实验一 曝气设备清水充氧实验
曝气是活性污泥系统的一个重要环节。它的作用是向池内充氧，保证微生物生化作用所需之氧，同时保持池内微生物、有机物、溶解氧，即泥、水、气三者的充分混合，为微生物降解创造有利条件。因此了解掌握曝气设备充氧性能，不同污水充氧修正系数α、β值及其测定方法，不仅对工程设计人员、而且对污水处理厂运行和管理人员也至关重要。此外，二级生物处理厂中，曝气充氧电耗占全厂动力消耗的60-70%，因此高效省能型曝气设备的研制是当前污水生物处理技术领域面临的一个重要课题。因此本实验是水处理实验中的一个重要项目，一般列为必开实验。
一、目 的
1、加深理解曝气充氧的机理及影响因素
2、了解掌握曝气设备清水充氧性能测定的方法。
3、测定几种不同形式的曝气设备氧的总转移系数KLas，氧利用率η%,动力效率E等，并进行比较
二、原 理
曝气是人为的通过一些设备加速向水中传递氧的过程，常用的曝气设备分为机械曝气与鼓风曝气两大类，无论哪一种曝气设备。其充氧过程均属传质过程，氧传递机理为双膜理论，如图3所示在氧传递过程中，阻力主要来自液膜，氧传递基本方程式为：
式中：
——液体中溶解氧浓度变化速率。mg/L·min；
――氧传质推动力，mg/L；
——液膜处饱和溶解氧浓度，mg/L；
——液相主体中溶解氧浓度，mg/L；
——氧总转移系数，1/min；
DL——液膜中氧分子扩散系数；
YL——液膜厚度；
A——气液两相接触面积；
W——曝气液体体积；
由于液膜厚度YL和液体流态有关，而且实验中无法测定与计算，同样气液接触面积A的大小也无法测定与计算，故用氧总传递系数KLa代替。
将上式积分整理后得曝气设备氧总传递系数KLa计算式。
式中：
KLa——氧总转移系数，1/min；
t0、t——曝气时间，min；
C0——曝气开始时池内溶解氧浓度，t0＝0时，C0＝0，mg/L；
Cs——曝气池内液体饱和溶解氧值，mg/L；
Ct——曝气某一时刻t时，池内液体溶解氧浓度，mg/L。
由式中可见，影响氧传递KLa的因素很多，除了曝气设备本身结构尺寸，运行条件而外，还与水质水温等有关。为了进行互相比较，以及向设计、使用部门提供产品性能，故产品给出的充氧性能均为清水，标准状态下，即清水（一般多为自来水）一个大气压200C下的充氧性能，常用指标有氧的总转移系数KLas，充氧能力QC、动力效率E和氧利用率η%。
曝气设备充氧性能测定实验，一种是间歇非稳态性，即实验时一池水不进不出，池内溶解氧浓度随时间而变；另一种是连续稳态测定法，即向池内注满进出水，池内注满所需水后，将待曝气之水以无水亚硫酸钠为脱氧剂，氯化钴为催化剂，脱氧至零后开始曝气，液体中溶解氧浓度逐渐提高。液体中溶解氧的浓度C是时间t的函数，曝气后每隔一定时间t 取曝气水样，测定水中溶解氧浓度，从而利用上式计算KLa值，或是以亏氧量(Cs－Ct)为纵坐标，在半对数坐标纸上绘图，直线斜率即为KLa值。
三、实验装置及设备
（一）实验装置
实验装置主要部分为泵型叶轮和模型曝气池。为保持曝气叶轮转速在实验期间恒定不变，电动机要接在稳压电源上。
（二）实验设备和仪器仪表
1、KL－1型单阶完全混合曝气装置
2、溶解氧测定仪
3、电磁搅拌器
4、秒表
5、广口瓶、烧杯
（三）药品
1、无水亚硫酸钠
2、氯化钴
四、实验步骤
平板叶轮表面曝气清水充氧实验步骤（用自来水或二次沉淀池出水进行实验）
1、确定曝气池内测定点（或取样点）位置。在平面上测定点可以布置在三等分池子半径的中点和终点（见右图），在立面上布置在离池面和池底0.3m处，以及池子一半深度处，共取12个测定点（或9个测定点）。
2、测定曝气池的容积
3、向池内注满自来水
4、计算CoCl2和Na2SO3的需要量
Na2SO3＋1/2O2————→Na2SO4
从上面反应式可以知道，每去除1mg溶解氧需要投加7.9mg Na2SO3。根据池子的容积和自来水（或污水）的溶解氧浓度可以算出Na2SO3的理论需要量。实际投加量应为理论值的150－200％。计算方法如下：
W＝V×Cs×7.9×（150－200％）
式中：
W——Na2SO3的实际投加量（kg/g）
V——曝气池体积（m3或L）
催化剂氯化钴的投加量，按维持池子中的钴离子浓度为0.05－0.5mg/L左右计算。
5、将Na2SO3和CoCl2溶解后直接投加在曝气叶轮处，或者用泵抽送到曝气池，使其迅速扩散。
6、当溶解氧测定仪的指针达到0后，开始启动电机进行曝气，同时定期测定各测定点的溶解氧浓度，并作记录，直至溶解氧达到饱和值时结束实验（0.5－1min读数一次）。
五、实验数据记录处理
1、记录实验设备及操作条件的基本参数
实验日期：__________年_______月_______日
模型曝气池：内径D＝______m 高度H＝______m 体积V＝______m3
水温______℃ 室温______℃ 气压__________（KPa）
实验条件下自来水的Cs__________mg/L
CoCl2投加量_________（kg或g） Na2SO3投加量_________（kg或g）
2、数据记录：
稳定状态下充氧实验记录（取样点______）
3、以溶解氧浓度C为纵坐标，时间t为横坐标，用上表数据描点作C与t关系曲线
4、计算KLa、α、β、充氧能力和动力效率。
六、成果整理
1、参数选用
因清水充氧实验给出的是标准状态下氧总转移系数KLas，即清水（本次实验用的是自来水）在一个大气压，20℃下的充氧性能，而实验过程中曝气充氧的条件并非是一个大气压，20℃，但这些条件都对充氧性能有影响，故引入了压力、温度修正系数。
（1）温度修正系数
K=1.02420－T
修正后的氧总转移速率为
KLas=K·KLa=1.02420—T×KLa
此为经验式，它考虑了水温对水的粘滞性和饱和溶解氧值的影响，国内外大多采用此式，本次实验也以此进行温度修正。
（2）水中饱和溶解氧值的修正
由于水中饱和溶解氧值受其中压力和所含无机盐种类及数量的影响，所以中的饱和溶解氧值最好用实测值，即曝气池内的溶解氧达到稳定时的数值。另外也可以用理论公式[Cs（校正）＝Cs（实验）×标准大气压/试验时的大气压]对饱和溶解氧标准值进行修正。有实测饱和溶解氧值用实测值，无实测值可采用理论修正值。
瞬时大气压的查询：
http://www.nmc.gov.cn/publish/forecast/AFJ/zhangzhou.html
2、氧的总转移系数KLas
氧的总转移系数KLas是指在单位传质推动力作用下，在单位时间、向单位曝气液体中所充入的氧量。它的倒数1/ KLas单位是时间，表示将满池水从溶解氧为零充到饱和值时所用时间，因此KLas是反映氧传递速率的一个重要指标。
KLas的计算首先是根据实验记录，或溶解氧测定记录仪的记录和式 Ln (Cs-Ct)=-Kla*t+常数，按下表计算，或者是在半对数坐标纸上，以ln（Cs—Ct）为纵坐标，以时间t为横坐标绘图求KLa值。
氧 总 转 移 系 数 KLa 计 算 表
求得KLa值后，利用式KLas=K·KLa=1.02420—T×KLa求得KLas值。
3、充氧能力Qc。
充氧能力是反映曝气设备在单位时间内向单位液体中充入的氧量。
Qc= KLas·Cs·V kg(O2)/h
式中：
KLas—氧总转移系数（标准状态），1/h或1/min；
Cs—一个大气压，20℃时氧饱和值，Cs=9.17mg/L
4、动力效率E
kg(O2)/kW·h
式中：
Qc——标准条件下的充氧能力（kg(O2)/h）
N——采用叶轮曝气试，N为轴功率（kW）
5、修正系数α、β
通常以修正系数α、β来表示污水性质、搅动程度等于氧的传递、溶解时氧饱和浓度的影响
α＝污水的KLα/自来水的KLα
β＝污水的Cs/自来水的Cs
测定污水的KLα、Cs 的方法与清水实验相同。
上述方法适用于完全混合型曝气设备充氧能力的测定，不能采用上述方法测定推流式曝气池中的KLα、Cs、C（KLα、Cs、C是沿池长方向变化的）。
七、注意事项
1、每个实验所用设备、仪器较多，事前必须熟悉设备、仪器的使用方法及注意事项。
2、加药时，将脱氧剂与催化剂用温水化开后，从柱或池顶，均匀加入。
3、无溶解氧测定仪的设备，在曝气初期，取样时间间隔宜短。
4、实测饱和溶解氧值时，一定要在溶解氧值稳定后进行。
5、水温、风温（送风管内空气温度）宜取开始、中间、结束时实测值的平均值。
八、思考题
1、论述曝气在生物处理中的作用。
2、曝气充氧原理及其影响因素是什么？
3、温度修正、压力修正系数的意义如何？如何进行公式推导？
4、曝气设备类型、动力效率的优缺点是什么？
5、氧的总转移系数KLa的意义是什么？怎样计算？
6、曝气设备充氧性能指标为何均是清水？标准状态下的值是多少？
7、鼓风曝气设备与机械曝气设备充氧性能指标有何不同？
第二篇：均匀受限曝气机理及清水充氧试验研究
均匀受限曝气机理及清水充氧试验研究
曝气是污水好氧生化处理系统的一个重要工艺环节，它的作用是向反应器内充氧，保证微生物生化作用所需之溶解氧，并保持反应器内微生物、底物、溶解氧，即泥、水、气三者的充分混合，为微生物降解有机物提供有利的生化反应条件。同时，曝气也是污水好氧生化处理 系统中运转费用最高的工艺环节，曝气充氧电耗一般占总动力消耗的60%～70%。目前的好氧曝气工艺普遍存在效率低、能耗高的状况，城市污水在曝气池中的处理时间一般需6～8 h，空压机所供氧量的利用率只有百分之几，大部分被白白浪费掉了，这就使曝气池设备的体积及基建投资庞大，运转费用很高，很多城市或工厂的污水处理难以实施，而许多已建污 水厂难以维持正常运转，其主要原因即在于此。因而，高效节能型曝气技术的研究已成为当 前污水生物处理技术领域面临的最重要课题之一。
1 均匀受限曝气的动力学机理
传统的曝气方式基本上是自由曝气，即上升的气泡以较大的流速不受约束地扩散，由于水流 本身湍动程度不高，形成的剪切作用也就很小，故混合液中气泡容易合并长大，加上活性污泥絮凝体尺寸也较大，比表面积小，传质效率低下。也就是说鼓入的空气所携带的能量并未 有效地被利用在造成水流强剪切并形成高传质流态上，形成浪费［1］。
受限曝气是一种较科学的曝气方式，它利用狭小竖向通道的壁面对上升气流的约束作用，对 水流形成剧烈扰动，造成系统内强烈的湍流剪切，并利用它抑制气泡与活性污泥絮体的长大。混凝动力学的研究成果表明［2］，弗罗德数Fr=v2/gL是反映湍流 剪切作用的相似准则数，Fr越大则剪切作用越强。从式中可见，在同样流速下，流动空间越小剪切作用越强。因此，让很少的气流通过一些小的竖向流动空间就可以造成强剪切， 实现小尺度气泡与小尺度活性污泥絮体的高分散状态，并为实现高传质的工况提供必要条件。在这种条件下，一方面利用气流的上升作用大幅度增强了水流的湍动能量，另一 方面利用湍动水流的剪切作用抑制了气泡与活性污泥絮体的长大，大大地增加了气泡与活性 污泥絮体的比表面积，形成了曝气池高分散系—高传质的生化环境。此时，空气所携带的 能量得到了更充分的利用。
同时，在受限曝气水流中充满着高比例高强度的微涡旋，形成了强烈湍动的流态。利用湍动 水流的惯性效应，特别是微涡旋的离心惯性效应(二者正是微细部物相迁移和接触的动力学致因［2］)可加速微小气泡、活性污泥相对于有机底物的迁移，大幅度增加亚微观传 质 速率和有机质与氧向微小活性污泥絮体转移的速率。当活性污泥菌胶团因生化作用利用了吸附的氧与有机质后，附近的氧与有机质向菌胶团的继续扩散就属于亚微观尺度的扩散。当然，其扩散阻力比宏观扩散高几个数量级［3］，扩散速率远小于活性污泥在生物酶作用下的生化反应速率，因此亚微观传质速率就成了影响活性污泥法处理效率的决定因素。一般 认为，氧与有机底物向污泥絮体中的传质可分为三个部分：液相传质、活性污泥附液膜传质、固相传质。液相传质在湍动水流中由湍流扩散可以迅速完成。固相传质可用多孔丸模型 描 述，在湍动水流中形成的微小絮体可使其传质速率较高。三者之中起决定性作用的是活性污泥 附液膜的传质，它取决于两个因素：① 液膜厚度δ越大，传质阻力越大，速度越低； ② 液膜两侧浓度差值越大，传质速度越快。由于附液膜附近的液相传质属于亚微观传质范畴，故其传质速度很小，当此处氧与有机质因生化反应消耗后，不能得到迅速及时 的补充，附液膜两侧的浓度差就很小，氧与有机质向附液膜内转移的速度也就很小，严重防碍生化反应的进行。研究认为，亚微观尺度下的传质主要是由物质相对迁移造成的，加强惯 性效应特别是微涡旋离心惯性效应，是增加氧与有机质在附液膜附近的亚微观区域内与水相对运动的有效措施：① 强化惯性效应的同时也就增加了这个区域的湍流剪切力，降低了附液膜厚度；② 强化惯性效应也就提高了附液膜附近液相中氧与有机质的补充速度和浓度，也就增加了附液膜内外的浓度差，因此也就有效地提高了生化体系的传质速度。
综上所述，合理利用风机供气所提供的能量，提高反应器中水流的湍动强度，是提高曝气效果、强化三相传质——反应效率的可行途径，也是所提出的受限曝气技术的动力学基础。另一 方面，曝气受限器的表面也是生物膜的附着面，由于曝气受限器中湍流剪切很强，因此生物 膜厚度很薄，氧与基质向生物膜中转移速率很高且活性好，是一种高效生物膜。由此可见这种新工艺是高分散系高传质的活性污泥法与高效生物膜法的有机复合。
在研究亚微观动力学问题的同时，也注意到了传统污水处理技术在宏观动力学上仍存在很多 不足［4］。例如常用的微孔曝气设备普遍存在非曝气主流区与曝气死区问题，前者需要靠消耗较多能耗形成水力循环运动，把非曝气主流区的污水带到曝气主流区（一般即微 孔曝气头上部有效空间）进行充氧，这就较大地延长了曝气时间，并浪费了较多的能量；后者只能把已经曝气充氧的水通过缓慢的Fick扩散，将氧转移到死区部分的污水中，这就需要更多地延长曝气时间，并因死区部分的充氧难以保证而影响曝气效果。为解决这个问题，我们发明了大型微孔曝气器，该曝气装置可以方便地安装并布满曝气池底部，并由此形成均 匀曝气技术，即通过在池底均布大型微孔曝气器而消除死区，通过在池中设置受限曝气立管填料消除了传统曝气器存在的非曝气主流区与主流区的差别。均匀曝气技术可均匀迅速地充氧，大幅度提高氧的利用率，从而可大量减少供气量和能量消耗，同时也成为受限曝气技术 有效实施的重要保障。
2 清水曝气充氧试验研究
试验的目的是通过对均匀曝气、均匀受限曝气与传统曝气工艺的充氧性能测定与比较，证实 均匀受限曝气理论在水气两相传质体系中的正确性。
2.1试验条件及设备
试验条件比较严格地参照中华人民共和国城镇建设行业标准CJ/T 3015.1～2—93、CJ/T 301 5.4—96。
试验设备与条件为：
①钢板曝气池：有效水深H=4 m、池长L=4 m、池宽B=1 m。
②大型微孔曝气头：长为1 000 mm、宽为130 mm、上部为＝125 mm的半圆柱形曝气 表面，橡胶膜片上均匀分布微孔。
③受限曝气立管填料：管径为50 mm与35 mm的两种规格。
④供风量：总供气量为16 m3/h，即4 m3空气/m2服务面积·h(按单个盘式膜片微孔 曝气头的服务面积0.5 m2折算，供气量为2 m3/个·h)。
⑤试验用水：自来水。
⑥溶解氧测定仪：上海镭磁仪表厂生产的SJG—9440型在线式溶氧仪。
⑦转子流量计：LZB50，10～100 m3/h。
⑧压力表：0～0.25 MPa。
⑨温度计：玻璃温度计与便携式数字温度测定仪。
⑩无水亚硫酸钠、氯化钴、秒表等。
2.2测试程序及数据
清水曝气的试验步骤按如下程序进行：
①安装完试验系统后，关闭所有阀门，向曝气池内注入自来水至有效水深4 m，从在线溶氧仪上读出水中溶解氧DO值，并计算池内溶解氧的总量G=DO×V。
②计算投药量，并将称得的药剂用温水化开，由池顶倒入池内，约10 min后从溶氧仪上读数。
③当溶解氧测定仪指针达到0后，即池内水已脱氧至零，打开空压机和稳压阀向池内供气 ，开始曝气并记录时间；同时每隔一定时间在溶氧仪上读数，直至水中溶解氧不再增长(达到饱和)为止。
④试验中计量风量、风压、风温及水温等。
⑤曝气池中分别加入管径为50 mm、35 mm的两种规格立管填料，重复上述过程。
在水温21～23 ℃时，测得的KLas数据汇总于表1中，与某环保设备厂生产的几种微孔曝气头作性能指标比较的结果如表2。
表1清水曝气试验KLas测定值统计
表2清水充氧性能各项指标的对比
2.3试验结果分析
上面的试验测定数据显示出这样一个规律：
①未加入立管填料，只利用池底均布的大型微孔曝气头进行曝气充氧试验，所测得的各项 指标均明显好于目前国内外其他微孔曝气设备，大幅度提高了曝气充氧的效率。
②加入了立管填料后，所测得的数据显著好于加入填料前，这说明加入的立管填料的通 道壁面起到了受限器的作用，实现了受限曝气。气泡通过狭小空间所造成的强烈湍动，在亚微观动力学意义上强化了传质，并由于强化了水力剪切作用，抑制了气泡的合并长大，提高 了空气的利用率。
③加入管径为35 mm的填料所测得的数据显著好于加入管径为50 mm的填料，这说明在更小的通道空间中，小气泡可造成更强的紊动，从而进一步提高了氧的转移和利用率。
3 结论
清水充氧试验的结果证实了在气水两相传质体系中，均匀受限曝气理论在动力学上的先进性和适用性。
另外，均匀受限曝气技术应用于长春一汽污水厂生产性试验表明，当原水水质C ODCr为200～300 mg/L、BOD5为80～140 mg/L、曝气时间为45 min、水气比为1∶2.5时，即可取得CODCr＜50 mg/L，BOD5＜20 mg/L的稳定出水，并远远好于厂区原工艺系统的出水，这无疑进一步证实了均匀受限曝气理论在气、水、泥三相生化反应体系中的适用性。
可以推测，均匀受限曝气技术的成熟与推广应具有重大的社会效益和经济效益，对解决我国环境治理问题将起到重要的推动作用。