掌握測定曝氣設備的Kl和充氧能力a、卩的實驗方法及計算Q；Las評價充氧設備充氧能力的好壞；掌握曝氣設備充氧性能的測定方法。實驗原理活性污泥處理過程中曝氣設備的作用是使氧氣、活性污泥、營養(yǎng)物三者充分混合，使污泥處于懸浮狀態(tài)，促使氧氣從氣相轉移到液相，從液相轉移到活性污泥上，保證微生物有足夠的氧進行物質代謝。由于氧的供給是保證生化處理過程正常進行的主要因素，因此工程設計人員通常通過實驗來評價曝氣設備的供氧能力。零的狀態(tài)下再曝氣，使溶解氧升高趨于飽和水平。假定整個液體是完全混合的，符合在現(xiàn)場用自來水實驗時，先用Na2S03(或NJ進行脫氧，然后在溶解氧等于或接近一級反應此時水中溶解氧的變化可以用以下式子表示：零的狀態(tài)下再曝氣，使溶解氧升高趨于飽和水平。假定整個液體是完全混合的，符合單dd“ddjdddd ddd式中：dC/dt 氧轉移速率，mg/(L?h)；Kl——氧的總傳遞系數(shù)，L/h；LaCs——實驗室的溫度和壓力下，自來水的溶解氧飽和濃度，mg/L；C——相應某一時刻t的溶解氧濃度，mg/L。將上式積分，得常數(shù)d dd由于溶解氧飽和濃度、溫度、污水性質和混亂程度等因素影響氧的傳遞速率，因此應進行溫度、壓力校正，并測定校正廢水性質影響的修正系數(shù)a、卩。所采用的公式如下：d^ddddd^ddddddddddddddd dd校正實驗a a標準大氣壓校正實驗a a實驗時的大氣壓ddddddd廢水的ddd

自來水的ddd廢水的ad J自來水的充氧能力為dd-AddddJJdddddddJd校正ddddddddd

dd dd d實驗內容實驗設備與試劑溶解氧測定儀空壓機。

(3)曝氣筒。(4)攪拌器。(5)秒表。(6)分析天平(7)燒杯。(8)亞硫酸鈉(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)⑼氯化鉆(CoC12?6H20)。實驗裝置實驗裝置如圖3-1所示。圖3-1曝氣設備充氧能力實驗裝置簡圖實驗步驟⑴向曝氣筒內注入20L自來水，測定水樣體積V(L)和水溫t(°C)；(2)由實驗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)的用量計算。在自來水中加入Na2S03還原劑來還原水中的溶解氧。2222222逐2222222222相對分子質量之比為：2222

2一2-

機嚴2 222 2故Na2S03理論用量為水中溶解氧的8倍。而水中有部分雜質會消耗亞硫酸鈉,故實際用量為理論用量的1.5倍。所以實驗投加的Na2S03投加量為式中：W亞硫酸鈉投加量，g；222222222222222222Cs——實驗時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)驗證明，清水中有效鈷離子濃度約0.4mg/L經(jīng)驗證明，清水中有效鈷離子濃度約0.4mg/L為好，一般使用氯化鈷(CoC12?6H20)。因為:222兮222兮222222222222貶2222所以單位水樣投加鈷鹽量為：CoC12?6H200.4x4.0=1.6g/m3本實驗所需投加鈷鹽為CoC12?6H20 1.6V(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，溶解的鉆鹽倒入水中，并開動循環(huán)水泵，小流量輕微攪動使其混合(開始計時)，進行脫氧。攪拌均勻后(時間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，記錄一次所用時間(直到溶解氧值達到飽和為止)。(3)當清水脫氧至零時，提高葉輪轉速進行曝氣，并計時。每隔0.5min測定一次溶解氧值(用碘量法每隔1min測定一次)，知道溶解氧值達到飽和為止。

數(shù)據(jù)記錄與整理水溫：28°C 水樣體積：0.018m3飽和溶解氧濃度Cs：8.00mg/L 亞硫酸鈉用量：1.8g氯化鈷用量：0.0288g表4-1曝氣設備充氧能力實驗數(shù)據(jù)記錄序號時間t/s時間t/minCt/(mg/L)序號時間t/s時間t/minCt/(mg/L)100.000.53161502.504.842100.170.98171602.675.053200.330.61181702.835.294300.500.58191803.005.495400.670.81202103.506.026500.831.49212404.006.447601.001.69222704.506.788701.172.09233005.007.039801.332.46243305.507.2110901.502.86253606.007.37111001.673.23263906.507.49121101.833.61274207.007.58131202.003.96284507.507.64141302.174.24294808.007.68151402.334.54數(shù)據(jù)處理與分析公式法求解KL值La公式：KKKKKKKKKK式中Kl——氧的總傳遞系數(shù)，L/min；LaCs——實驗室的溫度和壓力下，自來水的溶解氧飽和度，mg/L；C；——相應某一時刻t的溶解氧濃度，mg/L；t0 脫氧使用時間，min；t——開循環(huán)水泵后的時間，min。實驗中，t-t0的值對應表4-1中的t值，C0對應時間t=0時的Ct=0.53mg/L。將已知值代入公式中求出KL,計算結果如表5-1所示。La表5-1公式法Kl計算結果 | | _La | | 序號時間t/minCt/(mg/L)Cs-Ctig(Cs-Ct)KLa

10.000.537.470.8733/20.170.987.020.84630.372930.330.617.390.86860.032340.500.587.420.87040.013450.670.817.190.85670.057360.831.496.510.81360.165171.001.696.310.80000.168881.172.095.910.77160.200891.332.465.540.74350.2242101.502.865.140.71100.2493111.673.234.770.67850.2692121.833.614.390.64250.2900132.003.964.040.60640.3074142.174.243.760.57520.3169152.334.543.460.53910.3299162.504.843.160.49970.3442172.675.052.950.46980.3485182.835.292.710.43300.3579193.005.492.510.39970.3636203.506.021.980.29670.3794214.006.441.560.19310.3916224.506.781.220.08640.4027235.007.030.97-0.01320.4083245.507.210.79-0.10240.4085256.007.370.63-0.20070.4122266.507.490.51-0.29240.4130277.007.580.42-0.37680.4113287.507.640.36-0.44370.4044298.007.680.32-0.49490.3939由上表可以看出，運用公式法計算出來的kl值總體上不斷增大，且有較大的增La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La表征曝氣設備的充氧性能，因此使用公式法求解kl值不適用于本實驗。La線性回歸法求解kl值Laln(Cs-Ct)-t關系曲線的繪制由公式“ 常數(shù)”可知，作ln(Cs-Ct)和t的關系曲線，其st斜率即為kl值。La

于是，對ln(Cs-Ct)進行計算，結果如表5-2所示。根據(jù)計算結果以t為橫坐標、ln(Cs-Ct)為縱坐標：繪制ln(Cs-Ct)和t的關系曲線如圖5-1所示。表5-2In(Cs-Ct)計算結果序號時間t/minCt/(mg/L)C-Cstln(C-C)st10.000.537.472.010920.170.987.021.948830.330.617.392.000140.500.587.422.004250.670.817.191.972760.831.496.511.873371.001.696.311.842181.172.095.911.776691.332.465.541.7120101.502.865.141.6371111.673.234.771.5623121.833.614.391.4793132.003.964.041.3962142.174.243.761.3244152.334.543.461.2413162.504.843.161.1506172.675.052.951.0818182.835.292.710.9969193.005.492.510.9203203.506.021.980.6831214.006.441.560.4447224.506.781.220.1989235.007.030.97-0.0305245.507.210.79-0.2357256.007.370.63-0.4620266.507.490.51-0.6733277.007.580.42-0.8675287.507.640.36-1.0217298.007.680.32-1.1394圖5-1ln(Cs-Ct)-t關系曲線由上圖可以觀察到，在曝氣充氧的整個過程中，隨著時間的增長，ln(Cs-Ct)總體呈下降趨勢。①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，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溶解到水樣中的氧氣反應，不斷地消耗溶解氧。②隨著曝氣充氧的進行，剩余的脫氧劑逐漸被反應完，水中的溶解氧不再被消耗，溶解氧量穩(wěn)定增大。③當曝氣充氧進入到最后階段，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本次實驗的kl值。Laln(Cs-Ct)-t線性擬合S由上一部分對ln(C-Ct)-t關系曲線的分析可知，為求得較為準確的KL值，應將st La實驗前半段數(shù)據(jù)及結束前一段時間內較平緩變化點去除，以免影響線性擬合結果。剔除無效數(shù)據(jù)后，對ln(Cs-Ct)-t數(shù)據(jù)點進行線性擬合，擬合圖像如圖5-2所示，相關擬合數(shù)據(jù)如表5-3所示。圖5-2In(Cs-Ct)-t線性擬合圖像表5-3In(Cs-Ct)-1線性擬合方程數(shù)據(jù)Equation s 1 1y=a+b*xAdj.R-Square0.99944ValueStandardErrorln(Cs-Ct)Intercept2.314210.00903ln(Cs-Ct)Slope-0.462060.00244由上表可知，對ln(C-Ct)-t進行線性擬合，線性相關系?數(shù)達0.99944，極其接近st1，擬合效果極好，與理想條件下溶解氧的傳遞符合一級反應相符合，結果可用于理論分析。由上表數(shù)據(jù)可得擬合方程為：111^111111111111111111111其中，氧的總傳遞系數(shù)1R111111111111111111111換算為20°C時氧的總傳遞系數(shù)1n1in11inmi1mumu1liiiimm非線性回歸法求解kl值La由于使用線性回歸法計算氧傳遞系數(shù)kl受C取值的影響較大，所以C值取值La s s是計算結果合理與否的關鍵。有研究表明，如果代入的cs值比真實值每減少1%,計算的KL將增大3%；只有測得的C值大于或等于真實值S的99.7%時，才能準確的計La s算出KL值，而這在我們的實驗中一般是比較難達到的，因此，使用該種方法計算Lakl存在一定的弊端。LaTOC\o"1-5"\h\z計算KL值的另一種方法是非線性回歸法。非線性回歸法把C看成未知量，在一La s定程度上減輕了采用線性回歸法計算氧傳遞系數(shù)kl受C取值的影響。使用這種處理La s方法只需測得的C大于或等于真實值的98%便可準確的計算匕值，因此，在實際測s La試中更加方便控制且計算結果準確性較高。以下將采用非線性回歸法對KL值進行求La解。已知曝氣實驗溶解氧轉移速率滿足下列一級反應：對該方程積分得：11I】1I,11J11111111n111

同線性回歸法，剔除無效數(shù)據(jù)后，以t為橫坐標、C為縱坐標繪制C-t散點圖，用函數(shù)yyyyyyyyyyyyyyyy對c-t散點圖進行擬合，擬合圖像如圖5-3所示，擬合方程數(shù)據(jù)如表5-4所示。圖5-3ct-t非線性擬合圖像表5-4 ct-1非線性擬合方程數(shù)據(jù)Equationy=y0-a*exp(-b*x)Adj.R-Square0.99953ValueStandardErrorBy08.017030.03838Ba10.210850.06912Bb0.462670.00738由上表可知，對Ct-t進行非線性擬合，相關系數(shù)R2達0.99953，極其接近1,擬合效果極好，擬合結果可用于理論分析。由上表數(shù)據(jù)可得擬合方程為：yyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyy其中，溶解氧飽和濃度yyyyyyyyyyyyyyyyyyyy氧的總傳遞系數(shù)yyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyy換算為20°C時氧的總傳遞系數(shù)yyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyy線性擬合與非線性擬合結果的比較yyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyy表5-5線性擬合與非線性擬合結果的比較KL/(L/min)LaCs/(mg/L)相關系數(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，①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。②線性擬合結果kl值比非線性擬合偏小，相對誤差為:La③線性擬合結果cs值比非線性擬合偏小，相對誤差為:yyyyyyyyyyy————yyyyyyyyyyyyyyyy本次實驗中，線性擬合結果的匕值和c值相對誤差都很小，說明實驗最開始測TOC\o"1-5"\h\zLa s得的C值具有很高的準確性度，實驗kl值的求解可使用線性回歸法也可以使用準確s La性更高的非線性擬合法。鼓風充氧能力Qs的計算公式 S^yyyyyyyyyyyyyyyyyyyyy式中KLa—氧的總轉移系數(shù)，L/min；CS 飽和溶解氧，mg/LV——水樣的體積，m3。式中KL值和C值的選取采用準確性更高的非線性擬合法。La s將V=0.018m3,Kt(20°C)=0.374L/min,C=8.02mg/L代入上式，得La sQQQqQ益&QQQQQQQQQQQQQQQQQQQQ@QQQQQQ即計算所得鼓風機的充氧能力Qs為3.239x10-3kg/h。思考與討論檢測曝氣設備充氧性能有哪些方法？化學消氧法水處理曝氣設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，化學反應式如下：QQQ^QqQQqQQQQ^QQq由上式可知，1kg的氧氣可以與8kg的亞硫酸鈉相結合，從而導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CoC12?6H2O作為催化劑，以加速亞硫酸鈉的氧化，其催化劑投加量以Co2+濃度0.3?0.5mg/L計。因為化學消氧法實驗方法比較簡單，故其成為曝氣設備充氧能力測試的主要方法得到廣泛應用。但測試過程中要保證測試水溶液中鹽濃度(TDS)S2000mg/L電導率(CND)S3000pS/cm。本實驗采用該方法檢測曝氣設備充氧性能。氮氣吹脫法水處理曝氣設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。若物質的吸附速率與解吸附速率相等，即達到吸附與解吸附現(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，其將打破原平衡進而產生氣-液相間的傳質現(xiàn)象。氮氣吹脫法就是向水中通入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移，從而實現(xiàn)溶解氧在水中發(fā)生逆向傳質現(xiàn)象而脫除水中溶解氧，達到曝氣充氧測試反應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)。氮氣吹脫水處理曝氣設備性能檢測方法可實現(xiàn)測試用水的重復利用，節(jié)省大量的水資源，但系統(tǒng)所需設備較復雜，測試過程操作繁瑣。純氧曝氣法水處理曝氣設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種方法原理不同。在曝氣充氧測試中，化學消氧法與氮氣吹脫法首先通過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這段實驗有效數(shù)據(jù)用于氧轉移系數(shù)KLa值的計算。La曝氣設備充氧性能的指標為何是清水？這是由于清水的水質比較一致，進行充氧實驗時，開動空氣泵等進行曝氣的開始階段，即可認為水中的水質均勻布置，此時，測定水中任一點的溶解氧值，即可認為是整個水池的溶解氧值。如果用污水的話，由于水質組分無法一致，測得的性能無法比較，無法以一點的測量值代表整個池中液體的性能；在曝氣設備的實際使用過程中需要用目標水樣進行充氧性能測定，實測的kl才能說明實際的充氧效率。La鼓風曝氣設備與機械曝氣設備充氧性能指標有何不同？答：鼓風曝氣設備充氧性能指標一般用動力效率、氧的利用率表示，而機械曝氣設備充氧性能指標一般用動力效率、氧的轉移效率表示。?這主要是鼓風曝氣與機械曝氣的特點所決定的。鼓風曝氣屬于水下曝氣，其曝氣量已知的，因此可用單位時間內轉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；而機械曝氣屬于水面曝氣，其單位時間內轉移至液相中的曝氣量是不可求的，因此只能用單位時間內轉移至混合液中氧量，即氧轉移效率來表示充氧性能。另外，動力效率是指每消耗lKWh電能轉移至混合液中的氧量，這對于鼓風曝氣設備與機械曝氣設備均是可以求的，故也可用此來表示兩者的充氧性能。影響氧傳遞的因素有哪些？美國環(huán)保局對17個廢水處理廠數(shù)百組試驗進行總結，制定了微孔曝氣系統(tǒng)設計手冊，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備因素擴散器類型擴散器堵塞微氣泡擴散器較粗氣泡氧傳遞效率高擴散器開孔率單位面積上擴散微孔多的氧傳遞效率高擴散器埋深隨著擴散器埋深的增加，氧利用率增大，但單位能耗轉移的氧量保持不變擴散器布置格網(wǎng)形布置較單側布置水流螺旋式前進的及十字形布置的氧傳遞速率咼水流方式活塞流反應器較分段入流反應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致的擴