曝气设备充氧能力实验报告

1、1实验目的(1) 掌握测定曝气设备的KLa和充氧能力a、B的实验方法与计算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。由于氧的供应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 NqSQ(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

2、，符合一级反响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);K_a氧的总传递系数，L/h ;C 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/Lo 将上式积分，得I门紅C丿二KLat +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a、B。所采用的公式如下：KfjT) =024校正)二qf实验丿X标准大气压(kPa)实脸时的大气压(k卩C废水的K自来水的K仏厦水的： 自来水的q充氧能力为%Qs - - V = K|aftor

3、；* CJ校正八 V(kg/h)3实验容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。秒表。(6) 分析天平(7) 烧杯。(8) 亚硫酸钠(NazSQ)(9) 氯化钻(C0CI2 6H20)。3.2实验装置实验装置如图3-1所示图3-1曝气设备充氧能力实验装置简图3.3实验步骤(1) 向曝气筒注入20L自来水，测定水样体积V(L)和水温t ( C);(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(N82S0)的用量计算。在自来水中参加Na2S复原剂来还原水中的溶解氧。CcCl?2 隔 jSOg + %

4、 2Xa.,S0 丨相对分子质量之比为：2321NSOj 两心 故NaSQ理论用量为水中溶解氧的8倍。而水中有局部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NaSO投加量为W = L 5 X 8忑 12CS 式中：W-亚硫酸钠投加量，g；G实验时水温条件下水中饱和溶解氧值，mg/L;v水样体积，m ；b) 根据水样体积V确定催化剂(钻盐)的投加量。经验证明，清水中有效钻离子浓度约0.4mg/L为好，一般使用氯化钻C0CI2 6H0。因为：CoCl2 * GHO 238；二10Co2 -59所以单位水样投加钻盐量为:C0CI2 6H20 0.4 X 4.0 = 1.6 g

5、/m本实验所需投加钻盐为C0CI2 6140 1.6 Vg式中：V水样体积，mc将NaSQ用煮沸过的常温水化开，均匀倒入曝气筒，溶解的钻盐倒入水中， 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t 0，测定脱氧水中溶解氧量C。，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 氧值到达饱和为止。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，知道溶解氧值到达饱和为止。4数据记录与整理水样体积：0.018m3亚硫酸钠用量：1.8 g水温：28C饱和溶解氧浓度 CS

6、: 8.00mg/L氯化钻用量：0.0288g表4-1曝气设备充氧能力实验数据记录骨口. 序号时间t/s时间t/minCt/(mg/L)骨口. 序号时间t/s时间t/minCt/(mg/L)100.000.53161502.504.842100.170.98171602.675.053200.330.61181702.835.294300.500.58191803.005.495400.670.81202103.506.026500.831.49212404.006.447601.001.69222704.506.788701.172.09233005.007.039801.332.46243

7、305.507.2110901.502.86253606.007.37111001.673.23263906.507.49121101.833.61274207.007.58131202.003.96284507.507.64141302.174.24294808.007.68151402.334.545数据处理与分析5.1公式法求解KLa值公式：2.3030-55二t 切乜-q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;t o脱氧使用时间，mi n ；t 开循环水泵后的时间，min。实验中，

8、t-t 0的值对应表 4-1中的t值，Co对应时间t=0时的C =0.53mg/L。将值代入公式中求出 KLa，计算结果如表5-1所示。表5-1公式法KLa计算结果骨口. 序号时间t/minC/(mg/L)Cs-Ctlg(C s-Ct)KLa10.000.537.470.8733/20.170.987.020.84630.372930.330.617.390.86860.032340.500.587.420.87040.013450.670.817.190.85670.057360.831.496.510.81360.165171.001.696.310.80000.168881.172.09

9、5.910.77160.202191.332.465.540.74350.2242101.502.865.140.71100.2493111.673.234.770.67850.2692121.833.614.390.64250.2900132.003.964.040.60640.3074142.174.243.760.57520.3169152.334.543.460.53910.3299162.504.843.160.49970.3442172.675.052.950.46980.3485182.835.292.710.43300.3579193.005.492.510.39970.363

10、6203.506.021.980.29670.3794214.006.441.560.19310.3916224.506.781.220.08640.4027235.007.030.97-0.01320.4083245.507.210.79-0.10240.4085256.007.370.63-0.20070.4122266.507.490.51-0.29240.4130277.007.580.42-0.37680.4113287.507.640.36-0.44370.4044298.007.680.32-0.49490.3939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

11、较大的 增幅，无论采用取平均值或者中间值等方法确定 Kta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。5.2线性回归法求解KLa值5.2.1 ln(C s - Ct) - t关系曲线的绘制由公式氐.、一：羔塗可知，作ln(C s - C t)和t的关系曲线，其斜率即为KLa值。于是，对In(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、In(Cs- C t)为纵坐标，绘制In(Cs - C t)和t的关系曲线如图5-1所示。表5-2 In(C s - C t)计算结果骨口. 序号时间t/minC/(mg/L)C

12、s-Ctln ( G-CQ10.000.537.472.010920.170.987.021.948830.330.617.392.000140.500.587.422.004250.670.817.191.972760.831.496.511.873371.001.696.311.842181.172.095.911.776691.332.465.541.7120101.502.865.141.6371111.673.234.771.5623121.833.614.391.4793132.003.964.041.3962142.174.243.761.3244152.334.543.461.

13、2413162.504.843.161.1506172.675.052.951.0818182.835.292.710.9969193.005.492.510.9203203.506.021.980.6831214.006.441.560.4447224.506.781.220.1989235.007.030.97-0.0305245.507.210.79-0.2357256.007.370.63-0.4620266.507.490.51-0.6733277.007.580.42-0.8675287.507.640.36-1.0217298.007.680.32-1.1394图5-1 ln(C

14、 s - C t) - t 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，充氧系统未到达稳定，故出现In (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，这是因为曝气前参加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响，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响完，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

15、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。522 In (Cs - Ct) - t线性拟合由上一局部对(Cs- C)-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与完毕前一段时间较平缓变化点去除，以免影响线性拟合结果。剔除无效数据后，对In(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。trnl图5-2In(C s - C t) t线性拟合图像表5-3 In(C s - C t) - t线性拟合方程数据Equati ony = a + b*xAdj. R-

16、Square0.99944ValueStan dard Errorln( Cs-Ct)In tercept2.314210.00903ln( Cs-Ct)Slope-0.462060.00244由上表可知，对In(C s - C t) - 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响相符合， 结果可用于理论分析。由上表数据可得拟合方程为：ln(Cs - C)0. 162061 + 2. 31421其中，氧的总传递系数Kg = 0- 46206 0*462 L/min换算为20C时氧的总传递系数K民(20工 = K|a8r)l

17、.O24 亠=0.373 L/min5.3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。有研究说明，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C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拟难到达的，因此，使用该种方 法计算K_a存在一定的弊端。计算K_a值的另一种方法是非线性回归法。非线性回归法把C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 K_a受G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

18、确的计算K.a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K-a 值进行求解。曝气实验溶解氧转移速率满足以下一级反响：对该方程积分得：C = Cs - (ts - Kg t)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k = a * ex( _ b “对C-t散点图进行拟合，拟合图像如图 5-3所示，拟合方程数据如表5-4所示。0t/min图5-3 Ct - t非线性拟合图像表5-4 C t - t非线性拟合方程数据Equatio ny 二y0-a*exp(-b*x)Adj. R-Square0.99953ValueSt

19、a ndard ErrorBy08.017030.03838Ba10.210850.06912Bb0.462670.00738由上表可知，对G - 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：C = 8.01703 - 10.21085 * expit - 0.46267 t)其中，溶解氧饱和浓度Q = 8.01703 8. 02 盹/I.氧的总传递系数Kb = 0. 6267 心 0. 463 l?min换算为20C时氧的总传递系数20 m 2R%20工 = Kg也RXJl.024 = 0.374 L/min5

20、.4线性拟合与非线性拟合结果的比拟表5-5线性拟合与非线性拟合结果的比拟KLa/(L/mi n)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. 462670. 16267-X 100% 二- 0. 13% 线性拟合结果CS值比非线性拟合偏小，相对误差为:8. ()0 - & 02-gToTX 100% -0. 25%本次实验中，线性拟合结果的KLa值和C值相对误差都很小，说明

21、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Q的计算公式- - * V =cs* V(kg/h)式中Kta氧的总转移系数，L/min ；CS饱和溶解氧，mg/Lv水样的体积，m。式中KLa值和CS值的选取采用准确性更高的非线性拟合法将 V = 0.018 m 3, KLa(20 C) = 0.374 L/min , CS = 8.02 mg/L 代入上式，得60 -3 xa 二X 0. 374 X 8. 02 X 0. 018 二 3.239 X 10 kg/h即计算所得鼓风机的充氧能力 Qs为3.239

22、 x 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，并以氯化钻作 催化剂，消除清水中的溶解氧，化学反响式如下：2 问 2SO3 + O2-2Na2SO.!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CoCl 2 6H2O作为催化剂， 以加速亚硫酸钠的氧化，

23、其催化剂投加量以C(T浓度0.30.5 mg/L计。因为化学消氧法实验方法比拟简单，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)w 2000 mg/L电导率(CND)w 3000 卩 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。假设物质的吸附速率与解吸附速率相等，即到达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

24、间的传质现象。氮气吹脱法就是向水入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， 到达曝气充氧测试反响初始的零溶解氧状态条件。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。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。

25、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，而是直接向水入纯氧使其溶解氧浓度到达过饱和状态，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 a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拟一致，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

26、水质组分无法一致，测 得的性能无法比拟，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 曝气量的，因此可用单位时间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，其单位时间转移至液 相中的曝气量是不可求的，因此只能用单位

27、时间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电能转移至混合液中的氧13 / 17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7-1氧传递的影响因素影响因素对氧传递的影响设备因素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与十字形布置的氧传递速率咼水流方式活塞流反响器较分段入流反响器氧传递效率高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外表堵塞会降低氧传递废水特性水质干扰物质像外表活性剂含量