Mikroporózus levegőztetés Oxigénezési teljesítmény

A szennyvíztisztító rendszerben a levegőztetési folyamat a teljes szennyvíztisztító telep energiafelhasználásának 45-75% -át teszi ki, a levegőztetési folyamat oxigénszállítási hatékonyságának javítása érdekében a jelenlegi szennyvíztisztító telepet általában mikroporózusban használják. levegőztető rendszerek.A nagy és közepes méretű buborékok levegőztető rendszeréhez képest a mikroporózus levegőztető rendszer az energiafogyasztás mintegy 50%-át takaríthatja meg. Ennek ellenére a levegőztetési folyamat oxigénfelhasználási aránya is 20-30% tartományba esik. Ezen kívül Kínában több területen alkalmaznak mikropórusos levegőztetési technológiát a szennyezett folyók kezelésére, de nincs kutatás arra vonatkozóan, hogyan lehetne ésszerűen kiválasztani a mikroporózus levegőztetőket a különböző vízviszonyokhoz. Ezért nagy jelentőséggel bír a mikropórusos levegőztető oxigenizációs teljesítményparamétereinek optimalizálása a tényleges gyártás és alkalmazás szempontjából.

A mikropórusos levegőztetés és oxigénellátás teljesítményét számos tényező befolyásolja, amelyek közül a legfontosabbak a levegőztetés térfogata, pórusmérete és a vízmélység beépítése.

Jelenleg kevesebb tanulmány foglalkozik a mikropórusos levegőztető oxigenizációs teljesítménye és a pórusméret, valamint a beépítési mélység közötti összefüggésekkel itthon és külföldön. A kutatás inkább a teljes oxigén tömegátadási együttható és az oxigenizációs kapacitás javítására fókuszál, és figyelmen kívül hagyja a levegőztetési folyamat energiafelhasználási problémáját. Fő kutatási indexnek az elméleti teljesítményhatékonyságot vesszük, kombinálva az oxigénellátási kapacitással és az oxigénfelhasználás trendjével, kezdetben optimalizáljuk a levegőztetés térfogatát, a nyílás átmérőjét és a beépítési mélységet, amikor a levegőztetés hatékonysága a legmagasabb, hogy referenciaként szolgáljon az alkalmazáshoz. a mikroporózus levegőztetési technológiát a tényleges projektben.

1. Anyagok és módszerek

1.1 Tesztbeállítás

A vizsgálati elrendezés plexiből készült, és a fő test egy D {{0}},4 m × 2 m-es hengeres levegőztető tartály volt, oldott oxigén szondával, amely 0,5 méterrel a víz felszíne alatt helyezkedett el (az 1. ábrán látható). ).

1. ábra Levegőztetési és oxigénezési teszt beállítása

1.2 Vizsgálati anyagok

Mikroporózus levegőztető, gumi membránból, átmérő 215 mm, pórusméret 50, 100, 200, 500, 1 000 μm. sension378 asztali oldott oxigén teszter, HACH, USA. Gázrotoros áramlásmérő, 0~3 m3/h tartomány, pontosság ±0,2%. HC-S ventilátor. Katalizátor: CoCl2-6H2O, analitikailag tiszta; Deoxidáns: Na2SO3, analitikai tisztaságú.

1.3 Vizsgálati módszer

A tesztet statikus, nem stacionárius módszerrel végeztük, azaz a teszt során először Na2SO3-at és CoCl2-6H2O-t adagoltunk oxigénmentesítésre, majd a levegőztetést akkor kezdtük meg, amikor a vízben oldott oxigén mennyisége {{5}-ra csökkent. }. Feljegyeztük a víz oldott oxigén koncentrációjának időbeli változásait, és kiszámítottuk a KLa értéket. Az oxigenizációs teljesítményt különböző levegőztetési térfogatok (0,5, 1, 1,5, 2, 2,5, 3 m3/h), különböző pórusméretek (50, 100, 200, 500, 1, 000 μm) és különböző vízmélységek (0,8, 1,1, 1,3, 1,5, 1,8, 2,0 m), és hivatkoztak a CJ/T 3015-re is.{35}} "Aerátor tiszta víz oxigenizációs teljesítményének meghatározása" és az Egyesült Államok tiszta víz oxigenizációs vizsgálati szabványai.

2. Eredmények és megbeszélés

2.1 A teszt elve

A teszt alapelve a Whitman által 1923-ban javasolt kettős membrán elméleten alapul. Az oxigén tömegtranszfer folyamata az (1) egyenlettel fejezhető ki.

Ahol: dc/dt - tömegátadási sebesség, azaz az egységnyi víz térfogatára jutó oxigén mennyisége egységnyi idő alatt, mg/(Ls).

KLa - a levegőztető teljes oxigénátadási tényezője a vizsgálati körülmények között, min-1 ;

C* - telített oldott oxigén vízben, mg/L.

Ct - oldott oxigén a vízben a levegőztetés pillanatában t, mg/L.

Ha a teszt hőmérséklete nem 20 fok, a (2) egyenlet használható a KLa korrekciójára:

Az oxigenizációs kapacitást (OC, kg/h) a (3) egyenlet fejezi ki.

Hol: V - levegőztető medence térfogata, m3.

Az oxigén felhasználást (SOTE, %) a (4) egyenlet fejezi ki.

Ahol: q - levegőztetési térfogat normál állapotban, m3/h.

Az elméleti teljesítményhatékonyságot [E, kg/(kW-h)] az (5) egyenlet fejezi ki.

Hol: P - levegőztető berendezés teljesítménye, kW.

A levegőztető oxigenizációs teljesítményének értékelésére általánosan használt indikátorok a teljes oxigén tömegátadási tényező KLa, oxigenizációs kapacitás OC, oxigén felhasználási arány SOTE és az elméleti energiahatékonyság E [7]. A jelenlegi tanulmányok inkább a teljes oxigéntömeg-átadási együttható, az oxigenizációs kapacitás és az oxigénfelhasználás trendjére koncentráltak, és kevésbé az elméleti teljesítményhatékonyságra [8, 9]. Az elméleti energiahatékonyság, mint az egyetlen hatékonysági index [10], tükrözheti a levegőztetési folyamat energiafogyasztási problémáját, amelyre a kísérlet fókuszában áll.

2.2 A levegőztetés hatása az oxigénellátási teljesítményre

Az oxigenizációs teljesítményt különböző levegőztetési szinteken a 200 μm pórusméretű levegőztető alsó 2 m-es levegőztetésével értékeltük, az eredményeket a 2. ábra mutatja.

2. ábra A K és az oxigén felhasználás változása a levegőztetés sebességével

Amint a 2. ábrán látható, a KLa fokozatosan növekszik a levegőztetési térfogat növekedésével. Ennek főként az az oka, hogy minél nagyobb a levegőztetési térfogat, annál nagyobb a gáz-folyadék érintkezési felület, és annál nagyobb az oxigénellátás hatékonysága. Másrészt egyes kutatók azt találták, hogy az oxigénfelhasználás mértéke a levegőztetés térfogatának növekedésével csökkent, és ebben a kísérletben is hasonló helyzetet találtak. Ennek az az oka, hogy bizonyos vízmélység mellett a buborékok tartózkodási ideje a vízben megnő, ha a levegőztetési térfogat kicsi, és a gáz-folyadék érintkezési idő meghosszabbodik; nagy levegőztetési térfogat esetén a víztest zavarása erős, és az oxigén nagy része nem hasznosul hatékonyan, és végül buborékok formájában a levegőbe kerül a víz felszínéről. Az ebből a kísérletből származó oxigén felhasználási arány nem volt magas az irodalomhoz képest, valószínűleg azért, mert a reaktor magassága nem volt elég magas, és nagy mennyiségű oxigén távozott anélkül, hogy érintkezett volna a vízoszloppal, csökkentve az oxigén felhasználási sebességet.

Az elméleti hatásfok (E) változását levegőztetéssel a 3. ábra mutatja.

3. ábra Elméleti energiahatékonyság a levegőztetési térfogat függvényében

Amint a 3. ábrán látható, az elméleti teljesítményhatékonyság fokozatosan csökken a levegőztetés növekedésével. Ennek az az oka, hogy bizonyos vízmélységi viszonyok között a levegőztetési térfogat növekedésével a standard oxigénátadási sebesség növekszik, de a fúvó által felhasznált hasznos munka növekedése jelentősebb, mint a normál oxigénátadási sebesség növekedése, így az elméleti teljesítményhatékonyság. csökken a levegőztetési térfogat növekedésével a kísérletben vizsgált levegőztetési térfogat tartományon belül. ábra trendjeit kombinálva. A 2. és 3. ábrán látható, hogy a legjobb oxigenizációs teljesítmény 0,5 m3/h levegőztetési térfogat mellett érhető el.

2.3 A pórusméret hatása az oxigenizációs teljesítményre

A pórusméret nagyban befolyásolja a buborékok képződését, minél nagyobb a pórusméret, annál nagyobb a buborék mérete. A becsapódás oxigenizációs teljesítményére kifejtett buborékok főként két vonatkozásban nyilvánulnak meg: Először is, minél kisebbek az egyes buborékok, minél nagyobb a buborékok teljes fajlagos felülete, minél nagyobb a gáz-folyadék tömegtranszfer érintkezési felülete, annál jobban elősegíti a buborékok átvitelét. oxigén; Másodszor, minél nagyobbak a buborékok, annál erősebb a víz keverésének szerepe, minél gyorsabb a gáz-folyadék keveredés között, annál jobb az oxigenizáció hatása. A tömegátviteli folyamatban gyakran az első pont játszik főszerepet. A teszt a levegőztetés térfogata 0,5 m3/h-ra lesz beállítva, a pórusméret KLa-ra és oxigénhasznosításra gyakorolt ​​hatásának vizsgálatára, lásd a 4. ábrát.

4. ábra A KLa és az oxigén felhasználás változási görbéi a pórusmérettel

Amint a 4. ábrán látható, mind a KLa, mind az oxigén felhasználás csökkent a pórusméret növekedésével. Azonos vízmélység és levegőztetési térfogat mellett az 50 μm-es nyílású levegőztető KLa körülbelül háromszorosa az 1,000 μm-es nyílású levegőztetőének. Ezért, ha a levegőztetőt egy bizonyos mélységű vízbe telepítik, annál kisebb a levegőztető oxigénellátó kapacitásának nyílása és annál nagyobb az oxigénfelhasználás.

Az elméleti teljesítményhatékonyság változását a pórusméret függvényében az 5. ábra mutatja.

5. ábra Elméleti hatásfok a pórusméret függvényében

Amint az 5. ábrán látható, az elméleti teljesítményhatékonyság a rekesznyílás méretének növekedésével növekvő, majd csökkenő tendenciát mutat. Ennek az az oka, hogy egyrészt a kis nyílású levegőztető nagyobb KLa és oxigénellátó kapacitással rendelkezik, ami elősegíti az oxigénellátást. Másrészt az ellenállásveszteség bizonyos vízmélység alatt a nyílás átmérőjének csökkenésével nő. Ha a promóciós hatás ellenállásveszteségének pórusméret-csökkenése nagyobb, mint az oxigén tömegátadás szerepe, az elméleti teljesítményhatékonyság csökken a pórusméret csökkenésével. Ezért, ha a nyílás átmérője kicsi, az elméleti teljesítményhatékonyság a rekeszátmérő növekedésével növekszik, és a nyílás átmérője 200 μm, hogy elérje a maximális 1,91 kg/(kW-h) értéket; ha a nyílás átmérője > 200 μm, a levegőztetési folyamat ellenállásvesztesége már nem játszik domináns szerepet a levegőztetési folyamatban, a levegőztető nyílásátmérőjének növekedésével csökken a KLa és az oxigenizációs kapacitás, így az elméleti az energiahatékonyság jelentős csökkenő tendenciát mutat.

2.4 A telepítési vízmélység hatása az oxigénellátási teljesítményre

A víz mélysége, amelyben a levegőztető be van szerelve, nagyon jelentős hatással van a levegőztető és oxigénellátó hatásra. A kísérleti vizsgálat célja egy 2 m-nél kisebb, sekély vízcsatorna volt. A levegőztető levegőztetési mélységét a medence vízmélysége határozta meg. A jelenlegi tanulmányok főként a levegőztető merülési mélységére fókuszálnak (azaz a levegőztetőt a medence aljára szerelik fel, és a vízmennyiség növelésével növelik a vízmélységet), a teszt pedig főként a perlátor beépítési mélységére fókuszál. levegőztető (azaz a medencében lévő víz mennyiségét állandóan tartják, és a levegőztető beépítési magasságát úgy állítják be, hogy megtalálják a legjobb vízmélységet a levegőztető hatás érdekében), valamint a KLa és az oxigén felhasználás változása a víz mélységével látható a 6. ábrán.

6. ábra A K és az oxigén felhasználás változási görbéi a vízmélységgel

A 6. ábrán látható, hogy a vízmélység növekedésével mind a KLa, mind az oxigénfelhasználás egyértelműen növekvő tendenciát mutat, a KLa több mint négyszeres eltérést mutat 0,8 m vízmélységnél és 2 m vízmélységnél. Ennek az az oka, hogy minél mélyebb a víz, minél hosszabb a buborékok tartózkodási ideje a vízoszlopban, minél hosszabb a gáz-folyadék érintkezési idő, annál jobb az oxigénátadó hatás. Ezért minél mélyebbre van beépítve a levegőztető, annál kedvezőbb az oxigénellátó kapacitás és az oxigén felhasználás. De a vízmélység beépítése növekszik, ugyanakkor az ellenállási veszteség is megnő, az ellenállási veszteség leküzdéséhez növelni kell a levegőztetés mértékét, ami elkerülhetetlenül az energiafogyasztás és az üzemeltetési költségek növekedéséhez vezet. Ezért az optimális beépítési mélység eléréséhez szükséges az elméleti teljesítményhatékonyság és a vízmélység kapcsolatának értékelése, lásd az 1. táblázatot.

Az 1. táblázat azt mutatja, hogy az elméleti energiahatékonyság rendkívül alacsony 0,8 m-es beépítési mélység mellett, mindössze 0,5 kg/(kW-h), így a sekély víz levegőztetése nem megfelelő. A vízmélység 1,1 ~ 1,5 m tartományba történő beépítése az oxigenizációs kapacitás jelentős növekedése miatt, míg a levegőztető ellenállási hatása nem szembetűnő, így az elméleti hatásfok gyorsan növekszik. Ahogy a vízmélység tovább növekszik 1,8 m-re, az ellenállásveszteség hatása az oxigenizációs teljesítményre egyre jelentősebbé válik, aminek következtében az elméleti hatásfok növekedése kiegyenlítődik, de továbbra is növekvő tendenciát mutat, és a telepítésben A 2 m-es vízmélység elméleti hatásfoka eléri az 1,97 kg/(kW-h) maximumot. Ezért a 2 m-nél kisebb csatornáknál az optimális oxigénellátás érdekében az alsó levegőztetést részesítjük előnyben.

Következtetés

A mikropórusos levegőztetési tiszta víz oxigenizációs tesztjének statikus, nem stacionárius módszerével a tesztvízmélységben (< 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.

Az elméleti energiahatékonyság a hatékonyság egyetlen mutatója. A tesztkörülmények között az elméleti teljesítményhatékonyság a levegőztetéssel és a vízmélység beépítésével növekszik, a nyílás növekedésével először nő, majd csökken. A vízmélység és a nyílás felszerelésének ésszerű kombinációnak kell lennie annak érdekében, hogy az oxigenizációs teljesítmény a legjobb legyen, általában minél nagyobb a levegőztető nyílás vízválasztási mélysége, annál nagyobb.

A vizsgálati eredmények azt mutatják, hogy nem szabad sekély víz levegőztetést alkalmazni. 2 m beépítési mélységnél 0,5 m3/h levegőztetési térfogat és 200 μm pórusméretű levegőztető 1,97 kg/(kW-h) maximális elméleti teljesítményhatékonyságot eredményezett.