عملکرد اکسیژن هوادهی میکرو متخلخل

در سیستم تصفیه فاضلاب، فرآیند هوادهی 45٪ تا 75٪ از انرژی مصرفی کل تصفیه خانه فاضلاب را به خود اختصاص می دهد، به منظور بهبود راندمان انتقال اکسیژن در فرآیند هوادهی، تصفیه خانه فاضلاب فعلی معمولاً به صورت میکرو متخلخل استفاده می شود. سیستم های هوادهی. در مقایسه با سیستم هوادهی حباب های بزرگ و متوسط، سیستم هوادهی ریز متخلخل می تواند در حدود 50 درصد مصرف انرژی با این وجود، میزان استفاده از اکسیژن در فرآیند هوادهی آن نیز در محدوده 20٪ تا 30٪ است. علاوه بر این، مناطق بیشتری در چین برای استفاده از فناوری هوادهی ریز متخلخل برای تصفیه رودخانه های آلوده وجود داشته است، اما هیچ تحقیقی در مورد چگونگی انتخاب معقول هواده های ریز متخلخل برای شرایط مختلف آب وجود ندارد. بنابراین، بهینه سازی پارامترهای عملکرد اکسیژن هوادهی میکرو متخلخل برای تولید و کاربرد واقعی از اهمیت زیادی برخوردار است.

عوامل زیادی بر عملکرد هوادهی میکرو متخلخل و اکسیژن‌رسانی تأثیر می‌گذارند که مهم‌ترین آنها حجم هوادهی، اندازه منافذ و عمق نصب آب است.

در حال حاضر، مطالعات کمتری در مورد رابطه بین عملکرد اکسیژن‌رسانی هواکش میکرو متخلخل و اندازه منافذ و عمق نصب در داخل و خارج از کشور وجود دارد. این تحقیق بیشتر بر بهبود ضریب انتقال جرم اکسیژن کل و ظرفیت اکسیژن‌رسانی متمرکز است و مشکل مصرف انرژی در فرآیند هوادهی را نادیده می‌گیرد. ما بازده تئوری توان را به عنوان شاخص اصلی تحقیق، همراه با ظرفیت اکسیژن رسانی و روند استفاده از اکسیژن در نظر می گیریم، در ابتدا حجم هوادهی، قطر دیافراگم و عمق نصب را زمانی که راندمان هوادهی بالاترین است، بهینه می کنیم تا مرجعی برای کاربرد ارائه کنیم. فناوری هوادهی میکرو متخلخل در پروژه واقعی

1.مواد و روش ها

1.1 تنظیم تست

مجموعه آزمایشی از پلکسی گلاس ساخته شده بود و بدنه اصلی یک مخزن هوادهی استوانه ای D {{0}}.4 متر × 2 متر با یک پروب اکسیژن محلول واقع در 0.5 متر زیر سطح آب بود (در شکل 1 نشان داده شده است. ).

شکل 1 تنظیم تست هوادهی و اکسیژن رسانی

1.2 مواد تست

هواکش میکرو متخلخل، ساخته شده از غشای لاستیکی، قطر 215 میلی متر، اندازه منافذ 50، 1{10}}0، 200، 500، 1 000 میکرومتر. تست اکسیژن محلول رومیزی Sension378، HACH، ایالات متحده آمریکا. دبی سنج روتور گاز، محدوده 0~3 m3/h، دقت ±0.2%. دمنده HC-S. کاتالیزور: CoCl{13}}H2O، از نظر تحلیلی خالص. دی اکسیدان: Na2SO3، از نظر تحلیلی خالص.

1.3 روش تست

آزمایش با استفاده از روش استاتیک غیر ساکن انجام شد، یعنی ابتدا در طول آزمایش، Na2SO3 و CoCl{3}}H2O برای اکسیژن‌زدایی دوز داده شد و زمانی که اکسیژن محلول در آب به {{5} کاهش یافت، هوادهی شروع شد. }. تغییرات در غلظت اکسیژن محلول در آب در طول زمان ثبت شد و مقدار KLa محاسبه شد. عملکرد اکسیژن‌رسانی تحت حجم‌های هوادهی مختلف (0.5، 1، 1.5، 2، 2.5، 3 m3/h)، اندازه‌های مختلف منافذ (50، 100،) آزمایش شد. 200، 500، 1،{21}} میکرومتر)، و عمق های مختلف آب (0.8، 1.1، 1.3، 1.5، 1.8، 2.0 متر)، و همچنین به CJ/T 3015 اشاره شده است.{35}} «تعیین عملکرد اکسیژن آب شفاف هواکش» و استانداردهای آزمایش اکسیژن‌رسانی آب شفاف ایالات متحده.

2. نتایج و بحث

2.1 اصل آزمون

اصل اساسی آزمایش بر اساس نظریه غشای دوگانه است که توسط ویتمن در سال 1923 ارائه شد. فرآیند انتقال جرم اکسیژن را می توان در رابطه (1) بیان کرد.

جایی که: dc/dt - نرخ انتقال جرم، یعنی مقدار اکسیژن منتقل شده در واحد حجم آب در واحد زمان، mg/(Ls).

KLa - ضریب انتقال اکسیژن کل هواکش در شرایط آزمایش، min-1 ;

C* - اکسیژن محلول اشباع شده در آب، میلی گرم در لیتر.

Ct - اکسیژن محلول در آب در لحظه هوادهی t, mg/L.

اگر دمای آزمایش 20 درجه نباشد، از رابطه (2) می توان برای تصحیح KLa استفاده کرد:

ظرفیت اکسیژن رسانی (OC، kg/h) با رابطه (3) بیان می شود.

کجا: V - حجم استخر هوادهی، m3.

استفاده از اکسیژن (SOTE، %) با رابطه (4) بیان می شود.

جایی که: q - حجم هوادهی در شرایط استاندارد، m3/h.

بازده تئوری توان [E, kg/(kW-h)] با رابطه (5) بیان می شود.

کجا: P - قدرت تجهیزات هوادهی، کیلو وات.

شاخص‌های رایج مورد استفاده برای ارزیابی عملکرد اکسیژن‌رسانی هواده ضریب انتقال جرم اکسیژن کل KLa، ظرفیت اکسیژن‌رسانی OC، میزان مصرف اکسیژن SOTE و بازده تئوری توان E [7] است. مطالعات موجود بیشتر بر روند ضریب انتقال جرم اکسیژن کل، ظرفیت اکسیژن‌رسانی و استفاده از اکسیژن و کمتر بر بازده نظری توان تمرکز کرده‌اند [8، 9]. بازده نظری توان به عنوان تنها شاخص کارایی [10] می تواند منعکس کننده مشکل مصرف انرژی در فرآیند هوادهی باشد که تمرکز این آزمایش است.

2.2 اثر هوادهی بر عملکرد اکسیژن رسانی

عملکرد اکسیژن رسانی در سطوح مختلف هوادهی با هوادهی در 2 متر پایین هواکش با اندازه منافذ 200 میکرومتر ارزیابی شد و نتایج در شکل 2 نشان داده شده است.

شکل 2 تغییر پتاسیم و استفاده از اکسیژن با سرعت هوادهی

همانطور که از شکل 2 مشاهده می شود، KLa به تدریج با افزایش حجم هوادهی افزایش می یابد. این عمدتا به این دلیل است که هرچه حجم هوادهی بیشتر باشد، منطقه تماس گاز و مایع بزرگتر و بازده اکسیژن بالاتر است. از سوی دیگر، برخی از محققان دریافتند که با افزایش حجم هوادهی میزان مصرف اکسیژن کاهش می یابد و وضعیت مشابهی در این آزمایش مشاهده شد. این به این دلیل است که در عمق معینی آب، زمانی که حجم هوادهی کم است، زمان ماندن حباب ها در آب افزایش می یابد و زمان تماس گاز و مایع طولانی می شود. هنگامی که حجم هوادهی زیاد باشد، اختلال در بدنه آبی شدید است و بیشتر اکسیژن به طور موثر استفاده نمی شود و در نهایت از سطح آب به شکل حباب در هوا آزاد می شود. سرعت استفاده از اکسیژن حاصل از این آزمایش در مقایسه با متون بالا نبود، احتمالاً به این دلیل که ارتفاع راکتور به اندازه کافی بالا نبود و مقدار زیادی از اکسیژن بدون تماس با ستون آب خارج شد و نرخ استفاده از اکسیژن را کاهش داد.

تغییر راندمان توان نظری (E) با هوادهی در شکل 3 نشان داده شده است.

شکل 3 راندمان توان نظری در مقابل حجم هوادهی

همانطور که در شکل 3 مشاهده می شود، بازده تئوری توان به تدریج با افزایش هوادهی کاهش می یابد. زیرا نرخ انتقال استاندارد اکسیژن با افزایش حجم هوادهی در شرایط خاص عمق آب افزایش می‌یابد، اما افزایش کار مفید مصرف شده توسط دمنده از افزایش نرخ انتقال استاندارد اکسیژن قابل توجه‌تر است، بنابراین بازده تئوری توان با افزایش حجم هوادهی در محدوده حجم هوادهی مورد بررسی در آزمایش کاهش می یابد. ترکیب روندها در شکل. در شکل 2 و 3، می توان دریافت که بهترین عملکرد اکسیژن رسانی در حجم هوادهی 5/5 متر مکعب در ساعت 0 به دست می آید.

2.3 تأثیر اندازه منافذ بر عملکرد اکسیژن

اندازه منافذ تأثیر زیادی در تشکیل حباب دارد، هر چه اندازه منافذ بزرگتر باشد، اندازه حباب بزرگتر است. حباب‌ها در عملکرد اکسیژن‌رسانی ضربه عمدتاً در دو جنبه ظاهر می‌شوند: اول، هرچه حباب‌های فردی کوچک‌تر باشند، سطح کلی حباب بزرگ‌تر باشد، منطقه تماس انتقال جرم گاز-مایع بزرگ‌تر باشد، برای انتقال مساعدتر است. اکسیژن؛ ثانیاً، هرچه حباب‌ها بزرگ‌تر باشند، نقش همزدن آب قوی‌تر است، مخلوط شدن گاز و مایع بین سریع‌تر، اثر اکسیژن‌سازی بهتر است. اغلب اولین نقطه در فرآیند انتقال جرم نقش اصلی را ایفا می کند. آزمایش حجم هوادهی را روی 0.5 مترمکعب در ساعت تنظیم می‌کند تا تأثیر اندازه منافذ بر KLa و استفاده از اکسیژن را بررسی کند، شکل 4 را ببینید.

شکل 4 منحنی های تغییر KLa و استفاده از اکسیژن با اندازه منافذ

همانطور که از شکل 4 مشاهده می شود، استفاده از KLa و اکسیژن با افزایش اندازه منافذ کاهش یافت. در شرایط عمق آب و حجم هوادهی یکسان، هوادهی هواکش دیافراگم 50 میکرومتر تقریباً سه برابر هواکش 1،{3}} میکرومتر است. بنابراین، هنگامی که هواکش در عمق معینی از آب نصب می شود، دیافراگم ظرفیت اکسیژن رسانی هواده کوچکتر و مصرف اکسیژن بیشتر است.

تغییر بازده تئوری توان با اندازه منافذ در شکل 5 نشان داده شده است.

شکل 5 راندمان توان نظری در مقابل اندازه منافذ

همانطور که از شکل 5 مشاهده می شود، بازده تئوری توان روند افزایشی و سپس کاهشی را با افزایش اندازه دیافراگم نشان می دهد. این به این دلیل است که از یک طرف، هواکش با دیافراگم کوچک دارای KLa و ظرفیت اکسیژن رسانی بیشتری است که برای اکسیژن رسانی مساعد است. از طرف دیگر با کاهش قطر دهانه، افت مقاومت در عمق آب معین افزایش می یابد. هنگامی که کاهش اندازه منافذ در کاهش مقاومت اثر ارتقاء بیشتر از نقش انتقال جرم اکسیژن باشد، با کاهش اندازه منافذ، بازده تئوری توان کاهش می‌یابد. بنابراین، هنگامی که قطر دیافراگم کوچک است، بازده نظری قدرت با افزایش قطر دیافراگم افزایش می‌یابد و قطر دیافراگم 200 میکرومتر برای رسیدن به حداکثر مقدار 1.91 کیلوگرم بر (کیلووات ساعت) افزایش می‌یابد. زمانی که قطر دهانه بیش از 200 میکرومتر باشد، افت مقاومت در فرآیند هوادهی دیگر نقش غالبی در فرآیند هوادهی ندارد، KLa و ظرفیت اکسیژن‌رسانی با افزایش قطر دهانه هواکش کاهش می‌یابد و بنابراین، از نظر نظری راندمان انرژی روند نزولی قابل توجهی را نشان می دهد.

2.4 تأثیر عمق آب نصب بر عملکرد اکسیژن رسانی

عمق آبی که هواکش در آن تعبیه شده است تأثیر بسیار چشمگیری در اثر هوادهی و اکسیژن رسانی دارد. هدف مطالعه تجربی، کانال آب کم عمق کمتر از 2 متر بود. عمق هوادهی هواکش با عمق آب استخر تعیین شد. مطالعات موجود عمدتاً بر عمق فرورفتگی هواکش متمرکز است (یعنی هواکش در کف استخر نصب می شود و با افزایش مقدار آب عمق آب افزایش می یابد) و آزمایش عمدتاً بر عمق نصب هواده متمرکز است. هواده (یعنی مقدار آب در استخر ثابت نگه داشته می شود و ارتفاع نصب هواده برای یافتن بهترین عمق آب برای اثر هوادهی تنظیم می شود) و تغییرات KLa و استفاده از اکسیژن با عمق آب در شکل 6 نشان داده شده است.

شکل 6 منحنی های تغییر K و استفاده از اکسیژن با عمق آب

شکل 6 نشان می دهد که با افزایش عمق آب، KLa و استفاده از اکسیژن هر دو روند افزایشی واضحی را نشان می دهند، با KLa بیش از چهار برابر در عمق 8/8 متری {{1} و عمق آب 2 متری متفاوت است. این به این دلیل است که هرچه آب عمیق تر باشد، زمان ماندن حباب ها در ستون آب بیشتر باشد، زمان تماس گاز و مایع بیشتر باشد، اثر انتقال اکسیژن بهتر است. بنابراین، هرچه هواکش عمیق‌تر نصب شود، ظرفیت اکسیژن‌رسانی و استفاده از اکسیژن بیشتر می‌شود. اما نصب عمق آب افزایش می‌یابد در عین حال تلفات مقاومت نیز افزایش می‌یابد، برای غلبه بر افت مقاومت باید میزان هوادهی را افزایش داد که به ناچار منجر به افزایش مصرف انرژی و هزینه‌های عملیاتی می‌شود. بنابراین، برای به دست آوردن عمق نصب بهینه، لازم است رابطه بین بازده تئوری توان و عمق آب مورد ارزیابی قرار گیرد، جدول 1 را ببینید.

جدول 1 نشان می دهد که بازده تئوری توان در عمق نصب 0.8 متر، با تنها 0.5 کیلوگرم/(کیلووات-ساعت) بسیار کم است، که باعث می شود هوادهی آب کم عمق نامناسب باشد. نصب عمق آب 1.1 ~ 1.5 متر محدوده، با توجه به افزایش قابل توجهی در ظرفیت اکسیژن رسانی، در حالی که هواده توسط اثر مقاومت آشکار نیست، بنابراین بهره وری قدرت نظری به سرعت افزایش می یابد. با افزایش بیشتر عمق آب تا 1.8 متر، اثر کاهش مقاومت بر عملکرد اکسیژن‌رسانی بیشتر و بیشتر می‌شود و در نتیجه رشد بازده تئوری قدرت تمایل به کاهش می‌یابد، اما همچنان روند افزایشی را نشان می‌دهد و در نصب از عمق آب 2 متر، بازده تئوری توان به حداکثر 1.97 کیلوگرم بر (کیلووات ساعت) می رسد. بنابراین، برای کانال های کمتر از 2 متر، هوادهی پایین برای اکسیژن رسانی بهینه ترجیح داده می شود.

نتیجه گیری

با استفاده از روش استاتیک غیر ثابت برای هوادهی میکرو متخلخل، آزمایش اکسیژن رسانی آب شفاف، در عمق آب آزمایشی (< 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.

بهره وری قدرت نظری تنها شاخص اثربخشی است. در شرایط آزمایش، بازده تئوری توان با هوادهی و نصب عمق آب افزایش می‌یابد، با افزایش روزنه ابتدا افزایش و سپس کاهش می‌یابد. نصب عمق و دیافراگم آب باید ترکیبی معقول باشد تا عملکرد اکسیژن‌رسانی را برای دستیابی به بهترین حالت انجام دهد، به طور کلی، هر چه عمق انتخاب آب در روزنه هواکش بزرگ‌تر باشد.

نتایج آزمایش نشان می دهد که نباید از هوادهی آب کم عمق استفاده کرد. در عمق نصب 2 متر، حجم هوادهی 0.5 مترمکعب در ساعت و هواکش با اندازه منافذ 200 میکرومتر منجر به حداکثر بازده نظری توان 1.97 کیلوگرم بر (کیلووات ساعت) شد.