微孔曝气最优气泡群理论及其在复氧工程中的应用

发布时间：2020-05-29 13:42

【摘要】： 城市污水处理过程的大部分能耗都集中于好氧处理过程中,提高曝气充氧系统的效率成为污水厂运行管理的关键。现行的曝气法有:鼓风曝气、机械曝气和两者结合的鼓风—机械曝气。鼓风曝气系统中的微孔曝气系统因其曝气效率相对较高,适应性较强,应用更为广泛。但其氧的利用率和动力效率的绝对数值实际并不高,其根本原因在于目前微孔曝气的研究和应用存在着以下的问题:(1)经典的气液传质理论认为曝气传质扩散的速度主要受气液界面相际传质的影响,忽略了气泡的搅动扩散对传质效果的贡献和对DO均匀分布的重要作用。(2)经典理论认为在曝气传质过程中应尽可能地增大气液接触比表面积,因此主张在相同条件下气泡尺寸越小越好,但这与大部分的实测结果不符。(3)曝气传质模型多偏重于单一气泡尺寸的研究,而忽视了气泡大小分布对于曝气传质过程的重要影响,(4)经典传质模型偏于理论性而实用性不强、传统的评价指标计算较复杂且不便直接用于曝气系统运行和操作。针对目前研究中存在的这些问题,本研究提出了新的理论模型——微孔曝气最优气泡群理论模型。该理论体系架构主要由最优气泡群理论模型基本观点、最优气泡群数学模型、主要应用指标等组成。其基本观点如下:(1)曝气过程主要包括气液界面相际传质和气泡搅动扩散两个阶段,这两个阶段对水体曝气充氧都有贡献但方式不同,相际传质是将氧从空气泡中传入水体,而搅动扩散是使已传入水体中的溶解氧分布于整个水体中。(2)在相同曝气条件及相同气泡数目的条件下,气泡尺寸并非越大或越小曝气效果越好,而是存在着最优气泡平均直径。(3)在曝气量、曝气池的尺寸和曝气器淹没水深一定时,存在着使曝气效果最佳的最优初始气泡群分布。根据该基本理论,本研究建立了以下相关数学模型,其主要包括:(1)曝气传质有效能耗总利用率最高的最优气泡平均直径数学模型;(2)曝气能谱图与等有效能耗曲面;(3)使曝气过程中有效能耗总利用率最大的最优初始气泡群。基于该理论提出了直观简便的微孔曝气系统性能新指标——最优气水比参数。为验证微孔曝气最优气泡群理论模型体系的合理性,进行了两方面的试验:模型小试验证和复氧中试应用检验。本研究首次将雾化曝气管作为布气扩散装置应用于清水和复氧曝气中。试验结果表明:(1)在相同试验条件下,随着曝气气泡平均直径的增加,相际传质能量利用率逐渐减小而紊动扩散能量利用率逐渐增大,而曝气传质有效能耗总利用率是先上升后下降,其峰值即为最大的有效能耗总利用率;(2)根据试验结果所建立的曝气能谱图和等有效能耗曲面图表明曝气池内存在着有效能耗总利用率最高的高效曝气气泡分布段,不同曝气过程虽其初始气泡的输入能量不同,但其传质的有效能耗却有可能相同,通过控制曝气系统工况,可实现“低气量、高效能”的优化运行;(3)所建立的最优气水比模型与实测值符合得较好,最优气水比作为新的曝气系统性能评价指标,评价结果与常规指标一致,但其更直观,应用更简便;(4)在水槽复氧中试试验中,相同条件下雾化曝气管较其它的曝气设备复气效果更好,曝气后水体的DO下降较小,能在较更长的距离保持DO达标,因此,雾化曝气管作为一个新型的高效曝气扩散装置适用于河流复氧;(5)在水槽复氧中试试验中,雾化曝气管的最优气泡群模型较其它的气泡群复氧效果更好。另外在相同管长和水槽流量条件下,并非初始气泡尺寸越大或越小复氧效果越好,也存在着最优的曝气气泡平均尺寸,这为河流曝气复氧工程设计提供了重要的依据。
【图文】：

示意图,有效能耗,曲面,气泡

图 2-4 等有效能耗曲面示意图始气泡分布气过程中，气泡尺寸、分布和生命周期（气泡从产生到消体的溶解氧（DO）有影响。因此，当曝气量一定时，存在气泡群模型，该气泡群是综合各因素对 DO 的影响效果的群的确定对于微孔曝气系统特别是其扩散布气设备的设计用。据气泡粒数衡算模型和传质定律，推导出微孔曝气系统最优，该气泡群位于传质扩散的气泡分布高效段。程中由布气器形成的气泡群，因无其他气泡群的输入输出算模型（PBE）来分析。在体积为W WV = A ΔH （ ΔH 为池高

曝气管

始气泡直径尤为重要。本研究将雾的性能测定，掌握不同气量、不同有利于合理控制和选择曝气初始示）管外径为 14mm、内径为 10m软性管状曝气器。该曝气管表面布缩关闭，故能在很大程度上避免污管壁厚 2mm，通气孔道短，气压m 之间，气泡在水中呈现烟雾飘散产生的初始气泡尺寸随管长、通气水深的影响。因此可通过调整管长对曝气初始气泡尺寸的控制。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：X703

【引证文献】