實驗二 充氧實驗和曝氣設備效率測定

實驗二充氧實驗和曝氣設備效率測定1、實驗目的2、實驗原理3、實驗步驟4、數據分析與處理曝氣充氧實驗的操作流程和虛擬設備界面如圖4.5、圖4.6所示。虛擬儀器的面板大致可分成左、右兩個區(qū)域。右側是一個紀錄儀，模擬由溶解氧測定儀取得的隨時間變化的充氧池中溶解氧的連續(xù)紀錄。按照充氧速度的不同可以指定不同的測定時間，設置的測定時間以充分展示變化曲線為原則（例如選40分鐘）。左側上部是選擇充氧方式，使用鼓風曝氣方式指定風量、風壓和設備安裝水深，使用葉輪曝氣方式指定葉輪直徑和轉速。左側下部是選擇清水實驗和污水實驗。首先輸入實驗的環(huán)境參數：地區(qū)的大氣壓、水溫以及充氧池的基本參數（直徑、水深）輸入對話框。充氧池的水深影響全池容積，曝氣設備安裝水深則影響曝氣壓強。圖4.5曝氣充氧仿真實驗的操作流程圖圖4.6曝氣充氧實驗的虛擬設備界面清水實驗要制取無氧水，手工計算CoCl2和Na2SO3的投加量。Na2SO3投量會表現在充氧曲線上。過量的Na2SO3會導致充氧曲線起始段為零。CoCl2是催化劑，不適當的投量會導致儀器示警。進行污水實驗需指定污水水質和耗氧速率，污水耗氧速率由其他實驗確定后在對話框寫入。例4.2旋轉葉輪的充氧過程和測定氧的總傳遞系數KLa選擇葉輪為曝氣設備，無氧清水實驗選擇“Y”，地區(qū)大氣壓維持1.013kPa和水溫15°C默認值，這時顯示飽和溶解氧濃度為10.15mg/L。設置葉輪直徑18cm和轉速100rpm；指定水池的直徑0.3m、水深0.3m,容積顯示為21.21L。計算CoCl2和Na2SO3的投加量°CoCl2用量按1.5mg/L濃度計算（原有CoCl2投量0.04g導致儀器示警）。真實實驗的Na2SO3用量按每1mg氧消耗7.9mgNa2SO3計算后放大1.5倍投加，艮即1.5mg/Lx21.21L=32mg=0.032g10.15mg/Lx21.21Lx7.9x1.5=2550mg=2.5g設置測定時間20分鐘，測得無氧水的充氧過程如表4.2所示。改變轉速和葉輪直徑可得到新的充氧過程記錄表。雖然計算機能產生函數，但從練習要求出發(fā)，用建立數據紀錄表和測算充氧速度的方法，求出氧的總傳遞系數。由于溶解氧升高的過程符合一級動力學反應，溶解氧的變化：岑=七CLC）

式中：竺氧轉移速率，mg/L-min；dtK-La氧的總傳遞系數，K-La表4.2旋轉葉輪的充氧過程和總傳遞系數KLa測定時間/min溶解氧濃度/(mg/L)dc/dt/(mg/L.min)cs-c/(mg/L)KTa/(1/min)1010.152031.91.99.20.206543.51.67.450.214854.81.360.216765.814.850.206276.50.740.17587.30.83.250.246297.80.52.60.1923108.20.42.150.186118.60.41.750.2286128.90.31.40.2143139.20.31.10.2727149.40.20.850.2353159.50.10.70.1429169.60.10.60.1667179.70.10.50.2189.80.10.40.25199.850.050.3250.1538209.90.050.2750.1818平均0.205例4.3鼓風曝氣設備穿孔管的充氧過程和氧總傳遞系數KLa的測定選擇穿孔管為鼓風曝氣設備，無氧清水實驗選擇“Y”，地區(qū)大氣壓維持1.013kPa和水溫15^默認值，這時顯示飽和溶解氧濃度為10.15mg/L。設置穿孔管安裝水深2.1m,設定通氣流量6.3L/min；指定水池的直徑0.4m、水深2.3m,容積顯示為289.03L。計算CoCl2和Na2SO3的投加量。1.5mg/Lx289L~433mg=0.43g10.15mg/Lx289Lx7.9=23173mg-23.2g真實實驗的Na2SO3用量需進行放大，在充氧仿真實驗的儀表顯示時，這種放大表現在溶解氧濃度維持為零的時間段延遲長。設置測定時間20和40分鐘，

測得無氧水的充氧過程如表4.3所示。表4.3穿孔管的充氧過程、傳遞系數KLa和氧利用率測定時間/min溶解氧濃度/(mg/L)dc/dt/(mg/L.min)c-cs/(mg/L)KLa/(1/min)R/(mg/min)R0/(mg/min)Ea/%1020.410.1541.10.359.40.037101.15101.715.3861.60.258.80.02872.2577.164.0882.20.38.250.03686.7098.185.19102.80.37.650.03986.70105.105.56123.20.27.150.02857.8074.433.94143.70.256.70.03772.2598.585.22164.20.256.20.0472.25105.555.58184.60.25.750.03557.8090.184.772050.25.350.03757.8095.985.08255.90.184.70.03852.0296.475.10306.60.143.90.03640.4687.624.64357.20.123.250.03734.6886.964.60407.80.122.650.04534.68101.805.39458.20.082.150.03723.1279.114.19508.60.081.750.04623.1291.204.83平均0.03758.1992.674.90例4.4根據例4.3的鼓風曝氣設備穿孔管的充氧過程分析設備氧利用率E%根據例4.3穿孔管的鼓風曝氣實驗記錄，可進一步計算設備的氧利用率。實驗紀錄的供氣量Gs：G=6.3(L/min)s單位時間的供氧量S：S=0.3Gs=1890(mg氧/min)氧的實際利用量R：R=(dC/dt)V(mg/min)折算至標準狀態(tài)下，氧的利用量R0：R0=a[8?p?c氣]1.024(眼)(g氧/min)sb(T)在清水條件下，氧轉移修正系數的a=1，溶解氧飽和度修正系數。=1；?=實際氣壓(Pa)/1.013x105(Pa)，標準氣壓下，氣壓修正系數p=1。上式改寫為：Rc(c-c)1：024(t-20)sb(T)csb為飽和溶解氧在曝氣池全池中的平均質量濃度，需按下式進行修正:(PO)七一Cs1^2.026bx105+蒞/式中：Pb——曝氣頭出口絕對氣壓，Pa，Pb=P+9800H，(H：曝氣頭安裝水深，m)；Ot一氣泡達到池面時的氧分壓，％。ot按下式計算。O=21(1-氣)100%

t79+21(1-EA)Ot的校正式中包含未知量EA，當EA的值由0.05變化至0.23時Ot(%)的對應值則由20改變到17。作為一級近似，以Ea=0.1代入計算Ot=19.3(%)。如果是使用Excel電子表格進行運算，將求得的Ea(%)代入Ot的校正式可取得更逼近的結果。曝氣設備的氧利用率E%：Ea=R0/S上述計算過程一并列入表4.3。例4.5用鼓風曝氣設備微孔曝氣器測定焦化污水中的氧轉移系數a和飽和系數P解：參照例4.3、例4.4完成清水實驗，除了曝氣設備選擇微孔曝氣器外，其他參數均相同，如表4.4所示，計算出Ea。獲得的計算參數為5=1890(mg氧/min)，EA0=0.2,cs(20)=9.17mg/L，cs=10.15mg/L，Ot=17.54，csb=10.35mg/L；無氧清水實驗控制，選N，污水水質選擇焦化污水。污水實驗需要事先進行微生物耗氧呼吸率尸的測定，并將尸值輸入對話框。在此實驗中使用默認值r=0.40mg/L?min。設定通氣流量5、10、15、20、25L/min測定溶解氧達到平衡時的濃度，對于不同Gs和平衡時濃度，列表計算R和R0，如表4.5所示。獲得一系列含有a、8的方程：a(10.350-3.9)=1.99a(10.350-6.3)=0.99a(10.35"1)=0.66求解的氧轉移系數a=0.83,飽和系數8=0.84使用任意兩組實驗數據都能求解出兩個未知數:氧轉移系數a和飽和系數&將求解結果與其他實驗進行比較，模型得到分析誤差。

在以上實驗中，雖然理論上可以通過測定dc/dt與耗氧呼吸率,相加來獲得與a(10.35&3.9)=1.99結構類似的方程；然而，由于在公式中如果用溶解氧的平均濃度代入，在方程求解時，引起的誤差可能使a、。無意義。表4.4微孔曝氣器充氧過程、傳遞系數KLa和氧利用率測定時間/min溶解氧濃度/(mg/L)dc/dt/(mg/L-min)c-cs/(mg/L)KLa/(1/min)R/(mg/min)R0/(mg/min)Ea/%1021.310.232.41.18.30.133317.9386.2720.443.30.97.30.123260.1358.1919.054.20.96.40.141260.1407.0621.5650.85.550.144231.2415.3422.075.60.64.850.124173.4354.7118.886.20.64.250.141173.4402.5721.396.80.63.650.164173.4465.3624.6107.20.43.150.127115.6356.5818.91280.42.550.157115.6434.4623.0148.50.251.90.13272.25355.718.8168.90.21.450.13857.8362.3119.2189.20.151.10.13643.35345.0518.3209.40.10.850.11828.9284.9615.1平均0.137155.62379.1220.1表4.5用微孔曝氣器測定焦化污水中的氧轉移系數a和飽和系數p■=289L，EA=02,Cs(20)=9.17mg/L，T=15°C，Cs=10.15mg/L；