Дрібнобульбашкова аерація Оксигенація-Аквасуст

Звіт про випробування

У системі очищення стічних вод на процес аерації припадає від 45% до 75% енергоспоживання всієї очисної станції, щоб підвищити ефективність передачі кисню в процесі аерації, поточна очисна станція зазвичай використовується в мікропористих системи аерації. У порівнянні з системою аерації великих і середніх бульбашок, мікропориста система аерації може заощадити близько 50% споживання енергії. Тим не менш, коефіцієнт використання кисню в процесі його аерації також знаходиться в діапазоні від 20% до 30%. Крім того, у Китаї є більше областей, де використовується технологія мікропористої аерації для очищення забруднених річок, але немає досліджень щодо того, як правильно вибрати мікропористі аератори для різних умов води. Тому оптимізація параметрів оксигенації мікропористого аератора для реального виробництва та застосування має велике значення.

Існує багато факторів, що впливають на продуктивність мікропористої аерації та оксигенації, найважливішими з яких є об’єм аерації, розмір пор і глибина установки води.

На даний момент у країні та за кордоном існує менше досліджень щодо зв’язку між ефективністю оксигенації мікропористого аератора та розміром пор і глибиною встановлення. Дослідження більше зосереджено на покращенні загального коефіцієнта масопередачі кисню та ємності оксигенації та нехтує проблемою споживання енергії в процесі аерації. Ми беремо теоретичну енергоефективність як основний індекс дослідження в поєднанні з потужністю оксигенації та тенденцією використання кисню, спочатку оптимізуємо об’єм аерації, діаметр отвору та глибину установки, коли ефективність аерації є найвищою, щоб забезпечити орієнтир для застосування технології мікропористої аерації в реальному проекті.

1.Матеріали та методи

1.1 Налаштування тесту

Випробувальну установку було виготовлено з оргскла, а основним корпусом був циліндричний аеротенк D {{0}}.4 м × 2 м із зондом для розчиненого кисню, розташованим на 0,5 м нижче поверхні води (показано на малюнку 1). ).

Рисунок 1 Налаштування тесту аерації та оксигенації

1.2 Контрольні матеріали

Мікропористий аератор з гумової мембрани, діаметр 215 мм, розмір пор 50, 100, 200, 500, 1 000 мкм. Настільний тестер розчиненого кисню sension378, HACH, США. Газовий роторний витратомір, діапазон 0~3 м3/год, точність ±0,2%. Повітродувка HC-S. Каталізатор: CoCl2-6H2O, аналітично чистий; Розкислювач: Na2SO3, аналітично чистий.

1.3 Метод випробування

Випробування проводили за допомогою статичного нестаціонарного методу, тобто Na2SO3 і CoCl2-6H2O спочатку дозували для дезоксигенації під час випробування, а аерацію починали, коли розчинений у воді кисень зменшувався до {{5} }. Зміни концентрації розчиненого кисню у воді з часом реєстрували та розраховували значення KLa. Ефективність оксигенації перевірялася за різних об’ємів аерації (0,5, 1, 1,5, 2, 2,5, 3 м3/год), різних розмірів пор (50, 100, 200, 500, 1,000 мкм), а також різні глибини води (0,8, 1,1, 1,3, 1,5, 1,8, 2,0 м), а також було зроблено посилання на CJ/T

3015.2 -1993 «Визначення ефективності оксигенації чистої води аератором» і стандарти Сполучених Штатів випробування оксигенації чистої води.

2. Результати та їх обговорення

2.1 Принцип тесту

Основний принцип тесту базується на теорії подвійної мембрани, запропонованій Вітменом у 1923 році. Процес масоперенесення кисню можна виразити у рівнянні (1).

Де: dc/dt - швидкість масообміну, тобто кількість кисню, що переноситься одиницею об'єму води за одиницю часу, мг/(л).

KLa - загальний коефіцієнт передачі кисню аератора в умовах випробувань, хв-1 ;

C* - насичений розчинений у воді кисень, мг/л.

Ct - розчинений кисень у воді на момент аерації t, мг/л.

Якщо температура випробування не становить 20 градусів, рівняння (2) можна використати для виправлення KLa:

Ємність насиченості киснем (OC, кг/год) виражається рівнянням (3).

Де: V - об'єм аеробасейну, м3.

Утилізація кисню (SOTE, %) виражається рівнянням (4).

Де: q - об'єм аерації в стандартних умовах, м3/год.

Теоретична енергоефективність [E, кг/(кВт-год)] виражається рівнянням (5).

Де: P - потужність аераційного обладнання, кВт.

Зазвичай використовуваними показниками для оцінки ефективності оксигенації аератора є загальний коефіцієнт масопередачі кисню KLa, ємність оксигенації OC, коефіцієнт використання кисню SOTE та теоретична енергетична ефективність E [7]. Існуючі дослідження більше зосереджені на тенденціях загального коефіцієнта масопереносу кисню, ємності оксигенації та утилізації кисню, і менше на теоретичній енергетичній ефективності [8, 9]. Теоретична енергетична ефективність, як єдиний показник ефективності [10], може відображати проблему енергоспоживання в процесі аерації, яка є фокусом цього експерименту.

2.2 Вплив аерації на продуктивність оксигенації

Ефективність оксигенації при різних рівнях аерації оцінювали за допомогою аерації на нижніх 2 м аератора з розміром пор 200 мкм, і результати показані на рис. 2.

Рис. 2. Зміни утилізації калію та кисню залежно від швидкості аерації

Як видно з рис. 2, зі збільшенням об’єму аерації KLa поступово зростає. Це пояснюється головним чином тим, що чим більший об’єм аерації, тим більша площа контакту газ-рідина і тим вище ефективність оксигенації. З іншого боку, деякі дослідники виявили, що швидкість використання кисню зменшується зі збільшенням об’єму аерації, і подібна ситуація була виявлена ​​в цьому експерименті. Це пояснюється тим, що під певною глибиною води час перебування бульбашок у воді збільшується, коли об’єм аерації невеликий, а час контакту газ-рідина подовжується; коли об’єм аерації великий, хвилювання водного тіла є сильним, і більша частина кисню не використовується ефективно, і зрештою вивільняється з поверхні води у вигляді бульбашок у повітря. Швидкість використання кисню, отримана в результаті цього експерименту, була невисокою порівняно з літературними даними, ймовірно, тому, що висота реактора була недостатньо високою, і велика кількість кисню виходила, не контактуючи зі стовпом води, знижуючи швидкість використання кисню.

Зміна теоретичної енергетичної ефективності (E) з аерацією показана на рис. 3.

Рис. 3 Залежність теоретичної енергоефективності від обсягу аерації

Як видно на рис. 3, теоретична енергетична ефективність поступово зменшується зі збільшенням аерації. Це пояснюється тим, що стандартна швидкість передачі кисню збільшується зі збільшенням об’єму аерації за певних умов глибини води, але збільшення корисної роботи, споживаної повітродувкою, є більш значним, ніж збільшення стандартної швидкості передачі кисню, тому теоретична енергоефективність зменшується зі збільшенням об’єму аерації в межах досліджуваного в експерименті об’єму аерації. Поєднуючи тенденції на рис. 2 і 3, можна виявити, що найкраща ефективність оксигенації досягається при об’ємі аерації 0,5 м3/год.

2.3 Вплив розміру пор на продуктивність оксигенації

Розмір пор має великий вплив на утворення бульбашок, чим більше розмір пор, тим більше розмір бульбашки. Вплив бульбашок на продуктивність оксигенації в основному проявляється у двох аспектах: по-перше, чим менші окремі бульбашки, тим більша загальна питома поверхня бульбашки, чим більша площа контакту масопередачі газ-рідина, тим більше сприяє передачі кисень; По-друге, чим більші бульбашки, тим сильніша роль перемішування води, тим швидше змішування газу та рідини між ними, тим кращий ефект оксигенації. Часто перший момент у процесі масопередачі відіграє головну роль. Випробуванням буде об’єм аерації, встановлений на 0,5 м3/год, щоб перевірити вплив розміру пор на KLa та використання кисню, див. Малюнок 4.

Рис. 4 Варіаційні криві KLa та використання кисню залежно від розміру пор

Як видно з рис. 4, як KLa, так і використання кисню зменшилися зі збільшенням розміру пор. За умови однакової глибини води та об’єму аерації KLa аератора з отвором 50 мкм приблизно в три рази перевищує KLa аератора з отвором 1,000 мкм. Тому, коли аератор встановлено на певній глибині води, тим менший отвір аератора має оксигенаційну здатність, а використання кисню тим більше.

Зміна теоретичної енергетичної ефективності залежно від розміру пор показано на рис. 5.

Рис. 5 Теоретична енергетична ефективність від розміру пор

Як видно з рис. 5, теоретична енергетична ефективність демонструє тенденцію до зростання, а потім до зменшення зі збільшенням розміру апертури. Це пояснюється тим, що, з одного боку, аератор з малою апертурою має більшу KLa та оксигенаційну здатність, що сприяє насиченню киснем. З іншого боку, втрата опору під певною глибиною води зростає зі зменшенням діаметра отвору. Коли зменшення розміру пор на втрату опору ефекту стимулювання є більшим, ніж роль масопереносу кисню, теоретична енергетична ефективність буде зменшена зі зменшенням розміру пор. Отже, коли діаметр отвору малий, теоретична енергоефективність буде збільшуватися зі збільшенням діаметра отвору, а діаметр отвору 200 мкм досягне максимального значення 1,91 кг/(кВт-год); коли діаметр отвору > 200 мкм, втрата опору в процесі аерації більше не відіграє домінуючої ролі в процесі аерації, KLa та ємність оксигенації зі збільшенням діаметра отвору аератора будуть зменшені, і, отже, теоретична енергетична ефективність демонструє значну тенденцію до зниження.

2.4 Вплив глибини води установки на продуктивність оксигенації

Глибина води, в якій встановлено аератор, дуже сильно впливає на ефект аерації та оксигенації. Об’єктом експериментального дослідження було мілководне русло менше 2 м. Глибина аерації аератора визначалася глибиною води в басейні. Існуючі дослідження в основному зосереджені на глибині занурення аератора (тобто аератор встановлюється на дні басейну, а глибина води збільшується за рахунок збільшення кількості води), а тест в основному зосереджується на глибині встановлення аератора. аератор (тобто кількість води в басейні підтримується постійною, а висота установки аератора регулюється, щоб знайти найкращу глибину води для ефекту аерації), а також зміни KLa та використання кисню з глибиною води показані на рис. 6.

Рис. 6 Криві зміни калію та використання кисню залежно від глибини води

На малюнку 6 показано, що зі збільшенням глибини води як KLa, так і використання кисню демонструють чітку тенденцію до зростання, причому KLa відрізняється більш ніж у чотири рази на 0.8 м глибини води та 2 м глибини води. Це пояснюється тим, що чим глибше вода, тим довше час перебування бульбашок у товщі води, чим довший час контакту газ-рідина, тим кращий ефект перенесення кисню. Таким чином, чим глибше встановлено аератор, тим більше сприяють оксигенації та використанню кисню. Але встановлення глибини води збільшується, в той же час втрати опору також збільшаться, щоб подолати втрату опору, необхідно збільшити кількість аерації, що неминуче призведе до збільшення споживання енергії та експлуатаційних витрат. Тому, щоб отримати оптимальну глибину установки, необхідно оцінити співвідношення між теоретичною енергоефективністю та глибиною води, див. Таблицю 1.

Таблиця 1 показує, що теоретична енергоефективність надзвичайно низька при глибині встановлення 0,8 м, лише 0,5 кг/(кВт-год), що робить аерацію мілководдя недоцільною. Встановлення глибини води в діапазоні 1,1 ~ 1,5 м завдяки значному збільшенню потужності оксигенації, тоді як ефект опору аератора не є очевидним, тому теоретична енергоефективність швидко зростає. Оскільки глибина води збільшується до 1,8 м, вплив втрати опору на продуктивність оксигенації стає все більш значним, в результаті чого зростання теоретичної ефективності потужності має тенденцію до вирівнювання, але все ще демонструє тенденцію до зростання, а в установці глибині води 2 м, теоретичний ККД досягає максимуму 1,97 кг/(кВт-год). Таким чином, для каналів < 2 м краща аерація дна для оптимальної оксигенації.

Висновок

Використовуючи статичний нестаціонарний метод для випробування оксигенації чистої води мікропористої аерації, на досліджуваній глибині води (< 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.

Теоретична енергетична ефективність є єдиним показником ефективності. В умовах випробування теоретична енергоефективність при аерації та установці глибини води зростає, при збільшенні апертури спочатку збільшується, а потім зменшується. Встановлення глибини води та отвору має бути розумним поєднанням, щоб досягти найкращих показників оксигенації, загалом, чим більша глибина відбору води в отворі аератора, тим більше.

Результати випробувань показують, що мілководну аерацію використовувати не слід. При глибині установки 2 м об’єм аерації 0,5 м3/год і аератор з розміром пор 200 мкм призвели до максимальної теоретичної ефективності електроенергії 1,97 кг/(кВт-год).