典型污染物对微气泡曝气中氧传质特性的影响

吕 越，刘 春，杨 枭，吴克宏

（1.中国人民解放军理工大学工程兵工程学院，江苏南京 210007；2.河北科技大学环境科学与工程学院，河北石家庄 050018；3.天津科技大学海洋科学与工程学院，天津 300457）

典型污染物对微气泡曝气中氧传质特性的影响

吕 越1，刘 春2，杨 枭3，吴克宏1

（1.中国人民解放军理工大学工程兵工程学院，江苏南京 210007；2.河北科技大学环境科学与工程学院，河北石家庄 050018；3.天津科技大学海洋科学与工程学院，天津 300457）

微气泡曝气是一种新型的曝气方式，废水中的污染物对微气泡曝气中氧传质过程具有显著影响。采用气-水旋流微气泡发生装置进行空气微气泡曝气，考察了微气泡曝气中表面活性剂、油脂、苯酚、硝基苯、悬浮固体（高岭土）等典型污染物对氧传质的影响。结果表明，微气泡曝气和传统气泡曝气的表观状态具有明显差异，呈现乳浊状态。表面活性剂、豆油、苯酚、硝基苯等污染物均有助于微气泡的产生和稳定性，从而提高微气泡曝气的气含率和气泡平均停留时间。同时，这些污染物存在时，微气泡曝气氧传质系数为7.44～11.56 h－1，α因子为0.77～1.20，显著高于传统气泡曝气。污染物对微气泡的形成和稳定性具有积极作用，可以克服其对氧传质过程的负面效应。气含率和污染物种类是影响微气泡曝气氧传质过程的重要因素。

微气泡曝气；典型污染物；气含率；氧传质系数；α因子

曝气是废水处理工艺的重要过程，根据气泡尺寸，传统的气泡曝气可以分为大气泡曝气（coarse bubbleaeration）和小气泡曝气（fine bubble aeration）［1］。近来，微气泡（microbubble）曝气在气液传质等方面表现出一些优良特性，因此在环境污染控制领域逐渐受到关注［2－5］，包括在废水处理中的研究和应用［6－7］。微气泡的产生方法很多，如气－水旋流法［8－9］、机械搅拌法［4］、超声波法［10］等，其中微气泡曝气多采用气－水旋流法。和传统气泡曝气相比，微气泡尺寸很小（一般直径小于50μm），因此比表面积很大而上升速率很小，气－水接触时间长，接触面积大，有助于提高气－水传质速率［9－11］。目前，微气泡曝气强化气－水传质在臭氧传质和发酵传质方面研究较多［5，12－13］，而废水处理空气曝气的研究报道仍较缺乏。

城市污水和工业废水中的一些典型污染物对传统气泡曝气的氧传质过程具有显著影响［14－16］，同时也会影响微气泡形成过程［4，10］，如表面活性剂等。通常来说，在传统气泡曝气过程中，废水中的污染物会降低氧传质速率。然而在微气泡曝气过程中，某些污染物可以促进微气泡的形成并提高微气泡的稳定性，进而有利于微气泡曝气的氧传质过程。可见，废水中污染物对微气泡曝气氧传质过程的影响可能与传统气泡曝气存在差异。因此，认识典型污染物对微气泡曝气氧传质过程的真实影响对于其未来的应用十分必要。

本研究采用气－水旋流微气泡发生装置进行空气微气泡曝气，考察废水中典型污染物在微气泡曝气过程中对氧传质过程的影响，为微气泡曝气在废水处理中的实际应用提供参考。选取的典型污染物包括表面活性剂、油脂（豆油）、有机污染物苯酚和硝基苯以及悬浮固体（高岭土），测定并比较了典型污染物存在时微气泡曝气的气含率和氧传质系数，并计算了气泡停留时间和α因子。

1 材料与方法

1.1 实验装置及微气泡产生条件

本研究采用气－水旋流微气泡发生装置（北京本洲纳米科技有限公司提供），该装置空气流量范围为0.2～2 L／min，功率为370 W，气－水混合后高速旋转，利用水力剪切作用产生微气泡。曝气容器为有机玻璃矩形槽，有效容积为24 L，高度为0.35 m。微气泡曝气系统示意图如图1所示。本研究控制空气流量为0.2 L／min，在此条件下产生微气泡的平均直径为55.85μm。

1.2 典型污染物

本研究选取4种典型的表面活性剂，包括十二烷基苯磺酸钠（SDBS，阴离子型）、苯扎溴铵（阳离子型）、甜菜碱（两性离子型）和吐温20（非离子型）。油脂类污染物选取豆油为代表，悬浮固体选取高岭土为代表，其他典型有机污染物选取苯酚和硝基苯。考虑到实际废水的污染物浓度，本研究确定的表面活性剂质量浓度为5～20 mg／L，其他污染物质量浓度为50～200 mg／L。

1.3 气含率及气泡平均停留时间测定

气含率为曝气容器中气泡的体积比率。本研究在微气泡曝气过程中，从曝气容器中取一定体积的气－水混合物，测定其质量，并计算其密度ρ（气－水）。已知气－水混和物密度ρ（气－水）和相同条件下水的密度ρ（水），忽略气体的密度，根据式（1）计算气含率。

式中：V为水相体积，L；Q为空气流量，L／min。

1.4 氧传质系数（KLa）及α因子［16］

本研究在清水中加入Na2SO3和CoCl2去除原有溶解氧，然后开始曝气，采用溶解氧测定仪（WTW Oxi 330i，德国）测定充氧过程中不同时刻t溶解氧的浓度c以及饱和溶解氧浓度cs，得到ln（cs－c）和t的直线关系，其斜率即为氧的总体积传质系数K La。

通常，污染物对曝气氧传质过程的影响采用α因子表示，定义为相同条件下，污染物存在时的氧传质系数与清水氧传质系数之比，即K La（污染物）／K La（清水）。

1.5 相关性分析［17］

本研究使用SPSS statistics 19软件进行相关性分析。Pearson相关系数是描述变量间的线性关系程度和方向的统计量，用R来描述。p值表示相关性系数检验的统计量显著性概率，p＜0.05时，说明2个变量间相关性显著。

2 结果和讨论

2.1 微气泡曝气的表观状态

在15℃、空气流量为0.2 L／min时，观察微气泡曝气在清水和存在表面活性剂SDBS时的表观状态，结果如图2所示。可以看到，微气泡曝气稳定时，微气泡均匀分布于整个曝气容器，气－水混合物呈现乳浊状，和传统气泡曝气表观状态具有显著差异，其原因在于微气泡尺寸极小。同时，表面活性剂SDBS使微气泡曝气的表观乳浊状态更为显著，证实其对微气泡产生和稳定存在具有明显促进作用，增加了曝气容器中的微气泡产生量。

图1 微气泡曝气系统示意图Fig.1 Profile of microbubble aeration system

图2 微气泡曝气的表观状态Fig.2 Apparent state of microbubble aeration

2.2 微气泡曝气中气含率及气体停留时间

1）表面活性剂

在15℃、空气流量为0.2 L／min时，表面活性剂存在时微气泡曝气的气含率和气泡平均停留时间如图3和图4所示。可以看到，不同表面活性剂存在时，气含率和气泡平均停留时间分别为1.02%～2.67%和1.2～3.2 min，显著高于清水条件及传统气泡曝气［16］。同时，气含率随着表面活性剂质量浓度的提高而增大。此外，非离子型表面活性剂吐温20存在时，气含率显著高于其他离子型表面活性剂。

图3 表面活性剂存在时微气泡曝气中的气含率Fig.3 Gas-holdup in microbubble aeration with surfactants existing

图4 表面活性剂存在时微气泡曝气中的气泡平均停留时间Fig.4 Average gas retention time in microbubble aeration with surfactants existing

2）其他污染物

在15℃、空气流量为0.2 L／min，其他污染物（质量浓度为200 mg／L）存在时的气含率和气泡平均停留时间如图5所示。可以看到，其他典型有机污染物存在时，微气泡曝气中气含率和气泡平均停留时间同样显著高于清水条件，表明这些污染物在微气泡形成过程中对微气泡的产生和稳定性均有促进作用。污染物存在时微气泡曝气较高的气含率和气泡平均停留时间有助于强化氧传质过程。

2.3 污染物对微气泡曝气中氧传质的影响

1）表面活性剂

在15℃、空气流量为0.2 L／min，不同表面活性剂存在时，微气泡曝气中的氧传质系数和α因子如图6、图7所示。可以看到，不同表面活性剂存在时，微气泡曝气中氧传质系数为7.44～11.56 h－1。对离子型表面活性剂而言，微气泡曝气的氧传质系数随着表面活性剂质量浓度增大而增加，与传统气泡曝气中表面活性剂影响存在差异。同时，在传统气泡曝气中，表面活性剂的α因子均小于1.0，表现出表面活性剂对氧传质的负面效应。在微气泡曝气中，4种表面活性剂的α因子变化范围为0.77～1.20，显著高于传统气泡曝气。这些结果表明，表面活性剂对微气泡的形成和稳定性具有积极作用，特别是对气含率的提高，可以克服对氧传质的负面效应。对于非离子型表面活性剂吐温20，氧传质系数随着质量浓度的增加逐渐降低，其趋势与离子型表面活性剂存在显著差异，表明表面活性剂种类对于氧传质具有显著影响。

图5 其他污染物存在时微气泡曝气中的气含率和气泡平均停留时间Fig.5 Gas holdup and average gas retention time in microbubble aeration with other contaminants existing

图6 4种表面活性剂不同质量浓度下微气泡曝气氧传质系数Fig.6 KLa values of four types of surfactants with different concentrations in microbubble aeration

图7 4种表面活性剂不同质量浓度下微气泡曝气α因子Fig.7 α-factors of four types of surfactants with different concentrations in microbubble aeration

2）豆油

以豆油为典型的油脂类污染物，测定了不同豆油质量浓度下微气泡曝气中氧传质系数和α因子，如图8所示。可以看到，当豆油质量浓度从50 mg／L增至200 mg／L时，氧传质系数从8.17 h－1提高至9.50 h－1，α因子从0.85提高至0.98。这些结果与表面活性剂比较接近，表明豆油在微气泡曝气中对于氧传质的影响类似于表面活性剂。事实上，在传统气泡曝气中已有报道证实豆油具有相关的特性［18］。

3）苯酚和硝基苯

以苯酚和硝基苯为典型的工业废水有机污染物，测定了不同苯酚和硝基苯质量浓度下，微气泡曝气中氧传质系数和α因子，如图9所示。可以看到，当苯酚质量浓度从50 mg／L增加至200 mg／L时，氧传质系数从10.63 h－1提高至11.56 h－1，α因子从1.10提高至1.20。当硝基苯质量浓度从50 mg／L增加至200 mg／L时，氧传质系数从9.88 h－1提高至11.41 h－1，α因子从1.02提高至1.08。显然，苯酚和硝基苯存在促进了微气泡曝气中氧传质过程，α因子均大于1.0。

图8 不同质量浓度豆油存在时微气泡曝气氧传质系数和α因子Fig.8 K La values andα-factors in microbubble aeration with soybean oil of different concentration existing

图9 不同质量浓度苯酚和硝基苯存在时微气泡曝气氧传质系数和α因子Fig.9 K La values andα-factors with phenol and nitrobenzene of different concentration existing in microbubble aeration

4）悬浮固体（高岭土）

以高岭土为典型的固体悬浮污染物［19］，测定了不同高岭土质量浓度下，微气泡曝气中氧传质系数和α因子，如图10所示。可以看到，当高岭土质量浓度为100 mg／L时，氧传质系数最大，为11.16 h－1，此时最大α因子为1.15。不同于有机污染物对微气泡曝气氧传质的影响，高岭土在微气泡曝气中可能通过机械作用影响微气泡产生过程，改变气泡尺寸，从而影响氧传质过程，而这种影响取决于高岭的质量浓度，因而存在一个较优的质量浓度值。

2.4 气含率和氧传质过程相关性分析

对同一种污染物存在条件下的气含率和氧传质系数进行相关性分析。结果显示，气含率和氧传质系数之间存在显著的正相关关系（R＞0.98，p＜0.01），表明气含率是决定微气泡曝气氧传质速率的重要因素。然而，对所有污染物存在条件下的气含率和氧传质系数进行相关性分析，结果显示，气含率和氧传质系数之间不存在显著的相关关系（R＝0.306，p＝0.334），表明污染物种类对微气泡曝气氧传质过程也具有显著影响。

图10 不同质量浓度高岭土存在时微气泡曝气氧传质系数和α因子Fig.10 K La values andα-factors with Kaolin of different concentration existing in microbubble aeration

3 结 语

1）微气泡曝气和传统气泡曝气的表观状态具有明显差异，呈现乳浊状态。

2）表面活性剂、豆油、苯酚、硝基苯等污染物均有助于微气泡的产生和稳定性，从而提高微气泡曝气的气含率和气泡平均停留时间。

3）表面活性剂、豆油、苯酚、硝基苯、高岭土等污染物存在时，微气泡曝气氧传质系数为7.44～11.56 h－1，α因子为0.77～1.20，显著高于传统气泡曝气。这些污染物对微气泡的形成和稳定性具有积极作用，可以克服其对氧传质过程的负面效应。

4）气含率和污染物种类是影响微气泡曝气氧传质过程的重要因素。

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Effect of typical contaminants on oxygen transfer in microbubble aeration

LYU Yue1，LIU Chun2，YANG Xiao3，WU Ke-hong1
（1.Engineering Institute of Engineering Corps，PLA University of Science and Technology，Nanjing Jiangsu 210007，China；2.College of Environmental Science and Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang Hebei 050018，China；3.College of Marine Science and Engineering，Tianjin University of Science and Technology，Tianjin 300457，China）

Microbubble aeration is a new type of bubble aeration，and contaminants in waste water has great influence on oxygen transfer in microbubble aeration.The effects of different typical contaminants on oxygen transfer in microbubble aeration were investigated by using a gas-water circulation type microbubble generator，including surfactants，soybean oil，phenol and nitrobenzene as well as suspended solid（kaolin）.The results indicate that different from traditional bubble aeration，microbubble aeration seems like milk-turbid due to very small bubble size.The soluble organic contaminants improve generation and stability of microbubbles，resulting in higher gas holdup and gas retention time.The range of oxygen transfer coefficientK Lais 7.44～11.56 h－1，and the range ofα-factors is 0.77～1.20 in microbubble aeration with the typical contaminants under all test conditions，larger than those in traditional bubble aeration.The improvement of microbubble generation and stability in presence of the contaminants should be responsible for the reduction of negative effect of contaminants on oxygen transfer.The gas hold-up and contaminant type are the important influencing factors for oxygen transfer in microbubble aeration.

microbubble aeration；typical contaminants；gas holdup；oxygen transfer coefficient；α-factor

X703

A

1008-1542（2012）05-0469-06

2012-05-16；

2012-09-06；责任编辑：张士莹

河北省应用基础研究计划重点基础研究项目（11966726D）

吕 越（1975-），男，河北石家庄人，工程师，硕士研究生，主要从事水环境治理方面的研究。

刘 春副教授。E-mail：liuchun＠hebust.edu.cn