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【技术资料】曝气的原理与理论基础


来源:  作者:  日期:2009-05-19 18:56:01

第四节 曝气的原理、方法与设备

一、曝气的原理与理论基础

在活性污泥法中,曝气的作用主要有:① 充氧:向活性污泥中的微生物提供溶解氧,满足其在生长和代谢过程中所需的氧量。② 搅动混合:使活性污泥在曝气池内处于悬浮状态,与废水充分接触。

1、Fick定律

    通过曝气,空气中的氧,从气相传递到混合液的液相中,这实际上是一个物质扩散过程,即气相中的氧通过气液界面扩散到液相主体中。

所以,它应该服从扩散过程的基本定律——Fick定律。

    Fick定律认为:扩散过程的推动力是物质在界面两侧的浓度差,物质的分子会从浓度高的一侧向浓度低的一侧扩散、转移。

即                               (1)

式中:   ——物质的扩散速率,即在单位时间内单位断面上通过的物质数;

        ——扩散系数,表示物质在某种介质中的扩散能力,主要取决于扩散物质和介质的特性及温度;

         ——物质浓度;

         ——扩散过程的长度

        ——浓度梯度,即单位长度内的浓度变化值。

式(1)表明,物质的扩散速率与浓度梯度呈正比关系。

    如果以M表示在单位时间t内通过界面扩散的物质数量,以A表示界面面积,则有:

                      (2)

代入(1)式,得:

                     (3)

2、双膜理论:

    对于气体分子通过气液界面的传递理论,在废水生物处理界被普遍接受的是Lewis & Whitman于1923年建立的“双膜理论”。

    双膜理论认为:

    1) 当气、液面相接触并作相对运动时,接触界面的两侧,存在着气体与液体的边界层,即气膜和液膜;

    2) 气膜和液膜内相对运动的速度属于层流,而在其外的两相体系中则均为紊流;

    3) 氧的转移是通过气、液膜进行的分子扩散和在膜外的对流扩散完成;

    4) 对于难溶于水的氧来说,分子扩散的阻力大于对流扩散,传质的阻力主要集中在液膜上;

    5) 在气膜中存在着氧分压梯度,而液膜中同样也存在着氧的浓度梯度,由此形成了氧转移的推动力;

    6) 实际上,在气膜中,氧分子的传递动力很小,即 气相主体与界面之间的氧分压差值 很低,一般可认为 。这样,就可以认为界面处的溶解氧浓度 等于在氧分压条件下的饱和溶解氧浓度值,因此氧转移过程中的 传质推动力就可以认为主要是界面上的饱和溶解氧浓度值 与液相主体中的溶解氧浓度值 。

    双膜理论模型的示意图:(或称氧转移模式图(双膜理论))

    设液膜厚度为 (此值是极小的),因此在液膜内溶解氧浓度的梯度为:

                 (4)

代入式(3),得:

                  (5)

式中    ——氧传递速率,kgO2/h;

       ——氧分子在液膜中的扩散系数,m2/h;

      A ——气、液两相接触界面面积,m2;

       ——在液膜内溶解氧的浓度梯度,kgO2/m3.m;

设液相主体的容积为V(m3),并用其除以上式,则得:

                (6’)

                    (6)

式中   ——液相主体溶解氧浓度变化速率(或氧转移速率),kgO2/m3.h;

      KL——液膜中氧分子传质系数,m/h, 。

由于气液界面面积难于计量,一般以氧总转移系数( )代替 ,则上式改写为 :

                                        (7)

 式中: ——氧总转移系数,h-1,               (8)

    此值表示在曝气过程中氧的总传递性,当传递过程中阻力大,则 值低,反之则 值高。

 的倒数1/KLa的单位为(h),它所表示的是曝气池中溶解氧浓度从 提高到Cs所需要的时间。

    为了提高dC/dt值,可以从两方面考虑:(式(8))

1) 提高 值——加强液相主体的紊流程度,降低液膜厚度,加速气、液界面的更新,增大气、液接触面积等。

2) 提高Cs值——提高气相中的氧分压,如采用纯氧曝气、深井曝气等。

3、氧总转移系数( )的求定

氧总转移系数( )是计算氧转移速率的基本参数,一般是通过试验求得。

将式(7)整理,得:           (9)

积分后得:                (10’)

换成的以10为底,则            (10)

式中:C0——当t=0时,液体主体中的溶解氧浓度(mg/l);

      Ct——当t=t时,液体主体中的溶解浓度(mg/l);

      Cs——是在实际水温、当地气压下溶解氧在液相主体中饱和浓度(mg/l)。

由式(10)可见 与t之间存在着直线关系,直线的斜率即为KLa/2.3。

测定 值的方法与步骤如下:

1) 向受试清水中投加Na2SO3和CoCl2,以脱除水中的氧;每脱除1mg/L的氧,在理论上需7.9mg/L Na2SO3,但实际投药量要高出理论值10~20%;CoCl2的投量则以保持Co2+离子浓度不低于1.5mg/L为准,Co2+是催化剂。

2) 当水中溶解氧完全脱除后,开始曝气充氧,一般每隔10分钟取样一次,(开始时可以更密集一些),取6~10次,测定水样的溶解氧;

3) 计算 值,绘制 与t之间的关系曲线,直线的斜率即为KLa/2.3。

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