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曝气的原理
曝气的原理
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
(1)
式中:
——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;
——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;
——物质浓度;
——扩散过程的长度
kgO2/m3.m;
设液相主体的容积为V(m3),并用其除以上式,则得:
(6’)
(6)
式中
——液相主体溶解氧浓度变化速率(或氧转移速率),kgO2/m3.h;
KL——液膜中氧分子传质系数,m/h,
。
由于气液界面面积难于计量,一般以氧总转移系数(
)代替
,则上式改写为:
(7)
式中:
——氧总转移系数,h-1,
(8)
此值表示在曝气过程中氧的总传递性,当传递过程中阻力大,则
值低,反之则
值高。
的倒数1/KLa的单位为(h),它所表示的是曝气池中溶解氧浓度从
提高到Cs所需要的时间。
为了提高dC/dt值,可以从两方面考虑:
(式(8))
1)提高
值——加强液相主体的紊流程度,降低液膜厚度,加速气、液界面的更新,增大气、液接触面积等。
2)提高Cs值——提高气相中的氧分压,如采用纯氧曝气、深井曝气等。
3、氧总转移系数(
)的求定
氧总转移系数(
)是计算氧转移速率的基本参数,一般是通过试验求得。
将式(7)整理,得:
(9)
积分后得:
(10’)
换成的以10为底,则
(10)
式中:
C0——当t=0时,液体主体中的溶解氧浓度(mg/l);
Ct——当t=t时,液体主体中的溶解浓度(mg/l);
Cs——是在实际水温、当地气压下溶解氧在液相主体中饱和浓度(mg/l)。
由式(10)可见
与t之间存在着直线关系,直线的斜率即为KLa/2.3。
测定
值的方法与步骤如下:
1)向受试清水中投加Na2SO3和CoCl2,以脱除水中的氧;每脱除1mg/L的氧,在理论上需7.9mg/LNa2SO3,但实际投药量要高出理论值10~20%;CoCl2的投量则以保持Co2+离子浓度不低于1.5mg/L为准,Co2+是催化剂。
2)当水中溶解氧完全脱除后,开始曝气充氧,一般每隔10分钟取样一次,(开始时可以更密集一些),取6~10次,测定水样的溶解氧;
3)计算
值,绘制
与t之间的关系曲线,直线的斜率即为KLa/2.3。
二、氧转移速率的影响因素
标准氧转移速率——指脱氧清水在20︒C和标准大气压条件下测得的氧转移速率,一般以R0表示(kgO2/h);
实际氧转移速率——以城市废水或工业废水为对象,按当地实际情况(指水温、气压等)进行测定,所得到的为实际氧转移速率,以R表示,单位为kgO2/h。
影响氧转移速率的主要因素:
——废水水质、水温、气压等
1、水质对氧总转移系数(KLa)值的影响:
废水中的污染物质将增加氧分子转移的阻力,使KLa值降低;为此引入系数α,对KLa值进行修正:
式中KLaw——废水中的氧总转移系数;α值可以通过试验确定,一般α=0.8~0.85
2、水质对饱和溶解氧浓度(Cs)的影响:
废水中含有的盐分将使其饱溶解氧浓度降低,对此,以系数β加以修正:
,
式中Csw——废水的饱和溶解氧浓度,mg/l;β值一般介于0.9~0.97之间。
3、水温对氧总转移系(KLa)的影响:
水温升高,液体的粘滞度会降低,有利于氧分子的转移,因此KLa值将提高;水温降低,则相反。
温度对KLa值的影响以下式表示:
式中KLa(T)和KLa(20)——分别为水温T︒C和20C︒时的氧总转移系数;T——设计水温︒C;
4、水温对饱和溶解氧浓度(Cs)的影响:
水温升高,Cs值就会下降,在不同温度下,蒸馏水中的饱和溶解氧浓度可以从表中查出。
水温(︒C)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
饱和溶解氧(mg/l)
14.62
14.23
13.84
13.48
13.13
12.80
12.48
12.17
11.87
11.59
11.33
水温(︒C)
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
饱和溶解氧(mg/l)
11.08
10.83
10.60
10.37
10.15
9.95
9.74
9.54
9.35
9.17
8.99
水温(︒C)
22
23
24
25
26
27
28
29
30
饱和溶解氧(mg/l)
8.83
8.63
8.53
8.38
8.22
8.07
7.92
7.77
7.63
5、压力对饱和溶解氧浓度(Cs)值的影响:
压力增高,Cs值提高,Cs值与压力(P)之间存在着如下关系:
(15)
式中P——所在地区的大气压力,Pa;
Cs(P)和Cs(760)——分别是压力P和标准大气压力条件下的Cs值,mg/l;
P’——水的饱和蒸气压力,Pa;
由于P’很小(在几kPa范围内),一般可忽略不计,则得:
其中
对于鼓风曝气系统,曝气装置是被安装在水面以下,其Cs值以扩散装置出口和混合液表面两处饱和溶解氧浓度的平均值Csm计算,如下所示:
(18)
式中Ot——从曝气池逸出气体中含氧量的百分率,%;
(19)
EA——氧利用率,%,一般在6%~12%之间;
Pb——安装曝气装置处的绝对压力,可以按下式计算:
(20)
P—曝气池水面的大气压力,P=1.013×105Pa;H——曝气装置距水面的距离,m。
三、氧转移速率与供气量的计算
1、氧转移速率的计算:
标准氧转移速度(R0)为:
,
式中CL——水中的溶解氧浓度,对于脱氧清水CL=0;
V——曝气池的体积,(m3);
为求得水温为T,压力为P条件下的废水中的实际氧转移速率(R),则需对上式加以修正,需引入各项修正系数,即:
,
因此,R0/R为:
(23)
一般来说:
R0/R=1.33~1.61。
将(23)式重写:
(24)
式中CL——曝气池混合液中的溶解氧浓度,一般按2mg/l来考虑。
2、氧转移效率与供气量的计算:
①氧转移效率:
,
式中:
EA——氧转移效率,一般的百分比表示;
OC——供氧量,kgO2/h;
,
21%——氧在容气中的占的百分比;
1.331——20︒C时氧的容重,kg/m3;
Gs——供气量,m3/h。
②供气量Gs:
(27)
对于鼓风曝气系统,各种曝气装置的EA值是制造厂家通过清水试验测出的,随产品向用户提供;
对于机械曝气系统,按式(24)求出的R0值,又称为充氧能力,厂家也会向用户提供其设备的R0值。
③实际需氧量(R):
活性污泥系统中的供氧速率与耗氧速率应保持平衡,因此,曝气池混合液的需氧量应等于供氧量。
需氧量是可以根据下式求得:
(28)
ɑ′去除单位有机物所需氧系数;Q*Sr有机物的量;
b’呼吸耗氧系数;V曝气池容积;Xv挥发性污泥浓度;其乘积为微生物的量.
四、曝气系统的设计计算
1、鼓风曝气系统:
①求风量(供气量Gs):
式(28)求得需氧速率O2根据供氧速率=需氧速率,则有:
R=O2,
根据式(24)求得标准氧转移速率R0:
,
根据式(27)求得供气量
(m3/d)Gs’(m3/min);
②求要求的风压(风机出口风压):
根据管路系统的沿程阻力、局部阻力、静水压力再加上一定的余量,得到所要求的最小风压。
③根据风量与风压选择合适的风机。
2、机械曝气系统:
①充氧能力R0的计算:
根据式(28)求得需氧量O2;
R=O2;
,
②根据R0值选配合适的机械曝气设备。
[例题]
一个城市污水处理厂,设计流量Q=10000m3/d,一级处理出水BOD5=150mg/l,采用活性污泥法处理,处理水BOD5≤15mg/l。
采用中微孔曝气盘作为曝气装置。
曝气池容积V=3000m3,Xr=2000mg/l,EA=10%,曝气池出口处溶解氧Cl=2mg/l,水温T=25℃,曝气盘安装在水下4.5m处。
有关参数为:
a’=0.5,b’=0.1,α=0.85,β=0.95,ρ=1.0
求:
(1)采用鼓风曝气时,所需的供气量Gs(m3/min)
(2)采用表面机械曝气器时的充氧量R0(kgO2/h)
[解]:
A.鼓风曝气系统
(1)按式(28)计算需氧量:
(2)按式(18)计算20︒C和25︒C时曝气池内饱和溶解氧浓度的平均值:
曝气装置出口处的压力Pb:
气泡逸出曝气池表面时,氧含量的百分比可以按式(19)计算:
查表得20︒C和25︒C时的饱和溶解氧浓度分别为:
Cs(20)=9.17mg/l;Cs(25)=8.38mg/l;
代入式(18)有:
(3)标准供氧速率R0:
由式(24)有:
(4)按式(27)计算供气量:
②
③
④
⑤
⑥
B.机械曝气器
按式(29)求充气能力R0:
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