HCR工艺的充氧性能研究

孙广垠，郝威尔，陈 锐，付 民

(1.河北工程大学城市建设学院，河北邯郸056038 2.华侨大学化工学院，福建厦门361021 3.邯郸市市政污水处理有限责任公司，河北邯郸056001)

随着社会的迅猛发展，城市建设日新月异，而市政设施的建设往往跟不上城市发展的需要，导致一些城乡结合部居住区、别墅等居住区的生活污水不能排入城市污水管网，尤其是一些旅游景点、部队的驻扎营房和部分远离城市的工业厂房排出的有机污水更不能得到处理就直接进入自然水体。因此，亟待开发一种小型、高效的生活污水降解与处理装置来解决目前这些问题。HCR工艺(High Performance Compact Reactor)占地面积小，氧的转移速率高，反应器的容积负荷大，水力停留时间短，是当前为西方国家所广泛接受的一种高效好氧生物处理方法［1]。

本实验就是对HCR反应器内的清水进行紊流变流量曝气试验，来研究其充氧性能，并通过试验数据分析考察自制反应器的内径、射流水量、温度对其充氧效果的影响，确定该工艺较佳工况条件，为HCR反应器的推广应用提供理论依据。

1 氧转移的基本规律及参数

1.1 氧转移的基本规律

目前在水处理领域，气体分子在通过气膜和液膜间的传递理论中应用较广的是"双膜理论"［2]，根据双膜理论推导出氧转移速率公式

式中C、Cs－曝气时间为t(min)时和饱和时的溶解氧浓度(mg/L);KLa－氧总转移系数(1/min)。

1.2 曝气充氧性能主要评价指标［3]

氧总转移系数KLa:将式(1)积分整理后有

将上述试验中得到的KLs转换成KLas得

式中KLas－标准状态、测试条件下，曝气器氧总转移系数(1/min);T－测试水温(℃);θ－温度修正系数(1.024)。

充氧能力qc

式中V－测试水池中水的体积(m3);Cs(20)－20℃水中饱和溶解氧浓度(9.17mg/L)。

理论动力效率E

式中E－标准状态下曝气器充氧理论动力效率(kg/kW·h);NT－射流曝气器理论功率(kW·h)。

射流曝气按供气方式分为供气式和自吸式两种［4]，本试验采用自吸式。

自吸式射流曝气器理论功率

式中NT－水泵理论功率(kW·h);H－水泵扬程(m);Q－通过射流量(m3/h);γ－水的容重(kg/m3)。

2 实验部分

2.1 实验装置

HCR反应器装置外筒直径为13 cm，高度为70 cm。利用循环泵把试验水提升增压在反应器中进行射流曝气充氧。水流沿导流筒向下与反应器底部接触后在内筒与外筒之间向上流动，之后受高速射流的剪切作用向下形成往复循环。

2.2 实验方法

本实验采用清水作为试验对象，把反应器加满后，保持进水阀门、出水阀门和污泥回流阀门处于关闭状态。启动循环水泵前，用无水亚硫酸钠对清水进行完全脱氧处理，试验过程中间隔一段时间测定溶解氧量，直至饱和为止。水中溶解氧的变化率见公式(2)。根据充氧过程的C～t关系，作t～ln(Cs－C)关系坐标图，得直线，直线的斜率即为KLa值，进而通过计算可求出充氧能力和理论动力效率值。

3 结果与讨论

3.1 最佳内径的确定

制备直径为4 cm、4.8 cm、7 cm 和8 cm的反应器内筒，取射流量分别 2.2、2.3、2.35、2.5、2.6、2.7、2.8 和 2.9 m3/h 进行实验，可以得到不同内径时射流量与充氧能力的关系曲线如图1所示。

由图1可知，不同内径下对应的射流量的充氧能力不同，在内径等于7 cm时，充氧能力最大，因此将本试验反应器的最佳内筒直径确定为7 cm。

3.2 最佳射流量的确定

不同射流量下对氧总转移系数和理论动力效率的影响如图2所示。

由图2知，随着射流量的增加，充氧能力也随之增大，但是理论动力效率却降低。当理论动力效率最大时，充氧能力却比较弱。在权衡两者关系的前提下，将2.5 m3/h定为最佳射流水量，此时理论动力效率与充氧能力都比较高。

3.3 水温对充氧能力的影响

水温对氧的转移影响比较大，水温升高时，氧总转移系数增高;但是水温对溶解氧饱和度Cs值也会产生影响，温度升高使Cs值降低。充氧能力水温的变化如图3所示。

从图3可以看出，温度的升高，氧总转移系数总体上呈下降趋势，但是在局部温度变化范围有所上升。表明由于温度变化而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，水温较低时有利于氧的转移。

3.4 正交试验

在本试验中，内筒直径、射流量和温度是影响KLas值的三个主要因素。每个因素确定4个位级，如表1所示。利用单一水平正交表L16(45)进行试验方案的设计。按表1设置正交试验，需做16次试验，试验结果见表2。

表1 正交试验因素水平表Tab.1 The factors and levels of orthogonal test table

表2 L16(45)试验和计算结果Tab.2 L16(45)orthogonal test and calculation results

从表2可得:对氧转移效率的影响重要性顺序为B(射流量)→ C(内筒直径)→A(温度)。

4 结论

反应器最佳内筒直径为7 cm，考虑充氧能力和理论动力效率的两者关系，选择2.5 m3/h作为最佳射流量，水温较低的时候有利于氧的转移，影响该反应器氧转移效率的主次因素顺序为:射流量→内筒直径→温度。

［1] 刘康怀，康为民，李月中.HCR－一种高效好氧生物处理技术［J] .给水排水，2000，20(6):25－28.

［2] 张自杰，林沈忱，金儒霖.排水工程下册(第4版)［M] .北京:中国建筑工业出版社，2000.

［3] CJ/T 3015.2 －93，曝气器清水充氧性能测定［S] .

［4] 法浩然.硫酸法钛白粉生产的废酸治理［J] .江苏化工，1999，27(3):35－36.