Микропористая Аэрация ОксигенацияПроизводительность

В системе очистки сточных вод на процесс аэрации приходится от 45% до 75% энергопотребления всей станции очистки сточных вод. Чтобы повысить эффективность переноса кислорода в процессе аэрации, нынешняя станция очистки сточных вод обычно используется в микропористых системах. системы аэрации. По сравнению с системой аэрации пузырьками большого и среднего размера, микропористая система аэрации позволяет сэкономить около 50% энергопотребления. Тем не менее, степень использования кислорода в процессе аэрации также находится в диапазоне от 20% до 30%. Кроме того, в Китае появилось больше областей, где используется технология микропористой аэрации для очистки загрязненных рек, но нет исследований о том, как разумно выбирать микропористые аэраторы для различных условий воды. Поэтому оптимизация параметров оксигенации микропористого аэратора для реального производства и применения имеет большое значение.

Существует множество факторов, влияющих на производительность микропористой аэрации и оксигенации, наиболее важными из которых являются объем аэрации, размер пор и установка глубины воды.

В настоящее время в стране и за рубежом проводится меньше исследований взаимосвязи между характеристиками оксигенации микропористого аэратора, размером пор и глубиной установки. Исследования больше сосредоточены на улучшении общего коэффициента массопереноса кислорода и оксигенационной способности и игнорируют проблему потребления энергии в процессе аэрации. Мы принимаем теоретическую энергоэффективность в качестве основного исследовательского показателя в сочетании с оксигенационной способностью и тенденцией использования кислорода, первоначально оптимизируем объем аэрации, диаметр отверстия и глубину установки, когда эффективность аэрации самая высокая, чтобы обеспечить ориентир для применения. технологии микропористой аэрации в реальном проекте.

1.Материалы и методы.

1.1 Тестовая установка

Испытательная установка была изготовлена ​​из оргстекла, а основной корпус представлял собой цилиндрический аэротенк D {{0}},4 м × 2 м с датчиком растворенного кислорода, расположенным на глубине 0,5 м ниже поверхности воды (показан на рис. 1). ).

Рис. 1. Схема проведения испытаний на аэрацию и оксигенацию

1.2 Материалы испытаний

Аэратор микропористый, из резиновой мембраны, диаметром 215 мм, размером пор 50, 100, 200, 500, 1 000 мкм. Настольный тестер растворенного кислорода sension378, HACH, США. Газороторный расходомер, диапазон 0~3 м3/ч, точность ±0,2%. Воздуходувка HC-S. Катализатор: CoCl2-6H2O, д.а.ч.; Раскислитель: Na2SO3, д.а.ч.

1.3 Метод испытания

Испытание проводилось статическим нестационарным методом, т. е. в ходе испытания сначала дозировались Na2SO3 и CoCl2-6H2O для деоксигенации, а аэрацию начинали, когда содержание растворенного кислорода в воде снижалось до {{5} }. Регистрировали изменение концентрации растворенного кислорода в воде во времени и рассчитывали величину KLa. Характеристики оксигенации тестировались при различных объемах аэрации (0,5, 1, 1,5, 2, 2,5, 3 м3/ч), различных размерах пор (50, 100, 200, 500, 1,000 мкм) и разной глубине воды (0,8, 1,1, 1,3, 1,5, 1,8, 2,0 м), а также ссылка была сделана на CJ/T 3015.2 -1993 «Определение эффективности оксигенации аэратора в чистой воде» и стандарты испытаний оксигенации чистой воды в США.

2.Результаты и обсуждение

2.1 Принцип теста

Основной принцип теста основан на теории двойной мембраны, предложенной Уитменом в 1923 году. Процесс массопереноса кислорода можно выразить уравнением (1).

Где: dc/dt - скорость массопереноса, т. е. количество кислорода, перенесенное единицей объема воды в единицу времени, мг/(лс).

KLa - общий коэффициент переноса кислорода аэратора в условиях испытаний, мин-1 ;

С* - насыщенный растворенный кислород в воде, мг/л.

Ct – растворенный кислород в воде в момент аэрации t, мг/л.

Если температура испытания не равна 20 градусам, уравнение (2) можно использовать для корректировки KLa:

Оксигенационная емкость (ОС, кг/ч) выражается уравнением (3).

Где: V – объем аэрационного бассейна, м3.

Утилизация кислорода (СОТЕ, %) выражается уравнением (4).

Где: q – объем аэрации в стандартном состоянии, м3/ч.

Теоретическая энергоэффективность [E, кг/(кВт-ч)] выражается уравнением (5).

Где: P – мощность аэрационного оборудования, кВт.

Обычно используемыми показателями для оценки эффективности оксигенации аэратора являются общий коэффициент массопереноса кислорода KLa, оксигенационная способность OC, коэффициент использования кислорода SOTE и теоретическая энергоэффективность E [7]. Существующие исследования больше фокусируются на тенденциях общего коэффициента массообмена кислорода, оксигенационной способности и использования кислорода, а не на теоретической энергетической эффективности [8, 9]. Теоретическая энергоэффективность, как единственный показатель эффективности [10], может отражать проблему энергопотребления в процессе аэрации, которая является целью данного эксперимента.

2.2 Влияние аэрации на эффективность оксигенации

Эффективность оксигенации при различных уровнях аэрации оценивали по аэрации на дне аэратора длиной 2 м с размером пор 200 мкм, результаты показаны на рис. 2.

Рис. 2. Изменение использования K и кислорода в зависимости от скорости аэрации.

Как видно из рис. 2, KLa постепенно увеличивается с увеличением объема аэрации. Это происходит главным образом потому, что чем больше объем аэрации, тем больше площадь контакта газа и жидкости и тем выше эффективность оксигенации. С другой стороны, некоторые исследователи обнаружили, что скорость использования кислорода снижается с увеличением объема аэрации, и аналогичная ситуация была обнаружена в этом эксперименте. Это связано с тем, что при определенной глубине воды время пребывания пузырьков в воде увеличивается, когда объем аэрации мал, и время контакта газа с жидкостью увеличивается; когда объем аэрации велик, возмущение водоема сильное, и большая часть кислорода не используется эффективно и в конечном итоге высвобождается с поверхности воды в виде пузырьков в воздух. Уровень использования кислорода, полученный в результате этого эксперимента, был невысоким по сравнению с литературными, вероятно, потому, что высота реактора была недостаточно высокой, и большое количество кислорода улетучилось, не контактируя с толщей воды, что снизило уровень использования кислорода.

Изменение теоретического энергетического КПД (E) в зависимости от аэрации показано на рис. 3.

Рис. 3. Теоретическая энергоэффективность в зависимости от объема аэрации.

Как видно на рис. 3, теоретическая энергоэффективность постепенно снижается с увеличением аэрации. Это связано с тем, что стандартная скорость переноса кислорода увеличивается с увеличением объема аэрации при определенных условиях глубины воды, но увеличение полезной работы, потребляемой воздуходувкой, является более значительным, чем увеличение стандартной скорости переноса кислорода, поэтому теоретическая эффективность мощности снижается с увеличением объема аэрации в пределах исследованного в эксперименте диапазона объема аэрации. Объединив тенденции на рис. 2 и 3, можно обнаружить, что наилучшие характеристики оксигенации достигаются при объеме аэрации 0,5 м3/ч.

2.3 Влияние размера пор на эффективность оксигенации

Размер пор оказывает большое влияние на образование пузырьков: чем больше размер пор, тем больше размер пузыря. Воздействие пузырьков на оксигенацию в основном проявляется в двух аспектах: во-первых, чем меньше отдельные пузырьки, тем больше общая удельная поверхность пузырьков, чем больше площадь контакта массообмена между газом и жидкостью, тем больше способствует переносу кислород; Во-вторых, чем больше пузырьки, тем сильнее роль перемешивания воды, чем быстрее смешивание газа и жидкости, тем лучше эффект оксигенации. Зачастую главную роль играет первая точка процесса массопереноса. В ходе испытания будет установлен объем аэрации 0,5 м3/ч, чтобы изучить влияние размера пор на использование KLa и кислорода, см. рисунок 4.

Рис. 4. Кривые изменения утилизации KLa и кислорода в зависимости от размера пор.

Как видно из рис. 4, утилизация как KLa, так и кислорода уменьшалась с увеличением размера пор. При условии одинаковой глубины воды и объема аэрации KLa аэратора с апертурой 50 мкм примерно в три раза превышает KLa аэратора с апертурой 1,000 мкм. Следовательно, когда аэратор установлен на определенной глубине воды, чем меньше апертура аэратора, тем больше оксигенационная способность и использование кислорода.

Изменение теоретического энергетического КПД в зависимости от размера пор показано на рис. 5.

Рис. 5. Теоретическая энергетическая эффективность в зависимости от размера пор.

Как видно из рис. 5, теоретическая энергетическая эффективность имеет тенденцию к увеличению, а затем к снижению с увеличением размера апертуры. Это связано с тем, что, с одной стороны, аэратор с малым отверстием имеет большую KLa и оксигенационную способность, что способствует оксигенации. С другой стороны, потери сопротивления на определенной глубине воды увеличиваются с уменьшением диаметра отверстия. Когда уменьшение размера пор из-за потери сопротивления из-за эффекта продвижения больше, чем роль массопереноса кислорода, теоретическая эффективность мощности будет снижаться с уменьшением размера пор. Следовательно, когда диаметр отверстия мал, теоретическая энергоэффективность будет увеличиваться с увеличением диаметра отверстия, а диаметр отверстия 200 мкм достигнет максимального значения 1,91 кг/(кВт-ч); при диаметре отверстия > 200 мкм потери сопротивления в процессе аэрации уже не играют доминирующей роли в процессе аэрации, KLa и оксигенационная емкость с увеличением диаметра отверстия аэратора будут снижаться, и, следовательно, теоретическая энергоэффективность демонстрирует значительную тенденцию к снижению.

2.4 Влияние глубины воды в установке на эффективность оксигенации

Глубина воды, в которой установлен аэратор, очень существенно влияет на эффект аэрации и оксигенации. Объектом экспериментального исследования являлся мелководный канал длиной менее 2 м. Глубина аэрации аэратора определялась глубиной воды в бассейне. Существующие исследования в основном сосредоточены на глубине погружения аэратора (т. е. аэратор устанавливается на дне бассейна, а глубина воды увеличивается за счет увеличения количества воды), а испытания в основном сосредоточены на глубине установки аэратора. аэратор (т.е. количество воды в бассейне поддерживается постоянным, а высота установки аэратора регулируется так, чтобы найти оптимальную глубину воды для эффекта аэрации), а изменения использования KLa и кислорода с глубиной воды равны показано на рис. 6.

Рис. 6. Кривые изменения K и утилизации кислорода с глубиной воды.

На рисунке 6 показано, что с увеличением глубины воды как KLa, так и использование кислорода демонстрируют четкую тенденцию к увеличению, причем KLa различается более чем в четыре раза на глубине воды 0,8 м и глубине воды 2 м. Это связано с тем, что чем глубже вода, тем дольше время пребывания пузырьков в толще воды, чем дольше время контакта газа и жидкости, тем лучше эффект переноса кислорода. Следовательно, чем глубже установлен аэратор, тем больше способствует оксигенации и использованию кислорода. Но установка глубины воды увеличивается, в то же время потери сопротивления также будут увеличиваться, чтобы преодолеть потерю сопротивления, необходимо увеличить объем аэрации, что неизбежно приведет к увеличению энергопотребления и эксплуатационных затрат. Поэтому, чтобы получить оптимальную глубину установки, необходимо оценить взаимосвязь между теоретической энергоэффективностью и глубиной воды, см. Таблицу 1.

В таблице 1 показано, что теоретическая энергоэффективность чрезвычайно низка при глубине установки 0,8 м и составляет всего 0,5 кг/(кВт-ч), что делает аэрацию на мелководье неподходящей. Установка глубины воды в диапазоне 1,1 ~ 1,5 м из-за значительного увеличения емкости оксигенации, в то время как эффект сопротивления аэратора не очевиден, поэтому теоретическая энергоэффективность быстро увеличивается. По мере дальнейшего увеличения глубины воды до 1,8 м влияние потери сопротивления на производительность оксигенации становится все более значительным, в результате чего рост теоретического КПД имеет тенденцию к выравниванию, но все же демонстрирует тенденцию к увеличению, а в установке на глубине воды 2 м теоретическая энергоэффективность достигает максимума 1,97 кг/(кВт-ч). Поэтому для каналов < 2 м предпочтительна донная аэрация для оптимальной оксигенации.

Заключение

Использование статического нестационарного метода для испытания микропористой аэрации на оксигенацию чистой воды на глубине испытательной воды (< 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.

Теоретическая энергоэффективность является единственным показателем эффективности. В условиях испытаний теоретическая энергоэффективность при аэрации и установке глубины воды увеличивается, при этом с увеличением апертуры сначала увеличивается, а затем уменьшается. Установка глубины воды и апертуры должна представлять собой разумную комбинацию, чтобы обеспечить наилучшую производительность оксигенации, как правило, чем больше глубина отбора воды в апертуре аэратора, тем больше.

Результаты испытаний показывают, что аэрацию на мелководье использовать не следует. При глубине установки 2 м объем аэрации 0,5 м3/ч и аэратор с размером пор 200 мкм позволили достичь максимального теоретического КПД 1,97 кг/(кВт-ч).