旋转浮阀-气泡石复合曝气器的性能研究

旋转浮阀-气泡石复合曝气器的性能研究

随着我国城市化水平的不断提高，人们对水的需求和对水质的要求都有所增加。在目前市场上的曝气设备中，以微孔曝气器为主。微孔曝气器产生的气泡较小，直径为2mm左右，因此氧的利用率较高本文将塔器中使用的旋转浮阀应用到曝气池中，利用旋转浮阀能改善气含率分布的优点尝试解决微孔曝气器存在气含率分布不均匀的问题。利用充氧均匀性指数、氧总传质系数、氧传质速率、氧传质效率和曝气效率等性能参数评价曝气器的充氧性能。通过CFD模拟解释实验结果。为常规的污水处理提供一种新思路。1通风和充氧实验1.1化学试剂：六水合氯化铬无水亚硫酸钠，AR,97%，南京化学试剂股份有限公司；六水合氯化钴，AR，南京化学试剂股份有限公司。溶氧仪，奥豪斯ST300D型，测量范围0.00～19.99mg/L，测量误差±0.30mg/L。1.2旋转浮阀与气泡石复合曝气器的安装实验装置见图1，在尺寸为800mm×600mm×910mm的透明有机玻璃曝气池内采用空气-清水体系进行曝气实验。实验过程中，空气由离心鼓风机提供，经对夹式气体孔板流量计从曝气池底部进入气室，穿过气体分布板，进入旋转浮阀，使之工作，气量固定为30m实验参考CJ/T475—2015标准旋转浮阀-气泡石复合曝气器布置方式见图2，在塔板中心安装一个旋转浮阀，在旋转浮阀四周距离50mm处均匀排布6个气泡石，使用电磁式空气泵搭配气泡石模拟代替微孔曝气器。将旋转浮阀与气泡石组合命名为旋转浮阀-气泡石复合曝气器，将F1浮阀与气泡石组合命名为F1浮阀-气泡石复合曝气器，将单独的气泡石称为气泡石曝气器。在曝气池中设置中心测量点和边界测量点，用于检测水中溶解氧浓度，在每个测量点的292mm、296mm高度处分别测量溶解氧浓度。1.3旋转浮阀的结构旋转浮阀和F1浮阀的结构见图3，旋转浮阀的阀盖为圆形阀，阀盖直径50mm，阀盖四周间隔120°均匀排布3个条形腿片以及3个条形翅片。当气体穿过塔板进入旋转浮阀时，由于阀盖的阻挡，气流方向由垂直向上变为沿阀盖径向向外。经过翅片的导向作用，气体从阀盖与塔板之间的缝隙以螺旋状流出1.4充氧均匀指数均匀性指数广泛应用于流体流动和气含率分布的研究中式中，Er是充氧均匀性指数；C′1.5一般性能指标氧总传质系数K2cfd模拟2.1数值模拟结果许多研究人员使用欧拉模型对曝气池内的气液两相流进行数值模拟，均得到合理的结果式中，t表示时间，min;q表示相分区；α、ρ、u分别是q相的体积分数、密度（kg/m崔觉剑2.2物理模型的建立曝气池物理模型以实际尺寸为基准，按比例缩小以减少后期网格划分数量，经过简化处理，建立三维模型，如图4所示。曝气池模型采用长方体，尺寸为400mm×300mm×150mm。旋转浮阀阀盖为圆形，气泡石布置在一个圆上，因此旋转浮阀与气泡石区域模型采用圆柱体。圆柱体高150mm，底面直径分别为50mm、100mm。使用Mesh软件对曝气池物理模型进行网格划分，如图5所示。本文对中心区域模拟精度较高，在该区域采用非结构化四面体网格并进行加密处理，在其余区域采用结构化六面体网格，网格总数大约为368万个。2.3压力-速度耦合本文使用ANSYSWorkbench19.0软件进行流场模拟。空气与清水视为不可压缩流体，忽略热效应，出气孔采用速度进口边界条件，曝气池顶部采用压力出口边界条件，曝气管的管壁采用壁面边界条件，四周壁面和底面均为无滑移边界，在近壁面区域使用标准壁面函数；釆用有限体积法离散控制方程，采用二阶迎风格式处理对流项，采用SIMPLE算法处理压力-速度耦合；亚松弛因子釆用默认值，收敛条件103结果与讨论3.1匀性指数比较当曝气流量分别为1.0m图7为旋转浮阀-气泡石复合曝气器和F1浮阀-气泡石复合曝气器的充氧均匀性指数比较。由图7可见，在不同曝气气量条件下，在不同高度测量点处，旋转浮阀-气泡石复合曝气器的充氧均匀性指数比F1浮阀-气泡石复合曝气器降低了44.1%～66.4%。这是因为气体通过旋转浮阀后会在阀盖四周形成旋转流场，增加液层扰动，使气泡向曝气池四周扩散，从而促进了气泡分布。3.2综合通风性能将气泡石曝气器加入对比实验，考察了三种曝气器的氧总传质系数K在曝气流量分别为1.0m3.3流场观察与分析图12为F1浮阀的X-Y气相流场速度矢量图。由图12可见，当气体遇到阀盖的阻挡后流动方向由垂直向上改为沿着阀盖径向向外，在阀盖四周未形成旋转流场。图13是图12的局部放大截图，从图中可以更清晰地观察到气体的流动情况。图14为旋转浮阀的X-Y气相流场速度矢量图。由图14可见，当气体沿着阀盖径向向外流动时，受到阀盖四周翅片的阻挡，气体流动方向再次发生改变，由沿阀盖径向方向改变为沿阀盖切线方向，并呈螺旋状流出。图15是图14的局部放大截图，从图中可以更清晰地看到气体流动方向的改变。3.4旋转浮阀与单个气泡石的x-z剖面图16为F1浮阀-气泡石复合曝气器的X-Z剖面气相流线图，用流线模拟气泡流动状况。由图16可见，气泡石产生的气泡在F1浮阀的影响下，只是略微往远离阀盖方向偏转，然后上浮穿过液层。远离曝气石正上方的区域的气含率仍然偏低，在曝气池内存在传质死区。图17为旋转浮阀与单个气泡石的X-Z剖面气相流线图。因选取6个气泡石进行模拟后线条过于密集不利于模拟结果分析，故采用单个气泡石进行说明。由图17可见，气泡石产生的气泡在旋转浮阀的影响下，在曝气池液层内发生剧烈运动，并且有32%气泡流向了曝气池四周。4旋转浮阀-气泡石复合曝气器的性能本文通过曝气实验研究了旋转浮阀-气泡石复合曝气器的充氧性能，并与F1浮阀-气泡石复合曝气器、气泡石曝气器进行了实验对比；利用CFD模拟了阀片下以及曝气池内的流场分布情况，验证了实验结果。(1）在不同曝气气量条件下，在不同高度测量点处，旋转浮阀-气泡石复合曝气器中心与边界的溶解氧浓度差绝对值小于F1浮阀-气泡石复合曝气器，旋转浮阀-气泡石复合曝气器的充氧均匀性指数比F1浮阀-气泡石复合曝气器降低了44.1%～66.4%。(2）旋转浮阀-气泡石复合曝气器的氧总传质系数、氧传质速率比F1浮阀-气泡石复合曝气器提高了8.0%～27.2%，比气泡石曝气器提高了211.5%～255.6%；旋转浮阀-气泡石复合曝气器的氧传质效率与曝气效率比F1浮阀-气泡石复合曝气器提高了2.2%～18.6%，比气泡石曝气器降低了18.2%～58.4%。(3)CFD模拟结果呈现了旋转浮阀对气流的导向作用以及旋转流场的形成过程。气泡在F1浮阀影响下并无剧烈运动，气泡在水中传质时间偏短，在远离气泡石垂直上方区域存在传质死区；而在旋转浮阀影响下，部分气泡向曝气池四周扩散，增加了气泡在水中的停留时间，起到减少传质死区、增加充氧能力的效果，解释了充氧曝气实验结果。(4）将旋转浮阀应用于曝气池中，可以改善气泡分布，减少传质死区，并且可以提高充氧能力，是具有一定潜力的曝气器改进方法。但是，由于这是一种新方法，仍存在充氧效率较低的问题，需要进一步探索研究。mq—符号说明CEr—充氧均匀性指数F——相间作用力，Ng——重力加速度，9.8m/