曝气氧传质理论概述

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摘 要：气泡曝气过程中氧传质对于好氧生物处理有着十分重要的意义。本文主要综述了曝气氧传质的基础理论及几种理论模型。

关键词：曝气氧传质；氧传质理论概念；理论模型

中图分类号：O141.4 文献标识码：A

前 言

曝气是废水好氧生物处理工艺的基本过程，也是动力消耗的主要环节， 约占动力成本的45％～75％[1,2]。曝气的主要方式包括气泡曝气和表面曝气，传统的气泡曝气根据气泡尺寸可以分为大气泡曝气和小气泡曝气[3]。曝气的主要目的之一是为微生物去除污染物提供溶解氧，因此，提高曝气中的氧传质速率对于降低曝气动力消耗具有重要意义。

1 绪论

活性污泥法曝气基本物理化学模型就是三相流模型，它有三个基本要素，一是引起吸附和氧化分解作用的微生物，也就是活性污泥颗粒(固相)；二是废水中的有机物和溶解氧(液相)；三是溶解氧的主要来源，水中的微气泡(气相)。没有充足的溶解氧，好氧微生物就不能发挥好好氧性氧化分解作用

2曝气氧传质的原理

2.1传质理论的基本概念

在一个含有两种或两种以上组分的体系中，如果存在浓度梯度，则每一种组分都有向低浓度方向转移的趋势。物质由高浓度方向向低浓度方向转移的过程称为质量传递(mass transfer)过程，简称为传质。

传质的本质是由于某种推动力所引起的物质分子或流体微元的运动。传质包括了分子扩散，也包括了由于对流现象、甚至更简单的混合作用所产生的物质迁移。但不同于物质的输送，如管道输送流体，则不能称为传质。

传质可分为四个方面的内容[4]在静止介质中的分子扩散，在层流流体中的分子扩散，在自由紊动液流中的旋涡扩散以及两相间的传质。在实际的应用中，越过相界面的相间传质现象有更重要的作用。

在废水的需氧生物处理方法中，曝气工艺应具有如下功制[5]：

(1)产生并维持有效的气水接触作用，并且在水中由于生物氧化作用不断消耗氧气的情况下，所供给的氧量足以保持水中的溶解氧保持不变；

(2)在曝气区内产生足够的混合作用和水的循环流型；

(3)维持液体的足够速度以使水中生物固体处于悬浮状态。

2.2氧传质的理论模型

(1)单膜理论[6]

假定气体沿水表面流过，水气蒸发进气流内，在气液两相的交界处，流速应接近于零。这相当于两相界面是一个固定的表面，而在这个表面附近的厚度内，可以假定是一层静止的膜。界面处气体的浓度为Ci，膜边界处气体的浓度为Cb由于膜是静止的，膜内只能靠分子扩散来传递物质。这层膜内所存在的浓度差Ci．Cb即传质阻力形成的。这就是Nemst提出的膜因为膜很薄，膜内部浓度变化可以视为线性的。膜内侧液体中气体的浓度Cb是不变的，称为主体浓度(bulk concentration)。主体浓度也就是实际能够量测出来度变化是假设存在的，同时也是无法量测的。膜的厚度也只能通过理论公式计算得出。动量及热量在两相界面间的传递理论也都建立了类似的膜的概念，计算这些膜厚度的公式形式虽然相似，但是计算所得的数值是不等的。

(2)双膜理论

双膜理论观点是认为在气液界面存在着二层膜(即气膜和液膜)的物理模型。这层薄膜使气体分子从一相进入另一相时形成了阻力[7]。不管搅拌混合有多大程度，气膜和液膜被认为总是存在的，但搅拌可以减小液膜的厚度。由扩散发生的转移慢于由混合发生的转移，故转移的速度控制于此停滞的膜。

当液体未为气体饱和时，气体分子从气相转移至液相。这时对于微溶的气体，阻力主要来自液膜，对于易溶的气体，主要来自气膜，对于中等程度溶解的气体，这两层膜都呈现相当的阻力。对于过饱和溶液，被溶解的气体将会释放出来。在废水处理系统中，氧是难溶的气体，它的传递速率通常正比于溶液中的饱和浓度差。

根据双膜理论，氧的总传质系数KLa有如下关系：

dC/dt=KLa（CS-C）

KLa=KLA/V

式中，KLa 为氧总转移系数；A为气液两相接触面积；V为液相主体容积

(3)渗透理论(浅渗理论)

1935年，Higbie[12]考虑到高流速下的紊动扩散，提出了渗透理论。该理论认为，处于界面的液体，由于流体的扰动常被液流主体所置换，气相和液相都是按重复的短暂接触来操作的，由于接触的时间短，就不可能达到稳定。当液体在界面停留期间，溶解气体将藉不稳定的分子扩散而渗透到液相。该理沦有如下的几点基本假定：①允许气体传递进入它所接触的那部分水中的时间极短，故气体扩散进入水中的深度也必然是很浅的；②传递的过程是非稳定的，即随时间变化的，因此传递的通量并非一个恒量，与双膜理论中的观点不同；③该理论还认为传质阻力主要存在于液膜内；④假设处于界面各液体单元都具有相同的停留时间t，故只存在一个扩散深度.

3.结束语

本文在阅读了大量的文献的基础上对曝气氧传质理论原理以及三种理论模型单膜理论、双膜理论、渗透理论分别进行了系统的概括综述，通过对这几种理论的分析，为研究如何提高氧传质效率提供理论依据。

参考文献：

[1] Fayolle Y．，Cockx A．，Gillot S．，eta1．Oxygentransferprediction in aerationtanks using CFD．Chemical EngineeringScience，2007，62：7163 ～7171.

[2] Rosso D．，Stcnstrom M．K．Surfactant effects on factors in aerationsystems．WaterResearch，2006，40：1397～1404 .

[3] Ashley K.I．，Mavinic D.S．，HallK．J．Bench―scale study of oxygentransf er in coarse bubble diffused aeration．WaterResearch，1992，26：1289～1295.

[4] 刘谦.传递过程原理[M]．北京：高等教育出版社，1990.

[5] 美国梅特卡夫和埃迪公司．废水工程处理、处置及回用[M]．北京：化学工业出版社，1986.

[6] 顾夏声．废水生物处理数学模式[M]．北京：清华大学出版社，1993．

[7] Lweis，W．K．and Whitman，W．C．．Principles of Gas Absorption[J].Engrineering Chemi sty，1924，16：12―15．