Wydajność natleniania napowietrzania mikroporowatego

W systemie oczyszczania ścieków proces napowietrzania stanowi od 45% do 75% zużycia energii całej oczyszczalni ścieków. Aby poprawić efektywność przenoszenia tlenu w procesie napowietrzania, obecna oczyszczalnia ścieków jest powszechnie stosowana w mikroporowatych systemy napowietrzania. W porównaniu z systemem napowietrzania dużych i średnich pęcherzyków, mikroporowaty system napowietrzania pozwala zaoszczędzić około 50% zużycia energii. Niemniej jednak stopień wykorzystania tlenu w procesie napowietrzania również mieści się w zakresie od 20% do 30%. Ponadto w Chinach jest więcej obszarów, w których stosuje się technologię napowietrzania mikroporowatego do oczyszczania zanieczyszczonych rzek, ale nie ma badań dotyczących rozsądnego doboru mikroporowatych napowietrzaczy do różnych warunków wodnych. Dlatego też optymalizacja parametrów wydajności natleniania mikroporowatego aeratora dla rzeczywistej produkcji i zastosowania ma ogromne znaczenie.

Istnieje wiele czynników wpływających na wydajność mikroporowatego napowietrzania i natleniania, z których najważniejsze to objętość napowietrzania, wielkość porów i głębokość wody.

Obecnie istnieje mniej badań dotyczących związku między wydajnością natlenienia mikroporowatego aeratora a wielkością porów i głębokością instalacji w kraju i za granicą. Badania skupiają się bardziej na poprawie współczynnika całkowitego przenikania masy tlenu i wydajności natlenienia, pomijając problem energochłonności procesu napowietrzania. Za główny wskaźnik badawczy przyjmujemy teoretyczną efektywność energetyczną, w połączeniu ze zdolnością natlenienia i tendencją wykorzystania tlenu, wstępnie optymalizujemy objętość napowietrzania, średnicę otworu i głębokość instalacji, gdy wydajność napowietrzania jest najwyższa, aby zapewnić punkt odniesienia dla zastosowania technologii napowietrzania mikroporowatego w rzeczywistym projekcie.

1.Materiały i metody

1.1 Konfiguracja testowa

Układ testowy wykonano z pleksiglasu, a głównym korpusem był cylindryczny zbiornik napowietrzający o wymiarach D {{0}},4 m × 2 m z sondą tlenu rozpuszczonego umieszczoną 0,5 m pod powierzchnią wody (pokazane na rysunku 1) ).

Rysunek 1 Konfiguracja testu napowietrzania i natlenienia

1.2 Materiały testowe

Aerator mikroporowaty, wykonany z membrany gumowej, średnica 215 mm, wielkość porów 50, 100, 200, 500, 1 000 μm. laboratoryjny tester rozpuszczonego tlenu sension378, HACH, USA. Przepływomierz gazowy, zakres 0~3 m3/h, dokładność ±0,2%. Dmuchawa HC-S. Katalizator: CoCl2-6H2O, czysty analitycznie; Odtleniacz: Na2SO3, czysty analitycznie.

1.3 Metoda badania

Badanie przeprowadzono metodą statyczną niestacjonarną, tj. w trakcie badania najpierw dozowano Na2SO3 i CoCl2-6H2O w celu odtlenienia, a napowietrzanie rozpoczynano po obniżeniu zawartości tlenu rozpuszczonego w wodzie do {{5} }. Rejestrowano zmiany stężenia rozpuszczonego tlenu w wodzie w czasie i obliczano wartość KLa. Wydajność natleniania testowano przy różnych objętościach napowietrzania (0,5, 1, 1,5, 2, 2,5, 3 m3/h), różnych rozmiarach porów (50, 100, 200, 500, 1,000 μm) i różne głębokości wody (0,8, 1,1, 1,3, 1,5, 1,8, 2,0 m) i odniesiono się także do normy CJ/T 3015.2 -1993 „Określanie wydajności natlenienia czystej wody za pomocą aeratora” oraz amerykańskich standardów testowania natlenienia czystej wody.

2.Wyniki i dyskusja

2.1 Zasada testu

Podstawowa zasada testu opiera się na teorii podwójnej membrany zaproponowanej przez Whitmana w 1923 roku. Proces przenoszenia masy tlenu można wyrazić równaniem (1).

Gdzie: dc/dt – szybkość przenikania masy, tj. ilość przeniesionego tlenu na jednostkę objętości wody w jednostce czasu, mg/(Ls).

KLa - współczynnik całkowitego przenikania tlenu przez aerator w warunkach badania, min-1 ;

C* – nasycony tlen rozpuszczony w wodzie, mg/L.

Ct – tlen rozpuszczony w wodzie w momencie napowietrzenia t, mg/L.

Jeśli temperatura badania nie wynosi 20 stopni, można zastosować równanie (2) w celu skorygowania KLa:

Zdolność do natlenienia (OC, kg/h) wyraża się równaniem (3).

Gdzie: V - objętość basenu napowietrzającego, m3.

Wykorzystanie tlenu (SOTE, %) wyraża równanie (4).

Gdzie: q – objętość napowietrzania w stanie normalnym, m3/h.

Teoretyczną sprawność energetyczną [E, kg/(kW-h)] wyraża się równaniem (5).

Gdzie: P - moc urządzenia napowietrzającego, kW.

Powszechnie stosowanymi wskaźnikami do oceny wydajności natlenienia aeratora są całkowity współczynnik przenikania masy tlenu KLa, wydajność natlenienia OC, stopień wykorzystania tlenu SOTE i teoretyczna efektywność energetyczna E [7]. Istniejące badania skupiały się bardziej na trendach całkowitego współczynnika przenikania masy tlenu, zdolności natleniania i wykorzystania tlenu, a mniej na teoretycznej efektywności energetycznej [8, 9]. Teoretyczna efektywność energetyczna, jako jedyny wskaźnik efektywności [10], może odzwierciedlać problem zużycia energii w procesie napowietrzania, na którym skupia się ten eksperyment.

2.2 Wpływ napowietrzania na wydajność natlenienia

Wydajność natlenienia przy różnych poziomach napowietrzenia oceniano poprzez napowietrzanie na dnie 2 m aeratora o wielkości porów 200 µm, a wyniki przedstawiono na ryc. 2.

Ryc. 2 Zmiana wykorzystania K i tlenu w zależności od szybkości napowietrzania

Jak widać na rys. 2, KLa wzrasta stopniowo wraz ze wzrostem objętości napowietrzania. Dzieje się tak głównie dlatego, że im większa objętość napowietrzania, tym większa powierzchnia kontaktu gaz-ciecz i wyższa wydajność natlenienia. Z drugiej strony część badaczy stwierdziła, że ​​stopień wykorzystania tlenu zmniejszał się wraz ze wzrostem objętości napowietrzania i podobną sytuację stwierdzono w tym doświadczeniu. Dzieje się tak dlatego, że przy małej głębokości wody czas przebywania pęcherzyków w wodzie wydłuża się, gdy objętość napowietrzenia jest mała, a czas kontaktu gaz-ciecz wydłuża się; gdy objętość napowietrzenia jest duża, zaburzenia w zbiorniku wodnym są silne, a większość tlenu nie jest efektywnie wykorzystywana i ostatecznie jest uwalniana z powierzchni wody w postaci pęcherzyków do powietrza. Stopień wykorzystania tlenu uzyskany w tym eksperymencie nie był wysoki w porównaniu z literaturą, prawdopodobnie dlatego, że wysokość reaktora nie była wystarczająco duża, a duża ilość tlenu wydostała się bez kontaktu ze słupem wody, zmniejszając stopień wykorzystania tlenu.

Zmianę teoretycznej efektywności energetycznej (E) przy napowietrzaniu przedstawiono na rys. 3.

Rys. 3 Teoretyczna wydajność energetyczna w funkcji objętości napowietrzania

Jak widać na rys. 3, teoretyczna sprawność energetyczna maleje stopniowo wraz ze wzrostem napowietrzania. Dzieje się tak, ponieważ standardowa szybkość przenoszenia tlenu wzrasta wraz ze wzrostem objętości napowietrzania w określonych warunkach głębokości wody, ale wzrost pracy użytecznej zużywanej przez dmuchawę jest bardziej znaczący niż wzrost standardowej szybkości przenoszenia tlenu, więc teoretyczna wydajność energetyczna maleje wraz ze wzrostem objętości napowietrzenia w zakresie objętości napowietrzania badanym w doświadczeniu. Łącząc trendy na ryc. 2 i 3 można stwierdzić, że najlepszą wydajność natleniania osiąga się przy objętości napowietrzania wynoszącej 0,5 m3/h.

2.3 Wpływ wielkości porów na wydajność natlenienia

Rozmiar porów ma duży wpływ na powstawanie pęcherzyków, im większy rozmiar porów, tym większy rozmiar pęcherzyków. Pęcherzyki na wydajność natlenienia uderzenia objawiają się głównie w dwóch aspektach: po pierwsze, im mniejsze pojedyncze pęcherzyki, tym większa ogólna powierzchnia właściwa pęcherzyków, tym większa powierzchnia kontaktu przenoszenia masy gaz-ciecz, tym bardziej sprzyja przenoszeniu tlen; Po drugie, im większe pęcherzyki, tym silniejsza rola mieszania wody, szybsze mieszanie się gazu z cieczą, tym lepszy efekt natlenienia. Często pierwszy punkt w procesie przenoszenia masy odgrywa główną rolę. Testem będzie objętość napowietrzania ustawiona na 0,5 m3/h, aby zbadać wpływ wielkości porów na KLa i wykorzystanie tlenu, patrz rysunek 4.

Ryc. 4 Krzywe zmienności wykorzystania KLa i tlenu w zależności od wielkości porów

Jak widać na ryc. 4, zarówno wykorzystanie KLa, jak i tlenu zmniejszało się wraz ze wzrostem wielkości porów. Przy tej samej głębokości wody i objętości napowietrzania wartość KLa aeratora o średnicy 50 μm jest około trzykrotnie większa niż w przypadku aeratora o średnicy 1,000 μm. Dlatego też, gdy aerator jest zainstalowany na określonej głębokości wody, im mniejszy otwór aeratora, tym większa jest wydajność natleniania aeratora i większe wykorzystanie tlenu.

Zmienność teoretycznej sprawności energetycznej w zależności od wielkości porów pokazano na rys. 5.

Rys. 5 Teoretyczna efektywność energetyczna w funkcji wielkości porów

Jak widać na rys. 5, teoretyczna sprawność energetyczna wykazuje tendencję rosnącą, a następnie malejącą wraz ze wzrostem wielkości apertury. Dzieje się tak dlatego, że z jednej strony aerator o małej aperturze ma większą pojemność KLa i natlenienie, co sprzyja natlenieniu. Z drugiej strony, utrata rezystancji przy określonej głębokości wody zwiększa się wraz ze zmniejszaniem się średnicy otworu. Gdy zmniejszenie wielkości porów w wyniku utraty oporu w wyniku efektu promocji jest większe niż rola przenoszenia masy tlenu, teoretyczna wydajność energetyczna zostanie zmniejszona wraz ze zmniejszeniem wielkości porów. Dlatego też, gdy średnica apertury jest mała, teoretyczna wydajność energetyczna będzie rosła wraz ze wzrostem średnicy apertury, a średnica apertury 200 µm osiągnie maksymalną wartość 1,91 kg/(kW-h); gdy średnica apertury > 200 µm, utrata rezystancji w procesie napowietrzania nie odgrywa już dominującej roli w procesie napowietrzania, KLa i wydajność natlenienia wraz ze wzrostem średnicy aeratora ulegną zmniejszeniu, a co za tym idzie, wartość teoretyczna efektywność energetyczna wykazuje wyraźną tendencję spadkową.

2.4 Wpływ głębokości wody w instalacji na wydajność natleniania

Bardzo istotny wpływ na efekt napowietrzenia i natlenienia ma głębokość wody, na której zainstalowany jest aerator. Celem badań eksperymentalnych był płytki kanał wodny o głębokości mniejszej niż 2 m. Głębokość napowietrzania aeratora została określona na podstawie głębokości wody w basenie. Istniejące badania koncentrują się głównie na głębokości zanurzenia aeratora (tj. aerator instaluje się na dnie basenu, a głębokość wody zwiększa się poprzez zwiększenie ilości wody), a badanie koncentruje się głównie na głębokości montażu aeratora. napowietrzacza (tzn. ilość wody w basenie jest utrzymywana na stałym poziomie, a wysokość montażu aeratora jest dostosowywana tak, aby znaleźć najlepszą głębokość wody dla uzyskania efektu napowietrzenia), a zmiany KLa i wykorzystania tlenu wraz z głębokością wody są pokazany na ryc. 6.

Ryc. 6 Krzywe zmienności wykorzystania K i tlenu w zależności od głębokości wody

Rysunek 6 pokazuje, że wraz ze wzrostem głębokości wody zarówno KLa, jak i wykorzystanie tlenu wykazują wyraźną tendencję wzrostową, przy czym KLa różni się ponad czterokrotnie na głębokości wody 0,8 m i głębokości wody 2 m. Dzieje się tak dlatego, że im głębsza woda, tym dłuższy czas przebywania pęcherzyków w słupie wody, im dłuższy czas kontaktu gaz-ciecz, tym lepszy efekt przenoszenia tlenu. Dlatego im głębiej zainstalowany jest aerator, tym lepiej sprzyja to wydajności natleniania i wykorzystaniu tlenu. Ale w przypadku instalacji głębokości wody wzrasta jednocześnie utrata oporu, aby przezwyciężyć utratę oporu, konieczne jest zwiększenie ilości napowietrzania, co nieuchronnie doprowadzi do wzrostu zużycia energii i kosztów operacyjnych. Dlatego, aby uzyskać optymalną głębokość montażu, należy ocenić zależność pomiędzy teoretyczną efektywnością energetyczną a głębokością wody, patrz tabela 1.

Tabela 1 pokazuje, że teoretyczna efektywność energetyczna jest wyjątkowo niska przy głębokości instalacji wynoszącej 0,8 m, wynoszącej zaledwie 0,5 kg/(kW-h), co powoduje, że napowietrzanie płytkiej wody jest niewłaściwe. Instalacja wody o głębokości od 1,1 ~ 1,5 m, ze względu na znaczny wzrost wydajności natleniania, natomiast działanie aeratora przez efekt oporu nie jest oczywiste, więc teoretyczna wydajność mocy szybko rośnie. W miarę dalszego wzrostu głębokości wody do 1,8 m wpływ utraty rezystancji na wydajność natlenienia staje się coraz bardziej znaczący, w wyniku czego wzrost teoretycznej sprawności energetycznej ma tendencję do wyrównywania się, ale nadal wykazuje tendencję rosnącą, a w instalacji przy głębokości wody 2 m teoretyczna wydajność energetyczna osiąga maksymalnie 1,97 kg/(kW-h). Dlatego w przypadku kanałów < 2 m preferowane jest napowietrzanie dna w celu zapewnienia optymalnego natlenienia.

Wniosek

Stosując statyczną niestacjonarną metodę napowietrzania mikroporowatego, test natlenienia czystej wody, w głębokości wody badawczej (< 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.

Jedynym wskaźnikiem efektywności jest teoretyczna wydajność energetyczna. W warunkach testowych teoretyczna wydajność energetyczna przy napowietrzaniu i instalowaniu głębokości wody wzrasta, wraz ze wzrostem apertury najpierw rośnie, a następnie maleje. Instalacja głębokości wody i apertury powinna być rozsądną kombinacją, aby wydajność natlenienia była osiągana najlepiej, ogólnie rzecz biorąc, im większa głębokość doboru wody przez otwór aeratora, tym większa.

Wyniki badań wskazują, że nie należy stosować napowietrzania wód płytkich. Przy głębokości instalacji wynoszącej 2 m, objętość napowietrzania wynosząca 0,5 m3/h i aerator o wielkości porów 200 μm pozwoliły uzyskać maksymalną teoretyczną wydajność energetyczną wynoszącą 1,97 kg/(kW-h).