水中氧传质原理与设备

水中氧传质原理与设备第一页，共五十六页，2022年，8月28日主要内容一、水中氧传质原理1、目前气液传质理论2、双模理论3、双模理论的推导4、影响氧传质的因素5、增加液相中溶解氧的方法6、气液传质理论研究进展二、曝气设备1、一般分类2、技术性能指标3、鼓风曝气系统4、机械曝气5、氧化沟中常用的曝气设备第二页，共五十六页，2022年，8月28日一、水中氧传质原理1、目前气液传质理论双膜理论：假定传质的所有阻力来源于两相界面附近的层流膜中渗透模型：假定来自主体的流体微元运动到界面上停留一段时间,在这段时间内,两相间发生传质，并假定流体元在界面的停留时间为一常数表面更新模型：假定流体微元在界面处的停留时间不是常数，而是一个分布函数目前工程和理论上应用较多的为双膜理论第三页，共五十六页，2022年，8月28日一、水中氧传质原理2、双膜理论第四页，共五十六页，2022年，8月28日一、水中氧传质原理理论要点：在气液两相接触的界面两侧存在着处于层流状态的气膜和液膜，其外侧则分别为气相主体和液相主体，两个主体处于紊流状态。气体分子以分子扩散方式从气相主体通过气膜和液膜而进入液相主体。气液两相的主体均处于紊流状态，其中物质浓度基本上是均匀的，不存在浓度差和传质阻力，气体分子从气相传递到液相，阻力仅存在于气液两层层流膜中。在气膜中存在氧的分压梯度，在液膜中存在着氧的浓度梯度，它们是氧转移的推动力。氧难溶于水，因此，氧转移决定性的阻力又集中在液膜上，因此，氧分子通过液膜是氧转移过程的控制步骤，通过液膜的转移速度是氧转移过程的控制速度。第五页，共五十六页，2022年，8月28日Fick定律：扩散过程的推动力是物质在界面两侧的浓度差，物质的分子会从浓度高的一侧向浓度低的一侧扩散、转移。式中：Vd：物质的扩散速率，单位时间、单位断面上通过的物质数量

DL：扩散系数：浓度梯度，即单位长度内浓度的变化值一、水中氧传质原理第六页，共五十六页，2022年，8月28日一、水中氧传质原理以M表示在单位时间t内，通过界面扩散的物质数量；以A表示界面面积，则因此3、双膜理论推导第七页，共五十六页，2022年，8月28日一、水中氧传质原理设液膜厚度为Xf（该值极低），则在液膜中溶解氧浓度梯度为：代入得：进一步可得：KL为液膜中氧分子传质系数，m/h第八页，共五十六页，2022年，8月28日一、水中氧传质原理则前式可改写成：由于A值难测，通常项用总传质系数来表示因此：表示液相主体中溶解氧浓度变化速度(或氧转移速度)，kgO2=／(m3·h)；第九页，共五十六页，2022年，8月28日一、水中氧传质原理－氧总转移系数，此值表示在曝气过程中氧的总传递性，当传递过程中阻力大，则值低，反之则值高。Cs：与气相主体中氧分压相当的液相主体中的饱和溶解氧浓度CL：液相主体中所要求的溶解氧浓度第十页，共五十六页，2022年，8月28日一、水中氧传质原理4、影响氧传质的因素4.1污水水质污水中含有各种杂质，它们对氧的转移产生一定的影响。比如污水中含有某些表面活性物质，这类物质的分子属两亲分子(极性端亲水、非极性端疏水)，它们将聚集在气液界面上，形成一层分子膜，阻碍氧分子的扩散转移；此外，污水中含有盐类，也会影响氧在水中的饱和度。4.2水温第十一页，共五十六页，2022年，8月28日一、水中氧传质原理水温对溶解氧饱和度Cs值也产生影响，Cs值因温度上升而降低，KLa值因温度上升而增大，但液相中氧的浓度梯度却有所降低。因此，水温对氧转移有两种相反的影响，但并不能两相抵消。总的来说，水温降低有利于氧的转移。在运行正常的曝气池内，当混合液在15～30℃范围内时，混合液溶解氧浓度C能够保持在1.5～2.0mg／L左右。最不利的情况将出现在温度为30～35℃的盛夏。4.3氧分压溶解氧饱和度Cs值受氧分压或气压的影响。气压降低，Cs值也随之下降；反之则提高。第十二页，共五十六页，2022年，8月28日一、水中氧传质原理5、增加液相中溶解氧的方法提高Kla：加强液相主体紊流，加速气液界面更新，增大气液接触面积、降低液膜厚度提高Cs：提高气相中氧分压第十三页，共五十六页，2022年，8月28日一、水中氧传质原理6、气相传质理论研究进展经典模型均将气液传质过程假定为简单的理想状况,实际情况要复杂得多。由于不清楚近界面流场的结构,只好将影响传质的诸多因素归结为一个未知参数,该参数既不能理论预测,又难以用实验直接测定,只有通过传质实验结果反演而得,这样模型的性质就变成经验的或半经验的关联式,因此无法反映气液传质的本质规律。现在气液两相传质的理论研究还远不成熟,由于涉及界面区的热力学和动力学性质,因此要对其进行深入的研究,仅靠宏观分析是不够的,必须从微观入手,包括近微观的实验测定和微观的理论分析。第十四页，共五十六页，2022年，8月28日一、水中氧传质原理目前提出的一些新理论及其要点如下：膜渗透模型：该模型认为年龄大的流体元符合渗透模型,年龄小的流体元的传质机理与膜模型相符,在过渡段受膜模型和渗透模型两种机理的共同作用,应将流体元划为不同时域按不同机理分别计算。旋涡扩散模型：根据质量传递与动量传递的类似性提出分子扩散和对流传递必须与“旋涡扩散”结合起来。旋涡池模型：假定旋涡的速度可由精确的数学表达式来描述,这样将速度表达式代入对流扩散方程就可解旋涡中的浓度分布。第十五页，共五十六页，2022年，8月28日大涡模型：认为在湍流场中质量传递起控制作用的是大尺度的含能涡。小涡模型：认为在充分发展的湍流场中,对传质起控制作用的是湍流场中最小的粘性耗散涡,尽管这些涡的能量较低,但它们促进大涡表面的充分混合,从而促进了质量的传递。究竟是大涡还是小涡控制湍流场中的质量传递,迄今仍有很大分歧。二维拟稳态单涡模型：假定气液自由界面液相侧由一连串大小不同的涡构成。尽管整个界面的传质为非稳态,但单个旋涡内的传质是稳态的。但由于实际流场的复杂性,要测出界面处不同尺寸旋涡的统计分布是很困难的,所以单涡模型很难用于实际过程传质系数的预测。第十六页，共五十六页，2022年，8月28日多尺度局部均匀模型：该模型认为在气液界面液相侧存在着法向和切向流,两方向的流动均是具有一定统计特征的随机脉动流。气泡周围界面可划为若干局部区域,区域之间旋涡发生聚并与分裂,其湍流统计特性是非均匀的,但在每个区域内可以认为是统计均匀的。在每个区域内,满足湍流结构相似假定以自身相似假定。统计理论与计算机模拟：该统计理论在考虑速度波动对传质产生影响的同时,也考虑浓度波动的影响，采用计算机模拟的方法进行研究,由于流体力学发展的限制,实际过程的许多未知因素需要人为假定,最后模拟结果尚难以令人满意。第十七页，共五十六页，2022年，8月28日一、水中氧传质原理界面非平衡理论：该理论的提出者经过实验测定认为在液相界面附近很小的区域内气液两相是不平衡的，存在一个很陡的浓度梯度，于是就产生了一个极薄的阻力膜层，界面不能视为理想的几何界面。阻力膜层厚度与分子尺寸、界面结构等因数有关,它涉及到分子间力、分子分布函数等知识,有关这方面迄今尚无成熟的理论。第十八页，共五十六页，2022年，8月28日二、曝气设备1、一般分类鼓风曝气装置机械（表面）曝气装置第十九页，共五十六页，2022年，8月28日二、曝气设备2、技术性能指标动力效率（Ep）：每消耗1度电转移到混合液中的氧量（kgO2/kw．h）氧的利用率（EA）：又称氧转移效率，是指通过鼓风曝气系统转移到混合液中的氧量占总供氧量的百分比（%）充氧能力（RO）：通过表面机械曝气装置在单位时间内转移到混合液中的氧量（kgO2/h）第二十页，共五十六页，2022年，8月28日二、曝气设备3、鼓风曝气系统鼓风机(压力系统)：中小型水厂一般用罗茨鼓风机，但噪声太大，必须采用隔音或消声措施。大型污水厂可以采用离心鼓风机，噪声小，动力效率高，但投资大，能耗较高。空气输送管道：一般采用焊接钢管，水中的配气管道一般采用塑料管，耐腐蚀，使用寿命长，安装和连接、更换方便。第二十一页，共五十六页，2022年，8月28日二、曝气设备（1）ABS工程塑料管第二十二页，共五十六页，2022年，8月28日二、曝气设备（2）FRPP管材选用经偶联剂处理的玻璃纤维改性聚丙烯材料生产，一般用途的水、腐蚀性液体的输送，应用于石油、化工、电力、纺织、冶金、制药、造纸、食品、矿山、垃圾处理、建筑等行业第二十三页，共五十六页，2022年，8月28日二、曝气设备扩散器（扩散装置）：（1）气泡型微气泡扩散器：多孔性空气扩散装置：陶粒、粗瓷等掺以粘合剂高温下烧结，氧的利用率较高（10％以上）。缺点：易堵塞，空气需经过滤处理净化，扩散阻力大。小气泡扩散器：由微孔透气材料制成的扩散板、扩散盘和扩散管等；气泡直径在1.5mm以下；氧的利用率较高。中气泡扩散器：气泡直径为2∼3mm。常用穿孔管、莎纶管。大气泡扩散器：气泡直径为15mm，常用竖管。水力剪切型：倒盆形曝气器、固定螺旋曝气器。水力冲击型：密集多喷嘴和射流扩散装置。第二十四页，共五十六页，2022年，8月28日二、曝气设备膜片式微孔曝气器第二十五页，共五十六页，2022年，8月28日二、曝气设备膜片式微孔曝气器第二十六页，共五十六页，2022年，8月28日二、曝气设备管式橡胶膜微孔曝气器第二十七页，共五十六页，2022年，8月28日二、曝气设备曝气软管第二十八页，共五十六页，2022年，8月28日二、曝气设备刚玉曝气器平板、球冠型膜片式微孔曝气器可提升式曝气器第二十九页，共五十六页，2022年，8月28日二、曝气设备（2）曝气头的新发展由于鼓风曝气动力效率高，立体布气性能好，目前应用较为普遍。鼓风曝气的终端关键设备是曝气器，因此可以说曝气器的技术发展状况就代表了鼓风曝气的技术水平。由于曝气池相关的工艺理论计算，基本点就是曝气氧利用率，从而导致出现了对曝气器的技术评价重点集中在氧利用率，也导致出现了偏重孔隙扩散——排气孔隙越来越细的现象。此时，进气除尘要求更加严格，阻力损耗更加增大；即是以更加的技术不合理来实现的，其实际应用结果也只能是技术更加的不可靠。第三十页，共五十六页，2022年，8月28日二、曝气设备旋混曝气器（PD曝气器）利用气泡上浮动力进行扩散使气泡破碎变细，既可以达到较高的氧利用率又可以满足技术合理的要求，体现是高效扩散与可靠运行，能做到孔隙无堵塞稳定运行。也就是说，脱离了孔隙扩散的曝气技术是现在曝气器发展的方向。旋混曝气器由邢旭明发明，1996年由南岛公司制造，并注册了PD商标(商标注册号：4120961、7668437)。随着产品的技术进步，曝气器PD系列产品有：PD1～6大孔曝气器、PD280工字组合孔球冠膜片微孔曝气器PD曝气器。第三十一页，共五十六页，2022年，8月28日二、曝气设备PD5S285弹跳孔曝气器第三十二页，共五十六页，2022年，8月28日二、曝气设备PD5S450弹跳孔曝气器第三十三页，共五十六页，2022年，8月28日二、曝气设备PD6S285柔性孔曝气器PD6S450柔性孔曝气器第三十四页，共五十六页，2022年，8月28日二、曝气设备PD6X285柔性孔曝气器第三十五页，共五十六页，2022年，8月28日二、曝气设备PD6X450柔性孔曝气器第三十六页，共五十六页，2022年，8月28日二、曝气设备PD280球冠膜片工字组合孔曝气器第三十七页，共五十六页，2022年，8月28日二、曝气设备PD3X285/450单孔曝气器第三十八页，共五十六页，2022年，8月28日二、曝气设备在水中的运行效果第三十九页，共五十六页，2022年，8月28日二、曝气设备（3）潜水曝气器离心式潜水曝气机第四十页，共五十六页，2022年，8月28日二、曝气设备射流式潜水曝气器第四十一页，共五十六页，2022年，8月28日二、曝气设备4、机械曝气4.1充氧原理水跃——曝气机转动时，表面的混合液不断地从周边被抛向四周，形成水跃，液面被强烈搅动而卷入空气。提升——曝气机具有提升作用，使混合液连续地上下循环流动，不断更新气液接触界面，强化气、液接触。负压吸气——曝气器的转动，使其在一定部位形成负压区，而吸入空气。4.2按转动轴的安装形式分类竖轴式横轴式第四十二页，共五十六页，2022年，8月28日二、曝气设备竖式曝气机（立式表曝机）第四十三页，共五十六页，2022年，8月28日二、曝气设备竖式曝气机（立式表曝机第四十四页，共五十六页，2022年，8月28日二、曝气设备卧式曝气机（横轴式）曝气转刷第四十五页，共五十六页，2022年，8月28日二、曝气设备曝气转盘（碟）第四十六页，共五十六页，2022年，8月28日二、曝气设备5、氧化沟中常用的曝气设备1920年，谢菲尔德（Sheffield）在英国首次建成氧化沟，作为氧化沟运转核心的推流、曝气设备也受到了特别关注，新型曝气设备的出现将意味新一代氧化沟工艺的诞生。5.1曝气转刷1925年，可森尔（Kessener）开始研制转刷曝气机，他在水平轴上装有许多放射性钢片，被称为“可森尔”转刷。1954年巴司维尔将可森尔转刷应用在荷兰Voorschoten的氧化沟中，动力效率达到2.0KgO2/（KW·h）。第四十七页，共五十六页，2022年，8月28日二、曝气设备1959年，荷兰公共卫生研究所的Baars和Muskat应用了笼形转刷（又称TNO转刷）是可森尔转刷的改进型，沿中心轴周围装有径向分布的T型钢或角钢，动力效率可达2.5KgO2/（KW·h）。这两种转刷仅适用于水深≤1.5m的氧化沟，在实际应用中占用了大量土地面积。为增加单位长度的推动力和充氧能力，在德国开发了大马氏（Mammoth型）曝气转刷，直径为1000mm。叶片通过呈螺旋状分布，旋转过程中叶片顺序进入水中，以保证运行的稳定性并可减少噪声。第四十八页，共五十六页，2022年，8月28日二、曝气设备目前国内已有很多厂家生产转刷曝气机，转刷直径多为700mm和1000mm，转速为70～80rpm，浸没深度为0.3m，有效水深为3.0～3.5m，水平轴跨度可达9.0m，充氧能力可达8.0KgO2/（m·h），动力效率在1.5～2.5KgO2/（KW·h）之间。转刷叶片由镀锌钢板、不锈钢板、玻璃钢等材料做成，形状有矩形、T型、W型、齿型、穿孔叶片等。为提高转刷的充氧能力，可在转刷的上游和下游设置导流板。为节约占地面积，在水深＞3.5m时可附加潜水搅拌器，防止污泥沉淀。通过设置双速转刷，改变充氧量，还可在沟内实现间歇的厌氧和好氧条件，完成硝化反硝化过程，达到脱氮除磷的目的。第四十九页，共五十六页，2022年，8月28日二、曝气设备5.2、立式表面曝气机为了弥补转刷式氧化沟的技术弱点，寻求一种渠道更深、效率更高和机械性能更好的系统设备，20世纪60年代末在DHC有限公司供职的工程师开发了立式低速表曝机。表曝机被安装于中心隔墙的末端，利用表曝机产生的径流作动力，推动氧化沟中的液体形成靠近曝气器下游的富氧区和曝气器上游及外环的缺氧区，有利于生物凝聚，易于活性污泥沉淀，拥有良好的脱氮除磷效率和BOD去除率。第五十页，共五十六页，2022年，8月28日二、曝气设备立式表面曝气机主要有固定式和浮筒式两种，其中浮筒式整机安装在浮筒上，用钢绳固定于水中，用防水电缆接电，可在一定范围内移动；固定式的立式表曝机有很多规格品种，在国内主要以泵型（E型）及倒伞型叶轮为主。在立式表曝机旋转叶片作用下，水从叶轮周边甩出水幕，裹进空气。叶轮由下向上呈锥形扩大，迫使污水上、下循环流动，不断接触空气。叶轮底部和叶片背面因水的流动形成负压、吸入空气，故水和空气能进行大面积混合，大量充氧。第五十一页，共五十六页，2022年，8月28日二、曝气设备5.3、射流曝气机射流曝气机有自吸式和供气式两种形式，安装在氧化沟底部，具有曝气充氧、混合、推动水体循环流动和防止活性污泥沉淀的作用。自吸式射流曝气机由潜水泵和射流器组成。当潜水泵工作时，高压喷出的水流通过射流器喷嘴产生射流，通过扩散管进口处的喉管时，在气水混合室内产生负压，将液面以上的空气由通向大气的导管吸入，经与水充分混合后，空气与水的混合液从射流器喷出，与沟中的水体进行混合充氧，并形成环流。供气式射流曝气机一般由单一的射流器构成，外接加压水管、压缩空气管。工作原理为送入的压缩空气与加压水充分混合后向水平方向喷射，形成射流和混合搅拌区，对水体充氧曝气，氧转移率高。由于需要外设加压水管及压缩空气系统，使供气式射流曝气机整个设备变得复杂。第五十二页，共五十六页，2022