Rapporto sul test di ossigenazione con aerazione a bolle fini

Nel sistema di trattamento delle acque reflue, il processo di aerazione rappresenta dal 45% al ​​75% del consumo energetico dell'intero impianto di trattamento delle acque reflue, al fine di migliorare l'efficienza di trasferimento dell'ossigeno del processo di aerazione, l'attuale impianto di trattamento delle acque reflue è comunemente utilizzato in microporoso sistemi di aerazione.Rispetto al sistema di aerazione di bolle grEi e medie, il sistema di aerazione microporoso può risparmiare circa il 50% del consumo energetico. Tuttavia, anche il tasso di utilizzo dell'ossigeno nel processo di aerazione è compreso tra il 20% e il 30%. Inoltre, ci sono molte aree in Cina che utilizzano la tecnologia di aerazione microporosa per il trattamento dei fiumi inquinati, ma non esiste alcuna ricerca su come selezionare ragionevolmente gli aeratori microporosi per le diverse condizioni dell’acqua. Pertanto, l'ottimizzazione dei parametri prestazionali di ossigenazione dell'aeratore microporoso per la produzione e l'applicazione effettive è di grande importanza.

Ci sono molti fattori che influenzano le prestazioni dell'aerazione e dell'ossigenazione microporosa, i più importanti dei quali sono il volume di aerazione, la dimensione dei pori e la profondità dell'acqua.

Al momento, ci sono meno studi sulla relazione tra le prestazioni di ossigenazione dell'aeratore microporoso e la dimensione dei pori e la profondità di installazione in patria e all'estero. La ricerca si concentra maggiormente sul miglioramento del coefficiente di trasferimento di massa totale dell'ossigeno e della capacità di ossigenazione e trascura il problema del consumo di energia nel processo di aerazione. Prendiamo l'efficienza energetica teorica come principale indice di ricerca, combinata con la capacità di ossigenazione e l'andamento dell'utilizzo dell'ossigeno, ottimizziamo inizialmente il volume di aerazione, il diametro dell'apertura e la profondità di installazione quando l'efficienza di aerazione è massima, per fornire un riferimento per l'applicazione della tecnologia di aerazione microporosa nel progetto attuale.

1.Materiali e metodi

1.1 Configurazione della prova
L'impostazione del test era realizzata in plexiglas e il corpo principale era un serbatoio di aerazione cilindrico D 0,4 m × 2 m con una sonda per l'ossigeno disciolto situata 0,5 m sotto la superficie dell'acqua (mostrata nella Figura 1).


Figura 1 Configurazione del test di aerazione e ossigenazione

1.2 Materiali di prova
Aeratore microporoso, realizzato in membrana di gomma, diametro 215 mm, dimensione dei pori 50, 100, 200, 500, 1 000 μm. tester per ossigeno disciolto da banco sension378, HACH, USA. Flussometro a rotore di gas, intervallo 0~3 m3/h, precisione ±0,2%. Ventilatore HC-S. Catalizzatore: CoCl2-6H2O, analiticamente puro; Disossidante: Na2SO3, analiticamente puro.



1.3 Metodo di prova
Il test è stato condotto utilizzando il metodo statico non stazionario, ovvero Na2SO3 e CoCl2-6H2O sono stati prima dosati per la deossigenazione durante il test e l'aerazione è stata avviata quando l'ossigeno disciolto nell'acqua era ridotto a 0. Variazioni nella concentrazione di ossigeno disciolto nell'acqua nel tempo sono stati registrati ed è stato calcolato il valore KLa. Le prestazioni di ossigenazione sono state testate con diversi volumi di aerazione (0,5, 1, 1,5, 2, 2,5, 3 m3/h), diverse dimensioni dei pori (50, 100, 200, 500, 1.000 μm) e diverse profondità dell'acqua (0,8, 1,1, 1.3, 1.5, 1.8, 2.0 m), e si è fatto riferimento anche al CJ/T
3015.2 -1993 "Determinazione delle prestazioni dell'ossigenazione dell'acqua limpida dell'aeratore" e standard di prova dell'ossigenazione dell'acqua limpida degli Stati Uniti.

L'utilizzo dell'ossigeno (SOTE,%) è espresso dall'equazione (4).

Dove: q - volume di aerazione in condizioni standard, m3/h.

L'efficienza energetica teorica [E, kg/(kW-h)] è espressa dall'equazione (5).

Dove: P - potenza dell'apparecchiatura di aerazione, kW.

Gli indicatori comunemente utilizzati per valutare le prestazioni di ossigenazione dell'aeratore sono il coefficiente di trasferimento di massa dell'ossigeno totale KLa, la capacità di ossigenazione OC, il tasso di utilizzo dell'ossigeno SOTE e l'efficienza energetica teorica E [7]. Gli studi esistenti si sono concentrati maggiormente sulle tendenze del coefficiente di trasferimento di massa dell’ossigeno totale, della capacità di ossigenazione e dell’utilizzo dell’ossigeno, e meno sull’efficienza energetica teorica [8, 9]. L’efficienza energetica teorica, come unico indice di efficienza [10], può riflettere il problema del consumo di energia nel processo di aerazione, che è al centro di questo esperimento.

2.2 Effetto dell'aerazione sulle prestazioni di ossigenazione

Le prestazioni di ossigenazione a diversi livelli di aerazione sono state valutate mediante aerazione sui 2 m inferiori dell'aeratore con una dimensione dei pori di 200 μm e i risultati sono mostrati in Fig. 2.

Fig. 2 Variazione di K e utilizzo dell'ossigeno con il tasso di aerazione

Come si può vedere dalla Fig. 2, KLa aumenta gradualmente con l'aumento del volume di aerazione. Ciò è dovuto principalmente al fatto che maggiore è il volume di aerazione, maggiore è l'area di contatto gas-liquido e maggiore è l'efficienza di ossigenazione. D'altra parte, alcuni ricercatori hanno scoperto che il tasso di utilizzo dell'ossigeno diminuiva con l'aumento del volume di aerazione, e una situazione simile è stata riscontrata in questo esperimento. Questo perché sotto una certa profondità dell'acqua, il tempo di permanenza delle bolle nell'acqua aumenta quando il volume di aerazione è piccolo e il tempo di contatto gas-liquido è prolungato; quando il volume di aerazione è elevato, il disturbo del corpo idrico è forte e la maggior parte dell'ossigeno non viene utilizzato in modo efficace e alla fine viene rilasciato dalla superficie dell'acqua sotto forma di bolle nell'aria. Il tasso di utilizzo dell'ossigeno derivato da questo esperimento non era elevato rispetto alla letteratura, probabilmente perché l'altezza del reattore non era sufficientemente alta e una grande quantità di ossigeno fuoriusciva senza entrare in contatto con la colonna d'acqua, riducendo il tasso di utilizzo dell'ossigeno.

La variazione dell'efficienza energetica teorica (E) con l'aerazione è mostrata in Fig. 3.

Fig. 3 Efficienza energetica teorica rispetto al volume di aerazione

Come si può vedere nella Fig. 3, l'efficienza energetica teorica diminuisce gradualmente con l'aumentare dell'aerazione. Questo perché la velocità di trasferimento dell'ossigeno standard aumenta con l'aumento del volume di aerazione in determinate condizioni di profondità dell'acqua, ma l'aumento del lavoro utile consumato dal ventilatore è più significativo dell'aumento della velocità di trasferimento dell'ossigeno standard, quindi l'efficienza energetica teorica diminuisce con l'aumento del volume di aerazione nell'intervallo del volume di aerazione esaminato nell'esperimento. Combinando le tendenze nelle Figg. 2 e 3, si può constatare che la migliore prestazione di ossigenazione si ottiene con un volume di aerazione di 0,5 m3/h.

2.3 Effetto della dimensione dei pori sulle prestazioni di ossigenazione

La dimensione dei pori ha una grande influenza sulla formazione delle bolle, maggiore è la dimensione dei pori, maggiore è la dimensione della bolla. Le bolle sulla prestazione di ossigenazione dell'impatto si manifestano principalmente in due aspetti: in primo luogo, più piccole sono le singole bolle, maggiore è la superficie specifica complessiva della bolla, maggiore è l'area di contatto di trasferimento di massa gas-liquido, più favorevole al trasferimento di ossigeno; In secondo luogo, più grandi sono le bolle, più forte è il ruolo di agitazione dell'acqua, la miscelazione gas-liquido è più rapida e migliore è l'effetto dell'ossigenazione. Spesso il primo punto nel processo di trasferimento di massa gioca un ruolo importante. Il test prevede un volume di aerazione impostato su 0,5 m3/h, per esaminare l'effetto della dimensione dei pori su KLa e sull'utilizzo dell'ossigeno, vedere la Figura 4.


Figura 4. Curve di variazione di KLa e utilizzo dell'ossigeno con la dimensione dei pori

Come si può vedere dalla Fig. 4, sia il KLa che l'utilizzo dell'ossigeno diminuiscono con l'aumento della dimensione dei pori. A parità di profondità dell'acqua e volume di aerazione, il KLa di un aeratore con apertura di 50 μm è circa tre volte quello di un aeratore con apertura di 1.000 μm. Pertanto, quando l'aeratore è installato a una certa profondità d'acqua, minore è l'apertura della capacità di ossigenazione dell'aeratore e maggiore è l'utilizzo dell'ossigeno.

La variazione dell'efficienza energetica teorica con la dimensione dei pori è mostrata in Fig.

Fig. 5 Efficienza energetica teorica rispetto alla dimensione dei pori
Come si può vedere dalla Fig. 5, l'efficienza energetica teorica mostra una tendenza ad aumentare e poi a diminuire con l'aumento della dimensione dell'apertura. Questo perché, da un lato, l'aeratore ad apertura piccola ha un KLa e una capacità di ossigenazione maggiori, che favoriscono l'ossigenazione. D'altra parte, la perdita di resistenza sotto una certa profondità dell'acqua aumenta con la diminuzione del diametro dell'apertura. Quando la riduzione della dimensione dei pori sulla perdita di resistenza dell'effetto di promozione è maggiore del ruolo del trasferimento di massa dell'ossigeno, l'efficienza energetica teorica sarà ridotta con la riduzione della dimensione dei pori. Pertanto, quando il diametro dell'apertura è piccolo, l'efficienza energetica teorica aumenterà con l'aumento del diametro dell'apertura e il diametro dell'apertura sarà di 200 μm per raggiungere il valore massimo di 1,91 kg/(kW-h); quando il diametro dell'apertura > 200 μm, la perdita di resistenza nel processo di aerazione non gioca più un ruolo dominante nel processo di aerazione, il KLa e la capacità di ossigenazione con l'aumento del diametro dell'apertura dell'aeratore saranno ridotti e quindi il valore teorico l’efficienza energetica mostra una significativa tendenza al ribasso.

2.4 Effetto della profondità dell'acqua dell'installazione sulle prestazioni di ossigenazione

La profondità dell'acqua in cui è installato l'aeratore ha un effetto molto significativo sull'effetto di aerazione e ossigenazione. L'obiettivo dello studio sperimentale era un canale d'acqua poco profondo inferiore a 2 m. La profondità di aerazione dell'aeratore è stata determinata dalla profondità dell'acqua della piscina. Gli studi esistenti si concentrano principalmente sulla profondità sommersa dell'aeratore (ovvero, l'aeratore è installato sul fondo della piscina e la profondità dell'acqua aumenta aumentando la quantità d'acqua) e il test si concentra principalmente sulla profondità di installazione dell'aeratore aeratore (ovvero, la quantità di acqua nella piscina viene mantenuta costante e l'altezza di installazione dell'aeratore viene regolata per trovare la migliore profondità dell'acqua per l'effetto di aerazione) e i cambiamenti di KLa e di utilizzo dell'ossigeno con la profondità dell'acqua sono mostrato nella Figura 6.


Fig. 6 Curve di variazione di K e utilizzo di ossigeno con la profondità dell'acqua
La Figura 6 mostra che con l'aumento della profondità dell'acqua, sia il KLa che l'utilizzo dell'ossigeno mostrano una chiara tendenza all'aumento, con KLa che differisce di più di quattro volte a 0,8 m di profondità e a 2 m di profondità. Questo perché più profonda è l'acqua, più lungo è il tempo di permanenza delle bolle nella colonna d'acqua, più lungo è il tempo di contatto gas-liquido, migliore è l'effetto di trasferimento dell'ossigeno. Pertanto, quanto più profondo è installato l'aeratore, tanto più favorevole è la capacità di ossigenazione e l'utilizzo dell'ossigeno. Ma l'installazione della profondità dell'acqua aumenta allo stesso tempo aumenterà anche la perdita di resistenza, per superare la perdita di resistenza è necessario aumentare la quantità di aerazione, che porterà inevitabilmente ad un aumento del consumo energetico e dei costi operativi. Pertanto, per ottenere la profondità di installazione ottimale, è necessario valutare il rapporto tra efficienza energetica teorica e profondità dell'acqua, vedere Tabella 1.

Tabella 1 Efficienza energetica teorica in funzione della profondità dell'acqua
Profondità/m	E/(kg.kw-1.h-1)	Profondità/m	E/(kg.kw-1.h-1)
0.8	0.50	1.1	1.10

La tabella 1 mostra che l'efficienza energetica teorica è estremamente bassa ad una profondità di installazione di 0,8 m, con solo 0,5 kg/(kW-h), rendendo inappropriata l'aerazione in acque poco profonde. Installazione di una profondità dell'acqua di 1,1 ~ 1,5 m, a causa del significativo aumento della capacità di ossigenazione, mentre l'aeratore per effetto di resistenza non è evidente, quindi l'efficienza energetica teorica aumenta rapidamente. Man mano che la profondità dell'acqua aumenta ulteriormente fino a 1,8 m, l'effetto della perdita di resistenza sulle prestazioni di ossigenazione diventa sempre più significativo, con conseguente aumento dell'efficienza energetica teorica che tende a stabilizzarsi, ma mostra ancora una tendenza all'aumento, e nell'installazione della profondità dell'acqua di 2 m, l'efficienza energetica teorica raggiunge un massimo di 1,97 kg/(kW-h). Pertanto, per canali < 2 m, è preferibile l'aerazione del fondo per un'ossigenazione ottimale.

3.Conclusione

Utilizzando il metodo statico non stazionario per il test di ossigenazione dell'acqua pulita con aerazione microporosa, nelle condizioni di profondità dell'acqua di prova (< 2 m) e dimensione dei pori (50 ~ 1 000 μm), il coefficiente di trasferimento di massa dell'ossigeno totale KLa e l'utilizzo dell'ossigeno sono aumentati con il installazione della profondità dell'acqua; con l'aumento della dimensione dei pori e diminuita. Nel processo di aumento del volume di aerazione da 0,5 m3/h a 3 m3/h, il coefficiente di trasferimento di massa dell'ossigeno totale e la capacità di ossigenazione sono gradualmente aumentati e il tasso di utilizzo dell'ossigeno è diminuito.

L’efficienza energetica teorica è l’unico indicatore dell’efficacia. Nelle condizioni di prova, l'efficienza energetica teorica con l'aerazione e l'installazione della profondità dell'acqua aumenta, con l'aumento dell'apertura prima aumenta e poi diminuisce. L'installazione della profondità dell'acqua e dell'apertura dovrebbe essere una combinazione ragionevole per garantire le migliori prestazioni di ossigenazione. In generale, maggiore è la selezione della profondità dell'acqua dell'apertura dell'aeratore.

I risultati del test indicano che non deve essere utilizzata l'aerazione in acque poco profonde. Ad una profondità di installazione di 2 m, un volume di aerazione di 0,5 m3/h e un aeratore con una dimensione dei pori di 200 μm hanno prodotto un'efficienza energetica teorica massima di 1,97 kg/(kW-h).

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