曝气设备充氧能力实验报告

0 1实验目的 1 掌握测定曝气设备的 KLa和充氧能力 的实验方法及计算 Qs 2 评价充氧设备充氧能力的好坏 3 掌握曝气设备充氧性能的测定方法 2实验原理 活性污泥处理过程中曝气设备的作用是使氧气 活性污泥 营养物三者充分 混合 使污泥处于悬浮状态 促使氧气从气相转移到液相 从液相转移到活性污 泥上 保证微生物有足够的氧进行物质代谢 由于氧的供给是保证生化处理过程 正常进行的主要因素 因此工程设计人员通常通过实验来评价曝气设备的供氧能 力 在现场用自来水实验时 先用 Na2S03 或 N2 进行脱氧 然后在溶解氧等于或 接近零的状态下再曝气 使溶解氧升高趋于饱和水平 假定整个液体是完全混合 的 符合一级反应此时水中溶解氧的变化可以用以下式子表示 式中 dC dt 氧转移速率 mg L h KLa 氧的总传递系数 L h Cs 实验室的温度和压力下 自来水的溶解氧饱和浓度 mg L C 相应某一时刻 t 的溶解氧浓度 mg L 将上式积分 得 常数 由于溶解氧饱和浓度 温度 污水性质和混乱程度等因素影响氧的传递速率 因此应进行温度 压力校正 并测定校正废水性质影响的修正系数 所采 用的公式如下 20 1 024 20 1 校正 实验 标准大气压 实验时的大气压 废水的 自来水的 废水的 自来水的 充氧能力为 20 校正 3实验内容 3 1实验设备与试剂 1 溶解氧测定仪 2 空压机 3 曝气筒 4 搅拌器 5 秒表 6 分析天平 7 烧杯 8 亚硫酸钠 Na2S03 9 氯化钴 CoCl2 6H20 3 2实验装置 实验装置如图 3 1 所示 2 图图 3 1 曝气设备充氧能力实验装置简图曝气设备充氧能力实验装置简图 3 3实验步骤 1 向曝气筒内注入 20L 自来水 测定水样体积 V L 和水温 t 2 由实验测出水样溶解氧饱和值 Cs 并根据 Cs 和 V 求投药量 然后投药脱 氧 a 脱氧剂亚硫酸钠 Na2S03 的用量计算 在自来水中加入 Na2S03还原剂来 还原水中的溶解氧 2 2 03 2 2 2 2 04 相对分子质量之比为 2 2 03 32 126 1 8 故 Na2S03理论用量为水中溶解氧的 8 倍 而水中有部分杂质会消耗亚硫 酸钠 故实际用量为理论用量的 1 5 倍 所以实验投加的 Na2S03投加量为 1 5 8 12 式中 W 亚硫酸钠投加量 g Cs 实验时水温条件下水中饱和溶解氧值 mg L V 水样体积 m3 b 根据水样体积 V 确定催化剂 钴盐 的投加量 经验证明 清水中有效钴离子浓度约 0 4mg L 为好 一般使用氯化钴 3 CoCl2 6H20 因为 2 6 2 2 238 59 4 0 所以单位水样投加钴盐量为 CoCl2 6H20 0 4 4 0 1 6 g m3 本实验所需投加钴盐为 CoCl2 6H20 1 6 V g 式中 V 水样体积 m3 c 将 Na2S03用煮沸过的常温水化开 均匀倒入曝气筒内 溶解的钴盐倒入 水中 并开动循环水泵 小流量轻微搅动使其混合 开始计时 进行脱 氧 搅拌均匀后 时间 t0 测定脱氧水中溶解氧量 C0 连续曝气 t 后 溶解氧升高至 Ct 每隔溶解氧浓度升高 0 01 记录一次所用时间 直到 溶解氧值达到饱和为止 3 当清水脱氧至零时 提高叶轮转速进行曝气 并计时 每隔 0 5min 测定一次 溶解氧值 用碘量法每隔 1min 测定一次 知道溶解氧值达到饱和为止 4数据记录与整理 水温 28 水样体积 0 018 m3 饱和溶解氧浓度 Cs 8 00 mg L亚硫酸钠用量 1 8 g 氯化钴用量 0 0288 g 表表 4 1 曝气设备充氧能力实验数据记录曝气设备充氧能力实验数据记录 序号序号时间时间 t s时间时间 t minCt mg L 序号序号时间时间 t s时间时间 t minCt mg L 100 000 53161502 504 84 2100 170 98171602 675 05 3200 330 61181702 835 29 4300 500 58191803 005 49 5400 670 81202103 506 02 6500 831 49212404 006 44 4 7601 001 69222704 506 78 8701 172 09233005 007 03 9801 332 46243305 507 21 10901 502 86253606 007 37 111001 673 23263906 507 49 121101 833 61274207 007 58 131202 003 96284507 507 64 141302 174 24294808 007 68 151402 334 54 5数据处理与分析 5 1公式法求解 KLa值 公式 2 303 0 0 式中 KLa 氧的总传递系数 L min Cs 实验室的温度和压力下 自来水的溶解氧饱和度 mg L Ct 相应某一时刻 t 的溶解氧浓度 mg L t0 脱氧使用时间 min t 开循环水泵后的时间 min 实验中 t t0的值对应表 4 1 中的 t 值 C0对应时间 t 0 时的 Ct 0 53mg L 将已知值代入公式中求出 KLa 计算结果如表 5 1 所示 表表 5 1 公式法公式法 KLa计算结果计算结果 序号序号时间时间 t minCt mg L Cs Ctlg Cs Ct KLa 10 000 537 470 8733 20 170 987 020 84630 3729 5 30 330 617 390 86860 0323 40 500 587 420 87040 0134 50 670 817 190 85670 0573 60 831 496 510 81360 1651 71 001 696 310 80000 1688 81 172 095 910 77160 2008 91 332 465 540 74350 2242 101 502 865 140 71100 2493 111 673 234 770 67850 2692 121 833 614 390 64250 2900 132 003 964 040 60640 3074 142 174 243 760 57520 3169 152 334 543 460 53910 3299 162 504 843 160 49970 3442 172 675 052 950 46980 3485 182 835 292 710 43300 3579 193 005 492 510 39970 3636 203 506 021 980 29670 3794 214 006 441 560 19310 3916 224 506 781 220 08640 4027 235 007 030 97 0 01320 4083 245 507 210 79 0 10240 4085 256 007 370 63 0 20070 4122 266 507 490 51 0 29240 4130 277 007 580 42 0 37680 4113 287 507 640 36 0 44370 4044 298 007 680 32 0 49490 3939 由上表可以看出 运用公式法计算出来的 KLa值总体上不断增大 且有较大 的增幅 无论采用取平均值或者中间值等方法确定 KLa值都会存在较大误差 都 无法很好表征曝气设备的充氧性能 因此使用公式法求解 KLa值不适用于本实验 6 5 2线性回归法求解 KLa值 5 2 1ln Cs Ct t 关系曲线的绘制 由公式 可知 作 ln Cs Ct 和 t 的关系曲线 常数 其斜率即为 KLa值 于是 对 ln Cs Ct 进行计算 结果如表 5 2 所示 根据计算结果以 t 为横坐 标 ln Cs Ct 为纵坐标 绘制 ln Cs Ct 和 t 的关系曲线如图 5 1 所示 表表 5 2 ln Cs Ct 计算结果计算结果 序号序号时间时间 t minCt mg L Cs Ctln Cs Ct 10 00 0 537 472 0109 20 17 0 987 021 9488 30 33 0 617 392 0001 40 50 0 587 422 0042 50 67 0 817 191 9727 60 83 1 496 511 8733 71 00 1 696 311 8421 81 17 2 095 911 7766 91 33 2 465 541 7120 101 50 2 865 141 6371 111 67 3 234 771 5623 121 83 3 614 391 4793 132 00 3 964 041 3962 142 17 4 243 761 3244 152 33 4 543 461 2413 162 50 4 843 161 1506 172 67 5 052 951 0818 182 83 5 292 710 9969 193 00 5 492 510 9203 203 50 6 021 980 6831 214 00 6 441 560 4447 224 50 6 781 220 1989 235 00 7 030 97 0 0305 7 245 50 7 210 79 0 2357 256 00 7 370 63 0 4620 266 50 7 490 51 0 6733 277 00 7 580 42 0 8675 287 50 7 640 36 1 0217 298 00 7 680 32 1 1394 图图 5 1 ln Cs Ct t 关系曲线关系曲线 由上图可以观察到 在曝气充氧的整个过程中 随着时间的增长 ln Cs Ct 总体呈下降趋势 在曝气充氧的初始阶段 循环水泵处于启动初期 液体水还 没有完全处于湍流状态 充氧系统未达到稳定 故出现 ln Cs Ct 值短暂的上下波 动情况 但波动幅度不大 同时 此阶段的曲线斜率较小 水中溶解氧量没有明 显增加 这是因为曝气前加入水样中的脱氧剂是过量的 剩余的脱氧剂会与曝气 时溶解到水样中的氧气反应 不断地消耗溶解氧 随着曝气充氧的进行 剩余 的脱氧剂逐渐被反应完 水中的溶解氧不再被消耗 溶解氧量稳定增大 当曝 气充氧进入到最后阶段 由于水中溶解氧量趋近饱和 增长速率逐步减慢 即曲 线斜率越来越小 综上所述 曝气充氧系统稳定阶段的斜率才真正对应本次实验 的 KLa值 8 5 2 2ln Cs Ct t 线性拟合 由上一部分对 ln Cs Ct t 关系曲线的分析可知 为求得较为准确的 KLa值 应将实验前半段数据及结束前一段时间内较平缓变化点去除 以免影响线性拟合 结果 剔除无效数据后 对 ln Cs Ct t 数据点进行线性拟合 拟合图像如图 5 2 所示 相关拟合数据如表 5 3 所示 图图 5 2 ln Cs Ct t 线性拟合图像线性拟合图像 表表 5 3 ln Cs Ct t 线性拟合方程数据线性拟合方程数据 Equationy a b x Adj R Square0 99944 ValueStandard Error ln Cs Ct Intercept2 314210 00903 ln Cs Ct Slope 0 462060 00244 由上表可知 对 ln Cs Ct t 进行线性拟合 线性相关系数达 0 99944 极其 接近 1 拟合效果极好 与理想条件下溶解氧的传递符合一级反应相符合 结果 可用于理论分析 由上表数据可得拟合方程为 0 46206 2 31421 其中 氧的总传递系数 9 0 46206 0 462 换算为 20 时氧的总传递系数 20 28 1 02420 28 0 373 5 3非线性回归法求解 KLa值 由于使用线性回归法计算氧传递系数 KLa受 Cs取值的影响较大 所以 Cs值 取值是计算结果合理与否的关键 有研究表明 如果代入的 Cs值比真实值每减少 1 计算的 KLa将增大 3 只有测得的 Cs值大于或等于真实值的 99 7 时 才 能准确的计算出 KLa值 而这在我们的实验中一般是比较难达到的 因此 使用 该种方法计算 KLa存在一定的弊端 计算 KLa值的另一种方法是非线性回归法 非线性回归法把 Cs看成未知量 在一定程度上减轻了采用线性回归法计算氧传递系数 KLa受 Cs取值的影响 使用 这种处理方法只需测得的 Cs大于或等于真实值的 98 便可准确的计算 KLa值 因 此 在实际测试中更加方便控制且计算结果准确性较高 以下将采用非线性回归 法对 KLa值进行求解 已知曝气实验溶解氧转移速率满足下列一级反应 对该方程积分得 0 同线性回归法 剔除无效数据后 以 t 为横坐标 C 为纵坐标绘制 C t 散点 图 用函数 对 C t 散点图进行拟合 拟合图像如图 5 3 所 0 示 拟合方程数据如表 5 4 所示 10 图图 5 3 Ct t 非线性拟合图像非线性拟合图像 表表 5 4 Ct t 非线性拟合方程数据非线性拟合方程数据 Equationy y0 a exp b x Adj R Square0 99953 ValueStandard Error By08 017030 03838 Ba10 210850 06912 Bb0 462670 00738 由上表可知 对 Ct t 进行非线性拟合 相关系数 R2达 0 99953 极其接近 1 拟合效果极好 拟合结果可用于理论分析 由上表数据可得拟合方程为 8 01703 10 21085 0 46267 其中 溶解氧饱和浓度 8 01703 8 02 氧的总传递系数 0 46267 0 463 换算为 20 时氧的总传递系数 11 20 28 1 02420 28 0 374 5 4线性拟合与非线性拟合结果的比较 表表 5 5 线性拟合与非线性拟合结果的比较线性拟合与非线性拟合结果的比较 KLa L min Cs mg L 相关系数 R2 线性拟合0 462068 000 99944 非线性拟合0 462678 020 99953 由上表数据可知 对于同一组数据 线性拟合与非线性拟合的拟合程度都极好 线性拟合结果 KLa值比非线性拟合偏小 相对误差为 0 46206 0 46267 0 46267 100 0 13 线性拟合结果 Cs值比非线性拟合偏小 相对误差为 8 00 8 02 8 02 100 0 25 本次实验中 线性拟合结果的 KLa值和 Cs值相对误差都很小 说明实验最开 始测得的 Cs值具有很高的准确性度 实验 KLa值的求解可使用线性回归法也可以 使用准确性更高的非线性拟合法 5 5鼓风充氧能力 Qs的计算 公式 20 式中 KLa 氧的总转移系数 L min Cs 饱和溶解氧 mg L V 水样的体积 m3 式中 KLa值和 Cs值的选取采用准确性更高的非线性拟合法 12 将 V 0 018 m3 KLa 20 0 374 L min Cs 8 02 mg L 代入上式 得 60 1000 0 374 8 02 0 018 3 239 10 3 即计算所得鼓风机的充氧能力 Qs为 3 239 10 3 kg h 6思考与讨论 6 1检测曝气设备充氧性能有哪些方法 1 化学消氧法水处理曝气设备性能检测方法 化学消氧法水处理曝气设备性能检测方法 在曝气充氧测定中 将一定量的脱氧剂亚硫酸钠投入清水中 并以氯化钴作 催化剂 消除清水中的溶解氧 化学反应式如下 2 2 3 2 2 2 4 由上式可知 1 kg 的氧气可以与 8 kg 的亚硫酸钠相结合 从而导致水中溶 解氧浓度的下降甚至消除 曝气充氧测定过程中 在开启曝气系统之前 水中的 溶解氧必须去除干净 开启曝气系统后 水溶液通过吸收空气中的氧分子 氧的 浓度会迅速的上升到饱和状态 在此过程中 通常采用 CoCl2 6H2O 作为催化剂 以加速亚硫酸钠的氧化 其催化剂投加量以 Co2 浓度 0 3 0 5 mg L 计 因为化学消氧法实验方法比较简单 故其成为曝气设备充氧能力测试的主要 方法得到广泛应用 但测试过程中要保证测试水溶液中盐浓度 TDS 2000 mg L 电导率 CND 3000 S cm 本实验采用该方法检测曝气设备充氧性能 2 氮气吹脱法水处理曝气设备性能检测方法 氮气吹脱法水处理曝气设备性能检测方法 气体溶解于液体的过程称为吸附 而溶解气体从液体中解析出来的过程称为 解吸附 若物质的吸附速率与解吸附速率相等 即达到吸附与解吸附现象的动平 衡临界状态 在此状态下 液体中的气体分子浓度保持不变 但气相或液相中任 一气体分子浓度发生改变时 其将打破原平衡进而产生气 液相间的传质现象 氮气吹脱法就是向水中通入 N2 人为地降低气相氧分子浓度 使氧分子穿 过气液相界面向气相转移 从而实现溶解氧在水中发生逆向传质现象而脱除水中 溶解氧 达到曝气充氧测试反应初始的零溶解氧状态条件 在开启曝气系统之前 13 水中的溶解氧必须去除干净 开启曝气系统后 水溶液通过吸收空气中的氧分子 氧的浓度会迅速的上升到饱和状态 氮气吹脱水处理曝气设备性能检测方法可实现测试用水的重复利用 节省大 量的水资源 但系统所需设备较复杂 测试过程操作繁琐 3 纯氧曝气法水处理曝气设备性能检测方法 纯氧曝气法水处理曝气设备性能检测方法 相对于吸附法 纯氧曝气充氧法一般通过向水溶液中鼓入纯氧来提高液相氧 分子浓度 纯氧曝气充氧法与前两种方法原理不同 在曝气充氧测试中 化学消 氧法与氮气吹脱法首先通过消氧剂或吹脱剂降低水中的溶解氧浓度 然后通过向 水中通入空气使得水中溶解氧浓度增长的 纯氧曝气充氧法不需先降低水中溶解 氧的浓度 而是直接向水中通入纯氧使其溶解氧浓度达到过饱和状态 然后停止 通入纯氧 水中溶解氧浓度逐渐从过饱和浓度下降至饱和浓度 从 过饱和浓度 CS 下降至 饱和浓度 CS这段实验有效数据用于氧转移系数 KLa 值的计算 6 2曝气设备充氧性能的指标为何是清水 这是由于清水的水质比较一致 进行充氧实验时 开动空气泵等进行曝气的 开始阶段 即可认为水中的水质均匀布置 此时 测定水中任一点的溶解氧值 即可认为是整个水池的溶解氧值 如果用污水的话 由于水质组分无法一致 测 得的性能无法比较 无法以一点的测量值代表整个池中液体的性能 在曝气设备 的实际使用过程中需要用目标水样进行充氧性能测定 实测的 KLa才能说明实际 的充氧效率 6 3鼓风曝气设备与机械曝气设备充氧性能指标有何不同 答 鼓风曝气设备充氧性能指标一般用动力效率 氧的利用率表示 而机械 曝气设备充氧性能指标一般用动力效率 氧的转移效率表示 这主要是鼓风曝气与机械曝气的特点所决定的 鼓风曝气属于水下曝气 其 曝气量已知的 因此可用单位时间内转移到混合液中的氧量占总供氧量的百分比 即氧的利用率来表示充氧性能 而机械曝气属于水面曝气 其单位时间内转移至 液相中的曝气量是不可求的 因此只能用单位时间内转移至混合液中氧量 即氧 转移效率来表示充氧性能 另外 动力效率是指每消耗 1KWh 电能转移至混合液 14 中的氧量 这对于鼓风曝气设备与机械曝气设备均是可以求的 故也可用此来表 示两者的充氧性能 6 4影响氧传递的因素有哪些 美国环保局对 17 个废水处理厂数百组试验进行总结 制定了微孔曝气系统 设计手册 说明了对氧传递影响的因素 如表 7 1 所示 表表 7 1 氧传递的影响因素氧传递的影响因素 影响因素对氧传递的影响 扩散器类型扩散器堵塞微气泡扩散器较粗气泡氧传递效率高 扩散器开孔率单位面积上扩散微孔多的氧传递效率高 扩散器埋深 随着扩散器埋深的增加 氧利用率增大 但单位能耗转移的 氧量保持不变 扩散器布置 格网形布置较单侧布置水流螺旋式前进的及十字形布置的氧 传递速率高 水流方式活塞流反应器较分段入流反应器氧传递效率高 设备 因素 曝气池类型 短宽的曝气池较长宽的曝气池氧传递速率沿程变化小 有生物膜形成导致的扩散器表面堵塞会降低氧传递 水质