射流微泡曝气器溶氧性能测试与工程应用
第４６卷第６期２０１４年１２月
南 京 航 空 航 天 大 学 学 报Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ ＆Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ Ｖｏｌ．４６Ｎｏ．６
Ｄｅｃ．２０１４射流微泡曝气器溶氧性能测试与工程应用
周 涛，孙建红，刘 可
（南京航空航天大学航空宇航学院，南京，２１００１６
）摘要：射流微泡曝气器是一种基于新型微泡生成机理的曝气设备，具有广泛的工程应用价值。射流微泡曝气器
溶氧性能测试分析的结果表明：当新设计的射流微泡曝气器进气量从０．２ｍ３／ｈ增至２．０ｍ３
／ｈ时，
其氧总转移系数从０．０５２Ｌ／ｍｉｎ增加到０．３３８Ｌ／ｍｉｎ，理论动力效率从０．６５９ｋｇ／ｋＷ·ｈ增加到４．２８４ｋｇ／ｋＷ·ｈ。与其他类型曝气器相比，该型射流微泡曝气器的氧总转移系数和理论动力效率均有显著提高。此外，射流微泡曝气器应用于实际工程中，废水出水水质中化学需氧量的平均去除率可达到７６．６％。关键词：射流微泡曝气器；溶氧性能；氧总转移系数；氧利用率；理论动力效率
中图分类号：Ｘ５０５ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００５－２６１５（２０１４）０６－０９１５－
０５ 基金项目：国家自然科学基金（２１４０７０７７）资助项目；江苏省六大人才高峰（２０１２－ＪＮＨＢ－０１４）资助项目；江苏省博士后科研资助计划（１００２０１３Ｃ）资助项目；江苏高校优势学科建设工程资助项目。 收稿日期：２０１４－０９－２５；修订日期：２０１４－１０－
２７ 通信作者：孙建红，男，教授，博士生导师，Ｅ－ｍａｉｌ：ｊ
ｈｓｕｎ＠ｎｕａａ．ｅｄｕ．ｃｎ。Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｏｘｙｇ
ｅｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆ Ｍｉｃｒｏ－ｂｕｂｂｌｅ Ｊｅｔ
ＡｅｒａｔｏｒＺｈｏｕ Ｔａｏ，Ｓｕｎ Ｊｉａｎｈｏｎｇ，
Ｌｉｕ Ｋｅ（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ ＆Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ，２１００１６，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｍｉｃｒｏ－ｂｕｂｂｌｅ ｊｅｔ ａｅｒａｔｏｒ ｉｓ ａ ｎｏｖｅｌ ａｅｒａｔｏｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｎｅｗ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｍｉｃｒｏ－ｂｕｂｂｌｅ，ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｔｈｅ ｅｘｔｅｎｓｉｖｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｔｈｅ ｗａｓｔｅ－ｗａｔｅｒ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｎｅｗ ａｅｒａｔｏｒｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ
ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．Ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｔａｎｄａｒｄ ｏｘｙｇｅｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｃｏｅｆｆｉ－ｃｉｅｎｔｓ（ＫＬａｓ）ｉｎｃｒｅａｓｅ ｆｒｏｍ ０．０５２Ｌ／ｍｉｎ ｔｏ ０．３３８Ｌ／ｍｉｎ，ａｎｄ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｐｏｗｅｒ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ（ＥＰ）ｉｎ－ｃｒｅａｓｅｓ ｆｒｏｍ ０．６５９ｋｇ／ｋＷ·ｈ ｔｏ ４．２８４ｋｇ
／ｋＷ·ｈ，ｗｈｅｎ ｔｈｅ ａｅｒａｔｏｒ ａｉｒｆｌｏｗ ｒａｔｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｆｒｏｍ０．２ｍ３／ｈ ｔｏ ２．０ｍ３／ｈ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｏｔｈｅｒ ｔｙｐｅ ａｅｒａｔｏｒｓ，ｂｏｔｈ ＫＬａｓａｎｄ ＥＰａｒｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ ｉｎｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ａｅｒａｔｏｒ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅ ｍｉｃｒｏ－ｂｕｂｂｌｅ ｊｅｔ ａｅｒａｔｏｒ ｉｓ ａｌｓｏ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ａ ｒｅａｌ ｗａｓｔｅ－ｗａｔｅｒｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ａｎｄ ｉｔ ｉｓ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅｒｅ ｉｓ ａ ｈｉｇｈ ＣＯＤＣｒｒｅｍｏｖａｌ ｒａｔｅ ｏｆ ７６．６％ｉｎ ｔｈｅ ｅｆｆｌｕｅｎｔ ｗａｔｅｒ．Ｋｅｙ
ｗｏｒｄｓ：ｍｉｃｒｏ－ｂｕｂｂｌｅ ｊｅｔ ａｅｒａｔｏｒ；ｏｘｙｇｅｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ；ｓｔａｎｄａｒｄ ｏｘｙｇｅｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ；ｏｘｙｇｅｎ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ；ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｐｏｗｅｒ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ 曝气设备是污水处理活性污泥法系统中的关
键性设备，其功能是将空气中的氧转移到曝气池液体中，满足好氧微生物所需要的氧量，并保持曝气池内微生物、污水有机物、溶解氧三者充分混合，为
微生物降解有机物提供有利的生化反应条件［
１］
。一方面，曝气器充氧性能的好坏直接关系到整个好氧处理工艺的成败，影响到处理工艺的出水水质。
另一方面，曝气也是目前污水处理过程中的主要能
耗环节，约占总能耗的４５％～７５％［２］
。而传统的曝气设备存在曝气效率低、运行成本高等问题，因
此，如何改进现有或研制新型曝气设备，提高其充氧性能，成为各国研究学者广泛关注的热门课
题［
２－
３］。目前，曝气方式主要有机械曝气、鼓风曝气和
射流曝气３种方式。相比较前两者，射流曝气器具有以下优点：
氧吸收率和充氧能力高，混合搅拌作用强；污泥活性好，基质降解常数较高，可提高污泥的沉淀性能；构造简单、工作可靠、运转灵活、维修
管理方便［
４］
。但从射流曝气器在污水处理领域的实际运行情况来看，虽然具有很强的供氧能力，但吸入水中的氧并未充分利用，大部分都以气泡以及气泡聚并的形式由曝气池表面逸出，导致氧利用率低，动力效率不高，从而影响了射流曝气器的推广和应用。
影响曝气器传质的因素较多，其产生的气泡粒径大小是重要的因素之一。气泡直径缩小１０倍，１个气泡可以变成１ ０００个小气泡，总表面积提高１０倍，同等情况下，表面积增大可以提高空气在水中的传质效率，以提高溶氧性能，气泡直径缩小还可以有效地降低气泡聚并的可能性，延长气泡溢出水面的时间，从而可以和液体进行充分地传质。目前，微泡曝气器大多数为微孔曝气器，与普通的曝气设备相比，微孔曝气系统的氧利用效率、动力效
率、氧总转移系数较大，但同时具有阻力损失较大、容易堵塞、使用寿命较短等不足。针对上述曝气器的缺点和不足，本研究采用一种新型射流微泡曝气器，通过强化气泡之间的扩散与碰撞，以及流体对
气泡的水力剪切作用［５］
，使得曝气器所产生的气泡
平均粒径约为２００μｍ，
增大了空气与水的接触面积。同时该曝气器又克服了微孔曝气器阻力损失大、易堵塞、使用寿命短的缺点。一般而言，氧总传递系数、理论动力效率和氧利用率可以作为曝气器
的评价指标［６－
７］，因此本文通过性能测试和实际工
程应用来研究分析射流微泡曝气器的溶氧性能。
１ 试验装置与方法
１．１ 试验装置、
仪器及药剂 基于气泡碰撞与强化剪切作用而设计的射流
微泡曝气器的基本构造与普通射流曝气器大体相同，同样包括喷嘴段、吸气室、喉管段、扩散管段等，属于自吸式供氧，具体如图１所示。同时依据清水溶氧测试的要求，清水充氧试验装置见图２
。
图１ 射流微泡曝气器结构示意图Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ｍｉｃｒｏ－ｂｕｂｂｌｅ ｊ
ｅｔ ａｅｒａｔｏ
ｒ图２ 试验装置示意图Ｆｉｇ
．２ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ｔｅｓｔ ｄｅｖｉｃｅ 试验仪器：包含ＲＢＬ５０－
１００Ａ型ＩＳ型单级立式离心清水泵用于系统水循环；ＺＹ－Ｙ１００普通压力表、ＬＺＢ－５０型防腐玻璃转子流量计、ＬＺＢ－１０和ＬＺＢ－
１５型玻璃转子流量分别用于测定不同工况下循环水压，循环水量以及射流微泡曝气器的进气量；水中溶解氧与温度的则由ＪＥＮＣＯ９０１０型便携式溶解氧测定仪测得；同时利用脱氧剂为亚硫酸钠（分析纯）和催化剂为氯化钴（分析纯）对水体进行脱氧处理。１．２ 试验方法
射流微泡曝气器的充氧能力，理论动力效率，氧利用率的检测与数据处理均按照文献［８
］进行。试验采用间歇非稳态动态启动法，测定水中溶解氧的质量浓度随时间变化的规律，进而计算出氧的总传递系数ＫＬａｓ值和氧的传递速率ｄ
Ｃ／ｄｔ。同时记录测定时的供气量，进一步计算出不同曝气器的理论动力效率和氧的利用率。１．３ 试验条件
射流微泡曝气器清水溶氧试验，试验条件基本数据见表１。每个试验持续时间大约在３０ｍｉｎ左右，在无外热源的条件下，时间短水温变化小，可以
６１９南 京 航 空 航 天 大 学 学 报第４６卷
表１ 曝气器清水充氧试验条件
Ｔａｂ．１ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｏｘｙｇ
ｅｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ａｅｒａｔｏｒ ｉｎ ｃｌｅａｎ ｗａｔｅｒ试验编号循环水量Ｑ水／（ｍ３·ｈ－１）供气流量Ｑ气／（ｍ３·ｈ－１
）水温ｔ／°Ｃ水深Ｈ／ｍ饱和溶解氧浓度ＣＳ（标准）／（ｍｇ
·Ｌ－１）饱和溶解氧浓度ＣＳ（实测）／（ｍｇ
·Ｌ－１）１ １０ ０．２ １０．０ １．８ １１．２５ １１．２１２ ９ ０．５ ９．８ １．８ １１．３０ １１．２１３ １３ ０．８ ９．５ １．８ １１．３８ １１．３２４ １２ １．０ ８．６ １．８ １１．６４ １１．６０５ １２ １．６ １５．７ １．８ ９．９２ ９．８５６ １３ １．８ １０．０ １．８ １１．２５ １１．１４７
１３
２．０
１０．０
１．８
１１．２５
１１．２４
认为水温恒定。表中针对不同循环水量和供气量进行了检测，可以看出：实际测定的饱和溶解氧浓度与相同水温条件下标准饱和溶解氧浓度有一些差异，这些差异主要源于测量仪器和测试系统。但由于误差很小，可以满足曝气器性能测试的要求。
２ 射流微泡曝气器充氧性能
２．１ 氧总转移系数ＫＬａｓ
氧总转移系数ＫＬａｓ表征氧从气相传递到液相
的速度，是计算曝气器的氧利用效率和动力效率的重要参数，
其值可通过拟合溶解氧变化曲线的斜率计算得到。图３为射流微泡曝气器氧总转移系数随进气量的变化情况
。
图３ 氧总转移系数随进气量的变化
Ｆｉｇ．３ Ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｓｔａｎｄａｒｄ ｏｘｙｇ
ｅｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｃｏｅｆｆｉ－ｃｉｅｎｔ ｖｅｒｓｕｓ ａｉｒｆｌｏｗ
ｒａｔｅ由图３可见，随着进气量从０．２ｍ３
／ｈ增加到２．０ｍ３
／ｈ，射流微泡曝气器氧总转移系数从０．０５２Ｌ／ｍｉｎ增加到０．３３８Ｌ／ｍｉｎ，
这是由于曝气量的增加加剧了液相紊流程度，一方面减小了液膜厚度，从而减小传质阻力，增大ＫＬａｓ；另一方面，曝气器中气液界面更新加快，从而加速氧从气相传递到液相，传质推动力变大，有利于氧的传递，因此，随着射流微泡曝气器进气量的增加，氧总转移系数增加。从图３中还可以看出，射流微泡曝气器与其
他类型的曝气器相比，其氧总转移系数明显优于其
他曝气器［９－
１３］，以潘涛等［１３］测试的射流曝气器为例，当进气量从１．３６ｍ３／ｈ增加到１．７５ｍ３
／ｈ时，
氧转移系数从０．１３９Ｌ／ｍｉｎ增加到０．１９３Ｌ／ｍｉｎ，
而射流微泡曝气器在进气量为１．０ｍ３
／ｈ时，
其氧总转移系数已达到０．２２Ｌ／ｍｉｎ，氧总转移系数明显优于前者。这可能是由于两种曝气器产生的气泡粒径不同，气液接触时间不同，进而导致两种曝气器氧总转移系数不同。２．２ 理论动力效率ＥＰ
理论动力效率同样是曝气器重要性能参数，它的高低决定着曝气器的能耗。图４为曝气器理论动力效率随进气量的变化情况
。
图４ 理论动力效率随进气量的变化
Ｆｉｇ．４ Ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｐｏｗｅｒ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ
ｖｅｒｓｕｓａｉｒｆｌｏｗ
ｒａｔｅ从图４中可以看出：当进气量较大时，理论动力效率随着供气量的增大而增大，当供气量较小时，理论动力效率可能会随着供气量的增大而减小。这是因为当供气量很小时，氧的总转移系数和充氧能力都非常低，导致设备的动力效率很低，应增加供气量来提高动力效率。但供气量增加至一定值时，曝气器的理论动力效率会有所下降。这主要是由于进气量增大时，气液界面的总面积也增大，使得氧总转移系数增大，充氧能力也随之增大，
７
１９第６期周 涛，等：射流微泡曝气器溶氧性能测试与工程应用
但是两者增大的幅度远远低于供气设备动力消耗的速率，导致随着供气量的增加动力效率呈下降趋势，进而增加了供气的能耗和运行费用。从图４中
还可以看出，与其他类型的曝气器相比［
１０－１１，１３－
１４］，射流微泡曝气器在能耗方面也具有一定的优越性。２．３ 氧利用率ε
氧的利用效率指通过鼓风曝气系统转移到混合液中的氧量占总供氧量的百分比。图５给出了曝气器氧利用率随着进气量的变化情况
。
图５ 氧利用率随进气量的变化
Ｆｉｇ．５ Ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｏｘｙｇｅｎ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ
ｖｅｒｓｕｓａｉｒｆｌｏｗ
ｒａｔｅ从图５中可以看出，随着进气量的增大，氧利
用率越来越小。当进气量从０．２ｍ３
／ｈ增加到２．０ｍ３
／ｈ时，氧的利用率从７８．６％降至５０．６％。造成
这种现象的原因是由于进气量小时，在剪切碰撞条件下，气泡直径会相对变小，气液接触面积变大。同时，进气量小时，曝气池中气泡上浮速度慢，气泡在水中的停留时间相对较长，单位气量转移到水中的氧量多，氧利用率高。进气量大时，气泡直径大，引起的流场扰动强度增强，气泡上升速度快，气泡在水中的停留时间短，同时气泡因碰撞而凝聚的可能性增大，单位气量转移到水中的氧量少，氧利用率低。图５还列举了相近进气量条件下，其他类型曝气器的氧利用率，可以看到，相同进气量范围内，射流微泡曝气器的氧利用率是普通曝气器的２～４
倍［
９－１０，１３－
１４］。因此，结合上述研究，选取进气量２．０ｍ
３
／ｈ作为该型射流微泡曝气器在实际工程应用中的运行参数，此时，氧利用率为５０．６％，理论动力效率达４．２８４ｋｇ
／ｋＷ·ｈ。２．４ 射流微泡曝气器与其他常见曝气器的性能
比较
为了对比射流微泡曝气器与其他常见曝气的
充氧性能，进气量为２．０ｍ
３
／ｈ左右时，各型号曝气器的性能参数见表２。可以看出，
与其他曝气器相比较，射流微泡曝气器无论氧利用率还是氧转移系数都有较大提高，充氧性能明显优于其他曝气器。
表２ 各种曝气器性能对比
Ｔａｂ．２ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｐ
ｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｆｏｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｅｒａｔｏｒｓ曝气器ＫＬａｓ
／（Ｌ·ｍ
ｉｎ－１
）ε／％ＥＰ／（ｋｇ
·ｋＷ－１·ｈ
－１
）射流微泡曝气器
０．３３８ ５０．６０ ４．２８４微孔雾化曝气器［１
０］０．３７６ ２４．７０ ２．４５０
Ｎｏｐ
ｏｌ曝气器［１２］
０．１３７ ２６．００供气式低压曝气器［
１
１］０．０８９ ２１．００ ２．４５０膜片式微孔曝气头［
１
５］０．０９８ １８．０４
５．０１０
Ｆｉｎｅ－
ｂｕｂｂｌｅａｅｒａｔｏｒ
［１
６］０．
１４０３ 射流微泡曝气器的工程应用
将射流微泡曝气器应用于某高速公路服务区
污水处理站中。该污水处理站设计处理能力为
１
００ｍ３
／ｄ，主要接纳的水体是服务区的生活污水。该处理站采用高溶氧生化处理池进行曝气处理。该生化处理池在池底部均匀分布３个射流微泡曝
气器，每个曝气器的进气量为２．０ｍ３
／ｈ，循环水量为１０ｍ３
／ｈ。曝气池进出水ＣＯＤＣｒ随时间变化曲
线见图６。污水处理系统的效果见表３。可以看出，该污水处理站处理的污水出水水质较好，ＣＯＤＣｒ的平均去除率达７６．６％，磷的平均去除率达６
１．８％，ＳＳ符合污水水质排放标准，进而表明该射流微泡曝气器应用在污水处理领域具有工程实用价值，是一种具有广阔应用前景的装置
。
图６ 曝气池进出水ＣＯＤＣｒ随时间变化曲线
Ｆｉｇ．６ Ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ ｏｆ ＣＯＤＣ
ｒｏｆ ｅｆｆｌｕｅｎｔ ｗａｔｅｒ ｖｅｒｓｕｓ ｔｉｍｅ８１９南 京 航 空 航 天 大 学 学 报第４６卷
Ｔａｂ．３ Ｗａｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｅｆｆｌｕｅｎｔ ｉｎ ｗａｓｔｅ－ｗａｔｅｒ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ
项目
ＣＯＤＣｒ／
（ｍｇ·Ｌ－１）
ＳＳ／
（ｍｇ·Ｌ－１）
Ｐ／
（ｍｇ·Ｌ－１）
ｐＨ
进水水质３００～５００ ４５～６０ ７．６～１５．２ ６～９出水水质４０～７０ ３２～３８ ０．３～２．９ ６～９４ 结束语
新型射流微泡曝气器的清水溶氧性能测试结果表明：该型射流微泡曝气器随着进气量从０．２ｍ３／ｈ增加到２．０ｍ３／ｈ时，曝气器氧总转移系数从０．０５２Ｌ／ｍｉｎ增加到０．３３８Ｌ／ｍｉｎ，理论动力效率从０．６５９ｋｇ／ｋＷ·ｈ增加到４．２８４ｋｇ／ｋＷ·ｈ。同时，该型射流微泡曝气器最优的进气量２．０ｍ３／ｈ，氧利用率达５０．６％，理论动力效率达４．３ｋｇ／ｋＷ·ｈ。另外，射流微泡曝气器应用于实际工程，其出水水质有了较大的改善，其中化学需氧量ＣＯＤＣｒ的平均去除率达到７６．６％。
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第６期周 涛，等：射流微泡曝气器溶氧性能测试与工程应
用