أداء الأكسجين للتهوية الدقيقة

في نظام معالجة مياه الصرف الصحي، تمثل عملية التهوية 45% إلى 75% من استهلاك الطاقة لمحطة معالجة مياه الصرف الصحي بأكملها، من أجل تحسين كفاءة نقل الأكسجين لعملية التهوية، تُستخدم محطة معالجة مياه الصرف الصحي الحالية بشكل شائع في المناطق الصغيرة التي يسهل اختراقها أنظمة التهوية. بالمقارنة مع نظام التهوية للفقاعات الكبيرة والمتوسطة الحجم، يمكن لنظام التهوية الصغيرة المسامية توفير حوالي 50% من استهلاك الطاقة. ومع ذلك، فإن معدل استخدام الأكسجين في عملية التهوية يتراوح أيضًا بين 20% إلى 30%. بالإضافة إلى ذلك، كانت هناك مناطق أكثر في الصين تستخدم تكنولوجيا التهوية ذات المسام الدقيقة لمعالجة الأنهار الملوثة، ولكن لا توجد أبحاث حول كيفية اختيار أجهزة التهوية ذات المسام الدقيقة بشكل معقول لظروف المياه المختلفة. لذلك، فإن تحسين معلمات أداء الأوكسجين في جهاز التهوية الصغير للإنتاج والتطبيق الفعلي له أهمية كبيرة.

هناك العديد من العوامل التي تؤثر على أداء التهوية الدقيقة والأكسجة، أهمها حجم التهوية وحجم المسام وتركيب عمق الماء.

في الوقت الحاضر، هناك عدد أقل من الدراسات حول العلاقة بين أداء الأوكسجين لجهاز التهوية الصغير المسامي وحجم المسام وعمق التثبيت في الداخل والخارج. يركز البحث أكثر على تحسين معامل نقل كتلة الأكسجين الكلي وقدرة الأوكسجين، ويهمل مشكلة استهلاك الطاقة في عملية التهوية. نحن نأخذ كفاءة الطاقة النظرية كمؤشر بحث رئيسي، جنبًا إلى جنب مع قدرة الأوكسجين واتجاه استخدام الأكسجين، ونعمل في البداية على تحسين حجم التهوية وقطر الفتحة وعمق التثبيت عندما تكون كفاءة التهوية في أعلى مستوياتها، لتوفير مرجع للتطبيق تكنولوجيا التهوية الصغيرة التي يسهل اختراقها في المشروع الفعلي.

1. المواد والأساليب

1.1 إعداد الاختبار

تم إجراء الاختبار من زجاج شبكي، وكان الجسم الرئيسي عبارة عن خزان تهوية أسطواني D {{0}}.4 م × 2 م مع مسبار أكسجين مذاب يقع على بعد 0.5 متر تحت سطح الماء (كما هو موضح في الشكل 1). ).

الشكل 1: إعداد اختبار التهوية والأكسجين

1.2 مواد الاختبار

مهوية صغيرة المسام، مصنوعة من غشاء مطاطي، قطر 215 مم، حجم المسام 50، 100، 200، 500، 1 000 ميكرومتر. جهاز اختبار الأكسجين المذاب sension378، HACH، الولايات المتحدة الأمريكية. مقياس تدفق دوار الغاز، النطاق 0 ~ 3 م 3 / ساعة، الدقة ± 0.2٪. منفاخ HC-S. المحفز: CoCl2-6H2O، نقي تحليليًا؛ مزيل الأكسدة: Na2SO3، نقي تحليليا.

1.3 طريقة الاختبار

تم إجراء الاختبار باستخدام الطريقة الثابتة غير الثابتة، على سبيل المثال، تم إعطاء جرعات Na2SO3 وCoCl2-6H2O لأول مرة لإزالة الأكسجين أثناء الاختبار، وبدء التهوية عندما تم تقليل الأكسجين المذاب في الماء إلى {{5} }. تم تسجيل التغيرات في تركيز الأكسجين المذاب في الماء مع مرور الوقت، وتم حساب قيمة KLa. تم اختبار أداء الأوكسجين تحت أحجام تهوية مختلفة (0.5، 1، 1.5، 2، 2.5، 3 م3/ساعة)، وأحجام مسام مختلفة (50، 100، 200، 500، 1،000 ميكرومتر)، وأعماق مائية مختلفة (0.8، 1.1، 1.3، 1.5، 1.8، 2.0 م)، وتمت الإشارة أيضًا إلى CJ/T 3015.2 -1993 "تحديد أداء أكسجة الماء النظيف لجهاز التهوية" ومعايير اختبار أكسجة الماء النظيف في الولايات المتحدة.

2. النتائج والمناقشة

2.1 مبدأ الاختبار

يعتمد المبدأ الأساسي للاختبار على نظرية الغشاء المزدوج التي اقترحها ويتمان في عام 1923. ويمكن التعبير عن عملية نقل كتلة الأكسجين في المعادلة (1).

حيث: dc/dt - معدل نقل الكتلة، أي كمية الأكسجين المنقولة لكل وحدة حجم من الماء لكل وحدة زمنية، mg/(Ls).

KLa - إجمالي معامل نقل الأكسجين لجهاز التهوية في ظروف الاختبار، الحد الأدنى -1 ؛

C* - الأكسجين المذاب المشبع في الماء، ملغم/لتر.

Ct - الأكسجين المذاب في الماء في لحظة التهوية t، mg/L.

إذا كانت درجة حرارة الاختبار ليست 20 درجة، يمكن استخدام المعادلة (2) لتصحيح KLa:

يتم التعبير عن قدرة الأوكسجين (OC، كجم/ساعة) بالمعادلة (3).

حيث: V - حجم حوض التهوية، م3.

يتم التعبير عن استخدام الأكسجين (SOTE، %) بالمعادلة (4).

حيث: ف - حجم التهوية في الحالة القياسية، م3/ساعة.

يتم التعبير عن كفاءة الطاقة النظرية [E,kg/(kW-h)] بالمعادلة (5).

حيث: ف - قوة معدات التهوية، كيلوواط.

المؤشرات شائعة الاستخدام لتقييم أداء الأوكسجين في جهاز التهوية هي إجمالي معامل نقل كتلة الأكسجين KLa، وسعة الأوكسجين OC، ومعدل استخدام الأكسجين SOTE وكفاءة الطاقة النظرية E [7]. ركزت الدراسات الحالية بشكل أكبر على اتجاهات إجمالي معامل نقل كتلة الأكسجين، وقدرة الأوكسجين واستخدام الأكسجين، وبدرجة أقل على كفاءة الطاقة النظرية [8، 9]. كفاءة الطاقة النظرية، باعتبارها مؤشر الكفاءة الوحيد [10]، يمكن أن تعكس مشكلة استهلاك الطاقة في عملية التهوية، والتي هي محور هذه التجربة.

2.2 تأثير التهوية على أداء الأوكسجين

تم تقييم أداء الأوكسجين عند مستويات تهوية مختلفة عن طريق التهوية عند الجزء السفلي من جهاز التهوية بطول 2 متر بحجم مسام يبلغ 200 ميكرومتر، وتظهر النتائج في الشكل 2.

الشكل 2: تباين استخدام K والأكسجين مع معدل التهوية

كما يتبين من الشكل 2، يزداد KLa تدريجيًا مع زيادة حجم التهوية. ويرجع ذلك أساسًا إلى أنه كلما زاد حجم التهوية، زادت مساحة الاتصال بالغاز والسائل وارتفعت كفاءة الأوكسجين. ومن ناحية أخرى، وجد بعض الباحثين أن معدل استخدام الأكسجين ينخفض ​​مع زيادة حجم التهوية، وقد وجد نفس الوضع في هذه التجربة. وذلك لأنه تحت عمق معين من الماء، يزداد وقت بقاء الفقاعات في الماء عندما يكون حجم التهوية صغيرًا، ويطول وقت ملامسة الغاز والسائل؛ عندما يكون حجم التهوية كبيرًا، يكون اضطراب الجسم المائي قويًا، ولا يتم استخدام معظم الأكسجين بشكل فعال، ويتم إطلاقه في النهاية من سطح الماء على شكل فقاعات في الهواء. لم يكن معدل استخدام الأكسجين المستمدة من هذه التجربة مرتفعًا مقارنة بالأدب، ربما لأن ارتفاع المفاعل لم يكن مرتفعًا بما فيه الكفاية، وهربت كمية كبيرة من الأكسجين دون الاتصال بعمود الماء، مما يقلل من معدل استخدام الأكسجين.

يظهر الشكل 3 تباين كفاءة الطاقة النظرية (E) مع التهوية.

الشكل 3: كفاءة الطاقة النظرية مقابل حجم التهوية

وكما يتبين من الشكل 3، فإن كفاءة الطاقة النظرية تتناقص تدريجيًا مع زيادة التهوية. وذلك لأن معدل نقل الأكسجين القياسي يزداد مع زيادة حجم التهوية تحت ظروف معينة في أعماق الماء، ولكن الزيادة في العمل المفيد الذي يستهلكه المنفاخ تكون أكثر أهمية من الزيادة في معدل نقل الأكسجين القياسي، وبالتالي فإن كفاءة الطاقة النظرية يتناقص مع زيادة حجم التهوية ضمن نطاق حجم التهوية الذي تم فحصه في التجربة. الجمع بين الاتجاهات في التين. في الشكل 2 و3، يمكن العثور على أفضل أداء للأكسجين يتم تحقيقه عند حجم تهوية يبلغ 0.5 م3/ساعة.

2.3 تأثير حجم المسام على أداء الأوكسجين

حجم المسام له تأثير كبير على تكوين الفقاعات، فكلما زاد حجم المسام، زاد حجم الفقاعة. تتجلى الفقاعات على أداء الأوكسجين للتأثير بشكل رئيسي في جانبين: أولاً، كلما كانت الفقاعات الفردية أصغر، كلما كانت المساحة السطحية الإجمالية للفقاعة أكبر، كلما كانت منطقة الاتصال بنقل كتلة الغاز والسائل أكبر، وأكثر ملاءمة لنقل الأكسجين؛ ثانيًا، كلما كانت الفقاعات أكبر، كلما كان دور تحريك الماء أقوى، وكان خلط الغاز والسائل بين أسرع، وكان تأثير الأوكسجين أفضل. غالبًا ما تلعب النقطة الأولى في عملية النقل الجماعي دورًا رئيسيًا. سيكون الاختبار عبارة عن حجم تهوية مضبوط على 0.5 م3/ساعة، لفحص تأثير حجم المسام على KLa واستخدام الأكسجين، انظر الشكل 4.

الشكل 4: منحنيات التباين لـ KLa واستخدام الأكسجين مع حجم المسام

كما يتبين من الشكل 4، انخفض استخدام كل من KLa والأكسجين مع زيادة حجم المسام. في ظل نفس عمق الماء وحجم التهوية، يكون KLa ذو الفتحة 50 ميكرومتر حوالي ثلاث مرات من جهاز التهوية ذي الفتحة 1,000 ميكرومتر. لذلك، عندما يتم تركيب جهاز التهوية في عمق معين من الماء، كلما كانت فتحة قدرة الأوكسجين في جهاز التهوية أصغر وكان استخدام الأكسجين أكبر.

يظهر الشكل 5 تباين كفاءة الطاقة النظرية مع حجم المسام.

الشكل 5: كفاءة الطاقة النظرية مقابل حجم المسام

وكما يتبين من الشكل 5، تُظهر كفاءة الطاقة النظرية اتجاهاً نحو الزيادة ثم التناقص مع زيادة حجم الفتحة. هذا لأنه من ناحية، فإن جهاز التهوية ذو الفتحة الصغيرة لديه قدرة أكبر على KLA والأكسجين، مما يساعد على الأوكسجين. ومن ناحية أخرى، فإن فقدان المقاومة تحت عمق معين من الماء يزداد مع انخفاض قطر الفتحة. عندما يكون تقليل حجم المسام على فقدان المقاومة لتأثير الترويج أكبر من دور نقل كتلة الأكسجين، سيتم تقليل كفاءة الطاقة النظرية مع تقليل حجم المسام. لذلك، عندما يكون قطر الفتحة صغيرًا، ستزداد كفاءة الطاقة النظرية مع زيادة قطر الفتحة، وقطر الفتحة 200 ميكرومتر للوصول إلى القيمة القصوى البالغة 1.91 كجم/(كيلوواط-ساعة)؛ عندما يكون قطر الفتحة أكبر من 200 ميكرومتر، فإن فقدان المقاومة في عملية التهوية لم يعد يلعب دورًا مهيمنًا في عملية التهوية، وسيتم تقليل KLa وقدرة الأوكسجين مع زيادة قطر فتحة جهاز التهوية، وبالتالي، فإن القيمة النظرية وتظهر كفاءة الطاقة اتجاها تنازليا كبيرا.

2.4 تأثير عمق ماء التركيب على أداء الأوكسجين

إن عمق الماء الذي تم تركيب جهاز التهوية فيه له تأثير كبير جدًا على تأثير التهوية والأكسجين. كان الهدف من الدراسة التجريبية قناة مياه ضحلة يقل عمقها عن 2 متر. تم تحديد عمق تهوية جهاز التهوية من خلال عمق الماء في حوض السباحة. تركز الدراسات الموجودة بشكل أساسي على العمق المغمور لجهاز التهوية (أي يتم تركيب جهاز التهوية في قاع حوض السباحة، ويتم زيادة عمق الماء عن طريق زيادة كمية الماء)، ويركز الاختبار بشكل أساسي على عمق تركيب جهاز التهوية. جهاز التهوية (أي يتم الاحتفاظ بكمية المياه في حوض السباحة ثابتة، ويتم ضبط ارتفاع تركيب جهاز التهوية للعثور على أفضل عمق للمياه لتأثير التهوية)، ويتم تغيير تغييرات KLa واستخدام الأكسجين مع عمق الماء يظهر في الشكل 6.

الشكل 6: منحنيات التباين لـ K واستخدام الأكسجين مع عمق الماء

يوضح الشكل 6 أنه مع زيادة عمق المياه، يظهر كل من KLa واستخدام الأكسجين اتجاهًا متزايدًا واضحًا، مع اختلاف KLa بأكثر من أربع مرات عند 0.8 عمق ماء وعمق ماء 2 متر. وذلك لأنه كلما زاد عمق الماء، زاد وقت بقاء الفقاعات في عمود الماء، وكلما زاد وقت الاتصال بالغاز والسائل، كان تأثير نقل الأكسجين أفضل. لذلك، كلما تم تركيب جهاز التهوية بشكل أعمق، كلما كان ذلك أكثر ملاءمة لقدرة الأوكسجين واستخدام الأكسجين. لكن تركيب عمق الماء يزداد في نفس الوقت سيزداد فقدان المقاومة أيضا، ومن أجل التغلب على فقدان المقاومة لا بد من زيادة كمية التهوية، الأمر الذي سيؤدي حتما إلى زيادة استهلاك الطاقة وتكاليف التشغيل. لذلك، من أجل الحصول على عمق التثبيت الأمثل، من الضروري تقييم العلاقة بين كفاءة الطاقة النظرية وعمق المياه، انظر الجدول 1.

يوضح الجدول 1 أن كفاءة الطاقة النظرية منخفضة للغاية عند عمق التركيب 0.8 م، مع 0.5 كجم/(كيلوواط-ساعة) فقط، مما يجعل تهوية المياه الضحلة غير مناسبة. تركيب عمق مياه يتراوح من 1.1 إلى 1.5 متر، بسبب الزيادة الكبيرة في قدرة الأوكسجين، في حين أن تأثير المقاومة غير واضح للمهوية، وبالتالي فإن كفاءة الطاقة النظرية تزيد بسرعة. مع زيادة عمق المياه إلى 1.8 متر، يصبح تأثير فقدان المقاومة على أداء الأوكسجين أكثر وأكثر أهمية، مما يؤدي إلى نمو كفاءة الطاقة النظرية التي تميل إلى الاستقرار، ولكنها لا تزال تظهر اتجاهًا متزايدًا، وفي التثبيت على عمق مياه يصل إلى 2 متر، تصل كفاءة الطاقة النظرية إلى حد أقصى يبلغ 1.97 كجم/(كيلوواط-ساعة). ولذلك، بالنسبة للقنوات < 2 متر، يفضل تهوية القاع للحصول على الأوكسجين الأمثل.

خاتمة

استخدام الطريقة الساكنة غير الثابتة لاختبار الأوكسجين في الماء الصافي للتهوية الدقيقة المسامية، في عمق ماء الاختبار (< 2 m) and pore size (50 ~ 1 000 μm) conditions, the total oxygen mass transfer coefficient KLa and oxygen utilisation increased with the installation of the water depth; with the increase in pore size and decreased. In the process of increasing the aeration volume from 0.5 m3/h to 3 m3/h, the total oxygen mass transfer coefficient and oxygenation capacity gradually increased, and the oxygen utilisation rate decreased.

كفاءة الطاقة النظرية هي المؤشر الوحيد للفعالية. في ظروف الاختبار، تزداد كفاءة الطاقة النظرية مع التهوية وتركيب عمق الماء، مع زيادة الفتحة أولاً ثم النقصان. يجب أن يكون تركيب عمق المياه والفتحة مزيجًا معقولًا من أجل جعل أداء الأوكسجين يحقق الأفضل، بشكل عام، كلما زاد عمق اختيار الماء لفتحة التهوية كلما كان أكبر.

تشير نتائج الاختبار إلى عدم استخدام تهوية المياه الضحلة. عند عمق تركيب يبلغ 2 متر، أدى حجم تهوية يبلغ 0.5 م3/ساعة ومهوِّية بحجم مسام يبلغ 200 ميكرومتر إلى الحد الأقصى لكفاءة الطاقة النظرية بمقدار 1.97 كجم/(كيلوواط-ساعة).