高浓度溶氧水制备及装置设计

张婷婷 陈卉 冯艺玮 张智良

（中钢集团武汉安全环保研究院有限公司，湖北 武汉 430081）

0 引言

进入21世纪以来，经济快速发展，大量污染物进入水体，黑臭水体不仅影响城市居民日常生活，同时也严重影响了城市形象。治理黑臭水体常采用曝气法，利用特殊设备向水中进行曝气，提高溶解氧含量，增强好氧微生物代谢活性，加快水中微生物对污染物的代谢氧化，具有见效快、对环境影响小等特点，曝气法已成为黑臭水体最常用的治理手段［1］。为提高水体中的溶解氧含量，常用的方法有机械曝气、鼓风曝气和射流曝气，但由于传统的曝气法所产生的气泡体积大、上浮速率快、传质时间短而导致处理效果不如微纳米气泡。微纳米气泡由于其具有停留时间长、表面带电、内部高压、强氧化性等特殊的理化性质可以大幅度提高水中溶解氧的含量以及停留时间。目前市面上进行制备微纳米气泡常采用溶气释气、水动力空化法以及超声空化法［2］。本试验旨在研发一种新型的曝气装置，利用微纳米气泡制备高浓度溶氧水进行污水治理。将在高压溶气罐中安装一组中空纤维膜，利用中空纤维膜透气不透水的特性，在高压的条件下提高氧转移效率，超高压电场对氧气分子进行极化将氧气经中空纤维膜以扩散的方式注入到水体中，使氧气更容易与水分子结合，从而制备出溶解氧浓度更高的高浓度溶氧水。

1 材料与方法

1.1 试验装置

研究所用的试验系统流程如图1所示。

图1 高浓度溶氧水制备流程

本试验研发出的新型曝气装置的主要组成部分是蓄水池、装有中空纤维膜的高压溶气罐、超声装置、超高压装置、压力表以及流量计。试验采用的高压溶气罐外径为426 mm，直段长1 300 mm，有效容积约为160 L；溶气罐和气路上安装了1.5级精度的压力表用于测量容器罐内的混合压力以及进气压力。

1.2 试验方案

本试验利用中空纤维膜透气不透水的特性，在高压的条件下提高氧转移效率研究不同压力下对高浓度溶氧水制备效果的影响；外加超高压电场使通过进气管路的氧气经过电场变成负氧离子，经过中空纤维膜与细小水流反应生成高浓度溶氧水使氧气更容易与水分子结合，在最佳进气压力条件下研究不同电压大小对高浓度溶氧水制备效果的影响；超声空化是使超声波在液体内造成负压形成空穴进而生成微纳米气泡，在最佳进气压力条件下，开启位于出水管路上的超声装置，超声装置功率从10%~100%调节，探究出水管路上设置超声装置对高浓度溶氧水制备效果是否有影响；同时进行高浓度溶氧水稳定性的测定，探究不同条件下制备好的高浓度溶氧水的保存及效果。每组试验在设备稳定运行15 min后取样10 L，考察制备出的每组高浓度溶氧水中的DO浓度、气液比以及溶解氧停留时间，探究超高压电场、超声波和进水条件对高浓度溶氧水制备的影响。

在研究制备最优的高浓度溶氧水后，在最佳制备条件下对固定体积的黑臭湖泊水样（水样来自湖北省武汉市某黑臭湖泊水体）进行处理。试验时，将采集的黑臭湖泊水样分别注入尺寸相同的模拟池中，其中一部分每天固定时间注入4 h高浓度溶氧水，另一部分注入等体积的清水。通过对比两种运行条件下，各污染指标（DO、COD、氨氮和总磷）随时间的变化，探究高浓度溶氧水对黑臭湖泊上覆水水质的影响效果。

2 结果与分析

2.1 进气压力

当进气压力范围在0.3~1.0 MPa时，浓度随进气压力的变化情况如图2所示。溶解氧浓度随着进气压力的增加而增加，在此压力下溶解氧浓度可达51.6 mg/L；当进气压力为1.0 MPa时，在不密封常温常压条件下，溶解氧浓度随时间变化情况如图3所示，3 h后溶解氧浓度仍能达到33.7 mg/L；密封条件下，保存7 d后，溶解氧浓度随时间变化情况如图4所示，溶解氧浓度仍能达到30 mg/L以上。实验测得进气压力为1.0 MPa时制得的高浓度溶氧水气液比为1.46%，说明大部分的气体均是以不易逸出的微纳米气泡形态存在于高浓度溶氧水中。分析试验数据可发现，增加进气压力相当于增加了气相与液相氧气浓度差，从而增加气液传质效率，使得高浓度溶氧水中的溶解氧浓度增加，气体通过中空纤维膜进入水体，使氧气以微纳米气泡的形式停留在水中，因此制得的高浓度溶氧水具有较好的稳定性［3］。

图2 浓度随进气压力的变化情况（25℃）

图3 不密封条件下溶解氧浓度随时间变化情况

图4 密封保存条件下溶解氧浓度随时间变化情况

2.2 电场强度

进气压力1.0 MPa时在进气管路增加电场，溶解氧浓度随电压的变化情况如图5所示。当电压达到20 kV时，高浓度溶氧水的浓度最高可达53.6 mg/L；在进水管路外加电场，高浓度溶氧水中溶解氧浓度最多为50.4 mg/L，进水管路增加电场对溶解氧浓度的影响不大。从溶解氧浓度变化趋势可得，在进气管路外加电场时，溶解氧浓度随着电压的升高略有增加，但对提升效果同样不明显。在不密封、常温常压条件下，溶解氧浓度随时间变化情况如图3所示，3 h后高浓度溶氧水中溶解氧含量仍能达到31.9mg/L；在密封条件下，保存7 d后，溶解氧浓度随时间变化情况如图4所示，高浓度溶氧水中溶解氧含量仍能超过27.6 mg/L。

图5 溶解氧浓度随电压的变化情况（进气压力1.0 MPa）

2.3 超声功率

当进气压力1.0 MPa时，在高压溶气罐出水处设置超声波装置，在超声波的作用下，溶解氧浓度随超声功率的变化情况如图6所示，制备出的高浓度溶氧水的溶解氧浓度最高为62.0 mg/L。在超声功率超过最大功率60%，运行15 min后，出水温度升高，超声波产生较明显的热效应，反而使得高浓度溶氧水的溶解氧浓度降低。在超声功率为60%且不密封、常温常压的条件下，溶解氧浓度随时间变化情况如图3所示，3 h后高浓度溶氧水中溶解氧含量仍能达到35.2 mg/L；在密封条件下，保存7 d后，溶解氧浓度随时间变化情况如图4所示，高浓度溶氧水中溶解氧含量测得为33.9 mg/L。因此，本次试验可得，超声波对高浓度溶氧水溶解氧浓度有提升效果，说明在超声装置内，部分液体在超声波的作用下出现局部应力拉伸进而形成负压，部分逸出的氧气在装置内的气液相界面发生再次溶解。但功率过大时，超声波热效应会影响高浓度溶氧水的稳定性。

图6 溶解氧浓度随超声功率的变化情况（进气压力1.0 MPa）

2.4 高浓度溶氧水对黑臭水体水质影响研究

在高浓度溶氧水制备的最佳条件下，即进气压力为1.0 MPa，超声功率60%，将采集的黑臭湖泊水样（见表1）分别注入尺寸相同的模拟池中，其中一部分每天固定时间注入4 h高浓度溶氧水，另一部分注入等体积的清水，注入流量为0.2 L/min。分别检测并观察各污染指标（DO、COD、氨氮和总磷）随时间的变化情况。

表1 采样点水质指标 mg/L

进气压力为1.0 MPa，超声功率60%，DO浓度随时间变化情况如图7（a）所示，在通入高浓度溶氧水的4 h内，水体中的溶解氧浓度不断升高，在4 h时水体中的溶解氧浓度达到2.3 mg/L，是初始值的11.5倍，并有继续升高的趋势。说明高浓度溶氧水对水体增氧效果明显。同时由于高浓度溶氧水中的氧气是微纳米气泡的形式存在，因此对水体是以较平稳的速率增加水体溶解氧浓度。

COD浓度随时间变化情况如图7（b）所示，在初次注入高浓度溶氧水的过程中，水样的COD值先快速下降，至2.5 h后，COD浓度趋于稳定，整个过程中水样的COD值从初始值62.88 mg/L降至34.73 mg/L。在注入高浓度溶氧水4 h后，COD的去除率达到了44.7%。

氨氮浓度随时间变化情况如图7（c）所示，在初次注入高浓度溶氧水的过程中，水样的氨氮值不断下降，至3 h后，氨氮浓度趋于稳定，整个过程中水样的氨氮值从初始值10.33 mg/L降至5.82 mg/L。在注入高浓度溶氧水4 h后，氨氮的去除率达到了43.7%。

TP浓度随时间变化情况如图7（d）所示，在注入高浓度溶氧水的过程中，水样中的TP浓度不断降低，4 h后，水样的TP浓度从1.87 mg/L降至0.82 mg/L，TP的去除率达到了56.1%。

图7 DO、COD、氨氮、TP浓度随时间变化情况（进气压力1.0 MPa，超声功率60%）

通过上述实验与空白对照组可得，高浓度溶氧水对DO、COD、氨氮和总磷均有明显效果。同时在处理的过程中，由于高浓度溶氧水缓慢的加入到水体中，相比于常规曝气方式，水中并未有较多宏观大气泡的产生，因此对底泥的扰动不大，一定程度上减少了恶臭气体的逸出。该设备具有较高的集成度，作为临时处理装置时运输方便；作为长期维护装置时，由于设备在实际应用中占地面积很小，仅1 m2左右，同时设备前期几乎不需要投入土建成本，因此在工程应用中具有一定的优势。

3 结论

由于微纳米气泡能够产生高活性自由基［4］，它们在水处理中的潜在应用越来越受到关注。目前在国内用于制备高浓度溶氧水并进行大量推广的设备和技术并不成熟，研究尚处于摸索阶段。通过本实验，得出如下结论：

1）当中空纤维膜进气压力1.0 MPa、超声波功率因数为60%时制备溶氧水效果最佳，制得的溶氧水溶解氧浓度最高可达62.0 mg/L。

2）向黑臭水体中注入高浓度溶氧水运行4 h后，黑臭水体的溶解氧从0.2 mg/L提高至2.3 mg/L，水样的COD、氨氮、TP的去除率分别为44.7%、43.7%和56.1%，其中水样的溶解氧指标从劣Ⅴ类提升至优于Ⅴ类水的溶解氧限值。

3）本实验研究制备出的高浓度溶氧水装置具有稳定性好、占地面积小、能耗低、便于运输等优点，该设备前期几乎不需要投入土建成本且设备具有较高的集成度，可进行大量推广。同时制备出的高浓度溶氧水经实验验证可对黑臭水体具有一定的处理作用，为今后高浓度溶氧水在黑臭水体治理工程中的应用提供了方向。