曝气设备充氧能力实验报告

1实验目的
欧阳学文
(1)掌握测定曝气设备的KLa和充氧能力α、β 的实验方法
及计算 Qs；
(2)评价充氧设备充氧能力的好坏；
(3)掌握曝气设备充氧性能的测定方法。

2实验原理
活性污泥处理过程中曝气设备的作用是使氧气、活性污泥、营养物三者充分混合，使污泥处于悬浮状态，促使氧气从气相转移到液相，从液相转移到活性污泥上，保证微生物有足够的氧进行物质代谢。

由于氧的供给是保证生化处理过程正常进行的主要因素，因此工程设计人员通常通过实验来评价曝气设备的供氧能力。

在现场用自来水实验时，先用Na2S03(或N2)进行脱氧，然后在溶解氧等于或接近零的状态下再曝气，使溶解氧升高趋于饱和水平。

假定整个液体是完全混合的，符合
一级反应此时水中溶解氧的变化可以用以下式子表示：
式中：dC/dt——氧转移速率，mg/(L·h)；
KLa——氧的总传递系数，L/h；
Cs——实验室的温度和压力下，自来水的溶解氧饱和浓度，mg/L；
C——相应某一时刻t的溶解氧浓度，mg/L。

将上式积分，得
由于溶解氧饱和浓度、温度、污水性质和混乱程度等因素影响氧的传递速率，因此应进行温度、压力校正，并测定校正废水性质影响的修正系数α、β。

所采用的公式如下：
充氧能力为
3实验内容
3.1实验设备与试剂
(1)溶解氧测定仪
(2)空压机。

(3)曝气筒。

(4)搅拌器。

(5)秒表。

(6)分析天平
(7)烧杯。

(8)亚硫酸钠(Na2S03)
(9)氯化钴(CoCl2·6H20)。

3.2实验装置
实验装置如图31所示。

图31 曝气设备充氧能力实验装置简图
3.3实验步骤
(1)向曝气筒内注入20L自来水，测定水样体积V(L)和水温
t (℃)；
(2)由实验测出水样溶解氧饱和值Cs，并根据 Cs和 V 求投
药量，然后投药脱氧；
a)脱氧剂亚硫酸钠(Na2S03)的用量计算。

在自来水中加
入 Na2S03还原剂来还原水中的溶解氧。

相对分子质量之比为：
故Na2S03理论用量为水中溶解氧的8倍。

而水中有部分杂质会消耗亚硫酸钠，故实际用量为理论用量的1.5倍。

所以实验投加的Na2S03投加量为
式中：W——亚硫酸钠投加量，g；
Cs——实验时水温条件下水中饱和溶解氧值，mg/L；
V——水样体积，m3；
b)根据水样体积 V 确定催化剂（钴盐）的投加量。

经验证明，清水中有效钴离子浓度约0.4mg/L 为好，一般使用氯化钴(CoCl2·6H20)。

因为：
所以单位水样投加钴盐量为：
CoCl2·6H20 0.4×4.0 = 1.6 g/m3
本实验所需投加钴盐为
CoCl2·6H20 1.6 V(g)
式中：V——水样体积，m3
c)将Na2S03用煮沸过的常温水化开，均匀倒入曝气筒
内，溶解的钴盐倒入水中，并开动循环水泵，小流
量轻微搅动使其混合（开始计时），进行脱氧。

搅
拌均匀后（时间t0），测定脱氧水中溶解氧量C0，
连续曝气t 后，溶解氧升高至Ct。

每隔溶解氧浓度
升高0.01，记录一次所用时间（直到溶解氧值达到
饱和为止）。

(3)当清水脱氧至零时，提高叶轮转速进行曝气，并计时。

每隔0.5min测定一次溶解氧值（用碘量法每隔1min 测定一次），知道溶解氧值达到饱和为止。

4数据记录与整理
水温：28℃水样体积：0.018m3
饱和溶解氧浓度Cs：8.00mg/L亚硫酸钠用量：1.8 g
氯化钴用量：0.0288g
表41 曝气设备充氧能力实验数据记录
5数据处理与分析
5.1公式法求解KLa值
公式：
式中：
KLa——氧的总传递系数，L/min；
Cs——实验室的温度和压力下，自来水的溶解氧饱和度，mg/L；
Ct——相应某一时刻 t 的溶解氧浓度，mg/L；
t0——脱氧使用时间，min；
t ——开循环水泵后的时间，min。

实验中，tt0的值对应表41 中的 t 值， C0对应时间 t=0 时的Ct = 0.53mg/L。

将已知值代入公式中求出 KLa，计算结果如表51所示。

表51 公式法KLa计算结果
22 4.50 6.78 1.220.08640.4027
23 5.007.030.970.01320.4083
24 5.507.210.790.10240.4085
25 6.007.370.630.0.4122
26 6.507.490.510.29240.4130
277.007.580.420.37680.4113 287.507.640.360.44370.4044 298.007.680.320.49490.3939由上表可以看出，运用公式法计算出来的KLa值总体
上不断增大，且有较大的增幅，无论采用取平均值或者中
间值等方法确定KLa值都会存在较大误差，都无法很好表
征曝气设备的充氧性能，因此使用公式法求解KLa值不适
用于本实验。

5.2线性回归法求解KLa值
5.2.1ln(Cs Ct) t关系曲线的绘制
由公式“” 可知，作ln(Cs Ct)和t 的
关系曲线，其斜率即为KLa值。

于是，对ln(Cs Ct)进行计算，结果如表52所示。

根据
计算结果以t为横坐标、ln(Cs Ct)为纵坐标，绘制ln(Cs Ct)
和 t 的关系曲线如图51所示。

表52 ln(Cs Ct)计算结果
图51 ln(Cs Ct) t关系曲线
由上图可以观察到，在曝气充氧的整个过程中，随着时间的增长，ln(Cs Ct)总体呈下降趋势。

①在曝气充氧的初始阶段，循环水泵处于启动初期，液体水还没有完全处于湍流状态，充氧系统未达到稳定，故出现ln(Cs Ct)值短暂的上下波动情况，但波动幅度不大；同时，此阶段的曲线斜率较小，水中溶解氧量没有明显增加，这是因为曝气前加入水样中的脱氧剂是过量的，剩余的脱氧剂会与曝气时溶解到水样中的氧气反应，不断地消耗溶解氧。

②随着曝气充氧的进行，剩余的脱氧剂逐渐被反应完，水中的溶解氧不再被消耗，溶解氧量稳定增大。

③当曝气充氧进入到最后阶段，由于水中溶解氧量趋近饱和，增长速率逐步减慢，即曲线斜率越来越小。

综上所述，曝气充氧系统稳定阶段的斜率才真正对应本次实验的KLa值。

5.2.2ln(Cs Ct) t线性拟合
由上一部分对ln(Cs Ct)t关系曲线的分析可知，为求得较为准确的KLa值，应将实验前半段数据及结束前一段时
间内较平缓变化点去除，以免影响线性拟合结果。

剔除无效数据后，对ln(Cs Ct)t数据点进行线性拟合，拟合图像如图52所示，相关拟合数据如表53所示。

图52ln(Cs Ct) –t线性拟合图像
表53 ln(Cs Ct) –t线性拟合方程数据
由上表可知，对ln(Cs Ct) –t进行线性拟合，线性相关系数达 0.99944，极其接近1，拟合效果极好，与理想条件下溶解氧的传递符合一级反应相符合，结果可用于理论分析。

由上表数据可得拟合方程为：
其中，氧的总传递系数
换算为20℃时氧的总传递系数
5.3非线性回归法求解KLa值
由于使用线性回归法计算氧传递系数KLa受Cs取值的影响较大，所以Cs值取值是计算结果合理与否的关键。

有
研究表明，如果代入的Cs值比真实值每减少1%，计算的KLa将增大3%；只有测得的Cs值大于或等于真实值的99.7%时，才能准确的计算出KLa值，而这在我们的实验中一般是比较难达到的，因此，使用该种方法计算KLa存在一定的弊端。

计算KLa值的另一种方法是非线性回归法。

非线性回归法把Cs看成未知量，在一定程度上减轻了采用线性回归法计算氧传递系数KLa受Cs取值的影响。

使用这种处理方法只需测得的Cs大于或等于真实值的98%便可准确的计算KLa值，因此，在实际测试中更加方便控制且计算结果准确性较高。

以下将采用非线性回归法对KLa值进行求解。

已知曝气实验溶解氧转移速率满足下列一级反应：
对该方程积分得：
同线性回归法，剔除无效数据后，以t为横坐标、C为纵坐标绘制Ct散点图，用函数对Ct散点图进行拟合，拟合图像如图53所示，拟合方程数据如表54所示。

图53 Ct –t非线性拟合图像
表54 Ct –t非线性拟合方程数据
由上表可知，对Ct –t进行非线性拟合，相关系数R2达 0.99953，极其接近1，拟合效果极好，拟合结果可用于理论分析。

由上表数据可得拟合方程为：
其中，
溶解氧饱和浓度
氧的总传递系数
换算为20℃时氧的总传递系数
5.4线性拟合与非线性拟合结果的比较
表55 线性拟合与非线性拟合结果的比较
由上表数据可知，
①对于同一组数据，线性拟合与非线性拟合的拟合程度都极好。

②线性拟合结果KLa值比非线性拟合偏小，相对误差为：
③线性拟合结果Cs值比非线性拟合偏小，相对误差为：
本次实验中，线性拟合结果的KLa值和Cs值相对误差都很小，说明实验最开始测得的Cs值具有很高的准确性度，实验KLa值的求解可使用线性回归法也可以使用准确性更高的非线性拟合法。

5.5鼓风充氧能力Qs的计算
公式
式中
KLa——氧的总转移系数，L/min；
Cs——饱和溶解氧，mg/L
V——水样的体积，m3。

式中KLa值和Cs值的选取采用准确性更高的非线性拟
合法。

将V = 0.018 m3，KLa(20℃) = 0.374 L/min，Cs = 8.02 mg/L代入上式，得
即计算所得鼓风机的充氧能力 Qs为3.239×103 kg/h。

6思考与讨论
6.1检测曝气设备充氧性能有哪些方法？
（1）化学消氧法水处理曝气设备性能检测方法
在曝气充氧测定中，将一定量的脱氧剂亚硫酸钠投入清水中，并以氯化钴作催化剂，消除清水中的溶解氧，化学反应式如下：
由上式可知，1 kg 的氧气可以与8 kg 的亚硫酸钠相结合，从而导致水中溶解氧浓度的下降甚至消除。

曝气充氧测定过程中，在开启曝气系统之前，水中的溶解氧必须去除干净。

开启曝气系统后，水溶液通过吸收空气中的氧分子，氧的浓度会迅速的上升到饱和状态。

在此过程中，通常采用CoCl2·6H2O 作为催化剂，以加速亚硫酸钠的氧
化，其催化剂投加量以Co2+浓度 0.3～0.5 mg/L 计。

因为化学消氧法实验方法比较简单，故其成为曝气设备充氧能力测试的主要方法得到广泛应用。

但测试过程中要保证测试水溶液中盐浓度(TDS)≤2000 mg/L电导率(CND)≤3000 μS/cm。

本实验采用该方法检测曝气设备充氧性能。

（2）氮气吹脱法水处理曝气设备性能检测方法
气体溶解于液体的过程称为吸附，而溶解气体从液体中解析出来的过程称为解吸附。

若物质的吸附速率与解吸附速率相等，即达到吸附与解吸附现象的动平衡临界状态。

在此状态下，液体中的气体分子浓度保持不变，但气相或液相中任一气体分子浓度发生改变时，其将打破原平衡进而产生气液相间的传质现象。

氮气吹脱法就是向水中通入N2，人为地降低气相氧分子浓度，使氧分子穿过气液相界面向气相转移，从而实现溶解氧在水中发生逆向传质现象而脱除水中溶解氧，达到曝气充氧测试反应初始的零溶解氧状态条件。

在开启曝气系统之前，水中的溶解氧必须去除干净。

开启曝气系统
后，水溶液通过吸收空气中的氧分子，氧的浓度会迅速的上升到饱和状态。

氮气吹脱水处理曝气设备性能检测方法可实现测试用水的重复利用，节省大量的水资源，但系统所需设备较复杂，测试过程操作繁琐。

（3）纯氧曝气法水处理曝气设备性能检测方法
相对于吸附法，纯氧曝气充氧法一般通过向水溶液中鼓入纯氧来提高液相氧分子浓度。

纯氧曝气充氧法与前两种方法原理不同。

在曝气充氧测试中，化学消氧法与氮气吹脱法首先通过消氧剂或吹脱剂降低水中的溶解氧浓度，然后通过向水中通入空气使得水中溶解氧浓度增长的；纯氧曝气充氧法不需先降低水中溶解氧的浓度，而是直接向水中通入纯氧使其溶解氧浓度达到过饱和状态，然后停止通入纯氧，水中溶解氧浓度逐渐从过饱和浓度下降至饱和浓度。

从过饱和浓度CS′下降至饱和浓度CS这段实验有效数据用于氧转移系数 KLa值的计算。

6.2曝气设备充氧性能的指标为何是清水？
这是由于清水的水质比较一致，进行充氧实验时，开动空气泵等进行曝气的开始阶段，即可认为水中的水质均匀布置，此时，测定水中任一点的溶解氧值，即可认为是整个水池的溶解氧值。

如果用污水的话，由于水质组分无法一致，测得的性能无法比较，无法以一点的测量值代表整个池中液体的性能；在曝气设备的实际使用过程中需要用目标水样进行充氧性能测定，实测的KLa才能说明实际的充氧效率。

6.3鼓风曝气设备与机械曝气设备充氧性能指标有何不
同？
答：鼓风曝气设备充氧性能指标一般用动力效率、氧的利用率表示，而机械曝气设备充氧性能指标一般用动力效率、氧的转移效率表示。

这主要是鼓风曝气与机械曝气的特点所决定的。

鼓风曝气属于水下曝气，其曝气量已知的，因此可用单位时间内转移到混合液中的氧量占总供氧量的百分比，即氧的利用
率来表示充氧性能；而机械曝气属于水面曝气，其单位时间内转移至液相中的曝气量是不可求的，因此只能用单位时间内转移至混合液中氧量，即氧转移效率来表示充氧性能。

另外，动力效率是指每消耗1KWh电能转移至混合液中的氧量，这对于鼓风曝气设备与机械曝气设备均是可以求的，故也可用此来表示两者的充氧性能。

6.4影响氧传递的因素有哪些？
美国环保局对17个废水处理厂数百组试验进行总结，制定了微孔曝气系统设计手册，说明了对氧传递影响的因素，如表71所示。

表71 氧传递的影响因素
6.5氧总转移系数 KLa的意义是什么？怎样计算？
答：根据行业标准《曝气器清水充氧性能测定》的定义，氧总转移系数指的是曝气器在标准状态、测试条件下，在单位传质推动力作用时，单位时间向单位体积水中传递氧的数量，表示的是曝气器将氧从气相转移至液相中的能力。

计算方法主要有3种：
①公式法
直接利用公式进行计算：
式中：
KLa——氧的总传递系数，L/min；
Cs——实验室的温度和压力下，自来水的溶解氧饱和度，mg/L；
Ct——相应某一时刻 t 的溶解氧浓度，mg/L；
t0——脱氧使用时间，min；
t ——开循环水泵后的时间，min。

②线性拟合
将一级反应方程dc/dt=KLa(CS−C)积分后得到ln(CS−C)=−KLat+常数，测得Cs和对应每一时刻t的C后绘制ln(CS−C)与t的关系曲线，或dc/dt与c的关系曲线，然后进行线性拟合，拟合直线斜率的绝对值便是KLa。

③非线性拟合
将一级反应方程积分后得到：
用origin等数据处理软件自定义该积分函数，然后调用对实验Ct数据点进行非线性拟合，即可得到参数KKK的取值。

6.6如何确定Cs值？
确定正确的Cs值对于计算正确的K加值是非常重要的。

用于计算KLa值的Cs目前国内外有三种方法：
①采用理论饱和值。

其值在有关的书中均可查到。

对于鼓风曝气和射流曝气，需根据淹没深度，对查到的Cs值进行修正。

该方法得到的值和实际饱和值出入较大。

②采用现场实测值，即充氧实验时的实测饱和值。

因水
中溶解氧饱和浓度与温度、压力、测试条件均有很大关系，所以每次测定的饱和值均不相同，这就要求在每次测定时均使溶解氧达到饱和为止。

该种方法需时较长。

不过，在测试条件下是值得花精力去取得此数据的，这便于确定在一个特定的曝气器和测试条件下采用理论饱和值是否适宜。

本实验采用该种方法。

③试算Cs值。

对选用的饱和值，根据拟和情况进行试算、调整、直至满意，即调整到使各测定值均在半对数格纸作图法的直线上为止。

有研究表明，一般这是最差的方法。