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美国应用科学杂志8（7）：662-674，2011

ISSN 1546-9239

copy;2011年科学出版物

盘式曝气器氧化沟系统的性能评价

Abdel Ghaly and Ashley Thistle

达尔豪西大学过程工程与应用科学系，哈利法克斯，新斯科舍，加拿大

摘要：问题陈述：

被用于处理各种类型的废水。几种类型的曝气器被用来给处理工艺供氧。在这些设备中，盘式曝气器在转刷产生泡沫上有一定的优势。但这种曝气器的主要缺点是有限的供氧能力。本研究的主要目的是研究不同的设计参数和系统的操作参数对系统的充氧能力的影响。方法：一小型氧化沟系统配备了盘式曝气器是用来更好的了解氧的传递现象，同时研究的孔直径，孔数，盘厚，盘速，浸入深度和数量对充氧系统的影响。亚硫酸盐氧化的非稳态法被用来给水脱氧。该试验涉用化学方法去除水中的溶解氧，然后充氧。测定了功率消耗，测定了氧传递系数和计算了充氧能力和充氧效率。结果：氧转移系数受浸入深度、孔直径、盘速、盘厚和盘数量的影响，同时盘速影响最大。结果表明：三个物理过程，同时促成了盘式曝气器的氧传递：气泡曝气、涡流曝气和表面曝气。结论：通过氧化沟使用亚硫酸钠和氯化钴去除水中氧气是非常一致的有效并且该结果可重复。发现当使用曝气盘厚度为2.55厘米，直径为1.92厘米，孔数量为48时，达到最高的充氧能力。该系统预计在实际条件下（23-164 mgO₂/L-h）提供广泛氧传输速率，以满足在好氧处理系统中遇到的不同的工艺要求。

关键词：氧化沟，曝气，脱氧，氧传递，充氧能力，盘式曝气器，系数，生物处理，传质机理，扩散系数，液相，亚硫酸钠。

简 介

污水采用好氧生物系统已经成功处理。(Pell and Worman, 2008; LaPara and Alleman, 1998; Groves 等人, 1992; Fenlon and Mills, 1980)。任何曝气装置的主要功能是：(a)向液体提供足够数量的氧气以维持有氧条件。(b)循环液体使固体悬浮，避免沉降，（C）将含氧液体分布在液体内以避免部分厌氧（D）保持微生物细胞、营养物质和溶解氧之间的良好接触，确保有机物的高效生物降解（gresch等人，2010）。从使用运营的角度上来看，曝气过程应以最少成本处理每公斤废物。

氧化沟系统已成功用于污水处理。(Liu 等人, 2009; Xie 等人, 2006; Xia and Liu, 2003)。氧化沟基本上由一个封闭的循环，液体循环的开放通道和由机械装置保持的氧气输入组成。盘式曝气器(Wu,1995; Gomolka and Gomolka, 1991; Ghaly and Kok,

1986)是一种传统上氧化沟使用的可替换转刷。(Moulick 等人, 2002; Jones 等人, 1971)产生泡沫具有一定的优势但是个别曝气器的充氧能力是有限的，建议在旋转轴上使用一些曝气器，以获得更大的充氧能力。(Drews 等人， 1972)从能源消耗的角度，它会更加高效的提高单盘曝气器充氧能力而不仅仅是用大量的曝气盘，这可以由盘式曝气器的设计参数和运行参数，更好的了解氧传递机制对盘式曝气器充氧能力的影响。

本研究的主要目的是：（a）探讨各种盘设计参数的影响孔直径，盘厚和孔数），在氧转移系数上的系统运行参数（转速，浸没深度和盘数量）。（b）计算系统充氧能力（C）了解氧化沟氧传递的物理现象。

氧传递：曝气用于将氧气输送到生物处理过程中。这是当失衡产生驱动力之后一个气液传质过程中发生相间扩散的过程。（gresch等人，2010；Pawar等人，2009）驱动力是两个阶段之间的活动差异（气体和液体），通常用浓度或分压差来表示。（Pawar等人，2009）。但是，有文献报道不同的传质机理是基于Fick扩散定律：

此时：

N = 传质时间速率(gs-1)

D = 扩散系数(cm2s1)

A = 扩散发生的横截面积 (cm2)

= 垂直于横截面积的浓度梯度(gcm4)

已经有两种机制被建议用于解释气液两相之间的传质：双膜理论和渗透理论。假设在气液界面的平衡，传质可以表示如下：

此时：

=气膜扩散系数(cm2s1)

=液膜扩散系数(cm2s1)

=气液膜扩散系数

= 垂直于横截面积的浓度梯度(gcm4)

双膜理论：两相之间的界面被建模为一组的滞流，一个在气相，一个在液相。然后通过两个膜的分子扩散的传质过程，如图1(Haut and Halloin, 2003)。有了这个概念，方程2可以写为气液两层薄膜如下：

此时：

N=传质时间速率(gs-1)

=液膜速率常数,定义为：(cms1)

=气膜速率常数,定义为：(gPa1cm2s1)

C=界面处溶质的浓度(gcm3)

=液体中溶质的浓度(gcm3)

=气相分压(gcm3)

P=界面处的分压(gcm3)

A=通过扩散发生的横截面面积(cm2)

对于难溶气体如氧气，液膜阻力控制传质速率。不管气体和液体中有多少湍流，扩散被假定为只发生在一个方向上，且垂直于界面的两个膜都呈滞流状态。(Echenfelder,

1959; Wang, 1995)

渗透理论：它假定当气液一开始接触，溶质才渐渐溶于液相中，随着气液接触时间的增长，积累在液膜内的溶质量也逐渐增多，溶质从相界面向液膜深度方向逐步渗透，直至建立起稳定的浓度梯度。（图2）

图1：在传质过程中，停滞气体和液膜在相间的梯度示意图

图2：通过涡流表面更新的界面传质机制

传质过程只在接触期间通过以固定频率的分子扩散发生，方向为垂直界面方向。即：流体与相界接触的时间是固定的。(Nedeltchev et al., 2007)。氧转移率定义如下(Miller, 1964; McCabe 等人., 2004; Nedeltchev 等人., 2007)：

此时，是涡流暴露于空气的时间（s）。

Dankwarts(1951)说流体边界的位移是完全随机的，没有接触时间的依赖。他假设液体位移速率在整个接触时间保持不变。定义为如下：

此时，r为表面更新率(sec1)。
但是，不管是涡流暴露于气相的时间，还是表面更新率r都不容易计算精度。(Ghaly and Edwards, 2011)

全容积传质系数：在大多数类型的气体输送系统中，测量液体和气体的界面面积是不可能的。因为这个原因，全容积传质系数结合了单位体积的界面面积和传质系数。(Ghaini 等人， 2010)。在稳定状态下，当液相中的氧浓度保持相对恒定时，传输速率由以下公式计算：

此时：

V=系统体积 (cm3)

=基于液相的整体体积传质系数(sec1)

在污水处理系统中，搅拌和曝气的目的是实现的利用价值，使氧气供应量满足微生物需氧量，足以满足微生物存在的要求。

材料与方法

实验装置：一个实验室规模氧化沟系统（图3）配备一盘式曝气器为了理解氧传递现象，研究盘的设计参数和系统运行参数对去离子水的氧转移率的影响。设备包括氧化沟和氧化罩，曝气盘和旋转轴，电动机和速度控制器。

图3：氧化沟及相关设备示意图

轨道式氧化沟由丙烯酸塑料构成（图4）。 沟渠壁的厚度和高度分别为0.4和16.0cm。 将沟槽壁粘合到0.6cm厚的76times;38cm丙烯酸板上。

沟的圆形部分的内径和外径分别为15和30cm。 沟槽侧的长度为31.5cm。 该长度以获得1000的沟槽面积和16000的体积。曝气器上覆盖有丙烯酸罩，以避免由于飞溅而损失沟渠中内容物。

曝气盘由丙烯酸塑料制成。盘的直径为29cm。 在平行于盘轴线的外部7cm中钻孔。 在盘的设计中考虑的独立变量是：盘厚度，孔直径和孔数。 研究了五层盘厚度（0.32,0.64,1.28,1.92和2.55cm）和五级孔径（0.00,0.32,0.64,1.28和1.29）。 制造总共二十五个盘。 在圆盘中钻出的孔的数量使得所有圆盘具有相同的穿孔面积（在660或19％中为123）。

这导致对于分别具有0.32,0.64,1.28和1.92cm孔直径的盘，每个盘产生1536，384，96和43个孔。

将盘安装在旋转轴上，使其部分浸没在沟槽内容物中。 盘轴由可调速（0-500rpm）电动机（Steadi-Speed Stirrer No.14-498A，Fisher Scientific，Montreal，Quebec，Canada）驱动。 电机轴用卡盘组件连接到盘轴。 在轴承下使用两片相同厚度（2.5和5.0cm）的有机玻璃将驱动轴和盘轴降低或升高到所需高度来调节盘浸入深度。 发电机转速计（Servo-Tek型号ST-9540-20，Fisher Scientific，Montreal，Quebec，Canada）通过Tygon管连接到盘轴以测量旋转速度。

用过滤漏斗（Kimble 28950 No 10-322E，Fisher Scientific，Montreal，Quebec，Canada）向槽中逐渐加入亚硫酸钠和氯化钴溶液。漏斗通过Tygon管连接到沟槽。将31cm长和4.4cm螺旋桨直径的叶轮连接到搅拌装置（Dyna-Mix Model 43，Fisher Scientific，Montreal，Quebec，Canada），槽的中部处设有螺旋桨，用于在脱氧过程中的循环和混合。用连接到溶解氧计（Beckman Fieldlab Oxygen Analyzer Model 1008，Fisher Scientific，Montreal，Quebec，Canada）的极谱电极（Beckman39553 O2传感器）测量溶解氧。将来自溶解氧计的信号连续记录在记录器（Health Model Eu-20B，Fisher Scientific，Montreal，Quebec，Canada）上。液体温度经由热敏电阻传感器（Beckman Model 39590，Fisher Scientific，Montreal，Quebec，Canada）测量，并且由水银温度计测量空气温度。汞气压计（Fisher 2-383，Fisher Scientific，Montreal，Quebec，Canada）测量大气压力。单个元件功率计（Crompton Parkinson No.1672070，Tyco Electronics，Witham，Essex，UK）测量功率需求。

在曝气过程中，使用Locam 16mm高速电影摄像机（每秒500帧）拍摄气泡和漩涡的运动。

实验设计：为使系统的氧传递能力最大化，考虑到三个独立的圆盘设计变量（圆盘厚度，孔直径和孔数）和三个操作变量（圆盘浸入深度，圆盘转速和圆盘数）。 然而，完整包括所有六个因素实验是不切实际的。因此，进行了五组实验。

在第一组实验中，在三个浸渍深度（2.5,5.0和7.5cm）和五个盘速度（50,100,150,200和250rpm）下使用0.64cm厚度，具有48个直径1.28cm孔的盘确定氧传递系数（KLa） 。

在第二组实验中，研究了盘速度和孔直径对KLa的影响。在实验中，保持7.5cm的浸入深度和0.64cm的圆盘厚度，并且随机选择浸入深度和盘厚度的值。使用五个孔直径（0.00,0.32,0.64,1.28,1.92cm）和五个盘速度（50,100,150,200和250rpm）。所有的盘具有相同的穿孔面积。

在第三组实验中，研究了盘速度和盘厚度对KLa的影响。 使用厚度为0.64,1.28,1.92和2.55cm的四个圆盘（全部具有相等的穿孔体积85）和五个圆盘速度（50,100,150,200和250rpm）。在整个实验中保持7.5cm的浸没深度。

在第四组实验中，尝试研究在KLa上的旋转轴上使用多于一个曝气器盘的效果。由于沟槽的有限宽度（7.5cm），只能在旋转轴上安装最多两个间隔2.5cm的圆盘。在两个盘厚度（0.32和0.64cm）进行且在实验期间保持7.5cm的浸入深度。在五个盘速度（50,100,150,200和250rpm）下获得这两个盘的KLa值，并将这些值与使用相同厚度和双厚度的单盘时获得的值进行比较。

在第五组实验中，在各种速度下测定最佳盘的充氧能力。 KLa的值用于计算充氧能力。 充氧能力（OC）在本研究中被定义为可以在20℃和101.3kPa下引入到完全脱氧的水体中的每单位时间的氧气重量（gO 2 / h），并且它可以由下面的方程：

氧化效率定义为在20℃和每单位能量消耗

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