SOTE 揭密：擴香器如何提高氧氣傳輸 - Aquasust？

目錄

1. 微孔曝氣充氧性能測試方法
2. 曝氣對充氧性能的影響
3. 孔徑大小對充氧性能的影響
4. 安裝水深對充氧性能的影響
5. 測試結論

1.微孔曝氣充氧性能測試方法

在廢水處理系統中，曝氣過程佔整個廢水處理廠能耗的45%~75%，為了提高曝氣過程的氧傳遞效率，目前廢水處理廠普遍採用內微泡曝氣與大、中氣泡曝氣系統相比，細氣泡曝氣系統可節省耗能50%左右。儘管如此，其曝氣過程的氧氣利用率也在20%～30%範圍內。此外，國內已有較多地區採用微泡曝氣技術進行污染河川的治理，但目前尚未針對不同水況合理選用微泡曝氣機進行研究。

因此，微泡曝氣器充氧性能參數的最佳化對於實際生產和應用具有重要意義。

影響微氣泡曝氣充氧性能的因素很多，其中最重要的是曝氣量、孔徑大小和安裝水深。

目前，國內外關於微氣泡曝氣器充氧性能與孔徑、安裝深度關係的研究較少。研究更著重於總氧傳質係數和充氧能力的提高，而忽略了曝氣過程中的能耗問題。我們以理論功率效率為主要研究指標，結合充氧能力和氧氣利用趨勢，初步優化出曝氣效率最高時的曝氣量、孔徑直徑和安裝深度，為應用提供參考細泡曝氣技術在實際工程中的應用.

1.材料與方法

1.1 測試設定

測試裝置由有機玻璃製成，主體為 D {{0}}.4 m × 2 m 圓柱形曝氣池，溶氧探頭位於水面下 0.5 m（如圖 1 所示） ）。

圖 1 通氣和充氧測試設置

1.2 試驗材料

微氣泡曝氣器，由橡膠膜製成，直徑215毫米，孔徑50、100、200、500、1 000μm。 sension378台式溶氧測試儀，HACH，美國。氣體轉子流量計，量程0~3 m3/h，精度±0.2%。 HC-S 鼓風機。催化劑：CoCl2-6H2O，分析純度；脫氧劑：Na2SO3，分析純。

1.3 測試方法

試驗以靜態非平穩法進行，即試驗時先投加Na2SO3和CoCl2-6H2O進行脫氧，待水中溶氧降至{{5}時開始曝氣。記錄水中溶氧濃度隨時間的變化，計算KLa值。測試不同通氣量（0.5、1、1.5、2、2.5、3 m3/h）、不同孔徑（50、100、 200、500、1 、000μm）和不同水深（0.8、1.1、1.3、1.5、1.8、2.0 m），同時參考了CJ/T

3015.2 -1993《增氧機清水充氧性能測定》及美國清水充氧測試標準。

2.結果與討論

2.1 測試原理

測試的基本原理是基於Whitman於1923年提出的雙膜理論。

式中：dc/dt－傳質速率，即單位時間單位體積水傳遞的氧氣量，mg/(Ls)。

KLa－試驗條件下曝氣器的總氧傳遞係數，min-1；

C*——水中飽和溶氧，mg/L。

Ct－曝氣t時水中的溶氧，mg/L。

如果測試溫度不是20度，則可以使用公式（2）對KLa進行修正：

充氧能力（OC，kg/h）以式（3）表示。

式中：V－曝氣池容積，m3。

氧利用率（SOTE，%）以方程式（4）表示。

式中：q－標準工況下的曝氣量，m3/h。

理論功率效率[E,kg/(kW-h)]以式(5)表示。

式中：P－曝氣設備功率，kW。

評估曝氣器充氧性能常用的指標有總氧傳質係數KLa、充氧能力OC、氧氣利用率SOTE及理論功率效率E[7]。現有研究則較關注總氧傳質係數、充氧能力和氧氣利用率的變化趨勢，而對理論功率效率的關注較少[8, 9]。理論功率效率作為唯一的效率指標[10]，可以反映曝氣過程中的能耗問題，是本實驗的重點。

2.2 曝氣對充氧性能的影響

透過在孔徑為200 μm的曝氣器底部2 m曝氣來評估不同曝氣水準下的充氧性能，結果如圖2所示。

圖2 鉀和氧利用率隨通氣量的變化

從圖2可以看出，KLa隨著曝氣量的增加而逐漸增加。這主要是因為曝氣量越大，氣液接觸面積越大，充氧效率越高。另一方面，有研究人員發現氧氣利用率隨著曝氣量的增加而降低，本次實驗也發現了類似的情況。這是因為在一定水深下，曝氣量較小時，氣泡在水中的停留時間增加，氣液接觸時間延長；當曝氣量較大時，對水體的擾動較強，且大部分氧氣沒有有效利用，最終以氣泡的形式從水體表面釋放到空氣中。本實驗所得的氧氣利用率與文獻相比並不高，可能是因為反應器高度不夠高，大量氧氣沒有與水柱接觸就逸出，降低了氧氣利用率。

理論功率效率（E）隨通氣量的變化如圖3所示。

圖3 理論功率效率與曝氣量的關係

從圖3可以看出，理論功率效率隨著通氣量的增加而逐漸降低。這是因為在一定水深條件下，標準氧傳遞率隨著曝氣量的增加而增大，但鼓風機消耗的有用功的增加比標準氧傳遞率的增加更為顯著，因此理論功率效率在實驗在考察的通氣量範圍內，隨通氣量的增加而減少。結合圖中的趨勢。由圖2和圖3可知，通氣量為0.5 m3/h時，充氧性能最佳。

3 孔徑大小對充氧性能的影響

孔徑對氣泡的形成影響很大，孔徑越大，氣泡的尺寸也越大。氣泡對充氧性能的影響主要表現在兩個方面：一是單一氣泡越小，氣泡整體比表面積越大，氣液傳質接觸面積越大，越有利於質傳。其次，氣泡越大，攪拌水的作用越強，氣液之間混合越快，充氧效果越好。通常，傳質過程中的第一點起著重要作用。測試將通氣量設定為0.5 m3/h，以檢查孔徑對KLa和氧氣利用率的影響，見圖4。

圖4 KLa和氧氣利用率隨孔徑的變化曲線

從圖4可以看出，KLa和氧氣利用率都隨著孔徑的增加而降低。在相同水深和曝氣量的條件下，50μm孔徑曝氣機的KLa約為1、000μm孔徑曝氣機的3倍。因此，當曝氣器安裝在一定深度的水中時，孔徑越小，曝氣器的充氧能力和氧氣利用率就越大。

理論功率效率隨孔徑的變化如圖5所示。

圖5 理論功率效率與孔徑的關係

由圖5可以看出，隨著孔徑尺寸的增加，理論功率效率呈現先增加後減少的趨勢。這是因為，一方面，小孔徑曝氣器具有較大的KLa和充氧能力，有利於充氧。另一方面，一定水深下的阻力損失隨著孔徑的減少而增加。當孔徑減小對阻力損失的促進作用大於氧傳質的作用時，理論功率效率將隨著孔徑的減少而降低。因此，當孔徑直徑較小時，理論功率效率將隨著孔徑直徑的增加而增加，孔徑直徑為200μm時達到最大值1.91kg/(kW-h)；當孔徑>200μm時，曝氣過程中的阻力損失不再在曝氣過程中起主導作用，KLa和充氧能力會隨著曝氣器孔徑的增大而降低，因此，理論電源效率呈現明顯下降趨勢。

4.安裝水深對充氧的影響

增氧機安裝的水體深度對增氧增氧效果有非常顯著的影響。實驗研究的目標是小於2 m的淺水航道。曝氣機的曝氣深度由池水深度決定。現有的研究主要集中在曝氣器的浸沒深度（即曝氣器安裝在水池底部，透過增加水量來增加水深），試驗主要集中在曝氣器的安裝深度。不變，調整曝氣器的安裝高度，找到曝氣效果最佳的水深），KLa和氧氣利用率隨水深的變化如圖6所示。

圖6 K和氧氣利用率隨水深的變化曲線

由圖 6可以看出，隨著水深的增加，KLa和氧氣利用率均呈現明顯的增加趨勢，在0.8 m水深和2 m水深時KLa相差4倍以上。這是因為水越深，氣泡在水柱中的停留時間越長，氣液接觸時間越長，傳氧效果越好。因此，增氧機安裝得越深，越有利於充氧能力和氧氣利用率。但安裝水深增加的同時阻力損失也會增加，為了克服阻力損失，就必須增加曝氣量，這勢必導致能耗和運作成本的增加。因此，為了獲得最佳安裝深度，需要評估理論功率效率與水深的關係，請參閱表1。

由表1可以看出，安裝深度為0.8 m時，理論功率效率極低，僅0.5 kg/(kW-h)，不適合淺水曝氣。安裝水深1.1～1.5 m範圍內，由於充氧能力顯著增加，而增氧機受阻力影響並不明顯，因此理論功率效率迅速增加。隨著水深進一步增加到1.8 m，阻力損失對充氧性能的影響越來越顯著，導致理論功率效率的增長趨於平穩，但仍呈現增加趨勢，並且在安裝中水深2 m時，理論功率效率最高達到1.97 kg/(kW-h)。因此，對於 < 2 m 的通道，優選底部通氣以實現最佳充氧。

5.測試結論

1.採用靜態非平穩法進行細泡曝氣清水充氧試驗，在試驗水深（< 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.

2.理論功率效率是有效性的唯一指標。在試驗條件下，理論功率效率隨著曝氣量和安裝水深的增加而增加，隨著孔徑的增加先增加後減少。安裝水深和孔徑應合理組合，才能使充氧性能達到最佳，一般來說，水深越大曝氣器選用的孔徑越大。

3.試驗結果表明，不宜採用淺水曝氣。安裝深度為2 m、曝氣量為0.5 m3/h、曝氣器孔徑為200 μm時，理論功率效率最大為1.97 kg/(kW-h)。

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