新型溶氧曝气装置充氧性能研究成果

1.实验材料与方法

进行清水曝气充氧的实验装置如图3.90所示。

图3.90　清水充氧实验装置图

曝气水池：圆柱形水池，直径为60 cm，有效水深为70 cm。

空压机：型号V-0.17/8，排气量0.17 m3/min，额定压力8Pa，电机功率1.5 kW，福建泉州力达机械有限公司。

立式管道泵：型号ISGD50-125（I），转速1 450 r/min，流量12.5 m3/h，扬程5 m，山东淄博工业泵厂。

水平螺翼式流量仪：型号LES-50 mmE，流量范围0.5～31.25 m3/h，精度±2%，上海方峻仪器仪表有限公司。

空气玻璃转子流量计：型号LZB-6，流量范围100～1 000 L/h，上海天川仪表厂。

空气玻璃转子流量计：型号LZB-10，流量范围250～2 500 L/h，上海天川仪表厂。

压力表：型号Y-60，测量范围0～0.1 MPa，青岛华青自动化仪表有限公司。

溶氧仪：Fisher ScientificTM TraceableTM Portable Dissolved Oxygen Meter，测量范围0.0～20.0 mg/L，精度±0.4 mg/L，响应时间t≤45 s。

1）实验药品

脱氧剂：无水亚硫酸钠（化学纯）；催化剂：六水氯化钴（分析纯）。

2）实验方法

（1）将溶氧仪探头安装在曝气池固定位置（由于本实验的曝气池模型较小，所以只测定水体1/2深度处的溶解氧浓度），应避免气泡直接经过溶氧仪探头。

（2）将清水注入池内，当清水的体积达到200 L时，停止注入。

（3）测定并记录水温、水中初始溶解氧浓度。

（4）用温水溶解氯化钴后再溶解亚硫酸钠，并搅拌均匀，将药剂由池面均匀撒入水中，同时开启水泵，调节阀门将水泵的流量调至12 m3/h。（注：在本实验中后续出现的液体流量均指液体的循环流量）

（5）当水中溶解氧浓度降为零时并稳定后，启动风机，调节气体流量计阀门至气体流量为400 L/h进行曝气。

（6）每隔30 s记录一次水体中溶解氧浓度值，直到水中溶解氧达到饱和浓度CS为止，实验结束。

2.曝气装置充氧性能分析

清水曝气实验条件如下：

大气压：0.101 MPa；水样体积：200 L；水温：14.3℃；空气温度：15.7℃；液体流量：12 m3/h；气体流量：400 L/h；无水亚硫酸钠用量：27 g；氯化钴用量：0.504 1 g（CoCl2·6H2 O）；脱氧前溶解氧浓度：8.3 mg/L；测试时气体的绝对压力：0.137 MPa。

在对清水进行脱氧前，水体中的溶解氧为8.3 mg/L；投加催化剂和脱氧剂后，水体中的溶解氧迅速下降到零，随着曝气的进行，溶解氧浓度不断增大，最终达到了9.5 mg/L，图3.91为水中溶解氧浓度随曝气时间t的变化曲线。

图3.91　水中溶解氧浓度C随时间t的变化曲线

从图3.91可以看出，在0～28 min水中溶解氧浓度随曝气时间增加而不断增大，但是增加速率逐渐减缓，即C-t关系曲线的斜率越来越小。曝气充氧过程属传质过程，这种现象可用双膜理论进行解释，在氧由气相向液相转移过程中，阻力主要来自液膜，液膜内氧的传递微分方程式为：

饱和浓度差CS-C与曝气时间t呈负相关关系，因此随曝气时间的增加，溶解氧的饱和浓度差CS-C不断减小，传质推动力也随之不断减小。所以水中溶解氧浓度C与时间t关系曲线的斜率随时间的增加而不断减小。

3.曝气装置充氧性能参数表征

1）氧总转移系数

将液膜内氧的传递微分方程式积分整理后有

式中：

Cs——水中饱和溶解氧浓度，mg/L；

C——与曝气时间t相应的水中溶解氧浓度，mg/L；

t——曝气时间，min；

KLa——曝气装置在测试条件下氧总转移系数，min-1

可见，当将待曝气的水体脱氧至零后开始曝气，水中溶解氧浓度C是曝气时间t的函数，且ln（Cs-C）与时间t成线性关系，通过绘制ln（Cs-C）-t的关系曲线，对ln（Cs-C）-t进行线性拟合，求得线性方程斜率的负值即为KLa值。

根据中国城镇建设行业标准——《曝气器清水充氧性能测定》对曝气实验数据处理时，应舍去溶解氧浓度C小于20%Cs的初始数据以消除脱氧剂的影响，同时，还应舍去浓度C大于80%Cs的值，以减小结果误差。

图3.92为本次实验中选取数据点ln（Cs-C）-t的散点图，对图中的点进行线性拟合得到的方程为：

所以，可求得KLa=0.340 7 min-1。

图3.92　确定KLa值的In（Cs-C）-t的关系图

温度对氧的总转移系数影响很大，且清水充氧实验很难控制在同一温度下进行，为了在实际应用中便于比较，采用温度为20℃下的标准氧总转移系数KLas来代替不同温度下氧总转移系数KLa。

式中：

KLas——标准条件下，曝气装置氧总转移系数，min-1；

KLa——测试水温条件下曝气装置氧总转移系数，min-1；

T——测试水温，℃；

θ——温度修正系数1.024。

所以，标准氧总转移系数KLas=0.340 7×1.024（20-14.3）=0.390 0 min-1。

2）充氧能力

充氧能力qc是指曝气装置在标准条件下，单位时间向溶解氧浓度为零的水中传递的氧量，计算公式如下：

式中：

1 000——由mg/L化为kg/m3的系数；

60——由min化为h的系数；

qc——标准条件下曝气装置充氧能力，kg/h；

KLas——标准条件下，曝气装置氧总转移系数，min-1；

V——测试水池中水的体积，m3；

3）氧利用率

氧利用率ε是指曝气装置在标准条件下，传递到水中的氧量占曝气装置供氧量的百分比，是评价曝气装置充氧性能的重要指标，能够表示曝气装置对氧气利用率的高低。

式中：

ε——标准条件下，曝气装置氧利用率，%；

qc——标准条件下，曝气装置充氧能力，kg/h；

0.28——标准状态下，1 m3空气所含氧的重量，mg/L；

q——标准状态下（0.1 MPa，20℃）曝气装置通气量（m3/h），按下式计算：

式中：

qb——气体的实际流量，m3/h

Pb——测试时气体的绝对压力，MPa；

Tb——测试时气体的绝对温度，（273+T）K；(www.xing528.com)

P——0.1 MPa；

Ta——绝对温度293 K。

由于曝气转子流量计计量条件与刻度标定条件存在差异，q b应按下式计算

式中：

qb0——测试时，转子流量计的刻度流量，m3/h；

Pb0——刻度标定时气体的绝对压力，0.1 MPa；

通过对新型溶氧曝气装置的充氧性能表征参数的分析表明，新型溶氧曝气装置在充氧性能方面表现出较大的优势，尤其是氧利用率达到了32.49%。

4.不同气液流量对充氧性能的影响

气液流量能够直接影响气液两相流的运动状况，气体的流速增加能够改变液体的流动状态，液体在气体的扰动下形成旋涡，能够将气泡破碎，不同气液流量对气泡尺寸的影响较大，氧的传质效率对气液流量也较为敏感。通过测试不同气液流量下的充氧性能，进一步分析新型溶氧曝气装置在不同工况条件下的运行性能，气液流量的设定及实验温度如表3.27所示。

表3.27　不同的气液流量设置

1）气体流量对曝气装置充氧性能的影响

在液体流量Qw=6 m3/h，9 m3/h，12 m3/h情况下，逐渐加大气体流量，考察新型曝气装置在液体流量一定时，充氧性能随气体流量的变化规律，溶解氧质量浓度C与曝气时间t的变化关系如图3.93至图3.95所示。

图3.93　液体流量Qw=6 m3/h时溶解氧浓度C随时间t变化的曲线

图3.94　液体流量Qw=9 m3/h时溶解氧浓度C随时间t变化的曲线

图3.95　液体流量Qw=12 m3/h时溶解氧浓度C随时间t变化的曲线

经过比较我们发现，在液体流量一定时，随着气体流量的增大，曝气池中溶解氧浓度具有较快的上升速度，达到饱和值的时间也相对较短，说明液体流量一定时，增大空气流量能够加快新型装置的溶氧速率。

但在不同液体流量条件下，溶解氧浓度C随时间t变化的速率存在一定的差异，当液体流量为6 m3/h时，气体流量的增加对水中溶解氧的变化影响较大，不仅体现在水中溶解氧浓度的上升速度不同，而且溶解氧浓度能够达到的饱和值也存在着一定的差异，从图3.93至图3.95中可以看出，液体流量较低时，水中溶解氧的饱和值随着空气流量的增大而增大。随着液体流量的增大，当达到9 m3/h、12 m3/h时，溶解氧浓度C随时间t变化的曲线逐渐靠拢，各组数据虽然存在着一定的差别，但气体流量的变化对装置溶氧效率的影响作用逐渐减小。这是由于当液体流量较低时，装置内液体的流速较低，其湍流强度较低，此时增加气体流量能够对液体产生一定的扰动，可以增大装置内部的湍流强度，从而对氧的传质过程产生影响。表现为装置的溶氧效率得到提高，随着液体流量逐渐增加，湍流强度得到了较大的提高，此时气体流量的变化对装置内的湍流强度的影响减小，气体流量的变化对装置的溶氧效率的提高作用会呈现降低趋势。

通过对各组实验数据计算可得新型溶氧曝气装置在不同气液流量下的充氧性能参数如表3.28所示。

表3.28　新型曝气装置在不同气液流量下的充氧性能参数

图3.96　新型溶氧曝气装置的充氧能力随气体流量的变化

图3.97　新型溶氧曝气装置的氧利用率随气体流量的变化

新型溶氧曝气装置的充氧能力与氧利用率随气体流量的变化如图3.96、图3.97所示，在液体流量一定时，随着气体流量的增加，装置充氧能力增大，而氧的利用率降低。尤其是气体的流量较低时，提高气体流量可显著地提高装置的充氧能力。随着气体流量的进一步增加，装置的充氧能力增加缓慢，且氧的利用率下降比较明显。装置的充氧能力在气体流量qb=1.6 m3/h、液体流量Qw=12 m3/h达到最大为0.054 09 m3/h，氧的利用率在液体流量Qw=12 m3/h、气体流量qb=0.3 m3/h达到最大值。

气体流量较低时，增大气体流量，气体的速度加大，气体运动给液体的流动带来了扰动，增大了气液两相流的湍流强度。一方面，气体在装置内经过水力剪切进一步破碎细化，气泡的平均直径减小，从而使得氧的转移系数增大，装置向水体的充氧能力得到增强；另一方面，随着气体速度的增大，气体在装置内的停留时间变短，且随着水中溶解氧的浓度逐渐升高，氧转移的推动力变小，氧向水体的转移将变得困难，最终体现在装置的氧的利用率下降。

2）液体流量对装置充氧性能的影响

新型溶氧曝气装置的充氧性能与氧的利用率随液体流量的变化如图3.98、图3.99所示，提高液体的流量，装置内的湍动程度加强，能够加大氧的传质系数，所以装置的氧总转移系数、充氧能力和氧的利用率均随着液体流量的增加而增加。和不同气体流量的变化规律类似，在液体流量较低时，增大液体流量对提高装置的充氧性能的作用比较明显；随着液体流量的进一步提高，增大液体流量对装置充氧性能的影响慢慢减弱，在实际应用中大幅度提高液体流量也会显著增加装置的能量消耗。

图3.98　新型溶氧曝气装置的充氧能力随液体流量的变化

图3.99　新型溶氧曝气装置的氧利用率随气体流量的变化

5.新型溶氧曝气装置与微孔曝气装置的比较

微孔曝气装置主要由供气设备、气体管道、刚玉曝气盘组成，其中刚玉曝气盘的技术参数如下：直径约132 mm、厚度20 mm、气孔率36%～42%、微孔孔径（平均）150～200μm，将3个刚玉曝气盘均匀分布安装在曝气池底部。在与新型溶氧曝气装置相同环境测试的条件下，控制气体的有效流量与新型溶氧曝气装置相同，对水体进行曝气。

图3.100为两装置水体中溶解氧含量随时间变化曲线的对比图，从图中可以看出，在相同的气体流量下，新型溶氧曝气装置能够达到的饱和溶解氧浓度更高，且达到饱和的时间也更短，而微孔曝气装置水体中的溶解氧含量随时间上升的速度比较缓慢。

图3.100　新型溶氧曝气装置与微孔曝气装置C-t关系对比图

表3.29列举了两种曝气装置的充氧性能表征参数的计算结果，微孔曝气装置的饱和溶解氧浓度为8.9 mg/L，新型溶氧曝气装置的饱和溶解氧浓度可达9.5 mg/L。新型溶氧曝气装置池内由于液相的循环对水体具有搅拌作用，使得水体的紊动程度变得更为剧烈，使其饱和溶解氧浓度比微孔曝气装置提高了6.7%。在相同气体流量下，新型溶氧曝气装置的氧总转移系数、充氧能力和氧的利用率是微孔曝气装置的4倍左右。

表3.29　新型曝气装置与微孔曝气装置的性能比较

相比微孔曝气装置，新型溶氧曝气装置具有更高的氧总转移系数、充氧能力和氧的利用率。对于新型溶氧曝气装置，装置内存在以下两种作用：一是基本叶片的机械切割作用，二是装置内产生径向和轴向的压力梯度，扩大传质界面，产生二次流等复杂流动状态。气泡在水力剪切下，能够进一步破碎细化，增大气液两相的接触面积，降低气液两相接触界面两侧的气膜和液膜的厚度，由此提高了氧的传质速率，所以，新型溶氧曝气装置的充氧效果要优于微孔曝气装置。

6.小结

（1）在液体流量为Qw=12 m3/h，气体流量qb=0.3 m3/h时，装置的氧总转移为0.39 min-1，充氧能力qc为0.042 9 kg/h，氧利用率ε高达32.49%。

（2）气体流量和液体流量的变化对装置充氧性能的影响研究表明，随着液体流量增加，装置氧总转移系数、充氧能力和氧利用率均增大；随着气体流量增加，装置的氧总转移系数和充氧能力变大，氧的利用率下降，但装置充氧性能表征参数随气液流量的变化并不满足线性关系。

（3）新型溶氧曝气装置与微孔曝气器在相同空气流量下的对比实验表明，新型溶氧曝气装置能够达到的饱和氧浓度更高，且达到饱和的时间也较短，新型溶氧曝气装置具有更高的氧总转移系数、充氧能力和氧的利用率。