風主要影響氣相中的N2O排放。然而,攪拌影響了液相的流動狀態。因此,影響了液相中的N2O排放。不同的攪拌速度導致系統不同的混合強度和剪切力。系統的混合強度和剪切力可以通過平均速度梯度的值來反映。平均速度梯度越大,系統的混合強度和剪切力越大。由于平均湍能耗散率與攪拌速度的三次方成正比,平均湍能耗散率和平均速度梯度隨攪拌速度的增加而迅速增加。因此,水的湍流增強,液膜厚度減小。與風對N2O排放的影響相比,攪拌的影響更大。不同攪拌速度下的KLaN2O值比不同風速下的值大1-2個數量級。


曝氣率對N2O排放的影響

當曝氣率從60 L/h增加到120 L/h,步長為10 L/h時,R2均高于0.99,SD均低于0.08。曝氣開始時,水中N2O濃度迅速下降(圖6)。與穩定條件下的KLaN2O相比,當曝氣率增加到120 L/h時,KLaN2O從0.0017增加到0.5645 min-1。與風速和KLaN2O之間的關系類似,曝氣率與KLaN2O之間存在線性關系(圖7);KLaN2O隨曝氣率的增加而迅速增加。Quan研究了在曝氣率為12、36和60 L/h的清水試驗中N2O從水到空氣的體積傳質系數。與Quan獲得的0.150 min-1結果相比,本研究中當曝氣率為60 L/h時,KLaN2O為0.3107 min-1。兩項研究之間的KLaN2O存在較大差異,這可能是由兩項研究中不同的實驗條件引起的。在測定曝氣條件下的KLaN2O時,空氣壓縮機產生的氣流速度和曝氣系統擴散器的孔徑可能會影響KLaN2O的結果。不同的實驗條件導致在不同研究中,相同的60 L/h空氣流量下,KLaN2O結果不同。

與風和攪拌的影響不同,曝氣不僅影響液相的流動狀態,而且增強了氣相的湍流。當曝氣率增加時,氣膜和液膜的厚度同時減小,氣相和液相的湍流增強,表面更新率也提高。曝氣對N2O排放的影響大于風和攪拌的影響。


風、攪拌和曝氣對N2O排放影響的比較

表1. 不同攪拌速度下N2O濃度從3.0降至1.0 mg/L所需時間
攪拌速度 (r/min) 150 200 250 300 350
時間 (s) 2414 1436 521 287 203
表2. 不同曝氣率下N2O濃度從3.0降至1.0 mg/L所需時間
曝氣率 (L/h) 60 70 80 90 100 110 120
時間 (s) 217 158 154 137 132 130 111

與穩定條件相比,風、攪拌和曝氣導致KLaN2O增加,并增強了N2O從水到空氣的排放。表1和表2顯示了在不同攪拌速度和曝氣率下,N2O濃度從3 mg/L降至1 mg/L所需的時間。


在三個因素中,風對N2O排放的影響最小(圖2),曝氣對N2O排放的影響最大(表2)。攪拌對N2O排放的影響更為復雜。似乎存在一個閾值攪拌速度(200 r/min)。當攪拌速度低于閾值攪拌速度時,KLaN2O隨攪拌速度的增加而緩慢增加;然而,當攪拌速度高于閾值攪拌速度時,KLaN2O迅速增加。三種因素對KLaN2O影響的排序為:曝氣 > 攪拌 > 風。曝氣對N2O排放的影響大于風和攪拌的影響,因為曝氣條件下的湍流和液相混合強度比風和攪拌更劇烈。與攪拌的影響相比,不同曝氣率下的KLaN2O值高于不同攪拌速度下的值,兩種情況下的KLaN2O值處于同一數量級。風主要影響氣相中的N2O排放,攪拌影響液相的流動狀態,曝氣則同時影響氣相和液相。液相的湍流和混合強度是N2O排放的限制因素,N2O傳質的阻力集中在液相。當液相的湍流和混合強度增強時,KLaN2O大幅增加。


結論


(1)風、攪拌和曝氣能促進N2O從水體向空氣中排放。N2O從水到空氣的體積傳質系數KLaN2O隨風速、攪拌速度和曝氣率的增加而增加。


(2)在穩定條件下,KLaN2O為0.0017 min-1。KLaN2O隨風速和曝氣率線性增加,并隨攪拌速度指數增加。


(3)三種因素對KLaN2O影響的排序為:曝氣 > 攪拌 > 風。曝氣對N2O排放的影響大于風和攪拌的影響。N2O傳質的阻力集中在液相。在預測N2O從水體向空氣的排放時,應考慮外部干擾,無論是環境因素還是操作因素。