Mikroporøs lufting Oksygenering Ytelse

I avløpsvannbehandlingssystemet står lufteprosessen for 45% til 75% av energiforbruket til hele avløpsvannbehandlingsanlegget, for å forbedre oksygenoverføringseffektiviteten til lufteprosessen, brukes det nåværende avløpsvannbehandlingsanlegget ofte i mikroporøst luftesystemer.Sammenlignet med luftesystemet til store og mellomstore bobler, kan det mikroporøse luftesystemet spare rundt 50 % av energiforbruket. Ikke desto mindre er oksygenutnyttelsesgraden for lufteprosessen også i området 20 % til 30 %. I tillegg har det vært flere områder i Kina for å bruke mikroporøs lufteteknologi for behandling av forurensede elver, men det finnes ingen forskning på hvordan man med rimelighet kan velge mikroporøse luftere for forskjellige vannforhold. Derfor er optimering av mikroporøs oksygeneringsytelsesparametere for den faktiske produksjonen og anvendelsen av stor betydning.

Det er mange faktorer som påvirker ytelsen til mikroporøs lufting og oksygenering, de viktigste er luftevolum, porestørrelse og installasjon av vanndybde.

For tiden er det færre studier på forholdet mellom oksygeneringsytelsen til mikroporøs lufteapparat og porestørrelse og installasjonsdybde i inn- og utland. Forskningen fokuserer mer på forbedring av total oksygenmasseoverføringskoeffisient og oksygeneringskapasitet, og neglisjerer energiforbruksproblemet i lufteprosessen. Vi tar den teoretiske effekteffektiviteten som hovedforskningsindeksen, kombinert med oksygeneringskapasiteten og trenden med oksygenutnyttelse, optimaliserer i utgangspunktet luftevolumet, blenderdiameteren og installasjonsdybden når lufteeffektiviteten er høyest, for å gi en referanse for applikasjonen av mikroporøs lufteteknologi i selve prosjektet.

1. Materialer og metoder

1.1 Testoppsett

Testoppsettet var laget av pleksiglass, og hoveddelen var en D {{0}},4 m × 2 m sylindrisk luftetank med en sonde for oppløst oksygen plassert 0,5 m under vannoverflaten (vist i figur 1) ).

Figur 1 Testoppsett for lufting og oksygenering

1.2 Testmateriale

Mikroporøs lufter, laget av gummimembran, diameter 215 mm, porestørrelse 50, 100, 200, 500, 1 000 μm. sension378 benchtop tester for oppløst oksygen, HACH, USA. Gassrotorstrømningsmåler, område 0~3 m3/h, nøyaktighet ±0,2%. HC-S blåser. Katalysator: CoCl2-6H2O, analytisk ren; Deoksidant: Na2SO3, analytisk ren.

1.3 Testmetode

Testen ble utført ved bruk av den statiske ikke-stasjonære metoden, dvs. Na2SO3 og CoCl2-6H2O ble først dosert for deoksygenering under testen, og lufting ble startet når det oppløste oksygenet i vannet ble redusert til {{5} }. Endringer i konsentrasjonen av oppløst oksygen i vannet over tid ble registrert, og KLa-verdien ble beregnet. Oksygeneringsytelsen ble testet under forskjellige luftevolumer (0.5, 1, 1.5, 2, 2.5, 3 m3/t), forskjellige porestørrelser (50, 100, 200, 500, 1,000 μm), og forskjellige vanndybder (0,8, 1,1, 1,3, 1,5;

2.Resultater og diskusjon

2.1 Prøvens prinsipp

Grunnprinsippet for testen er basert på dobbeltmembranteorien foreslått av Whitman i 1923. Oksygenmasseoverføringsprosessen kan uttrykkes i ligning (1).

Hvor: dc/dt - masseoverføringshastighet, dvs. mengden oksygen som overføres per volumenhet vann per tidsenhet, mg/(Ls).

KLa - total oksygenoverføringskoeffisient for lufteren ved testforholdene, min-1 ;

C* - mettet oppløst oksygen i vann, mg/L.

Ct - oppløst oksygen i vannet i luftingsøyeblikket t, mg/L.

Hvis testtemperaturen ikke er på 20 grader, kan ligning (2) brukes til å korrigere for KLa:

Oksygeneringskapasiteten (OC, kg/t) uttrykkes ved ligning (3).

Hvor: V - luftebassengvolum, m3.

Oksygenutnyttelse (SOTE, %) uttrykkes ved ligning (4).

Hvor: q - luftevolum i standard tilstand, m3/t.

Den teoretiske effekteffektiviteten [E, kg/(kW-h)] er uttrykt ved ligning (5).

Hvor: P - effekt av lufteutstyr, kW.

Vanlig brukte indikatorer for å evaluere lufterens oksygeneringsytelse er total oksygenmasseoverføringskoeffisient KLa, oksygeneringskapasitet OC, oksygenutnyttelsesgrad SOTE og teoretisk effekteffektivitet E [7]. De eksisterende studiene har fokusert mer på trendene for total oksygenmasseoverføringskoeffisient, oksygeneringskapasitet og oksygenutnyttelse, og mindre på den teoretiske effekteffektiviteten [8, 9]. Teoretisk effekteffektivitet, som eneste effektivitetsindeks [10], kan reflektere energiforbruksproblemet i lufteprosessen, som er fokus for dette eksperimentet.

2.2 Effekt av lufting på oksygeneringsytelse

Oksygeneringsytelsen ved forskjellige luftingsnivåer ble evaluert ved lufting i de nederste 2 m av lufteren med en porestørrelse på 200 μm, og resultatene er vist i fig. 2.

Fig. 2 Variasjon av K og oksygenutnyttelse med luftehastighet

Som det fremgår av fig. 2, øker KLa gradvis med økningen av luftevolumet. Dette skyldes hovedsakelig at jo større luftevolumet er, desto større er gass-væske kontaktflaten og desto høyere oksygeneringseffektivitet. På den annen side fant noen forskere at oksygenutnyttelseshastigheten avtok med økningen i luftevolumet, og en lignende situasjon ble funnet i dette eksperimentet. Dette er fordi under en viss vanndybde økes oppholdstiden for bobler i vannet når luftevolumet er lite, og gass-væske kontakttiden forlenges; når luftevolumet er stort, er forstyrrelsen av vannforekomsten sterk, og mesteparten av oksygenet utnyttes ikke effektivt, og frigjøres til slutt fra vannoverflaten i form av bobler til luften. Oksygenutnyttelseshastigheten avledet fra dette eksperimentet var ikke høy sammenlignet med litteraturen, sannsynligvis fordi reaktorhøyden ikke var høy nok, og en stor mengde oksygen slapp ut uten å komme i kontakt med vannsøylen, noe som reduserte oksygenutnyttelseshastigheten.

Variasjonen av teoretisk effekteffektivitet (E) med lufting er vist i fig. 3.

Fig. 3 Teoretisk effekteffektivitet kontra luftevolum

Som man kan se i fig. 3, avtar den teoretiske effekteffektiviteten gradvis med økende lufting. Dette er fordi standard oksygenoverføringshastighet øker med økningen av luftevolumet under visse vanndybdeforhold, men økningen i det nyttige arbeidet som forbrukes av viften er mer signifikant enn økningen i standard oksygenoverføringshastighet, så den teoretiske effekteffektiviteten avtar med økningen av luftevolumet innenfor området for luftevolumet som ble undersøkt i eksperimentet. Ved å kombinere trendene i fig. 2 og 3, kan det bli funnet at den beste oksygeneringsytelsen oppnås ved et luftevolum på 0,5 m3/t.

2.3 Effekt av porestørrelse på oksygeneringsytelse

Porestørrelse har stor innflytelse på dannelsen av bobler, jo større porestørrelse, jo større er boblen. Bobler på oksygeneringsytelsen til støtet manifesteres hovedsakelig i to aspekter: For det første, jo mindre de individuelle boblene er, jo større er det totale boblespesifikke overflatearealet, desto større er kontaktområdet for gass-væske masseoverføring, desto mer bidrar til overføring av oksygen; For det andre, jo større boblene er, desto sterkere er det å røre vannet, gass-væske-blandingen mellom jo raskere, jo bedre effekt av oksygenering. Ofte spiller det første punktet i masseoverføringsprosessen en stor rolle. Testen vil være luftevolum satt til 0,5 m3/t, for å undersøke effekten av porestørrelse på KLa og oksygenutnyttelse, se figur 4.

Fig. 4 Variasjonskurver av KLa og oksygenutnyttelse med porestørrelse

Som det fremgår av fig. 4, avtok både KLa og oksygenutnyttelsen med økningen av porestørrelsen. Under betingelsen med samme vanndybde og luftevolum, er KLa på 50 μm åpningslufter omtrent tre ganger den for 1,000 μm åpningslufter. Derfor, når lufteren er installert i en viss vanndybde, jo mindre er åpningen til lufterens oksygeneringskapasitet og oksygenutnyttelsen større.

Variasjonen av teoretisk effekteffektivitet med porestørrelse er vist i fig. 5.

Fig. 5 Teoretisk effekteffektivitet vs. porestørrelse

Som det kan sees fra fig. 5, viser den teoretiske effekteffektiviteten en trend med å øke og deretter avta med økningen av blenderåpningsstørrelsen. Dette er fordi på den ene siden har lufteren med liten åpning en større KLa og oksygeneringskapasitet, noe som bidrar til oksygenering. På den annen side øker motstandstapet under en viss vanndybde med reduksjonen av blenderdiameteren. Når porestørrelsesreduksjonen på motstandstapet til promoteringseffekten er større enn rollen til oksygenmasseoverføring, vil den teoretiske krafteffektiviteten reduseres med reduksjonen av porestørrelsen. Derfor, når blenderdiameteren er liten, vil den teoretiske effekteffektiviteten øke med økningen av blenderdiameteren, og blenderdiameteren på 200 μm for å nå maksimalverdien på 1,91 kg/(kW-h); når åpningsdiameteren > 200 μm, spiller motstandstapet i lufteprosessen ikke lenger en dominerende rolle i lufteprosessen, KLa og oksygeneringskapasiteten med økningen i åpningsdiameteren til lufteren vil reduseres, og derfor vil den teoretiske strømeffektivitet viser en betydelig nedadgående trend.

2.4 Effekt av installasjonsvanndybde på oksygeneringsytelse

Vanndybden som lufteren er installert i har en svært betydelig effekt på luftings- og oksygeneringseffekten. Målet for den eksperimentelle studien var en grunt vannkanal på mindre enn 2 m. Luftedybden til lufteren ble bestemt av vanndybden til bassenget. Eksisterende studier fokuserer hovedsakelig på den neddykkede dybden til lufteren (dvs. at lufteren er installert i bunnen av bassenget, og vanndybden økes ved å øke vannmengden), og testen fokuserer hovedsakelig på installasjonsdybden til lufter (dvs. vannmengden i bassenget holdes konstant, og installasjonshøyden til lufteren justeres for å finne den beste vanndybden for lufteeffekt), og endringene av KLa og oksygen utnyttelse med vanndybden er vist i fig. 6.

Fig. 6 Variasjonskurver av K og oksygenutnyttelse med vanndybde

Figur 6 viser at med økningen av vanndybden viser både KLa og oksygenutnyttelsen en tydelig økende trend, med KLa som skiller seg mer enn fire ganger ved 0,8 m vanndyp og 2 m vanndyp. Dette er fordi jo dypere vannet er, desto lengre oppholdstid for boblene i vannsøylen, jo lengre gass-væske-kontakttid, jo bedre oksygenoverføringseffekt. Derfor, jo dypere lufteren er installert, jo mer bidrar til oksygeneringskapasiteten og oksygenutnyttelsen. Men installasjonen av vanndybden øker samtidig som motstandstapet vil øke, for å overvinne motstandstapet, er det nødvendig å øke mengden lufting, noe som uunngåelig vil føre til en økning i energiforbruk og driftskostnader. Derfor, for å oppnå optimal installasjonsdybde, er det nødvendig å evaluere forholdet mellom teoretisk effekteffektivitet og vanndybde, se tabell 1.

Tabell 1 viser at den teoretiske effekteffektiviteten er ekstremt lav ved en installasjonsdybde på 0,8 m, med bare 0,5 kg/(kW-h), noe som gjør lufting på grunt vann upassende. Installasjon av vanndybde på 1,1 ~ 1,5 m rekkevidde, på grunn av den betydelige økningen i oksygeneringskapasiteten, mens lufteren av motstandseffekten ikke er åpenbar, så den teoretiske krafteffektiviteten øker raskt. Etter hvert som vanndybden øker ytterligere til 1,8 m, blir effekten av motstandstap på oksygeneringsytelsen mer og mer betydelig, noe som resulterer i at veksten av den teoretiske effekteffektiviteten har en tendens til å flate ut, men viser fortsatt en økende trend, og i installasjonen av vanndybden på 2 m, når den teoretiske effekteffektiviteten maksimalt 1,97 kg/(kW-h). For kanaler < 2 m er derfor bunnlufting foretrukket for optimal oksygenering.

Konklusjon

Ved å bruke den statiske ikke-stasjonære metoden for mikroporøs lufting oksygeneringstest for klart vann, i testvanndybden (< 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.

Teoretisk strømeffektivitet er den eneste indikatoren på effektivitet. I testforholdene øker den teoretiske effekteffektiviteten med lufting og installasjon av vanndybde, med økningen i blenderåpning først øke og deretter redusere. Installasjon av vanndybde og blenderåpning bør være en rimelig kombinasjon for å gjøre oksygeneringsytelsen for å oppnå best mulig, generelt sett, jo større vanndybdevalg av lufteåpningen er, jo større.

Testresultatene indikerer at gruntvannslufting ikke bør brukes. Ved en installasjonsdybde på 2 m, ga et luftevolum på 0,5 m3/h og en lufter med porestørrelse på 200 μm en maksimal teoretisk effekteffektivitet på 1,97 kg/(kW-h).