Relatório de teste de oxigenação de aeração com bolhas finas

No sistema de tratamento de águas residuais, o processo de aeração é responsável por 45% a 75% do consumo de energia de toda a estação de tratamento de águas residuais, a fim de melhorar a eficiência da transferência de oxigênio do processo de aeração, a atual estação de tratamento de águas residuais é comumente usada em sistemas microporosos sistemas de aeração.Em comparação com o sistema de aeração de bolhas grees e médias, o sistema de aeração microporoso pode economizar cerca de 50% do consumo de energia. No entanto, a taxa de utilização de oxigênio do seu processo de aeração também está na faixa de 20% a 30%. Além disso, tem havido mais áreas na China que utilizam tecnologia de aeração microporosa para o tratamento de rios poluídos, mas não há pesquisas sobre como selecionar razoavelmente arejadores microporosos para diferentes condições de água. Portanto, a otimização dos parâmetros de desempenho da oxigenação do aerador microporoso para a produção e aplicação reais é de grande importância.

Existem muitos fatores que afetam o desempenho da aeração e oxigenação microporosa, sendo os mais importantes o volume de aeração, o tamanho dos poros e a instalação da profundidade da água.

Atualmente, há menos estudos sobre a relação entre o desempenho de oxigenação do arejador microporoso e o tamanho dos poros e a profundidade de instalação no país e no exterior. A pesquisa se concentra mais na melhoria do coeficiente de transferência de massa total de oxigênio e da capacidade de oxigenação, e negligencia o problema de consumo de energia no processo de aeração. Tomamos a eficiência energética teórica como o principal índice de pesquisa, combinada com a capacidade de oxigenação e a tendência de utilização de oxigênio, otimizando inicialmente o volume de aeração, o diâmetro da abertura e a profundidade da instalação quando a eficiência de aeração é mais alta, para fornecer uma referência para a aplicação da tecnologia de aeração microporosa no projeto real.

1.Materiais e métodos

1.1 Configuração de teste
A configuração do teste foi feita de Plexiglas, e o corpo principal era um tanque de aeração cilíndrico D 0,4 m × 2 m com uma sonda de oxigênio dissolvido localizada 0,5 m abaixo da superfície da água (mostrada na Figura 1).


Figura 1 Configuração do teste de aeração e oxigenação

1.2 Materiais de teste
Arejador microporoso, feito de membrana de borracha, diâmetro 215 mm, tamanho de poro 50, 100, 200, 500, 1 000 μm. testador de oxigênio dissolvido de bancada sension378, HACH, EUA. Medidor de vazão de rotor de gás, faixa de 0 ~ 3 m3 / h, precisão ± 0,2%. Soprador HC-S. Catalisador: CoCl2-6H2O, analiticamente puro; Desoxidante: Na2SO3, analiticamente puro.



1.3 Método de teste
O teste foi conduzido usando o método estático não estacionário, ou seja, Na2SO3 e CoCl2-6H2O foram dosados ​​primeiro para desoxigenação durante o teste, e a aeração foi iniciada quando o oxigênio dissolvido na água foi reduzido a 0. Mudanças na concentração de oxigênio dissolvido na água ao longo do tempo foram registrados e o valor KLa foi calculado. O desempenho da oxigenação foi testado sob diferentes volumes de aeração (0,5, 1, 1,5, 2, 2,5, 3 m3/h), diferentes tamanhos de poros (50, 100, 200, 500, 1.000 μm) e diferentes profundidades de água (0,8, 1,1, 1,3, 1,5, 1,8, 2,0 m), e também foi feita referência ao CJ/T
3015.2 -1993 "Determinação do desempenho de oxigenação de água limpa do aerador" e os padrões de teste de oxigenação de água limpa dos Estados Unidos.

A utilização de oxigênio (SOTE, %) é expressa pela equação (4).

Onde: q - volume de aeração em condição padrão, m3/h.

A eficiência energética teórica [E, kg/(kW-h)] é expressa pela equação (5).

Onde: P - potência do equipamento de aeração, kW.

Os indicadores comumente usados ​​para avaliar o desempenho da oxigenação do aerador são o coeficiente de transferência de massa de oxigênio total KLa, a capacidade de oxigenação OC, a taxa de utilização de oxigênio SOTE e a eficiência energética teórica E [7]. Os estudos existentes concentraram-se mais nas tendências do coeficiente de transferência de massa total de oxigênio, capacidade de oxigenação e utilização de oxigênio, e menos na eficiência energética teórica [8, 9]. A eficiência energética teórica, como único índice de eficiência [10], pode refletir o problema de consumo de energia no processo de aeração, que é o foco deste experimento.

2.2 Efeito da aeração no desempenho da oxigenação

O desempenho da oxigenação em diferentes níveis de aeração foi avaliado pela aeração nos 2 m inferiores do arejador com tamanho de poro de 200 μm, e os resultados são mostrados na Fig.

Fig. 2 Variação da utilização de K e oxigênio com a taxa de aeração

Como pode ser visto na Figura 2, o KLa aumenta gradualmente com o aumento do volume de aeração. Isto ocorre principalmente porque quanto maior o volume de aeração, maior será a área de contato gás-líquido e maior será a eficiência de oxigenação. Por outro lado, alguns pesquisadores descobriram que a taxa de utilização de oxigênio diminuiu com o aumento do volume de aeração, e situação semelhante foi encontrada neste experimento. Isso ocorre porque sob uma certa profundidade de água, o tempo de residência das bolhas na água aumenta quando o volume de aeração é pequeno e o tempo de contato gás-líquido é prolongado; quando o volume de aeração é grande, a perturbação do corpo d'água é forte e a maior parte do oxigênio não é efetivamente utilizada, sendo eventualmente liberada da superfície da água na forma de bolhas no ar. A taxa de utilização de oxigênio derivada deste experimento não foi alta em comparação com a literatura, provavelmente porque a altura do reator não era alta o suficiente e uma grande quantidade de oxigênio escapou sem entrar em contato com a coluna de água, reduzindo a taxa de utilização de oxigênio.

A variação da eficiência energética teórica (E) com a aeração é mostrada na Fig.

Fig. 3 Eficiência energética teórica versus volume de aeração

Como pode ser visto na Figura 3, a eficiência energética teórica diminui gradualmente com o aumento da aeração. Isso ocorre porque a taxa padrão de transferência de oxigênio aumenta com o aumento do volume de aeração sob certas condições de profundidade da água, mas o aumento no trabalho útil consumido pelo soprador é mais significativo do que o aumento na taxa padrão de transferência de oxigênio, então a eficiência energética teórica diminui com o aumento do volume de aeração dentro da faixa de volume de aeração examinada no experimento. Combinando as tendências nas Figs. 2 e 3, pode-se verificar que o melhor desempenho de oxigenação é alcançado com um volume de aeração de 0,5 m3/h.

2.3 Efeito do tamanho dos poros no desempenho da oxigenação

O tamanho dos poros tem grande influência na formação de bolhas, quanto maior o tamanho dos poros, maior será o tamanho da bolha. Bolhas no desempenho de oxigenação do impacto se manifestam principalmente em dois aspectos: primeiro, quanto menores as bolhas individuais, maior a área de superfície específica da bolha geral, maior a área de contato de transferência de massa gás-líquido, mais propícia à transferência de oxigênio; Em segundo lugar, quanto maiores as bolhas, mais forte será o papel de agitação da água, quanto mais rápida for a mistura gás-líquido, melhor será o efeito da oxigenação. Freqüentemente, o primeiro ponto no processo de transferência de massa desempenha um papel importante. O teste terá um volume de aeração definido para 0,5 m3/h, para examinar o efeito do tamanho dos poros no KLa e na utilização de oxigênio, consulte a Figura 4.


Figura 4. Curvas de variação de KLa e utilização de oxigênio com tamanho de poro

Como pode ser visto na Figura 4, tanto a utilização de KLa quanto de oxigênio diminuíram com o aumento do tamanho dos poros. Sob a condição de mesma profundidade de água e volume de aeração, o KLa do arejador de abertura de 50 μm é cerca de três vezes maior do que o do arejador de abertura de 1.000 μm. Portanto, quando o arejador é instalado em uma determinada profundidade de água, menor será a abertura da capacidade de oxigenação do arejador e maior será a utilização de oxigênio.

A variação da eficiência energética teórica com o tamanho dos poros é mostrada na Fig.

Fig. 5 Eficiência energética teórica versus tamanho dos poros
Como pode ser visto na Figura 5, a eficiência energética teórica mostra uma tendência de aumentar e depois diminuir com o aumento do tamanho da abertura. Isso ocorre porque, por um lado, o arejador de pequena abertura possui maior KLa e capacidade de oxigenação, o que favorece a oxigenação. Por outro lado, a perda de resistência sob uma certa profundidade de água aumenta com a diminuição do diâmetro da abertura. Quando a redução do tamanho dos poros na perda de resistência do efeito de promoção for maior do que o papel da transferência de massa de oxigênio, a eficiência energética teórica será reduzida com a redução do tamanho dos poros. Portanto, quando o diâmetro da abertura é pequeno, a eficiência energética teórica aumentará com o aumento do diâmetro da abertura, e o diâmetro da abertura de 200 μm atingirá o valor máximo de 1,91 kg/(kW-h); quando o diâmetro de abertura > 200 μm, a perda de resistência no processo de aeração não desempenha mais um papel dominante no processo de aeração, o KLa e a capacidade de oxigenação com o aumento do diâmetro de abertura do aerador serão reduzidos e, portanto, o valor teórico a eficiência energética mostra uma tendência descendente significativa.

2.4 Efeito da profundidade da água da instalação no desempenho da oxigenação

A profundidade da água em que o arejador está instalado tem um efeito muito significativo no efeito de aeração e oxigenação. O alvo do estudo experimental foi um canal de águas rasas com menos de 2 m. A profundidade de aeração do arejador foi determinada pela profundidade da água da piscina. Os estudos existentes concentram-se principalmente na profundidade submersa do arejador (ou seja, o arejador é instalado no fundo da piscina e a profundidade da água aumenta com o aumento da quantidade de água), e o teste concentra-se principalmente na profundidade de instalação do arejador. arejador (ou seja, a quantidade de água na piscina é mantida constante e a altura de instalação do arejador é ajustada para encontrar a melhor profundidade de água para efeito de aeração), e as mudanças de KLa e utilização de oxigênio com a profundidade da água são mostrado na Figura 6.


Fig. 6 Curvas de variação da utilização de K e oxigênio com a profundidade da água
A Figura 6 mostra que com o aumento da profundidade da água, tanto o KLa como a utilização de oxigénio mostram uma clara tendência crescente, com o KLa diferindo em mais de quatro vezes a 0,8 m de profundidade de água e a 2 m de profundidade de água. Isso ocorre porque quanto mais profunda a água, maior o tempo de residência das bolhas na coluna d'água, quanto maior o tempo de contato gás-líquido, melhor será o efeito de transferência de oxigênio. Portanto, quanto mais fundo o arejador for instalado, mais propício será a capacidade de oxigenação e a utilização de oxigênio. Mas a instalação de profundidade de água aumenta ao mesmo tempo que a perda de resistência também aumentará, para superar a perda de resistência é necessário aumentar a quantidade de aeração, o que inevitavelmente levará a um aumento no consumo de energia e nos custos operacionais. Portanto, para obter a profundidade ideal de instalação, é necessário avaliar a relação entre a eficiência energética teórica e a profundidade da água, ver Tabela 1.

Tabela 1 Eficiência energética teórica em função da profundidade da água
Profundidade/m	E/(kg.kw-1.h-1)	Profundidade/m	E/(kg.kw-1.h-1)
0.8	0.50	1.1	1.10

A Tabela 1 mostra que a eficiência energética teórica é extremamente baixa em uma profundidade de instalação de 0,8 m, com apenas 0,5 kg/(kW-h), tornando inadequada a aeração em águas rasas. Instalação de profundidade de água na faixa de 1,1 ~ 1,5 m, devido ao aumento significativo na capacidade de oxigenação, enquanto o arejador pelo efeito de resistência não é óbvio, então a eficiência energética teórica aumenta rapidamente. À medida que a profundidade da água aumenta para 1,8 m, o efeito da perda de resistência no desempenho da oxigenação torna-se cada vez mais significativo, resultando no crescimento da eficiência energética teórica que tende a se estabilizar, mas ainda mostra uma tendência crescente, e na instalação da profundidade da água de 2 m, a eficiência energética teórica atinge um máximo de 1,97 kg/(kW-h). Portanto, para canais < 2 m, a aeração de fundo é preferida para uma oxigenação ideal.

3.Conclusão

Usando o método estático não estacionário para teste de oxigenação de água limpa com aeração microporosa, nas condições de profundidade da água de teste (<2 m) e tamanho dos poros (50 ~ 1.000 μm), o coeficiente de transferência de massa de oxigênio total KLa e a utilização de oxigênio aumentaram com o instalação da profundidade da água; com o aumento do tamanho dos poros e diminuiu. No processo de aumento do volume de aeração de 0,5 m3/h para 3 m3/h, o coeficiente total de transferência de massa de oxigênio e a capacidade de oxigenação aumentaram gradualmente e a taxa de utilização de oxigênio diminuiu.

A eficiência energética teórica é o único indicador de eficácia. Nas condições de teste, a eficiência energética teórica com a aeração e instalação da profundidade da água aumenta, com o aumento da abertura primeiro aumenta e depois diminui. A instalação da profundidade da água e da abertura deve ser uma combinação razoável para que o desempenho da oxigenação seja o melhor, em geral, quanto maior for a profundidade da seleção da água da abertura do arejador, maior.

Os resultados dos testes indicam que a aeração em águas rasas não deve ser usada. A uma profundidade de instalação de 2 m, um volume de aeração de 0,5 m3/h e um arejador com tamanho de poro de 200 μm resultaram em uma eficiência energética máxima teórica de 1,97 kg/(kW-h).

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