張婷婷 陳卉 馮藝瑋 張智良
(中鋼集團武漢安全環(huán)保研究院有限公司,湖北 武漢 430081)
進入21世紀(jì)以來,經(jīng)濟快速發(fā)展,大量污染物進入水體,黑臭水體不僅影響城市居民日常生活,同時也嚴(yán)重影響了城市形象。治理黑臭水體常采用曝氣法,利用特殊設(shè)備向水中進行曝氣,提高溶解氧含量,增強好氧微生物代謝活性,加快水中微生物對污染物的代謝氧化,具有見效快、對環(huán)境影響小等特點,曝氣法已成為黑臭水體最常用的治理手段[1]。為提高水體中的溶解氧含量,常用的方法有機械曝氣、鼓風(fēng)曝氣和射流曝氣,但由于傳統(tǒng)的曝氣法所產(chǎn)生的氣泡體積大、上浮速率快、傳質(zhì)時間短而導(dǎo)致處理效果不如微納米氣泡。微納米氣泡由于其具有停留時間長、表面帶電、內(nèi)部高壓、強氧化性等特殊的理化性質(zhì)可以大幅度提高水中溶解氧的含量以及停留時間。目前市面上進行制備微納米氣泡常采用溶氣釋氣、水動力空化法以及超聲空化法[2]。本試驗旨在研發(fā)一種新型的曝氣裝置,利用微納米氣泡制備高濃度溶氧水進行污水治理。將在高壓溶氣罐中安裝一組中空纖維膜,利用中空纖維膜透氣不透水的特性,在高壓的條件下提高氧轉(zhuǎn)移效率,超高壓電場對氧氣分子進行極化將氧氣經(jīng)中空纖維膜以擴散的方式注入到水體中,使氧氣更容易與水分子結(jié)合,從而制備出溶解氧濃度更高的高濃度溶氧水。
研究所用的試驗系統(tǒng)流程如圖1所示。
圖1 高濃度溶氧水制備流程
本試驗研發(fā)出的新型曝氣裝置的主要組成部分是蓄水池、裝有中空纖維膜的高壓溶氣罐、超聲裝置、超高壓裝置、壓力表以及流量計。試驗采用的高壓溶氣罐外徑為426 mm,直段長1 300 mm,有效容積約為160 L;溶氣罐和氣路上安裝了1.5級精度的壓力表用于測量容器罐內(nèi)的混合壓力以及進氣壓力。
本試驗利用中空纖維膜透氣不透水的特性,在高壓的條件下提高氧轉(zhuǎn)移效率研究不同壓力下對高濃度溶氧水制備效果的影響;外加超高壓電場使通過進氣管路的氧氣經(jīng)過電場變成負氧離子,經(jīng)過中空纖維膜與細小水流反應(yīng)生成高濃度溶氧水使氧氣更容易與水分子結(jié)合,在最佳進氣壓力條件下研究不同電壓大小對高濃度溶氧水制備效果的影響;超聲空化是使超聲波在液體內(nèi)造成負壓形成空穴進而生成微納米氣泡,在最佳進氣壓力條件下,開啟位于出水管路上的超聲裝置,超聲裝置功率從10%~100%調(diào)節(jié),探究出水管路上設(shè)置超聲裝置對高濃度溶氧水制備效果是否有影響;同時進行高濃度溶氧水穩(wěn)定性的測定,探究不同條件下制備好的高濃度溶氧水的保存及效果。每組試驗在設(shè)備穩(wěn)定運行15 min后取樣10 L,考察制備出的每組高濃度溶氧水中的DO濃度、氣液比以及溶解氧停留時間,探究超高壓電場、超聲波和進水條件對高濃度溶氧水制備的影響。
在研究制備最優(yōu)的高濃度溶氧水后,在最佳制備條件下對固定體積的黑臭湖泊水樣(水樣來自湖北省武漢市某黑臭湖泊水體)進行處理。試驗時,將采集的黑臭湖泊水樣分別注入尺寸相同的模擬池中,其中一部分每天固定時間注入4 h高濃度溶氧水,另一部分注入等體積的清水。通過對比兩種運行條件下,各污染指標(biāo)(DO、COD、氨氮和總磷)隨時間的變化,探究高濃度溶氧水對黑臭湖泊上覆水水質(zhì)的影響效果。
當(dāng)進氣壓力范圍在0.3~1.0 MPa時,濃度隨進氣壓力的變化情況如圖2所示。溶解氧濃度隨著進氣壓力的增加而增加,在此壓力下溶解氧濃度可達51.6 mg/L;當(dāng)進氣壓力為1.0 MPa時,在不密封常溫常壓條件下,溶解氧濃度隨時間變化情況如圖3所示,3 h后溶解氧濃度仍能達到33.7 mg/L;密封條件下,保存7 d后,溶解氧濃度隨時間變化情況如圖4所示,溶解氧濃度仍能達到30 mg/L以上。實驗測得進氣壓力為1.0 MPa時制得的高濃度溶氧水氣液比為1.46%,說明大部分的氣體均是以不易逸出的微納米氣泡形態(tài)存在于高濃度溶氧水中。分析試驗數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn),增加進氣壓力相當(dāng)于增加了氣相與液相氧氣濃度差,從而增加氣液傳質(zhì)效率,使得高濃度溶氧水中的溶解氧濃度增加,氣體通過中空纖維膜進入水體,使氧氣以微納米氣泡的形式停留在水中,因此制得的高濃度溶氧水具有較好的穩(wěn)定性[3]。
圖2 濃度隨進氣壓力的變化情況(25℃)
圖3 不密封條件下溶解氧濃度隨時間變化情況
圖4 密封保存條件下溶解氧濃度隨時間變化情況
進氣壓力1.0 MPa時在進氣管路增加電場,溶解氧濃度隨電壓的變化情況如圖5所示。當(dāng)電壓達到20 kV時,高濃度溶氧水的濃度最高可達53.6 mg/L;在進水管路外加電場,高濃度溶氧水中溶解氧濃度最多為50.4 mg/L,進水管路增加電場對溶解氧濃度的影響不大。從溶解氧濃度變化趨勢可得,在進氣管路外加電場時,溶解氧濃度隨著電壓的升高略有增加,但對提升效果同樣不明顯。在不密封、常溫常壓條件下,溶解氧濃度隨時間變化情況如圖3所示,3 h后高濃度溶氧水中溶解氧含量仍能達到31.9mg/L;在密封條件下,保存7 d后,溶解氧濃度隨時間變化情況如圖4所示,高濃度溶氧水中溶解氧含量仍能超過27.6 mg/L。
圖5 溶解氧濃度隨電壓的變化情況(進氣壓力1.0 MPa)
當(dāng)進氣壓力1.0 MPa時,在高壓溶氣罐出水處設(shè)置超聲波裝置,在超聲波的作用下,溶解氧濃度隨超聲功率的變化情況如圖6所示,制備出的高濃度溶氧水的溶解氧濃度最高為62.0 mg/L。在超聲功率超過最大功率60%,運行15 min后,出水溫度升高,超聲波產(chǎn)生較明顯的熱效應(yīng),反而使得高濃度溶氧水的溶解氧濃度降低。在超聲功率為60%且不密封、常溫常壓的條件下,溶解氧濃度隨時間變化情況如圖3所示,3 h后高濃度溶氧水中溶解氧含量仍能達到35.2 mg/L;在密封條件下,保存7 d后,溶解氧濃度隨時間變化情況如圖4所示,高濃度溶氧水中溶解氧含量測得為33.9 mg/L。因此,本次試驗可得,超聲波對高濃度溶氧水溶解氧濃度有提升效果,說明在超聲裝置內(nèi),部分液體在超聲波的作用下出現(xiàn)局部應(yīng)力拉伸進而形成負壓,部分逸出的氧氣在裝置內(nèi)的氣液相界面發(fā)生再次溶解。但功率過大時,超聲波熱效應(yīng)會影響高濃度溶氧水的穩(wěn)定性。
圖6 溶解氧濃度隨超聲功率的變化情況(進氣壓力1.0 MPa)
在高濃度溶氧水制備的最佳條件下,即進氣壓力為1.0 MPa,超聲功率60%,將采集的黑臭湖泊水樣(見表1)分別注入尺寸相同的模擬池中,其中一部分每天固定時間注入4 h高濃度溶氧水,另一部分注入等體積的清水,注入流量為0.2 L/min。分別檢測并觀察各污染指標(biāo)(DO、COD、氨氮和總磷)隨時間的變化情況。
表1 采樣點水質(zhì)指標(biāo) mg/L
進氣壓力為1.0 MPa,超聲功率60%,DO濃度隨時間變化情況如圖7(a)所示,在通入高濃度溶氧水的4 h內(nèi),水體中的溶解氧濃度不斷升高,在4 h時水體中的溶解氧濃度達到2.3 mg/L,是初始值的11.5倍,并有繼續(xù)升高的趨勢。說明高濃度溶氧水對水體增氧效果明顯。同時由于高濃度溶氧水中的氧氣是微納米氣泡的形式存在,因此對水體是以較平穩(wěn)的速率增加水體溶解氧濃度。
COD濃度隨時間變化情況如圖7(b)所示,在初次注入高濃度溶氧水的過程中,水樣的COD值先快速下降,至2.5 h后,COD濃度趨于穩(wěn)定,整個過程中水樣的COD值從初始值62.88 mg/L降至34.73 mg/L。在注入高濃度溶氧水4 h后,COD的去除率達到了44.7%。
氨氮濃度隨時間變化情況如圖7(c)所示,在初次注入高濃度溶氧水的過程中,水樣的氨氮值不斷下降,至3 h后,氨氮濃度趨于穩(wěn)定,整個過程中水樣的氨氮值從初始值10.33 mg/L降至5.82 mg/L。在注入高濃度溶氧水4 h后,氨氮的去除率達到了43.7%。
TP濃度隨時間變化情況如圖7(d)所示,在注入高濃度溶氧水的過程中,水樣中的TP濃度不斷降低,4 h后,水樣的TP濃度從1.87 mg/L降至0.82 mg/L,TP的去除率達到了56.1%。
圖7 DO、COD、氨氮、TP濃度隨時間變化情況(進氣壓力1.0 MPa,超聲功率60%)
通過上述實驗與空白對照組可得,高濃度溶氧水對DO、COD、氨氮和總磷均有明顯效果。同時在處理的過程中,由于高濃度溶氧水緩慢的加入到水體中,相比于常規(guī)曝氣方式,水中并未有較多宏觀大氣泡的產(chǎn)生,因此對底泥的擾動不大,一定程度上減少了惡臭氣體的逸出。該設(shè)備具有較高的集成度,作為臨時處理裝置時運輸方便;作為長期維護裝置時,由于設(shè)備在實際應(yīng)用中占地面積很小,僅1 m2左右,同時設(shè)備前期幾乎不需要投入土建成本,因此在工程應(yīng)用中具有一定的優(yōu)勢。
由于微納米氣泡能夠產(chǎn)生高活性自由基[4],它們在水處理中的潛在應(yīng)用越來越受到關(guān)注。目前在國內(nèi)用于制備高濃度溶氧水并進行大量推廣的設(shè)備和技術(shù)并不成熟,研究尚處于摸索階段。通過本實驗,得出如下結(jié)論:
1)當(dāng)中空纖維膜進氣壓力1.0 MPa、超聲波功率因數(shù)為60%時制備溶氧水效果最佳,制得的溶氧水溶解氧濃度最高可達62.0 mg/L。
2)向黑臭水體中注入高濃度溶氧水運行4 h后,黑臭水體的溶解氧從0.2 mg/L提高至2.3 mg/L,水樣的COD、氨氮、TP的去除率分別為44.7%、43.7%和56.1%,其中水樣的溶解氧指標(biāo)從劣Ⅴ類提升至優(yōu)于Ⅴ類水的溶解氧限值。
3)本實驗研究制備出的高濃度溶氧水裝置具有穩(wěn)定性好、占地面積小、能耗低、便于運輸?shù)葍?yōu)點,該設(shè)備前期幾乎不需要投入土建成本且設(shè)備具有較高的集成度,可進行大量推廣。同時制備出的高濃度溶氧水經(jīng)實驗驗證可對黑臭水體具有一定的處理作用,為今后高濃度溶氧水在黑臭水體治理工程中的應(yīng)用提供了方向。