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摘要：文章探讨了温度、深度、曝气量及污水情况下不同污泥负荷对曝气充氧过程氧传质的影响，在一定实验范围内，氧转移系数KLa随气量的增大而增大，随水深的增加而减小，随污泥负荷的增大而减小，随水温的升高而升高，同时还受饱和溶解氧Cs的影响。
关键词：曝气量；温度；水深；污泥负荷；氧传质系数
前言
在污水处理技术领域中，尤其在城市污水处理方面，生物法占有非常重要的地位[1]。曝气是废水好氧生物处理工艺的基本过程，主要目的之一是为微生物去除污染物提供溶解氧，它是动力消耗的主要环节，约占动力成本的45%-75%[2]，因此，提高曝气中的氧传质速率对于降低曝气动力消耗具有重要意义。而且在曝气充氧过程中，曝气器所标示的各种性能参数往往与实际曝气情况不符，所以就有必要就水体各种因素对氧总转移系数的影响进行研究。
曝气的氧总转移系数KLa与温度、水质、气液界面的面积等多种因素有关。但是目前，尚不能将所有的影响因素对KLa的影响作全面的分析，很多相关研究结果也只能作参考。本文在对影响曝气氧传质因素分析的基础上，探讨了水温、水深、曝气量及污泥负荷等因素的变化对曝气过程中氧传质的影响。
1 曝气充氧实验原理
在曝气过程中，氧分子通过气-液界面有气相转移到液相，在界面的两侧分别存在着气膜和液膜，怀特曼（Whitman）和刘易斯（Lewis）[3]所提出的双膜理论就是基于气膜和液膜提出的。基于双膜理论认为氧分子通过液膜的转移速度是转移过程的控制速度。
按照双膜理论的假设，把复杂的氧转移过程简化为通过气、液两层层流的液膜分子扩散过程，通过这两层膜的分子扩散阻力构成了传质的总阻力。双膜理论作为一个成熟的理论，在各类水处理专业书籍上均以此为依据来分析氧在水中的传质过程。
氧的总传质系数KLa的倒数单位为小时（h），它所表示的是曝气池中溶解氧浓度从C提高到饱和溶解氧浓度Cs所需要的时间。当氧总传质系数KLa的值较低时，其倒数的值相应的就高，表示液体中的溶解氧浓度从C提高到饱和溶解氧浓度Cs所需的时间长，说明氧传递速率慢；反之，则说明氧的传递速率快，所需时间短。
2 讨论与分析
清水中一般含有溶解氧，实验一般通过加入无水亚硫酸钠在氯化钴的催化作用下，把水体中的溶解氧消耗掉，使水中溶解氧降到零，然后进行曝气充氧。实验数据处理一般采用数值拟合法，根据实测数据t，C，运用最小二乘法，求得氧总转移系数。
2.1 清水水温的影响
孙从军、陈季华的研究结果表明，水温对氧在水中的转移有很大的影响，KLa值会明显随水温的升高而增大，这是因为水温下降，水粘滞性升高，扩散系数减小，液膜厚度随之增大，KLa值减小；反之水温升高时，水的扩散系数增大，粘滞性减小，液膜厚度随水温升高而降低，KLa值升高。但是因为氧的转移速率：，KLa只是氧转移速率影响因素的一部分，所以在讨论氧转移速率时还应考虑饱和溶解氧的影响。水中的饱和溶解氧Cs随水温的升高而降低，随水温的降低而升高，从而可知温度对氧总传质系数KLa和水中饱和溶解氧Cs的影响是相反的。但是二者的作用并不能简单的相互抵消。孙从军、陈季华研究发现，由温度变化引起的饱和溶解氧的变化对氧转移速率起着决定性的作用，而较低的水温将有利于氧的转移。所以总体来说，水温的升高并不利于氧的转移。
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2.2 水深的影响
目前，关于水深对氧总转移系数的影响研究一般通过在通气量一定的情况下，改变玻璃柱内水体的液面位置，来测量不同水深下的氧总转移系数KLa。一般结果表明，在0-4m的范围内，同等流量下KLa值都随水深的加大不断减小。曹敬华等曾就压力对生物反应器的影响有过相应的研究，认为氧总转移系数随压力的增加不断下降。俞庭康和曹瑞钰的研究也表明在水深小于6m的范围内氧总转移系数KLa随着水深的增加而减小。冯俊生和万玉山通过其数学模式也表明氧总传质系数KLa随水深的增加而减小。
2.3 清水气量的影响
氧在水中的传质系数KLa与曝气头的通气量Q之间有一定的关系。曝气器所给定的性能指标中，如氧转移效率、动力效率等一般都是在特定条件下测定的，具体运用于实际中又有所不同。所以就有必要对清水中的氧的传递系数的影响进行研究，以了解不同气量对曝气器性能的影响。氧转移系数KLa随曝气量Q的增大而增加。因为增大曝气量Q可以提高提高空气通过曝气膜时流动速度，在通气量维持设备使用范围内且气量较低时，提高曝气设备的通风量可以显著的提高水中的氧总转移系数KLa。但是随着通风量的增加在总体上并不是与氧总转移系数KLa的增加成简单的线性关系。因为通气量的增加改变了液相中水体的流动状态，气量越大，紊流状态越大，出孔后形成气泡大小也会不同；同时随之气量的改变，气体在液相体系内的停留时间也相应的改变，而气体在水中的停留时间及气泡的大小会直接影响到气液接触时间、接触面积以及氧利用率，影响过程较为复杂，所以氧总转移系数KLa随气量增大而增加的速率并不是呈现简单的线性关系。
2.4 污泥负荷对KLa的影响实验数据
现有的一些曝气充氧实验基本上都是清水实验，李永光，曹瑞钰等人则尝试了含有活性污泥的实验体系中氧传质效果实验。在污水浓度相差不大的情况下，相应的污泥负荷越大，其氧传质系数值就越小。在污水处理工艺中，特别是含有活性污泥的体系中，污水中的悬浮性物质及有机物等对氧在水中传质效果有很大的影响；（1）污水中的有机物、悬浮无机颗粒物以及一些表面活性剂等的存在对氧在水中的转移存在一定的阻碍作用，他们的存在会在气液接触面上形成一层分子膜，阻碍氧分子的扩散，从而使氧的传质速率降低。由污水中COD的对氧总转移系数的实验可以看出，污水中COD浓度越大的时候，即污水中悬浮非生命活性的物质越多时，其氧总转移系数不断减小；（2）污水中的微生物对氧的转移系数有一定的促进作用，由含微生物的实验体系可以看出，对于一定COD浓度范围内，污泥浓度越大时也即污泥负荷越小时，其氧转移系数越大。这是由于微生物颗粒悬浮物的存在，使得污水中的气液交界面的水力学特性发生了改变，在曝气时微生物供氧充足，活性较大，受微生物呼吸及新陈代谢等因素的影响，气膜更新较快，从而增加了气液接触面积和接触时间，利于氧传质的进行。污泥负荷越大时，在同等水质条件下所对应的微生物数量较小，活性也较小，气膜更新速度也有所降低，因而氧传质系数减小。
3 结论
文章探讨了曝气量、温度、深度及污水情况下不同污泥负荷对曝气充氧过程氧传质的影响，现有实验研究表明：（1）在实验范围内，氧转移系数KLa随气量的增大而增大；（2）KLa随水温的升高而升高，但水中氧转移速率还受饱和溶解氧Cs的影响，所以总体来说水温的升高并不利于氧的转移；（3）一般实验条件下，氧总传质系数KLa随水深的增加而减小；（4）氧传质系数随污泥负荷的增大而减小。
参考文献：
[1]刘星.曝气技术中氧传质影响因素的实验研究[D].大连理工大学.2008.
[2]Rosso D，Stenstrorn M K.Surfactant effects on -factors in aeration systems.Water Resear，2006，40：1397-1404.
[3]Lweis，W.K.and Whitman，W.C.Principlce of Gas Absorption Industrial Engineering Chemistry[J]，1924，16：12-15.
作者简介：
李璐（1983.03--）性别：男 河南省郑州市人，学历：硕士 专业或职业：河南和阳环境科技有限公司技术负责人。
论文作者:李璐
论文发表刊物:《基层建设》2015年21期供稿
论文发表时间:2016/4/8
标签：传质论文; 系数论文; 溶解氧论文; 曝气论文; 水温论文; 污泥论文; 气量论文; 《基层建设》2015年21期供稿论文;