Mikropoorne aeratsioon hapnikuga varustamine

Reoveepuhastussüsteemis moodustab aeratsiooniprotsess 45–75% kogu reoveepuhasti energiatarbimisest, õhutusprotsessi hapnikuülekande efektiivsuse parandamiseks kasutatakse praegust reoveepuhastit tavaliselt mikropoorses. aeratsioonisüsteemid. Võrreldes suurte ja keskmise suurusega mullide õhutussüsteemiga võib mikropoorne õhutussüsteem säästa umbes 50% energiatarbimisest. Sellegipoolest jääb selle aeratsiooniprotsessi hapnikukasutusmäär samuti vahemikku 20–30%. Lisaks on Hiinas olnud rohkem piirkondi, kus kasutatakse mikropoorset aeratsioonitehnoloogiat reostunud jõgede puhastamiseks, kuid puuduvad uuringud selle kohta, kuidas mikropoorseid aeraatoreid erinevate veetingimuste jaoks mõistlikult valida. Seetõttu on mikropoorse aeraatori hapnikuga varustamise parameetrite optimeerimine tegeliku tootmise ja rakenduse jaoks väga oluline.

Mikropoorse aeratsiooni ja hapnikuga varustamise toimimist mõjutavad paljud tegurid, millest olulisemad on aeratsiooni maht, pooride suurus ja vee sügavuse paigaldus.

Praegu on vähem uuringuid mikropoorse aeraatori hapnikusisalduse ning pooride suuruse ja paigaldussügavuse vahelise seose kohta nii kodu- kui välismaal. Uurimistöö keskendub rohkem hapniku kogumassi ülekandeteguri ja hapnikuga varustamise võime parandamisele ning jätab tähelepanuta energiatarbimise probleemi aeratsiooniprotsessis. Peamise uurimisindeksina võtame teoreetilise võimsustõhususe, kombineerituna hapnikuga varustamise võime ja hapniku kasutamise trendiga, algselt optimeerime aeratsiooni mahtu, ava läbimõõtu ja paigaldussügavust, kui õhutamise efektiivsus on kõrgeim, et pakkuda rakendusele viite. mikropoorse õhustamise tehnoloogiat tegelikus projektis.

1.Materjalid ja meetodid

1.1 Testi seadistus

Katseseade tehti pleksiklaasist ja põhikorpus oli D {{0}},4 m × 2 m silindriline õhutuspaak, mille lahustunud hapniku sond asus 0,5 m veepinnast allpool (näidatud joonisel 1). ).

Joonis 1 Aeratsiooni ja hapnikuga varustamise testi seadistamine

1.2 Katsematerjalid

Mikropoorne aeraator, valmistatud kummimembraanist, läbimõõt 215 mm, pooride suurus 50, 100, 200, 500, 1 000 μm. sension378 lauaarvuti lahustunud hapniku tester, HACH, USA. Gaasirootori voolumõõtur, vahemik 0~3 m3/h, täpsus ±0,2%. HC-S puhur. Katalüsaator: CoCl2-6H2O, analüütiliselt puhas; Deoksüdant: Na2SO3, analüütiliselt puhas.

1.3 Katsemeetod

Katse viidi läbi staatilisel mittestatsionaarsel meetodil, st Na2SO3 ja CoCl2-6H2O doseeriti testi käigus esmalt hapniku eemaldamiseks ning aeratsiooni alustati siis, kui vees lahustunud hapnik alandati tasemele {{5} }. Registreeriti lahustunud hapniku kontsentratsiooni muutused vees aja jooksul ja arvutati KLa väärtus. Hapniku jõudlust testiti erinevate õhutusmahtude (0,5, 1, 1,5, 2, 2,5, 3 m3/h), erineva poorisuurusega (50, 100, 200, 500, 1, 000 μm) ja erinevad veesügavused (0,8, 1,1, 1,3, 1,5, 1,8, 2,0 m) ning viidati ka CJ/T 3015-le.{35}} "Aeraatori selge vee hapnikuga varustamise jõudluse määramine" ja Ameerika Ühendriikide läbipaistva vee hapnikusisalduse testi standarditele.

2.Tulemused ja arutelu

2.1 Testi põhimõte

Katse põhiprintsiip põhineb Whitmani 1923. aastal välja pakutud topeltmembraani teoorial. Hapniku massiülekande protsessi saab väljendada võrrandis (1).

Kus: dc/dt – massiülekande kiirus, st ülekantud hapniku kogus veemahuühiku kohta ajaühikus, mg/(Ls).

KLa - aeraatori summaarne hapniku ülekandetegur katsetingimustes, min-1 ;

C* - küllastunud lahustunud hapnik vees, mg/L.

Ct - vees lahustunud hapnik aeratsiooni hetkel t, mg/L.

Kui katsetemperatuur ei ole 20 kraadi, saab KLa korrigeerimiseks kasutada võrrandit (2):

Hapnikuvõimet (OC, kg/h) väljendatakse võrrandiga (3).

Kus: V - õhutusbasseini maht, m3.

Hapniku kasutust (SOTE, %) väljendatakse võrrandiga (4).

Kus: q - õhutusmaht standardseisundis, m3/h.

Teoreetiline võimsuse kasutegur [E, kg/(kW-h)] on väljendatud võrrandiga (5).

Kus: P - õhutusseadmete võimsus, kW.

Tavaliselt kasutatavad indikaatorid aeraatori oksügenisatsiooni jõudluse hindamiseks on hapniku summaarne massiülekandetegur KLa, hapnikuga varustamise võime OC, hapniku kasutusmäär SOTE ja teoreetiline võimsusefektiivsus E [7]. Olemasolevad uuringud on keskendunud rohkem hapniku kogumassi ülekandeteguri, hapnikuga varustamise võime ja hapniku kasutamise suundumustele ning vähem teoreetilisele võimsusefektiivsusele [8, 9]. Teoreetiline energiatõhusus kui ainus tõhususe indeks [10] võib kajastada energiatarbimise probleemi õhutusprotsessis, mis on selle katse keskmes.

2.2 Aeratsiooni mõju hapnikuga varustamise toimimisele

Hapniku jõudlust erinevatel aeratsioonitasemetel hinnati 200 μm poorisuurusega aeraatori põhja 2 m aeratsiooniga ja tulemused on näidatud joonisel 2.

Joonis 2 K ja hapniku kasutamise muutumine aeratsiooni kiirusega

Nagu on näha jooniselt 2, suureneb KLa järk-järgult koos aeratsioonimahu suurenemisega. Seda peamiselt seetõttu, et mida suurem on õhutusmaht, seda suurem on gaasi-vedeliku kontaktpind ja seda suurem on hapnikuga varustamise efektiivsus. Teisest küljest leidsid mõned teadlased, et hapniku kasutamise määr langes aeratsioonimahu suurenemisega ja selles katses leiti sarnane olukord. Selle põhjuseks on asjaolu, et teatud veesügavusel pikeneb mullide viibimisaeg vees, kui õhutusmaht on väike, ning gaasi-vedeliku kokkupuuteaeg pikeneb; kui aeratsiooni maht on suur, on veekogu häiring tugev ning suurem osa hapnikust ei ole efektiivselt ära kasutatud ning lõpuks vabaneb veepinnalt mullidena õhku. Sellest katsest tuletatud hapniku kasutamise määr ei olnud kirjandusega võrreldes kõrge, tõenäoliselt seetõttu, et reaktori kõrgus ei olnud piisavalt kõrge ja suur hulk hapnikku pääses välja ilma veesambaga kokku puutumata, vähendades hapniku kasutusmäära.

Teoreetilise võimsusefektiivsuse (E) varieerumine aereerimisega on näidatud joonisel 3.

Joonis 3 Teoreetiline energiatõhusus versus õhutusmaht

Nagu on näha jooniselt 3, väheneb teoreetiline võimsusefektiivsus järk-järgult aeratsiooni suurenemisega. Selle põhjuseks on asjaolu, et standardne hapniku ülekandekiirus suureneb aeratsiooni mahu suurenemisega teatud vee sügavuse tingimustes, kuid puhuri kasuliku töö kasv on olulisem kui standardse hapniku ülekandekiiruse suurenemine, seega on teoreetiline võimsustõhusus. väheneb aeratsioonimahu suurenemisega katses uuritud õhutusmahu piires. Kombineerides joonistel fig. 2 ja 3, võib leida, et parim hapnikuga varustamine saavutatakse õhutusmahu juures 0,5 m3/h.

2.3 Pooride suuruse mõju hapnikuga varustamisel

Poori suurusel on suur mõju mullide tekkele, mida suurem on pooride suurus, seda suurem on mull. Löögi hapnikuga varustatuse mullid avalduvad peamiselt kahes aspektis: esiteks, mida väiksemad on üksikud mullid, seda suurem on mulli üldine eripind, mida suurem on gaasi-vedeliku massiülekande kontaktala, seda soodsam on mullide ülekandmine. hapnik; Teiseks, mida suuremad on mullid, seda tugevam on vee segamise roll, gaasi-vedeliku segunemine on kiirem, seda parem on hapnikuga varustamise efekt. Sageli mängib massiülekande protsessi esimene punkt suurt rolli. Katseks määratakse õhutusmahuks 0,5 m3/h, et uurida pooride suuruse mõju KLa-le ja hapniku kasutamisele, vt joonis 4.

Joonis 4 KLa ja hapniku kasutamise varieerumiskõverad sõltuvalt pooride suurusest

Nagu on näha jooniselt 4, vähenesid nii KLa kui ka hapniku kasutamine koos pooride suuruse suurenemisega. Sama veesügavuse ja aeratsioonimahu korral on 50 μm avaga aeraatori KLa umbes kolm korda suurem kui 1,000 μm avaga aeraatoril. Seega, kui aeraator on paigaldatud teatud sügavusele vette, siis seda väiksem on aeraatori hapnikuga varustamise võimsuse ava ja seda suurem on hapniku kasutamine.

Teoreetilise võimsusefektiivsuse varieerumine pooride suurusega on näidatud joonisel 5.

Joonis 5 Teoreetiline energiatõhusus vs. pooride suurus

Nagu on näha jooniselt 5, näitab teoreetiline võimsusefektiivsus suundumust suureneda ja seejärel väheneda koos ava suuruse suurenemisega. Seda seetõttu, et ühest küljest on väikese avaga aeraatoril suurem KLa ja hapnikuga varustamise võime, mis soodustab hapnikuga varustamist. Teisest küljest suureneb takistuse kadu teatud veesügavusel koos ava läbimõõdu vähenemisega. Kui pooride suuruse vähenemine soodustava efekti takistuse kadu korral on suurem kui hapniku massiülekande roll, väheneb pooride suuruse vähenemisega teoreetiline võimsustõhusus. Seega, kui ava läbimõõt on väike, suureneb teoreetiline võimsustõhusus koos ava läbimõõdu suurenemisega ja ava läbimõõt 200 μm, et saavutada maksimaalne väärtus 1,91 kg/(kW-h); kui ava läbimõõt > 200 μm, ei mängi aeratsiooniprotsessi takistuskadu enam aeratsiooniprotsessis domineerivat rolli, väheneb KLa ja hapnikuga varustamise võime koos aeraatori ava läbimõõdu suurenemisega ning seetõttu väheneb teoreetiline energiatõhusus näitab olulist langustendentsi.

2.4 Paigaldusvee sügavuse mõju hapnikuga varustamise toimimisele

Vee sügavus, millesse aeraator on paigaldatud, mõjutab aeratsiooni ja hapnikuga varustamise efekti väga oluliselt. Eksperimentaaluuringu sihtmärgiks oli alla 2 m madal veekanal. Aeraatori õhutussügavus määrati basseini vee sügavuse järgi. Olemasolevad uuringud keskenduvad peamiselt aeraatori veealusele sügavusele (st aeraator paigaldatakse basseini põhja ja vee sügavust suurendatakse veekoguse suurendamisega) ning test keskendub peamiselt aeraatori paigaldussügavusele. aeraator (st vee kogus basseinis hoitakse konstantsena ja aeraatori paigalduskõrgust reguleeritakse nii, et aeratsiooniefekti jaoks oleks parim veesügavus) ning KLa ja hapnikukasutuse muutused vee sügavusega on näidatud joonisel 6.

Joonis 6 K ja hapniku kasutamise muutumise kõverad vee sügavuse järgi

Jooniselt 6 on näha, et vee sügavuse suurenemisega näitavad nii KLa kui ka hapniku kasutamine selget kasvutendentsi, kusjuures KLa erineb veesügavusel 0,8 m ja vee sügavusel 2 m üle nelja korra. Seda seetõttu, et mida sügavam on vesi, seda pikem on mullide viibimisaeg veesambas, mida pikem on gaasi-vedeliku kokkupuuteaeg, seda parem on hapnikuülekande efekt. Seega, mida sügavamale aeraator on paigaldatud, seda soodsam on hapnikuga varustamise võime ja hapniku kasutamine. Kuid vee sügavuse paigaldamine suureneb, samal ajal suureneb ka takistuse kadu, et takistuse kadu ületada, on vaja suurendada aeratsiooni hulka, mis toob paratamatult kaasa energiatarbimise ja tegevuskulude suurenemise. Seetõttu on optimaalse paigaldussügavuse saamiseks vaja hinnata teoreetilise võimsusefektiivsuse ja vee sügavuse vahelist seost, vt tabel 1.

Tabel 1 näitab, et teoreetiline võimsustõhusus on äärmiselt madal paigaldussügavusel 0,8 m, ainult 0,5 kg/(kW-h), mistõttu madala vee õhutamine ei sobi. Paigaldamine vee sügavusele 1,1–1,5 m, kuna hapnikuga varustamise võimsus on oluliselt suurenenud, samas kui aeraatori takistusefekt ei ole ilmne, nii et teoreetiline võimsustõhusus suureneb kiiresti. Vee sügavuse suurenedes 1,8 m-ni muutub takistuse kadumise mõju hapnikuga varustamise jõudlusele üha olulisemaks, mille tulemusel teoreetilise võimsusefektiivsuse kasv kipub ühtlustuma, kuid näitab siiski tõusutrendi ja paigalduses. 2 m veesügavusest ulatub teoreetiline võimsusefektiivsus maksimaalselt 1,97 kg/(kW-h). Seetõttu on < 2 m kanalite puhul optimaalse hapnikuga varustamise jaoks eelistatud põhjaõhustamine.

Järeldus

Kasutades staatilist mittestatsionaarset meetodit mikropoorse aeratsiooni läbipaistva vee hapnikuga varustamiseks katsevee sügavusel (< 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.

Teoreetiline energiatõhusus on ainus efektiivsuse näitaja. Katsetingimustes suureneb teoreetiline võimsusefektiivsus aereerimise ja veesügavuse paigaldamisega, ava suurendamisel esmalt suureneb ja seejärel väheneb. Vee sügavuse ja ava paigaldamine peaks olema mõistlik kombinatsioon, et hapnikuga varustamine oleks parim, üldiselt, mida suurem on aeraatori ava veevaliku sügavus, seda suurem.

Katsetulemused näitavad, et madalas vees õhutamist ei tohiks kasutada. Paigaldussügavusel 2 m andis õhutusmaht 0,5 m3/h ja 200 μm poorisuurusega aeraator maksimaalseks teoreetiliseks võimsusefektiivsuseks 1,97 kg/(kW-h).