曝气设备充氧能力实验报告

01实验目的(1)掌握测定曝气设备的KLa和充氧能力α、β的实验方法及计算Qs；(2)评价充氧设备充氧能力的好坏；(3)掌握曝气设备充氧性能的测定方法。2实验原理活性污泥处理过程中曝气设备的作用是使氧气、活性污泥、营养物三者充分混合，使污泥处于悬浮状态，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，因此工程设计人员通常通过实验来评价曝气设备的供氧能力。在现场用自来水实验时，先用Na2S03(或N2)进行脱氧，然后在溶解氧等于或接近零的状态下再曝气，使溶解氧升高趋于饱和水平。假定整个液体是完全混合的，符合一级反应此时水中溶解氧的变化可以用以下式子表示：𝑑𝐶𝑑𝑡=𝐾𝐿𝑎(𝐶𝑠−𝐶)式中：dC/dt——氧转移速率，mg/(L·h)；KLa——氧的总传递系数，L/h；Cs——实验室的温度和压力下，自来水的溶解氧饱和浓度，mg/L；C——相应某一时刻t的溶解氧浓度，mg/L。将上式积分，得ln(𝐶𝑠−𝐶)=−𝐾𝐿𝑎𝑡+常数由于溶解氧饱和浓度、温度、污水性质和混乱程度等因素影响氧的传递速率，因此应进行温度、压力校正，并测定校正废水性质影响的修正系数α、β。所采用的公式如下：𝐾𝐿𝑎(T)=𝐾𝐿𝑎(20℃)1.024T−201𝐶𝑠(校正)=𝐶𝑠(实验)×标准大气压(kPa)实验时的大气压(kPa)𝛼=废水的𝐾𝐿𝑎自来水的𝐾𝐿𝑎β=废水的𝐶𝑠自来水的𝐶𝑠充氧能力为𝑄𝑠=𝑑𝐶𝑑𝑡·V=𝐾𝐿𝑎(20℃)·𝐶𝑠(校正)·V(kg/h)3实验内容3.1实验设备与试剂(1)溶解氧测定仪(2)空压机。(3)曝气筒。(4)搅拌器。(5)秒表。(6)分析天平(7)烧杯。(8)亚硫酸钠(Na2S03)(9)氯化钴(CoCl2·6H20)。3.2实验装置实验装置如图3-1所示。2图3-1曝气设备充氧能力实验装置简图3.3实验步骤(1)向曝气筒内注入20L自来水，测定水样体积V(L)和水温t(℃)；(2)由实验测出水样溶解氧饱和值Cs，并根据Cs和V求投药量，然后投药脱氧；a)脱氧剂亚硫酸钠(Na2S03)的用量计算。在自来水中加入Na2S03还原剂来还原水中的溶解氧。2Na2S03+O2CoCl2→2Na2S04相对分子质量之比为：𝑂2Na2S03=32126≈18故Na2S03理论用量为水中溶解氧的8倍。而水中有部分杂质会消耗亚硫酸钠，故实际用量为理论用量的1.5倍。所以实验投加的Na2S03投加量为W=1.5×8𝐶𝑠·V=12𝐶𝑠·V式中：W——亚硫酸钠投加量，g；Cs——实验时水温条件下水中饱和溶解氧值，mg/L；V——水样体积，m3；b)根据水样体积V确定催化剂（钴盐）的投加量。经验证明，清水中有效钴离子浓度约0.4mg/L为好，一般使用氯化钴3(CoCl2·6H20)。因为：CoCl2·6H2OCo2−=23859≈4.0所以单位水样投加钴盐量为：CoCl2·6H200.4×4.0=1.6g/m3本实验所需投加钴盐为CoCl2·6H201.6V(g)式中：V——水样体积，m3c)将Na2S03用煮沸过的常温水化开，均匀倒入曝气筒内，溶解的钴盐倒入水中，并开动循环水泵，小流量轻微搅动使其混合（开始计时），进行脱氧。搅拌均匀后（时间t0），测定脱氧水中溶解氧量C0，连续曝气t后，溶解氧升高至Ct。每隔溶解氧浓度升高0.01，记录一次所用时间（直到溶解氧值达到饱和为止）。(3)当清水脱氧至零时，提高叶轮转速进行曝气，并计时。每隔0.5min测定一次溶解氧值（用碘量法每隔1min测定一次），知道溶解氧值达到饱和为止。4数据记录与整理水温：28℃水样体积：0.018m3饱和溶解氧浓度Cs：8.00mg/L亚硫酸钠用量：1.8g氯化钴用量：0.0288g表4-1曝气设备充氧能力实验数据记录序号时间t/s时间t/minCt/(mg/L)序号时间t/s时间t/minCt/(mg/L)100.000.53161502.504.842100.170.98171602.675.053200.330.61181702.835.294300.500.58191803.005.495400.670.81202103.506.026500.831.49212404.006.447601.001.69222704.506.7848701.172.09233005.007.039801.332.46243305.507.2110901.502.86253606.007.37111001.673.23263906.507.49121101.833.61274207.007.58131202.003.96284507.507.64141302.174.24294808.007.68151402.334.545数据处理与分析5.1公式法求解KLa值公式：KLa=2.303t−t0·lgCs−C0Cs−Ct式中：KLa——氧的总传递系数，L/min；Cs——实验室的温度和压力下，自来水的溶解氧饱和度，mg/L；Ct——相应某一时刻t的溶解氧浓度，mg/L；t0——脱氧使用时间，min；t——开循环水泵后的时间，min。实验中，t-t0的值对应表4-1中的t值，C0对应时间t=0时的Ct=0.53mg/L。将已知值代入公式中求出KLa，计算结果如表5-1所示。表5-1公式法KLa计算结果序号时间t/minCt/(mg/L)Cs-Ctlg(Cs-Ct)KLa10.000.537.470.8733/20.170.987.020.84630.372930.330.617.390.86860.0323540.500.587.420.87040.013450.670.817.190.85670.057360.831.496.510.81360.165171.001.696.310.80000.168881.172.095.910.77160.200891.332.465.540.74350.2242101.502.865.140.71100.2493111.673.234.770.67850.2692121.833.614.390.64250.2900132.003.964.040.60640.3074142.174.243.760.57520.3169152.334.543.460.53910.3299162.504.843.160.49970.3442172.675.052.950.46980.3485182.835.292.710.43300.3579193.005.492.510.39970.3636203.506.021.980.29670.3794214.006.441.560.19310.3916224.506.781.220.08640.4027235.007.030.97-0.01320.4083245.507.210.79-0.10240.4085256.007.370.63-0.20070.4122266.507.490.51-0.29240.4130277.007.580.42-0.37680.4113287.507.640.36-0.44370.4044298.007.680.32-0.49490.3939由上表可以看出，运用公式法计算出来的KLa值总体上不断增大，且有较大的增幅，无论采用取平均值或者中间值等方法确定KLa值都会存在较大误差，都无法很好表征曝气设备的充氧性能，因此使用公式法求解KLa值不适用于本实验。65.2线性回归法求解KLa值5.2.1ln(Cs-Ct)-t关系曲线的绘制由公式“ln(Cs−C)=−KLat+常数”可知，作ln(Cs-Ct)和t的关系曲线，其斜率即为KLa值。于是，对ln(Cs-Ct)进行计算，结果如表5-2所示。根据计算结果以t为横坐标、ln(Cs-Ct)为纵坐标，绘制ln(Cs-Ct)和t的关系曲线如图5-1所示。表5-2ln(Cs-Ct)计算结果序号时间t/minCt/(mg/L)Cs-Ctln（Cs-Ct）10.000.537.472.010920.170.987.021.948830.330.617.392.000140.500.587.422.004250.670.817.191.972760.831.496.511.873371.001.696.311.842181.172.095.911.776691.332.465.541.7120101.502.865.141.6371111.673.234.771.5623121.833.614.391.4793132.003.964.041.3962142.174.243.761.3244152.334.543.461.2413162.504.843.161.1506172.675.052.951.0818182.835.292.710.9969193.005.492.510.9203203.506.021.980.6831214.006.441.560.4447224.506.781.220.1989235.007.030.97-0.03057245.507.210.79-0.2357256.007.370.63-0.4620266.507.490.51-0.6733277.007.580.42-0.8675287.507.640.36-1.0217298.007.680.32-1.1394图5-1ln(Cs-Ct)-t关系曲线由上图可以观察到，在曝气充氧的整个过程中，随着时间的增长，ln(Cs-Ct)总体呈下降趋势。①在曝气充氧的初始阶段，循环水泵处于启动初期，液体水还没有完全处于湍流状态，充氧系统未达到稳定，故出现ln(Cs-Ct)值短暂的上下波动情况，但波动幅度不大；同时，此阶段的曲线斜率较小，水中溶解氧量没有明显增加，这是因为曝气前加入水样中的脱氧剂是过量的，剩余的脱氧剂会与曝气时溶解到水样中的氧气反应，不断地消耗溶解氧。②随着曝气充氧的进行，剩余的脱氧剂逐渐被反应完，水中的溶解氧不再被消耗，溶解氧量稳定增大。③当曝气充氧进入到最后阶段，由于水中溶解氧量趋近饱和，增长速率逐步减慢，即曲线斜率越来越小。综上所述，曝气充氧系统稳定阶段的斜率才真正对应本次实验的KLa值。85.2.2ln(Cs-Ct)-t线性拟合由上一部分对ln(Cs-Ct)-t关系曲线的分析可知，为求得较为准确的KLa值，应将实验前半段数据及结束前一段时间内较平缓变化点去除，以免影响线性拟合结果。剔除无效数据后，对ln(Cs-Ct)-t数据点进行线性拟合，拟合图像如图5-2所示，相关拟合数据如表5-3所示。图5-2ln(Cs-Ct)–t线性拟合图像表5-3ln(Cs-Ct)–t线性拟合方程数据Equationy=a+b*xAdj.R-Square0.99944ValueStandardErrorln(Cs-Ct)Intercept2.314210.00903ln(Cs-Ct)Slope-0.462060.00244由上表可知，对ln(Cs-Ct)–t进行线性拟合，线性相关系数达0.99944，极其接近1，拟合效果极好，与理想条件下溶解氧的传递符合一级反应相符合，结果可用于理论分析。由上表数据可得拟合方程为：ln(Cs−C)=−0.46206t+2.31421其中，氧的总传递系数9𝐾𝐿𝑎=0.46206≈0.462L/min换算为20℃时氧的总传递系数𝐾𝐿𝑎(20℃)=𝐾𝐿𝑎(28℃)1.02420−28=0.373L/min5.3非线性回归法求解KLa值由于使用线性回归法计算氧传递系数KLa受Cs取值的影响较大，所以Cs值取值是计算结果合理与否的关键。有研究表明，如果代入的Cs值比真实值每减少1%，计算的KLa将增大3%；只有测得的Cs值大于或等于真实值的99.7%时，才能准确的计算出KL