אוורור מיקרו-נקבי חמצן ביצועים

במערכת הטיפול בשפכים, תהליך האוורור מהווה 45% עד 75% מצריכת האנרגיה של כל המתקן לטיפול בשפכים, על מנת לשפר את יעילות העברת החמצן של תהליך האוורור, מתקן טיפול בשפכים הנוכחי משמש בדרך כלל במיקרו נקבוביות מערכות אוורור.בהשוואה למערכת האוורור של בועות גדולות ובינוניות, מערכת האוורור המיקרופורוסית יכולה לחסוך כ-50% מצריכת האנרגיה. עם זאת, קצב ניצול החמצן של תהליך האוורור שלו הוא גם בטווח של 20% עד 30%. בנוסף, היו אזורים נוספים בסין לשימוש בטכנולוגיית אוורור מיקרו-נקבי לטיפול בנהרות מזוהמים, אך אין מחקר כיצד לבחור באופן סביר מאווררים מיקרו-נקבים לתנאי מים שונים. לכן, האופטימיזציה של פרמטרי ביצועי חמצון מאוורר מיקרו-נקבי עבור הייצור והיישום בפועל היא בעלת משמעות רבה.

ישנם גורמים רבים המשפיעים על הביצועים של אוורור וחמצן מיקרו-נקבי, והחשובים שבהם הם נפח האוורור, גודל הנקבוביות והתקנת עומק המים.

נכון לעכשיו, ישנם פחות מחקרים על הקשר בין ביצועי החמצון של מאוורר מיקרו-נקבי לבין גודל הנקבוביות ועומק ההתקנה בבית ומחוצה לה. המחקר מתמקד יותר בשיפור מקדם העברת מסת החמצן הכולל ויכולת החמצון, ומזניח את בעיית צריכת האנרגיה בתהליך האוורור. אנו לוקחים את יעילות ההספק התיאורטית כמדד המחקר העיקרי, בשילוב עם יכולת החמצון ומגמת ניצול החמצן, מייעלים תחילה את נפח האוורור, קוטר הצמצם ועומק ההתקנה כאשר יעילות האוורור היא הגבוהה ביותר, כדי לספק התייחסות ליישום של טכנולוגיית אוורור מיקרופורוסית בפרויקט בפועל.

1. חומרים ושיטות

1.1 הגדרת מבחן

מערך הבדיקה היה עשוי מפרספקס, והגוף הראשי היה D {{0}}.4 מ' × 2 מ' מיכל אוורור גלילי עם בדיקת חמצן מומס הממוקמת 0.5 מ' מתחת לפני המים (מוצג באיור 1 ).

איור 1 הגדרת בדיקת אוורור וחמצן

1.2 חומרי בדיקה

מאוורר מיקרו-נקבי, עשוי ממברנת גומי, קוטר 215 מ"מ, גודל נקבוביות 50, 100, 200, 500, 1 000 מיקרומטר. Sension378 בוחן חמצן מומס, HACH, ארה"ב. מד זרימת רוטור גז, טווח 0~3 m3/h, דיוק ±0.2%. מפוח HC-S. זרז: CoCl2-6H2O, נקי מבחינה אנליטית; מסיר חמצון: Na2SO3, נקי מבחינה אנליטית.

1.3 שיטת בדיקה

הבדיקה נערכה בשיטה הסטטית הלא-נייחתית, כלומר, Na2SO3 ו-CoCl2-6H2O ניתנו לראשונה להפחתת חמצן במהלך הבדיקה, והחל אוורור כאשר החמצן המומס במים הצטמצם ל-{{5} }. נרשמו שינויים בריכוז החמצן המומס במים לאורך זמן וערך KLa חושב. ביצועי החמצן נבדקו בנפחי אוורור שונים (0.5, 1, 1.5, 2, 2.5, 3 m3/h), גדלי נקבוביות שונים (50, 100, 200, 500, 1,000 מיקרומטר, ועומקי מים שונים (0.8, 1.1, 1.3, 1.5, 1.8, 2.0 מ'), והפניה בוצעה גם ל-CJ/T 3015.2 -1993 "הקביעת ביצועי חמצון צלולים של מיזוג אוויר" ותקני בדיקת חמצון צלולים של ארצות הברית.

2.תוצאות ודיון

2.1 עקרון המבחן

העיקרון הבסיסי של הבדיקה מבוסס על תיאוריית הממברנה הכפולה שהציע ויטמן בשנת 1923. ניתן לבטא את תהליך העברת מסת החמצן במשוואה (1).

איפה: dc/dt - קצב העברת מסה, כלומר כמות החמצן המועברת ליחידת נפח מים ליחידת זמן, mg/(Ls).

KLa - מקדם העברת חמצן הכולל של המאוורר בתנאי הבדיקה, min-1 ;

C* - חמצן מומס רווי במים, מ"ג/ליטר.

Ct - חמצן מומס במים ברגע האוורור t, mg/L.

אם טמפרטורת הבדיקה אינה 20 מעלות, ניתן להשתמש במשוואה (2) כדי לתקן עבור KLa:

יכולת החמצון (OC, kg/h) מבוטאת במשוואה (3).

איפה: V - נפח בריכת אוורור, מ"ק.

ניצול החמצן (SOTE,%) מתבטא באמצעות משוואה (4).

איפה: q - נפח אוורור במצב סטנדרטי, m3/h.

יעילות ההספק התיאורטית [E, kg/(kW-h)] באה לידי ביטוי באמצעות משוואה (5).

איפה: P - הספק ציוד אוורור, קילוואט.

האינדיקטורים הנפוצים להערכת ביצועי החמצון המאוורר הם מקדם העברת מסת החמצן הכולל KLa, קיבולת החמצון OC, קצב ניצול החמצן SOTE ויעילות הספק תיאורטית E [7]. המחקרים הקיימים התמקדו יותר במגמות של מקדם העברת מסת חמצן הכולל, כושר החמצן וניצול החמצן, ופחות ביעילות ההספק התיאורטית [8, 9]. יעילות הספק תיאורטית, כמדד היעילות היחיד [10], יכולה לשקף את בעיית צריכת האנרגיה בתהליך האוורור, שהוא מוקד הניסוי הזה.

2.2 השפעת האוורור על ביצועי החמצון

ביצועי החמצון ברמות אוורור שונות הוערכו על ידי אוורור ב-2 מ' התחתונים של המאוורר עם גודל נקבוביות של 200 מיקרומטר, והתוצאות מוצגות באיור 2.

איור 2 וריאציה של K וניצול חמצן עם קצב אוורור

כפי שניתן לראות מאיור 2, KLa עולה בהדרגה עם הגדלת נפח האוורור. הסיבה לכך היא בעיקר שככל שנפח האוורור גדול יותר, כך שטח המגע של גז-נוזל גדול יותר ויעילות החמצון גבוהה יותר. מנגד, חלק מהחוקרים מצאו שקצב ניצול החמצן ירד עם עליית נפח האוורור, ובניסוי זה נמצא מצב דומה. הסיבה לכך היא שתחת עומק מים מסוים, זמן השהייה של בועות במים גדל כאשר נפח האוורור קטן, וזמן המגע בין גז-נוזל מתארך; כאשר נפח האוורור גדול, ההפרעה בגוף המים חזקה, ורוב החמצן אינו מנוצל ביעילות, ובסופו של דבר משתחרר משטח המים בצורה של בועות לאוויר. קצב ניצול החמצן שנגזר מניסוי זה לא היה גבוה בהשוואה לספרות, כנראה בגלל שגובה הכור לא היה גבוה מספיק, וכמות גדולה של חמצן נמלטה ללא מגע עם עמוד המים, מה שהפחית את קצב ניצול החמצן.

השונות של יעילות ההספק התיאורטית (E) עם אוורור מוצגת באיור 3.

איור 3 יעילות כוח תיאורטית מול נפח אוורור

כפי שניתן לראות באיור 3, יעילות ההספק התיאורטית יורדת בהדרגה עם הגדלת האוורור. הסיבה לכך היא שקצב העברת החמצן הסטנדרטי עולה עם הגדלת נפח האוורור בתנאי עומק מים מסוימים, אך הגידול בעבודה השימושית הנצרכת על ידי המפוח משמעותית יותר מהעלייה בקצב העברת החמצן הסטנדרטי, כך שיעילות ההספק התיאורטית יורד עם עליית נפח האוורור בטווח נפח האוורור שנבדק בניסוי. שילוב המגמות באיורים. 2 ו-3, ניתן למצוא שביצועי החמצון הטובים ביותר מושגים בנפח אוורור של 0.5 m3/h.

2.3 השפעת גודל הנקבוביות על ביצועי החמצון

לגודל הנקבוביות יש השפעה רבה על היווצרות הבועות, ככל שגודל הנקבוביות גדול יותר, כך גודל הבועה גדול יותר. בועות על ביצועי החמצון של ההשפעה מתבטאים בעיקר בשני היבטים: ראשית, ככל שהבועות הבודדות קטנות יותר, ככל ששטח הפנים הספציפי הכולל לבועות גדול יותר, ככל ששטח המגע להעברת מסה גז-נוזל גדול יותר, כך תורם יותר להעברת חַמצָן; שנית, ככל שהבועות גדולות יותר, התפקיד של ערבוב המים חזק יותר, ערבוב הגז-נוזל ביניהם מהיר יותר, כך השפעת החמצון טובה יותר. לעתים קרובות הנקודה הראשונה בתהליך ההעברה ההמונית משחקת תפקיד מרכזי. הבדיקה תהיה מוגדרת לנפח אוורור ל-0.5 m3/h, כדי לבחון את השפעת גודל הנקבוביות על KLa וניצול החמצן, ראה איור 4.

איור 4 עקומות שונות של KLa וניצול חמצן עם גודל נקבוביות

כפי שניתן לראות מאיור 4, גם ניצול KLa וגם ניצול החמצן ירד עם הגידול בגודל הנקבוביות. בתנאי של אותו עומק מים ונפח אוורור, ה-KLa של 50 מיקרומטר צמצם מאוורר הוא בערך פי שלושה מזה של 1,000 מיקרומטר צמצם מאוורר. לכן, כאשר המאוורר מותקן בעומק מים מסוים, ככל שהפתח קטן יותר של כושר החמצון המאוורר וניצול החמצן גדול יותר.

השונות של יעילות הספק תיאורטית עם גודל הנקבוביות מוצגת באיור 5.

איור 5 יעילות כוח תיאורטית לעומת גודל נקבוביות

כפי שניתן לראות מאיור 5, יעילות ההספק התיאורטית מראה מגמה של עלייה ולאחר מכן ירידה עם הגדלת גודל הצמצם. הסיבה לכך היא שמצד אחד, למאוורר הצמצם הקטן יש נפח KLa ויכולת חמצון גדולה יותר, דבר המסייע לחמצן. מצד שני, אובדן ההתנגדות מתחת לעומק מים מסוים עולה עם הירידה בקוטר הצמצם. כאשר הפחתת גודל הנקבוביות על אובדן ההתנגדות של אפקט הקידום גדולה מהתפקיד של העברת מסת חמצן, יעילות ההספק התיאורטית תופחת עם הפחתת גודל הנקבוביות. לכן, כאשר קוטר הצמצם קטן, יעילות ההספק התיאורטית תגדל עם הגדלת קוטר הצמצם, וקוטר הצמצם של 200 מיקרומטר כדי להגיע לערך המרבי של 1.91 ק"ג/(קוואט-שעה); כאשר קוטר הצמצם > 200 מיקרומטר, אובדן ההתנגדות בתהליך האוורור אינו משחק עוד תפקיד דומיננטי בתהליך האוורור, ה-KLa ויכולת החמצון עם העלייה בקוטר הצמצם של המאוורר יצטמצמו, ולכן, התיאורטי יעילות החשמל מראה מגמת ירידה משמעותית.

2.4 השפעת עומק מי ההתקנה על ביצועי החמצון

לעומק המים בהם מותקן המאוורר יש השפעה משמעותית ביותר על השפעת האוורור והחמצן. מטרת המחקר הניסיוני הייתה תעלת מים רדודים של פחות מ-2 מ'. עומק האוורור של המאוורר נקבע לפי עומק המים של הבריכה. המחקרים הקיימים מתמקדים בעיקר בעומק השקוע של המאוורר (כלומר, המאוורר מותקן בתחתית הבריכה, ועומק המים מוגדל על ידי הגדלת כמות המים), והבדיקה מתמקדת בעיקר בעומק ההתקנה של הבריכה. מאוורר (כלומר, כמות המים בבריכה נשמרת קבועה, וגובה ההתקנה של המאוורר מותאם כדי למצוא את עומק המים הטוב ביותר להשפעת האוורור), והשינויים של KLa וחמצן ניצול עם עומק המים מוצג באיור 6.

איור 6 עקומות שונות של K וניצול חמצן עם עומק מים

איור 6 מראה שעם העלייה בעומק המים, הן KLA והן ניצול החמצן מראים מגמת עלייה ברורה, כאשר KLa נבדלים ביותר מפי ארבעה ב-0.8 מ' עומק מים ו-2 מ' עומק מים. הסיבה לכך היא שככל שהמים עמוקים יותר, זמן השהייה של הבועות בעמודת המים ארוך יותר, זמן מגע גז-נוזל ארוך יותר, כך אפקט העברת החמצן טוב יותר. לכן, ככל שהמאוורר מותקן עמוק יותר, כך תורם יותר ליכולת החמצון ולניצול החמצן. אבל ההתקנה של עומק המים עולה במקביל אובדן ההתנגדות יגדל גם, כדי להתגבר על אובדן ההתנגדות, יש צורך להגדיל את כמות האוורור, מה שיוביל בהכרח לעלייה בצריכת האנרגיה ובעלויות התפעול. לכן, על מנת לקבל את עומק ההתקנה האופטימלי, יש צורך להעריך את הקשר בין יעילות הספק תיאורטית לעומק המים, ראה טבלה 1.

טבלה 1 מראה כי יעילות ההספק התיאורטית נמוכה ביותר בעומק התקנה של 0.8 מ', עם רק 0.5 kg/(kW-h), מה שהופך את אוורור המים הרדודים לבלתי הולם. התקנת עומק מים של 1.1 ~ 1.5 מ' טווח, בשל הגידול המשמעותי בקיבולת החמצון, בעוד שהמאוורר על ידי אפקט ההתנגדות אינו ברור, כך שיעילות ההספק התיאורטית עולה במהירות. ככל שעומק המים גדל עוד יותר ל-1.8 מ', ההשפעה של אובדן התנגדות על ביצועי החמצון הופכת משמעותית יותר ויותר, וכתוצאה מכך הצמיחה של יעילות הכוח התיאורטית נוטה להתיישר, אך עדיין מראה מגמת עלייה, ובהתקנה מעומק המים של 2 מ', יעילות ההספק התיאורטית מגיעה למקסימום של 1.97 ק"ג/(kW-h). לכן, עבור תעלות < 2 מ', אוורור תחתית עדיף לחמצן מיטבי.

מַסְקָנָה

שימוש בשיטה הסטטית הלא נייחת לבדיקת חמצון מים צלולים לאוורור מיקרו-נקבי, בעומק המים במבחן (< 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.

יעילות כוח תיאורטית היא האינדיקטור היחיד ליעילות. בתנאי הבדיקה, יעילות ההספק התיאורטית עם אוורור והתקנה של עומק המים עולה, כאשר העלייה בצמצם תחילה עולה ולאחר מכן יורדת. התקנה של עומק מים וצמצם צריכה להיות שילוב סביר על מנת להפוך את ביצועי החמצון להשגת המיטב, באופן כללי, ככל שעומק בחירת המים של צמצם המאוורר גדול יותר כך יהיה גדול יותר.

תוצאות הבדיקה מצביעות על כך שאין להשתמש באיוורור מים רדודים. בעומק התקנה של 2 מ', נפח אוורור של 0.5 m3/h ומאיור בגודל נקבוביות של 200 מיקרומטר הביאו ליעילות הספק תיאורטית מקסימלית של 1.97 kg/(kW-h).