样速率为16帧/s，示踪剂选用罗丹明B悬浮液[17-18]。

1—管式曝气池；2—微孔曝气软管；3—计算机；4—相机；5—同步器；6—进水流量计；7—进水泵；8—进水箱；9—激光电源；10—激光器；11—固液分离溢流口；12—气泡；13—溶解氧在线测试仪；14—空气压缩机图1 实验系统示意图Fig.1 Test system flow chart

1.2 氧转移系数和氧转移效率的测定

在不同曝气强度和进水流量工况下，曝气池内加满自来水后投加Na2SO3和CoCl2进行脱氧[19]。当曝气池内溶解氧为0 mg/L时开始曝气并计时，直至曝气池内溶解氧为7 mg/L(接近饱和)时结束。根据式(1)计算氧转移系数。

(1)

式中：KLa为氧转移系数，min-1；t为曝气时间，min；C*为饱和溶解氧质量浓度，mg/L；Ct为t时刻溶解氧质量浓度，mg/L。

由于测定过程中的温度不同，将KLa统一修正为20 ℃时的KLa，修正公式如下：

(2)

式中：KLa(20)为20 ℃时的氧转移系数，min-1；T为溶解氧的测定温度，℃。

氧转移效率根据式(3)计算。

(3)

式中：EO2为氧转移效率，%；V为曝气池有效容积，m3；q为曝气强度，m3/min；ρO2为氧气密度，取1 429 mg/L。

1.3 PIV测量

PIV测定时曝气强度选择0.750 m3/h，拍摄进水流量分别为0、0.054、0.144、0.234 m3/h工况下的速度矢量图、流线图和涡量图。相机从曝气池的正面进行拍摄，即垂直于激光方向，分别拍摄下部A、中部B和上部C 3个区域，拍摄位置均在正面正中115 mm×86 mm的范围内。

2 实验结果分析

2.1 氧传质特性

管式曝气池的氧传质特性参数氧转移系数和氧转移效率如表1所示。在相同曝气强度下，氧转移系数和氧转移效率均随进水流量的增大而增大；而在相同进水流量时，氧转移系数和氧转移效率均随曝气强度的增大先降低后升高。分析原因，随着进水流量的增加，即进水流速和动能的增加，上面下来的进水和上升的气泡之间发生的撞击加剧，气泡被撞碎且不断往回(向上)移动，部分气泡甚至形成涡旋使得气泡停留时间延长，氧传质效率增加；由双膜理论可知，液膜和气膜对气体分子的转移产生动力，气液之间的撞击可以减少薄膜的厚度，随着进水流量和曝气强度的增加，气液撞击加剧进而减少了液膜和气膜的厚度。但氧气为微溶气体，其溶于水的动力主要来自于液膜，而且微孔曝气软管的曝气区域较长，微量的增加曝气强度并不能立马改变曝气区域的曝气量，因此氧传质特性受曝气强度的影响不及进水流量显著，甚至随曝气流量的增大产生波动。但理论上说，曝气强度增强是有利于氧传质的，所以PIV测量时选择曝气强度为0.750 m3/h。

表1 氧传质特性测定结果

图2 曝气池下部的液相流态特征Fig.2 Liquid flow state characteristics of the bottom of the aeration tank

2.2 管式曝气池下部的液相流态

图2给出了曝气池下部区域在进水流量为0～0.234 m3/h 4种不同流量的工况下，液相速度矢量图、流线图和涡量图。从速度矢量图可以看出，液相高速区集中在中心区域。从流线图可以看出，随着进水流量的增加，中心区域形成较大的涡旋结构，表现为较强的卷吸，且卷吸面积较大。从涡量图可以看出，进水流量较小时，涡量分布面积不均匀，液相死区较多；随着进水流量的增加，涡量面积分布更均匀，进水流量为0.234 m3/h时涡量面积分布达到最佳，液相死区最少，有利于进水的充分混合，提高容积利用率、废水处理效率和高浓度进水的稀释速率[20]。

2.3 管式曝气池中部的液相流态

图3给出了曝气池中部区域在进水流量为0～0.234 m3/h 4种不同流量的工况下，液相速度矢量图、流线图和涡量图。从速度矢量图可以看出，曝气池随进水流量的增加，液相高速区逐渐向左偏移。从流线图可以看出，4个工况的差别较小，中心区域均出现涡旋结构。从涡量图可以看出，随着进水流量的增加，涡量面积分布更趋均匀，不再呈柱状结构，说明气液两相混合程度良好，有助于减少液相死区，提高容积利用率、废水处理效率和高浓度进水的稀释速率。分析其原因，曝气池中部区域为气泡上升速度最快的区域，随着进水流量的增加，此区域的液相扰流最强。

2.4 曝气池上部的液相流态

图4给出了曝气池上部区域在进水流量为0～0.234 m3/h 4种不同流量的工况下，液相速度矢量图、流线图和涡量图。从速度矢量图可以看出，曝气池随进水流量的增加，液相高速区域位置呈向左迁移的变化特征。从流线图可以看出，4种工况下均形成较大的涡旋结构，但随着进水流量的增加涡旋结构变小。从涡量图可以看出，随着进水流量的增加，涡量面积分布更加均匀。分析其原因，随着进水流量增加，气泡与进水发生较强的冲击，大多数气泡在曝气池上部被撞碎或偏移，进水流量为0.234 m3/h时气液两相混合程度较好。

综上，当进水流量为0.234 m3/h时，管式曝气池上中下3个区域的涡量面积分布最均匀，液相死区最少，说明此时气液两相混合程度最好。因此，本研究中管式曝气池整体最佳进水流量确定为0.234 m3/h。

图3 曝气池中部的液相流态特征Fig.3 Liquid flow state characteristics of the centre of the aeration tank

图4 曝气池上部的液相流态特征Fig.4 Liquid flow state characteristics of the top of the aeration tank

3 结 论

(1) 管式曝气池在相同曝气强度下，氧转移系数和氧转移效率均随着进水流量的增大而逐渐增大；而在相同进水流量时，氧转移系数和氧转移效率均随曝气强度的增大先降低后升高。综合考虑理论和实际情况，PIV测量时曝气强度选择0.750 m3/h。

(2) 当进水流量为0.234 m3/h时，管式曝气池上中下3个区域的涡量面积分布最均匀，液相死区最少，说明此时气液两相混合程度最好。因此，本研究中管式曝气池整体最佳进水流量确定为0.234 m3/h。

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Effectsofinletflowrateandaerationintensityonliquidflowstateandoxygenmasstransfercharacteristicsoftubularaerationtank

DONGLiang，ZENGTao，LIUShaobei，WANGYong，ZHANGChanglian，HEYu．

(KeyLaboratoryinSichuanCollegesonIndustryProcessEquipmentsandControlEngineering，SichuanUniversityofScience&Engineering，ZigongSichuan643000)

Liquid flow state and oxygen mass transfer characteristics of tubular aeration tank were measured under different inlet flow rate and different aeration intensity using particle image velocimetry (PIV) and dissolved oxygen online tester． Results showed that oxygen transfer coefficient and oxygen transfer efficiency in tubular aeration tank increased with the increase of inlet flow rate when aeration intensity was the same,while those decreased firstly and then increased with the increase of aeration intensity when inlet flow rate was the same． Considering both theoretical and practical conditions，0.750 m3/h was selected as aeration intensity for PIV measurement． When inlet flow rate was 0.234 m3/h,vorticity distribution tended to be the most homogeneous,and liquid dead area tended to be the least for the 3 areas of top,centre and bottom of the tank． That is to say,0.234 m3/h should be selected as the best inlet flow rate since this condition made liquid phase and gas phase mixed adequately．

PIV； tubular aeration tank； oxygen transfer coefficient； oxygen transfer efficiency； liquid flow state； inlet flow rate； aeration intensity

董 亮，男，1987年生，硕士研究生，研究方向为水处理反应器的多相流测试与模拟。#

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*四川省科技支撑计划项目(No.2014GZ0132)；自贡市科技局重点项目(No.2013X12)；四川理工学院创新基金资助项目(No.y2016011)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.11.018

2016-09-26)