技术总结
曹敬华1
, 明欲晓纸币识别器
2
(1.青岛建筑工程学院环境工程系，山东青岛266033; 2.青岛大学应用化学系，山东青岛266071)
摘 要: 通过试验考察了压力对加压生物反应器的氧转移效率(E A )及氧转移动力效率(E P )的影响。结果表明：氧总转移系数(K La )是压力的函数，随压力增加近似呈直线下降;E A 随压 力增加而显著提高，但其提高速率随压力增大而减小;E P 也是压力的函数，压力对E P 的影响与溶解氧浓度有关，在一定的供氧条件下存在一个临界溶解氧浓度值，在低于该临界值的溶解氧范围内E P 随压力增加而降低，而在高于该临界值的溶解氧范围内E P 随压力增加而提高，当达到某一最大值后随着压力的继续增加,E P 逐渐减小。若在与E P 最大值对应的压力下供氧，则可将供氧能耗降至最小。一般情况下，加压生物反应器在压力为250～600kPa 条件下工作可能是比较经济合理的。另外，串联使用加压生物反应器可明显提高E A 和E P 。 关键词: 压力; 加压生物反应器; E A ; E P 中图分类号:X703.3 文献标识码:C 文章编号:1000-4602(2002)09-0034-03
基金项目：国家自然科学基金资助项目(59278338)
1 材料与方法111 试验
试验装置如图1
所示。
图1 试验装置示意图
反应器为钢制，高为6000mm ，内径为800mm ，水深为5000mm ，有效容积为2.48m 3
，空气
扩散器淹没深度为4800mm 。采用非稳态曝气方
法确定K La ，投加还原剂(亚硫酸钠)和催化剂(氯化钴)制作脱氧清水(钴离子浓度为0.05mg ΠL )。为消除因亚硫酸钠积累造成的影响，每次测定K La 都使用新鲜的脱氧清水。试验温度为(20±0.2)℃，空气流量为1m 3
Πh 。用薄膜溶解氧电极测定溶解氧。
112 K La 的确定
氧转移速率方程为: d C
d t
=K La (C SM -C )(1)
根据式(1)中d C Πd t 与(C SM -C )的关系，采用最小二乘法确定K La 。
2 结果与讨论
试验结果如表1所示。
中国给水排水
2002Vol.18 CHINA WA TER &WASTEWA TER No.9
pnp网络摄像机由表1可见，压力(P
b
)对K La有不利影响(压力
增加则K束胸衣
La减小，随压力增加K La近似呈线性降低)，其原因可能是压力增加后气泡直径变小，虽然气泡在水中的停留时间延长，但搅动能力减弱，液膜
厚度增加，从而导致氧转移阻力增加，这对K
La造成
的不利影响大于因停留时间延长对K
La产生的有利
影响，致使K
La随压力增加而减小。另外，压力增加后气泡表面积减小(总的气泡个数不变)也可能是造
成K
La降低的又一个原因。
表1 K
La
与压力的关系
P b(kPa)K La(h-1)n r2
100 3.0280.982
200 2.9080.978
300 2.8180.992
400 2.7280.976
500 2.5880.985
600 2.3980.969
700 2.2280.988
800 2.0380.981
注: n为试验组数,r为相关系数。
压力对氧转移速率有两种相反的影响，一种是提高压力能增加饱和溶解氧浓度而使氧转移速率提
高，另一方面是压力使K
La降低，从而使氧转移速率减小。这两种影响的相对强弱将最终决定加压条件
下的E
A及E P的大小。
不同溶解氧浓度(C)下的E
A与压力P b的关系表明，在较低的压力范围内提高反应器的压力可
使E
A显著增加，这说明通过提高压力可显著提高
供氧能力，但E
A的增加速率随压力增加而减小，在
较高的压力范围内(P
b
>600kPa)，再继续提高压力
则E
A
增加甚微。这一方面是因为气泡在反应器内的平均氧分压与压力不成正比，而是随压力增加则平均氧分压的增加速率逐渐减小；另一方面则是由
于压力提高导致K
La减小的缘故，这表明通过提高压力来增大供氧能力也有一定的限度。
另外试验还表明，在高溶解氧浓度或低α(污水
和清水的K
La比值)、
β(污水和清水中饱和溶解氧浓
度比值)值及低饱和溶解氧的环境中E
A值较小，此时为保证较高的供氧能力则需维持较高的压力。
不同溶解氧浓度(C)下的E
PΠE P′(不同压力条件下的氧转移动力效率与常压下的氧转移动力效率
之比)与压力P
b之间的关系试验，在试验条件下P b 对E
PΠE P′的影响比较复杂。对某一给定的C S、
α
及β值范围，在低溶解氧浓度范围内的E
PΠE P′< 1.0，但随压力升高E PΠE P′会逐渐减小，这说明在加压条件下供氧会消耗较多的能量，压力越高则耗能
越多；另一方面在较高溶解氧浓度范围内的E
PΠE P′>1.0且E PΠE P′随压力增加而增加，待E PΠE P′达到最大值后随着压力继续增加而逐渐减小，在某一压
力下存在E
PΠE P′的最大值，此状态下供氧消耗的能
量最少。此外，对应于E
PΠE P′=1.0的临界溶解氧
浓度值主要取决于C
S、
α及β值(C
S、
α及β值越
小，临界溶解氧浓度越小，则E
PΠE P′值越大)。在t =25～30℃、α=0.8、β=0.9的条件下临界溶解氧浓度约为5mgΠL。
反应器内的压力和溶解氧浓度是影响供氧能力及供氧能耗的主要因素，故在加压生物反应器设计中合理确定压力和溶解氧浓度是非常重要的。维持高溶解氧浓度可以得到高有机物去除速率并使投资降低，但这不仅增加供氧难度，使能耗增大，而且需要有更高的供氧能力，为此往往需要维持一定的压力以满足其供氧需求，而压力对供氧能耗的影响程度则又取决于溶解氧浓度的大小。经济合理的压力和溶解氧浓度值应当是在出水水质符合要求的前提下，使整个污水处理工程净现值最小。一般情况下，如果溶解氧浓度大于临界值则宜采用较高的压力使E PΠE P′达到最大值以减小能耗；如果溶解氧浓度小于临界值，在满足供氧要求的前提下应尽量维持较低的压力。
试验表明，压力>600kPa时E
A
增加很小、E
P 较低，且提升污水的能耗也相应较大(与操作压力成正比)，因此实际操作中压力不宜高于600kPa。另外，压力的确定也应当考虑利用加压生物反应器自身的能量(即采用气浮去除出水中悬浮物所需的压力值，实践表明该压力≥250kPa)，因此对于一般的加压生物反应器，在压力为250～600kPa条件下工作可能是比较合理的。
为降低能耗可串联使用加压生物反应器(以第一级反应器的出气作为第二级反应器的气源)，以便更大程度地利用压缩空气中的氧。第二级反应器的
氧转移效率E
A2为:
E
A2
=
α×K
La×(C SM2-C2)
A×
G S
V
×ρ
(2)
C
SM2=
β×C
S
2B恒温水浴摇床
×(
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 C
2———第二级反应器中的溶解氧浓度,kgΠ
m3
C
SM2———第二级反应器中的平均饱和溶解氧
浓度,kgΠm3
E
A1
———第一级反应器中的氧转移效率
E
A2———第二级反应器中的氧转移效率
H
2———第二级反应器中的空气扩散器在水
面下的深度,m
P
b2
———第二级反应器中的水面压力,kPa
总氧转移效率E
A 及E
PΠE P′分别为:
E
A
=E A1+(1-E A1)×E A2(3)
E P
E P′
=
K La
β×C
S
2B
×
P b1
101.3
+
P b1
101.3
+
K La′
β×C
S
2
(1-E
A′)×
→←
H1
10.34
+B×(
P b2
101.3
+
H2
10.34
)+
100
100-21×E A′
+1+
→←
B×(1-E A2)×100
79+B×(1-E A2)
×
P b2
101.3
-
卫生杯H′
10.34
-
→←
C1-C2
C′
×→
←
(1+H
′
10.34
)0.283-1
(
P b1
101.3
+
仿真假山H1
10.34
)0.283-1
(4)
式中 C
1———第一级反应器中的溶解氧浓度,kgΠ
m3
H
1
—
——第一级反应器中的空气扩散器在水
面下的深度,m
P
b1———第一级反应器中的水面压力,kPa 在t=25℃、C
S
=8.3mgΠL、α=0.8、β=0.9、P b1=400kPa、P b2=350kPa及H1=H2=4.8m条件下，两级串联与单级加压生物反应器的E
A及E PΠE P′的比较见表2。
表2 两级串联与单级加压生物反应器的
E A及E PΠE P′的比较
项目
单级加压生
物反应器
两级串联加压生物反应器
第一级第二级合计
增量(与单级
加压反应器
相比),(%)
E A
0.3950.3950.2420.5436.7
0.3510.3510.1610.45529.6
E PΠE P′
0.700.95736.7
1.185 1.53629.6
注: 分别在C
1
=C2=2mgΠL和C1=C2=5mgΠL的两种工况下测定。
由表2可见，串联使用反应器能显著提高E
A
和E
P
，因此在实际工程中应尽可能串联使用加压反应器以提高供氧能力、降低能耗。另外，串联反应器还可使第一级反应器保持高负荷、提高有机物去除速率、减小所需反应器容积，而第二级反应器则能以正常的负荷保证出水水质满足要求。
3 结论
① 氧总转移系数K
La是压力的函数，随压力增加近似呈线性下降。
② 在加压条件下E
A
明显提高，增大压力能
够显著提高供氧能力，但E
A
的增加速率随压力增大而减小。
③ E
P也是压力的函数。在低于临界值的溶
解氧浓度范围内的E
P随压力增加而减小，而在高
于临界值溶解氧浓度范围内的E
P随压力增加而增
加，待达到某一最大值后随着压力继续增加,E
P则
逐渐减小。在E
P
最大值对应的压力下供氧则可将供氧能耗降至最小。临界溶解氧浓度值的大小取决于供氧条件，在t=25～30℃、α=0.8及β=0.9时临界溶解氧浓度约为5mgΠL。
④ 一般情况下加压生物反应器在250～600 kPa下工作可能是比较经济、合理的。串联使用加
压生物反应器可明显提高E
A
及E
P
。
参考文献:
[1] 明欲晓，曹敬华.压力生物氧化法初步研究[J].中国环
境科学,1991,11(2):141-143.
电话:(0532)5072876(H) 5071262(O)
收稿日期:2002-03-11
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