Smalko burbuļu aerācijas oksigenācija-Aquasust

Pārbaudes ziņojums

Notekūdeņu attīrīšanas sistēmā aerācijas process veido 45% līdz 75% no visas notekūdeņu attīrīšanas iekārtas enerģijas patēriņa, lai uzlabotu aerācijas procesa skābekļa pārneses efektivitāti, pašreizējā notekūdeņu attīrīšanas iekārta parasti tiek izmantota mikroporainā. aerācijas sistēmas.Salīdzinot ar lielu un vidēju burbuļu aerācijas sistēmu, mikroporainā aerācijas sistēma var ietaupīt aptuveni 50% no enerģijas patēriņa. Neskatoties uz to, arī tā aerācijas procesa skābekļa izmantošanas līmenis ir robežās no 20% līdz 30%. Turklāt Ķīnā ir bijis vairāk apgabalu, kur piesārņotu upju attīrīšanai izmantot mikroporainās aerācijas tehnoloģijas, taču nav pētījumu par to, kā saprātīgi izvēlēties mikroporainos aeratorus dažādiem ūdens apstākļiem. Tāpēc ļoti svarīga ir mikroporainā aeratora skābekļa veiktspējas parametru optimizācija faktiskajai ražošanai un pielietošanai.

Mikroporainās aerācijas un skābekļa padeves veiktspēju ietekmē daudzi faktori, no kuriem svarīgākie ir aerācijas tilpums, poru izmērs un ūdens dziļuma uzstādīšana.

Pašlaik ir mazāk pētījumu par saistību starp mikroporaina aeratora skābekļa veiktspēju un poru izmēru un uzstādīšanas dziļumu gan mājās, gan ārvalstīs. Pētījumā vairāk uzmanības pievērsts kopējā skābekļa masas pārneses koeficienta un oksigenācijas kapacitātes uzlabošanai, un netiek ņemta vērā enerģijas patēriņa problēma aerācijas procesā. Mēs izmantojam teorētisko jaudas efektivitāti kā galveno pētījuma indeksu, apvienojumā ar skābekļa spēju un skābekļa izmantošanas tendenci, sākotnēji optimizējam aerācijas tilpumu, atveres diametru un uzstādīšanas dziļumu, kad aerācijas efektivitāte ir visaugstākā, lai sniegtu atsauci lietojumam. mikroporainās aerācijas tehnoloģijas faktiskajā projektā.

1.Materiāli un metodes

1.1 Testa iestatīšana

Testa iekārta tika izgatavota no plexiglas, un galvenais korpuss bija D {{0}},4 m × 2 m cilindriska aerācijas tvertne ar izšķīdušā skābekļa zondi, kas atrodas 0,5 m zem ūdens virsmas (parādīts 1. attēlā). ).

1. attēls Aerācijas un skābekļa testa iestatīšana

1.2 Pārbaudes materiāli

Mikroporains aerators, izgatavots no gumijas membrānas, diametrs 215 mm, poru izmērs 50, 100, 200, 500, 1 000 μm. sension378 šķīstošā skābekļa testeris uz galda, HACH, ASV. Gāzes rotora plūsmas mērītājs, diapazons 0~3 m3/h, precizitāte ±0,2%. HC-S pūtējs. Katalizators: CoCl2-6H2O, analītiski tīrs; Deoksidants: Na2SO3, analītiski tīrs.

1.3 Pārbaudes metode

Tests tika veikts, izmantojot statisko nestacionāro metodi, ti, testa laikā vispirms tika dozēts Na2SO3 un CoCl2-6H2O, lai attīrītu no skābekļa, un aerācija tika uzsākta, kad ūdenī izšķīdušais skābeklis tika samazināts līdz {{5} }. Tika reģistrētas izšķīdušā skābekļa koncentrācijas izmaiņas ūdenī laika gaitā un aprēķināta KLa vērtība. Oksigenācijas veiktspēja tika pārbaudīta pie dažādiem aerācijas apjomiem (0,5, 1, 1,5, 2, 2,5, 3 m3/h), dažādiem poru izmēriem (50, 100, 200, 500, 1, 000 μm) un dažādi ūdens dziļumi (0,8, 1,1, 1,3, 1,5, 1,8, 2,0 m), un tika sniegta atsauce arī uz CJ/T

3015.2 -1993 "Aeratora tīrā ūdens oksigenācijas veiktspējas noteikšana" un Amerikas Savienoto Valstu tīrā ūdens skābekļa pārbaudes standarti.

2.Rezultāti un diskusija

2.1. Pārbaudes princips

Testa pamatprincips ir balstīts uz dubultās membrānas teoriju, ko 1923. gadā ierosināja Vitmens. Skābekļa masas pārneses procesu var izteikt vienādojumā (1).

Kur: dc/dt - masas pārneses ātrums, ti, pārnestā skābekļa daudzums uz ūdens tilpuma vienību laika vienībā, mg/(Ls).

KLa - aeratora kopējais skābekļa pārneses koeficients testa apstākļos, min-1 ;

C* - piesātināts izšķīdušais skābeklis ūdenī, mg/L.

Ct - ūdenī izšķīdušais skābeklis aerācijas brīdī t, mg/L.

Ja testa temperatūra nav 20 grādi, vienādojumu (2) var izmantot, lai koriģētu KLa:

Skābekļa spēju (OC, kg/h) izsaka ar (3) vienādojumu.

Kur: V - aerācijas baseina tilpums, m3.

Skābekļa izmantošana (SOTE, %) tiek izteikta ar (4) vienādojumu.

Kur: q - aerācijas apjoms standarta stāvoklī, m3/h.

Teorētiskā jaudas efektivitāte [E, kg/(kW-h)] tiek izteikta ar (5) vienādojumu.

Kur: P - aerācijas iekārtu jauda, ​​kW.

Parasti izmantotie rādītāji aeratora oksigenācijas veiktspējas novērtēšanai ir kopējais skābekļa masas pārneses koeficients KLa, oksigenācijas jauda OC, skābekļa izmantošanas koeficients SOTE un teorētiskā jaudas efektivitāte E [7]. Esošie pētījumi vairāk ir vērsti uz kopējā skābekļa masas pārneses koeficienta, skābekļa jaudas un skābekļa izmantošanas tendencēm, un mazāk uz teorētisko jaudas efektivitāti [8, 9]. Teorētiskā jaudas efektivitāte kā vienīgais efektivitātes rādītājs [10] var atspoguļot enerģijas patēriņa problēmu aerācijas procesā, kas ir šī eksperimenta uzmanības centrā.

2.2. Aerācijas ietekme uz oksigenācijas veiktspēju

Skābināšanas veiktspēja dažādos aerācijas līmeņos tika novērtēta ar aerāciju aeratora apakšā 2 m ar poru izmēru 200 μm, un rezultāti parādīti 2. attēlā.

2. att. K un skābekļa izmantošanas izmaiņas atkarībā no aerācijas ātruma

Kā redzams 2. attēlā, KLa pakāpeniski palielinās, palielinoties aerācijas tilpumam. Tas ir galvenokārt tāpēc, ka jo lielāks ir aerācijas tilpums, jo lielāks ir gāzes un šķidruma kontakta laukums un augstāka skābekļa efektivitāte. No otras puses, daži pētnieki atklāja, ka skābekļa izmantošanas līmenis samazinājās, palielinoties aerācijas apjomam, un šajā eksperimentā tika konstatēta līdzīga situācija. Tas ir tāpēc, ka noteiktā ūdens dziļumā burbuļu uzturēšanās laiks ūdenī palielinās, ja aerācijas tilpums ir mazs, un gāzes un šķidruma kontakta laiks ir pagarināts; ja aerācijas apjoms ir liels, ūdenstilpes traucējumi ir spēcīgi, un lielākā daļa skābekļa netiek efektīvi izmantota un galu galā tiek izdalīti no ūdens virsmas burbuļu veidā gaisā. Skābekļa izmantošanas līmenis, kas iegūts no šī eksperimenta, nebija augsts salīdzinājumā ar literatūru, iespējams, tāpēc, ka reaktora augstums nebija pietiekami augsts, un liels skābekļa daudzums izplūda, nesaskaroties ar ūdens stabu, samazinot skābekļa izmantošanas ātrumu.

Teorētiskās jaudas efektivitātes (E) variācija ar aerāciju parādīta 3. att.

3. att. Teorētiskā jaudas efektivitāte pret aerācijas tilpumu

Kā redzams 3. attēlā, teorētiskā jaudas efektivitāte pakāpeniski samazinās, palielinoties aerācijai. Tas ir tāpēc, ka standarta skābekļa pārneses ātrums palielinās, palielinoties aerācijas tilpumam noteiktos ūdens dziļuma apstākļos, bet pūtēja patērētā lietderīgā darba pieaugums ir nozīmīgāks par standarta skābekļa pārneses ātruma pieaugumu, tāpēc teorētiskā jaudas efektivitāte. samazinās, palielinoties aerācijas tilpumam eksperimentā pārbaudītā aerācijas tilpuma diapazonā. Apvienojot tendences Fig. 2. un 3. attēlā var konstatēt, ka vislabākie skābekļa padeves rādītāji tiek sasniegti, ja aerācijas apjoms ir 0,5 m3/h.

2.3. Poru izmēra ietekme uz oksigenācijas veiktspēju

Poru izmēram ir liela ietekme uz burbuļu veidošanos, jo lielāks poru izmērs, jo lielāks ir burbuļa izmērs. Burbuļi uz oksigenācijas veiktspēju trieciena ietekmē galvenokārt izpaužas divos aspektos: pirmkārt, jo mazāki ir atsevišķi burbuļi, jo lielāks ir kopējais burbuļa īpatnējās virsmas laukums, jo lielāks ir gāzes un šķidruma masas pārneses kontakta laukums, jo labāk tiek pārnests skābeklis; Otrkārt, jo lielāki burbuļi, jo spēcīgāka ir ūdens maisīšanas loma, jo ātrāk notiek gāzes-šķidruma sajaukšanās, jo labāka ir skābekļa iedarbība. Bieži vien liela nozīme ir pirmajam punktam masu pārsūtīšanas procesā. Tests tiks veikts ar aerācijas tilpumu, kas iestatīts uz 0,5 m3/h, lai pārbaudītu poru lieluma ietekmi uz KLa un skābekļa izmantošanu, skatiet 4. attēlu.

4. att. KLa un skābekļa izmantošanas variācijas līknes ar poru izmēru

Kā redzams 4. attēlā, gan KLa, gan skābekļa izmantošana samazinājās, palielinoties poru izmēram. Tāda paša ūdens dziļuma un aerācijas tilpuma apstākļos 50 μm apertūras aeratora KLa ir aptuveni trīs reizes lielāks nekā 1,000 μm aeratora aeratoram. Tāpēc, uzstādot aeratoru noteiktā ūdens dziļumā, jo mazāka ir aeratora oksigenācijas jaudas apertūra un lielāka ir skābekļa izmantošana.

Teorētiskās jaudas efektivitātes variācijas ar poru izmēru parādītas 5. att.

5. att. Teorētiskā jaudas efektivitāte pret poru izmēru

Kā redzams 5. attēlā, teorētiskā jaudas efektivitāte parāda tendenci palielināties un pēc tam samazināties, palielinoties apertūras izmēram. Tas ir tāpēc, ka, no vienas puses, mazās atveres aeratoram ir lielāka KLa un skābekļa jauda, ​​kas veicina skābekļa padevi. No otras puses, pretestības zudums noteiktā ūdens dziļumā palielinās, samazinoties diafragmas diametram. Ja poru lieluma samazinājums veicināšanas efekta pretestības zudumam ir lielāks par skābekļa masas pārneses lomu, teorētiskā jaudas efektivitāte tiks samazināta, samazinot poru izmēru. Tāpēc, ja diafragmas diametrs ir mazs, teorētiskā jaudas efektivitāte palielināsies, palielinoties diafragmas diametram, un diafragmas diametrs 200 μm, lai sasniegtu maksimālo vērtību 1,91 kg/(kW-h); kad apertūras diametrs > 200 μm, pretestības zudums aerācijas procesā vairs nespēlē dominējošo lomu aerācijas procesā, samazināsies KLa un skābekļa jauda, ​​palielinoties aeratora atveres diametram, un līdz ar to teorētiskā energoefektivitāte uzrāda būtisku lejupejošu tendenci.

2.4. Uzstādīšanas ūdens dziļuma ietekme uz skābekļa padeves veiktspēju

Ūdens dziļumam, kurā ir uzstādīts aerators, ir ļoti būtiska ietekme uz aerācijas un skābekļa padeves efektu. Eksperimentālā pētījuma mērķis bija sekls ūdens kanāls, kas mazāks par 2 m. Aeratora aerācijas dziļumu noteica baseina ūdens dziļums. Esošie pētījumi galvenokārt koncentrējas uz aeratora iegremdēšanas dziļumu (ti, aerators ir uzstādīts baseina apakšā, un ūdens dziļums tiek palielināts, palielinot ūdens daudzumu), un tests galvenokārt koncentrējas uz aeratora uzstādīšanas dziļumu. aerators (ti, ūdens daudzums baseinā tiek uzturēts nemainīgs, un aeratora uzstādīšanas augstums tiek pielāgots, lai atrastu labāko ūdens dziļumu aerācijas efektam), un KLa un skābekļa izmantošanas izmaiņas ar ūdens dziļumu parādīts 6. attēlā.

6. att. K un skābekļa izmantošanas variācijas līknes atkarībā no ūdens dziļuma

6. attēlā redzams, ka, palielinoties ūdens dziļumam, gan KLa, gan skābekļa izmantošana uzrāda skaidru pieauguma tendenci, KLa atšķiras vairāk nekā četras reizes pie 0,8 m ūdens dziļuma un 2 m ūdens dziļuma. Tas ir tāpēc, ka jo dziļāks ir ūdens, jo ilgāks ir burbuļu uzturēšanās laiks ūdens kolonnā, jo ilgāks ir gāzes un šķidruma kontakta laiks, jo labāks ir skābekļa pārneses efekts. Tāpēc, jo dziļāk ir uzstādīts aerators, jo labvēlīgāks ir skābekļa padeves kapacitāte un skābekļa izmantošana. Bet ūdens dziļuma ierīkošana palielinās, tajā pašā laikā palielināsies arī pretestības zudumi, lai pārvarētu pretestības zudumu, ir jāpalielina aerācijas apjoms, kas neizbēgami novedīs pie enerģijas patēriņa un ekspluatācijas izmaksu pieauguma. Tāpēc, lai iegūtu optimālo uzstādīšanas dziļumu, nepieciešams izvērtēt sakarību starp teorētisko jaudas efektivitāti un ūdens dziļumu, skatīt 1. tabulu.

1. tabulā parādīts, ka teorētiskā jaudas efektivitāte ir ārkārtīgi zema uzstādīšanas dziļumā 0,8 m, tikai ar 0,5 kg/(kW-h), tāpēc sekla ūdens aerācija nav piemērota. Ūdens dziļuma uzstādīšana 1,1 ~ 1,5 m diapazonā, jo ievērojami palielinās skābekļa jauda, ​​savukārt aeratora pretestības efekts nav acīmredzams, tāpēc teorētiskā jaudas efektivitāte strauji palielinās. Ūdens dziļumam pieaugot līdz 1,8 m, pretestības zuduma ietekme uz oksigenācijas veiktspēju kļūst arvien nozīmīgāka, kā rezultātā teorētiskās jaudas efektivitātes pieaugumam ir tendence izlīdzināties, bet joprojām ir tendence pieaugt, un instalācijā no ūdens dziļuma 2 m, teorētiskā jaudas lietderība sasniedz maksimumu 1,97 kg/(kW-h). Tāpēc kanāliem, kuru garums ir mazāks par 2 m, priekšroka dodama grunts aerācijai, lai nodrošinātu optimālu skābekļa piegādi.

Secinājums

Izmantojot statisko nestacionāro metodi mikroporainās aerācijas dzidra ūdens skābekļa testam, testa ūdens dziļumā (< 2 m) and pore size (50 ~ 1 000 μm) conditions, the total oxygen mass transfer coefficient KLa and oxygen utilisation increased with the installation of the water depth; with the increase in pore size and decreased. In the process of increasing the aeration volume from 0.5 m3/h to 3 m3/h, the total oxygen mass transfer coefficient and oxygenation capacity gradually increased, and the oxygen utilisation rate decreased.

Teorētiskā jaudas efektivitāte ir vienīgais efektivitātes rādītājs. Pārbaudes apstākļos teorētiskā jaudas efektivitāte ar aerāciju un ūdens dziļuma uzstādīšanu palielinās, palielinoties apertūrai, vispirms palielinoties un pēc tam samazinoties. Ūdens dziļuma un apertūras uzstādīšanai jābūt saprātīgai kombinācijai, lai panāktu vislabāko skābekļa padeves veiktspēju, kopumā jo lielāks ir aeratora atveres ūdens izvēles dziļums, jo lielāks.

Pārbaudes rezultāti liecina, ka nevajadzētu izmantot sekla ūdens aerāciju. Uzstādīšanas dziļumā 2 m, aerācijas tilpums 0,5 m3/h un aerators ar poru izmēru 200 μm radīja maksimālo teorētisko jaudas efektivitāti 1,97 kg/(kW-h).