曝氣設備充氧能力試驗報告

1、1實驗目的(1) 掌握測定曝氣設備的 KLa和充氧能力a B的實驗方法及計算Qs；(2) 評價充氧設備充氧能力的好壞；(3) 掌握曝氣設備充氧性能的測定方法。2實驗原理活性污泥處理過程中曝氣設備的作用是使氧氣、活性污泥、營養(yǎng)物三者充分 混合，使污泥處于懸浮狀態(tài)，促使氧氣從氣相轉(zhuǎn)移到液相，從液相轉(zhuǎn)移到活性污 泥上，保證微生物有足夠的氧進行物質(zhì)代謝。由于氧的供給是保證生化處理過程 正常進行的主要因素，因此工程設計人員通常通過實驗來評價曝氣設備的供氧能 力。在現(xiàn)場用自來水實驗時，先用 Na2S03(或N2)進行脫氧，然后在溶解氧等于或 接近零的狀態(tài)下再曝氣，使溶解氧升高趨于飽和水平。假定整個液體是完

2、全混合 的，符合一級反應此時水中溶解氧的變化可以用以下式子表示:? = ?(?- ?式中：dc/dt氧轉(zhuǎn)移速率，mg/(L ；KLa氧的總傳遞系數(shù)，L/h ；Cs實驗室的溫度和壓力下，自來水的溶解氧飽和濃度，mg/L;C相應某一時刻t的溶解氧濃度，mg/L。將上式積分，得ln (?- ? = -?+ 常數(shù)由于溶解氧飽和濃度、溫度、污水性質(zhì)和混亂程度等因素影響氧的傳遞速率，因此應進行溫度、壓力校正，并測定校正廢水性質(zhì)影響的修正系數(shù)a俟所采用的公式如下:?T) = ?20 C)1.024t-2°充氧能力為?校正)=?實驗)X標準大氣壓(kPa)實驗時的大氣壓(kPa)廢水的？?？?= 自

3、來水的？?廢水的?自來水的？?=? V=?倒 C) ?校正)V(kg/h)3實驗內(nèi)容3.1實驗設備與試劑(1) 溶解氧測定儀(2) 空壓機。(3) 曝氣筒。(4) 攪拌器。秒表。(6) 分析天平(7) 燒杯。(8) 亞硫酸鈉(Na2S03)(9) 氯化鉆(C0CI2 - 6H)。3.2 實驗裝置實驗裝置如圖3-1所示圖3-1曝氣設備充氧能力實驗裝置簡圖3.3實驗步驟(1) 向曝氣筒內(nèi)注入20L自來水，測定水樣體積 V(L)和水溫t CC );(2) 由實驗測出水樣溶解氧飽和值 Cs,并根據(jù)Cs和V求投藥量，然后投藥脫 氧；a) 脫氧劑亞硫酸鈉(Na2S03)的用量計算。在自來水中加入 Na2S

4、03還原劑來 還原水中的溶解氧。CoCl22Na2S03 + O2 f 2Na2S04相對分子質(zhì)量之比為：?_ 321Na2S03 = 126 心 8故N82S03理論用量為水中溶解氧的8倍。而水中有部分雜質(zhì)會消耗亞硫 酸鈉，故實際用量為理論用量的1.5倍。所以實驗投加的N82S03投加量為W = 1.5 X8? V = 12? V式中：W亞硫酸鈉投加量，g;Cs實驗時水溫條件下水中飽和溶解氧值，mg/L;V水樣體積，m3;b) 根據(jù)水樣體積V確定催化劑(鉆鹽)的投加量。經(jīng)驗證明，清水中有效鉆離子濃度約0.4mg/L為好，一般使用氯化鉆(CoCl2 6H)。因為:CoC2七出。CO2-2385

5、9所以單位水樣投加鉆鹽量為:CoCl2 620 0.4 X 4.0 = 1.6 g/m本實驗所需投加鉆鹽為CoCl2 6H）1.6 V（g）式中：V水樣體積，m3c）將Na2S03用煮沸過的常溫水化開，均勻倒入曝氣筒內(nèi)，溶解的鉆鹽倒入 水中，并開動循環(huán)水泵，小流量輕微攪動使其混合（開始計時），進行脫 氧。攪拌均勻后（時間to），測定脫氧水中溶解氧量 Co,連續(xù)曝氣t后， 溶解氧升高至Ct。每隔溶解氧濃度升高0.01，記錄一次所用時間（直到 溶解氧值達到飽和為止）。（3）當清水脫氧至零時，提高葉輪轉(zhuǎn)速進行曝氣，并計時。每隔0.5min測定一次溶解氧值（用碘量法每隔1min測定一次），知道溶解氧值

6、達到飽和為止。水樣體積：0.018 m3亞硫酸鈉用量：1.8 g4數(shù)據(jù)記錄與整理水溫：28 C飽和溶解氧濃度Cs： 8.00 mg/L氯化鉆用量：0.0288 g表4-1曝氣設備充氧能力實驗數(shù)據(jù)記錄骨口. 序號時間t/s時間t/minCt/(mg/L)骨口. 序號時間t/s時間t/minCt/(mg/L)100.000.53161502.504.842100.170.98171602.675.053200.330.61181702.835.294300.500.58191803.005.495400.670.81202103.506.026500.831.49212404.006.447601

7、.001.69222704.506.788701.172.09233005.007.039801.332.46243305.507.2110901.502.86253606.007.37111001.673.23263906.507.49121101.833.61274207.007.58131202.003.96284507.507.64141302.174.24294808.007.68151402.334.545數(shù)據(jù)處理與分析5.1 公式法求解KLa值公式：2.303Cs - Co式中：KLa氧的總傳遞系數(shù)，L/min ;Cs實驗室的溫度和壓力下，自來水的溶解氧飽和度，mg/L ；Ct相

8、應某一時刻t的溶解氧濃度，mg/L;to脫氧使用時間，min ；t 循環(huán)水泵后的時間，min。實驗中，t-to的值對應表4-1中的t值，Co對應時間t=0時的Ct = 0.53mg/L。將已知值代入公式中求出 KLa，計算結(jié)果如表5-1所示。表5-1公式法KLa計算結(jié)果骨口. 序號時間t/minCt/(mg/L)Cs-Ctlg(C s-Ct)KLa10.000.537.470.8733/20.170.987.020.84630.372930.330.617.390.86860.032340.500.587.420.87040.013450.670.817.190.85670.057360.83

9、1.496.510.81360.165171.001.696.310.80000.168881.172.095.910.77160.200891.332.465.540.74350.2242101.502.865.140.71100.2493111.673.234.770.67850.2692121.833.614.390.64250.2900132.003.964.040.60640.3074142.174.243.760.57520.3169152.334.543.460.53910.3299162.504.843.160.49970.3442172.675.052.950.46980.3

10、485182.835.292.710.43300.3579193.005.492.510.39970.3636203.506.021.980.29670.3794214.006.441.560.19310.3916224.506.781.220.08640.4027235.007.030.97-0.01320.4083245.507.210.79-0.10240.4085256.007.370.63-0.20070.4122266.507.490.51-0.29240.4130277.007.580.42-0.37680.4113287.507.640.36-0.44370.4044298.0

11、07.680.32-0.49490.3939由上表可以看出，運用公式法計算出來的 KLa值總體上不斷增大，且有較大 的增幅，無論采用取平均值或者中間值等方法確定 KLa值都會存在較大誤差，都 無法很好表征曝氣設備的充氧性能，因此使用公式法求解KLa值不適用于本實驗。5.2線性回歸法求解KLa值5.2.1 ln(Cs - Ct) - t關系曲線的繪制由公式“h(Cs- C) = -K Lat +常數(shù)”可知，作In(Cs- Ct)和t的關系曲線,其斜率即為KLa值于是，對In(Cs- Ct)進行計算，結(jié)果如表5-2所示。根據(jù)計算結(jié)果以t為橫坐標、In(Cs- Ct)為縱坐標，繪制In(Cs- Ct

12、)和t的關系曲線如圖5-1所示。表5-2 In(Cs- Ct)計算結(jié)果序號時間t/minCt/(mg/L)Cs-C tIn( Cs-Ct)10.000.537.472.010920.170.987.021.948830.330.617.392.000140.500.587.422.004250.670.817.191.972760.831.496.511.873371.001.696.311.842181.172.095.911.776691.332.465.541.7120101.502.865.141.6371111.673.234.771.5623121.833.614.391.4793

13、132.003.964.041.3962142.174.243.761.3244152.334.543.461.2413162.504.843.161.1506172.675.052.951.0818182.835.292.710.9969193.005.492.510.9203203.506.021.980.6831214.006.441.560.4447224.506.781.220.1989235.007.030.97-0.0305245.507.210.79-0.2357256.007.370.63-0.4620266.507.490.51-0.6733277.007.580.42-0

14、.8675287.507.640.36-1.0217298.007.680.32-1.1394O' 1234 S 67&t(min)圖5-1 ln(C s - Ct) - t關系曲線由上圖可以觀察到，在曝氣充氧的整個過程中，隨著時間的增長，In (Cs- Ct)總體呈下降趨勢。在曝氣充氧的初始階段，循環(huán)水泵處于啟動初期，液體水還 沒有完全處于湍流狀態(tài)，充氧系統(tǒng)未達到穩(wěn)定，故出現(xiàn)In(Cs - Ct)值短暫的上下波 動情況，但波動幅度不大；同時，此階段的曲線斜率較小，水中溶解氧量沒有明 顯增加，這是因為曝氣前加入水樣中的脫氧劑是過量的，剩余的脫氧劑會與曝氣 時溶解到水樣中的氧氣反

15、應，不斷地消耗溶解氧。隨著曝氣充氧的進行，剩余 的脫氧劑逐漸被反應完，水中的溶解氧不再被消耗，溶解氧量穩(wěn)定增大。當曝 氣充氧進入到最后階段，由于水中溶解氧量趨近飽和，增長速率逐步減慢，即曲 線斜率越來越小。綜上所述，曝氣充氧系統(tǒng)穩(wěn)定階段的斜率才真正對應本次實驗 的KLa值。522 In(Cs- Ct) - t 線性擬合由上一部分對In(Cs - Ct)-t關系曲線的分析可知，為求得較為準確的KLa值,應將實驗前半段數(shù)據(jù)及結(jié)束前一段時間內(nèi)較平緩變化點去除，以免影響線性擬合結(jié)果。剔除無效數(shù)據(jù)后，對In(Cs - Ct)-t數(shù)據(jù)點進行線性擬合，擬合圖像如圖5-2所示，相關擬合數(shù)據(jù)如表aFor5-3所

16、示。圖5-2 In (Cs - Ct)-t生擬合圖像表5-3 In(Cs- Ct)-線性擬合方程數(shù)據(jù)Equati ony = a + b*xAdj. R-Square0.99944ValueSta ndard Errorln( Cs-Ct)In tercept2.314210.00903ln( Cs-Ct)Slope-0.462060.00244由上表可知，對In(Cs- Ct)-進行線性擬合，線性相關系數(shù)達0.99944,極其 接近1擬合效果極好，與理想條件下溶解氧的傳遞符合一級反應相符合，結(jié)果 可用于理論分析。由上表數(shù)據(jù)可得擬合方程為：In(Cs- C) = -0.46206t + 2.3

17、1421其中，氧的總傳遞系數(shù)?= 0.46206 0.462 L/min換算為20°C時氧的總傳遞系數(shù)?初?20 C) = ?初?28 C) 1.02420-28 = 0.373 L/min5.3非線性回歸法求解KLa值由于使用線性回歸法計算氧傳遞系數(shù)KLa受Cs取值的影響較大，所以Cs值取值是計算結(jié)果合理與否的關鍵。有研究表明，如果代入的Cs值比真實值每減少 1%，計算的KLa將增大3%;只有測得的Cs值大于或等于真實值的99.7%時，才 能準確的計算出KLa值，而這在我們的實驗中一般是比較難達到的，因此，使用 該種方法計算KLa存在一定的弊端。計算KLa值的另一種方法是非線性回歸

18、法。非線性回歸法把Cs看成未知量，在一定程度上減輕了采用線性回歸法計算氧傳遞系數(shù)KLa受Cs取值的影響。使用這種處理方法只需測得的Cs大于或等于真實值的98%便可準確的計算KLa值，因 此，在實際測試中更加方便控制且計算結(jié)果準確性較高。以下將采用非線性回歸 法對KLa值進行求解。已知曝氣實驗溶解氧轉(zhuǎn)移速率滿足下列一級反應:?=? ?對該方程積分得:?= ?- (?- ?)，exp( -? )同線性回歸法，剔除無效數(shù)據(jù)后，以t為橫坐標、C為縱坐標繪制C-t散點圖, 用函數(shù)？?= ?- ?exp(-?t)對C-t散點圖進行擬合，擬合圖像如圖 5-3所示,擬合方程數(shù)據(jù)如表5-4所示。t/min圖5-

19、3 Ct -非線性擬合圖像表5-4 Ct -非線性擬合方程數(shù)據(jù)Equati ony =y0-a*exp(-b*x)Adj. R-Square0.99953ValueSta ndard ErrorBy08.017030.03838Ba10.210850.06912Bb0.462670.00738由上表可知，對Ct -進行非線性擬合，相關系數(shù)R2達0.99953,極其接近1, 擬合效果極好，擬合結(jié)果可用于理論分析。由上表數(shù)據(jù)可得擬合方程為：?= 8.01703 - 10.21085 exp(-0.46267 )其中，溶解氧飽和濃度Cs = 8.01703 8.02 mg/L氧的總傳遞系數(shù)?= 0.

20、46267 0.463 L/min換算為20°C時氧的總傳遞系數(shù)?20 C) = ?唸8 C) 1.02420-28 = 0.374 L/min5.4線性擬合與非線性擬合結(jié)果的比較表5-5線性擬合與非線性擬合結(jié)果的比較KLa/(L/mi n)Cs/(mg/L)相關系數(shù)R2線性擬合0.462068.000.99944非線性擬合0.462678.020.99953由上表數(shù)據(jù)可知， 對于同一組數(shù)據(jù)，線性擬合與非線性擬合的擬合程度都極好 線性擬合結(jié)果KLa值比非線性擬合偏小，相對誤差為：0.46206 - 0.46267?=X100% = -0.13%0.46267 線性擬合結(jié)果Cs值比非線

21、性擬合偏小，相對誤差為：8.00 - 8.02?=X100% = -0.25%8.02本次實驗中，線性擬合結(jié)果的KLa值和Cs值相對誤差都很小，說明實驗最開 始測得的Cs值具有很高的準確性度，實驗KLa值的求解可使用線性回歸法也可以 使用準確性更高的非線性擬合法。5.5鼓風充氧能力Qs的計算公式?=V= ?詼20 C)?V(kg/h)?式中KLa氧的總轉(zhuǎn)移系數(shù)，L/min ;Cs飽和溶解氧，mg/LV水樣的體積，m3。式中KLa值和Cs值的選取采用準確性更高的非線性擬合法。將 V = 0.018 m3，KLa(20C) = 0.374 L/min，Cs = 8.02 mg/L 代入上式，得?=

22、601000X 0.374 X8.02 X 0.018 = 3.239 X10-3kg/h即計算所得鼓風機的充氧能力Qs為3.239 X 10kg/h6思考與討論6.1檢測曝氣設備充氧性能有哪些方法？(1) 化學消氧法水處理曝氣設備性能檢測方法在曝氣充氧測定中，將一定量的脫氧劑亞硫酸鈉投入清水中，并以氯化鉆作 催化劑，消除清水中的溶解氧，化學反應式如下：2Na2SQ + O2 f 2Na2SC4由上式可知，1 kg的氧氣可以與8 kg的亞硫酸鈉相結(jié)合，從而導致水中溶 解氧濃度的下降甚至消除。曝氣充氧測定過程中，在開啟曝氣系統(tǒng)之前，水中的 溶解氧必須去除干凈。開啟曝氣系統(tǒng)后，水溶液通過吸收空氣中

23、的氧分子，氧的 濃度會迅速的上升到飽和狀態(tài)。在此過程中，通常采用CoCb 6H2O乍為催化劑， 以加速亞硫酸鈉的氧化，其催化劑投加量以Co2+濃度0.30.5 mg/L計。因為化學消氧法實驗方法比較簡單，故其成為曝氣設備充氧能力測試的主要 方法得到廣泛應用。但測試過程中要保證測試水溶液中鹽濃度(TDS)w 2000 mg/L電導率(CND)w 3000 卩 S/cm本實驗采用該方法檢測曝氣設備充氧性能。(2) 氮氣吹脫法水處理曝氣設備性能檢測方法氣體溶解于液體的過程稱為吸附，而溶解氣體從液體中解析出來的過程稱為 解吸附。若物質(zhì)的吸附速率與解吸附速率相等，即達到吸附與解吸附現(xiàn)象的動平 衡臨界狀態(tài)

24、。在此狀態(tài)下，液體中的氣體分子濃度保持不變，但氣相或液相中任 一氣體分子濃度發(fā)生改變時，其將打破原平衡進而產(chǎn)生氣 -液相間的傳質(zhì)現(xiàn)象。氮氣吹脫法就是向水中通入 N2,人為地降低氣相氧分子濃度，使氧分子穿 過氣液相界面向氣相轉(zhuǎn)移，從而實現(xiàn)溶解氧在水中發(fā)生逆向傳質(zhì)現(xiàn)象而脫除水中 溶解氧，達到曝氣充氧測試反應初始的零溶解氧狀態(tài)條件。在開啟曝氣系統(tǒng)之前，水中的溶解氧必須去除干凈。開啟曝氣系統(tǒng)后，水溶液通過吸收空氣中的氧分子，氧的濃度會迅速的上升到飽和狀態(tài)。 氮氣吹脫水處理曝氣設備性能檢測方法可實現(xiàn)測試用水的重復利用，節(jié)省大 量的水資源，但系統(tǒng)所需設備較復雜，測試過程操作繁瑣。（3）純氧曝氣法水處理曝氣

25、設備性能檢測方法 相對于吸附法，純氧曝氣充氧法一般通過向水溶液中鼓入純氧來提高液相氧 分子濃度。純氧曝氣充氧法與前兩種方法原理不同。在曝氣充氧測試中，化學消 氧法與氮氣吹脫法首先通過消氧劑或吹脫劑降低水中的溶解氧濃度，然后通過向 水中通入空氣使得水中溶解氧濃度增長的；純氧曝氣充氧法不需先降低水中溶解 氧的濃度，而是直接向水中通入純氧使其溶解氧濃度達到過飽和狀態(tài)，然后停止 通入純氧，水中溶解氧濃度逐漸從過飽和濃度下降至飽和濃度。從 過飽和濃度 CS下降至飽和濃度CS這段實驗有效數(shù)據(jù)用于氧轉(zhuǎn)移系數(shù) KLa值的計算。6.2 曝氣設備充氧性能的指標為何是清水？這是由于清水的水質(zhì)比較一致，進行充氧實驗時

26、，開動空氣泵等進行曝氣的 開始階段，即可認為水中的水質(zhì)均勻布置，此時，測定水中任一點的溶解氧值， 即可認為是整個水池的溶解氧值。如果用污水的話，由于水質(zhì)組分無法一致，測 得的性能無法比較，無法以一點的測量值代表整個池中液體的性能；在曝氣設備 的實際使用過程中需要用目標水樣進行充氧性能測定，實測的KLa才能說明實際的充氧效率。6.3 鼓風曝氣設備與機械曝氣設備充氧性能指標有何不同？答：鼓風曝氣設備充氧性能指標一般用動力效率、氧的利用率表示，而機械 曝氣設備充氧性能指標一般用動力效率、氧的轉(zhuǎn)移效率表示。這主要是鼓風曝氣與機械曝氣的特點所決定的。鼓風曝氣屬于水下曝氣，其 曝氣量已知的，因此可用單位時

27、間內(nèi)轉(zhuǎn)移到混合液中的氧量占總供氧量的百分比， 即氧的利用率來表示充氧性能；而機械曝氣屬于水面曝氣，其單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)移至 液相中的曝氣量是不可求的，因此只能用單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)移至混合液中氧量，即氧 轉(zhuǎn)移效率來表示充氧性能。另外，動力效率是指每消耗 1KWh 電能轉(zhuǎn)移至混合液 中的氧量，這對于鼓風曝氣設備與機械曝氣設備均是可以求的，故也可用此來表示兩者的充氧性能。6.4 影響氧傳遞的因素有哪些？美國環(huán)保局對17個廢水處理廠數(shù)百組試驗進行總結(jié)，制定了微孔曝氣系統(tǒng)設 計手冊，說明了對氧傳遞影響的因素，如表7-1所示。表7-1氧傳遞的影響因素影響因素對氧傳遞的影響設備因素擴散器類型擴散器堵塞微氣泡擴散器較粗氣泡氧傳遞效率高擴散器開孔率單位面積上擴散微孔多的氧傳遞效率高擴散器埋深隨著擴散器埋深的增加，氧利用率增大，但單位能耗轉(zhuǎn)移的氧 量保持不變擴散器布置格網(wǎng)形布置較單側(cè)布置水流螺旋式前進的及十字形布置的氧傳遞速率咼水流方式活塞流反應器較分段入流反應器氧傳遞效率高曝氣池類型短寬的曝氣池較長寬的曝氣池氧傳遞速率沿程變化小 有生物膜形成導致的擴散器表面堵塞會降低氧傳遞廢水特性