Mikroporozna aeracija OxygenationPerformance

U sistemu za prečišćavanje otpadnih voda, proces aeracije čini 45% do 75% potrošnje energije čitavog postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda, kako bi se poboljšala efikasnost prenosa kiseonika u procesu aeracije, trenutno postrojenje za prečišćavanje otpadnih voda se obično koristi u mikroporoznim sistemi za aeraciju. U poređenju sa sistemom aeracije velikih i srednjih mehurića, mikroporozni sistem za aeraciju može uštedeti oko 50% potrošnje energije. Ipak, stopa iskorištenja kisika u procesu aeracije također je u rasponu od 20% do 30%. Osim toga, u Kini je bilo više područja u kojima se koristi tehnologija mikroporozne aeracije za tretman zagađenih rijeka, ali nema istraživanja o tome kako razumno odabrati mikroporozne aeratore za različite uslove vode. Stoga je optimizacija parametara performansi oksigenacije mikroporoznog aeratora za stvarnu proizvodnju i primjenu od velikog značaja.

Mnogo je faktora koji utiču na performanse mikroporozne aeracije i oksigenacije, od kojih su najvažniji zapremina aeracije, veličina pora i dubina ugradnje vode.

Trenutno postoji manje studija o odnosu između performansi oksigenacije mikroporoznog aeratora i veličine pora i dubine ugradnje u zemlji i inostranstvu. Istraživanje se više fokusira na poboljšanje koeficijenta prijenosa ukupne mase kisika i kapaciteta oksigenacije, a zanemaruje problem potrošnje energije u procesu aeracije. Uzimamo teorijsku energetsku efikasnost kao glavni indeks istraživanja, u kombinaciji s kapacitetom oksigenacije i trendom korištenja kisika, u početku optimiziramo volumen aeracije, promjer otvora i dubinu ugradnje kada je efikasnost aeracije najveća, kako bismo pružili referencu za primjenu tehnologije mikroporozne aeracije u konkretnom projektu.

1. Materijali i metode

1.1 Postavljanje testa

Ispitna postavka je napravljena od pleksiglasa, a glavno tijelo je bio D {{0}}}.4 m × 2 m cilindrični rezervoar za aeraciju sa sondom za rastvoreni kiseonik koja se nalazi 0,5 m ispod površine vode (prikazano na slici 1. ).

Slika 1 Postavka testa aeracije i oksigenacije

1.2 Materijali za ispitivanje

Mikroporozni aerator, od gumene membrane, prečnika 215 mm, veličine pora 50, 100, 200, 500, 1 000 μm. sension378 stolni tester rastvorenog kiseonika, HACH, SAD. Merač protoka gasnog rotora, opseg 0~3 m3/h, tačnost ±0,2%. HC-S ventilator. Katalizator: CoCl2-6H2O, analitički čist; Deoksidans: Na2SO3, analitički čist.

1.3 Metoda ispitivanja

Ispitivanje je sprovedeno statičnom nestacionarnom metodom, tj. Na2SO3 i CoCl2-6H2O su prvo dozirani za deoksigenaciju tokom testa, a aeracija je počela kada je rastvoreni kiseonik u vodi smanjen na {{5} }. Zabilježene su promjene koncentracije rastvorenog kiseonika u vodi tokom vremena i izračunata je KLa vrednost. Performanse oksigenacije su testirane pod različitim zapreminama aeracije (0.5, 1, 1,5, 2, 2,5, 3 m3/h), različitim veličinama pora (50, 100, 200, 500, 1,000 μm) i različite dubine vode (0,8, 1,1, 1,3, 1.5, 1.8, 2.0 m), a također se spominje CJ/T 3015.2 -1993 "Određivanje performansi oksigenacije aeratora u čistoj vodi" i standarde testiranja oksigenacije čiste vode Sjedinjenih Država.

2.Rezultati i diskusija

2.1 Princip testa

Osnovni princip testa zasniva se na teoriji dvostruke membrane koju je predložio Whitman 1923. Proces prijenosa mase kisika može se izraziti jednadžbom (1).

Gdje je: dc/dt - brzina prijenosa mase, tj. količina kisika prenesena po jedinici volumena vode u jedinici vremena, mg/(Ls).

KLa - koeficijent ukupnog prenosa kiseonika aeratora u uslovima ispitivanja, min-1 ;

C* - zasićeni rastvoreni kiseonik u vodi, mg/L.

Ct - rastvoreni kiseonik u vodi u trenutku aeracije t, mg/L.

Ako temperatura ispitivanja nije na 20 stepeni, jednačina (2) se može koristiti za korekciju za KLa:

Kapacitet oksigenacije (OC, kg/h) izražava se jednadžbom (3).

Gdje: V - zapremina bazena za aeraciju, m3.

Iskorištenje kisika (SOTE, %) izražava se jednadžbom (4).

Gdje je: q - zapremina aeracije u standardnom stanju, m3/h.

Teorijska efikasnost snage [E, kg/(kW-h)] izražena je jednadžbom (5).

Gdje: P - snaga opreme za aeraciju, kW.

Uobičajeni indikatori za procjenu performansi oksigenacije aeratora su koeficijent prijenosa mase ukupnog kisika KLa, kapacitet oksigenacije OC, stopa iskorištenja kisika SOTE i teorijska energetska efikasnost E [7]. Postojeća istraživanja su se više fokusirala na trendove koeficijenta prijenosa mase ukupnog kisika, kapaciteta oksigenacije i iskorištenja kisika, a manje na teorijsku energetsku efikasnost [8, 9]. Teorijska energetska efikasnost, kao jedini indeks efikasnosti [10], može odražavati problem potrošnje energije u procesu aeracije, što je fokus ovog eksperimenta.

2.2 Utjecaj aeracije na performanse oksigenacije

Performanse oksigenacije na različitim nivoima aeracije procijenjene su aeracijom na dnu 2 m aeratora s veličinom pora od 200 μm, a rezultati su prikazani na slici 2.

Slika 2 Varijacija K i iskorišćenja kiseonika sa brzinom aeracije

Kao što se može vidjeti na slici 2, KLa se postepeno povećava sa povećanjem zapremine aeracije. To je uglavnom zato što što je veća zapremina aeracije, veća je kontaktna površina gas-tečnost i veća je efikasnost oksigenacije. S druge strane, neki istraživači su otkrili da se stopa iskorištenja kisika smanjuje s povećanjem volumena aeracije, a slična situacija je pronađena i u ovom eksperimentu. To je zato što se pod određenom dubinom vode, vrijeme zadržavanja mjehurića u vodi povećava kada je volumen aeracije mali, a vrijeme kontakta plin-tečnost se produžava; kada je zapremina aeracije velika, poremećaj vodnog tijela je jak, a većina kiseonika se ne koristi efikasno, te se na kraju oslobađa sa površine vode u obliku mjehurića u zrak. Stopa iskorišćenja kiseonika izvedena iz ovog eksperimenta nije bila visoka u poređenju sa literaturom, verovatno zato što visina reaktora nije bila dovoljno visoka, a velika količina kiseonika je izašla bez kontakta sa vodenim stubom, smanjujući stopu iskorišćenja kiseonika.

Varijacija teorijske energetske efikasnosti (E) sa aeracijom je prikazana na slici 3.

Slika 3 Teorijska efikasnost energije u odnosu na zapreminu aeracije

Kao što se može vidjeti na slici 3, teoretska energetska efikasnost postepeno opada sa povećanjem aeracije. To je zato što se standardna brzina prenosa kiseonika povećava sa povećanjem zapremine aeracije pod određenim uslovima dubine vode, ali je povećanje korisnog rada koji troši ventilator značajnije od povećanja standardne brzine prenosa kiseonika, tako da teorijska efikasnost energije opada sa povećanjem zapremine aeracije unutar opsega zapremine aeracije ispitanog u eksperimentu. Kombinirajući trendove na Sl. 2 i 3, može se utvrditi da se najbolji učinak oksigenacije postiže pri zapremini aeracije od 0,5 m3/h.

2.3 Utjecaj veličine pora na performanse oksigenacije

Veličina pora ima veliki uticaj na formiranje mjehurića, što je veća veličina pora, to je veća veličina mjehurića. Mjehurići na učinak oksigenacije udarca se uglavnom manifestiraju u dva aspekta: prvo, što su pojedinačni mjehurići manji, što je veća ukupna specifična površina mjehurića, što je veća kontaktna površina prijenosa mase plin-tečnost, to je pogodnije za prijenos kiseonik; Drugo, što su mjehurići veći, to je jača uloga miješanja vode, što je brže miješanje plina i tekućine, to je bolji učinak oksigenacije. Često prva tačka u procesu masovnog transfera igra glavnu ulogu. Test će biti zapremina aeracije postavljena na 0.5 m3/h, kako bi se ispitao uticaj veličine pora na KLa i korištenje kiseonika, vidi sliku 4.

Slika 4 Krivulje varijacije KLa i iskorišćenja kiseonika sa veličinom pora

Kao što se može vidjeti na slici 4, i KLa i korištenje kisika su se smanjivali s povećanjem veličine pora. Pod uslovom iste dubine vode i zapremine aeracije, KLa od 50 μm aeratora sa otvorom je oko tri puta veći od aeratora otvora od 1,000 μm. Stoga, kada se aerator ugrađuje u određenu dubinu vode, manji je otvor kapaciteta oksigenacije aeratora i veća je iskorištenost kisika.

Varijacija teorijske energetske efikasnosti sa veličinom pora prikazana je na slici 5.

Slika 5. Teorijska efikasnost energije u odnosu na veličinu pora

Kao što se može vidjeti sa slike 5, teorijska energetska efikasnost pokazuje trend povećanja, a zatim opadanja s povećanjem veličine otvora. To je zato što s jedne strane, aerator s malim otvorom ima veći KLa i kapacitet oksigenacije, što pogoduje oksigenaciji. S druge strane, gubitak otpora pod određenom dubinom vode raste sa smanjenjem promjera otvora. Kada je smanjenje veličine pora na gubitku otpora efekta promocije veće od uloge prijenosa mase kisika, teoretska efikasnost energije će se smanjiti sa smanjenjem veličine pora. Stoga, kada je prečnik otvora mali, teoretska energetska efikasnost će se povećavati sa povećanjem prečnika otvora, a prečnik otvora od 200 μm da bi dostigao maksimalnu vrednost od 1,91 kg/(kW-h); kada je promjer otvora > 200 μm, gubitak otpora u procesu aeracije više ne igra dominantnu ulogu u procesu aeracije, KLa i kapacitet oksigenacije s povećanjem promjera otvora aeratora će se smanjiti, a samim tim i teorijski energetska efikasnost pokazuje značajan trend pada.

2.4 Utjecaj dubine instalacijske vode na performanse oksigenacije

Dubina vode u koju je ugrađen aerator ima veoma značajan uticaj na efekat aeracije i oksigenacije. Cilj eksperimentalnog istraživanja bio je kanal plitke vode manji od 2 m. Dubina aeracije aeratora određena je dubinom vode u bazenu. Postojeće studije se uglavnom fokusiraju na dubinu uronjene aeratora (tj. aerator je instaliran na dnu bazena, a dubina vode se povećava povećanjem količine vode), a test se uglavnom fokusira na dubinu ugradnje aeratora. aerator (tj. količina vode u bazenu se održava konstantnom, a visina ugradnje aeratora se podešava kako bi se pronašla najbolja dubina vode za efekat aeracije), a promjene KLa i iskorištenja kisika sa dubina vode prikazana je na slici 6.

Slika 6 Krivulje varijacije K i iskorišćenja kiseonika sa dubinom vode

Slika 6 pokazuje da s povećanjem dubine vode, i KLa i korištenje kiseonika pokazuju jasan trend rasta, pri čemu se KLa razlikuje više od četiri puta na 0.8 m dubine vode i 2 m dubine vode. To je zato što što je voda dublja, što je duže vrijeme zadržavanja mjehurića u vodenom stupcu, što je duže vrijeme kontakta između plina i tekućine, to je bolji učinak prijenosa kisika. Stoga, što je dublje ugrađen aerator, to je pogodnije za kapacitet oksigenacije i korištenje kisika. Ali ugradnja dubine vode se povećava, a istovremeno će se povećati i gubitak otpora, da bi se prevladao gubitak otpora, potrebno je povećati količinu aeracije, što će neminovno dovesti do povećanja potrošnje energije i operativnih troškova. Stoga, da bi se dobila optimalna dubina ugradnje, potrebno je procijeniti odnos između teorijske energetske efikasnosti i dubine vode, vidi tabelu 1.

Tabela 1 pokazuje da je teoretska energetska efikasnost izuzetno niska na dubini ugradnje od 0,8 m, sa samo 0,5 kg/(kW-h), što čini aeraciju plitke vode neprikladnom. Ugradnja dubine vode od 1,1 ~ 1,5 m opsega, zbog značajnog povećanja kapaciteta oksigenacije, dok aerator po efektu otpora nije očigledan, pa se teoretska energetska efikasnost brzo povećava. Kako se dubina vode dalje povećava na 1,8 m, efekat gubitka otpora na performanse oksigenacije postaje sve značajniji, što rezultira rastom teorijske energetske efikasnosti teži da se izjednači, ali i dalje pokazuje trend rasta, a u instalaciji dubine vode od 2 m, teoretska energetska efikasnost dostiže maksimalno 1,97 kg/(kW-h). Stoga je za kanale < 2 m poželjna aeracija dna radi optimalne oksigenacije.

Zaključak

Korištenjem statičke nestacionarne metode za mikroporoznu aeraciju test oksigenacije čiste vode, u ispitnoj dubini vode (< 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.

Teorijska energetska efikasnost je jedini pokazatelj efikasnosti. U uslovima ispitivanja, teoretska energetska efikasnost sa aeracijom i ugradnjom dubine vode se povećava, pri čemu se povećanjem otvora prvo povećava, a zatim smanjuje. Instalacija dubine vode i otvora treba da bude razumna kombinacija kako bi se učinak oksigenacije postigao najboljim, općenito, što je veća dubina odabira vode u otvoru aeratora to je veća.

Rezultati ispitivanja pokazuju da se aeracija u plitkim vodama ne smije koristiti. Na dubini ugradnje od 2 m, zapremina aeracije od 0,5 m3/h i aerator s veličinom pora od 200 μm rezultirali su maksimalnom teoretskom energetskom efikasnošću od 1,97 kg/(kW-h).