2025年曝气设备氧气溶解效率测试研究报告

(1)掌握测定曝气设备的KLa和充氧能力α、β的试验措施及计算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措施。活性污泥处理过程中曝气设备的作用是使氧气、活性污泥、营养物三者充足混使污泥处在悬浮状态，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，符合一级由于溶解氧饱和浓度、温度、污水性质和混乱程度等充氧能力为3.1试验设备与试剂(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(Na₂SO₃)(9)氯化钴(CoCl₂·6H₂0)。3.2试验装置试验装置如图3-1所示。3.3试验环节(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)由试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(Na₂SO₃)的用量计算。在自来水中加入Na₂SO₃还原剂来还原水中的溶解氧。相对分子质量之比为：故Na₂SO₃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。因此试验投加的Na₂SO₃投加量为Cs——试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to),测定脱氧水中溶解氧量Co,持续曝气t后，溶解氧升高至C。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),懂得溶解氧值到达饱和为止。水温：28℃1023456785数据处理与分析5.1公式法求解KLa值KLa——氧的总传递系数，L/min;Cs——试验室的温度和压力下，自来水的溶解氧饱和度，mg/L;C——对应某一时刻t的溶解氧浓度，mg/L;t——开循环水泵后的时间，min。试验中，t-to的值对应表4-1中的t值，Co对应时间t=0时的C=0.53mg/已知值代入公式中求出KLa,计算成果如表5-1所示。1/23456789无论采用取平均值或者中间值等措施确定KLa值都会存在较大误差，都无法很好表征曝5.2线性回归法求解KLa值由公式dn(Cs-C)=-KLat+常数”可知，作InC₃-C)和t的关系曲线，其斜率即为KLa值。于是，对In(Cs-C₁)进行计算，成果如表5-2所示。根据计算成果以t为横坐标、In(Cs-C₁)为纵坐标，绘制In(Cs-C₁)和t的关系曲线如图5-1所示。123456789由上图可以观测到，在曝气充氧的整个过程中，伴随时间的增长，In(Cs-Ct)总体呈下降趋势。①在曝气充氧的初始阶段，循环水泵处在启动初期，液体水还没有完全处在湍流状态，充氧系统未到达稳定，故出现In(Cs-C)值短暂的上下波动状况，但波动幅度不大；同步，此阶段的曲线斜率较小，水中溶解氧量没有明显增长，这是由于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，不停地消耗溶解氧。②伴随曝气充氧的进行，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。③当曝气充氧进入到最终阶段，由于水中溶解氧量趋近饱和，增长速率逐渐减慢，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试验的KLa值。5.2.2In(Cs-C)-t线性拟合由上一部分对In(Cs-Cr)-t关系曲线的分析可知，为求得较为精确的KLa值，应将试验前半段数据及结束前一段时间内较平缓变化点清除，以免影响线性拟合成果。剔除无效数据后，对In(Cs-Cr)-t数据点进行线性拟合，拟合图像如图5-2所示，有关拟合数据如表5-3所示。由上表可知，对In(Cs-C)-t进行线性拟合，线性有关系数达0.99944,极其靠近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，成果可用于理论分析。由上表数据可得拟合方程为：其中，氧的总传递系数KLa=0.46206≈0.462换算为20℃时氧的总传递系数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，因此Cs值取值是计算成果合理与否的关键。有研究表明，假如代入的Cs值比真实值每减少1%,计算的KLa将增大3%;只有测得的Cs值不小于或等于真实值的99.7%时，才能精确的计算出KLa值，而这在我们的试验中一般是比较难到达的，因此，使用该种措施计算KLa存在一定的弊端。计算KLa值的另一种措施是非线性回归法。非线性回归法把Cs当作未知量，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。使用这种处理措施只需测得的Cs不小于或等于真实值的98%便可精确的计算KLa值，因此，在实际测试中愈加以便控制且计算成果精确性较高。如下将采用非线性回归法对KLa值进行求解。已知曝气试验溶解氧转移速率满足下列一级反应：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y=yo-a.exp(-b.t)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。BBaBb由上表可知，对C-t进行非线性拟合，有关系数R²达0.99953,极其靠近1,拟合效果极好，拟合成果可用于理论分析。由上表数据可得拟合方程为：C=8.01703-10.21085·exp溶解氧饱和浓度氧的总传递系数换算为20℃时氧的总传递系数5.4线性拟合与非线性拟合成果的比较有关系数R²非线性拟合由上表数据可知，①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。②线性拟合成果KLa值比非线性拟合偏小，相对误差为：③线性拟合成果Cs值比非线性拟合偏小，相对误差为：本次试验中，线性拟合成果的KLa值和Cs值相对误差都很小，阐明试验最开始测得的Cs值具有很高的精确性度，试验KLa值的求解可使用线性回归法也可以使用精确性更高的非线性拟合法。5.5鼓风充氧能力Q的计算公式式中Cs——饱和溶解氧，mg/LV——水样的体积，m³。式中KLa值和Cs值的选用采用精确性更高的非线性拟合法。将V=0.018m³,KLa(20℃)=0.374L/min,C₅=8.02mg/L代入上式，得即计算所得鼓风机的充氧能力Qs为3.239×10³kg/h。6思索与讨论6.1检测曝气设备充氧性能有哪些措施?(1)化学消氧法水处理曝气设备性能检测措施在曝气充氧测定中，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：由上式可知，1kg的氧气可以与8kg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，在启动曝气系统之前，水中的溶解氧必须清除洁净。启动曝气系统后，水溶液通过吸取空气中的氧分子，氧的浓度会迅速的上升到饱和状态。在此过程中，一般采用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0.3～0.5mg/L计。由于化学消氧法试验措施比较简朴，故其成为曝气设备充氧能力测试的重要措施得到广泛应用。但测试过程中要保证测试水溶液中盐浓度(TDS)≤mg/L电导率(CND)≤3000本试验采用该措施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措施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变化时，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,人为地减少气相氧分子浓度，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应初始的零溶解氧状态条件。在启动曝气系统之前，水中的溶解氧必须清除洁净。启动曝气系统后，水溶液通过吸取空气中的氧分子，氧的浓度会迅速的上升(3)纯氧曝气法水处理曝气设备性能检测措施相对于吸附法，纯氧曝气充氧法一般通过向水溶液中鼓入纯度。纯氧曝气充氧法与前两种措施原理不一样。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减少水中的溶解氧浓度，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减少水中溶解氧的浓度，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Cs'下降至饱和浓度Cs这段试验有效数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，进行充氧试验时，开动空段，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。假如用污水的话，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的水样进行充氧性能测定，实测的KLa才能阐明实际的充氧效率。6.3鼓风曝气设备与机械曝气设备充氧性能指标有何不一样?答：鼓风曝气设备充氧性能指标一般用动力效率、氧的运用这重要是鼓风曝气与机械曝气的特点所决定的。鼓风曝气已知的，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比例，即氧的运用率来表达充氧性能；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，即氧此外，动力效率是指每消耗1KWh电能转移至混合液中的氧量，这对于鼓风曝气设备与6.4影响氧传递的原因有哪些?美国环境保护局对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，阐明了对氧传递影响的原因，如表7-1所示。影响原因对氧传递的影响设备原因扩散器类型格网形布置较单侧布置水流螺旋式前进的及十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性水质水温升高，氧传递速率增大，但溶解度减少6.5氧总转移系数KLa的意义是什么?怎样计算?答：根据行业原则《曝气器清水充氧性能测定》的定义，氧总转移系数指的是曝气器在原则状态、测试条件下，在单位传质推进力作用时，单位时间向单位体积水中传递氧的数量，表达的是曝气器将氧从气相转移至液相中的能力。计算措施重要有3种：①公式法直接运用公式进行计算：KLa——氧的总传递系数，L/min;Cs——试验室的温度和压力下，自来水的溶解氧饱和度，mg/L;C——对应某一时刻t的溶解氧浓度，mg/L;t——开循环水泵后的时间，min。②线性拟合将一级反应方程dc/dt=KLa(Cs-C)积分后得到1n(Cs-C)=-KLat+常数，测得Cs和对应每一时刻t的C后绘制In(Cs-C)与t的关系曲线，或dc/dt与c的关系曲线，然后进行线性拟合，拟合直线斜率的绝对值便是KLao③非线性拟合用origin等数据处理软件自定义该积分函数，然后调用对试验C-t数据点进行非线性拟合，即可得到参数KLa的取值。6.6怎样确定Cs值?确定对的的Cs值对于计算对的的K加值是非常重要的。用于计算KLa值的Cs目前国内外有三种措施：①采用理论饱和值。其值在有关的书中均可查到。对于鼓风曝气和射流曝气，需根据沉没深度，对查到的Cs值进