ファインバブル曝気酸素添加試験報告書

廃水処理システムにおいて、曝気プロセスは廃水処理プラント全体のエネルギー消費量の 45% ～ 75% を占めます。曝気プロセスの酸素移動効率を向上させるために、現在の廃水処理プラントは一般的に微細孔が使用されています。大および中サイズの気泡の曝気システムと比較して、微細孔曝気システムはエネルギー消費量を約 50% 節約できます。それにも関わらず、曝気プロセスの酸素利用率も 20% ～ 30% の範囲にあります。さらに、中国では汚染された河川の処理に微多孔性エアレーション技術を使用する地域が増えていますが、さまざまな水条件に応じて微多孔性エアレーターを合理的に選択する方法に関する研究はありません。したがって、実際の生産および用途における微多孔性エアレーターの酸素化性能パラメーターの最適化は非常に重要です。

微孔質の曝気と酸素化の性能に影響を与える要因は数多くありますが、最も重要なのは曝気量、孔径、水深の設置です。

現在、微多孔性エアレーターの酸素化性能と細孔径および設置深さとの関係に関する研究は国内外でほとんど行われていない。この研究では、総酸素物質移動係数と酸素化能力の向上に重点が置かれており、曝気プロセスにおけるエネルギー消費の問題は無視されています。当社は理論的な電力効率を主要な研究指標として採用し、酸素化能力と酸素利用の傾向と組み合わせて、最初に曝気効率が最高となる曝気量、開口径、設置深さを最適化し、アプリケーションの参考にします。実際のプロジェクトにおける微孔性曝気技術の実際のプロジェクト。

1.材料と方法

1.1 テストのセットアップ
試験装置はプレキシガラス製で、本体は水面下 0.5 m に溶存酸素プローブを備えた D 0.4 m × 2 m の円筒曝気槽でした (図 1 を参照)。


図 1 曝気および酸素添加試験のセットアップ

1.2 試験材料
微多孔性エアレーター、ゴム膜製、直径 215 mm、孔径 50、100、200、500、1000 μm。 sension378 ベンチトップ溶存酸素テスター、HACH、米国。ガスローター流量計、範囲 0 ～ 3 m3/h、精度 ±0.2%。 HC-Sブロワー。触媒: CoCl2-6H2O、分析的に純粋。脱酸素剤: Na2SO3、分析的に純粋。



1.3 試験方法
試験は静的非定常法を用いて実施しました。すなわち、試験中にまず脱酸素のためにNa2SO3とCoCl2・6H2Oを投入し、水中の溶存酸素が0になった時点で曝気を開始しました。 溶存酸素濃度の変化水中の経時的な濃度を記録し、KLa 値を計算しました。異なる曝気量 (0.5、1、1.5、2、2.5、3 m3/h)、異なる細孔サイズ (50、100、200、500、1,000 μm)、および異なる水深 (0.8、1.1、 1.3、1.5、1.8、2.0 m）、CJ/T も参照されました。
3015.2 -1993「エアレーター清水酸素添加性能判定」および米国清水酸素添加試験基準。

酸素利用率（SOTE、%）は式（4）で表されます。

ここで、 q - 標準状態での曝気量、m3/h。

理論上の電力効率[E,kg/(kW-h)]は式(5)で表されます。

ここで: P - 曝気装置の電力、kW。

エアレーターの酸素化性能を評価するために一般的に使用される指標は、全酸素物質移動係数 KLa、酸素化容量 OC、酸素利用率 SOTE、理論出力効率 E です [7]。既存の研究は、理論的な電力効率ではなく、総酸素物質移動係数、酸素化能力、酸素利用の傾向に重点を置いています [8、9]。唯一の効率指標 [10] である理論的な電力効率は、この実験の焦点である曝気プロセスにおけるエネルギー消費の問題を反映できます。

2.2 酸素化性能に対するエアレーションの影響

孔径200μmの曝気装置の底部2mで曝気し、曝気レベルごとの酸素化性能を評価した結果を図2に示します。

図 2 曝気速度による K および酸素利用率の変化

図２から分かるように、曝気量の増加に伴って、KLaは徐々に増加する。これは主に、曝気量が多いほど気液接触面積が大きくなり、酸素化効率が高くなるためである。一方で、曝気量の増加に伴って酸素利用率が低下することを発見した研究者もおり、今回の実験でも同様の状況が見られました。これは、ある水深以下では曝気量が少ないと水中での気泡の滞留時間が長くなり、気液接触時間が長くなるためである。曝気量が多いと水域の乱れが激しく、酸素のほとんどが有効利用されず、最終的には水面から泡となって空気中に放出されます。この実験から得られた酸素利用率は文献に比べて高くありませんでした。これはおそらく反応器の高さが十分に高くなく、多量の酸素が水柱と接触せずに逃げたため、酸素利用率が低下したためと考えられます。

エアレーションによる理論出力効率 (E) の変化を図 3 に示します。

図3 理論動力効率対曝気量

図 3 からわかるように、エアレーションの増加に伴って理論的な電力効率は徐々に低下します。これは、特定の水深条件下では曝気量の増加に伴って標準酸素移動速度が増加するが、送風機が消費する有効仕事量の増加が標準酸素移動速度の増加よりも大きく、理論動力効率が低下するためです。実験で検討した曝気量の範囲内では曝気量の増加に伴い減少する。図 1 と図 2 の傾向を組み合わせると、図２および３から、最良の酸素化性能は０．５ｍ３／ｈの曝気量で達成されることが分かる。

2.3 酸素化性能に対する細孔径の影響

細孔径は気泡の形成に大きな影響を及ぼし、細孔径が大きいほど気泡のサイズも大きくなります。気泡が衝突時の酸素化性能に及ぼす影響は、主に 2 つの側面で表れます。まず、個々の気泡が小さいほど、気泡全体の比表面積が大きくなり、気液物質移動接触面積が大きくなり、気液の移動がより促進されます。酸素;第二に、気泡が大きいほど、水をかき混ぜる役割が強くなり、気液混合が速くなり、酸素化の効果が高くなります。多くの場合、物質移動プロセスの最初のポイントが重要な役割を果たします。このテストでは、KLa と酸素利用率に対する細孔サイズの影響を調べるために、曝気量を 0.5 m3/h に設定します。図 4 を参照してください。


図4. 細孔径による KLa と酸素利用率の変化曲線

図 4 からわかるように、KLa と酸素利用率は両方とも、細孔サイズの増加とともに減少しました。同じ水深と曝気量の条件では、口径 50 μm の曝気装置の KLa は、口径 1,000 μm の曝気装置の KLa の約 3 倍になります。したがって、エアレーターが一定の水深に設置される場合、エアレーターの酸素化能力と酸素利用率の開口部が小さいほど大きくなります。

細孔サイズによる理論的な電力効率の変化を図に示します。

図 5 理論上の電力効率と細孔サイズの関係
図5からわかるように、理論上の電力効率は、開口サイズの増加とともに増加し、その後減少する傾向を示しています。これは、一方では、小口径エアレーターの方が KLa と酸素化能力が高く、酸素化が促進されるためです。一方、絞り径が小さくなると、ある水深下では抵抗損失が増加します。促進効果の抵抗損失に対する細孔サイズの減少が酸素物質移動の役割よりも大きい場合、理論的な出力効率は細孔サイズの減少に伴って低下します。したがって、アパーチャ直径が小さい場合、理論的な電力効率はアパーチャ直径の増加とともに増加し、アパーチャ直径が 200 μm になると最大値 1.91 kg/(kW-h) に達します。開口径 > 200 μm の場合、曝気プロセスにおける抵抗損失は曝気プロセスにおいて支配的な役割を果たさなくなり、曝気装置の開口径の増加に伴う KLa と酸素化能力が低下するため、理論上の電力効率は大幅な低下傾向を示しています。

2.4 設置水深が酸素化性能に及ぼす影響

エアレーターが設置される水深は、エアレーションと酸素化の効果に非常に大きな影響を与えます。実証研究の対象は２ｍ未満の浅水路であった。エアレーターの曝気深さはプールの水深によって決まりました。既存の研究は主にエアレーターの浸水深さに焦点を当てている（すなわち、エアレーターをプールの底に設置し、水の量を増やすことで水深を深くする）が、本試験は主にエアレーターの設置深さに焦点を当てている。エアレーター（プールの水量を一定に保ち、エアレーション効果が得られる最適な水深を見つけるためにエアレーターの設置高さを調整する）と、水深によるKLaと酸素利用率の変化は次の通りです。図6に示します。


図6 水深によるKと酸素利用率の変化曲線
図 6 は、水深が深くなるにつれて、KLa と酸素利用率の両方が明確な増加傾向を示し、水深 0.8 m と水深 2 m では KLa が 4 倍以上異なることを示しています。これは、水深が深くなるほど水柱中の気泡の滞留時間が長くなり、気液接触時間が長くなり、酸素移動効果が高まるためです。したがって、エアレーターが深く設置されるほど、酸素化能力と酸素利用が促進されます。しかし、設置水深が深くなると同時に抵抗損失も増加し、抵抗損失を克服するには曝気量を増やす必要があり、エネルギー消費量や運転コストの増加が避けられません。したがって、最適な設置深さを得るには、理論上の電力効率と水深の関係を評価する必要があります (表 1 を参照)。

表 1 水深の関数としての理論的な電力効率
深さ/m	E/(kg.kw-1.h-1)	深さ/m	E/(kg.kw-1.h-1)
0.8	0.50	1.1	1.10

表 1 は、理論的な電力効率が設置深さ 0.8 m でわずか 0.5 kg/(kW-h) と非常に低く、浅水曝気は不適切であることを示しています。水深 1.1 ～ 1.5 m の範囲に設置すると、酸素化能力が大幅に増加し、エアレーターの抵抗効果が明らかではないため、理論的な出力効率が急速に増加します。水深がさらに1.8mまで深くなると、酸素化性能に対する抵抗損失の影響がますます大きくなり、理論出力効率の伸びは横ばい傾向にありますが、依然として増加傾向を示しており、設備内では水深 2 m では、理論上の電力効率は最大 1.97 kg/(kW-h) に達します。したがって、チャネル < 2 m では、最適な酸素供給のために底部エアレーションが推奨されます。

3.結論

静的非定常法を用いて微孔性曝気清水酸素添加試験を行ったところ、試験水深(<2m)および細孔径(50~1000μm)の条件において、総酸素物質移動係数KLaおよび酸素利用率は増加とともに増加した。水深の設置。毛穴サイズの増加と減少に伴い。曝気量を0.5 m3/hから3 m3/hに増加させる過程で、総酸素物質移動係数と酸素化能力は徐々に増加し、酸素利用率は減少しました。

理論上の電力効率が有効性を示す唯一の指標です。テスト条件では、曝気と水深の設置による理論的な電力効率は増加し、開口部の増加により最初に増加し、次に減少します。最高の酸素化性能を達成するには、水深と開口部の設置は合理的な組み合わせでなければなりません。一般に、曝気装置の開口部の水深が大きくなるほど選択が大きくなります。

テスト結果は、浅水曝気は使用すべきではないことを示しています。設置深さ 2 m、曝気量 0.5 m3/h、孔径 200 μm の曝気装置により、理論上の最大電力効率は 1.97 kg/(kW-h) となりました。

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