Jemné bublinkové prevzdušňovanie okysličovanie-Aquasust

Skúšobná správa

V systéme čistenia odpadových vôd proces prevzdušňovania predstavuje 45 % až 75 % spotreby energie celej čistiarne odpadových vôd, aby sa zlepšila účinnosť prenosu kyslíka v procese prevzdušňovania, súčasná čistiareň odpadových vôd sa bežne používa v mikroporéznych prevzdušňovacie systémy. V porovnaní s prevzdušňovacím systémom veľkých a stredne veľkých bublín dokáže mikroporézny prevzdušňovací systém ušetriť asi 50 % spotreby energie. Napriek tomu je miera využitia kyslíka jeho prevzdušňovacím procesom tiež v rozsahu 20 % až 30 %. Okrem toho v Číne existuje viac oblastí, kde sa používa technológia mikroporézneho prevzdušňovania na úpravu znečistených riek, ale neexistuje žiadny výskum, ako rozumne vybrať mikroporézne prevzdušňovače pre rôzne vodné podmienky. Preto má veľký význam optimalizácia výkonových parametrov okysličovania mikroporézneho prevzdušňovača pre skutočnú výrobu a aplikáciu.

Existuje mnoho faktorov ovplyvňujúcich výkon mikroporézneho prevzdušňovania a okysličovania, z ktorých najdôležitejšie sú objem prevzdušňovania, veľkosť pórov a inštalácia hĺbky vody.

V súčasnosti existuje menej štúdií o vzťahu medzi výkonom okysličovania mikroporézneho prevzdušňovača a veľkosťou pórov a hĺbkou inštalácie doma iv zahraničí. Výskum sa viac zameriava na zlepšenie koeficientu prenosu celkovej hmoty kyslíka a okysličovacej kapacity a zanedbáva problém spotreby energie v procese prevzdušňovania. Teoretickú energetickú účinnosť berieme ako hlavný výskumný index v kombinácii s okysličovacou kapacitou a trendom využívania kyslíka, spočiatku optimalizujeme objem prevzdušňovania, priemer otvoru a hĺbku inštalácie, keď je účinnosť prevzdušňovania najvyššia, aby sme poskytli referenciu pre aplikáciu. mikroporéznej technológie prevzdušňovania v aktuálnom projekte.

1.Materiály a metódy

1.1 Testovacie nastavenie

Testovacia zostava bola vyrobená z plexiskla a hlavným telom bola valcová prevzdušňovacia nádrž D {{0}}.4 m × 2 m so sondou rozpusteného kyslíka umiestnenou 0,5 m pod hladinou vody (zobrazené na obrázku 1 ).

Obrázok 1 Nastavenie testu prevzdušňovania a okysličovania

1.2 Skúšobné materiály

Mikroporézny prevzdušňovač, vyrobený z gumovej membrány, priemer 215 mm, veľkosť pórov 50, 100, 200, 500, 1 000 μm. Sension378 stolný tester rozpusteného kyslíka, HACH, USA. Prietokomer plynového rotora, rozsah 0~3 m3/h, presnosť ±0,2%. HC-S dúchadlo. Katalyzátor: CoCl2-6H2O, analyticky čistý; Deoxidant: Na2SO3, analyticky čistý.

1.3 Skúšobná metóda

Test sa uskutočnil pomocou statickej nestacionárnej metódy, tj najprv sa počas testu dávkovali Na2SO3 a CoCl2-6H2O na odkysličenie a aerácia sa začala, keď sa rozpustený kyslík vo vode znížil na {{5} }. Zaznamenali sa zmeny koncentrácie rozpusteného kyslíka vo vode v priebehu času a vypočítala sa hodnota KLa. Výkon okysličovania bol testovaný pri rôznych objemoch prevzdušňovania (0,5, 1, 1,5, 2, 2,5, 3 m3/h), rôznych veľkostiach pórov (50, 100, 200, 500, 1,000 μm) a rôzne hĺbky vody (0,8, 1,1, 1,3, 1,5, 1,8, 2,0 m) a odkazovalo sa aj na CJ/T

3015.2 -1993 „Určenie výkonu okysličovania čistej vody prevzdušňovačom“ a štandardy testu okysličovania čistej vody v USA.

2.Výsledky a diskusia

2.1 Princíp testu

Základný princíp testu je založený na teórii dvojitej membrány, ktorú navrhol Whitman v roku 1923. Proces prenosu hmoty kyslíka možno vyjadriť v rovnici (1).

Kde: dc/dt - rýchlosť prenosu hmoty, tj množstvo kyslíka preneseného na jednotku objemu vody za jednotku času, mg/(Ls).

KLa - celkový koeficient prestupu kyslíka prevzdušňovačom za testovacích podmienok, min-1 ;

C* - nasýtený rozpustený kyslík vo vode, mg/l.

Ct - rozpustený kyslík vo vode v momente prevzdušnenia t, mg/L.

Ak testovacia teplota nie je 20 stupňov, na korekciu KLa možno použiť rovnicu (2):

Okysličovacia kapacita (OC, kg/h) je vyjadrená rovnicou (3).

Kde: V - objem prevzdušňovacieho bazéna, m3.

Využitie kyslíka (SOTE, %) vyjadruje rovnica (4).

Kde: q - objem prevzdušňovania v štandardných podmienkach, m3/h.

Teoretická energetická účinnosť [E, kg/(kW-h)] je vyjadrená rovnicou (5).

Kde: P - výkon prevzdušňovacieho zariadenia, kW.

Bežne používané ukazovatele na hodnotenie výkonu okysličovania prevzdušňovača sú celkový koeficient prenosu hmoty kyslíka KLa, okysličovacia kapacita OC, miera využitia kyslíka SOTE a teoretická energetická účinnosť E [7]. Existujúce štúdie sa viac zamerali na trendy celkového koeficientu prenosu kyslíka, okysličovacej kapacity a využitia kyslíka a menej na teoretickú energetickú účinnosť [8, 9]. Teoretická energetická účinnosť ako jediný index účinnosti [10] môže odrážať problém spotreby energie v procese prevzdušňovania, na ktorý sa tento experiment zameriava.

2.2 Vplyv prevzdušňovania na výkon okysličovania

Výkon okysličovania pri rôznych úrovniach prevzdušňovania bol hodnotený prevzdušňovaním v spodnej časti 2 m prevzdušňovača s veľkosťou pórov 200 μm a výsledky sú znázornené na obr.

Obr. 2 Variácie využitia K a kyslíka s rýchlosťou prevzdušňovania

Ako je možné vidieť na obr. 2, KLa sa postupne zvyšuje so zvyšovaním objemu prevzdušňovania. Je to najmä preto, že čím väčší je objem prevzdušňovania, tým väčšia je kontaktná plocha plynu a kvapaliny a tým vyššia je účinnosť okysličovania. Na druhej strane niektorí výskumníci zistili, že miera využitia kyslíka klesala so zvyšovaním objemu prevzdušňovania a podobná situácia bola zistená aj v tomto experimente. Je to preto, že pod určitou hĺbkou vody sa čas zotrvania bublín vo vode zvyšuje, keď je objem prevzdušňovania malý, a čas kontaktu plynu s kvapalinou sa predlžuje; keď je objem prevzdušňovania veľký, narušenie vodného útvaru je silné a väčšina kyslíka sa efektívne nevyužije a nakoniec sa uvoľní z povrchu vody vo forme bublín do vzduchu. Miera využitia kyslíka odvodená z tohto experimentu nebola v porovnaní s literatúrou vysoká, pravdepodobne preto, že výška reaktora nebola dostatočne vysoká a veľké množstvo kyslíka uniklo bez kontaktu s vodným stĺpcom, čím sa znížila miera využitia kyslíka.

Zmena teoretickej energetickej účinnosti (E) s prevzdušňovaním je znázornená na obr.

Obr. 3 Teoretická energetická účinnosť verzus prevzdušňovací objem

Ako je možné vidieť na obr. 3, teoretická energetická účinnosť postupne klesá s rastúcim prevzdušňovaním. Je to preto, že štandardná rýchlosť prenosu kyslíka sa zvyšuje so zvyšovaním objemu prevzdušňovania za určitých podmienok hĺbky vody, ale zvýšenie užitočnej práce spotrebovanej dúchadlom je významnejšie ako zvýšenie štandardnej rýchlosti prenosu kyslíka, takže teoretická energetická účinnosť klesá so zvyšovaním objemu prevzdušňovania v rozsahu prevzdušňovacieho objemu skúmaného v experimente. Kombináciou trendov na obr. 2 a 3 je možné zistiť, že najlepší výkon okysličovania sa dosiahne pri objeme prevzdušňovania 0,5 m3/h.

2.3 Vplyv veľkosti pórov na výkon okysličovania

Veľkosť pórov má veľký vplyv na tvorbu bublín, čím väčšia je veľkosť pórov, tým väčšia je veľkosť bubliny. Bubliny na výkone okysličovania pri náraze sa prejavujú hlavne v dvoch aspektoch: Po prvé, čím menšie sú jednotlivé bubliny, tým väčšia je celková špecifická povrchová plocha bublín, čím väčšia je kontaktná plocha prenosu hmoty plynu a kvapaliny, tým je priaznivejšia pre prenos kyslík; Po druhé, čím väčšie sú bubliny, tým silnejšia je úloha miešania vody, čím rýchlejšie je miešanie plynu a kvapaliny, tým lepší je účinok okysličovania. Často hrá hlavnú úlohu prvý bod v procese prenosu hmoty. Testom bude objem prevzdušňovania nastavený na 0,5 m3/h, aby sa preskúmal vplyv veľkosti pórov na KLa a využitie kyslíka, pozri obrázok 4.

Obr. 4 Variačné krivky KLa a využitia kyslíka s veľkosťou pórov

Ako je možné vidieť z obr. 4, spotreba KLa aj kyslíka klesali so zvyšovaním veľkosti pórov. Za podmienok rovnakej hĺbky vody a objemu prevzdušňovania je KLa prevzdušňovača s apertúrou 50 μm asi trojnásobkom prevzdušňovača s apertúrou 1,000 μm. Preto, keď je prevzdušňovač inštalovaný v určitej hĺbke vody, tým menší je otvor okysličovacej kapacity prevzdušňovača a tým väčšia je spotreba kyslíka.

Zmena teoretickej energetickej účinnosti s veľkosťou pórov je znázornená na obr.

Obr. 5 Teoretická energetická účinnosť vs. veľkosť pórov

Ako je možné vidieť na obr. 5, teoretická energetická účinnosť ukazuje trend zvyšovania a následne klesania so zväčšovaním veľkosti otvoru. Je to preto, že na jednej strane má prevzdušňovač s malou apertúrou väčšiu KLa a okysličovaciu kapacitu, čo prispieva k okysličovaniu. Na druhej strane, strata odporu pod určitou hĺbkou vody sa zvyšuje so zmenšovaním priemeru otvoru. Keď je zníženie veľkosti pórov pri strate odporu podporného účinku väčšie ako úloha prenosu kyslíkovej hmoty, teoretická energetická účinnosť sa zníži so znížením veľkosti pórov. Preto, keď je priemer otvoru malý, teoretická energetická účinnosť sa bude zvyšovať so zvyšovaním priemeru otvoru a priemeru otvoru 200 μm na dosiahnutie maximálnej hodnoty 1,91 kg/(kW-h); keď je priemer otvoru > 200 μm, strata odporu v procese prevzdušňovania už nehrá dominantnú úlohu v procese prevzdušňovania, KLa a okysličovacia kapacita so zväčšením priemeru otvoru prevzdušňovača sa zníži, a preto sa teoretická energetická účinnosť vykazuje výrazný klesajúci trend.

2.4 Vplyv hĺbky inštalácie vody na výkon okysličovania

Hĺbka vody, v ktorej je prevzdušňovač inštalovaný, má veľmi výrazný vplyv na prevzdušňovací a okysličovací efekt. Cieľom experimentálnej štúdie bol plytký vodný kanál menší ako 2 m. Hĺbka prevzdušňovania perlátora bola určená hĺbkou vody v bazéne. Existujúce štúdie sa zameriavajú najmä na hĺbku ponorenia prevzdušňovača (tj prevzdušňovač je inštalovaný na dne bazéna a hĺbka vody sa zvyšuje zvýšením množstva vody) a test sa zameriava najmä na hĺbku inštalácie prevzdušňovača. prevzdušňovač (tj množstvo vody v bazéne sa udržiava konštantné a výška inštalácie prevzdušňovača sa nastavuje tak, aby sa našla najlepšia hĺbka vody pre prevzdušňovací efekt), a zmeny KLa a využitie kyslíka s hĺbkou vody sú zobrazené v Obr.

Obr. 6 Variačné krivky využitia K a kyslíka s hĺbkou vody

Obrázok 6 ukazuje, že so zvyšujúcou sa hĺbkou vody ukazuje KLa aj využitie kyslíka jasný rastúci trend, pričom KLa sa líši viac ako štvornásobne pri 0,8 m hĺbke vody a 2 m hĺbke vody. Je to preto, že čím je voda hlbšia, tým dlhší je čas zotrvania bublín vo vodnom stĺpci, čím dlhší je čas kontaktu plynu s kvapalinou, tým lepší je účinok prenosu kyslíka. Preto čím hlbšie je prevzdušňovač nainštalovaný, tým viac prispieva k okysličovacej kapacite a využitiu kyslíka. Ale inštalácia hĺbky vody sa zvyšuje a zároveň sa zvýši aj strata odporu, aby sa prekonala strata odporu, je potrebné zvýšiť množstvo prevzdušňovania, čo nevyhnutne povedie k zvýšeniu spotreby energie a prevádzkových nákladov. Preto, aby sa dosiahla optimálna hĺbka inštalácie, je potrebné vyhodnotiť vzťah medzi teoretickou energetickou účinnosťou a hĺbkou vody, pozri tabuľku 1.

Tabuľka 1 ukazuje, že teoretická energetická účinnosť je extrémne nízka pri inštalačnej hĺbke 0,8 m, iba 0,5 kg/(kW-h), takže prevzdušňovanie plytkej vody je nevhodné. Inštalácia hĺbky vody 1,1 ~ 1,5 m, v dôsledku výrazného zvýšenia okysličovacej kapacity, zatiaľ čo prevzdušňovač odporovým efektom nie je zrejmý, takže teoretická energetická účinnosť sa rýchlo zvyšuje. Ako sa hĺbka vody ďalej zvyšuje na 1,8 m, vplyv straty odporu na výkon okysličovania sa stáva čoraz významnejším, čo vedie k tomu, že rast teoretickej energetickej účinnosti má tendenciu sa vyrovnávať, ale stále vykazuje rastúci trend a v inštalácii z hĺbky vody 2 m dosahuje teoretická energetická účinnosť maximálne 1,97 kg/(kW-h). Preto pre kanály < 2 m je pre optimálne okysličovanie preferované prevzdušňovanie dna.

Záver

Použitie statickej nestacionárnej metódy pre mikroporéznu aeráciu test okysličovania čistej vody v testovacej hĺbke 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 účinnosť je jediným ukazovateľom účinnosti. V testovacích podmienkach sa teoretická energetická účinnosť s prevzdušňovaním a inštaláciou hĺbky vody zvyšuje, pričom zväčšenie clony sa najskôr zvyšuje a potom znižuje. Inštalácia hĺbky vody a otvoru by mala byť rozumnou kombináciou, aby sa dosiahol najlepší výkon okysličovania, vo všeobecnosti platí, že čím väčšia je hĺbka výberu vody otvoru prevzdušňovača, tým väčšia.

Výsledky testu naznačujú, že by sa nemalo používať plytké prevzdušňovanie vodou. Pri hĺbke inštalácie 2 m, objeme prevzdušňovania 0,5 m3/h a prevzdušňovači s veľkosťou pórov 200 μm bola dosiahnutá maximálna teoretická energetická účinnosť 1,97 kg/(kW-h).