（完整版）曝气设备充氧能力实验报告

1实验⽬的

(1)掌握测定曝⽓设备的K La和充氧能⼒α、β的实验⽅法及计算Q s；

(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：

d C

=K La(C s?C)

d t

式中：d C/d t——氧转移速率，mg/(L·h)；

K La——氧的总传递系数，L/h；

C s——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

ln(C s?C)=?K La t+常数

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：

K La(T)=K La(20℃)1.024T?20

C s(校正)=C s(实验)×

标准⼤⽓压(kPa)实验时的⼤⽓压(kPa)

α=

废⽔的K La ⾃来⽔的K La

β=

废⽔的C s ⾃来⽔的C s

充氧能⼒为

Q s=d C

d t

·V=K La(20℃)·C s(校正)·V(kg/h)

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3-1所⽰。

图3-1 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C s，并根据C s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。

2Na2S03+O2CoCl2

→2Na2S04

相对分⼦质量之⽐为：

O2 Na2S03=

32 126

≈

1

8

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

W=1.5×8C s·V=12C s·V

式中：W——亚硫酸钠投加量，g；

C s——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：

CoCl2·6H2O

Co2?=

238

59

≈4.0

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C t。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：0.018 m3

饱和溶解氧浓度C s：8.00 mg/L亚硫酸钠⽤量：1.8 g

氯化钴⽤量：0.0288 g

表4-1 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K La值公式：

K La=2.303

t?t0

·lg

C s?C0

C s?C t

式中：

K La——氧的总传递系数，L/min；

C s——实验室的温度和压⼒下，⾃来⽔的溶解氧饱和度，mg/L；

C t——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，t-t0的值对应表4-1 中的t 值，C0对应时间t=0 时的C t = 0.53mg/L。将已知值代⼊公式中求出K La，计算结果如表5-1所⽰。

表5-1 公式法K La计算结果

由上表可以看出，运⽤公式法计算出来的K La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K La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K La值不适⽤于本实验。

5.2线性回归法求解K La值

5.2.1ln(C s- C t) - t关系曲线的绘制

由公式“ln(C s?C)=?K La t+常数” 可知，作ln(C s- C t) 和t 的关系曲线，其斜率即为K La值。

于是，对ln(C s- C t)进⾏计算，结果如表5-2所⽰。根据计算结果以t为横坐标、ln(C s- C t)为纵坐标，绘制ln(C s- C t) 和t 的关系曲线如图5-1所⽰。

表5-2 ln(C s- C t)计算结果

图5-1 ln(C s- C t) - 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(C s- C t)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(C s- C t)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K La值。

5.2.2ln(C s- C t) - t线性拟合

由上⼀部分对ln(C s-C t)-t关系曲线的分析可知，为求得较为准确的K La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(C s-C t)-t数据点进⾏线性拟合，拟合图像如图5-2所⽰，相关拟合数据如表5-3所⽰。

图5-2 ln(C s- C t) –t线性拟合图像

表5-3 ln(C s- C t) –t线性拟合⽅程数据

由上表可知，对ln(C s- C t) –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：

ln(C s?C)=?0.46206t+2.31421

其中，氧的总传递系数

K La= 0.46206≈0.462 L/min

换算为20℃时氧的总传递系数

K La(20℃)=K La(28℃)1.02420?28=0.373 L/min

5.3⾮线性回归法求解K La值

由于使⽤线性回归法计算氧传递系数K La受C s取值的影响较⼤，所以C s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C s值⽐真实值每减少1%，计算的K La将增⼤3%；只有测得的C s值⼤于或等于真实值的99.7%时，才能准确的计算出K La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K La存在⼀定的弊端。

计算K La值的另⼀种⽅法是⾮线性回归法。⾮线性回归法把C s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K La受C s取值的影响。使⽤这种处理⽅法只需测得的C s⼤于或等于真实值的98%便可准确的计算K La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K La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：=K La(C s?C)

t

对该⽅程积分得：

C=C s?(C s?C0)·exp (?K La·t)

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C-t散点图，⽤函数y=y0?a·exp (?b·t)对C-t散点图进⾏拟合，拟合图像如图5-3所⽰，拟合⽅程数据如表5-4所⽰。

图5-3 C t –t⾮线性拟合图像

表5-4 C t –t⾮线性拟合⽅程数据

由上表可知，对C t –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：

C=8.01703?10.21085·exp (?0.46267·t)

其中，

溶解氧饱和浓度

C s=8.01703≈8.02 mg/L

氧的总传递系数

K La= 0.46267≈0.463 L/min

换算为20℃时氧的总传递系数

K La(20℃)=K La(28℃)1.02420?28=0.374 L/min 5.4线性拟合与⾮线性拟合结果的⽐较

表5-5 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K La值⽐⾮线性拟合偏⼩，相对误差为：

δ=0.46206?0.46267

×100%=?0.13%

③线性拟合结果C s值⽐⾮线性拟合偏⼩，相对误差为：

δ=8.00?8.02

8.02

×100%=?0.25%

本次实验中，线性拟合结果的K La值和C s值相对误差都很⼩，说明实验最开始测得的C s值具有很⾼的准确性度，实验K La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Q s的计算

公式

Q s=d C·V=K La(20℃)·C s·V(kg/h)

式中

K La——氧的总转移系数，L/min；

C s——饱和溶解氧，mg/L

V——⽔样的体积，m3。

式中K La值和C s值的选取采⽤准确性更⾼的⾮线性拟合法。

将V = 0.018 m3，K La(20℃) = 0.374 L/min，C s = 8.02 mg/L代⼊上式，得

Q s=

60

1000

×0.374×8.02×0.018=3.239×10?3 kg/h

即计算所得⿎风机的充氧能⼒Q s为3.239×10-3 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：

2Na2SO3+O2→2Na2SO4

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

C S′下降⾄饱和浓度C S这段实验有效数据⽤于氧转移系数K La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K La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7-1所⽰。

表7-1 氧传递的影响因素

6.5氧总转移系数K La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：

K La=2.303

t?t0

·lg

C s?C0

C s?C t

式中：

K La——氧的总传递系数，L/min；

C s——实验室的温度和压⼒下，⾃来⽔的溶解氧饱和度，mg/L；

C t——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=K La(C S?C)积分后得到ln(C S?C)=?K La t+常数，测得Cs 和对应每⼀时刻t的C后绘制ln(C S?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K La。

③⾮线性拟合

将⼀级反应⽅程积分后得到：C=C s?(C s?C0)·exp (?K La·t)

⽤origin等数据处理软件⾃定义该积分函数，然后调⽤对实验C-t数据点进⾏⾮线性拟合，即可得到参数K La的取值。

6.6如何确定C s值？

确定正确的C s值对于计算正确的K加值是⾮常重要的。⽤于计算K La值的

C s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C s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C s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。