Mikrohuokoinen ilmastus hapetusSuorituskyky

Jätevedenkäsittelyjärjestelmässä ilmastusprosessin osuus koko jätevedenpuhdistamon energiankulutuksesta on 45–75 prosenttia, ilmastusprosessin hapensiirtotehokkuuden parantamiseksi nykyistä jätevedenpuhdistamoa käytetään yleisesti mikrohuokoisessa. ilmastusjärjestelmät. Verrattuna suurten ja keskikokoisten kuplien ilmastusjärjestelmään, mikrohuokoinen ilmastusjärjestelmä voi säästää noin 50 % energiankulutuksesta. Siitä huolimatta sen ilmastusprosessin hapen käyttöaste on myös välillä 20-30 %. Lisäksi Kiinassa on ollut enemmän alueita mikrohuokoisen ilmastustekniikan käyttämiseksi saastuneiden jokien käsittelyyn, mutta ei ole tutkittu, miten mikrohuokoisia ilmastimet valitaan järkevästi erilaisiin vesiolosuhteisiin. Siksi mikrohuokoisen ilmastimen hapetussuorituskykyparametrien optimointi varsinaista tuotantoa ja käyttöä varten on erittäin tärkeää.

Mikrohuokoisen ilmastuksen ja hapetuksen toimivuuteen vaikuttavat monet tekijät, joista tärkeimmät ovat ilmastuksen tilavuus, huokoskoko ja veden syvyyden asennus.

Tällä hetkellä on vähemmän tutkimuksia mikrohuokoisen ilmastimen hapetuskyvyn ja huokoskoon sekä asennussyvyyden välisestä suhteesta kotimaassa ja ulkomailla. Tutkimuksessa keskitytään enemmän kokonaishappimassan siirtokertoimen ja hapetuskapasiteetin parantamiseen ja huomioimatta ilmastusprosessin energiankulutusongelmaa. Otamme teoreettisen tehon hyötysuhteen tärkeimpänä tutkimusindeksinä yhdistettynä hapetuskapasiteetin ja hapen käyttötrendin kanssa, optimoimme aluksi ilmastusmäärän, aukon halkaisijan ja asennussyvyyden, kun ilmastusteho on korkein, jotta saadaan referenssi sovellukselle. mikrohuokoisen ilmastustekniikan varsinaisessa hankkeessa.

1. Materiaalit ja menetelmät

1.1 Testausasetukset

Testikokoonpano tehtiin pleksilasista, ja päärunko oli D {{0}},4 m × 2 m sylinterimäinen ilmastussäiliö, jossa oli liuenneen hapen anturi 0,5 m vedenpinnan alapuolella (näkyy kuvassa 1). ).

Kuva 1 Ilmastus- ja happitestin asetukset

1.2 Testimateriaalit

Mikrohuokoinen ilmastin, valmistettu kumikalvosta, halkaisija 215 mm, huokoskoko 50, 100, 200, 500, 1 000 μm. sension378 pöytäkoneen liuenneen hapen testeri, HACH, USA. Kaasuroottorivirtausmittari, alue 0~3 m3/h, tarkkuus ±0,2 %. HC-S puhallin. Katalyytti: CoCl2-6H2O, analyyttisesti puhdas; Deoksidantti: Na2SO3, analyyttisesti puhdas.

1.3 Testausmenetelmä

Testi suoritettiin staattisella ei-stationaarisella menetelmällä, eli Na2SO3 ja CoCl2-6H2O annosteltiin ensin hapenpoistoon testin aikana ja ilmastus aloitettiin, kun veteen liuennut happi väheni arvoon {{5} }. Veden liuenneen happipitoisuuden muutokset ajan mittaan tallennettiin ja KLa-arvo laskettiin. Hapetuskykyä testattiin eri ilmastustilavuuksilla (0,5, 1, 1,5, 2, 2,5, 3 m3/h), eri huokoskooilla (50, 100, 200, 500, 1, 000 μm) ja eri veden syvyydet (0,8, 1,1, 1,3, 1,5, 1,8, 2,0 m), ja viitattiin myös CJ/T 3015:een.{35}} "Aerator kirkkaan veden hapetuksen suorituskyvyn määritys" ja Yhdysvaltojen kirkkaan veden hapetustestin standardeihin.

2.Tulokset ja keskustelu

2.1 Testin periaate

Testin perusperiaate perustuu Whitmanin vuonna 1923 esittämään kaksoiskalvoteoriaan. Happimassan siirtoprosessi voidaan ilmaista yhtälöllä (1).

Missä: dc/dt - massansiirtonopeus, eli siirretyn hapen määrä vesitilavuusyksikköä kohti aikayksikköä kohti, mg/(Ls).

KLa - ilmastimen hapen kokonaissiirtokerroin testiolosuhteissa, min-1 ;

C* - kyllästynyt liuennut happi veteen, mg/L.

Ct - veteen liuennut happi ilmastushetkellä t, mg/L.

Jos testilämpötila ei ole 20 astetta, yhtälöä (2) voidaan käyttää KLa:n korjaamiseen:

Hapetuskyky (OC, kg/h) ilmaistaan ​​yhtälöllä (3).

Missä: V - ilmastusaltaan tilavuus, m3.

Hapen käyttö (SOTE, %) ilmaistaan ​​yhtälöllä (4).

Missä: q - ilmastustilavuus vakiotilassa, m3/h.

Teoreettinen tehohyötysuhde [E, kg/(kW-h)] ilmaistaan ​​yhtälöllä (5).

Missä: P - ilmastuslaitteiden teho, kW.

Ilmastimen hapetussuorituskyvyn arvioinnissa yleisesti käytetyt indikaattorit ovat hapen kokonaismassansiirtokerroin KLa, hapetuskapasiteetti OC, hapen käyttöaste SOTE ja teoreettinen tehon hyötysuhde E [7]. Nykyiset tutkimukset ovat keskittyneet enemmän hapen kokonaismassasiirtokertoimen, hapetuskapasiteetin ja hapen hyödyntämisen trendeihin ja vähemmän teoreettiseen tehotehokkuuteen [8, 9]. Teoreettinen tehokkuus, ainoa hyötysuhdeindeksi [10], voi heijastaa tämän kokeen painopisteen olevan ilmastusprosessin energiankulutusongelmaa.

2.2 Ilmastuksen vaikutus hapetuskykyyn

Hapetustehoa eri ilmastustasoilla arvioitiin ilmastuksen pohjalta 2 m ilmastimen huokoskoon ollessa 200 μm, ja tulokset on esitetty kuvassa 2.

Kuva 2 K:n ja hapen käytön vaihtelu ilmastusnopeudella

Kuten kuviosta 2 voidaan nähdä, KLa kasvaa vähitellen ilmastustilavuuden kasvaessa. Tämä johtuu pääasiassa siitä, että mitä suurempi ilmastustilavuus, sitä suurempi on kaasun ja nesteen kosketuspinta-ala ja sitä suurempi on hapetustehokkuus. Toisaalta jotkut tutkijat havaitsivat, että hapen käyttöaste laski ilmastustilavuuden kasvaessa, ja samanlainen tilanne havaittiin tässä kokeessa. Tämä johtuu siitä, että tietyssä veden syvyydessä kuplien viipymäaika vedessä kasvaa, kun ilmastustilavuus on pieni, ja kaasun ja nesteen kosketusaika pitenee; kun ilmastustilavuus on suuri, vesistön häiriö on voimakas ja suurin osa hapesta ei hyödynnetä tehokkaasti ja vapautuu lopulta veden pinnasta kuplien muodossa ilmaan. Tästä kokeesta saatu hapen käyttöaste ei ollut korkea kirjallisuuteen verrattuna, luultavasti siksi, että reaktorin korkeus ei ollut riittävän korkea ja suuri määrä happea pääsi ulos ilman kosketusta vesipatsaan, mikä pienensi hapen käyttönopeutta.

Teoreettisen tehon hyötysuhteen (E) vaihtelu ilmastuksen kanssa on esitetty kuvassa 3.

Kuva 3 Teoreettinen tehokkuus vs. ilmastustilavuus

Kuten kuviosta 3 voidaan nähdä, teoreettinen tehon hyötysuhde pienenee vähitellen ilmastuksen lisääntyessä. Tämä johtuu siitä, että normaali hapen siirtonopeus kasvaa ilmastusmäärän kasvaessa tietyissä veden syvyysolosuhteissa, mutta puhaltimen kuluttaman hyödyllisen työn lisäys on suurempi kuin normaalin hapen siirtonopeuden kasvu, joten teoreettinen tehon hyötysuhde. vähenee ilmastustilavuuden kasvaessa kokeessa tutkitun ilmastustilavuuden alueella. Yhdistämällä kuvioiden 1 ja 2 trendit. Kuvissa 2 ja 3 voidaan havaita, että paras hapetuskyky saavutetaan ilmastustilavuudella 0,5 m3/h.

2.3 Huokoskoon vaikutus hapetuskykyyn

Huokoskoolla on suuri vaikutus kuplien muodostumiseen, mitä suurempi huokoskoko, sitä suurempi kuplan koko. Iskun hapetuskykyyn vaikuttavat kuplat ilmenevät pääasiassa kahdesta näkökulmasta: Ensinnäkin, mitä pienemmät yksittäiset kuplat ovat, sitä suurempi kuplan kokonaispinta-ala, mitä suurempi kaasun ja nesteen massansiirron kosketuspinta-ala, sitä suotuisampi on happi; Toiseksi mitä suurempia kuplia on, sitä voimakkaampi on veden sekoitus, kaasun ja nesteen välinen sekoittuminen nopeammin, sitä parempi hapetusvaikutus. Usein massasiirtoprosessin ensimmäisellä pisteellä on tärkeä rooli. Testissä ilmastustilavuus on asetettu arvoon 0,5 m3/h, jotta voidaan tutkia huokoskoon vaikutusta KLa:n ja hapen käyttöön, katso kuva 4.

Kuva 4 KLa:n ja hapen käytön vaihtelukäyrät huokoskoon mukaan

Kuten kuviosta 4 voidaan nähdä, sekä KLa:n että hapen käyttö väheni huokoskoon kasvaessa. Samalla veden syvyydellä ja ilmastustilavuudella 50 μm:n aukkoilmastimen KLa on noin kolme kertaa suurempi kuin 1,000 μm:n aukkoilmastimen KLa. Siksi, kun ilmastin asennetaan tiettyyn syvyyteen veteen, sitä pienempi ilmastimen hapetuskapasiteetin aukko ja hapen käyttö on suurempi.

Teoreettisen tehon hyötysuhteen vaihtelu huokoskoon mukaan on esitetty kuvassa 5.

Kuva 5 Teoreettinen tehosuhde vs. huokoskoko

Kuten kuviosta 5 voidaan nähdä, teoreettinen tehon hyötysuhde osoittaa trendin, joka kasvaa ja sitten pienenee aukon koon kasvaessa. Tämä johtuu siitä, että toisaalta pienellä aukolla olevalla ilmastimella on suurempi KLa ja hapetuskapasiteetti, mikä edistää hapetusta. Toisaalta vastushäviö tietyn veden syvyyden alla kasvaa aukon halkaisijan pienentyessä. Kun huokoskoon pieneneminen edistämisvaikutuksen vastushäviössä on suurempi kuin happimassan siirron rooli, teoreettinen tehotehokkuus pienenee huokoskoon pienentyessä. Siksi, kun aukon halkaisija on pieni, teoreettinen tehon hyötysuhde kasvaa aukon halkaisijan kasvaessa ja aukon halkaisija 200 μm saavuttaa maksimiarvon 1,91 kg/(kW-h); kun aukon halkaisija on > 200 μm, ilmastusprosessin vastushäviö ei enää näytä hallitsevaa roolia ilmastusprosessissa, ilmastimen aukon halkaisijan kasvaessa KLa ja hapetuskapasiteetti pienenevät, ja siksi teoreettinen tehokkuus on selvästi laskeva.

2.4 Asennusveden syvyyden vaikutus hapetuskykyyn

Veden syvyydellä, johon ilmastin on asennettu, on erittäin merkittävä vaikutus ilmastus- ja hapetusvaikutukseen. Kokeellisen tutkimuksen kohteena oli alle 2 metrin matala vesiväylä. Ilmastimen ilmastussyvyys määräytyi altaan veden syvyyden mukaan. Nykyiset tutkimukset keskittyvät pääasiassa ilmastimen upotussyvyyteen (eli ilmastin asennetaan altaan pohjalle ja veden syvyyttä lisätään lisäämällä vesimäärää), ja testi keskittyy pääasiassa ilmastimen asennussyvyyteen. ilmastin (eli altaan veden määrä pidetään vakiona ja ilmastimen asennuskorkeus säädetään niin, että ilmastusteholle löydetään paras veden syvyys), ja KLa:n ja hapen käytön muutokset veden syvyyden mukaan. esitetty kuvassa 6.

Kuva 6 K:n ja hapen käytön vaihtelukäyrät veden syvyyden mukaan

Kuvasta 6 näkyy, että veden syvyyden kasvaessa sekä KLa:ssa että hapenkäytössä on selkeä nousutrendi, ja KLa eroaa yli neljä kertaa veden syvyydessä 0,8 m ja veden syvyydessä 2 m. Tämä johtuu siitä, että mitä syvemmällä vesi on, sitä pidempi kuplien viipymäaika vesipatsaassa, mitä pidempi kaasun ja nesteen kosketusaika, sitä parempi hapensiirtovaikutus. Siksi mitä syvemmälle ilmastin on asennettu, sitä paremmin hapetuskapasiteetti ja hapen hyötykäyttö paranevat. Mutta veden syvyys kasvaa samalla kun vastushäviö kasvaa, vastushäviön voittamiseksi on tarpeen lisätä ilmastuksen määrää, mikä väistämättä johtaa energiankulutuksen ja käyttökustannusten kasvuun. Siksi optimaalisen asennussyvyyden saavuttamiseksi on tarpeen arvioida teoreettisen tehon hyötysuhteen ja veden syvyyden välinen suhde, katso taulukko 1.

Taulukko 1 osoittaa, että teoreettinen tehon hyötysuhde on erittäin alhainen asennussyvyydellä 0,8 m, vain 0,5 kg/(kW-h), joten matalan veden ilmastaminen ei ole tarkoituksenmukaista. Asennus veden syvyys 1,1 ~ 1,5 m alueella, koska merkittävä lisäys hapetuskapasiteettia, kun taas ilmastin jonka vastus vaikutus ei ole ilmeinen, joten teoreettinen tehokkuus kasvaa nopeasti. Veden syvyyden kasvaessa edelleen 1,8 metriin vastushäviön vaikutus hapetussuorituskykyyn tulee yhä merkittävämmäksi, jolloin teoreettisen tehon hyötysuhteen kasvu pyrkii tasoittumaan, mutta osoittaa edelleen kasvavaa trendiä, ja asennuksessa 2 m:n veden syvyydestä teoreettinen hyötysuhde on maksimissaan 1,97 kg/(kW-h). Siksi < 2 m:n kanavissa pohjailmastus on edullinen optimaalisen hapetuksen saavuttamiseksi.

Johtopäätös

Käyttämällä staattista ei-stationaarista menetelmää mikrohuokoisen ilmastuksen kirkkaan veden hapetustestissä testiveden syvyydessä (< 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.

Teoreettinen tehokkuus on ainoa tehokkuuden mittari. Testiolosuhteissa teoreettinen tehon hyötysuhde ilmastuksen ja veden syvyyden asennuksen myötä kasvaa, kun aukon kasvu ensin kasvaa ja sitten pienenee. Veden syvyyden ja aukon asennuksen tulee olla kohtuullinen yhdistelmä, jotta hapettumissuorituskyky saavutetaan parhaimmillaan, yleensä mitä suurempi on ilmastimen aukon veden valinta, sitä suurempi.

Testitulokset osoittavat, että matalan veden ilmastusta ei tule käyttää. Asennussyvyydellä 2 m ilmastustilavuus 0,5 m3/h ja ilmastin, jonka huokoskoko oli 200 μm, johtivat teoreettiseen maksimitehokkuuteen 1,97 kg/(kW-h).