Jemné bublinkové provzdušňování Okysličování-Aquasust

Testovací zpráva

V systému čištění odpadních vod představuje proces provzdušňování 45 % až 75 % energetické spotřeby celé čistírny odpadních vod, aby se zlepšila účinnost přenosu kyslíku v procesu provzdušňování, současná čistírna odpadních vod se běžně používá v mikroporézních provzdušňovací systémy. Ve srovnání s provzdušňovacím systémem velkých a středně velkých bublin může mikroporézní provzdušňovací systém ušetřit asi 50 % spotřeby energie. Přesto je míra využití kyslíku jeho provzdušňovacím procesem rovněž v rozmezí 20 % až 30 %. Kromě toho se v Číně objevilo více oblastí, kde se používá technologie mikroporézního provzdušňování pro úpravu znečištěných řek, ale neexistuje žádný výzkum, jak rozumně vybrat mikroporézní provzdušňovače pro různé vodní podmínky. Proto má velký význam optimalizace výkonových parametrů okysličování mikroporézního provzdušňovače pro vlastní výrobu a aplikaci.

Existuje mnoho faktorů ovlivňujících výkon mikroporézního provzdušňování a okysličování, z nichž nejdůležitější jsou objem provzdušňování, velikost pórů a instalace hloubky vody.

V současné době existuje méně studií o vztahu mezi výkonem okysličování mikroporézního provzdušňovače a velikostí pórů a hloubkou instalace doma i v zahraničí. Výzkum se více zaměřuje na zlepšení koeficientu přenosu celkové hmoty kyslíku a okysličovací kapacity a zanedbává problém spotřeby energie v procesu provzdušňování. Jako hlavní výzkumný index bereme teoretickou energetickou účinnost, kombinovanou s okysličovací kapacitou a trendem využití kyslíku, zpočátku optimalizujeme objem provzdušňování, průměr otvoru a hloubku instalace, když je účinnost provzdušňování nejvyšší, abychom poskytli referenci pro aplikaci. mikroporézní technologie provzdušňování v aktuálním projektu.

1.Materiály a metody

1.1 Testovací nastavení

Testovací zařízení bylo vyrobeno z plexiskla a hlavním tělem byla válcová provzdušňovací nádrž D {{0}},4 m × 2 m se sondou rozpuštěného kyslíku umístěnou 0,5 m pod hladinou vody (zobrazeno na obrázku 1 ).

Obrázek 1 Nastavení testu provzdušňování a okysličování

1.2 Zkušební materiály

Mikroporézní provzdušňovač, vyrobený z pryžové membrány, průměr 215 mm, velikost pórů 50, 100, 200, 500, 1 000 μm. Sension378 stolní tester rozpuštěného kyslíku, HACH, USA. Průtokoměr plynového rotoru, rozsah 0~3 m3/h, přesnost ±0,2 %. Dmychadlo HC-S. Katalyzátor: CoCl2-6H2O, analyticky čistý; Deoxidant: Na2SO3, analyticky čistý.

1.3 Zkušební metoda

Test byl proveden pomocí statické nestacionární metody, tj. nejprve byly během testu dávkovány Na2SO3 a CoCl2-6H2O pro deoxygenaci a aerace byla zahájena, když byl rozpuštěný kyslík ve vodě snížen na {{5} }. Byly zaznamenávány změny koncentrace rozpuštěného kyslíku ve vodě v průběhu času a byla vypočtena hodnota KLa. Výkon okysličování byl testován při různých objemech provzdušňování (0,5, 1, 1,5, 2, 2,5, 3 m3/h), různých velikostech pórů (50, 100, 200, 500, 1,000 μm) a různé hloubky vody (0,8, 1,1, 1,3, 1,5, 1,8, 2,0 m) a odkazovalo se také na CJ/T

3015.

2.Výsledky a diskuse

2.1 Princip testu

Základní princip testu je založen na teorii dvojité membrány navržené Whitmanem v roce 1923. Proces přenosu hmoty kyslíku lze vyjádřit rovnicí (1).

Kde: dc/dt - rychlost přenosu hmoty, tj. množství kyslíku přeneseného na jednotku objemu vody za jednotku času, mg/(Ls).

KLa - celkový koeficient přenosu kyslíku provzdušňovače za testovacích podmínek, min-1 ;

C* - nasycený rozpuštěný kyslík ve vodě, mg/L.

Ct - rozpuštěný kyslík ve vodě v okamžiku provzdušnění t, mg/L.

Pokud zkušební teplota není 20 stupňů, lze pro korekci KLa použít rovnici (2):

Okysličovací kapacita (OC, kg/h) je vyjádřena rovnicí (3).

Kde: V - objem aeračního bazénu, m3.

Využití kyslíku (SOTE, %) vyjadřuje rovnice (4).

Kde: q - objem provzdušňování ve standardním stavu, m3/h.

Teoretická energetická účinnost [E, kg/(kW-h)] je vyjádřena rovnicí (5).

Kde: P - výkon provzdušňovacího zařízení, kW.

Běžně používanými ukazateli pro hodnocení výkonu okysličování provzdušňovače jsou celkový koeficient přestupu hmoty kyslíku KLa, okysličovací kapacita OC, míra využití kyslíku SOTE a teoretická energetická účinnost E [7]. Stávající studie se více zaměřily na trendy celkového součinitele přenosu kyslíku, oxygenační kapacity a využití kyslíku a méně na teoretickou energetickou účinnost [8, 9]. Teoretická energetická účinnost jako jediný index účinnosti [10] může odrážet problém spotřeby energie v procesu provzdušňování, na který se tento experiment zaměřuje.

2.2 Vliv provzdušňování na výkon okysličování

Výkon oxygenace při různých úrovních provzdušňování byl hodnocen provzdušňováním na dně 2 m aerátoru o velikosti pórů 200 μm a výsledky jsou uvedeny na obr. 2. Obr.

Obr. 2 Variace využití K a kyslíku s rychlostí provzdušňování

Jak je patrné z obr. 2, KLa se postupně zvyšuje s rostoucím objemem provzdušňování. Je to hlavně proto, že čím větší je objem provzdušňování, tím větší je kontaktní plocha plynu a kapaliny a tím vyšší je účinnost okysličování. Na druhou stranu někteří výzkumníci zjistili, že míra využití kyslíku klesala s rostoucím objemem provzdušňování a podobná situace byla zjištěna v tomto experimentu. Je tomu tak proto, že pod určitou hloubkou vody se při malém objemu provzdušňování prodlouží doba zdržení bublin ve vodě a prodlouží se doba kontaktu plynu s kapalinou; když je objem provzdušňování velký, je narušení vodního útvaru silné a většina kyslíku není efektivně využita a nakonec se uvolňuje z povrchu vody ve formě bublin do vzduchu. Míra využití kyslíku odvozená z tohoto experimentu nebyla ve srovnání s literaturou vysoká, pravděpodobně proto, že výška reaktoru nebyla dostatečně vysoká a velké množství kyslíku uniklo bez kontaktu s vodním sloupcem, což snižovalo míru využití kyslíku.

Změna teoretické energetické účinnosti (E) s provzdušňováním je znázorněna na obr. 3. Obr.

Obr. 3 Teoretická energetická účinnost versus aerační objem

Jak je vidět na obr. 3, teoretická energetická účinnost postupně klesá s rostoucím provzdušňováním. Je to proto, že standardní rychlost přenosu kyslíku se zvyšuje se zvýšením objemu provzdušňování za určitých podmínek hloubky vody, ale zvýšení užitečné práce spotřebované dmychadlem je významnější než zvýšení standardní rychlosti přenosu kyslíku, takže teoretická energetická účinnost klesá s rostoucím objemem provzdušňování v rozsahu objemu provzdušňování zkoumaného v experimentu. Kombinací trendů na Obr. 2 a 3 lze zjistit, že nejlepšího výkonu okysličování je dosaženo při objemu provzdušňování 0,5 m3/h.

2.3 Vliv velikosti pórů na výkon okysličování

Velký vliv na tvorbu bublin má velikost pórů, čím větší velikost pórů, tím větší velikost bubliny. Bubliny na okysličovacím výkonu nárazu se projevují hlavně ve dvou aspektech: Za prvé, čím menší jsou jednotlivé bubliny, tím větší je celkový specifický povrch bublin, čím větší je kontaktní plocha pro přenos hmoty plyn-kapalina, tím více přispívá k přenosu kyslík; Za druhé, čím větší jsou bubliny, tím silnější je role míchání vody, míšení plynu a kapaliny mezi tím rychleji, tím lepší je účinek okysličení. Často hraje hlavní roli první bod v procesu přenosu hmoty. Testem bude aerační objem nastavený na 0,5 m3/h, aby se prozkoumal vliv velikosti pórů na KLa a využití kyslíku, viz obrázek 4.

Obr. 4 Variační křivky KLa a využití kyslíku s velikostí pórů

Jak je vidět z obr. 4, jak KLa, tak využití kyslíku klesaly s rostoucí velikostí pórů. Při stejné hloubce vody a provzdušňovacím objemu je KLa 50μm aperátoru asi třikrát větší než 1,000 μm aperátoru. Proto, když je provzdušňovač instalován v určité hloubce vody, tím menší je otvor okysličovací kapacity aerátoru a tím větší je využití kyslíku.

Změna teoretické energetické účinnosti s velikostí pórů je znázorněna na obr. 5. Obr.

Obr. 5 Teoretická energetická účinnost vs. velikost pórů

Jak je vidět z obr. 5, teoretická energetická účinnost ukazuje trend rostoucí a následně klesající s rostoucí velikostí otvoru. Je to proto, že na jedné straně má provzdušňovač s malou aperturou větší KLa a okysličovací kapacitu, což přispívá k okysličení. Na druhé straně ztráta odporu pod určitou hloubkou vody roste se zmenšováním průměru otvoru. Když je snížení velikosti pórů na ztrátu odporu podpůrného účinku větší než úloha přenosu hmoty kyslíku, teoretická energetická účinnost se sníží se snížením velikosti pórů. Proto, když je průměr apertury malý, teoretická energetická účinnost se bude zvyšovat s rostoucím průměrem apertury a průměrem apertury 200 μm k dosažení maximální hodnoty 1,91 kg/(kW-h); když je průměr otvoru > 200 μm, ztráta odporu v procesu provzdušňování již nehraje v procesu provzdušňování dominantní roli, KLa a okysličovací kapacita se se zvětšením průměru otvoru aerátoru sníží, a proto se teoretická energetická účinnost vykazuje výrazný klesající trend.

2.4 Vliv hloubky instalace vody na výkon okysličování

Velmi podstatný vliv na provzdušňovací a okysličovací efekt má hloubka vody, ve které je perlátor instalován. Cílem experimentální studie byl mělký vodní kanál menší než 2 m. Hloubka provzdušňování perlátoru byla určena hloubkou vody v bazénu. Stávající studie se zaměřují především na hloubku ponoření provzdušňovače (tj. provzdušňovač je instalován na dně bazénu a hloubka vody se zvyšuje zvýšením množství vody) a test se zaměřuje především na hloubku instalace provzdušňovače. perlátor (tj. množství vody v bazénu je udržováno konstantní a výška instalace perlátoru je nastavena tak, aby byla nalezena nejlepší hloubka vody pro efekt provzdušňování), a změny KLa a využití kyslíku s hloubkou vody jsou zobrazeno v Obr.

Obr. 6 Variační křivky využití K a kyslíku s hloubkou vody

Obrázek 6 ukazuje, že s rostoucí hloubkou vody vykazuje KLa i využití kyslíku jasný rostoucí trend, přičemž KLa se liší více než čtyřnásobně při 0,8 m hloubce vody a 2 m hloubce vody. Je to proto, že čím je voda hlouběji, tím delší je doba setrvání bublin ve vodním sloupci, čím delší je doba kontaktu plynu s kapalinou, tím lepší je účinek přenosu kyslíku. Proto čím hlouběji je provzdušňovač instalován, tím více přispívá k okysličovací kapacitě a využití kyslíku. Ale instalace hloubky vody se zvyšuje zároveň se zvýší i ztráta odporu, aby se překonala ztráta odporu, je nutné zvýšit množství provzdušňování, což nevyhnutelně povede ke zvýšení spotřeby energie a provozních nákladů. Proto, abychom získali optimální hloubku instalace, je nutné vyhodnotit vztah mezi teoretickou energetickou účinností a hloubkou vody, viz tabulka 1.

Tabulka 1 ukazuje, že teoretická energetická účinnost je extrémně nízká v instalační hloubce 0,8 m, pouze 0,5 kg/(kW-h), takže provzdušňování mělké vody je nevhodné. Instalace hloubky vody 1,1 ~ 1,5 m rozsahu, vzhledem k výraznému zvýšení okysličovací kapacity, zatímco provzdušňovač odporový efekt není zřejmý, takže teoretická energetická účinnost rychle roste. Jak se hloubka vody dále zvyšuje na 1,8 m, vliv ztráty odporu na výkon okysličování se stává stále významnějším, což vede k tomu, že růst teoretické energetické účinnosti má tendenci se vyrovnávat, ale stále vykazuje rostoucí trend a v instalaci z hloubky vody 2 m dosahuje teoretická energetická účinnost maximálně 1,97 kg/(kW-h). Proto je u kanálů < 2 m pro optimální okysličování preferováno provzdušňování dna.

Závěr

Použití statické nestacionární metody pro mikroporézní provzdušňování test okysličování čisté vody v testovací hloubce vody (< 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.

Teoretická energetická účinnost je jediným ukazatelem účinnosti. V testovacích podmínkách se teoretická energetická účinnost s provzdušňováním a instalací hloubky vody zvyšuje, přičemž zvětšení otvoru se nejprve zvyšuje a poté snižuje. Instalace hloubky vody a otvoru by měla být rozumnou kombinací, aby se dosáhlo co nejlepšího výkonu okysličování, obecně platí, že čím větší je výběr hloubky vody v otvoru provzdušňovače, tím větší.

Výsledky testu naznačují, že by se nemělo používat mělké provzdušňování vody. Při hloubce instalace 2 m, aeračním objemu 0,5 m3/h a aerátoru o velikosti pórů 200 μm byla dosažena maximální teoretická energetická účinnost 1,97 kg/(kW-h).