几种倒伞型表面曝气机充氧性能实验研究

论文导读：曝气器在测试条件下氧总转移系数。曝气器充氧能力qc公式。曝气器理论动力效率E。水体平均流速V处理。氧总转移系数，几种倒伞型表面曝气机充氧性能实验研究。
关键词：倒伞型表面曝气机，氧总转移系数，充氧能力，氧利用率，动力效率，平均流速
 

生物处理是目前国内外污水处理工程中最常用也是最主要的处理方法，其中好氧生物处理法的应用最为广泛。而曝气是好氧生物处理系统的重要环节，它的作用是向反应器内充氧，保证微生物生化作用所需的氧气，同时保证反应器内微生物、有机物、溶解氧三者的充分混合，为微生物创造有利的生化反应条件[1]。据可靠研究表明曝气设备是生物处理法耗电做多的设备，约占整个污水处理系统的80%。因此提高曝气设备的动力效率是降低水处理成本的关键因素。目前常用的处理工艺有氧化沟工艺、SBR工艺、A/0工艺等。由于氧化沟工艺具有较好的脱氮除磷效果并且运行维护方便在我国成为新建污水处理的首选工艺[2]。氧化沟工艺主要以表面曝气方式为主近年来，也有微孔曝气方式的氧化沟工艺投入使用。氧化沟工艺

采用的曝气设备主要有：转刷曝气机、转盘曝气机和倒伞曝气机，倒伞曝气机因具有良好的充氧效率和推流能力而应用最为广泛[3]。论文检测，氧总转移系数。它是利用叶轮的高速旋转,推动污水上下翻腾并前进,同时空气中的氧气迅速溶入液相,可以同时完成对污水充氧、搅拌和推流三大作用[4]。

目前国内对表曝气器的性能进行了一些研究，但其中大多都是集中在测试方法和数值模拟计算方面[5-7]。而本研究则是通过对安徽某科技公司产自行研究的几种倒伞型表面曝气器叶轮的充氧性能进行现场模拟试验，并通过试验研究分析了叶片安装角度、片数及推流能力三者之间关系，为今后的设备设计优化提供新的参考。

1计算公式

曝气器的充氧性能主要是由氧的总转移系数氧总转移系数KLa、充氧能力qc、氧利用率E、理论动力效率Ep四个主要参数来衡量。

1.1 氧的总转移系数KLa[8]

dC/dt=KLa(Cs-C)（1）

将上式积分整理后有

ln(Cs-C)=ln(Cs-C0)-KLa·t （2）

式中：Cs—水中饱和溶解氧浓度，mg/L；

C—与曝气时间t相应的水中溶解氧浓度，mg/L；

t —曝气时间，min；

KLa—曝气器在测试条件下氧总转移系数，l/min；

利用上式，作ln(Cs-C0)-ln(Cs-C)和t的曲线，该曲线的斜率即为氧转移系数KLa。

标态下，曝气器氧总转移系数KLas

KLas=Kla·θ20-T （3）

式中：KLas—标准状态测试条件下曝气器总转移系数，l/min；

KLa—测试水温条件下曝气器总转移系数，1/min；

T —测试水温，℃；

θ—温度修正系数1.024.

1.2 曝气器充氧能力qc公式[8]

qc=KLas·V·Cs（20）

=0.55·V·KLa （4）

式中：qc—标准状态，测试条件下，曝气器充氧能力，kg/h；

V—测试水池中水的体积，m3；

Cs（20）—20℃水中饱和溶解氧浓度9.17，mg/L；

0.55=60/1000·9.17.

1.3 曝气器理论动力效率E[8]与曝气器充氧时所耗理论功率NT

E=qc/NT （5）

NT=N0·IT/I0 （6）

式中：E—标准状态，测试条件下曝气器充氧理论动力效率，kg/kw·h；

qc—曝气器充氧能力，kg/h；

NT—曝气器充氧时所耗理论功率，只考虑曝气充氧所消耗的有用功，kw·h；

N0—曝气器的额定功率，kw·h；

IT—曝气器的实际电流，A；

I0—曝气器的额定电流，A；

1.4 水体平均流速V处理

V=V1+V2…+VN/N

VN—各点的流速，m/s；

N—一共的测试次数；

2实验装置及测试设备

2.1 测试装置

由于大型倒伞型曝气机进行测试需要池体的容积较大，一是这种池体不方便去寻找；二是多次试验下来，成本较高。因此本研究重点采用了模拟试验技术路线。我们选用安徽合肥朱砖井污水处理厂“863氧化沟中试试验基地”，氧化沟面106.2m2，测试不同叶轮时候水体浸没深度均与叶轮面平行。

2.2 被测设备

根据氧化沟我们按比例缩小了曝气器的功率参数，再参照该功率，将叶片各尺寸也相应缩小。论文检测，氧总转移系数。缩小后的倒伞曝气机参数：叶轮直径800mm，电机功率3kw。

6种叶轮名称及规格如表1所示：

表1 6种叶轮名称及规格

Table 1 name and specification of six impellers

注：1#、3#倒伞的叶轮叶片设计有所不同，1#叶片面积虽然和3#相同，但是1#吃水深，导流辐板斜角大。

1#—4#号我们定义为C型号倒伞叶轮，5#和6#号定义为D型号倒伞叶轮，形状如图1和图2所示。

图1 C型倒伞叶轮

Fig1 C model of Inverted umbrella surface

图2 D型号倒伞叶轮

Fig 2 D model ofInverted umbrella surface

C型号除了1#叶轮以外，其他3个叶轮只是叶片多少和安装倾斜角度有所区别，D型叶轮之间只有设计角度有所区别，D型号们每次只在1处更换叶轮，其他两处倒伞均关闭。黑方块位置为测试流速点，均在离倒伞1下游水平距离为9m的水平面上，每点分别测试距离水面0.5m、1m、1.5m三处流速。

3 试验步骤

3.1 测试条件

为了进行比较，我们测试均在水温22°C左右，一个大气压下，叶轮转速为75rap/min，叶轮均处于设计水位条件下，从上午9点开始到下午3点结束。溶解氧的饱和浓度Cs参考各种温度下饱和溶解氧值经验数据。

3.2 测试方法

采用间歇非稳态法测试[9]，即测试水体的体积不变，在曝气过程中，水中溶解氧浓度C随曝气时间t而变的方法。

测试时先投加工业用亚硫酸钠对水体

图3 溶氧仪及测试流速点布置示意图

Fig 3 Schematic diagram of dissolved oxygeninstrument and test velocity points

叶片与C型号2#-4#叶片设计参数相同。D型号比C型号优势在于D型号叶片可以方便拆卸，在运输和维修更换上更便利。

2.3 主要仪器

2台德国WTW便携式溶氧仪Multi 340i，探头为Galvanic溶氧电极 Cellox 325。精度等级0.01，带温度显示，可自动储存500组数据。

1台流速仪为北京渠道科学器材有限公司生产的6526号STARFLOW超声波多普勒流量计，可以测流速、水位、温度。

2.4 溶氧仪及测量流速点布置

溶氧仪及测量流速点布置如图3所示圆圈为溶氧仪放置位置，溶氧仪A在离倒伞1上游水平距离9m，溶氧仪B在离倒伞1下进行脱氧，以Co2+为催化剂，在水中溶解氧降至零后开始曝气，记录水中溶解氧浓度随曝气时间的变化，而后计算出Kla值。然后转换成标准状态下的氧总转移系数Klas，计算曝气机充氧能力qc。根据测试时电机负荷电流，计算出输出功率，最终得出动力效率Ep值。

3.3 水体脱氧

消氧剂为工业Na2SO4,投加量计算为：

G=8·C·V·K

式中：G—亚硫酸钠投加量，g；

C—水中溶解氧浓度，mg/L；

V—曝气池内水的体积，m3；

8—理论上消耗1g氧所需亚硫酸钠量，g/g

K—考虑药剂中杂质等而采用脱氧安全系数，一般取1.2-1.5；

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