不同COD對曝氣充氧裝置氧總轉移系數的影響

李　婷　王玲玲　王曉雯

（鄭州大學　水利與環境學院，河南　鄭州　450000）

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不同COD對曝氣充氧裝置氧總轉移系數的影響

李婷王玲玲王曉雯

（鄭州大學水利與環境學院，河南鄭州450000）

摘要：在實際生產中，曝氣器的充氧能力往往隨著水體COD的變化而變化，在本項創新試驗中，通過對曝氣器、水泵和空氣壓縮機等元件的選擇，組裝形成曝氣充氧裝置并進行相關試驗。

關鍵詞：充氧曝氣；盤式微孔曝氣器；COD；KLa

目前曝氣器的參數一般是在清水充氧試驗下進行測量的，在實際生產中由于COD的變化導致曝氣器的曝氣性能出現一定程度的下降，若仍按出廠參數進行曝氣便會產生誤差。因此，有必要對充氧性能進行修正。此次實驗將對曝氣充氧裝置進行設計制作，并探究其充氧能力在不同COD情況下的變化規律［1］。曝氣過程中氣體分子傳遞理論是基于雙膜理論，此理論指出在氧傳遞過程中，阻力主要來自液膜，氧傳遞基本方程式為：

式中：t、t0為曝氣時間，min；C0為曝氣開始時池內溶解氧濃度，t0=0時，C0=0，mg/L；Ct為曝氣某一時刻時，池內液體溶解氧濃度，mg/L。

利用上式，以ln min）；CS為液膜處飽和溶解氧濃度，mg/L；C為液相主體中溶解氧濃度，mg/L；KLa為氧總轉移系數，L/min。

將上式積分整理后得氧總傳遞系數公式：圖，得出斜率即為KLa。

1　試驗部分

1.1試驗裝置

該試驗裝置主體是底面直徑為250mm、高為2.50m（有效水深為2.00m）的曝氣有機玻璃柱。相比管式曝氣器，盤式曝氣器的曝氣性能更佳。此次試驗選用的是盤式橡膠膜曝氣器，安裝于距底部0.20m處，中心軸與曝氣柱中心軸重合，采用DO測定儀分別在距水面下方0.50m（測點1）、曝氣柱中間（測點2）、距曝氣器上方0.50m（測點3）三處實時測定DO值［2］。

1.2設備與儀器

盤式橡膠膜微孔曝氣器：直徑為185mm；氣體轉子流量計：型號LZB-6WB，量程0～10L/min；電磁式空氣壓縮機：海利ACO-009E，功率160W；便攜式溶解氧DO測定儀：型號HQ30d。

1.3試驗材料

1.4試驗過程

此次試驗分為預備試驗及正式試驗。其一，預備試驗是為了在保證較大氧總轉移系數和氧利用率的情況下，確定最優通風量；其二，正式試驗是為了探究充氧能力等指標隨水體COD的變化而呈現的規律［3］。

1.4.1預備實驗。按照CJ/T3015.2-1993的測定步驟進行試驗。其中，Na2SO3安全脫氧系數此處取為1.5，CoCl2按維持池子中的鈷離子濃度為0.5mg/L左右投加。

當脫氧至溶解氧達到0后，開始啟動空氣壓縮機曝氣，變化通風量（0.18～0.42m3/h），起初溶解氧讀數變化較大時，每半分鐘測定各測點的溶解氧濃度，當讀數變化較小時，延長至每分鐘測定各測點溶解氧濃度［2］，直至溶解氧達到飽和值。比較不同通風量下溶解氧達到飽和的時間及氧利用率，選出最佳通風量［4］。

1.4.2正式試驗。正式試驗包含盤式曝氣器清水充氧試驗和盤式曝氣器污水充氧試驗。前者在清水（即自來水）中，選用最佳通風量進行試驗，步驟同預備試驗，測定清水下曝氣裝置的充氧情況。后者利用葡萄糖配置不同的COD，選用最佳通風量進行試驗，步驟同預備試驗，測定污水下曝氣裝置的充氧情況。

2　結果與討論

2.1最佳通風量

預備試驗中的3個測點的氧總轉移系數KLa及氧利用率η隨通風量的變化規律一致，在預備試驗中，在通風量0.18～0.42m3/h之下，得出同一測點的KLa及η隨通風量變化而變化。其中，KLa隨通風量的增加而呈現上升趨勢，其平均變化率為29.09%，η隨通風量的增加而整體呈現出下降的趨勢［5］，其平均變化率為-23.21%。因在實際生產過程中廠家既要減少能耗，又要保證較高的KLa，故此次試驗選取了0.30m3/h的通風量［5］。

2.2氧總轉移系數、氧轉移速率、充氧能力、氧利用率

此次的評價指標包括氧總轉移系數KLa，氧轉移速率，充氧能力Qc和氧利用率η。具體試驗記錄見表1。

表1中，每組的3個測點的KLa值與其均值誤差最大為3.14%，最小為-2.68%，均在±5%之內；在相同測定條件下重復測定，以0.3m3/h且COD 490mg/L情況下的測點1為例，其中3組KLa與其均值的誤差分別為1.36%、0.66%、-2.01%，均小于±10%之內。符合CJ/T3015.2-1993中9.5判定規則，即是本試驗各組的精度均合格。

2.3COD對KLa的擬合結果

COD為20～500mg/L的變化范圍下，KLa隨COD的增加而下降。該試驗為了模擬生活污水處理廠日常運行情況，選取起始點COD約為20mg/L（清水），末點COD約為500mg/L，主要對COD為200～400mg/L的范圍進行擬合。

在生產過程中，可將COD數值代入擬合公式，得到在污水情況下的KLa的變化值，即污水較清水情況下的偏差程度。

2.4修正系數評價

通常以修正系數α、β來表示污水性質對氧的傳遞、溶解時氧飽和濃度的影響。

由于β的變化較小，本次忽略β的變化，而重點研究α的變化情況。

在通風量0.30m3/h和COD 200～500mg/L下，α整體上隨COD的增加而減少。由于3個測點的變化趨勢都一致，此處以測點2為例。α在COD為217.4～264.1mg/L時，由0.915略增加至0.907；再在COD為264.1～414.3mg/ L時，由0.907明顯降至0.750，其變化率為-16.8%；最終在COD為414.3～490.2mg/L時，由0.750較平緩地降至0.712（見表2）。

表1 正式試驗數據記錄表

2.5誤差分析

此次試驗的不足之處：曝氣裝置的主體較小，即曝氣柱的截面積較小，邊壁效應較大；因實驗室高度的限制，該裝置的曝氣有機玻璃柱的高度為2.50m，比實際水廠曝氣池高度較小，其中下方測點受曝氣盤的曝氣沖力影響較大；盡管選用的是最佳通風量，但溶解氧過快達到飽和，導致成圖時的計算有效斜率的點數較少，一定程度增加了試驗誤差。

表2 修正系數α隨COD變化表

3　結論

①預備試驗中，在通風量0.18～0.42m3/h之下，同一測點的KLa隨通風量的增加而增加，其平均變化率為29.09%，η隨通風量的增加而減小，其平均變化率為-23.21%，選用最佳通風量5L/min。

②在COD 20～500mg/L的范圍下，KLa隨COD的增加而下降。對COD約為200～400mg/L的范圍中進行擬合。

測點1為y=-2.642×10-4x+0.395，R2=0.850；

測點2為y=-2.847×10-4x+0.395，R2=0.967；

測點3為y=-3.047×10-4x+0.398，R2=0.951。

在生產過程中，已知COD的數值可代入擬合直線的公式，從而得到該污水情況下的KLa的變化值，進而得到污水較清水情況下的偏差程度，KLa約降至清水情況下的70%～90%。

③在通風量0.30m3/h，COD 200～500mg/L的范圍下，修正系數α整體上隨COD的增加而減少。首先，α在COD 217.4～264.1mg/L時略有所增加；在COD 264.1～414.3mg/L中明顯下降；最終在COD 414.3～490.2mg/L中平緩下降。

參考文獻：

［1］張自杰.排水工程下冊（第四版）［M］.北京：中國建筑工業出版社，1999：144-146.

［2］曹蕊.供氣式低壓射流曝氣器與微孔曝氣器性能的研究［M］.陜西：陜西科技大學，2013.

［3］建設部給水排水產品標準化技術委員會.CJ/T 264-2007水處理用橡膠模微孔曝氣器［S］.北京：中國標準出版社，2007.

［4］吳敏，姚念民.關于微孔曝氣器比較與選擇的探討［J］.環境保護，2002（5）：16-18.

［5］孫劍輝，高健磊，石巖，等.污水COD對氧總轉移系數影響的研究［J］.工業水處理，2011（11）：31-33.

中圖分類號：X703

文獻標識碼：A

文章編號：1003-5168（2016）02-0150-03

收稿日期：2016-01-15

基金項目：本項目獲國家級大學生創新創業訓練計劃立項（201510459017）。

作者簡介：李婷（1993-），女，本科，研究方向：環境工程。

Effect of Different COD to Total Oxygen Transfer Rate of Aeration Devices

Li TingWang LinglingWang Xiaowen
（School of Water Conservancy and Environment，Zhengzhou University,Zhengzhou Henan 450000）

Abstract:Oxygen supply capacity of the aerator varies with the change of COD in the actual production. This innovative experiment,by selection of aerator,water pump and air compressor assembled the aeration device and conducted the related experiments.

Keywords:aeration；disc membrane fine bubble diffuser；COD；KLa