導(dǎo)讀：曝氣器在測(cè)試條件下氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)。曝氣器充氧能力qc公式。曝氣器理論動(dòng)力效率E。水體平均流速V處理。氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)，幾種倒傘型表面曝氣機(jī)充氧性能實(shí)驗(yàn)研究。

關(guān)鍵詞：倒傘型表面曝氣機(jī)，氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)，充氧能力，氧利用率，動(dòng)力效率，平均流速

生物處理是目前國(guó)內(nèi)外污水處理工程中最常用也是最主要的處理方法，其中好氧生物處理法的應(yīng)用最為廣泛。而曝氣是好氧生物處理系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，它的作用是向反應(yīng)器內(nèi)充氧，保證微生物生化作用所需的氧氣，同時(shí)保證反應(yīng)器內(nèi)微生物、有機(jī)物、溶解氧三者的充分混合，為微生物創(chuàng)造有利的生化反應(yīng)條件[1]。據(jù)可靠研究表明曝氣設(shè)備是生物處理法耗電做多的設(shè)備，約占整個(gè)污水處理系統(tǒng)的80%。因此提高曝氣設(shè)備的動(dòng)力效率是降低水處理成本的關(guān)鍵因素。目前常用的處理工藝有氧化溝工藝、SBR工藝、A/0工藝等。由于氧化溝工藝具有較好的脫氮除磷效果并且運(yùn)行維護(hù)方便在我國(guó)成為新建污水處理的首選工藝[2]。氧化溝工藝主要以表面曝氣方式為主近年來(lái)，也有微孔曝氣方式的氧化溝工藝投入使用。氧化溝工藝

采用的曝氣設(shè)備主要有：轉(zhuǎn)刷曝氣機(jī)、轉(zhuǎn)盤(pán)曝氣機(jī)和倒傘曝氣機(jī)，倒傘曝氣機(jī)因具有良好的充氧效率和推流能力而應(yīng)用最為廣泛[3]。檢測(cè)，氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)。它是利用葉輪的高速旋轉(zhuǎn),推動(dòng)污水上下翻騰并前進(jìn),同時(shí)空氣中的氧氣迅速溶入液相,可以同時(shí)完成對(duì)污水充氧、攪拌和推流三大作用[4]。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)表曝氣器的性能進(jìn)行了一些研究，但其中大多都是集中在測(cè)試方法和數(shù)值模擬計(jì)算方面[5-7]。而本研究則是通過(guò)對(duì)安徽某科技公司產(chǎn)自行研究的幾種倒傘型表面曝氣器葉輪的充氧性能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)，并通過(guò)試驗(yàn)研究分析了葉片安裝角度、片數(shù)及推流能力三者之間關(guān)系，為今后的設(shè)備設(shè)計(jì)優(yōu)化提供新的參考。

1計(jì)算公式

曝氣器的充氧性能主要是由氧的總轉(zhuǎn)移系數(shù)氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)KLa、充氧能力qc、氧利用率E、理論動(dòng)力效率Ep四個(gè)主要參數(shù)來(lái)衡量。

1.1 氧的總轉(zhuǎn)移系數(shù)KLa[8]

dC/dt=KLa(Cs-C)(1)

將上式積分整理后有

ln(Cs-C)=ln(Cs-C0)-KLa·t (2)

式中：Cs—水中飽和溶解氧濃度，mg/L;

C—與曝氣時(shí)間t相應(yīng)的水中溶解氧濃度，mg/L;

t —曝氣時(shí)間，min;

KLa—曝氣器在測(cè)試條件下氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)，l/min;

利用上式，作ln(Cs-C0)-ln(Cs-C)和t的曲線，該曲線的斜率即為氧轉(zhuǎn)移系數(shù)KLa。

標(biāo)態(tài)下，曝氣器氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)KLas

KLas=Kla·θ20-T (3)

式中：KLas—標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)測(cè)試條件下曝氣器總轉(zhuǎn)移系數(shù)，l/min;

KLa—測(cè)試水溫條件下曝氣器總轉(zhuǎn)移系數(shù)，1/min;

T —測(cè)試水溫，℃;

θ—溫度修正系數(shù)1.024.

1.2 曝氣器充氧能力qc公式[8]

qc=KLas·V·Cs(20)

=0.55·V·KLa (4)

式中：qc—標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，測(cè)試條件下，曝氣器充氧能力，kg/h;

V—測(cè)試水池中水的體積，m3;

Cs(20)—20℃水中飽和溶解氧濃度9.17，mg/L;

0.55=60/1000·9.17.

1.3 曝氣器理論動(dòng)力效率E[8]與曝氣器充氧時(shí)所耗理論功率NT

E=qc/NT (5)

NT=N0·IT/I0 (6)

式中：E—標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，測(cè)試條件下曝氣器充氧理論動(dòng)力效率，kg/kw·h;

qc—曝氣器充氧能力，kg/h;

NT—曝氣器充氧時(shí)所耗理論功率，只考慮曝氣充氧所消耗的有用功，kw·h;

N0—曝氣器的額定功率，kw·h;

IT—曝氣器的實(shí)際電流，A;

I0—曝氣器的額定電流，A;

1.4 水體平均流速V處理

V=V1+V2…+VN/N

VN—各點(diǎn)的流速，m/s;

N—一共的測(cè)試次數(shù);

2實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)試設(shè)備

2.1 測(cè)試裝置

由于大型倒傘型曝氣機(jī)進(jìn)行測(cè)試需要池體的容積較大，一是這種池體不方便去尋找;二是多次試驗(yàn)下來(lái)，成本較高。因此本研究重點(diǎn)采用了模擬試驗(yàn)技術(shù)路線。我們選用安徽合肥朱磚井污水處理廠“863氧化溝中試試驗(yàn)基地”，氧化溝面106.2m2，測(cè)試不同葉輪時(shí)候水體浸沒(méi)深度均與葉輪面平行。

2.2 被測(cè)設(shè)備

根據(jù)氧化溝我們按比例縮小了曝氣器的功率參數(shù)，再參照該功率，將葉片各尺寸也相應(yīng)縮小。檢測(cè)，氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)�？s小后的倒傘曝氣機(jī)參數(shù)：葉輪直徑800mm，電機(jī)功率3kw。

6種葉輪名稱(chēng)及規(guī)格如表1所示：

表1 6種葉輪名稱(chēng)及規(guī)格

Table 1 name and specification of six impellers

1#	DSC080（7片0°）	2#	DSC080（9片10°）
3#	DSC080（7片0°）見(jiàn)注	4#	DSC080（7片10°）
5#	DSC080（10片10°）	6#	DSC080（10片0°）

注：1#、3#倒傘的葉輪葉片設(shè)計(jì)有所不同，1#葉片面積雖然和3#相同，但是1#吃水深，導(dǎo)流輻板斜角大。

1#—4#號(hào)我們定義為C型號(hào)倒傘葉輪，5#和6#號(hào)定義為D型號(hào)倒傘葉輪，形狀如圖1和圖2所示。

圖1 C型倒傘葉輪

Fig1 C model of Inverted umbrella surface

圖2 D型號(hào)倒傘葉輪

Fig 2 D model ofInverted umbrella surface

C型號(hào)除了1#葉輪以外，其他3個(gè)葉輪只是葉片多少和安裝傾斜角度有所區(qū)別，D型葉輪之間只有設(shè)計(jì)角度有所區(qū)別，D型號(hào)們每次只在1處更換葉輪，其他兩處倒傘均關(guān)閉。黑方塊位置為測(cè)試流速點(diǎn)，均在離倒傘1下游水平距離為9m的水平面上，每點(diǎn)分別測(cè)試距離水面0.5m、1m、1.5m三處流速。

3 試驗(yàn)步驟

3.1 測(cè)試條件

為了進(jìn)行比較，我們測(cè)試均在水溫22°C左右，一個(gè)大氣壓下，葉輪轉(zhuǎn)速為75rap/min，葉輪均處于設(shè)計(jì)水位條件下，從上午9點(diǎn)開(kāi)始到下午3點(diǎn)結(jié)束。溶解氧的飽和濃度Cs參考各種溫度下飽和溶解氧值經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3.2 測(cè)試方法

采用間歇非穩(wěn)態(tài)法測(cè)試[9]，即測(cè)試水體的體積不變，在曝氣過(guò)程中，水中溶解氧濃度C隨曝氣時(shí)間t而變的方法。

測(cè)試時(shí)先投加工業(yè)用亞硫酸鈉對(duì)水體

圖3 溶氧儀及測(cè)試流速點(diǎn)布置示意圖

Fig 3 Schematic diagram of dissolved oxygeninstrument and test velocity points

葉片與C型號(hào)2#-4#葉片設(shè)計(jì)參數(shù)相同。D型號(hào)比C型號(hào)優(yōu)勢(shì)在于D型號(hào)葉片可以方便拆卸，在運(yùn)輸和維修更換上更便利。

2.3 主要儀器

2臺(tái)德國(guó)WTW便攜式溶氧儀Multi 340i，探頭為Galvanic溶氧電極 Cellox 325。精度等級(jí)0.01，帶溫度顯示，可自動(dòng)儲(chǔ)存500組數(shù)據(jù)。

1臺(tái)流速儀為北京渠道科學(xué)器材有限公司生產(chǎn)的6526號(hào)STARFLOW超聲波多普勒流量計(jì)，可以測(cè)流速、水位、溫度。

2.4 溶氧儀及測(cè)量流速點(diǎn)布置

溶氧儀及測(cè)量流速點(diǎn)布置如圖3所示圓圈為溶氧儀放置位置，溶氧儀A在離倒傘1上游水平距離9m，溶氧儀B在離倒傘1下進(jìn)行脫氧，以Co2+為催化劑，在水中溶解氧降至零后開(kāi)始曝氣，記錄水中溶解氧濃度隨曝氣時(shí)間的變化，而后計(jì)算出Kla值。然后轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)Klas，計(jì)算曝氣機(jī)充氧能力qc。根據(jù)測(cè)試時(shí)電機(jī)負(fù)荷電流，計(jì)算出輸出功率，最終得出動(dòng)力效率Ep值。

3.3 水體脫氧

消氧劑為工業(yè)Na2SO4,投加量計(jì)算為：

G=8·C·V·K

式中：G—亞硫酸鈉投加量，g;

C—水中溶解氧濃度，mg/L;

V—曝氣池內(nèi)水的體積，m3;

8—理論上消耗1g氧所需亞硫酸鈉量，g/g

K—考慮藥劑中雜質(zhì)等而采用脫氧安全系數(shù)，一般取1.2-1.5;

催化劑為Co2+,投加量以Co2+濃度0.3-0.5mg/L計(jì)算。檢測(cè)，氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)。開(kāi)低推，使亞硫酸鈉混合均勻。

3.4 水體充氧

待溶解氧濃度為零時(shí)關(guān)閉低推，待水體靜止后，開(kāi)啟倒傘1，待溶氧達(dá)到飽和濃度時(shí)，或是在20min內(nèi)溶氧濃度增加值小于0.1mg/L或是15min內(nèi)溶氧濃度基本保持不變時(shí)的濃度值，可關(guān)倒傘。檢測(cè)，氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)。即為一組狀態(tài)充氧測(cè)試結(jié)束。DO監(jiān)測(cè)使用的是2臺(tái)德國(guó)WTW便攜式溶氧儀Multi 340i，探頭為Galvanic溶氧電極 Cellox325，測(cè)試間隔為10S一次。

3.5 流速測(cè)量

如圖2所示6點(diǎn)位置放置流速儀，每點(diǎn)位置又取距離水面0.5m、1m、1.5m三處測(cè)量瞬時(shí)速度，每處測(cè)量12個(gè)流速數(shù)據(jù)。檢測(cè)，氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)。測(cè)量時(shí)間分3次，分別在倒傘開(kāi)始運(yùn)行后的第一個(gè)小時(shí)、第二個(gè)小時(shí)、第三個(gè)小時(shí)。最后流速以3個(gè)時(shí)段各點(diǎn)速度平均值計(jì)。

4 測(cè)試數(shù)據(jù)處理及分析

各項(xiàng)數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果如下表2所示，根據(jù)表2的數(shù)據(jù)做出流速、充氧量及充氧效率的關(guān)系如下面圖4所示。

型號(hào)	Kla-A	Kla-B	平均Kla	I（A)	N(kw)	qc(kg/h)	E(kg/kw•h）	流速V（m/s)
1#	0.08	0.064	0.07	5	2.23881	4.0887	1.826286	0.173
2#	0.04	0.049	0.046	4.9	2.19403	2.710224	1.235272	0.146
3#	0.05	0.043	0.044	4.7	2.10448	2.5788015	1.225388	0.128
4#	0.04	0.039	0.04	4.7	2.10448	2.353923	1.118531	0.138
5#	0.05	0.051	0.049	5	2.23881	2.885454	1.288836	0.191
6#	0.07	0.056	0.061	5	2.23881	3.5717715	1.595391	0.181
表2 葉輪各種數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果
Table 2 Test results of those impellers

4.1 葉片數(shù)量與水體流速及充氧能力之間的規(guī)律

從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，在同樣轉(zhuǎn)速(75rap/min)及浸沒(méi)深度情況下，對(duì)比葉片相同的2#—6#葉輪可以看出隨著葉輪數(shù)的增多水體的流速也相應(yīng)增大，從而顯示倒傘的推流能力和葉片數(shù)量是成正比關(guān)系的，從充氧量及充氧動(dòng)力效率上來(lái)看，也反應(yīng)了和流速相同規(guī)律。因此可以得出葉片數(shù)多的葉輪充氧能力和推流作用均大于葉片數(shù)較小葉輪結(jié)論。檢測(cè)，氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)。這是因?yàn)�，水體在葉輪旋轉(zhuǎn)的推力總用下，水流在氧化溝以一定的流速流動(dòng)，將已曝氣的水體(含氧量高的曝氣主區(qū)水體)在溝內(nèi)進(jìn)行混合、擴(kuò)散，強(qiáng)化氧的傳遞[10]，所以水流的流速能力對(duì)充氧效率是有正面影響的。提高葉輪數(shù)量增大了葉輪的推流能力同時(shí)也相應(yīng)提高充氧效率。但是由于增加葉片同時(shí)也導(dǎo)致電流負(fù)荷增加，這樣必定有個(gè)上限，且增幅不明顯所以我們不能從主要增加葉片的數(shù)量去考慮提高葉輪的充氧性能。

4.2葉片角度和水體流速及充氧能力之間的規(guī)律

對(duì)比型號(hào)和葉片數(shù)量均相同但是葉片傾斜角度不同的3#、4#及5#、6#葉輪可以發(fā)現(xiàn)3#、6#雖然水體流速不如4#、5#，但充氧量及效率均高于4#和5#。顯示雖然0°角葉輪推流作用小于10°角，但是充氧效率高于10°角。這一方面說(shuō)明對(duì)葉片偏移角度的改變不利于提高葉輪的充氧能力，另一方面也反應(yīng)出提高葉輪推流能力對(duì)充氧性能的調(diào)高不如局部調(diào)整葉片位置影響大。

4.3 葉片導(dǎo)流輻板斜角和水體流速及充氧能力之間的規(guī)律

對(duì)比1#和其他葉片，可以發(fā)現(xiàn)1#葉輪雖然對(duì)水體推流能力不是最大和葉片數(shù)量不是最多，但是充氧能力最優(yōu)，且提升幅度很大。顯示葉片導(dǎo)流輻板斜角度對(duì)葉輪充氧性能影響是最大的。從以往的研究和分析中我們知道倒傘型表曝機(jī)的水流特點(diǎn)，水流特點(diǎn)如圖5所示。其中u為葉輪的旋轉(zhuǎn)速度 ,w為水體相對(duì)于葉片的徑向速度 , z為水流沿

著倒置圓錐體和導(dǎo)流輻板向上補(bǔ)給時(shí)的斜向上運(yùn)行速度 (這是由于導(dǎo)流輻板斜角γ的大小影響葉輪周邊出水方向所致 ) , v則是水體最后的合速度。并知道其曝氣過(guò)程可以分成4個(gè)方面。其中很重要一個(gè)方面就是葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí) ,大量的水花分散到空氣中 ,增大了氣液接觸面積;同時(shí)水花在濺落過(guò)程中還能將空氣帶入水中 ,從而提高了氧的傳質(zhì)效率[10]。這樣在葉片面積相同情況下由于1#葉片的導(dǎo)流輻板斜角較大，這樣導(dǎo)致最終水體合速度方向較其他葉片高，增大了該過(guò)程中氣液接觸面積是關(guān)鍵因素 ,即葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)打出的水花越多、越分散,則氣液接觸面積就越大,氧的傳質(zhì)效率就越高。從現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)也看以看到1#葉輪旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的水流拋灑最高，水花更分散。

對(duì)比1#及其他C型號(hào)葉輪，發(fā)現(xiàn)1#對(duì)水體推流能力是C型中最強(qiáng)的，由上面4.1中結(jié)論可以知道在相同設(shè)計(jì)葉片條件下，增多葉片數(shù)是有利于水體流速的增加的。但是1#葉片反而比C型其他葉輪推流能力強(qiáng)，這說(shuō)明在改變導(dǎo)流輻板角度同樣影響了葉片的推流能力，甚至效果比增大葉片數(shù)要好。

5 總結(jié)

通過(guò)對(duì)6種不同葉輪的測(cè)試，綜合以上分析，可以得出以下結(jié)論：

1.相同設(shè)計(jì)葉片，增大葉片數(shù)有利于推流能力，進(jìn)而有利于葉輪的充氧效率。

2.葉輪推流能力對(duì)充氧效率的提高不如局部調(diào)整葉片位置影響大。

3.葉片導(dǎo)流輻板斜角設(shè)計(jì)對(duì)葉輪充氧效率影響最大，是葉輪優(yōu)化設(shè)計(jì)最關(guān)鍵因素。

4.鑒于D型號(hào)葉輪在維修和運(yùn)輸上的便利因素，D型應(yīng)該是未來(lái)葉輪發(fā)展的方向，應(yīng)在選取適當(dāng)?shù)娜~片數(shù)量同時(shí)加大對(duì)葉片本身的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)是在導(dǎo)流輻板斜角上的設(shè)計(jì)。

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