1、1 实验目得 (1) 掌握测定曝气设备得 KLa和充氧能力 α、β 得实验方法及计算 Qs; (2) 评价充氧设备充氧能力得好坏; (3) 掌握曝气设备充氧性能得测定方法。 2 实验原理 活性污泥处理过程中曝气设备得作用就就是使氧气、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,保证微生物有足够得氧进行物质代谢。由于氧得供给就就是保证生化处理过程正常进行得主要因素,因此工程设计人员通常通过实验来评价曝气设备得供氧能力。 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得状态下再曝气,使溶解氧
2、升高趋于饱和水平。假定整个液体就就是完全混合得,符合一级反应此时水中溶解氧得变化可以用以下式子表示: dCdt=KLaCs-C 式中:dC/dt——氧转移速率,mg/(L·h); KLa——氧得总传递系数,L/h; Cs——实验室得温度和压力下,自来水得溶解氧饱和浓度,mg/L; C——相应某一时刻t得溶解氧浓度,mg/L。 将上式积分,得 lnCs-C=-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得传递速率,因此应进行温度、压力校正,并测定校正废水性质影响得修正系数 α、β。所采用得公式如下: KLaT=KLa20℃1.024T-20 Cs校
3、正=Cs实验×标准大气压(kPa)实验时的大气压(kPa) α=废水的KLa自来水的KLa β=废水的Cs自来水的Cs 充氧能力为 Qs=dCdt·V=KLa20℃·Cs校正·V(kg/h) 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。 图3-1 曝气设备充氧能力实验装置简图 3.3 实验步骤 (1) 向曝气筒内注入
4、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)得用量计算。在自来水中加入 Na2S03还原剂来还原水中得溶解氧。 2Na2S03+O2CoCl22Na2S04 相对分子质量之比为: O2Na2S03=32126≈18 故Na2S03理论用量为水中溶解氧得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得1、5倍。 所以实验投加得Na2S03投加量为 W=1.5×8Cs·V=12Cs·V 式中:W——亚硫酸钠投加量,g; Cs——实验时
5、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)得投加量。 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(CoCl2·6H20)。因为: CoCl2·6H2OCo2-=23859≈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用煮沸过得常温水化开,均匀倒入曝气筒内,溶解得钴盐倒入水中,并开动循环水泵,小流量轻微搅动使其混合(开始
6、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4-1 曝气设备充氧能力实验数据记录 序号 时间t/s 时间t/min
7、 Ct/(mg/L) 序号 时间t/s 时间t/min Ct/(mg/L) 1 0 0、00 0、53 16 150 2、50 4、84 2 10 0、17 0、98 17 160 2、67 5、05 3 20 0、33 0、61 18 170 2、83 5、29 4 30 0、50 0、58 19 180 3、00 5、49 5 40 0、67 0、81 20 210 3、50 6、02 6 50 0、83 1、49 21 240 4、00 6、44 7 60 1、00 1、69
8、 22 270 4、50 6、78 8 70 1、17 2、09 23 300 5、00 7、03 9 80 1、33 2、46 24 330 5、50 7、21 10 90 1、50 2、86 25 360 6、00 7、37 11 100 1、67 3、23 26 390 6、50 7、49 12 110 1、83 3、61 27 420 7、00 7、58 13 120 2、00 3、96 28 450 7、50 7、64 14 130 2、17 4、24 29 480
9、8、00 7、68 15 140 2、33 4、54 5 数据处理与分析 5.1 公式法求解KLa值 公式: KLa=2.303t-t0·lgCs-C0Cs-Ct 式中: KLa——氧得总传递系数,L/min; Cs——实验室得温度和压力下,自来水得溶解氧饱和度,mg/L; Ct——相应某一时刻 t 得溶解氧浓度,mg/L; t0——脱氧使用时间,min; t ——开循环水泵后得时间,min。 实验中,t-t0得值对应表4-1 中得 t 值, C0对应时间 t=0 时得Ct = 0、53mg/L。将已知值代入公式中求出 KLa,计算结果如表
10、5-1所示。 表5-1 公式法KLa计算结果 序号 时间t/min Ct/(mg/L) Cs-Ct lg(Cs-Ct) KLa 1 0、00 0、53 7、47 0、8733 / 2 0、17 0、98 7、02 0、8463 0、3729 3 0、33 0、61 7、39 0、8686 0、0323 4 0、50 0、58 7、42 0、8704 0、0134 5 0、67 0、81 7、19 0、8567 0、0573 6 0、83 1、49 6、51 0、8136 0、1651 7 1、00 1、
11、69 6、31 0、8000 0、1688 8 1、17 2、09 5、91 0、7716 0、2008 9 1、33 2、46 5、54 0、7435 0、2242 10 1、50 2、86 5、14 0、7110 0、2493 11 1、67 3、23 4、77 0、6785 0、2692 12 1、83 3、61 4、39 0、6425 0、2900 13 2、00 3、96 4、04 0、6064 0、3074 14 2、17 4、24 3、76 0、5752 0、3169 15 2、33
12、4、54 3、46 0、5391 0、3299 16 2、50 4、84 3、16 0、4997 0、3442 17 2、67 5、05 2、95 0、4698 0、3485 18 2、83 5、29 2、71 0、4330 0、3579 19 3、00 5、49 2、51 0、3997 0、3636 20 3、50 6、02 1、98 0、2967 0、3794 21 4、00 6、44 1、56 0、1931 0、3916 22 4、50 6、78 1、22 0、0864 0、4027 23 5、
13、00 7、03 0、97 -0、0132 0、4083 24 5、50 7、21 0、79 -0、1024 0、4085 25 6、00 7、37 0、63 -0、2007 0、4122 26 6、50 7、49 0、51 -0、2924 0、4130 27 7、00 7、58 0、42 -0、3768 0、4113 28 7、50 7、64 0、36 -0、4437 0、4044 29 8、00 7、68 0、32 -0、4949 0、3939 由上表可以看出,运用公式法计算出来得KLa值总体上不断增大,且有较
14、大得增幅,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得充氧性能,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(Cs - Ct) - t关系曲线得绘制 由公式 “lnCs-C=-KLat+常数” 可知,作 ln(Cs - Ct) 和 t 得关系曲线,其斜率即为KLa值。 于就就是,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 得关系曲线如图5-1所示。 表5-2 ln(Cs - Ct)计算结果
15、 序号 时间t/min Ct/(mg/L) Cs-Ct ln(Cs-Ct) 1 0、00 0、53 7、47 2、0109 2 0、17 0、98 7、02 1、9488 3 0、33 0、61 7、39 2、0001 4 0、50 0、58 7、42 2、0042 5 0、67 0、81 7、19 1、9727 6 0、83 1、49 6、51 1、8733 7 1、00 1、69 6、31 1、8421 8 1、17 2、09 5、91 1、7766 9 1、33
16、 2、46 5、54 1、7120 10 1、50 2、86 5、14 1、6371 11 1、67 3、23 4、77 1、5623 12 1、83 3、61 4、39 1、4793 13 2、00 3、96 4、04 1、3962 14 2、17 4、24 3、76 1、3244 15 2、33 4、54 3、46 1、2413 16 2、50 4、84 3、16 1、1506 17 2、67 5、05 2、95 1、0818 18 2、83 5、29 2、71
17、 0、9969 19 3、00 5、49 2、51 0、9203 20 3、50 6、02 1、98 0、6831 21 4、00 6、44 1、56 0、4447 22 4、50 6、78 1、22 0、1989 23 5、00 7、03 0、97 -0、0305 24 5、50 7、21 0、79 -0、2357 25 6、00 7、37 0、63 -0、4620 26 6、50 7、49 0、51 -0、6733 27 7、00 7、58 0、42 -0、8675
18、 28 7、50 7、64 0、36 -1、0217 29 8、00 7、68 0、32 -1、1394 图5-1 ln(Cs - Ct) - t关系曲线 由上图可以观察到,在曝气充氧得整个过程中,随着时间得增长,ln(Cs - Ct)总体呈下降趋势。①在曝气充氧得初始阶段,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)值短暂得上下波动情况,但波动幅度不大;同时,此阶段得曲线斜率较小,水中溶解氧量没有明显增加,这就就是因为曝气前加入水样中得脱氧剂就就是过量得,剩余得脱氧剂会与曝气时溶解到水样中得氧气反应
19、不断地消耗溶解氧。②随着曝气充氧得进行,剩余得脱氧剂逐渐被反应完,水中得溶解氧不再被消耗,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得斜率才真正对应本次实验得KLa值。 5.2.2 ln(Cs - Ct) - t线性拟合 由上一部分对ln(Cs - Ct)-t关系曲线得分析可知,为求得较为准确得 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
20、示。 图5-2 ln(Cs - Ct) –t线性拟合图像 表5-3 ln(Cs - Ct) –t线性拟合方程数据 Equation y = a + b*x Adj、 R-Square 0、99944 Value Standard Error ln(Cs-Ct) Intercept 2、31421 0、00903 ln(Cs-Ct) Slope -0、46206 0、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得传递符合一级反应相符
21、合,结果可用于理论分析。由上表数据可得拟合方程为: lnCs-C=-0.46206t+2.31421 其中,氧得总传递系数 KLa= 0.46206≈0.462 L/min 换算为20℃时氧得总传递系数 KLa20℃=KLa28℃1.02420-28=0.373 L/min 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取值得影响较大,所以Cs值取值就就是计算结果合理与否得关键。有研究表明,如果代入得Cs值比真实值每减少1%,计算得 KLa将增大3%;只有测得得Cs值大于或等于真实值得99、7%时,才能准确得计算出 KLa值,而这在我们得实验中一
22、般就就是比较难达到得,因此,使用该种方法计算KLa存在一定得弊端。 计算KLa值得另一种方法就就是非线性回归法。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取值得影响。使用这种处理方法只需测得得Cs大于或等于真实值得98%便可准确得计算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: dCdt=KLaCs-C 对该方程积分得: C=Cs-Cs-C0·exp(-KLa·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
23、散点图,用函数 y=y0-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。 图5-3 Ct –t非线性拟合图像 表5-4 Ct –t非线性拟合方程数据 Equation y =y0-a*exp(-b*x) Adj、 R-Square 0、99953 Value Standard Error B y0 8、01703 0、03838 B a 10、21085 0、06912 B b 0、46267 0、00738 由上表可知,对Ct –t进行非线性拟合,相关系数R2达 0
24、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·exp(-0.46267·t) 其中, 溶解氧饱和浓度 Cs=8.01703≈8.02 mg/L 氧得总传递系数 KLa= 0.46267≈0.463 L/min 换算为20℃时氧得总传递系数 KLa20℃=KLa28℃1.02420-28=0.374 L/min 5.4 线性拟合与非线性拟合结果得比较 表5-5 线性拟合与非线性拟合结果得比较 KLa/(L/min) Cs/(mg/L) 相关系数R2 线性拟合 0、46206
25、8、00 0、99944 非线性拟合 0、46267 8、02 0、99953 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得拟合程度都极好。 ②线性拟合结果KLa值比非线性拟合偏小,相对误差为: δ=0.46206-0.462670.46267×100%=-0.13% ③线性拟合结果Cs值比非线性拟合偏小,相对误差为: δ=8.00-8.028.02×100%=-0.25% 本次实验中,线性拟合结果得KLa值和Cs值相对误差都很小,说明实验最开始测得得Cs值具有很高得准确性度,实验KLa值得求解可使用线性回归法也可以使用准确性更高得非线性拟合法。 5.5
26、 鼓风充氧能力Qs得计算 公式 Qs=dCdt·V=KLa20℃·Cs·V(kg/h) 式中 KLa——氧得总转移系数,L/min; Cs——饱和溶解氧,mg/L V——水样得体积,m3。 式中KLa值和Cs值得选取采用准确性更高得非线性拟合法。 将V = 0、018 m3,KLa(20℃) = 0、374 L/min,Cs = 8、02 mg/L代入上式,得 Qs=601000×0.374×8.02×0.018=3.239×10-3 kg/h 即计算所得鼓风机得充氧能力 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
27、 (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,将一定量得脱氧剂亚硫酸钠投入清水中,并以氯化钴作催化剂,消除清水中得溶解氧,化学反应式如下: 2Na2SO3+O2→2Na2SO4 由上式可知,1 kg 得氧气可以与 8 kg 得亚硫酸钠相结合,从而导致水中溶解氧浓度得下降甚至消除。曝气充氧测定过程中,在开启曝气系统之前,水中得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得氧分子,氧得浓度会迅速得上升到饱和状态。在此过程中,通常采用 CoCl2·6H2O 作为催化剂,以加速亚硫酸钠得氧化,其催化剂投加量以Co2+浓度 0、3~0、5 mg/L 计。 因为化
28、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得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 μS/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 气体溶解于液体得过程称为吸附,而溶解气体从液体中解析出来得过程称为解吸附。若物质得吸附速率与解吸附速率相等,即达到吸附与解吸附现象得动平衡临界状态。在此状态下,液体中得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-液相间得传质现象。 氮气吹脱法就就就是向水中通入 N2,人为地降
29、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得零溶解氧状态条件。在开启曝气系统之前,水中得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得氧分子,氧得浓度会迅速得上升到饱和状态。 氮气吹脱水处理曝气设备性能检测方法可实现测试用水得重复利用,节省大量得水资源,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。在曝气充氧测试中,化学消氧法与氮气吹脱法首
30、先通过消氧剂或吹脱剂降低水中得溶解氧浓度,然后通过向水中通入空气使得水中溶解氧浓度增长得;纯氧曝气充氧法不需先降低水中溶解氧得浓度,而就就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 值得计算。 6.2 曝气设备充氧性能得指标为何就就是清水? 这就就是由于清水得水质比较一致,进行充氧实验时,开动空气泵等进行曝气得开始阶段,即可认为水中得水质均匀布置,此时,测定水中任一点得溶解氧值,即可认为就就是整个水池得溶解氧值。如果用污水得话,由于水质组分无
31、法一致,测得得性能无法比较,无法以一点得测量值代表整个池中液体得性能;在曝气设备得实际使用过程中需要用目标水样进行充氧性能测定,实测得 KLa才能说明实际得充氧效率。 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、氧得利用率表示,而机械曝气设备充氧性能指标一般用动力效率、氧得转移效率表示。 这主要就就是鼓风曝气与机械曝气得特点所决定得。鼓风曝气属于水下曝气,其曝气量已知得,因此可用单位时间内转移到混合液中得氧量占总供氧量得百分比,即氧得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得曝气量就就是不可求得,因
32、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,动力效率就就是指每消耗1KWh电能转移至混合液中得氧量,这对于鼓风曝气设备与机械曝气设备均就就是可以求得,故也可用此来表示两者得充氧性能。 6.4 影响氧传递得因素有哪些? 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得因素,如表7-1所示。 表7-1 氧传递得影响因素 影响因素 对氧传递得影响 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得氧传递效率高 扩散器埋深 随着扩散器埋深得增加,氧
33、利用率增大,但单位能耗转移得氧量保持不变 扩散器布置 格网形布置较单侧布置水流螺旋式前进得及十字形布置得氧传递速率高 水流方式 活塞流反应器较分段入流反应器氧传递效率高 曝气池类型 短宽得曝气池较长宽得曝气池氧传递速率沿程变化小 有生物膜形成导致得扩散器表面堵塞会降低氧传递 废水特性 水质 干扰物质像表面活性剂含量得提高会降低氧传递 水温 水温升高,氧传递速率增大,但溶解度降低 6.5 氧总转移系数 KLa得意义就就是什么?怎样计算? 答:根据行业标准《曝气器清水充氧性能测定》得定义,氧总转移系数指得就就是曝气器在标准状态、测试条件下,在单位传质推动力作用时,单位时
34、间向单位体积水中传递氧得数量,表示得就就是曝气器将氧从气相转移至液相中得能力。计算方法主要有3种: ①公式法 直接利用公式进行计算: KLa=2.303t-t0·lgCs-C0Cs-Ct 式中: KLa——氧得总传递系数,L/min; Cs——实验室得温度和压力下,自来水得溶解氧饱和度,mg/L; Ct——相应某一时刻 t 得溶解氧浓度,mg/L; t0——脱氧使用时间,min; t ——开循环水泵后得时间,min。 ②线性拟合 将一级反应方程dc/dt=KLa(CS−C)积分后得到ln(CS−C)=−KLat+常数,测得Cs和对应每一时刻t得C后绘制ln(CS−C
35、与t得关系曲线,或dc/dt与c得关系曲线,然后进行线性拟合,拟合直线斜率得绝对值便就就是KLa。 ③非线性拟合 将一级反应方程积分后得到: C=Cs-Cs-C0·exp(-KLa·t) 用origin等数据处理软件自定义该积分函数,然后调用对实验C-t数据点进行非线性拟合,即可得到参数𝐾𝐿𝑎得取值。 6.6 如何确定Cs值? 确定正确得Cs值对于计算正确得K加值就就是非常重要得。用于计算KLa值得Cs目前国内外有三种方法: ①采用理论饱和值。其值在有关得书中均可查到。对于鼓风曝气和射流曝气,需根据淹没深度,对查到得Cs值进行修正。该方法得到得值和实际饱和值出入较大。 ②采用现场实测值,即充氧实验时得实测饱和值。因水中溶解氧饱和浓度与温度、压力、测试条件均有很大关系,所以每次测定得饱和值均不相同,这就要求在每次测定时均使溶解氧达到饱和为止。该种方法需时较长。不过,在测试条件下就就是值得花精力去取得此数据得,这便于确定在一个特定得曝气器和测试条件下采用理论饱和值就就是否适宜。本实验采用该种方法。 ③试算Cs值。对选用得饱和值,根据拟和情况进行试算、调整、直至满意,即调整到使各测定值均在半对数格纸作图法得直线上为止。有研究表明,一般这就就是最差得方法。






