不同曝气设备的氧转移效率

实验三 曝气设备充氧能力的测定一 实验目的通过本实验希望达到下述目的：(1)掌握测定曝气设备的氧总传递系数和充氧能力的方法；(2)对比表面曝气器在不同位置下的曝气效果；(3)了解各种测试方法和数据整理方法的特点。

二 实验原理活性污泥法处理过程中曝气设备的作用是使空气，活性污泥和污染物三者充分混合，使活性污泥处于悬浮状态，促使氧气从气相转移到液相，从液相转移到活性污泥上，保证微生物有足够的氧进行物质代谢。

由于氧的供给是保证生化处理过程正常进行的主要因素之一，因此，工程设计人员和操作管理人员常需通过实验测定氧的总传递系数K La 、评价曝气设备的供氧能力和动力效率。

评价曝气设备充氧能力的试验方法有两种：(1)不稳定状态下进行试验，即试验过程水中溶解氧浓度是变化的，由零增到饱和浓度；(2)稳定状态下的试验，即试验过程水中溶解氧浓度保持不变。

试验可以用清水或在生产运行条件下进行。

下面分别介绍各种方法的基本原理。

(一)不稳定状态下进行试验在生产现场用自来水或曝气池出流的上清液进行试验时，先用亚硫酸钠(或氮气)进行脱氧，使水中溶解氧降到零，然后再曝气，直至溶解氧升高到接近饱和水平。

假定这个过程中液体是完全混和的，符合一级动力学反应，水中溶解氧的变化可用式(1)表示()C C K dtdCs La −= (1) 式中：dt dC /——氧转移速率(mg/L ．h)；K La ——氧的总转递系数(1／h)；可以认为是一混和系数，其倒数表示使水中的溶解氧由C 变到C s 所需要的时间，是气液界面阻力和界面面积的函数。

C s ——试验条件下自来水(或污水)的溶解氧饱和浓度(mg/L)； C ——相应于某一时刻t 的溶解氧浓度(mg/L)． 将式(1)积分得()常数+⋅−=−t K C C La s ln (2) 式(2)表明，通过试验测得C s 和相应于每一时刻t 的溶解氧C 值后，绘制1n(C s 一C)与t 的关系曲线，其斜率即K La 。

给水生物接触氧化池两种曝气系统的比较给水生物接触氧化池两种曝气系统的比较摘要生物接触氧化法作为给水生物预处理工艺，近年来得到了日益广泛的工程实际应用。

本文对给水生物接触氧化法预处理工程中常用的两种曝气系统（微孔曝气器曝气和穿孔管曝气），作了充氧性能、系统造价、运行成本及运行管理等方面的比较研究。

研究表明，在实际工程应用中，采用微孔曝气器的曝气系统优于采用穿孔管的曝气系统。

近些年来，随着工农业的迅速发展，城市化建设加快，城市人口膨胀，引起了城市工业与生活用水大量增加；同时，相应的污染排放量也在逐年增加，导致了饮用水水源普遍受到污染，饮用水水质恶化。

在给水处理领域中引入生物预处理，已成为微污染水源水处理的技术发展方向和有效手段之一。

在我国，给水工程实践中常用生物接触氧化法作为生物预处理工艺。

在该方法中，曝气系统的选择直接关系着整个生物预处理工艺的充氧性能、处理效果、运行成本和管理操作。

本文结合中试试验和工程实践对这两种不同曝气系统作了多方面的比较与分析。

1生物接触氧化池的两种曝气系统为提高氧的利用率，生物接触氧化池宜采用气水逆向流设计。

一般用鼓风机鼓风曝气，曝气设备分布于池底；气流自下向上流经填料区，水流自上向下流经填料区。

曝气系统一般采用微孔曝气系统或穿孔曝气系统。

微孔曝气系统一般采用膜片式微孔曝气器作为曝气设备，池中填料一般采用弹性填料，设计气水比一般取0.7左右。

穿孔曝气系统采用穿孔管作为曝气设备，池中填料可采用颗粒填料或弹性填料，设计气水比一般取1左右。

2充氧性能比较通过对中试装置的清水充氧试验，对两种不同曝气方式的标准状态充氧性能作了测试，并对以下几项充氧性能评定指标作了比较与分析。

(1)标准状态下的氧总转移系数klas（h-1）——曝气器在标准状态(水温20℃、1atm大气压强)的测试条件下，在单位传质推动力作用时，单位时间向单位体积水中传递氧的数量；klas=kla(t)·1.024(20-t)(1）式中kla(t)——水温为t℃条件下，氧气的总转移系数（h-1）；t——测定时的实际水温（℃）。

浅层曝气、深水曝气、深井曝气介绍参考资料：/esite/detail10005714.htm(1)浅层曝气其原理基于气泡在刚刚形成的瞬息间，其吸氧率最高。

曝气设备装在距液面800〜900mm处，可釆用低压风机。

单位输入能量的相对吸氧量可达最大，它可充分发挥曝气设备的能力。

风机的风压约IOOOmm左右即可满足要求。

池中间设置纵向隔板，以利液流循环，充氧能力可达1.80〜2. 60kg/(kW • h)。

缺点是曝气栅管孔眼容易堵塞。

浅层曝气活性污泥法又名殷卡曝气法（Inka aertion）这项工艺的原理是：气泡只有在其形成与破碎的一瞬间有着最高的氧转移率，而与其在液体中的移动高度无关，因此将曝气装置设于近水面处。

浅层曝气的曝气装置多为由穿孔管组成的曝气栅，曝气装置多设置于曝气池的一侧，距水面约0.6～0.8m的深度。

为了在池内形成环流，在池中心处设导流板。

这种曝气法可使用低压鼓风机，有利于节省电耗，充氧能力可达1.8～2.6kgO2／kwh。

(2)深水曝气曝气池内水深可达8. 5〜30m，由于水压较大，故氧利用率较高；但需要的供风压力较大，因此动力消耗并不节省。

深水曝气活性污泥法的主要特点是在曝气池内的混合液的深度大，一般在7m以上。

这种工艺的效益是：（1）由于水压增大，提高了混合液的饱和溶解氧浓度，加快了氧的传递速率，有利于微生物的增殖和有机物的降解；（2）曝气池向竖向深度发展，降低了占用的土地面积。

本工艺有下列两种形式：1.深水中层曝气池水深在10m左右，但曝气装置设在4m左右处，这样仍可使风压在5m的风机，为了在池内形成环流和减少底部水层的死角，一般在池内设导流或导流筒。

2.深水底层曝气水深仍在10m左右，曝气装置仍设于池底部，需使用高风压的风机，但勿需设导流装置，自然在池内形成环流。

(3)深井曝气其特点是处理效果好，并具有充氧能力高、动力效率高、占地少、设备简单、易于操作和维修、运行费用低、耐冲击负荷能力强、产泥量低、处理不受气候影响等。

鼓风曝气设备的区别鼓风曝气系统由鼓风机、曝气器和一系列连通的管线组成。

鼓风机将空气通过一系列管道输送到安装在池底部的曝气器，通过曝气器，使空气形成不同尺寸的气泡。

气泡在曝气器出口形成，尺寸则取决于空气扩散装置的形式，气泡经-过上升和随水?-环流动，最后在液面处破裂，这一过程产生氧向污水中转移的作用。

鼓风系统的曝气器主要分为微气泡、中气泡、大气泡、水力剪切、水力冲击及空气升液等类型。

鼓风曝气设备的主要技术性能指标有：动力效率（Ep），即每消耗1kW电能转移到混合液中的氧量；氧的利用效率（EA），即通过鼓风曝气转移到混合液的氧量，占总供氧量的百分比（％）。

曝气设备的性能指标(1)动力效率Ep：即每消耗1kw•h电能转移到混合液中的氧量，单位是kgO2／(kW•h) (2)氧的利用率EA：通过鼓风曝气转移到混合液中的氧量，占总供氧量的百分比(％) (3)氧的转移效率EL：也称充氧能力，通过机械曝气装置，在单位时间内转移到混合液中的氧量，单位是kg／h。

曝气类型与曝气器的功能曝气类型大体分为两类：一类是鼓风曝气，一类是机械曝气。

鼓风曝气是采用曝气器￡-扩散板或扩散管在水中引入气泡的曝气方式。

一般乙烯厂的污水处理多采用这种方式。

机械曝气是指利用叶轮等器械引入气泡的曝气方式。

所有的曝气设备，都应该满足下列3种功能：①产生并维持有效的气-水接触，并且在生物氧化作用不断消耗氧气的情况下保持水中一定的溶解氧浓度；②在曝气区内产生足够的混合作用和水的环流动；③维持液体的足够速度，以使水中的生物固体处于悬浮状态。

动态曝气器动态曝气器采用了“大孔排气泡布气”技术，将引入曝气器内的空气分别进行正旋和反旋导流，正旋导流为顺时针方向，反旋导流为逆时针方向，由两个不同方向旋流作用下，在套筒旋混筒内形成一个瞬间连续局部反应的气液强化旋混区。

由旋混旋流作用所产生的大量气泡，再经-圆罩阻挡扩散作用之后，均匀密布的向上产生气泡。

总的来说，动态曝气器是由大孔双向旋混、套筒强化旋混和圆罩阻挡扩散等各种结构作用，使气相在液相中碰撞、剪切和分割，从而形成混合性扩散。

微孔曝气充氧性能的影响因素在污水处理系统中，曝气过程占整个污水处理厂能耗的45%~75%〔1〕。

为了提高曝气过程中的氧转移效率，目前污水处理厂普遍采用微孔曝气系统。

与大中气泡的曝气系统相比，微孔曝气系统能节约50%左右的能耗。

尽管如此，其曝气过程的氧利用率也在20%~30%。

另外，我国已经有较多地区采用微孔曝气技术对受污染河道进行治理，但如何针对不同水域情况合理选用微孔曝气器，目前尚无这方面的研究。

因此，优化微孔曝气器的充氧性能参数对于实际生产和应用具有重要的指导意义。

影响微孔曝气充氧性能的因素很多，最主要的有曝气量、孔径和安装水深〔2〕。

目前国内外对微孔曝气器充氧性能与孔径、安装水深的关系研究较少。

而已有的研究较多关注氧总传质系数和充氧能力的提高，较为忽视曝气过程中的能耗问题〔3, 4〕。

笔者以理论动力效率为主要研究指标，结合充氧能力和氧利用率的变化趋势，初步优化出曝气效率最高时的曝气量、孔径和安装水深等参数，为微孔曝气技术在实际工程中的应用提供参考。

1 材料和方法1.1 试验装置试验装置材质为有机玻璃，主体为1个D 0.4 m×2 m的圆柱形曝气池，溶解氧探头位于水面下0.5 m处(如图 1所示)。

图 1 曝气充氧试验装置1.2 试验材料微孔曝气器，橡胶膜材质，直径215 mm，孔径50、100、200、500、1 000 μm。

sension378台式溶解氧测定仪，美国HACH公司。

气体转子流量计，量程0~3 m3/h，精度±0.2%。

HC-S鼓风机，江苏恒晟机泵设备制造厂。

催化剂：CoCl2·6H2O，分析纯;脱氧剂：Na2SO3，分析纯。

1.3 试验方法试验采用静态非稳态法，即测试时先投加Na2SO3和CoCl2·6H2O进行脱氧，当水中溶解氧降至0后开始曝气，记录水中溶解氧浓度随时间的变化，计算KLa值。

分别对不同曝气量(0.5、1、1.5、2、2.5、3 m3/h)、不同孔径(50、100、200、500、1 000 μm)以及不同水深(0.8、1.1、1.3、1.5、1.8、2.0 m)条件下的充氧性能进行测试，同时参考CJ/T 3015.2—1993《曝气器清水充氧性能测定》〔5〕和美国清水充氧测试标准〔6〕。

《环工综合实验（2）》（曝气设备充氧能力的测定）实验报告专业环境工程班级环工0902姓名王健指导教师余阳成绩东华大学环境科学与工程学院实验中心二0一二年五月3、在两个停滞膜以外的气、液两相主体中，由于流体充分湍动，不存在浓度梯度，物质组成均匀。

溶质在每一相中的传质阻力都集中在虚拟的停滞膜内。

根据双膜理论，气、液相界面附近的浓度分布如下图所示。

双膜理论将相际传质过程简化为经两膜层的稳定分子扩散的串联过程。

吸收过程则为溶质通过气膜和液膜的分子扩散过程。

所以，两项间传质的速率方程分别为气膜：(NA)g=kg(pA-pAi)液膜：(NA)l=kl(cAi-cA)式中：(NA)g，(NA)l——溶质通过气膜和液膜的传质通量，kmol / (m2·s) pA，cA——溶质在气、液两相主题中的压力(Pa)和浓度(kmol/m3)pAi，cAi——溶质在气、液两相界面上的压力(Pa)和浓度(kmol/m3)kg——以气相分压为推动力的气膜传质系数，kmol / (m2·s·Pa)kl——以液相浓度为推动力的液膜传质系数，m·s双膜理论假设溶质以稳定分子扩散方式通过气膜和液膜，因此，气相和液相的对流传质速率相等。

由此理论所得的传质系数计算式形式简单，但等效膜层厚度以及界面上浓度（一）溶解氧测定仪上图为实验用溶解氧测定仪溶解氧测定仪是测定水中溶解氧的装置。

其工作原理是氧透过隔膜被工作电极还原，产生与氧浓度成正比的扩散电流，通过测量此电流，得到水中溶解氧的浓度。

根据浓度不同，隔膜电极分为极谱式和原电池式两种类型。

极谱式隔膜电极以银-氯化银作为对电极，电极内部电解液为氯化钾，电极外部为厚度25-50μm 的聚乙烯和聚四氟乙烯薄膜，薄膜挡住了电极内外液体交流，使水中溶解氧渗入电极内部，两电极间的电压控制在0.5-0.8V，通过外部电路测得扩散电流可知溶解氧浓度。

原电池式用银作阳电极，铅作阴电极。

曝气的原理、方法与设备一、曝气的原理与理论基础在活性污泥法中，曝气的作用主要有：① 充氧：向活性污泥中的微生物提供溶解氧，满足其在生长和代谢过程中所需的氧量。

② 搅动混合：使活性污泥在曝气池内处于悬浮状态，与废水充分接触。

1、Fick 定律通过曝气，空气中的氧，从气相传递到混合液的液相中，这实际上是一个物质扩散过程，即气相中的氧通过气液界面扩散到液相主体中。

所以，它应该服从扩散过程的基本定律——Fick 定律。

Fick 定律认为：扩散过程的推动力是物质在界面两侧的浓度差，物质的分子会从浓度高的一侧向浓度低的一侧扩散、转移。

即dydCD v Ld-= (1)式中： d v ——物质的扩散速率，即在单位时间内单位断面上通过的物质数；L D ——扩散系数，表示物质在某种介质中的扩散能力，主要取决于扩散物质和介质的特性及温度；C ——物质浓度； y ——扩散过程的长度dy dC ——浓度梯度，即单位长度内的浓度变化值。

式（1）表明，物质的扩散速率与浓度梯度呈正比关系。

如果以M 表示在单位时间t 内通过界面扩散的物质数量，以A 表示界面面积，则有：A dtdM v d /)(= (2)代入（1）式，得：dy dCA D dt dM L -=)((3)2、双膜理论：对于气体分子通过气液界面的传递理论，在废水生物处理界被普遍接受的是Lewis & Whitman 于1923年建立的“双膜理论”。

双膜理论认为：1) 当气、液面相接触并作相对运动时，接触界面的两侧，存在着气体与液体的边界层，即气膜和液膜；2) 气膜和液膜内相对运动的速度属于层流，而在其外的两相体系中则均为紊流；3) 氧的转移是通过气、液膜进行的分子扩散和在膜外的对流扩散完成； 4) 对于难溶于水的氧来说，分子扩散的阻力大于对流扩散，传质的阻力主要集中在液膜上；5) 在气膜中存在着氧分压梯度，而液膜中同样也存在着氧的浓度梯度，由此形成了氧转移的推动力；6) 实际上，在气膜中，氧分子的传递动力很小，即气相主体与界面之间的氧分压差值i gP P -很低，一般可认为i g P P ≈。

浙江海洋学院水质工程学实验报告实验名称：曝气充氧实验指导教师：陈庆国专业：环境工程班级： A11环工学生姓名：杨平同组者姓名：姚烨亮实验日期：2013年11月15日气压：温度：一、 实验目的：1、测定曝气设备(扩散器)氧总转移系数KLa 值。

，2、加深理解曝气充氧机理及影响因素。

3、了解掌握曝气设备清水充氧性能的测定方法，评价氧转移效率EA 和动力效率EP 。

二、 实验原理：根据氧转移基本方程式()cLa s td K C C d =- 积分整理后可得氧总转移系数 02.303lgs La s tC C K t C C -=- 曝气是人为通过一些设备加速向水中传递氧的过程。

常用曝气设备分为机械曝气与鼓风曝气两大类，无论哪种曝气设备，其充氧过程均属传质过程，氧传递机理为双膜理论。

实验是采用非稳态测试方法，即注满所需水后，将待曝气之水以亚硫酸钠为脱氧剂、氯化钴为催化剂脱氧至零后开始曝气，液体中溶解氧浓度逐渐提高，液体中溶解氧的浓度c 是时t 的函数，曝气后每隔一定时间t 取曝气水样，测定水中的溶解氧浓度，从而利用上式计算KLa 即以为纵坐标，以时间t 为横坐标，如下式所示l 0g 2.303sLa s t C C K t C C ⎛⎫-=⎪-⎝⎭在半对数坐标纸上绘图，所得直线斜率为KLa/2.303。

曝气充氧装置如示意图：三、 实验仪器与药品： 1、曝气筒￠12cm ，H=2.0m ； 2、扩散器(穿孔管、扩散板)； 3、转子流量计； 4、秒表、压力表； 5、空压机、储气罐； 6、溶解氧测定仪；7、碘量法测溶解氧的设备、天平、溶解氧瓶、滴定管、各种药品。

四、 实验步骤： 、计算投药量。

脱氧剂采用结晶亚硫酸钠232224272Na SO H O O Na SO •+→2323212750415.8O NaSO HO ==•投药量=1.5×1.58g式中，1．5为安全系数1、本试验投药量为1.5～2.5g 结晶亚硫酸钠。