曝气充氧实验：比较曝气设备充氧性能，使用清水进行试验

一、实验目的

（1）掌握表面曝气叶轮的氧总传质系数、充氧性能及修正系数的测定方法；

（2）加深对曝气充氧机理及影响因素的理解；

（3）了解各种测试方法和数据整理方法的特点。

二、实验原理

常用的曝气设备可分为机械曝气和鼓风曝气两大类。曝气的机理有若干传质理论可加以解释，但最简单和最经典的是刘易斯（Lewis）和惠特曼（Whitman）1923年创立的双膜理论，如图4－4所示。

图4－4　双膜理论示意图

双膜理论认为：当气、液两相做相对运动时，在接触界面上存在着气－液边界层（气膜和液膜）。膜内呈层流状态，膜外呈紊流状态。氧转移在膜内进行分子扩散，在膜外进行对流扩散。由于分子扩散的阻力比对流扩散的阻力大得多，传质的阻力集中在双膜上。在气膜中存在着氧的分压梯度，在液膜中存在着氧的浓度梯度，这是氧转移的推动力。对于难溶解于水的氧来说，转移的决定性阻力又集中在液膜上。因此，氧在液膜中的转移速率是氧扩散转移全过程的控制速率。氧转移的基本方程式为：

式中：——氧转移速率，mg／（L·h）；

　　　KLa——氧的总传质系数，h；

　　　ρs——实验条件下自来水（或污水）的溶解氧饱和浓度，mg／L；

　　　ρ——对应于某一时刻t的溶解氧浓度，mg／L。

式中KLa可以认为是混合系数，它的倒数表示使水中的溶解氧由0变到ρs所需要的时间，是气液界面阻力和界面面积的函数。

1.充氧性能的指标

（1）充氧能力（Oc）：单位时间内转移到液体中的氧量，kg／h。

鼓风曝气时：

表面曝气时：

（2）充氧动力效率（Ep）：每消耗1kW·h电能转移到液体中的氧量，kg／（kW·h）。

式中：N——理论功率，即不计管路损失、风机和电机的效率，只计算曝气充氧所耗的有用功，采用叶轮的输出功率（轴功率）。

（3）氧转移功率（利用率，EA）：单位时间内转移到液体中的氧量与供给的氧量之比。

式中：Gs——供气量，m3／h；

　　　21%——氧在空气中所占比例（体积分数）；

　　　1.33——氧在标准状态下的密度，kg／m3；

　　　S——供氧量，kg／h。

2.修正系数α、β

由于氧的转移受到水中溶解性有机物、无机物等的影响，同一曝气设备在相同的曝气条件下在清水中与在污水中的氧转移速率和水中氧的饱和浓度不同，而曝气设备充氧性能的指标均为清水中测定的值，为此引入两个小于1的修正系数α、β：

测定α、β时，应用同一曝气设备在相同的条件下测定清水和污水中充氧的氧总传质系数和饱和溶解氧值。生活污水的α约为0.4～0.5，城市污水处理厂出水的α约为0.9～1.0；生活污水的β为0.9～0.95，混合液的β为0.9～0.97。比较曝气设备充氧性能时，一般用清水进行试验比较好。

三、实验装置及仪器(www.xing528.com)

曝气充氧实验装置（图4－5），溶解氧测定仪，药用天平，秒表，无水亚硫酸钠，氯化钴。

图4－5　曝气充氧实验装置

四、实验步骤

（1）向模型曝气池注入自来水至曝气池一半高度以上某处，使水位高出叶轮平板1～5cm，测出模型曝气池内水容积（L）并记录。

（2）校正溶解氧测定仪，并将探头固定在模型曝气池内水下1／2处。

（3）用溶氧仪测定自来水水温和水中溶解氧值（ρ′，mg／L）并记录。

（4）根据ρ′计算试验所需要的消氧剂Na2SO3和催化剂CoCl2的量。

从上面反应式可以知道，每去除1mg溶解氧，需要投加7.9mg 2a2SO3。根据池子的容积和自来水（或污水）的溶解氧浓度，可以算出Na2SO3的理论需要量。实际投加量应为理论值的150%～200%。

式中：W1——Na2SO3的实际投加量，kg或g。

催化剂CoCl2的投加量以维持池子中钴离子浓度在0.05～0.5mg／L为宜（用温克尔法测定溶解氧时建议用下限）。

式中：W2——CoCl2的投加量，kg或g。

（5）将Na2SO3和CoCl2用水样溶解后投放至曝气池内（不要搅动）。

（6）待溶解氧读数为零时（或长时间稳定在0.2mg／L以下），启动鼓风机，进行曝气充氧，定期（0.5～1min）读出溶解氧值（ρ）并记录，直至溶解氧值不变时，即试验条件下的ρs，停止试验。

五、实验结果与数据处理

（1）记录不稳定状态下充氧实验测得的溶解氧值（表4－9），并进行数据整理。

表4－9　不稳定状态下充氧实验记录

（2）以溶解氧浓度ρ为纵坐标、时间t为横坐标，用表4－9中的数据描点作ρ与t的关系曲线。

（3）根据ρ－t实验曲线计算对应于不同ρ值的dρ／dt，记录于表4－10。

表4－10　不同ρ值的

（4）分别以ln（ρs－ρ）和dρ／dt为纵坐标、时间t和ρ为横坐标，绘制出两条实验曲线。

（5）计算KLa、α、β、充氧能力、动力效率和氧利用率。

思考题

（1）稳定和非稳定实验方法哪一种较好？为什么？

（2）比较两种数据整理方法，哪一种方法误差较小？各有何特点？

（3）ρs偏大或偏小，对实验结果会造成什么样的影响？

（4）试考虑如何测定推流式曝气池内曝气设备的KLa？