ประสิทธิภาพการเติมออกซิเจนด้วยอากาศแบบพรุนขนาดเล็ก

ในระบบบำบัดน้ำเสีย กระบวนการเติมอากาศคิดเป็น 45% ถึง 75% ของการใช้พลังงานของโรงบำบัดน้ำเสียทั้งหมด เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการถ่ายเทออกซิเจนของกระบวนการเติมอากาศ โรงบำบัดน้ำเสียในปัจจุบันมักใช้ในพรุนขนาดเล็ก ระบบเติมอากาศ เมื่อเปรียบเทียบกับระบบเติมอากาศแบบฟองขนาดใหญ่และขนาดกลาง ระบบเติมอากาศแบบพรุนขนาดเล็กสามารถประหยัดพลังงานได้ประมาณ 50% อย่างไรก็ตาม อัตราการใช้ออกซิเจนของกระบวนการเติมอากาศก็อยู่ในช่วง 20% ถึง 30% เช่นกัน นอกจากนี้ มีหลายพื้นที่ในประเทศจีนที่ใช้เทคโนโลยีเติมอากาศที่มีรูพรุนขนาดเล็กสำหรับการบำบัดแม่น้ำที่มีมลพิษ แต่ไม่มีการวิจัยเกี่ยวกับวิธีการเลือกเครื่องเติมอากาศที่มีรูพรุนขนาดเล็กอย่างสมเหตุสมผลสำหรับสภาพน้ำที่แตกต่างกัน ดังนั้นการปรับปรุงพารามิเตอร์ประสิทธิภาพการเติมออกซิเจนของเครื่องเติมอากาศพรุนขนาดเล็กสำหรับการผลิตและการใช้งานจริงจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง

มีหลายปัจจัยที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพของการเติมอากาศที่มีรูพรุนขนาดเล็กและการเติมออกซิเจน ปัจจัยที่สำคัญที่สุดคือปริมาณการเติมอากาศ ขนาดรูพรุน และความลึกของน้ำ

ในปัจจุบัน มีการศึกษาเกี่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่างประสิทธิภาพการเติมออกซิเจนของเครื่องเติมอากาศพรุนขนาดเล็กกับขนาดรูพรุนและความลึกในการติดตั้งทั้งในและต่างประเทศ มีการศึกษาน้อยลง การวิจัยมุ่งเน้นไปที่การปรับปรุงค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายโอนมวลออกซิเจนทั้งหมดและความสามารถในการเติมออกซิเจน และละเลยปัญหาการใช้พลังงานในกระบวนการเติมอากาศ เรานำประสิทธิภาพพลังงานทางทฤษฎีเป็นดัชนีการวิจัยหลัก รวมกับความสามารถในการเติมออกซิเจนและแนวโน้มการใช้ออกซิเจน โดยเริ่มแรกจะปรับปริมาตรการเติมอากาศ เส้นผ่านศูนย์กลางรูรับแสง และความลึกในการติดตั้งให้เหมาะสมเมื่อประสิทธิภาพการเติมอากาศสูงที่สุด เพื่อเป็นข้อมูลอ้างอิงสำหรับการใช้งาน ของเทคโนโลยีเติมอากาศพรุนในโครงการจริง

1.วัสดุและวิธีการ

1.1 ทดสอบการตั้งค่า

การตั้งค่าการทดสอบทำจากเพล็กซี่กลาส และตัวเครื่องหลักคือถังเติมอากาศทรงกระบอก D {{0}}.4 ม. × 2 ม. พร้อมหัววัดออกซิเจนละลายน้ำซึ่งอยู่ใต้ผิวน้ำ 0.5 ม. (แสดงในรูปที่ 1 ).

รูปที่ 1 การตั้งค่าการทดสอบการเติมอากาศและออกซิเจน

1.2 วัสดุทดสอบ

เครื่องเติมอากาศพรุนขนาดเล็ก ทำจากเมมเบรนยาง เส้นผ่านศูนย์กลาง 215 มม. ขนาดรูพรุน 50, 100, 200, 500, 1 000 μm เครื่องทดสอบออกซิเจนละลายน้ำแบบตั้งโต๊ะ Sension378, HACH, สหรัฐอเมริกา เครื่องวัดอัตราการไหลของโรเตอร์แก๊ส ช่วง 0~3 ลบ.ม./ชม. ความแม่นยำ ±0.2% โบลเวอร์ HC-S ตัวเร่งปฏิกิริยา: CoCl2-6H2O บริสุทธิ์เชิงวิเคราะห์ สารต้านอนุมูลอิสระ: Na2SO3 บริสุทธิ์เชิงวิเคราะห์

1.3 วิธีทดสอบ

การทดสอบดำเนินการโดยใช้วิธีคงที่แบบไม่อยู่กับที่ กล่าวคือ มีการจ่าย Na2SO3 และ CoCl2-6H2O เป็นครั้งแรกเพื่อกำจัดออกซิเจนในระหว่างการทดสอบ และการเติมอากาศเริ่มขึ้นเมื่อออกซิเจนที่ละลายในน้ำลดลงเหลือ {{5} }. บันทึกการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของออกซิเจนที่ละลายในน้ำเมื่อเวลาผ่านไป และคำนวณค่า KLa ประสิทธิภาพการเติมออกซิเจนได้รับการทดสอบภายใต้ปริมาตรการเติมอากาศที่แตกต่างกัน (0.5, 1, 1.5, 2, 2.5, 3 ลบ.ม./ชม.) ขนาดรูพรุนต่างกัน (50, 100, 200, 500, 1,000 μm) และความลึกของน้ำที่แตกต่างกัน (0.8, 1.1, 1.3, 1.5, 1.8, 2.0 ม.) และยังอ้างอิงถึง CJ/T 3015 ด้วย2 -1993 "การกำหนดประสิทธิภาพการให้ออกซิเจนในน้ำใสของเติมอากาศ" และมาตรฐานการทดสอบออกซิเจนในน้ำใสของสหรัฐอเมริกา

2.ผลลัพธ์และการอภิปราย

2.1 หลักการทดสอบ

หลักการพื้นฐานของการทดสอบขึ้นอยู่กับทฤษฎีเมมเบรนสองชั้นที่วิทแมนเสนอในปี 1923 กระบวนการถ่ายโอนมวลออกซิเจนสามารถแสดงได้ในสมการ (1)

โดยที่: dc/dt - อัตราการถ่ายโอนมวล กล่าวคือ ปริมาณออกซิเจนที่ถูกถ่ายโอนต่อหน่วยปริมาตรของน้ำ ต่อหน่วยเวลา mg/(Ls)

KLa - สัมประสิทธิ์การถ่ายเทออกซิเจนรวมของเครื่องเติมอากาศที่สภาวะการทดสอบ, นาที-1 ;

C* - ออกซิเจนละลายในน้ำอิ่มตัว, มก./ลิตร

Ct - ออกซิเจนที่ละลายในน้ำในขณะที่เติมอากาศ t, mg/L

หากอุณหภูมิทดสอบไม่อยู่ที่ 20 องศา สามารถใช้สมการ (2) เพื่อแก้ไข KLa ได้:

ความสามารถในการเติมออกซิเจน (OC, กก./ชม.) แสดงตามสมการ (3)

โดยที่: V - ปริมาตรสระเติมอากาศ, m3

การใช้ออกซิเจน (SOTE, %) แสดงเป็นสมการ (4)

โดยที่: q - ปริมาตรการเติมอากาศในสภาวะมาตรฐาน, ลบ.ม./ชม.

ประสิทธิภาพการใช้พลังงานตามทฤษฎี [E, kg/(kW-h)] แสดงตามสมการ (5)

โดยที่: P - กำลังของอุปกรณ์เติมอากาศ, kW

ตัวบ่งชี้ที่ใช้กันทั่วไปในการประเมินประสิทธิภาพการให้ออกซิเจนของเครื่องเติมอากาศ ได้แก่ สัมประสิทธิ์การถ่ายโอนมวลออกซิเจนทั้งหมด KLa, ความสามารถในการเติมออกซิเจน OC, อัตราการใช้ออกซิเจน SOTE และประสิทธิภาพพลังงานตามทฤษฎี E [7] การศึกษาที่มีอยู่ได้มุ่งเน้นไปที่แนวโน้มของค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายโอนมวลออกซิเจนทั้งหมด ความจุของออกซิเจน และการใช้ออกซิเจน และน้อยลงไปที่ประสิทธิภาพการใช้พลังงานตามทฤษฎี [8, 9] ประสิทธิภาพการใช้พลังงานตามทฤษฎี ซึ่งเป็นดัชนีประสิทธิภาพเพียงอย่างเดียว [10] สามารถสะท้อนถึงปัญหาการใช้พลังงานในกระบวนการเติมอากาศ ซึ่งเป็นจุดเน้นของการทดลองนี้

2.2 ผลของการเติมอากาศต่อประสิทธิภาพการให้ออกซิเจน

ประสิทธิภาพการให้ออกซิเจนในระดับการเติมอากาศที่แตกต่างกันได้รับการประเมินโดยการเติมอากาศที่ด้านล่าง 2 เมตรของเครื่องเติมอากาศที่มีขนาดรูพรุน 200 μm และผลลัพธ์จะแสดงในรูปที่ 2

รูปที่ 2 ความแปรผันของ K และการใช้ออกซิเจนด้วยอัตราการเติมอากาศ

ดังที่เห็นได้จากรูปที่ 2 ค่า KLa จะค่อยๆ เพิ่มขึ้นตามปริมาณการเติมอากาศที่เพิ่มขึ้น สาเหตุหลักมาจากยิ่งปริมาณการเติมอากาศมากขึ้น พื้นที่สัมผัสระหว่างก๊าซและของเหลวก็จะมากขึ้น และประสิทธิภาพในการเติมออกซิเจนก็จะสูงขึ้นตามไปด้วย ในทางกลับกัน นักวิจัยบางคนพบว่าอัตราการใช้ออกซิเจนลดลงตามปริมาณการเติมอากาศที่เพิ่มขึ้น และพบสถานการณ์ที่คล้ายคลึงกันในการทดลองนี้ เนื่องจากภายใต้ระดับความลึกของน้ำที่แน่นอน เวลาการคงตัวของฟองอากาศในน้ำจะเพิ่มขึ้นเมื่อมีปริมาตรการเติมอากาศน้อย และเวลาสัมผัสระหว่างก๊าซและของเหลวจะนานขึ้น เมื่อปริมาณการเติมอากาศมีมาก การรบกวนของแหล่งน้ำจะรุนแรง และออกซิเจนส่วนใหญ่ไม่ได้ใช้อย่างมีประสิทธิภาพ และในที่สุดก็ถูกปล่อยออกจากผิวน้ำในรูปของฟองอากาศสู่อากาศ อัตราการใช้ออกซิเจนที่ได้จากการทดลองนี้ไม่สูงเมื่อเทียบกับบทความวิจัย อาจเป็นเพราะความสูงของเครื่องปฏิกรณ์ไม่สูงพอ และออกซิเจนจำนวนมากหลบหนีออกไปโดยไม่สัมผัสกับคอลัมน์น้ำ ส่งผลให้อัตราการใช้ออกซิเจนลดลง

ความแปรผันของประสิทธิภาพการใช้พลังงานตามทฤษฎี (E) ด้วยการเติมอากาศจะแสดงในรูปที่ 3

รูปที่ 3 ประสิทธิภาพการใช้พลังงานตามทฤษฎีเทียบกับปริมาณการเติมอากาศ

ดังที่เห็นในรูปที่ 3 ประสิทธิภาพพลังงานตามทฤษฎีจะค่อยๆ ลดลงตามการเติมอากาศที่เพิ่มขึ้น เนื่องจากอัตราการถ่ายโอนออกซิเจนมาตรฐานจะเพิ่มขึ้นตามปริมาณการเติมอากาศที่เพิ่มขึ้นภายใต้สภาวะความลึกของน้ำบางอย่าง แต่การเพิ่มขึ้นของงานที่มีประโยชน์ที่ใช้โดยเครื่องเป่าลมมีความสำคัญมากกว่าการเพิ่มขึ้นของอัตราการถ่ายโอนออกซิเจนมาตรฐาน ดังนั้น ประสิทธิภาพการใช้พลังงานตามทฤษฎี ลดลงตามการเพิ่มขึ้นของปริมาตรการเติมอากาศภายในช่วงปริมาตรการเติมอากาศที่ตรวจสอบในการทดลอง การรวมแนวโน้มในรูป เบอร์ 2 และ 3 พบว่าประสิทธิภาพการให้ออกซิเจนดีที่สุดอยู่ที่ปริมาตรการเติมอากาศ 0.5 ลบ.ม./ชม.

2.3 ผลกระทบของขนาดรูพรุนต่อประสิทธิภาพการให้ออกซิเจน

ขนาดรูพรุนมีอิทธิพลอย่างมากต่อการก่อตัวของฟอง ยิ่งรูพรุนมีขนาดใหญ่เท่าใด ขนาดของฟองก็จะยิ่งใหญ่ขึ้นเท่านั้น ฟองอากาศที่มีต่อประสิทธิภาพการเติมออกซิเจนของผลกระทบนั้นส่วนใหญ่แสดงออกมาในสองลักษณะ: ประการแรก ยิ่งฟองแต่ละฟองเล็กลง พื้นที่ผิวจำเพาะของฟองโดยรวมก็จะใหญ่ขึ้น พื้นที่สัมผัสการถ่ายโอนมวลก๊าซและของเหลวก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ซึ่งเอื้อต่อการถ่ายโอนมากขึ้น ออกซิเจน; ประการที่สอง ยิ่งฟองมีขนาดใหญ่เท่าใด บทบาทของการกวนน้ำก็จะยิ่งแข็งแกร่งมากขึ้นเท่านั้น ก๊าซและของเหลวจะผสมระหว่างกันเร็วขึ้น ผลของออกซิเจนก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น บ่อยครั้งจุดแรกในกระบวนการถ่ายโอนมวลชนมีบทบาทสำคัญ การทดสอบจะตั้งค่าปริมาตรการเติมอากาศไว้ที่ 0.5 ลบ.ม./ชม. เพื่อตรวจสอบผลกระทบของขนาดรูพรุนต่อ KLa และการใช้ออกซิเจน ดูรูปที่ 4

รูปที่ 4 กราฟความแปรผันของ KLa และการใช้ออกซิเจนพร้อมขนาดรูพรุน

ดังที่เห็นได้จากรูปที่ 4 ทั้ง KLa และการใช้ออกซิเจนลดลงตามขนาดรูพรุนที่เพิ่มขึ้น ภายใต้เงื่อนไขของความลึกของน้ำและปริมาตรการเติมอากาศที่เท่ากัน KLa ของเครื่องเติมอากาศที่มีรูรับแสงขนาด 50 μm มีค่าประมาณสามเท่าของความลึกของน้ำและปริมาตรการเติมอากาศที่ 1,{3}} μm ดังนั้น เมื่อติดตั้งเครื่องเติมอากาศในน้ำที่ระดับความลึกหนึ่ง รูรับแสงของความสามารถในการเติมออกซิเจนของเครื่องเติมอากาศและการใช้ออกซิเจนก็จะยิ่งน้อยลงเท่านั้น

ความแปรผันของประสิทธิภาพการใช้พลังงานตามทฤษฎีพร้อมขนาดรูพรุนจะแสดงในรูปที่ 5

รูปที่ 5 ประสิทธิภาพการใช้พลังงานตามทฤษฎีเทียบกับขนาดรูพรุน

ดังที่เห็นได้จากรูปที่ 5 ประสิทธิภาพพลังงานตามทฤษฎีแสดงแนวโน้มเพิ่มขึ้นแล้วลดลงตามขนาดรูรับแสงที่เพิ่มขึ้น เนื่องจากในด้านหนึ่ง เครื่องเติมอากาศแบบรูรับแสงขนาดเล็กมี KLa และความจุออกซิเจนที่มากกว่า ซึ่งเอื้อต่อการเติมออกซิเจน ในทางกลับกัน การสูญเสียความต้านทานภายใต้ความลึกของน้ำจะเพิ่มขึ้นตามขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางรูรับแสงที่ลดลง เมื่อการลดขนาดรูพรุนต่อการสูญเสียความต้านทานของเอฟเฟกต์การเลื่อนมากกว่าบทบาทของการถ่ายโอนมวลออกซิเจน ประสิทธิภาพพลังงานทางทฤษฎีจะลดลงตามการลดขนาดรูพรุน ดังนั้น เมื่อเส้นผ่านศูนย์กลางรูรับแสงเล็ก ประสิทธิภาพการใช้พลังงานตามทฤษฎีจะเพิ่มขึ้นตามการเพิ่มขึ้นของเส้นผ่านศูนย์กลางรูรับแสง และเส้นผ่านศูนย์กลางรูรับแสง 200 μm เพื่อให้ได้ค่าสูงสุด 1.91 กก./(kW-h) เมื่อเส้นผ่านศูนย์กลางรูรับแสง > 200 μm การสูญเสียความต้านทานในกระบวนการเติมอากาศไม่มีบทบาทสำคัญในกระบวนการเติมอากาศอีกต่อไป KLa และความสามารถในการเติมออกซิเจนด้วยการเพิ่มเส้นผ่านศูนย์กลางรูรับแสงของเครื่องเติมอากาศจะลดลง ดังนั้น ตามทฤษฎี ประสิทธิภาพการใช้พลังงานมีแนวโน้มลดลงอย่างมีนัยสำคัญ

2.4 ผลกระทบของความลึกของน้ำในการติดตั้งต่อประสิทธิภาพการให้ออกซิเจน

ความลึกของน้ำที่ติดตั้งเครื่องเติมอากาศมีผลอย่างมากต่อการเติมอากาศและออกซิเจน เป้าหมายของการศึกษาทดลองคือร่องน้ำตื้นที่มีความสูงไม่เกิน 2 เมตร ความลึกของการเติมอากาศของเครื่องเติมอากาศถูกกำหนดโดยความลึกของน้ำในสระ การศึกษาที่มีอยู่มุ่งเน้นไปที่ความลึกใต้น้ำของเครื่องเติมอากาศเป็นหลัก (เช่น ติดตั้งเครื่องเติมอากาศที่ด้านล่างของสระ และความลึกของน้ำจะเพิ่มขึ้นโดยการเพิ่มปริมาณน้ำ) และการทดสอบส่วนใหญ่จะมุ่งเน้นไปที่ความลึกในการติดตั้งของ เครื่องเติมอากาศ (เช่น ปริมาณน้ำในสระจะคงที่ และความสูงในการติดตั้งเครื่องเติมอากาศจะถูกปรับเพื่อหาความลึกของน้ำที่ดีที่สุดสำหรับการเติมอากาศ) และการเปลี่ยนแปลงของ KLa และการใช้ออกซิเจนกับความลึกของน้ำ แสดงใน มะเดื่อ 6.

รูปที่ 6 กราฟความแปรผันของ K และการใช้ออกซิเจนกับความลึกของน้ำ

รูปที่ 6 แสดงให้เห็นว่าด้วยความลึกของน้ำที่เพิ่มขึ้น ทั้ง KLa และการใช้ออกซิเจนแสดงแนวโน้มที่เพิ่มขึ้นอย่างชัดเจน โดยที่ KLa แตกต่างกันมากกว่าสี่เท่าที่ความลึกของน้ำ 0.8 ม. และความลึกของน้ำ 2 ม. เนื่องจากยิ่งน้ำลึกเท่าไร ระยะเวลาการคงตัวของฟองอากาศในคอลัมน์น้ำก็จะนานขึ้นเท่านั้น เวลาสัมผัสระหว่างก๊าซและของเหลวก็จะนานขึ้นเท่านั้น ผลการถ่ายโอนออกซิเจนก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น ดังนั้นยิ่งติดตั้งเครื่องเติมอากาศลึกเท่าไรก็ยิ่งเอื้อต่อความสามารถในการออกซิเจนและการใช้ออกซิเจนมากขึ้นเท่านั้น แต่การติดตั้งความลึกของน้ำจะเพิ่มขึ้น ในขณะเดียวกัน การสูญเสียความต้านทานก็จะเพิ่มขึ้นเช่นกัน เพื่อที่จะเอาชนะการสูญเสียความต้านทาน จำเป็นต้องเพิ่มปริมาณการเติมอากาศ ซึ่งจะนำไปสู่การเพิ่มขึ้นของการใช้พลังงานและค่าใช้จ่ายในการดำเนินงานอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ดังนั้น เพื่อให้ได้ความลึกในการติดตั้งที่เหมาะสมที่สุด จึงจำเป็นต้องประเมินความสัมพันธ์ระหว่างประสิทธิภาพการใช้พลังงานตามทฤษฎีและความลึกของน้ำ ดูตารางที่ 1

ตารางที่ 1 แสดงให้เห็นว่าประสิทธิภาพการใช้พลังงานตามทฤษฎีต่ำมากที่ความลึกในการติดตั้ง 0.8 ม. โดยมีเพียง 0.5 กก./(kW-h) ทำให้การเติมอากาศในน้ำตื้นไม่เหมาะสม การติดตั้งระดับความลึกของน้ำ 1.1 ~ 1.5 เมตร เนื่องจากความสามารถในการเติมออกซิเจนเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ ในขณะที่เครื่องเติมอากาศจากผลความต้านทานไม่ชัดเจน ดังนั้นประสิทธิภาพการใช้พลังงานตามทฤษฎีจึงเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว เมื่อความลึกของน้ำเพิ่มขึ้นอีกเป็น 1.8 ม. ผลกระทบของการสูญเสียความต้านทานต่อประสิทธิภาพการให้ออกซิเจนจะมีนัยสำคัญมากขึ้นเรื่อย ๆ ส่งผลให้การเติบโตของประสิทธิภาพการใช้พลังงานตามทฤษฎีมีแนวโน้มที่จะลดลง แต่ยังคงแสดงแนวโน้มที่เพิ่มขึ้น และในการติดตั้ง ของระดับความลึกของน้ำ 2 ม. ประสิทธิภาพพลังงานตามทฤษฎีจะสูงถึง 1.97 กก./(kW-h) ดังนั้น สำหรับช่อง < 2 ม. ควรเติมอากาศด้านล่างเพื่อให้ออกซิเจนเหมาะสมที่สุด

บทสรุป

ใช้วิธีการแบบไม่คงที่คงที่สำหรับการทดสอบออกซิเจนในน้ำใสด้วยการเติมอากาศพรุนขนาดเล็ก ในการทดสอบความลึกของน้ำ (< 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.

ประสิทธิภาพการใช้พลังงานตามทฤษฎีเป็นเพียงตัวบ่งชี้ประสิทธิภาพเท่านั้น ในสภาวะการทดสอบ ประสิทธิภาพพลังงานตามทฤษฎีที่มีการเติมอากาศและการติดตั้งความลึกของน้ำจะเพิ่มขึ้น โดยการเพิ่มรูรับแสงจะเพิ่มขึ้นก่อนแล้วจึงลดลง การติดตั้งความลึกของน้ำและรูรับแสงควรเป็นการผสมผสานที่สมเหตุสมผลเพื่อให้ประสิทธิภาพการเติมออกซิเจนบรรลุผลดีที่สุด โดยทั่วไป ยิ่งความลึกของการเลือกน้ำของรูรับแสงของเครื่องเติมอากาศยิ่งใหญ่ขึ้น

ผลการทดสอบระบุว่าไม่ควรใช้การเติมอากาศน้ำตื้น ที่ความลึกในการติดตั้ง 2 ม. ปริมาตรการเติมอากาศ 0.5 ลบ.ม./ชม. และเครื่องเติมอากาศที่มีขนาดรูพรุน 200 μm ส่งผลให้ประสิทธิภาพพลังงานตามทฤษฎีสูงสุดอยู่ที่ 1.97 กก./(kW-h)