Аерация с фини мехурчета Oxygenation-Aquasust

Доклад от теста

В системата за пречистване на отпадъчни води процесът на аериране представлява 45% до 75% от потреблението на енергия на цялата пречиствателна станция за отпадъчни води, за да се подобри ефективността на преноса на кислород на процеса на аериране, настоящата пречиствателна станция за отпадъчни води обикновено се използва в микропорести системи за аериране. В сравнение със системата за аериране на големи и средни мехурчета, системата за аериране с микропорести може да спести около 50% от потреблението на енергия. Независимо от това степента на използване на кислорода в процеса на аериране също е в диапазона от 20% до 30%. Освен това в Китай има повече райони, където се използва технология за микропореста аерация за третиране на замърсени реки, но няма изследвания за това как разумно да се изберат микропорести аератори за различни водни условия. Следователно, оптимизирането на параметрите на ефективността на оксигенацията на микропорестия аератор за действителното производство и приложение е от голямо значение.

Има много фактори, влияещи върху ефективността на микропорестата аерация и оксигенацията, най-важните от които са аерационният обем, размерът на порите и дълбочината на инсталацията на водата.

Понастоящем има по-малко проучвания за връзката между ефективността на оксигенацията на микропорестия аератор и размера на порите и дълбочината на монтажа у нас и в чужбина. Изследването се фокусира повече върху подобряването на общия коефициент на пренос на кислородна маса и капацитета за окисляване и пренебрегва проблема с потреблението на енергия в процеса на аериране. Ние приемаме теоретичната енергийна ефективност като основен изследователски индекс, съчетан с капацитета за насищане с кислород и тенденцията за използване на кислород, първоначално оптимизираме обема на аериране, диаметъра на отвора и дълбочината на монтаж, когато ефективността на аериране е най-висока, за да предоставим референция за приложението на технологията за микропореста аерация в реалния проект.

1.Материали и методи

1.1 Тестова настройка

Тестовата инсталация беше направена от плексиглас, а основното тяло беше D {{0}}.4 m × 2 m цилиндричен аерационен резервоар със сонда за разтворен кислород, разположена на 0,5 m под водната повърхност (показана на Фигура 1 ).

Фигура 1 Настройка на теста за аерация и оксигенация

1.2 Тестови материали

Микропорест аератор, изработен от гумена мембрана, диаметър 215 мм, размер на порите 50, 100, 200, 500, 1 000 μm. Настолен тестер за разтворен кислород sension378, HACH, САЩ. Газов роторен разходомер, обхват 0~3 m3/h, точност ±0,2%. HC-S вентилатор. Катализатор: CoCl2-6H2O, аналитично чист; Деоксидант: Na2SO3, аналитично чист.

1.3 Метод на изпитване

Тестът беше проведен с помощта на статичен нестационарен метод, т.е. Na2SO3 и CoCl2-6H2O бяха първо дозирани за деоксигениране по време на теста и аерирането започна, когато разтвореният кислород във водата беше намален до {{5} }. Бяха записани промените в концентрацията на разтворен кислород във водата с течение на времето и беше изчислена стойността на KLa. Ефективността на насищане с кислород беше тествана при различни обеми на аериране (0.5, 1, 1.5, 2, 2.5, 3 m3/h), различни размери на порите (50, 100, 200, 500, 1,000 μm) и различни водни дълбочини (0,8, 1,1, 1,3, 1.5, 1.8, 2.0 m), като беше направена препратка и към CJ/T

3015.2 -1993 „Определяне на производителността на оксигенацията на чиста вода на аератор“ и стандартите за изпитване за оксигенация на чиста вода на Съединените щати.

2. Резултати и дискусия

2.1 Принцип на теста

Основният принцип на теста се основава на теорията за двойната мембрана, предложена от Уитман през 1923 г. Процесът на пренос на кислородна маса може да бъде изразен в уравнение (1).

Където: dc/dt - скорост на пренос на маса, т.е. количеството кислород, пренесено на единица обем вода за единица време, mg/(Ls).

KLa - общ коефициент на пренос на кислород на аератора при условията на изпитване, min-1 ;

C* - наситен разтворен кислород във вода, mg/L.

Ct - разтворен кислород във водата в момента на аериране t, mg/L.

Ако температурата на изпитване не е 20 градуса, уравнение (2) може да се използва за коригиране на KLa:

Капацитетът за насищане с кислород (OC, kg/h) се изразява чрез уравнение (3).

Където: V - обем на аерационен басейн, m3.

Използването на кислород (SOTE, %) се изразява чрез уравнение (4).

Където: q - аерационен обем при стандартни условия, m3/h.

Теоретичната енергийна ефективност [E, kg/(kW-h)] се изразява с уравнение (5).

Където: P - мощност на аерационното оборудване, kW.

Често използвани показатели за оценка на производителността на оксигенацията на аератора са коефициентът на общ масов трансфер на кислород KLa, капацитетът на оксигенация OC, степента на използване на кислорода SOTE и теоретичната енергийна ефективност E [7]. Съществуващите проучвания са фокусирани повече върху тенденциите на общия коефициент на пренос на кислородна маса, капацитета за окисляване и използването на кислород и по-малко върху теоретичната енергийна ефективност [8, 9]. Теоретичната енергийна ефективност, като единствен индекс на ефективност [10], може да отразява проблема с потреблението на енергия в процеса на аериране, който е фокусът на този експеримент.

2.2 Ефект на аерацията върху ефективността на оксигенацията

Ефективността на окисляване при различни нива на аерация беше оценена чрез аерация на дъното 2 m на аератора с размер на порите 200 μm и резултатите са показани на Фиг. 2.

Фиг. 2 Вариация на K и използването на кислород в зависимост от скоростта на аериране

Както може да се види от фиг. 2, KLa нараства постепенно с увеличаването на аерационния обем. Това е главно защото колкото по-голям е обемът на аериране, толкова по-голяма е контактната площ газ-течност и толкова по-висока е ефективността на оксигенацията. От друга страна, някои изследователи установиха, че степента на използване на кислорода намалява с увеличаването на обема на аериране и подобна ситуация беше открита в този експеримент. Това е така, защото при определена дълбочина на водата времето на престой на мехурчетата във водата се увеличава, когато обемът на аериране е малък и времето за контакт газ-течност се удължава; когато обемът на аериране е голям, смущението на водното тяло е силно и по-голямата част от кислорода не се използва ефективно и в крайна сметка се освобождава от повърхността на водата под формата на мехурчета във въздуха. Степента на използване на кислорода, получена от този експеримент, не беше висока в сравнение с литературата, вероятно защото височината на реактора не беше достатъчно висока и голямо количество кислород излезе, без да влезе в контакт с водния стълб, намалявайки степента на използване на кислорода.

Промяната на теоретичната енергийна ефективност (E) с аерация е показана на фиг. 3.

Фиг. 3 Теоретична енергийна ефективност спрямо обема на аериране

Както може да се види на фиг. 3, теоретичната енергийна ефективност намалява постепенно с увеличаване на аерацията. Това е така, защото стандартната скорост на пренос на кислород се увеличава с увеличаването на обема на аериране при определени условия на дълбочина на водата, но увеличението на полезната работа, консумирана от вентилатора, е по-значително от увеличението на стандартната скорост на пренос на кислород, така че теоретичната енергийна ефективност намалява с увеличаването на аерационния обем в рамките на обхвата на аерационния обем, изследван в експеримента. Комбинирайки тенденциите на фиг. 2 и 3, може да се установи, че най-доброто представяне на оксигенация се постига при обем на аериране от 0.5 m3/h.

2.3 Ефект на размера на порите върху ефективността на оксигенацията

Размерът на порите има голямо влияние върху образуването на мехурчета, колкото по-голям е размерът на порите, толкова по-голям е размерът на мехурчетата. Мехурчетата върху ефективността на оксигенацията на въздействието се проявява главно в два аспекта: Първо, колкото по-малки са отделните мехурчета, толкова по-голяма е общата специфична повърхност на мехурчетата, колкото по-голяма е контактната площ на масовия трансфер газ-течност, толкова по-благоприятно е прехвърлянето на кислород; Второ, колкото по-големи са мехурчетата, толкова по-силна е ролята на разбъркване на водата, толкова по-бързо е смесването на газ-течност, толкова по-добър е ефектът от оксигенацията. Често първата точка в процеса на пренос на маса играе основна роля. Тестът ще бъде обем на аерация, зададен на 0.5 m3/h, за да се изследва ефектът от размера на порите върху KLa и използването на кислород, вижте Фигура 4.

Фиг. 4 Вариационни криви на KLa и използването на кислород в зависимост от размера на порите

Както може да се види от Фиг. 4, както KLa, така и използването на кислород намалява с увеличаването на размера на порите. При условие на същата дълбочина на водата и обем на аериране, KLa на аератор с отвор 50 μm е около три пъти по-висок от този на аератор с отвор 1,000 μm. Следователно, когато аераторът е монтиран на определена дълбочина на водата, колкото по-малък е отворът на капацитета за оксигениране на аератора, толкова по-голямо е използването на кислород.

Вариацията на теоретичната енергийна ефективност с размера на порите е показана на Фиг. 5.

Фиг. 5 Теоретична енергийна ефективност спрямо размера на порите

Както може да се види от фиг. 5, теоретичната енергийна ефективност показва тенденция на нарастване и след това намаляване с увеличаването на размера на отвора. Това е така, защото от една страна аераторът с малък отвор има по-голям KLa и капацитет за оксигениране, което благоприятства насищането с кислород. От друга страна, загубата на съпротивление при определена дълбочина на водата се увеличава с намаляване на диаметъра на отвора. Когато намаляването на размера на порите върху загубата на съпротивление на стимулиращия ефект е по-голямо от ролята на преноса на кислородна маса, теоретичната енергийна ефективност ще бъде намалена с намаляването на размера на порите. Следователно, когато диаметърът на отвора е малък, теоретичната енергийна ефективност ще се увеличи с увеличаването на диаметъра на отвора и диаметъра на отвора от 200 μm, за да достигне максималната стойност от 1,91 kg/(kW-h); когато диаметърът на отвора е > 200 μm, загубата на съпротивление в процеса на аериране вече не играе доминираща роля в процеса на аериране, KLa и капацитетът за оксигениране с увеличаването на диаметъра на отвора на аератора ще бъдат намалени и следователно теоретичната енергийната ефективност показва значителна низходяща тенденция.

2.4 Влияние на дълбочината на водата в инсталацията върху ефективността на оксигенацията

Дълбочината на водата, в която е монтиран аераторът, има много голям ефект върху ефекта на аериране и оксигенация. Целта на експерименталното изследване беше плитък воден канал с по-малко от 2 m. Дълбочината на аериране на аератора се определя от дълбочината на водата в басейна. Съществуващите проучвания се фокусират главно върху дълбочината на потапяне на аератора (т.е. аераторът е инсталиран на дъното на басейна и дълбочината на водата се увеличава чрез увеличаване на количеството вода), а тестът се фокусира главно върху дълбочината на монтаж на аератор (т.е. количеството вода в басейна се поддържа постоянно и височината на монтаж на аератора се регулира, за да се намери най-добрата дълбочина на водата за ефект на аериране) и промените на KLa и използването на кислород с дълбочината на водата са показани на фиг. 6.

Фиг. 6 Вариационни криви на K и използването на кислород с дълбочината на водата

Фигура 6 показва, че с увеличаването на дълбочината на водата както KLa, така и използването на кислород показват ясна нарастваща тенденция, като KLa се различава повече от четири пъти при 0.8 m дълбочина на водата и 2 m дълбочина на водата. Това е така, защото колкото по-дълбока е водата, толкова по-дълго е времето на престой на мехурчетата във водния стълб, колкото по-дълго е времето за контакт газ-течност, толкова по-добър е ефектът на пренос на кислород. Следователно, колкото по-дълбоко е монтиран аераторът, толкова по-благоприятен е капацитетът за насищане с кислород и оползотворяването на кислорода. Но инсталирането на дълбочина на водата се увеличава в същото време загубата на съпротивление също ще се увеличи, за да се преодолее загубата на съпротивление, е необходимо да се увеличи количеството на аерация, което неизбежно ще доведе до увеличаване на потреблението на енергия и оперативните разходи. Следователно, за да се получи оптималната дълбочина на монтаж, е необходимо да се оцени връзката между теоретичната енергийна ефективност и дълбочината на водата, вижте Таблица 1.

Таблица 1 показва, че теоретичната енергийна ефективност е изключително ниска при дълбочина на монтаж от 0.8 m, само с 0.5 kg/(kW-h), което прави аерирането на плитка вода неподходящо. Инсталиране на дълбочина на водата от 1,1 ~ 1,5 м диапазон, поради значителното увеличение на капацитета за оксигениране, докато аераторът от съпротивителния ефект не е очевиден, така че теоретичната енергийна ефективност нараства бързо. Тъй като дълбочината на водата се увеличава допълнително до 1,8 m, ефектът от загубата на съпротивление върху ефективността на оксигенацията става все по-значим, което води до нарастване на теоретичната ефективност на мощността има тенденция да се изравнява, но все още показва нарастваща тенденция и в инсталацията на дълбочина на водата от 2 m, теоретичната енергийна ефективност достига максимум 1,97 kg/(kW-h). Следователно, за канали < 2 m, се предпочита дънната аерация за оптимална оксигенация.

Заключение

Използвайки статичен нестационарен метод за тест за оксигенация на чиста вода с микропореста аерация, в дълбочината на тестовата вода (< 2 m) and pore size (50 ~ 1 000 μm) conditions, the total oxygen mass transfer coefficient KLa and oxygen utilisation increased with the installation of the water depth; with the increase in pore size and decreased. In the process of increasing the aeration volume from 0.5 m3/h to 3 m3/h, the total oxygen mass transfer coefficient and oxygenation capacity gradually increased, and the oxygen utilisation rate decreased.

Теоретичната енергийна ефективност е единственият показател за ефективност. В условията на изпитване, теоретичната енергийна ефективност с аериране и инсталиране на дълбочина на водата се увеличава, като увеличението на отвора първо се увеличава и след това намалява. Инсталирането на дълбочина на водата и отвор трябва да бъде разумна комбинация, за да се постигне най-доброто представяне на оксигенацията, като цяло, колкото по-голяма е дълбочината на избор на вода на отвора на аератора, толкова по-голям е.

Резултатите от теста показват, че не трябва да се използва аерация в плитка вода. При дълбочина на монтаж от 2 m, аерационен обем от 0.5 m3/h и аератор с размер на порите 200 μm доведе до максимална теоретична енергийна ефективност от 1,97 kg/(kW-h).