Rendiment d'oxigenació d'aireació microporosa

En el sistema de tractament d'aigües residuals, el procés d'aeració representa entre el 45% i el 75% del consum d'energia de tota la planta de tractament d'aigües residuals, per tal de millorar l'eficiència de transferència d'oxigen del procés d'aeració, l'actual depuradora d'aigües residuals s'utilitza habitualment en microporoses. sistemes d'aireació. En comparació amb el sistema d'aireació de bombolles grans i mitjanes, el sistema d'aireació microporós pot estalviar al voltant del 50% del consum d'energia. No obstant això, la taxa d'utilització d'oxigen del seu procés d'aireació també està en el rang del 20% al 30%. A més, hi ha hagut més àrees a la Xina per utilitzar la tecnologia d'aireació microporosa per al tractament de rius contaminats, però no hi ha cap investigació sobre com seleccionar raonablement airejadors microporosos per a diferents condicions d'aigua. Per tant, l'optimització dels paràmetres de rendiment d'oxigenació de l'aireador microporós per a la producció i aplicació reals és de gran importància.

Hi ha molts factors que afecten el rendiment de l'aireació microporosa i l'oxigenació, els més importants dels quals són el volum d'aireació, la mida dels porus i la instal·lació de la profunditat de l'aigua.

Actualment, hi ha menys estudis sobre la relació entre el rendiment d'oxigenació de l'aireador microporós i la mida dels porus i la profunditat d'instal·lació a casa i a l'estranger. La investigació se centra més en la millora del coeficient de transferència de massa total d'oxigen i de la capacitat d'oxigenació, i deixa de banda el problema del consum d'energia en el procés d'aireació. Prenem l'eficiència energètica teòrica com a índex principal d'investigació, combinada amb la capacitat d'oxigenació i la tendència d'utilització d'oxigen, optimitzem inicialment el volum d'aireació, el diàmetre d'obertura i la profunditat d'instal·lació quan l'eficiència d'aeració és la més alta, per proporcionar una referència per a l'aplicació. de la tecnologia d'aireació microporosa en el projecte real.

1.Materials i mètodes

1.1 Configuració de la prova

La configuració de la prova estava feta de plexiglàs, i el cos principal era un tanc d'aireació cilíndric de D {{0}},4 m × 2 m amb una sonda d'oxigen dissolt situada a 0,5 m per sota de la superfície de l'aigua (que es mostra a la figura 1). ).

Figura 1 Configuració de la prova d'aireació i oxigenació

1.2 Materials d'assaig

Airejador microporós, fet de membrana de goma, diàmetre 215 mm, mida de porus 50, 100, 200, 500, 1 000 μm. Provador d'oxigen dissolt de taula sension378, HACH, EUA. Mesurador de cabal de rotor de gas, rang 0~3 m3/h, precisió ±0,2%. Ventilador HC-S. Catalitzador: CoCl2-6H2O, analíticament pur; Desoxidant: Na2SO3, analíticament pur.

1.3 Mètode de prova

La prova es va dur a terme mitjançant el mètode estàtic no estacionari, és a dir, primer es van dosificar Na2SO3 i CoCl2-6H2O per a la desoxigenació durant la prova, i l'aireació es va iniciar quan l'oxigen dissolt a l'aigua es va reduir a {{5} }. Es van registrar els canvis en la concentració d'oxigen dissolt a l'aigua al llarg del temps i es va calcular el valor de KLa. El rendiment d'oxigenació es va provar amb diferents volums d'aireació (0,5, 1, 1,5, 2, 2,5, 3 m3/h), diferents mides de porus (50, 100, 200, 500, 1,000 μm) i diferents profunditats d'aigua (0,8, 1,1, 1,3, 1,5, 1,8, 2,0 m), i també es va fer referència a la CJ/T 3015.2 -1993 "Determinació del rendiment d'oxigenació d'aigua clara de l'aireador" i als estàndards de prova d'oxigenació d'aigua clara dels Estats Units.

2.Resultats i discussió

2.1 Principi de la prova

El principi bàsic de la prova es basa en la teoria de la doble membrana proposada per Whitman el 1923. El procés de transferència de massa d'oxigen es pot expressar en l'equació (1).

On: dc/dt - velocitat de transferència de massa, és a dir, la quantitat d'oxigen transferida per unitat de volum d'aigua per unitat de temps, mg/(Ls).

KLa - coeficient de transferència d'oxigen total de l'airejador a les condicions de prova, min-1;

C* - oxigen dissolt saturat en aigua, mg/L.

Ct - oxigen dissolt a l'aigua en el moment de l'aireació t, mg/L.

Si la temperatura de prova no és de 20 graus, es pot utilitzar l'equació (2) per corregir KLa:

La capacitat d'oxigenació (OC, kg/h) s'expressa mitjançant l'equació (3).

On: V - volum piscina d'aireació, m3.

La utilització d'oxigen (SOTE, %) s'expressa mitjançant l'equació (4).

On: q - volum d'aireació en estat estàndard, m3/h.

L'eficiència energètica teòrica [E, kg/(kW-h)] s'expressa mitjançant l'equació (5).

On: P - potència de l'equip d'aireació, kW.

Els indicadors que s'utilitzen habitualment per avaluar el rendiment d'oxigenació de l'aireador són el coeficient de transferència de massa d'oxigen total KLa, la capacitat d'oxigenació OC, la taxa d'utilització d'oxigen SOTE i l'eficiència energètica teòrica E [7]. Els estudis existents s'han centrat més en les tendències del coeficient de transferència de massa total d'oxigen, la capacitat d'oxigenació i la utilització d'oxigen, i menys en l'eficiència energètica teòrica [8, 9]. L'eficiència energètica teòrica, com a únic índex d'eficiència [10], pot reflectir el problema del consum d'energia en el procés d'aireació, que és el focus d'aquest experiment.

2.2 Efecte de l'aireació sobre el rendiment d'oxigenació

El rendiment d'oxigenació a diferents nivells d'aireació es va avaluar mitjançant l'aireació als 2 m inferiors de l'airejador amb una mida de porus de 200 μm, i els resultats es mostren a la figura 2.

Fig. 2 Variació de la utilització de K i oxigen amb la velocitat d'aireació

Com es pot veure a la figura 2, KLa augmenta gradualment amb l'augment del volum d'aireació. Això es deu principalment a que com més gran és el volum d'aireació, més gran és l'àrea de contacte gas-líquid i més gran és l'eficiència d'oxigenació. D'altra banda, alguns investigadors van trobar que la taxa d'utilització d'oxigen disminuïa amb l'augment del volum d'aireació, i es va trobar una situació similar en aquest experiment. Això és degut a que sota una certa profunditat d'aigua, el temps de residència de les bombolles a l'aigua augmenta quan el volum d'aireació és petit i el temps de contacte gas-líquid s'allarga; quan el volum d'aireació és gran, la pertorbació de la massa d'aigua és forta i la major part de l'oxigen no s'utilitza de manera eficaç i, finalment, s'allibera de la superfície de l'aigua en forma de bombolles a l'aire. La taxa d'utilització d'oxigen derivada d'aquest experiment no va ser alta en comparació amb la literatura, probablement perquè l'alçada del reactor no era prou alta i una gran quantitat d'oxigen va escapar sense entrar en contacte amb la columna d'aigua, reduint la taxa d'utilització d'oxigen.

La variació de l'eficiència energètica teòrica (E) amb l'aireació es mostra a la figura 3.

Fig. 3 Eficiència energètica teòrica en funció del volum d'aireació

Com es pot veure a la figura 3, l'eficiència energètica teòrica disminueix gradualment amb l'augment de l'aireació. Això es deu al fet que la taxa de transferència d'oxigen estàndard augmenta amb l'augment del volum d'aireació en determinades condicions de profunditat de l'aigua, però l'augment del treball útil consumit pel ventilador és més significatiu que l'augment de la taxa de transferència d'oxigen estàndard, de manera que l'eficiència energètica teòrica. disminueix amb l'augment del volum d'aireació dins del rang de volum d'aireació examinat a l'experiment. Combinant les tendències de les Figs. 2 i 3, es pot trobar que el millor rendiment d'oxigenació s'aconsegueix a un volum d'aireació de 0,5 m3/h.

2.3 Efecte de la mida dels porus sobre el rendiment d'oxigenació

La mida dels porus té una gran influència en la formació de bombolles, com més gran sigui la mida dels porus, més gran serà la mida de la bombolla. Les bombolles sobre el rendiment d'oxigenació de l'impacte es manifesten principalment en dos aspectes: en primer lloc, com més petites siguin les bombolles individuals, més gran serà la superfície específica de la bombolla global, més gran serà l'àrea de contacte de transferència de massa gas-líquid, més afavorirà la transferència de oxigen; En segon lloc, com més grans siguin les bombolles, més fort serà el paper d'agitar l'aigua, la mescla gas-líquid entre més ràpid, millor serà l'efecte de l'oxigenació. Sovint, el primer punt del procés de transferència de massa té un paper important. La prova serà el volum d'aireació ajustat a 0,5 m3/h, per examinar l'efecte de la mida dels porus sobre el KLa i la utilització d'oxigen, vegeu la figura 4.

Fig. 4 Corbes de variació de KLa i utilització d'oxigen amb la mida dels porus

Com es pot veure a la figura 4, tant la utilització de KLa com d'oxigen va disminuir amb l'augment de la mida dels porus. Amb la mateixa profunditat d'aigua i volum d'aireació, el KLa d'un airejador d'obertura de 50 μm és aproximadament tres vegades superior al de l'airejador d'obertura d'1,000 μm. Per tant, quan l'airejador s'instal·la a una certa profunditat d'aigua, més petita serà l'obertura de la capacitat d'oxigenació de l'airejador i la utilització d'oxigen.

La variació de l'eficiència energètica teòrica amb la mida dels porus es mostra a la figura 5.

Fig. 5 Eficiència energètica teòrica en funció de la mida dels porus

Com es pot veure a la figura 5, l'eficiència energètica teòrica mostra una tendència d'augment i després de disminució amb l'augment de la mida de l'obertura. Això es deu al fet que, d'una banda, l'airejador d'obertura petita té un KLa i una capacitat d'oxigenació més gran, la qual cosa afavoreix l'oxigenació. D'altra banda, la pèrdua de resistència sota una certa profunditat d'aigua augmenta amb la disminució del diàmetre de l'obertura. Quan la reducció de la mida dels porus en la pèrdua de resistència de l'efecte de promoció és més gran que el paper de la transferència de massa d'oxigen, l'eficiència energètica teòrica es reduirà amb la reducció de la mida dels porus. Per tant, quan el diàmetre de l'obertura és petit, l'eficiència energètica teòrica augmentarà amb l'augment del diàmetre de l'obertura i el diàmetre de l'obertura de 200 μm per assolir el valor màxim d'1,91 kg/(kW-h); quan el diàmetre de l'obertura és superior a 200 μm, la pèrdua de resistència en el procés d'aeració ja no té un paper dominant en el procés d'aeració, el KLa i la capacitat d'oxigenació amb l'augment del diàmetre de l'obertura de l'airejador es reduiran i, per tant, el teòric l'eficiència energètica mostra una tendència a la baixa significativa.

2.4 Efecte de la profunditat de l'aigua de la instal·lació sobre el rendiment d'oxigenació

La profunditat de l'aigua en què s'instal·la l'airejador té un efecte molt important en l'efecte d'aireació i oxigenació. L'objectiu de l'estudi experimental era un canal d'aigua poc profund de menys de 2 m. La profunditat d'aireació de l'airejador es va determinar per la profunditat de l'aigua de la piscina. Els estudis existents se centren principalment en la profunditat submergida de l'airejador (és a dir, l'airejador s'instal·la al fons de la piscina i la profunditat de l'aigua augmenta augmentant la quantitat d'aigua), i la prova se centra principalment en la profunditat d'instal·lació de la piscina. airejador (és a dir, la quantitat d'aigua a la piscina es manté constant i l'alçada d'instal·lació de l'airejador s'ajusta per trobar la millor profunditat d'aigua per a l'efecte d'aireació) i els canvis de A la figura 6 es mostra el KLa i la utilització d'oxigen amb la profunditat de l'aigua.

Fig. 6 Corbes de variació de K i utilització d'oxigen amb la profunditat de l'aigua

La figura 6 mostra que amb l'augment de la profunditat de l'aigua, tant el KLa com la utilització d'oxigen mostren una clara tendència creixent, amb KLa que difereix més de quatre vegades a 0,8 m de profunditat de l'aigua i 2 m de profunditat d'aigua. Això és degut a que com més profunda sigui l'aigua, més llarg serà el temps de residència de les bombolles a la columna d'aigua, més llarg serà el temps de contacte gas-líquid, millor serà l'efecte de transferència d'oxigen. Per tant, com més profund estigui instal·lat l'airejador, més afavorirà la capacitat d'oxigenació i la utilització d'oxigen. Però la instal·lació de la profunditat de l'aigua augmenta al mateix temps que la pèrdua de resistència també augmentarà, per tal de superar la pèrdua de resistència, cal augmentar la quantitat d'aireació, la qual cosa comportarà inevitablement un augment del consum d'energia i els costos operatius. Per tant, per obtenir la profunditat d'instal·lació òptima, cal avaluar la relació entre l'eficiència energètica teòrica i la profunditat de l'aigua, vegeu la taula 1.

La taula 1 mostra que l'eficiència energètica teòrica és extremadament baixa a una profunditat d'instal·lació de 0,8 m, amb només 0,5 kg/(kW-h), fent que l'aireació d'aigües poc profundes sigui inadequada. Instal·lació de profunditat d'aigua d'1,1 ~ 1,5 m de rang, a causa de l'augment significatiu de la capacitat d'oxigenació, mentre que l'aireador per l'efecte de resistència no és evident, de manera que l'eficiència energètica teòrica augmenta ràpidament. A mesura que la profunditat de l'aigua augmenta fins als 1,8 m, l'efecte de la pèrdua de resistència sobre el rendiment de l'oxigenació es fa cada cop més significatiu, donant lloc al creixement de l'eficiència energètica teòrica que tendeix a equilibrar-se, però encara mostra una tendència creixent i en la instal·lació. de la profunditat de l'aigua de 2 m, l'eficiència energètica teòrica arriba a un màxim d'1,97 kg/(kW-h). Per tant, per a canals < 2 m, es prefereix l'aireació del fons per a una oxigenació òptima.

Conclusió

Utilitzant el mètode estàtic no estacionari per a la prova d'oxigenació d'aigua clara d'aireació microporosa, a la profunditat de l'aigua de prova (< 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.

L'eficiència energètica teòrica és l'únic indicador d'eficàcia. En les condicions de prova, l'eficiència energètica teòrica amb l'aireació i la instal·lació de la profunditat de l'aigua augmenta, amb l'augment de l'obertura primer augmenta i després disminueix. La instal·lació de la profunditat i l'obertura de l'aigua ha de ser una combinació raonable per tal que el rendiment d'oxigenació assoleixi el millor, en general, com més gran sigui la profunditat de selecció de l'aigua de l'obertura de l'aireador, més gran.

Els resultats de la prova indiquen que no s'ha d'utilitzar aireació d'aigües poc profundes. A una profunditat d'instal·lació de 2 m, un volum d'aireació de 0,5 m3/h i un airejador amb una mida de porus de 200 μm van donar com a resultat una eficiència energètica teòrica màxima d'1,97 kg/(kW-h).