Microporeuze beluchting OxygenatiePrestaties

In het afvalwaterzuiveringssysteem is het beluchtingsproces verantwoordelijk voor 45% tot 75% van het energieverbruik van de gehele afvalwaterzuiveringsinstallatie. Om de zuurstofoverdrachtsefficiëntie van het beluchtingsproces te verbeteren, wordt de huidige afvalwaterzuiveringsinstallatie vaak gebruikt in microporeuze beluchtingssystemen. Vergeleken met het beluchtingssysteem van grote en middelgrote bellen, kan het microporeuze beluchtingssysteem ongeveer 50% van het energieverbruik besparen. Niettemin ligt de zuurstofbenuttingsgraad van het beluchtingsproces ook in het bereik van 20% tot 30%. Bovendien zijn er in China meer gebieden waar microporeuze beluchtingstechnologie wordt gebruikt voor de behandeling van vervuilde rivieren, maar er is geen onderzoek gedaan naar hoe redelijkerwijs microporeuze beluchters kunnen worden geselecteerd voor verschillende wateromstandigheden. Daarom is de optimalisatie van de oxygenatieprestatieparameters van microporeuze beluchters voor de daadwerkelijke productie en toepassing van groot belang.

Er zijn veel factoren die de prestaties van microporeuze beluchting en oxygenatie beïnvloeden, waarvan de belangrijkste het beluchtingsvolume, de poriegrootte en de installatie van de waterdiepte zijn.

Op dit moment zijn er minder onderzoeken naar de relatie tussen de oxygenatieprestaties van microporeuze beluchters en de poriegrootte en installatiediepte in binnen- en buitenland. Het onderzoek richt zich meer op de verbetering van de totale zuurstofmassaoverdrachtscoëfficiënt en de oxygenatiecapaciteit, en negeert het energieverbruikprobleem in het beluchtingsproces. We nemen de theoretische energie-efficiëntie als de belangrijkste onderzoeksindex, gecombineerd met de oxygenatiecapaciteit en de trend van het zuurstofgebruik. We optimaliseren in eerste instantie het beluchtingsvolume, de openingsdiameter en de installatiediepte wanneer de beluchtingsefficiëntie het hoogst is, om zo een referentie voor de toepassing te bieden van microporeuze beluchtingstechnologie in het eigenlijke project.

1. Materialen en methoden

1.1 Proefopstelling

De testopstelling was gemaakt van plexiglas en het hoofdgedeelte was een cilindrische beluchtingstank van D {{0}}.4 m x 2 m met een sonde voor opgeloste zuurstof die zich 0,5 m onder het wateroppervlak bevond (weergegeven in figuur 1 ).

Figuur 1 Testopstelling voor beluchting en zuurstofvoorziening

1.2 Testmaterialen

Microporeuze beluchter, gemaakt van rubbermembraan, diameter 215 mm, poriegrootte 50, 100, 200, 500, 1 000 μm. sension378 tafelmodel tester voor opgeloste zuurstof, HACH, VS. Gasrotordebietmeter, bereik 0~3 m3/h, nauwkeurigheid ±0,2%. HC-S-blower. Katalysator: CoCl2-6H2O, analytisch zuiver; Deoxidant: Na2SO3, analytisch zuiver.

1.3 Testmethode

De test werd uitgevoerd met behulp van de statische, niet-stationaire methode, dwz dat Na2SO3 en CoCl2-6H2O tijdens de test eerst werden gedoseerd om de zuurstof te verwijderen, en dat de beluchting werd gestart toen de opgeloste zuurstof in het water was teruggebracht tot {{5} }. Veranderingen in de concentratie opgeloste zuurstof in het water in de loop van de tijd werden geregistreerd en de KLa-waarde werd berekend. De zuurstofprestaties zijn getest onder verschillende beluchtingsvolumes (0.5, 1, 1.5, 2, 2.5, 3 m3/h), verschillende poriegroottes (50, 100, 200, 500, 1,000 μm) en verschillende waterdieptes (0,8, 1,1, 1,3, 1,5, 1,8, 2,0 m), en er werd ook verwezen naar de CJ/T 3015.2 -1993 "Bepaling van de zuurstofvoorziening in helder water van de beluchter" en de Amerikaanse testnormen voor de zuurstofvoorziening in helder water.

2. Resultaten en discussie

2.1 Principe van de test

Het basisprincipe van de test is gebaseerd op de dubbelmembraantheorie voorgesteld door Whitman in 1923. Het proces van zuurstofmassaoverdracht kan worden uitgedrukt in vergelijking (1).

Waarbij: dc/dt - massaoverdrachtssnelheid, dwz de hoeveelheid zuurstof die wordt overgedragen per volume-eenheid water per tijdseenheid, mg/(Ls).

KLa - totale zuurstofoverdrachtscoëfficiënt van de beluchter onder de testomstandigheden, min-1 ;

C* - verzadigde opgeloste zuurstof in water, mg/l.

Ct - opgeloste zuurstof in het water op het moment van beluchting t, mg/L.

Als de testtemperatuur niet 20 graden bedraagt, kan vergelijking (2) worden gebruikt om voor KLa te corrigeren:

De oxygenatiecapaciteit (OC, kg/u) wordt uitgedrukt door vergelijking (3).

Waar: V - beluchting zwembadvolume, m3.

Zuurstofgebruik (SOTE, %) wordt uitgedrukt door vergelijking (4).

Waarbij: q - beluchtingsvolume in standaardconditie, m3/h.

Het theoretische energierendement [E, kg/(kW-h)] wordt uitgedrukt door vergelijking (5).

Waar: P - vermogen beluchtingsapparatuur, kW.

Veelgebruikte indicatoren voor het evalueren van de oxygenatieprestaties van de beluchter zijn de totale zuurstofmassaoverdrachtscoëfficiënt KLa, de oxygenatiecapaciteit OC, de zuurstofbenuttingsgraad SOTE en de theoretische energie-efficiëntie E [7]. De bestaande onderzoeken hebben zich meer gericht op de trends van de totale zuurstofmassaoverdrachtscoëfficiënt, de oxygenatiecapaciteit en het zuurstofgebruik, en minder op de theoretische energie-efficiëntie [8, 9]. Theoretische energie-efficiëntie kan, als de enige efficiëntie-index [10], het energieverbruiksprobleem in het beluchtingsproces weerspiegelen, waarop dit experiment zich richt.

2.2 Effect van beluchting op de oxygenatieprestaties

De oxygenatieprestaties bij verschillende beluchtingsniveaus werden geëvalueerd door beluchting aan de onderste 2 m van de beluchter met een poriegrootte van 200 μm, en de resultaten worden getoond in figuur 2.

Fig. 2 Variatie van K- en zuurstofverbruik met beluchtingssnelheid

Zoals uit figuur 2 blijkt, neemt KLa geleidelijk toe met de toename van het beluchtingsvolume. Dit komt voornamelijk omdat hoe groter het beluchtingsvolume, hoe groter het gas-vloeistofcontactoppervlak en hoe hoger de oxygenatie-efficiëntie. Aan de andere kant ontdekten sommige onderzoekers dat de zuurstofbenuttingsgraad afnam naarmate het beluchtingsvolume toenam, en in dit experiment werd een soortgelijke situatie aangetroffen. Dit komt doordat onder een bepaalde waterdiepte de verblijftijd van bellen in het water toeneemt wanneer het beluchtingsvolume klein is, en de contacttijd tussen gas en vloeistof wordt verlengd; wanneer het beluchtingsvolume groot is, is de verstoring van het waterlichaam sterk en wordt het grootste deel van de zuurstof niet effectief gebruikt, en komt uiteindelijk vrij van het wateroppervlak in de vorm van bellen in de lucht. De uit dit experiment afgeleide zuurstofbenutting was niet hoog in vergelijking met de literatuur, waarschijnlijk omdat de reactorhoogte niet hoog genoeg was en een grote hoeveelheid zuurstof ontsnapte zonder in contact te komen met de waterkolom, waardoor de zuurstofbenutting daalde.

De variatie van de theoretische energie-efficiëntie (E) met beluchting wordt getoond in figuur 3.

Fig. 3 Theoretische energie-efficiëntie versus beluchtingsvolume

Zoals te zien is in figuur 3 neemt de theoretische energie-efficiëntie geleidelijk af met toenemende beluchting. Dit komt omdat de standaard zuurstofoverdrachtssnelheid toeneemt met de toename van het beluchtingsvolume onder bepaalde waterdiepteomstandigheden, maar de toename van het nuttige werk dat door de ventilator wordt verbruikt is significanter dan de toename van de standaard zuurstofoverdrachtssnelheid, dus de theoretische energie-efficiëntie neemt af met de toename van het beluchtingsvolume binnen het bereik van het beluchtingsvolume dat in het experiment is onderzocht. Door de trends in Fig. 2 en 3 blijkt dat de beste oxygenatieprestaties worden bereikt bij een beluchtingsvolume van 0,5 m3/u.

2.3 Effect van poriegrootte op oxygenatieprestaties

De poriegrootte heeft een grote invloed op de vorming van belletjes: hoe groter de poriegrootte, hoe groter de bel. Bellen op de oxygenatieprestaties van de impact komen voornamelijk tot uiting in twee aspecten: ten eerste, hoe kleiner de individuele bellen, hoe groter het totale belspecifieke oppervlak, hoe groter het gas-vloeistof massaoverdrachtscontactgebied, hoe bevorderlijker voor de overdracht van zuurstof; Ten tweede: hoe groter de bellen, hoe sterker de rol van het roeren van het water, hoe sneller het gas en de vloeistof zich vermengt, hoe beter het effect van oxygenatie. Vaak speelt het eerste punt in het massaoverdrachtsproces een grote rol. Bij de test wordt het beluchtingsvolume ingesteld op 0,5 m3/u, om het effect van de poriegrootte op KLa en het zuurstofverbruik te onderzoeken, zie Figuur 4.

Fig. 4 Variatiecurven van KLa en zuurstofgebruik met poriegrootte

Zoals uit figuur 4 blijkt, namen zowel het KLa- als het zuurstofverbruik af met de toename van de poriegrootte. Onder de voorwaarde van dezelfde waterdiepte en hetzelfde beluchtingsvolume is de KLa van een beluchter met een opening van 50 μm ongeveer drie keer zo groot als die van een beluchter met een opening van 1,000 μm. Wanneer de beluchter daarom in een bepaalde waterdiepte wordt geïnstalleerd, is de opening van de oxygenatiecapaciteit van de beluchter kleiner en is het zuurstofverbruik groter.

De variatie van de theoretische energie-efficiëntie met de poriegrootte wordt getoond in figuur 5.

Fig. 5 Theoretische energie-efficiëntie versus poriegrootte

Zoals uit figuur 5 blijkt, vertoont de theoretische energie-efficiëntie een trend van toenemend en vervolgens afnemend naarmate de opening groter wordt. Dit komt doordat enerzijds de beluchter met kleine opening een grotere KLa- en oxygenatiecapaciteit heeft, wat bevorderlijk is voor de oxygenatie. Aan de andere kant neemt het weerstandsverlies onder een bepaalde waterdiepte toe met de afname van de openingsdiameter. Wanneer de verkleining van de poriegrootte op het weerstandsverlies van het bevorderingseffect groter is dan de rol van de overdracht van zuurstofmassa, zal de theoretische energie-efficiëntie worden verminderd met de verkleining van de poriegrootte. Daarom zal, wanneer de openingdiameter klein is, de theoretische energie-efficiëntie toenemen met de toename van de openingdiameter, en de openingdiameter van 200 μm om de maximale waarde van 1,91 kg/(kW-h) te bereiken; wanneer de openingsdiameter > 200 μm, het weerstandsverlies in het beluchtingsproces niet langer een dominante rol speelt in het beluchtingsproces, zullen de KLa en de oxygenatiecapaciteit met de toename van de openingsdiameter van de beluchter worden verminderd, en daarom zal de theoretische De energie-efficiëntie laat een significante neerwaartse trend zien.

2.4 Effect van de waterdiepte van de installatie op de oxygenatieprestaties

De waterdiepte waarin de beluchter wordt geïnstalleerd, heeft een zeer significant effect op het beluchtings- en oxygenatie-effect. Het doel van het experimentele onderzoek was een ondiep waterkanaal van minder dan 2 meter. De beluchtingsdiepte van de beluchter werd bepaald door de waterdiepte van het zwembad. Bestaande onderzoeken richten zich voornamelijk op de ondergedompelde diepte van de beluchter (dwz de beluchter wordt op de bodem van het zwembad geïnstalleerd en de waterdiepte wordt vergroot door de hoeveelheid water te vergroten), en de test richt zich voornamelijk op de installatiediepte van de beluchter. beluchter (dwz de hoeveelheid water in het zwembad wordt constant gehouden en de installatiehoogte van de beluchter wordt aangepast om de beste waterdiepte voor beluchtingseffect te vinden), en de veranderingen in KLa en zuurstofgebruik met de waterdiepte zijn getoond in afb. 6.

Fig. 6 Variatiecurven van K en zuurstofverbruik met waterdiepte

Figuur 6 laat zien dat met de toename van de waterdiepte zowel de KLa als het zuurstofgebruik een duidelijk stijgende trend vertonen, waarbij de KLa ruim vier keer verschilt bij een waterdiepte van 0,8 m en een waterdiepte van 2 m. Dit komt omdat hoe dieper het water, hoe langer de verblijftijd van de bellen in de waterkolom, hoe langer de gas-vloeistofcontacttijd, hoe beter het zuurstofoverdrachtseffect. Hoe dieper de beluchter wordt geïnstalleerd, hoe gunstiger de oxygenatiecapaciteit en het zuurstofgebruik. Maar de installatie van de waterdiepte neemt toe, terwijl het weerstandsverlies ook zal toenemen. Om het weerstandsverlies te overwinnen, is het noodzakelijk om de hoeveelheid beluchting te vergroten, wat onvermijdelijk zal leiden tot een stijging van het energieverbruik en de bedrijfskosten. Om de optimale installatiediepte te verkrijgen, is het daarom noodzakelijk om de relatie tussen theoretische energie-efficiëntie en waterdiepte te evalueren, zie Tabel 1.

Tabel 1 laat zien dat de theoretische energie-efficiëntie extreem laag is bij een installatiediepte van 0,8 m, met slechts 0,5 kg/(kW-h), waardoor beluchting in ondiep water niet geschikt is. Installatie van een waterdiepte van 1,1 ~ 1,5 m bereik, vanwege de aanzienlijke toename van de oxygenatiecapaciteit, terwijl de beluchter door het weerstandseffect niet voor de hand ligt, dus de theoretische energie-efficiëntie neemt snel toe. Naarmate de waterdiepte verder toeneemt tot 1,8 m, wordt het effect van weerstandsverlies op de oxygenatieprestaties steeds groter, wat ertoe leidt dat de groei van de theoretische energie-efficiëntie de neiging heeft af te vlakken, maar nog steeds een stijgende trend vertoont, en in de installatie van de waterdiepte van 2 m bereikt het theoretische energierendement een maximum van 1,97 kg/(kW-h). Voor kanalen < 2 m heeft bodembeluchting daarom de voorkeur voor een optimale oxygenatie.

Conclusie

Met behulp van de statische, niet-stationaire methode voor microporeuze beluchting, zuurstoftest voor helder water, in de testwaterdiepte (< 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.

Theoretische energie-efficiëntie is de enige indicator voor effectiviteit. In de testomstandigheden neemt de theoretische energie-efficiëntie met de beluchting en installatie van waterdiepte toe, waarbij de toename van de opening eerst toeneemt en vervolgens afneemt. De installatie van waterdiepte en opening moet een redelijke combinatie zijn om de oxygenatieprestaties zo goed mogelijk te laten verlopen. Over het algemeen geldt: hoe groter de waterdiepte van de beluchtingsopening, hoe groter.

De testresultaten geven aan dat beluchting in ondiep water niet mag worden toegepast. Op een installatiediepte van 2 m resulteerde een beluchtingsvolume van 0,5 m3/h en een beluchter met een poriegrootte van 200 μm in een maximaal theoretisch energierendement van 1,97 kg/(kW-h).