Prezračevanje s finimi mehurčki Oksigenacija-Aquasust

Poročilo o preskusu

V sistemu čiščenja odpadne vode postopek prezračevanja predstavlja 45 % do 75 % porabe energije celotne čistilne naprave, da bi izboljšali učinkovitost prenosa kisika v procesu prezračevanja, se trenutna čistilna naprava običajno uporablja v mikroporoznih čistilnih napravah. prezračevalni sistemi. V primerjavi s prezračevalnim sistemom velikih in srednje velikih mehurčkov lahko mikroporozni prezračevalni sistem prihrani približno 50 % porabe energije. Kljub temu je tudi stopnja izkoriščenosti kisika v procesu prezračevanja v območju od 20 do 30 %. Poleg tega je bilo na Kitajskem več območij, kjer se tehnologija mikroporoznega prezračevanja uporablja za čiščenje onesnaženih rek, vendar ni raziskav o tem, kako razumno izbrati mikroporozne aeratorje za različne vodne razmere. Zato je optimizacija parametrov delovanja mikroporoznega aeratorja za oksigenacijo za dejansko proizvodnjo in uporabo zelo pomembna.

Obstaja veliko dejavnikov, ki vplivajo na delovanje mikroporoznega prezračevanja in oksigenacije, med katerimi so najpomembnejši volumen prezračevanja, velikost por in globina vgradnje vode.

Trenutno je doma in v tujini manj študij o razmerju med zmogljivostjo oksigenacije mikroporoznega aeratorja ter velikostjo por in globino vgradnje. Raziskava se bolj osredotoča na izboljšanje skupnega koeficienta prenosa mase kisika in kapacitete oksigenacije, zanemarja pa problem porabe energije v procesu prezračevanja. Kot glavni raziskovalni indeks vzamemo teoretični izkoristek moči, skupaj z zmogljivostjo oksigenacije in trendom izkoriščenosti kisika, na začetku optimiziramo prostornino prezračevanja, premer odprtine in globino namestitve, ko je učinkovitost prezračevanja najvišja, da zagotovimo referenco za uporabo tehnologije mikroporoznega prezračevanja v dejanskem projektu.

1.Materiali in metode

1.1 Testna postavitev

Preskusna postavitev je bila izdelana iz pleksi stekla, glavno telo pa je bila cilindrična prezračevalna posoda velikosti D {{0}}.4 m × 2 m s sondo za raztopljeni kisik, nameščeno 0,5 m pod vodno gladino (prikazano na sliki 1). ).

Slika 1 Nastavitev preskusa prezračevanja in oksigenacije

1.2 Testni materiali

Mikroporozni aerator, izdelan iz gumijaste membrane, premer 215 mm, velikost por 50, 100, 200, 500, 1 000 μm. sension378 namizni tester raztopljenega kisika, HACH, ZDA. Merilnik pretoka plinskega rotorja, območje 0~3 m3/h, natančnost ±0,2%. HC-S puhalo. Katalizator: CoCl2-6H2O, analitsko čist; Deoksidant: Na2SO3, analizno čist.

1.3 Preskusna metoda

Preskus je bil izveden s statično nestacionarno metodo, tj. Na2SO3 in CoCl2-6H2O sta bila med preskusom najprej dozirana za deoksigenacijo, prezračevanje pa se je začelo, ko se je raztopljeni kisik v vodi zmanjšal na {{5} }. Zabeležene so bile spremembe koncentracije raztopljenega kisika v vodi skozi čas in izračunana vrednost KLa. Učinkovitost oksigenacije je bila testirana pri različnih prostorninah prezračevanja (0,5, 1, 1,5, 2, 2,5, 3 m3/h), različnih velikostih por (50, 100, 200, 500, 1,000 μm) in različne globine vode (0,8, 1,1, 1,3, 1,5, 1,8, 2,0 m), sklicevanje pa je bilo tudi na CJ/T

3015.2 -1993 "Določanje učinkovitosti oksigenacije čiste vode aeratorja" in standardi testiranja oksigenacije čiste vode Združenih držav Amerike.

2. Rezultati in razprava

2.1 Princip testa

Osnovno načelo preskusa temelji na teoriji dvojne membrane, ki jo je predlagal Whitman leta 1923. Proces prenosa mase kisika je mogoče izraziti z enačbo (1).

Kjer je: dc/dt - hitrost prenosa mase, tj. količina kisika, prenesena na prostorninsko enoto vode na časovno enoto, mg/(Ls).

KLa - skupni koeficient prenosa kisika aeratorja pri preskusnih pogojih, min-1 ;

C* - nasičen raztopljen kisik v vodi, mg/L.

Ct - raztopljeni kisik v vodi v trenutku prezračevanja t, mg/L.

Če preskusna temperatura ni 20 stopinj, se lahko za popravek KLa uporabi enačba (2):

Zmogljivost oksigenacije (OC, kg/h) je izražena z enačbo (3).

Kje: V - prostornina prezračevalnega bazena, m3.

Izkoristek kisika (SOTE, %) je izražen z enačbo (4).

Kjer je: q - prostornina prezračevanja v standardnem stanju, m3/h.

Teoretični izkoristek moči [E, kg/(kW-h)] je izražen z enačbo (5).

Kje: P - moč prezračevalne opreme, kW.

Pogosto uporabljeni indikatorji za ocenjevanje učinkovitosti oksigenacije aeratorja so skupni koeficient prenosa mase kisika KLa, kapaciteta oksigenacije OC, stopnja izkoristka kisika SOTE in teoretični izkoristek moči E [7]. Obstoječe študije so se bolj osredotočale na trende skupnega koeficienta prenosa mase kisika, kapacitete oksigenacije in izkoristka kisika ter manj na teoretični izkoristek moči [8, 9]. Teoretični izkoristek moči kot edini indeks učinkovitosti [10] lahko odraža problem porabe energije v procesu prezračevanja, ki je v središču tega eksperimenta.

2.2 Vpliv prezračevanja na učinkovitost oksigenacije

Učinkovitost oksigenacije pri različnih stopnjah prezračevanja je bila ocenjena z prezračevanjem na dnu 2 m prezračevalnika z velikostjo por 200 μm, rezultati pa so prikazani na sliki 2.

Slika 2 Sprememba izkoriščenosti K in kisika s stopnjo prezračevanja

Kot je razvidno iz slike 2, se KLa postopoma povečuje s povečanjem prostornine prezračevanja. To je predvsem zato, ker večji kot je prezračevalni volumen, večja je kontaktna površina plina in tekočine in večja je učinkovitost oksigenacije. Po drugi strani pa so nekateri raziskovalci ugotovili, da se je stopnja izkoriščenosti kisika zmanjšala s povečanjem prostornine prezračevanja in podobno stanje je bilo ugotovljeno v tem poskusu. To je zato, ker se pod določeno globino vode čas zadrževanja mehurčkov v vodi poveča, ko je prostornina prezračevanja majhna, čas stika med plinom in tekočino pa se podaljša; ko je prezračevalni volumen velik, je motnja vodnega telesa močna, večina kisika pa ni učinkovito izkoriščena in se sčasoma sprosti s površine vode v obliki mehurčkov v zrak. Stopnja izkoriščenosti kisika, pridobljena s tem poskusom, ni bila visoka v primerjavi z literaturo, verjetno zato, ker višina reaktorja ni bila dovolj visoka in je velika količina kisika ušla, ne da bi prišla v stik z vodnim stolpcem, kar je zmanjšalo stopnjo izkoriščenosti kisika.

Sprememba teoretičnega izkoristka moči (E) z zračenjem je prikazana na sliki 3.

Slika 3 Teoretični izkoristek moči glede na prostornino prezračevanja

Kot je razvidno iz slike 3, se teoretični izkoristek moči postopoma zmanjšuje s povečanjem prezračevanja. To je zato, ker se standardna stopnja prenosa kisika poveča s povečanjem prostornine prezračevanja pod določenimi pogoji globine vode, vendar je povečanje koristnega dela, ki ga porabi puhalo, pomembnejše od povečanja standardne hitrosti prenosa kisika, tako da je teoretična energetska učinkovitost se zmanjša s povečanjem volumna prezračevanja znotraj območja prezračevalnega volumna, preučenega v poskusu. Če združimo trende na sl. 2 in 3 je mogoče ugotoviti, da je najboljša učinkovitost oksigenacije dosežena pri prostornini prezračevanja 0,5 m3/h.

2.3 Vpliv velikosti por na učinkovitost oksigenacije

Velikost por ima velik vpliv na nastanek mehurčkov, večja kot je velikost por, večji je mehurček. Učinek mehurčkov na oksigenacijo se v glavnem kaže v dveh vidikih: Prvič, manjši kot so posamezni mehurčki, večja je skupna specifična površina mehurčkov, večja je kontaktna površina prenosa mase plin-tekočina, bolj ugodno za prenos kisik; Drugič, večji kot so mehurčki, močnejša je vloga mešanja vode, hitrejše je mešanje plina in tekočine, boljši je učinek oksigenacije. Pogosto ima prva točka v procesu prenosa mase pomembno vlogo. Preskus bo prostornina prezračevanja nastavljena na 0,5 m3/h, da se preuči učinek velikosti por na KLa in izrabo kisika, glejte sliko 4.

Slika 4 Krivulje variacije KLa in izkoriščenosti kisika glede na velikost por

Kot je razvidno iz slike 4, sta se poraba KLa in kisika zmanjšala s povečanjem velikosti por. Pod pogojem enake globine vode in prostornine prezračevanja je KLa prezračevalnika z odprtino 50 μm približno trikrat večji od KLa prezračevalnika z odprtino 1,000 μm. Zato je, ko je aerator nameščen v določeni globini vode, manjša kot je odprtina prezračevalne zmogljivosti oksigenacije in večja je izraba kisika.

Sprememba teoretičnega izkoristka moči z velikostjo por je prikazana na sliki 5.

Slika 5 Teoretični izkoristek moči glede na velikost por

Kot je razvidno iz slike 5, kaže teoretični izkoristek moči trend naraščanja in nato padanja s povečanjem velikosti zaslonke. To je zato, ker ima po eni strani aerator z majhno odprtino večjo KLa in oksigenacijsko zmogljivost, kar je ugodno za oksigenacijo. Po drugi strani pa se izguba upora pod določeno globino vode poveča z zmanjšanjem premera odprtine. Ko je zmanjšanje velikosti por zaradi izgube upora pri promocijskem učinku večje od vloge prenosa mase kisika, se bo teoretična učinkovitost moči zmanjšala z zmanjšanjem velikosti por. Zato, ko je premer odprtine majhen, se bo teoretični izkoristek energije povečal s povečanjem premera odprtine in premer odprtine 200 μm, da doseže največjo vrednost 1,91 kg/(kW-h); ko je premer odprtine > 200 μm, izguba upora v procesu prezračevanja ne igra več prevladujoče vloge v procesu prezračevanja, KLa in zmogljivost oksigenacije se s povečanjem premera odprtine prezračevalnika zmanjšata, zato se teoretično energetska učinkovitost kaže precejšen trend upadanja.

2.4 Vpliv globine vode v namestitvi na učinkovitost oksigenacije

Globina vode, v kateri je prezračevalnik nameščen, zelo pomembno vpliva na učinek prezračevanja in oksigenacije. Cilj eksperimentalne študije je bil plitvi vodni kanal, manjši od 2 m. Globina prezračevanja aeratorja je bila določena z globino vode v bazenu. Obstoječe študije se osredotočajo predvsem na potopljeno globino aeratorja (tj. aerator je nameščen na dnu bazena, globina vode pa se poveča s povečanjem količine vode), test pa se osredotoča predvsem na globino vgradnje aeratorja. aerator (tj. količina vode v bazenu je konstantna, višina namestitve aeratorja pa je prilagojena, da se najde najboljša globina vode za učinek prezračevanja) ter spremembe KLa in izrabe kisika z globino vode so prikazani na sliki 6.

Slika 6 Variacijske krivulje porabe K in kisika z globino vode

Slika 6 kaže, da s povečanjem globine vode tako KLa kot izkoriščenost kisika kažeta jasen trend naraščanja, pri čemer se KLa razlikuje za več kot štirikrat pri 0.8 m globine vode in 2 m globine vode. To je zato, ker globlje kot je voda, daljši kot je čas zadrževanja mehurčkov v vodnem stolpcu, daljši kot je kontaktni čas plina in tekočine, boljši je učinek prenosa kisika. Zato globlje kot je prezračevalnik nameščen, bolj je ugoden za zmogljivost oksigenacije in izkoristek kisika. Toda namestitev globine vode se poveča, hkrati pa se bo povečala tudi izguba upora, da bi premagali izgubo upora, je treba povečati količino prezračevanja, kar bo neizogibno povzročilo povečanje porabe energije in obratovalnih stroškov. Zato je za pridobitev optimalne globine vgradnje potrebno oceniti razmerje med teoretično učinkovitostjo moči in globino vode, glejte tabelo 1.

Tabela 1 kaže, da je teoretični izkoristek energije izjemno nizek pri globini namestitve 0,8 m, s samo 0,5 kg/(kW-h), zaradi česar je prezračevanje plitve vode neprimerno. Namestitev globine vode v območju 1,1 ~ 1,5 m, zaradi znatnega povečanja zmogljivosti oksigenacije, medtem ko aerator z upornostjo ni očiten, zato se teoretična učinkovitost energije hitro poveča. Ko se globina vode dodatno poveča na 1,8 m, postane učinek izgube upora na zmogljivost oksigenacije vse pomembnejši, zaradi česar se rast teoretičnega izkoristka moči umirja, vendar še vedno kaže trend naraščanja, in v namestitvi globine vode 2 m doseže teoretični izkoristek moči največ 1,97 kg/(kW-h). Zato je za kanale < 2 m prednostno prezračevanje dna za optimalno oksigenacijo.

Zaključek

Z uporabo statične nestacionarne metode za preskus oksigenacije čiste vode z mikroporozno prezračevanjem v preskusni globini vode (< 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.

Teoretični izkoristek moči je edini pokazatelj učinkovitosti. V testnih pogojih se teoretični izkoristek moči s prezračevanjem in vgradnjo globine vode poveča, s povečanjem odprtine se najprej poveča in nato zmanjša. Namestitev globine vode in odprtine mora biti razumna kombinacija, da se doseže najboljša učinkovitost oksigenacije, na splošno velja, da večja kot je globina izbire vode odprtine prezračevalnika, večja je.

Rezultati preskusa kažejo, da se prezračevanje plitve vode ne sme uporabljati. Pri globini vgradnje 2 m je prostornina prezračevanja 0,5 m3/h in aerator z velikostjo por 200 μm povzročila največjo teoretično močnostno učinkovitost 1,97 kg/(kW-h).