Testbericht zur Feinblasenbelüftung und Sauerstoffanreicherung

Im Abwasseraufbereitungssystem macht der Belüftungsprozess 45 bis 75 % des Energieverbrauchs der gesamten Abwasseraufbereitungsanlage aus. Um die Sauerstoffübertragungseffizienz des Belüftungsprozesses zu verbessern, wird die derzeitige Abwasseraufbereitungsanlage üblicherweise in Mikroporen eingesetzt Belüftungssysteme. Im Vergleich zum Belüftungssystem aus großen und mittelgroßen Blasen kann das mikroporöse Belüftungssystem etwa 50 % des Energieverbrauchs einsparen. Dennoch liegt auch die Sauerstoffausnutzungsrate des Belüftungsprozesses im Bereich von 20 bis 30 %. Darüber hinaus gibt es in China immer mehr Gebiete, in denen mikroporöse Belüftungstechnologie zur BehUndlung verschmutzter Flüsse eingesetzt wird. Es gibt jedoch keine Untersuchungen darüber, wie mikroporöse Belüfter für unterschiedliche Wasserbedingungen sinnvoll ausgewählt werden können. Daher ist die Optimierung der Leistungsparameter der Sauerstoffanreicherung mikroporöser Belüfter für die tatsächliche Produktion und Anwendung von großer Bedeutung.

Es gibt viele Faktoren, die die Leistung der mikroporösen Belüftung und Sauerstoffanreicherung beeinflussen. Die wichtigsten davon sind das Belüftungsvolumen, die Porengröße und die Wassertiefe.

Derzeit gibt es im In- und Ausland weniger Studien zum Zusammenhang zwischen der Sauerstoffanreicherungsleistung mikroporöser Belüfter und der Porengröße und Einbautiefe. Die Forschung konzentriert sich mehr auf die Verbesserung des Gesamtsauerstoff-Massenübergangskoeffizienten und der Sauerstoffanreicherungskapazität und vernachlässigt das Problem des Energieverbrauchs im Belüftungsprozess. Wir verwenden den theoretischen Leistungswirkungsgrad als Hauptforschungsindex, kombiniert mit der Sauerstoffanreicherungskapazität und dem Trend der Sauerstoffnutzung, und optimieren zunächst das Belüftungsvolumen, den Öffnungsdurchmesser und die Einbautiefe, wenn der Belüftungswirkungsgrad am höchsten ist, um eine Referenz für die Anwendung bereitzustellen der mikroporösen Belüftungstechnologie im konkreten Projekt.

1.Materialien und Methoden

1.1 Testaufbau
Der Testaufbau bestand aus Plexiglas und der Hauptkörper war ein zylindrischer Belebungstank mit den Abmessungen D 0,4 m × 2 m und einer Sonde für gelösten Sauerstoff, die sich 0,5 m unter der Wasseroberfläche befand (siehe Abbildung 1).


Abbildung 1 Belüftungs- und Sauerstofftestaufbau

1.2 Testmaterialien
Mikroporöser Belüfter, hergestellt aus Gummimembran, Durchmesser 215 mm, Porengröße 50, 100, 200, 500, 1.000 μm. sension378 Tischgerät für gelösten Sauerstoff, HACH, USA. Gasrotor-Durchflussmesser, Bereich 0~3 m3/h, Genauigkeit ±0,2 %. HC-S-Gebläse. Katalysator: CoCl2-6H2O, analytisch rein; Desoxidationsmittel: Na2SO3, analytisch rein.



1.3 Testmethode
Der Test wurde mit der statischen instationären Methode durchgeführt, d. h. Na2SO3 und CoCl2-6H2O wurden zunächst zur Desoxygenierung während des Tests dosiert, und die Belüftung wurde gestartet, als der gelöste Sauerstoff im Wasser auf 0 reduziert war. Änderungen der Konzentration des gelösten Sauerstoffs im Wasser über die Zeit wurden aufgezeichnet und der KLa-Wert berechnet. Die Sauerstoffanreicherungsleistung wurde bei unterschiedlichen Belüftungsvolumina (0,5, 1, 1,5, 2, 2,5, 3 m3/h), unterschiedlichen Porengrößen (50, 100, 200, 500, 1.000 μm) und unterschiedlichen Wassertiefen (0,8, 1,1, 1,3, 1,5, 1,8, 2,0 m) und es wurde auch auf den CJ/T verwiesen
3015.2 -1993 „Bestimmung der Leistung der Sauerstoffanreicherung in klarem Wasser durch Belüfter“ und die Teststandards für die Sauerstoffanreicherung in klarem Wasser der Vereinigten Staaten.

Die Sauerstoffausnutzung (SOTE, %) wird durch Gleichung (4) ausgedrückt.

Wobei: q – Belüftungsvolumen im Standardzustand, m3/h.

Der theoretische Leistungswirkungsgrad [E, kg/(kW-h)] wird durch Gleichung (5) ausgedrückt.

Wobei: P – Leistung der Belüftungsausrüstung, kW.

Häufig verwendete Indikatoren zur Bewertung der Sauerstoffanreicherungsleistung eines Belüfters sind der Gesamtsauerstoff-Massenübergangskoeffizient KLa, die Sauerstoffanreicherungskapazität OC, die Sauerstoffnutzungsrate SOTE und der theoretische Leistungswirkungsgrad E [7]. Die bestehenden Studien haben sich mehr auf die Trends des Gesamtsauerstoff-Massentransferkoeffizienten, der Sauerstoffanreicherungskapazität und der Sauerstoffnutzung konzentriert und weniger auf die theoretische Leistungseffizienz [8, 9]. Der theoretische Wirkungsgrad als einziger Effizienzindex [10] kann das Energieverbrauchsproblem im Belüftungsprozess widerspiegeln, der im Mittelpunkt dieses Experiments steht.

2.2 Einfluss der Belüftung auf die Sauerstoffanreicherungsleistung

Die Sauerstoffanreicherungsleistung bei verschiedenen Belüftungsniveaus wurde durch Belüftung an den unteren 2 m des Belüfters mit einer Porengröße von 200 μm bewertet. Die Ergebnisse sind in Abb. 2 dargestellt.

Abb. 2 Variation der K- und Sauerstoffnutzung mit der Belüftungsrate

Wie aus Abb. 2 ersichtlich ist, nimmt KLa mit zunehmendem Belüftungsvolumen allmählich zu. Dies liegt vor allem daran, dass je größer das Belüftungsvolumen, desto größer die Gas-Flüssigkeits-Kontaktfläche und desto höher die Sauerstoffanreicherungseffizienz. Andererseits stellten einige Forscher fest, dass die Sauerstoffnutzungsrate mit zunehmendem Belüftungsvolumen abnahm, und eine ähnliche Situation wurde in diesem Experiment festgestellt. Dies liegt daran, dass ab einer bestimmten Wassertiefe die Verweilzeit der Blasen im Wasser zunimmt, wenn das Belüftungsvolumen klein ist, und die Gas-Flüssigkeits-Kontaktzeit verlängert wird; Wenn das Belüftungsvolumen groß ist, ist die Störung des Wasserkörpers stark, und der größte Teil des Sauerstoffs wird nicht effektiv genutzt und gelangt schließlich von der Wasseroberfläche in Form von Blasen in die Luft. Die aus diesem Experiment abgeleitete Sauerstoffnutzungsrate war im Vergleich zur Literatur nicht hoch, wahrscheinlich weil die Reaktorhöhe nicht hoch genug war und eine große Menge Sauerstoff entwich, ohne mit der Wassersäule in Kontakt zu kommen, was die Sauerstoffnutzungsrate verringerte.

Die Variation des theoretischen Leistungswirkungsgrads (E) mit der Belüftung ist in Abb. 3 dargestellt.

Abb. 3 Theoretischer Leistungswirkungsgrad im Verhältnis zum Belüftungsvolumen

Wie in Abb. 3 zu sehen ist, nimmt der theoretische Leistungswirkungsgrad mit zunehmender Belüftung allmählich ab. Dies liegt daran, dass die Standard-Sauerstoffübertragungsrate mit zunehmendem Belüftungsvolumen unter bestimmten Wassertiefenbedingungen zunimmt, die Erhöhung der vom Gebläse verbrauchten Nutzarbeit jedoch bedeutender ist als die Erhöhung der Standard-Sauerstoffübertragungsrate, also der theoretischen Leistungseffizienz nimmt mit zunehmendem Belüftungsvolumen innerhalb des im Experiment untersuchten Belüftungsvolumenbereichs ab. Kombiniert man die Trends in Abb. Aus den Abbildungen 2 und 3 geht hervor, dass die beste Sauerstoffanreicherungsleistung bei einer Belüftungsmenge von 0,5 m3/h erreicht wird.

2.3 Einfluss der Porengröße auf die Sauerstoffanreicherungsleistung

Die Porengröße hat einen großen Einfluss auf die Blasenbildung. Je größer die Porengröße, desto größer die Blase. Die Wirkung von Blasen auf die Sauerstoffanreicherungsleistung äußert sich hauptsächlich in zwei Aspekten: Erstens: Je kleiner die einzelnen Blasen, desto größer ist die gesamte spezifische Oberfläche der Blasen, desto größer ist die Kontaktfläche des Gas-Flüssigkeits-Massentransfers und desto förderlicher ist die Übertragung Sauerstoff; Zweitens gilt: Je größer die Blasen, desto stärker ist die Rolle des Rührens des Wassers. Je schneller sich die Gas-Flüssigkeit vermischt, desto besser ist die Wirkung der Sauerstoffanreicherung. Oftmals spielt der erste Punkt im Stoffübergangsprozess eine große Rolle. Bei dem Test wird das Belüftungsvolumen auf 0,5 m3/h eingestellt, um die Auswirkung der Porengröße auf die KLa- und Sauerstoffnutzung zu untersuchen, siehe Abbildung 4.


Figur 4. Variationskurven von KLa und Sauerstoffnutzung mit der Porengröße

Wie aus Abb. 4 ersichtlich ist, nahmen sowohl die KLa- als auch die Sauerstoffausnutzung mit zunehmender Porengröße ab. Unter der Bedingung, dass die Wassertiefe und das gleiche Belüftungsvolumen gleich sind, ist der KLa eines Belüfters mit einer Öffnung von 50 μm etwa dreimal so hoch wie der eines Belüfters mit einer Öffnung von 1.000 μm. Wenn der Belüfter in einer bestimmten Wassertiefe installiert wird, ist die Sauerstoffanreicherungskapazität und die Sauerstoffausnutzung umso größer, je kleiner die Öffnung des Belüfters ist.

Die Variation der theoretischen Leistungseffizienz mit der Porengröße ist in Abb. dargestellt.

Abb. 5 Theoretische Leistungseffizienz im Verhältnis zur Porengröße
Wie aus Abb. 5 ersichtlich ist, zeigt die theoretische Leistungseffizienz einen Trend, der mit zunehmender Aperturgröße zunimmt und dann abnimmt. Dies liegt einerseits daran, dass der Belüfter mit kleiner Öffnung eine größere KLa- und Sauerstoffkapazität aufweist, was der Sauerstoffversorgung förderlich ist. Andererseits nimmt der Widerstandsverlust bei einer bestimmten Wassertiefe mit abnehmendem Öffnungsdurchmesser zu. Wenn die Verringerung der Porengröße aufgrund des Widerstandsverlusts des Fördereffekts größer ist als die Rolle des Sauerstoffmassentransfers, verringert sich der theoretische Leistungswirkungsgrad mit der Verringerung der Porengröße. Wenn der Aperturdurchmesser klein ist, erhöht sich daher der theoretische Leistungswirkungsgrad mit zunehmendem Aperturdurchmesser, und der Aperturdurchmesser von 200 μm erreicht den Maximalwert von 1,91 kg/(kWh-h); Wenn der Öffnungsdurchmesser > 200 μm ist, spielt der Widerstandsverlust im Belüftungsprozess keine dominierende Rolle mehr. Im Belüftungsprozess werden der KLa und die Sauerstoffanreicherungskapazität mit zunehmendem Öffnungsdurchmesser des Belüfters verringert, und daher die theoretische Die Energieeffizienz weist einen deutlichen Abwärtstrend auf.

2.4 Einfluss der Installationswassertiefe auf die Sauerstoffanreicherungsleistung

Die Wassertiefe, in der der Belüfter installiert ist, hat einen ganz erheblichen Einfluss auf die Belüftungs- und Sauerstoffanreicherungswirkung. Ziel der experimentellen Untersuchung war ein Flachwasserkanal von weniger als 2 m. Die Belüftungstiefe des Belüfters wurde durch die Wassertiefe des Beckens bestimmt. Bestehende Studien konzentrieren sich hauptsächlich auf die Eintauchtiefe des Belüfters (d. h. der Belüfter wird am Boden des Beckens installiert und die Wassertiefe erhöht sich durch Erhöhung der Wassermenge), und der Test konzentriert sich hauptsächlich auf die Einbautiefe des Belüfters Belüfter (d. h. die Wassermenge im Becken wird konstant gehalten und die Installationshöhe des Belüfters wird angepasst, um die beste Wassertiefe für den Belüftungseffekt zu finden) und die Änderungen von KLa und Sauerstoffnutzung mit der Wassertiefe sind in Abb. 6 dargestellt.


Abb. 6 Variationskurven der K- und Sauerstoffausnutzung mit der Wassertiefe
Abbildung 6 zeigt, dass mit zunehmender Wassertiefe sowohl KLa als auch Sauerstoffnutzung einen deutlich steigenden Trend aufweisen, wobei sich KLa bei 0,8 m Wassertiefe und 2 m Wassertiefe um mehr als das Vierfache unterscheidet. Denn je tiefer das Wasser ist, desto länger ist die Verweilzeit der Blasen in der Wassersäule, je länger die Gas-Flüssigkeits-Kontaktzeit, desto besser ist der Sauerstoffübertragungseffekt. Daher gilt: Je tiefer der Belüfter installiert ist, desto günstiger ist die Sauerstoffanreicherungskapazität und Sauerstoffausnutzung. Mit zunehmender Wassertiefe nimmt jedoch auch der Widerstandsverlust zu. Um den Widerstandsverlust zu überwinden, muss die Belüftungsmenge erhöht werden, was unweigerlich zu einem Anstieg des Energieverbrauchs und der Betriebskosten führt. Um die optimale Einbautiefe zu erhalten, ist es daher notwendig, den Zusammenhang zwischen theoretischer Leistungseffizienz und Wassertiefe zu bewerten, siehe Tabelle 1.

Tabelle 1 Theoretische Leistungseffizienz als Funktion der Wassertiefe
Tiefe/m	E/(kg.kw-1.h-1)	Tiefe/m	E/(kg.kw-1.h-1)
0.8	0.50	1.1	1.10

Tabelle 1 zeigt, dass die theoretische Leistungseffizienz bei einer Einbautiefe von 0,8 m mit nur 0,5 kg/(kWh-h) extrem niedrig ist, was eine Flachwasserbelüftung ungeeignet macht. Die Installation von Wassertiefen im Bereich von 1,1 bis 1,5 m führt zu einer erheblichen Erhöhung der Sauerstoffkapazität, während der Widerstandseffekt des Belüfters nicht offensichtlich ist, sodass die theoretische Leistungseffizienz schnell zunimmt. Wenn die Wassertiefe weiter auf 1,8 m zunimmt, wird der Einfluss des Widerstandsverlusts auf die Sauerstoffanreicherungsleistung immer deutlicher, was dazu führt, dass das Wachstum des theoretischen Leistungswirkungsgrads tendenziell abflacht, aber immer noch einen steigenden Trend zeigt, und zwar in der Installation Bei einer Wassertiefe von 2 m erreicht der theoretische Leistungswirkungsgrad maximal 1,97 kg/(kWh-h). Daher wird bei Kanälen < 2 m die Bodenbelüftung für eine optimale Sauerstoffversorgung bevorzugt.

3. Fazit

Unter Verwendung der statischen instationären Methode für den Sauerstoffanreicherungstest mit mikroporöser Belüftung in klarem Wasser stiegen unter den Bedingungen der Testwassertiefe (< 2 m) und der Porengröße (50 ~ 1.000 μm) der Gesamtsauerstoff-Massentransferkoeffizient KLa und die Sauerstoffausnutzung mit dem Installation der Wassertiefe; mit der Zunahme der Porengröße und verringert. Bei der Erhöhung des Belüftungsvolumens von 0,5 m3/h auf 3 m3/h stiegen der Gesamtsauerstoff-Massenübergangskoeffizient und die Sauerstoffanreicherungskapazität allmählich an und die Sauerstoffnutzungsrate nahm ab.

Der einzige Indikator für die Wirksamkeit ist die theoretische Energieeffizienz. Unter den Testbedingungen nimmt der theoretische Leistungswirkungsgrad mit der Belüftung und dem Einbau der Wassertiefe zu, wobei die Öffnung zunächst zunimmt und dann abnimmt. Die Installation von Wassertiefe und Öffnung sollte eine sinnvolle Kombination sein, um die bestmögliche Sauerstoffanreicherungsleistung zu erzielen. Im Allgemeinen gilt: Je größer die Wassertiefe, desto größer die Auswahl der Belüfteröffnung.

Die Testergebnisse deuten darauf hin, dass eine Flachwasserbelüftung nicht eingesetzt werden sollte. Bei einer Einbautiefe von 2 m, einem Belüftungsvolumen von 0,5 m3/h und einem Belüfter mit einer Porengröße von 200 μm ergab sich ein maximaler theoretischer Leistungswirkungsgrad von 1,97 kg/(kWh-h).

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