Informe de prueba de oxigenación por aireación de burbujas finas

En el sistema de tratamiento de aguas residuales, el proceso de aireación representa del 45% al ​​75% del consumo de energía de toda la planta de tratamiento de aguas residuales. Para mejorar la eficiencia de transferencia de oxígeno del proceso de aireación, la planta de tratamiento de aguas residuales actual se utiliza comúnmente en microporosos. sistemas de aireación. En comparación con el sistema de aireación de burbujas gryes y medianas, el sistema de aireación microporoso puede ahorrar alrededor del 50% del consumo de energía. Sin embargo, la tasa de utilización de oxígeno en su proceso de aireación también está en el rango del 20% al 30%. Además, ha habido más áreas en China que utilizan tecnología de aireación microporosa para el tratamiento de ríos contaminados, pero no hay investigaciones sobre cómo seleccionar razonablemente aireadores microporosos para diferentes condiciones del agua. Por lo tanto, la optimización de los parámetros de rendimiento de oxigenación del aireador microporoso para la producción y aplicación reales es de gran importancia.

Hay muchos factores que afectan el rendimiento de la aireación y oxigenación microporosa, los más importantes son el volumen de aireación, el tamaño de los poros y la profundidad del agua.

En la actualidad, hay menos estudios sobre la relación entre el rendimiento de oxigenación del aireador microporoso y el tamaño de los poros y la profundidad de instalación en el país y en el extranjero. La investigación se centra más en la mejora del coeficiente de transferencia de masa total de oxígeno y la capacidad de oxigenación, y descuida el problema del consumo de energía en el proceso de aireación. Tomamos la eficiencia energética teórica como principal índice de investigación, combinada con la capacidad de oxigenación y la tendencia de utilización de oxígeno, optimizamos inicialmente el volumen de aireación, el diámetro de apertura y la profundidad de instalación cuando la eficiencia de aireación es la más alta, para proporcionar una referencia para la aplicación. de la tecnología de aireación microporosa en el proyecto real.

1.Materiales y métodos

1.1 Configuración de prueba
La configuración de la prueba se hizo de plexiglás y el cuerpo principal era un tanque de aireación cilíndrico D de 0,4 m × 2 m con una sonda de oxígeno disuelto ubicada a 0,5 m debajo de la superficie del agua (como se muestra en la Figura 1).


Figura 1 Configuración de la prueba de aireación y oxigenación

1.2 Materiales de prueba
Aireador microporoso, fabricado con membrana de goma, diámetro 215 mm, tamaño de poro 50, 100, 200, 500, 1 000 μm. Probador de oxígeno disuelto de mesa sension378, HACH, EE. UU. Medidor de flujo de rotor de gas, rango 0~3 m3/h, precisión ±0,2%. Soplador HC-S. Catalizador: CoCl2-6H2O, analíticamente puro; Desoxidante: Na2SO3, analíticamente puro.



1.3 Método de prueba
La prueba se realizó utilizando el método estático no estacionario, es decir, primero se dosificaron Na2SO3 y CoCl2-6H2O para desoxigenar durante la prueba, y la aireación se inició cuando el oxígeno disuelto en el agua se redujo a 0. Cambios en la concentración de oxígeno disuelto en el agua a lo largo del tiempo y se calculó el valor de KLa. El rendimiento de la oxigenación se probó en diferentes volúmenes de aireación (0,5, 1, 1,5, 2, 2,5, 3 m3/h), diferentes tamaños de poro (50, 100, 200, 500, 1000 μm) y diferentes profundidades de agua (0,8, 1,1, 1,000 μm). 1,3, 1,5, 1,8, 2,0 m), y también se hizo referencia al CJ/T
3015.2 -1993 "Determinación del rendimiento de oxigenación del agua clara del aireador" y los estándares de prueba de oxigenación del agua clara de los Estados Unidos.

La utilización de oxígeno (SOTE, %) se expresa mediante la ecuación (4).

Donde: q - volumen de aireación en condiciones estándar, m3/h.

La eficiencia energética teórica [E, kg/(kW-h)] se expresa mediante la ecuación (5).

Donde: P - potencia del equipo de aireación, kW.

Los indicadores comúnmente utilizados para evaluar el rendimiento de oxigenación del aireador son el coeficiente de transferencia de masa de oxígeno total KLa, la capacidad de oxigenación OC, la tasa de utilización de oxígeno SOTE y la eficiencia energética teórica E [7]. Los estudios existentes se han centrado más en las tendencias del coeficiente de transferencia de masa total de oxígeno, la capacidad de oxigenación y la utilización de oxígeno, y menos en la eficiencia energética teórica [8, 9]. La eficiencia energética teórica, como único índice de eficiencia [10], puede reflejar el problema del consumo de energía en el proceso de aireación, que es el foco de este experimento.

2.2 Efecto de la aireación sobre el rendimiento de la oxigenación.

El rendimiento de la oxigenación a diferentes niveles de aireación se evaluó mediante aireación en los 2 m inferiores del aireador con un tamaño de poro de 200 μm, y los resultados se muestran en la Fig. 2.

Fig. 2 Variación de la utilización de K y oxígeno con la tasa de aireación.

Como puede verse en la Fig. 2, KLa aumenta gradualmente con el aumento del volumen de aireación. Esto se debe principalmente a que cuanto mayor es el volumen de aireación, mayor es el área de contacto gas-líquido y mayor es la eficiencia de oxigenación. Por otro lado, algunos investigadores encontraron que la tasa de utilización de oxígeno disminuía con el aumento del volumen de aireación, y en este experimento se encontró una situación similar. Esto se debe a que bajo una cierta profundidad de agua, el tiempo de residencia de las burbujas en el agua aumenta cuando el volumen de aireación es pequeño y el tiempo de contacto gas-líquido se prolonga; cuando el volumen de aireación es grande, la perturbación de la masa de agua es fuerte y la mayor parte del oxígeno no se utiliza eficazmente y, finalmente, se libera de la superficie del agua en forma de burbujas al aire. La tasa de utilización de oxígeno derivada de este experimento no fue alta en comparación con la literatura, probablemente porque la altura del reactor no era lo suficientemente alta y una gran cantidad de oxígeno escapó sin entrar en contacto con la columna de agua, lo que redujo la tasa de utilización de oxígeno.

La variación de la eficiencia energética teórica (E) con aireación se muestra en la Fig. 3.

Fig. 3 Eficiencia energética teórica versus volumen de aireación

Como se puede ver en la Fig. 3, la eficiencia energética teórica disminuye gradualmente al aumentar la aireación. Esto se debe a que la tasa de transferencia de oxígeno estándar aumenta con el aumento del volumen de aireación bajo ciertas condiciones de profundidad del agua, pero el aumento en el trabajo útil consumido por el soplador es más significativo que el aumento en la tasa de transferencia de oxígeno estándar, por lo que la eficiencia energética teórica disminuye con el aumento del volumen de aireación dentro del rango de volumen de aireación examinado en el experimento. Combinando las tendencias de las Figs. 2 y 3, se puede encontrar que el mejor rendimiento de oxigenación se logra con un volumen de aireación de 0,5 m3/h.

2.3 Efecto del tamaño de los poros sobre el rendimiento de la oxigenación.

El tamaño de los poros tiene una gran influencia en la formación de burbujas, cuanto mayor sea el tamaño de los poros, mayor será el tamaño de la burbuja. Las burbujas sobre el rendimiento de oxigenación del impacto se manifiestan principalmente en dos aspectos: primero, cuanto más pequeñas son las burbujas individuales, mayor es el área de superficie específica de la burbuja en general, mayor es el área de contacto de transferencia de masa gas-líquido, más propicio para la transferencia de oxígeno; En segundo lugar, cuanto más grandes sean las burbujas, más fuerte será la función de agitar el agua, y cuanto más rápido se mezcle el gas y el líquido, mejor será el efecto de la oxigenación. A menudo, el primer punto del proceso de transferencia de masa juega un papel importante. La prueba será un volumen de aireación establecido en 0,5 m3/h, para examinar el efecto del tamaño de los poros sobre el KLa y la utilización de oxígeno, consulte la Figura 4.


Figura 4. Curvas de variación de KLa y utilización de oxígeno con el tamaño de poro.

Como puede verse en la Fig. 4, tanto el KLa como la utilización de oxígeno disminuyeron con el aumento del tamaño de los poros. Bajo la condición de la misma profundidad de agua y volumen de aireación, el KLa del aireador de apertura de 50 μm es aproximadamente tres veces mayor que el del aireador de apertura de 1000 μm. Por lo tanto, cuando el aireador se instala a una cierta profundidad de agua, cuanto menor es la apertura del aireador, mayor es la capacidad de oxigenación y la utilización de oxígeno.

La variación de la eficiencia energética teórica con el tamaño de los poros se muestra en la Fig.

Fig. 5 Eficiencia energética teórica versus tamaño de poro
Como puede verse en la Fig. 5, la eficiencia energética teórica muestra una tendencia de aumento y luego disminución con el aumento del tamaño de apertura. Esto se debe a que, por un lado, el aireador de pequeña apertura tiene un mayor KLa y capacidad de oxigenación, lo que favorece la oxigenación. Por otro lado, la pérdida de resistencia bajo una cierta profundidad de agua aumenta con la disminución del diámetro de la abertura. Cuando la reducción del tamaño de los poros en la pérdida de resistencia del efecto de promoción es mayor que el papel de la transferencia de masa de oxígeno, la eficiencia energética teórica se reducirá con la reducción del tamaño de los poros. Por lo tanto, cuando el diámetro de apertura es pequeño, la eficiencia energética teórica aumentará con el aumento del diámetro de apertura y el diámetro de apertura de 200 μm para alcanzar el valor máximo de 1,91 kg/(kW-h); cuando el diámetro de apertura > 200 μm, la pérdida de resistencia en el proceso de aireación ya no juega un papel dominante en el proceso de aireación, el KLa y la capacidad de oxigenación con el aumento en el diámetro de apertura del aireador se reducirán y, por lo tanto, el valor teórico La eficiencia energética muestra una importante tendencia a la baja.

2.4 Efecto de la profundidad del agua de instalación sobre el rendimiento de oxigenación

La profundidad del agua en la que se instala el aireador tiene un efecto muy significativo sobre el efecto de aireación y oxigenación. El objetivo del estudio experimental era un canal de agua poco profundo de menos de 2 m. La profundidad de aireación del aireador estaba determinada por la profundidad del agua de la piscina. Los estudios existentes se centran principalmente en la profundidad sumergida del aireador (es decir, el aireador se instala en el fondo de la piscina y la profundidad del agua aumenta al aumentar la cantidad de agua), y la prueba se centra principalmente en la profundidad de instalación del aireador (es decir, la cantidad de agua en la piscina se mantiene constante y la altura de instalación del aireador se ajusta para encontrar la mejor profundidad de agua para el efecto de aireación), y los cambios de KLa y utilización de oxígeno con la profundidad del agua son se muestra en la Fig. 6.


Fig. 6 Curvas de variación de K y utilización de oxígeno con la profundidad del agua.
La Figura 6 muestra que con el aumento de la profundidad del agua, tanto el KLa como la utilización de oxígeno muestran una clara tendencia creciente, con KLa difiriendo en más de cuatro veces a 0,8 m de profundidad de agua y a 2 m de profundidad de agua. Esto se debe a que cuanto más profunda es el agua, mayor es el tiempo de residencia de las burbujas en la columna de agua, mayor es el tiempo de contacto gas-líquido y mejor es el efecto de transferencia de oxígeno. Por lo tanto, cuanto más profundo esté instalado el aireador, más propicio será la capacidad de oxigenación y la utilización del oxígeno. Pero la instalación de la profundidad del agua aumenta al mismo tiempo que la pérdida de resistencia también aumentará; para superar la pérdida de resistencia, es necesario aumentar la cantidad de aireación, lo que inevitablemente conducirá a un aumento en el consumo de energía y los costos operativos. Por lo tanto, para obtener la profundidad de instalación óptima, es necesario evaluar la relación entre la eficiencia energética teórica y la profundidad del agua, ver Tabla 1.

Tabla 1 Eficiencia energética teórica en función de la profundidad del agua
Profundidad/m	E/(kg.kw-1.h-1)	Profundidad/m	E/(kg.kw-1.h-1)
0.8	0.50	1.1	1.10

La Tabla 1 muestra que la eficiencia energética teórica es extremadamente baja a una profundidad de instalación de 0,8 m, con sólo 0,5 kg/(kW-h), lo que hace que la aireación de aguas poco profundas sea inapropiada. La instalación de una profundidad de agua de 1,1 ~ 1,5 m de rango, debido al aumento significativo de la capacidad de oxigenación, mientras que el aireador por el efecto de resistencia no es obvio, por lo que la eficiencia energética teórica aumenta rápidamente. A medida que la profundidad del agua aumenta hasta 1,8 m, el efecto de la pérdida de resistencia sobre el rendimiento de oxigenación se vuelve cada vez más significativo, lo que da como resultado el crecimiento de la eficiencia energética teórica que tiende a estabilizarse, pero aún muestra una tendencia creciente, y en la instalación a una profundidad de agua de 2 m, la eficiencia energética teórica alcanza un máximo de 1,97 kg/(kW-h). Por lo tanto, para canales < 2 m, se prefiere la aireación del fondo para una oxigenación óptima.

3.Conclusión

Utilizando el método estático no estacionario para la prueba de oxigenación de agua clara con aireación microporosa, en las condiciones de profundidad de agua de prueba (< 2 m) y tamaño de poro (50 ~ 1 000 μm), el coeficiente de transferencia de masa de oxígeno total KLa y la utilización de oxígeno aumentaron con el instalación de la profundidad del agua; con el aumento del tamaño de los poros y disminuyó. En el proceso de aumentar el volumen de aireación de 0,5 m3/h a 3 m3/h, el coeficiente de transferencia de masa de oxígeno total y la capacidad de oxigenación aumentaron gradualmente y la tasa de utilización de oxígeno disminuyó.

La eficiencia energética teórica es el único indicador de eficacia. En las condiciones de prueba, la eficiencia energética teórica con la aireación y la instalación de la profundidad del agua aumenta, con el aumento de la apertura primero aumenta y luego disminuye. La instalación de la profundidad del agua y la apertura debe ser una combinación razonable para lograr el mejor rendimiento de oxigenación; en general, cuanto mayor sea la selección de profundidad de agua de la apertura del aireador, mayor.

Los resultados de las pruebas indican que no se debe utilizar la aireación en aguas poco profundas. A una profundidad de instalación de 2 m, un volumen de aireación de 0,5 m3/h y un aireador con un tamaño de poro de 200 μm dieron como resultado una eficiencia energética máxima teórica de 1,97 kg/(kW-h).

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