微孔曝气充氧性能

在污水处理系统中，曝气过程占整个污水处理厂能耗的45%~75%，为了提高曝气过程的氧传递效率，目前污水处理厂普遍采用微孔曝气工艺。曝气系统。与大中型气泡曝气系统相比，微孔曝气系统可节省能耗50%左右。尽管如此，其曝气过程的氧气利用率也在20%～30%范围内。此外，国内已有较多地区采用微孔曝气技术进行污染河道的治理，但目前尚未针对不同水况合理选用微孔曝气器进行研究。因此，微孔曝气器充氧性能参数的优化对于实际生产和应用具有重要意义。

影响微孔曝气充氧性能的因素有很多，其中最重要的是曝气量、孔径大小和安装水深。

目前，国内外关于微孔曝气器充氧性能与孔径、安装深度关系的研究较少。研究更多地关注于总氧传质系数和充氧能力的提高，而忽视了曝气过程中的能耗问题。我们以理论功率效率为主要研究指标，结合充氧能力和氧气利用趋势，初步优化出曝气效率最高时的曝气量、孔径直径和安装深度，为应用提供参考微孔曝气技术在实际工程中的应用

1.材料与方法

1.1 测试设置

测试装置由有机玻璃制成，主体为 D {{0}}.4 m × 2 m 圆柱形曝气池，溶解氧探头位于水面以下 0.5 m（如图 1 所示） ）。

图 1 通气和充氧测试设置

1.2 试验材料

微孔曝气器，由橡胶膜制成，直径215毫米，孔径50、100、200、500、1 000μm。 sension378台式溶解氧测试仪，HACH，美国。气体转子流量计，量程0~3 m3/h，精度±0.2%。 HC-S 鼓风机。催化剂：CoCl2-6H2O，分析纯；脱氧剂：Na2SO3，分析纯。

1.3 测试方法

试验采用静态非平稳法进行，即试验时先投加Na2SO3和CoCl2-6H2O进行脱氧，待水中溶解氧降至{{5}时开始曝气。 }。记录水中溶解氧浓度随时间的变化，并计算KLa值。测试不同通气量（0.5、1、1.5、2、2.5、3 m3/h）、不同孔径（50、100、 200, 500, 1,000 μm），以及不同的水深（0.8, 1.1, 1.3, 1.5, 1.8、2.0 m)，同时参考了CJ/T 3015.2 -1993《增氧器清水充氧性能测定》和美国清水充氧测试标准。

2.结果与讨论

2.1 测试原理

测试的基本原理是基于Whitman于1923年提出的双膜理论。氧气传质过程可用方程（1）表示。

式中：dc/dt——传质速率，即单位时间单位体积水传递的氧气量，mg/(Ls)。

KLa——试验条件下曝气器的总氧传递系数，min-1；

C*——水中饱和溶解氧，mg/L。

Ct——曝气t时水中的溶解氧，mg/L。

如果测试温度不是20度，则可以使用公式（2）对KLa进行修正：

充氧能力（OC，kg/h）由式（3）表示。

式中：V——曝气池容积，m3。

氧利用率（SOTE，%）由方程（4）表示。

式中：q——标准工况下的曝气量，m3/h。

理论功率效率[E,kg/(kW-h)]由式(5)表示。

式中：P——曝气设备功率，kW。

评价曝气器充氧性能常用的指标有总氧传质系数KLa、充氧能力OC、氧气利用率SOTE和理论功率效率E[7]。现有研究更多关注总氧传质系数、充氧能力和氧气利用率的变化趋势，而对理论功率效率的关注较少[8, 9]。理论功率效率作为唯一的效率指标[10]，可以反映曝气过程中的能耗问题，是本实验的重点。

2.2 曝气对充氧性能的影响

通过在孔径为200 μm的曝气器底部2 m曝气评价不同曝气水平下的充氧性能，结果如图2所示。

图2 钾和氧利用率随通气量的变化

从图2可以看出，KLa随着曝气量的增加而逐渐增加。这主要是因为曝气量越大，气液接触面积越大，充氧效率越高。另一方面，有研究人员发现，氧气利用率随着曝气量的增加而降低，本次实验也发现了类似的情况。这是因为在一定水深下，曝气量较小时，气泡在水中的停留时间增加，气液接触时间延长；当曝气量较大时，对水体的扰动较强，大部分氧气没有得到有效利用，最终以气泡的形式从水体表面释放到空气中。本实验得出的氧气利用率与文献相比并不高，可能是因为反应器高度不够高，大量氧气没有与水柱接触就逸出，降低了氧气利用率。

理论功率效率（E）随通气量的变化如图3所示。

图3 理论功率效率与曝气量的关系

从图3中可以看出，理论功率效率随着通气量的增加而逐渐降低。这是因为在一定水深条件下，标准氧传递率随着曝气量的增加而增大，但鼓风机消耗的有用功的增加比标准氧传递率的增加更为显着，因此理论功率效率在实验考察的通气量范围内，随通气量的增加而减小。结合图中的趋势。由图2和图3可知，通气量为0.5 m3/h时，充氧性能最佳。

2.3 孔径对充氧性能的影响

孔径对气泡的形成影响很大，孔径越大，气泡的尺寸也越大。气泡对充氧性能的影响主要表现在两个方面：一是单个气泡越小，气泡整体比表面积越大，气液传质接触面积越大，越有利于传质。氧;其次，气泡越大，搅拌水的作用越强，气液之间混合越快，充氧效果越好。通常，传质过程中的第一点起着重要作用。测试将通气量设置为0.5 m3/h，以检查孔径对KLa和氧气利用率的影响，见图4。

图4 KLa和氧利用率随孔径的变化曲线

从图4可以看出，随着孔径的增大，KLa和氧利用率均下降。在相同水深和曝气量的条件下，50μm孔径曝气机的KLa约为1、000μm孔径曝气机的3倍。因此，当曝气器安装在一定深度的水中时，孔径越小，曝气器的充氧能力和氧气利用率就越大。

理论功率效率随孔径的变化如图5所示。

图5 理论功率效率与孔径的关系

从图5可以看出，随着孔径尺寸的增大，理论功率效率呈现先增大后减小的趋势。这是因为，一方面，小孔径曝气器具有较大的KLa和充氧能力，有利于充氧。另一方面，一定水深下的阻力损失随着孔径的减小而增大。当孔径减小对阻力损失的促进作用大于氧传质的作用时，理论功率效率将随着孔径的减小而降低。因此，当孔径直径较小时，理论功率效率会随着孔径直径的增大而增大，孔径直径为200μm时达到最大值1.91kg/(kW-h)；当孔径>200μm时，曝气过程中的阻力损失不再在曝气过程中起主导作用，KLa和充氧能力会随着曝气器孔径的增大而降低，因此，理论电源效率呈现明显下降趋势。

2.4 安装水深对充氧性能的影响

增氧机安装的水体深度对增氧增氧效果有非常显着的影响。实验研究的目标是小于2 m的浅水航道。曝气机的曝气深度根据池水深度确定。现有的研究主要集中在曝气器的浸没深度（即曝气器安装在水池底部，通过增加水量来增加水深），试验主要集中在曝气器的安装深度。曝气器（即保持池内水量不变，调整曝气器的安装高度，找到曝气效果最佳的水深），KLa和氧气利用率随水深的变化为如图6所示。

图6 K和氧利用率随水深的变化曲线

从图 6可以看出，随着水深的增加，KLa和氧气利用率均呈现明显的增加趋势，在0.8 m水深和2 m水深时KLa相差4倍以上。这是因为水越深，气泡在水柱中的停留时间越长，气液接触时间越长，传氧效果越好。因此，增氧机安装得越深，越有利于充氧能力和氧气利用率。但安装水深增加的同时阻力损失也会增加，为了克服阻力损失，就必须增加曝气量，这势必导致能耗和运行成本的增加。因此，为了获得最佳安装深度，需要评估理论功率效率与水深的关系，见表1。

从表1可以看出，安装深度为0.8 m时，理论功率效率极低，仅为0.5 kg/(kW-h)，不适合浅水曝气。安装水深1.1～1.5 m范围内，由于充氧能力显着增加，而增氧机受阻力影响并不明显，因此理论功率效率迅速增加。随着水深进一步增加到1.8 m，阻力损失对充氧性能的影响越来越显着，导致理论功率效率的增长趋于平稳，但仍呈现增加趋势，并且在安装中水深2 m时，理论功率效率最高达到1.97 kg/(kW-h)。因此，对于 < 2 m 的通道，优选底部通气以实现最佳充氧。

结论

采用静态非平稳法进行微孔曝气清水充氧试验，在试验水深（< 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.

理论功率效率是有效性的唯一指标。在试验条件下，理论功率效率随着曝气量和安装水深的增加而增加，随着孔径的增加先增加后减少。安装水深和孔径应合理组合，才能使充氧性能达到最佳，一般来说，水深越大曝气器选用的孔径越大。

试验结果表明不宜采用浅水曝气。安装深度为2 m、曝气量为0.5 m3/h、曝气器孔径为200 μm时，最大理论功率效率为1.97 kg/(kW-h)。