1、1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1) 掌握測定曝氣設(shè)備的 KLa和充氧能力 、 的實(shí)驗(yàn)方法及計(jì)算 Qs； (2) 評價(jià)充氧設(shè)備充氧能力的好壞； (3) 掌握曝氣設(shè)備充氧性能的測定方法。2 實(shí)驗(yàn)原理活性污泥處理過程中曝氣設(shè)備的作用是使氧氣、活性污泥、營養(yǎng)物三者充分混合，使污泥處于懸浮狀態(tài)，促使氧氣從氣相轉(zhuǎn)移到液相，從液相轉(zhuǎn)移到活性污泥上，保證微生物有足夠的氧進(jìn)行物質(zhì)代謝。由于氧的供給是保證生化處理過程正常進(jìn)行的主要因素，因此工程設(shè)計(jì)人員通常通過實(shí)驗(yàn)來評價(jià)曝氣設(shè)備的供氧能力。在現(xiàn)場用自來水實(shí)驗(yàn)時(shí)，先用Na2S03(或N2)進(jìn)行脫氧，然后在溶解氧等于或接近零的狀態(tài)下再曝氣，使溶解氧升高趨于飽和水平。假定整個(gè)液體是完全

2、混合的，符合一級反應(yīng)此時(shí)水中溶解氧的變化可以用以下式子表示：dCdt=KLaCs-C式中：dC/dt氧轉(zhuǎn)移速率，mg/(Lh)；KLa氧的總傳遞系數(shù)，L/h；Cs實(shí)驗(yàn)室的溫度和壓力下，自來水的溶解氧飽和濃度，mg/L；C相應(yīng)某一時(shí)刻t的溶解氧濃度，mg/L。將上式積分，得lnCs-C=-KLat+常數(shù)由于溶解氧飽和濃度、溫度、污水性質(zhì)和混亂程度等因素影響氧的傳遞速率，因此應(yīng)進(jìn)行溫度、壓力校正，并測定校正廢水性質(zhì)影響的修正系數(shù) 、。所采用的公式如下：KLaT=KLa201.024T-20Cs校正=Cs實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(kPa)實(shí)驗(yàn)時(shí)的大氣壓(kPa)=廢水的KLa自來水的KLa=廢水的Cs自來水的

3、Cs充氧能力為Qs=dCdtV=KLa20Cs校正V(kg/h)3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與試劑(1) 溶解氧測定儀(2) 空壓機(jī)。(3) 曝氣筒。(4) 攪拌器。(5) 秒表。(6) 分析天平(7) 燒杯。(8) 亞硫酸鈉(Na2S03)(9) 氯化鈷(CoCl26H20)。3.2 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置如圖3-1所示。圖3-1 曝氣設(shè)備充氧能力實(shí)驗(yàn)裝置簡圖3.3 實(shí)驗(yàn)步驟(1) 向曝氣筒內(nèi)注入20L自來水，測定水樣體積V(L)和水溫t ()；(2) 由實(shí)驗(yàn)測出水樣溶解氧飽和值Cs，并根據(jù) Cs 和 V 求投藥量，然后投藥脫氧；a) 脫氧劑亞硫酸鈉(Na2S03)的用量計(jì)算。在自來水中加入 Na

4、2S03還原劑來還原水中的溶解氧。2Na2S03+O2CoCl22Na2S04相對分子質(zhì)量之比為：O2Na2S03=3212618故Na2S03理論用量為水中溶解氧的8倍。而水中有部分雜質(zhì)會消耗亞硫酸鈉，故實(shí)際用量為理論用量的1.5倍。所以實(shí)驗(yàn)投加的Na2S03投加量為W=1.58CsV=12CsV式中：W亞硫酸鈉投加量，g；Cs實(shí)驗(yàn)時(shí)水溫條件下水中飽和溶解氧值，mg/L；V水樣體積，m3；b) 根據(jù)水樣體積 V 確定催化劑（鈷鹽）的投加量。經(jīng)驗(yàn)證明，清水中有效鈷離子濃度約 0.4mg/L 為好，一般使用氯化鈷(CoCl26H20)。因?yàn)椋篊oCl26H2OCo2-=238594.0所以單位水

5、樣投加鈷鹽量為：CoCl26H20 0.44.0 = 1.6 g/m3本實(shí)驗(yàn)所需投加鈷鹽為CoCl26H20 1.6 V(g)式中：V水樣體積，m3c) 將Na2S03用煮沸過的常溫水化開，均勻倒入曝氣筒內(nèi)，溶解的鈷鹽倒入水中，并開動循環(huán)水泵，小流量輕微攪動使其混合（開始計(jì)時(shí)），進(jìn)行脫氧。攪拌均勻后（時(shí)間 t0），測定脫氧水中溶解氧量 C0，連續(xù)曝氣 t 后，溶解氧升高至 Ct。每隔溶解氧濃度升高 0.01，記錄一次所用時(shí)間（直到溶解氧值達(dá)到飽和為止）。(3) 當(dāng)清水脫氧至零時(shí)，提高葉輪轉(zhuǎn)速進(jìn)行曝氣，并計(jì)時(shí)。每隔 0.5min測定一次溶解氧值（用碘量法每隔1min 測定一次），知道溶解氧值達(dá)到

6、飽和為止。4 數(shù)據(jù)記錄與整理水溫：28 水樣體積：0.018 m3飽和溶解氧濃度Cs：8.00 mg/L亞硫酸鈉用量：1.8 g氯化鈷用量：0.0288 g表4-1 曝氣設(shè)備充氧能力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄序號時(shí)間t/s時(shí)間t/minCt/(mg/L)序號時(shí)間t/s時(shí)間t/minCt/(mg/L)100.000.53161502.504.842100.170.98171602.675.053200.330.61181702.835.294300.500.58191803.005.495400.670.81202103.506.026500.831.49212404.006.447601.001.69222

7、704.506.788701.172.09233005.007.039801.332.46243305.507.2110901.502.86253606.007.37111001.673.23263906.507.49121101.833.61274207.007.58131202.003.96284507.507.64141302.174.24294808.007.68151402.334.545 數(shù)據(jù)處理與分析5.1 公式法求解KLa值公式：KLa=2.303t-t0lgCs-C0Cs-Ct式中：KLa氧的總傳遞系數(shù)，L/min；Cs實(shí)驗(yàn)室的溫度和壓力下，自來水的溶解氧飽和度，mg/L；

8、Ct相應(yīng)某一時(shí)刻 t 的溶解氧濃度，mg/L； t0脫氧使用時(shí)間，min； t 開循環(huán)水泵后的時(shí)間，min。實(shí)驗(yàn)中，t-t0的值對應(yīng)表4-1 中的 t 值， C0對應(yīng)時(shí)間 t=0 時(shí)的Ct = 0.53mg/L。將已知值代入公式中求出 KLa，計(jì)算結(jié)果如表5-1所示。表5-1 公式法KLa計(jì)算結(jié)果序號時(shí)間t/minCt/(mg/L)Cs-Ctlg(Cs-Ct)KLa10.000.537.470.8733/20.170.987.020.84630.372930.330.617.390.86860.032340.500.587.420.87040.013450.670.817.190.85670.

9、057360.831.496.510.81360.165171.001.696.310.80000.168881.172.095.910.77160.200891.332.465.540.74350.2242101.502.865.140.71100.2493111.673.234.770.67850.2692121.833.614.390.64250.2900132.003.964.040.60640.3074142.174.243.760.57520.3169152.334.543.460.53910.3299162.504.843.160.49970.3442172.675.052.95

10、0.46980.3485182.835.292.710.43300.3579193.005.492.510.39970.3636203.506.021.980.29670.3794214.006.441.560.19310.3916224.506.781.220.08640.4027235.007.030.97-0.01320.4083245.507.210.79-0.10240.4085256.007.370.63-0.20070.4122266.507.490.51-0.29240.4130277.007.580.42-0.37680.4113287.507.640.36-0.44370.

11、4044298.007.680.32-0.49490.3939由上表可以看出，運(yùn)用公式法計(jì)算出來的KLa值總體上不斷增大，且有較大的增幅，無論采用取平均值或者中間值等方法確定KLa值都會存在較大誤差，都無法很好表征曝氣設(shè)備的充氧性能，因此使用公式法求解KLa值不適用于本實(shí)驗(yàn)。5.2 線性回歸法求解KLa值5.2.1 ln(Cs - Ct) - t關(guān)系曲線的繪制由公式 “l(fā)nCs-C=-KLat+常數(shù)” 可知，作 ln(Cs - Ct) 和 t 的關(guān)系曲線，其斜率即為KLa值。于是，對ln(Cs - Ct)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表5-2所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果以t為橫坐標(biāo)、ln(Cs - Ct)為縱坐標(biāo)，繪

12、制ln(Cs - Ct) 和 t 的關(guān)系曲線如圖5-1所示。表5-2 ln(Cs - Ct)計(jì)算結(jié)果序號時(shí)間t/minCt/(mg/L)Cs-Ctln（Cs-Ct）10.00 0.537.472.0109 20.17 0.987.021.9488 30.33 0.617.392.0001 40.50 0.587.422.0042 50.67 0.817.191.9727 60.83 1.496.511.8733 71.00 1.696.311.8421 81.17 2.095.911.7766 91.33 2.465.541.7120 101.50 2.865.141.6371 111.67

13、3.234.771.5623 121.83 3.614.391.4793 132.00 3.964.041.3962 142.17 4.243.761.3244 152.33 4.543.461.2413 162.50 4.843.161.1506 172.67 5.052.951.0818 182.83 5.292.710.9969 193.00 5.492.510.9203 203.50 6.021.980.6831 214.00 6.441.560.4447 224.50 6.781.220.1989 235.00 7.030.97-0.0305 245.50 7.210.79-0.23

14、57 256.00 7.370.63-0.4620 266.50 7.490.51-0.6733 277.00 7.580.42-0.8675 287.50 7.640.36-1.0217 298.00 7.680.32-1.1394 圖5-1 ln(Cs - Ct) - t關(guān)系曲線由上圖可以觀察到，在曝氣充氧的整個(gè)過程中，隨著時(shí)間的增長，ln(Cs - Ct)總體呈下降趨勢。在曝氣充氧的初始階段，循環(huán)水泵處于啟動初期，液體水還沒有完全處于湍流狀態(tài)，充氧系統(tǒng)未達(dá)到穩(wěn)定，故出現(xiàn)ln(Cs - Ct)值短暫的上下波動情況，但波動幅度不大；同時(shí)，此階段的曲線斜率較小，水中溶解氧量沒有明顯增加，這是因

15、為曝氣前加入水樣中的脫氧劑是過量的，剩余的脫氧劑會與曝氣時(shí)溶解到水樣中的氧氣反應(yīng)，不斷地消耗溶解氧。隨著曝氣充氧的進(jìn)行，剩余的脫氧劑逐漸被反應(yīng)完，水中的溶解氧不再被消耗，溶解氧量穩(wěn)定增大。當(dāng)曝氣充氧進(jìn)入到最后階段，由于水中溶解氧量趨近飽和，增長速率逐步減慢，即曲線斜率越來越小。綜上所述，曝氣充氧系統(tǒng)穩(wěn)定階段的斜率才真正對應(yīng)本次實(shí)驗(yàn)的KLa值。5.2.2 ln(Cs - Ct) - t線性擬合由上一部分對ln(Cs - Ct)-t關(guān)系曲線的分析可知，為求得較為準(zhǔn)確的 KLa值，應(yīng)將實(shí)驗(yàn)前半段數(shù)據(jù)及結(jié)束前一段時(shí)間內(nèi)較平緩變化點(diǎn)去除，以免影響線性擬合結(jié)果。剔除無效數(shù)據(jù)后，對ln(Cs - Ct)-t

16、數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，擬合圖像如圖5-2所示，相關(guān)擬合數(shù)據(jù)如表5-3所示。圖5-2 ln(Cs - Ct) t線性擬合圖像表5-3 ln(Cs - Ct) t線性擬合方程數(shù)據(jù)Equationy = a + b*xAdj. R-Square0.99944ValueStandard Errorln(Cs-Ct)Intercept2.314210.00903ln(Cs-Ct)Slope-0.462060.00244由上表可知，對ln(Cs - Ct) t進(jìn)行線性擬合，線性相關(guān)系數(shù)達(dá) 0.99944，極其接近1，擬合效果極好，與理想條件下溶解氧的傳遞符合一級反應(yīng)相符合，結(jié)果可用于理論分析。由上表數(shù)據(jù)可得

17、擬合方程為：lnCs-C=-0.46206t+2.31421其中，氧的總傳遞系數(shù)KLa= 0.462060.462 L/min換算為20時(shí)氧的總傳遞系數(shù)KLa20=KLa281.02420-28=0.373 L/min5.3 非線性回歸法求解KLa值由于使用線性回歸法計(jì)算氧傳遞系數(shù) KLa受Cs取值的影響較大，所以Cs值取值是計(jì)算結(jié)果合理與否的關(guān)鍵。有研究表明，如果代入的Cs值比真實(shí)值每減少1%，計(jì)算的 KLa將增大3%；只有測得的Cs值大于或等于真實(shí)值的99.7%時(shí)，才能準(zhǔn)確的計(jì)算出 KLa值，而這在我們的實(shí)驗(yàn)中一般是比較難達(dá)到的，因此，使用該種方法計(jì)算KLa存在一定的弊端。計(jì)算KLa值的另

18、一種方法是非線性回歸法。非線性回歸法把Cs看成未知量，在一定程度上減輕了采用線性回歸法計(jì)算氧傳遞系數(shù)KLa受Cs取值的影響。使用這種處理方法只需測得的Cs大于或等于真實(shí)值的98%便可準(zhǔn)確的計(jì)算KLa值，因此，在實(shí)際測試中更加方便控制且計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性較高。以下將采用非線性回歸法對KLa值進(jìn)行求解。已知曝氣實(shí)驗(yàn)溶解氧轉(zhuǎn)移速率滿足下列一級反應(yīng)：dCdt=KLaCs-C對該方程積分得：C=Cs-Cs-C0exp(-KLat)同線性回歸法，剔除無效數(shù)據(jù)后，以t為橫坐標(biāo)、C為縱坐標(biāo)繪制C-t散點(diǎn)圖，用函數(shù) y=y0-aexp(-bt)對C-t散點(diǎn)圖進(jìn)行擬合，擬合圖像如圖5-3所示，擬合方程數(shù)據(jù)如表5-4所

19、示。圖5-3 Ct t非線性擬合圖像表5-4 Ct t非線性擬合方程數(shù)據(jù)Equationy =y0-a*exp(-b*x)Adj. R-Square0.99953ValueStandard ErrorBy08.017030.03838Ba10.210850.06912Bb0.462670.00738由上表可知，對Ct t進(jìn)行非線性擬合，相關(guān)系數(shù)R2達(dá) 0.99953，極其接近1，擬合效果極好，擬合結(jié)果可用于理論分析。由上表數(shù)據(jù)可得擬合方程為：C=8.01703-10.21085exp(-0.46267t)其中，溶解氧飽和濃度Cs=8.017038.02 mg/L氧的總傳遞系數(shù)KLa= 0.46

20、2670.463 L/min換算為20時(shí)氧的總傳遞系數(shù)KLa20=KLa281.02420-28=0.374 L/min5.4 線性擬合與非線性擬合結(jié)果的比較表5-5 線性擬合與非線性擬合結(jié)果的比較KLa/(L/min)Cs/(mg/L)相關(guān)系數(shù)R2線性擬合0.462068.000.99944非線性擬合0.462678.020.99953由上表數(shù)據(jù)可知，對于同一組數(shù)據(jù)，線性擬合與非線性擬合的擬合程度都極好。線性擬合結(jié)果KLa值比非線性擬合偏小，相對誤差為：=0.46206-0.462670.46267100%=-0.13%線性擬合結(jié)果Cs值比非線性擬合偏小，相對誤差為：=8.00-8.028.

21、02100%=-0.25%本次實(shí)驗(yàn)中，線性擬合結(jié)果的KLa值和Cs值相對誤差都很小，說明實(shí)驗(yàn)最開始測得的Cs值具有很高的準(zhǔn)確性度，實(shí)驗(yàn)KLa值的求解可使用線性回歸法也可以使用準(zhǔn)確性更高的非線性擬合法。5.5 鼓風(fēng)充氧能力Qs的計(jì)算公式Qs=dCdtV=KLa20CsV(kg/h)式中KLa氧的總轉(zhuǎn)移系數(shù)，L/min；Cs飽和溶解氧，mg/LV水樣的體積，m3。式中KLa值和Cs值的選取采用準(zhǔn)確性更高的非線性擬合法。將V = 0.018 m3，KLa(20) = 0.374 L/min，Cs = 8.02 mg/L代入上式，得Qs=6010000.3748.020.018=3.23910-3 k

22、g/h即計(jì)算所得鼓風(fēng)機(jī)的充氧能力 Qs為3.23910-3 kg/h。6 思考與討論6.1 檢測曝氣設(shè)備充氧性能有哪些方法？（1）化學(xué)消氧法水處理曝氣設(shè)備性能檢測方法在曝氣充氧測定中，將一定量的脫氧劑亞硫酸鈉投入清水中，并以氯化鈷作催化劑，消除清水中的溶解氧，化學(xué)反應(yīng)式如下：2Na2SO3+O22Na2SO4由上式可知，1 kg 的氧氣可以與 8 kg 的亞硫酸鈉相結(jié)合，從而導(dǎo)致水中溶解氧濃度的下降甚至消除。曝氣充氧測定過程中，在開啟曝氣系統(tǒng)之前，水中的溶解氧必須去除干凈。開啟曝氣系統(tǒng)后，水溶液通過吸收空氣中的氧分子，氧的濃度會迅速的上升到飽和狀態(tài)。在此過程中，通常采用 CoCl26H2O 作

23、為催化劑，以加速亞硫酸鈉的氧化，其催化劑投加量以Co2+濃度 0.30.5 mg/L 計(jì)。因?yàn)榛瘜W(xué)消氧法實(shí)驗(yàn)方法比較簡單，故其成為曝氣設(shè)備充氧能力測試的主要方法得到廣泛應(yīng)用。但測試過程中要保證測試水溶液中鹽濃度(TDS)2000 mg/L電導(dǎo)率(CND)3000 S/cm。本實(shí)驗(yàn)采用該方法檢測曝氣設(shè)備充氧性能。（2）氮?dú)獯得摲ㄋ幚砥貧庠O(shè)備性能檢測方法氣體溶解于液體的過程稱為吸附，而溶解氣體從液體中解析出來的過程稱為解吸附。若物質(zhì)的吸附速率與解吸附速率相等，即達(dá)到吸附與解吸附現(xiàn)象的動平衡臨界狀態(tài)。在此狀態(tài)下，液體中的氣體分子濃度保持不變，但氣相或液相中任一氣體分子濃度發(fā)生改變時(shí)，其將打破原平衡

24、進(jìn)而產(chǎn)生氣-液相間的傳質(zhì)現(xiàn)象。氮?dú)獯得摲ň褪窍蛩型ㄈ?N2，人為地降低氣相氧分子濃度，使氧分子穿過氣液相界面向氣相轉(zhuǎn)移，從而實(shí)現(xiàn)溶解氧在水中發(fā)生逆向傳質(zhì)現(xiàn)象而脫除水中溶解氧，達(dá)到曝氣充氧測試反應(yīng)初始的零溶解氧狀態(tài)條件。在開啟曝氣系統(tǒng)之前，水中的溶解氧必須去除干凈。開啟曝氣系統(tǒng)后，水溶液通過吸收空氣中的氧分子，氧的濃度會迅速的上升到飽和狀態(tài)。氮?dú)獯得撍幚砥貧庠O(shè)備性能檢測方法可實(shí)現(xiàn)測試用水的重復(fù)利用，節(jié)省大量的水資源，但系統(tǒng)所需設(shè)備較復(fù)雜，測試過程操作繁瑣。（3）純氧曝氣法水處理曝氣設(shè)備性能檢測方法相對于吸附法，純氧曝氣充氧法一般通過向水溶液中鼓入純氧來提高液相氧分子濃度。純氧曝氣充氧法與前兩

25、種方法原理不同。在曝氣充氧測試中，化學(xué)消氧法與氮?dú)獯得摲ㄊ紫韧ㄟ^消氧劑或吹脫劑降低水中的溶解氧濃度，然后通過向水中通入空氣使得水中溶解氧濃度增長的；純氧曝氣充氧法不需先降低水中溶解氧的濃度，而是直接向水中通入純氧使其溶解氧濃度達(dá)到過飽和狀態(tài)，然后停止通入純氧，水中溶解氧濃度逐漸從過飽和濃度下降至飽和濃度。從 過飽和濃度CS下降至 飽和濃度CS這段實(shí)驗(yàn)有效數(shù)據(jù)用于氧轉(zhuǎn)移系數(shù) KLa 值的計(jì)算。6.2 曝氣設(shè)備充氧性能的指標(biāo)為何是清水？這是由于清水的水質(zhì)比較一致，進(jìn)行充氧實(shí)驗(yàn)時(shí)，開動空氣泵等進(jìn)行曝氣的開始階段，即可認(rèn)為水中的水質(zhì)均勻布置，此時(shí)，測定水中任一點(diǎn)的溶解氧值，即可認(rèn)為是整個(gè)水池的溶解氧值

26、。如果用污水的話，由于水質(zhì)組分無法一致，測得的性能無法比較，無法以一點(diǎn)的測量值代表整個(gè)池中液體的性能；在曝氣設(shè)備的實(shí)際使用過程中需要用目標(biāo)水樣進(jìn)行充氧性能測定，實(shí)測的 KLa才能說明實(shí)際的充氧效率。6.3 鼓風(fēng)曝氣設(shè)備與機(jī)械曝氣設(shè)備充氧性能指標(biāo)有何不同？答：鼓風(fēng)曝氣設(shè)備充氧性能指標(biāo)一般用動力效率、氧的利用率表示，而機(jī)械曝氣設(shè)備充氧性能指標(biāo)一般用動力效率、氧的轉(zhuǎn)移效率表示。這主要是鼓風(fēng)曝氣與機(jī)械曝氣的特點(diǎn)所決定的。鼓風(fēng)曝氣屬于水下曝氣，其曝氣量已知的，因此可用單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)移到混合液中的氧量占總供氧量的百分比，即氧的利用率來表示充氧性能；而機(jī)械曝氣屬于水面曝氣，其單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)移至液相中的曝氣量是不

27、可求的，因此只能用單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)移至混合液中氧量，即氧轉(zhuǎn)移效率來表示充氧性能。另外，動力效率是指每消耗1KWh電能轉(zhuǎn)移至混合液中的氧量，這對于鼓風(fēng)曝氣設(shè)備與機(jī)械曝氣設(shè)備均是可以求的，故也可用此來表示兩者的充氧性能。6.4 影響氧傳遞的因素有哪些？美國環(huán)保局對17個(gè)廢水處理廠數(shù)百組試驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，制定了微孔曝氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊，說明了對氧傳遞影響的因素，如表7-1所示。表7-1 氧傳遞的影響因素影響因素對氧傳遞的影響設(shè)備因素?cái)U(kuò)散器類型擴(kuò)散器堵塞微氣泡擴(kuò)散器較粗氣泡氧傳遞效率高擴(kuò)散器開孔率單位面積上擴(kuò)散微孔多的氧傳遞效率高擴(kuò)散器埋深隨著擴(kuò)散器埋深的增加，氧利用率增大，但單位能耗轉(zhuǎn)移的氧量保持不變擴(kuò)散器布置格網(wǎng)形布置較單側(cè)布置水流螺旋式前進(jìn)的及十字形布置的氧傳遞速率高水流方式活塞流反應(yīng)器較分段入流反應(yīng)器氧傳遞效率高曝氣池類型短寬的曝氣池較長寬的曝氣池氧傳遞速率沿程變化小有生物膜形成導(dǎo)致的擴(kuò)散器