水车驱动式生物转盘氧传质模型的构建 (1).pdf
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1、净水技术 2023,42(8):111-116Water Purification Technology查晓,马骏,吕锡武.水车驱动式生物转盘氧传质模型的构建J.净水技术,2023,42(8):111-116.ZHA X,MA J,L X W.Establishment of oxygen mass transfer modeling for waterwheel driving rotating biological contactorsJ.Water Purification Technology,2023,42(8):111-116.水车驱动式生物转盘氧传质模型的构建查 晓1,2,马 骏
2、3,吕锡武2(1.苏州科技大学环境科学与工程学院,江苏苏州 215000;2.东南大学能源与环境学院,江苏南京 210096;3.苏州市相城城市建设发展有限公司,江苏苏州 215000)摘 要 水车驱动式生物转盘将生物转盘与跌水充氧相结合,实现高效充氧。经理论分析与试验校核,为水车生物转盘建立氧传质模型。将水车生物转盘充氧过程简化为跌水过程充氧和盘片转动充氧两部分,对两部分分别建立模型。跌水过程以双膜理论为基础,从物料平衡角度建立氧传质模型。盘片转动过程以体积修正系数为基础,对 Kim&Molof 模型进行修正,建立充氧模型。二者结合,经理论推导与试验校正得出最终的水车生物转盘充氧模型。模型结
3、果显示,水车生物转盘充氧能力与初始溶解氧浓度、跌水高度、盘片转速、装置尺寸及温度有关。此模型的建立为其他改进型生物转盘的氧传质模型的建立提供了有效依据和参考。关键词 水车驱动式生物转盘 氧传质模型 跌水充氧 双膜理论 氧传质性能中图分类号:X703文献标识码:A文章编号:1009-0177(2023)08-0111-06DOI:10.15890/ki.jsjs.2023.08.014Establishment of Oxygen Mass Transfer Modeling for Waterwheel Driving Rotating Biological ContactorsZHA Xia
4、o1,2,MA Jun3,L Xiwu2(1.School of Environmental Science and Technology,Suzhou University of Science and Technology,Suzhou 215000,China;2.School of Energy and Environment,Southeast University,Nanjing 210096,China;3.Suzhou Xiangcheng Urban Construction and Development Co.,Ltd.,Suzhou 215000,China)Abstr
5、act Waterwheel driving rotating biological contactors(wdRBCs)are designed combining water dropping contactor and rotating biological contactors(RBCs)for achieving high efficiency of oxygenation.In order to build the oxygen mass transfer model for wdRBCs,the mass transfer process of oxygen was simpli
6、fied as two parts,including oxygenation in the process of water dropping and oxygenation in the process of the disks rotation.Based on the two-film theory,the section one of the model for water dropping was established through mass balance,the section two of this model for disks rotation was establi
7、shed by modifying the Kim&Molof model.Considering the two sections,the final wdRBCs oxygen mass transfer model was established through theoretical derivation and experimental correction.It showed that the oxygenation capacity was decided by initial DO,height,rotation rate,design of wdRBCs and temper
8、ature.Establishment of this model provide an effective reference for other modified RBCs.Keywordswaterwheel driving rotating biological contactors(wdRBCs)oxygen mass transfer modelwater-dropping aerationdouble-film theory oxygen mass transfer efficiency收稿日期 2022-03-21基金项目 苏州科技大学自然科学类校级科研基金(343121312
9、02);苏州科技大学引进人才科研启动基金(332111205)通信作者 查晓(1993),女,博士,讲师,研究方向为水污染控制,E-mail:zhaxiao 。生物转盘是从生物滤池基础上发展起来的一种生物膜技术,其结构简单、抗冲击负荷能力强且运行成本较低,在生活污水、工业废水等多个方面的应用取得了良好的处理效果1。但由于机械装置的限制,生物转盘通常只能应用于小型的污水处理。为扩大生物转盘的应用,各国学者在传统的生物转盘构型基础上提出了一批改进构型的生物转盘以适应111不同的水质情况和处理需求,例如生物转笼2、加装生物填料的转动水车3、增加了膜模块的生物转盘4等。跌水接触氧化技术源自接触氧化技术
10、,因无需曝气、能耗低、运行管理简单等优点在我国分散式农村污水处理中得到广泛应用5。但跌水接触氧化技术的处理效果受到温度、跌水充氧能力等方面的限制,仍有待提高。本课题组将跌水接触氧化技术与生物转盘技术相结合,并受到传统水车启发,采取水车跌水驱动作为驱动方式,以期提高充氧能力并降低能耗。水车驱动式跌水生物转盘(multi-stage waterwheel driving rotating biological contactors,Ms-wdRBCs)在分散式生物污水处理方面取得了良好的污染物去除效果,其中充氧能力是装置运行的关键之一6-7。为Ms-wdRBCs 建立氧传质模型有助于进一步了解其充
11、氧能力,从而对其设计与运行管理起到指导作用,并为其他改进构型的生物转盘氧传质模型建立提供参考。Ms-wdRBCs 可设多级,一般为 34 级,单级水车生物 转 盘(wdRBC)的 构 型 如 图 1 所 示6-7。Ms-wdRBCs 运行过程中氧传质过程为:污水提升后依靠重力自由跌落至 wdRBCs 主体接水池,污水跌落时,受氧浓度差推动,空气中的氧气由气相经两相界面转移至液相(即跌落污水);跌落污水与接水池液面接触时,接触面及附近水体发生搅动,增加气相至液相的氧传递;驱动水车转动带动盘片转动,进一步增加接水池水体被搅动程度。可简化为跌水下落过程的充氧和盘片转动过程的充氧两部分。现从这两部分充
12、氧过程分别考虑,建立氧传质模型。图 1 wdRBC 构型及氧传质试验装置示意图Fig.1 Schematic Diagram of wdRBC and Experimental Device1 试验装置及试验用水本试验针对 wdRBC 的充氧能力展开。试验装置如图 1 所示。氧传质试验装置包括一级 wdRBC、零氧进水水箱、驱动水箱、进水布水管及支架、驱动水布水管及支架、两个蠕动泵。wdRBC 中间设驱动水车,水车直径为 20 cm,宽为 5 cm;两侧分别分布一个盘片区,单个盘片区长为 14 cm,宽为 28 cm,盘片直径为 20 cm,间隔 2 cm,盘片浸没度为 45%。前期对 Ms-
13、wdRBCs 的运行模式进行优化,利用充氧效率和氧总传质系数作为衡量,对不同跌水高度(0.10.9 m)、跌水流量(315 mL/s)和盘片转速(615 r/min)时的 wdRBC 充氧能力进行评估。结果表明,跌水高度高于 0.5 m 时充氧能力较好,跌水流量为 7.5 mL/s 时充氧能力最佳,而盘片转速的持续增加可以一定程度地增加充氧能力。因此,此充氧模型基于以上较优的条件建立。试验用水车驱动水采用自来水,贮存在驱动水箱中;转盘区进水,即本模型考察主体,采用自来水进行脱氧处理,贮存在零氧水箱中。零氧水箱带盖密封,使用前采用脱氧剂(无水硫酸钠)和催化剂(氯化钴)脱除水中溶解氧,脱氧剂和催化
14、剂投加量和投加方法参照相关文献8。使用前检测溶解氧质量浓度,应小于 0.2 mg/L。溶解氧浓度监测由YSI550A 便携式溶解氧测量仪(YSI Co.,Yellow Springs,OH,USA)测定。2 跌水充氧过程氧传质模型李发站等9针对跌水接触氧化技术的充氧过程,以双膜理论为基础,依据物料平衡建立了跌水曝气充氧的半理论半经验公式。参考该模型,对Ms-wdRBCs 跌水充氧过程进行模型的建立与校正。模型假设氧传质单向进行,即氧气进入液体后不再逸出;液体跌落过程中氧气不被消耗;液体下落呈连211查 晓,马 骏,吕锡武.水车驱动式生物转盘氧传质模型的构建Vol.42,No.8,2023续状态
15、,即下落过程液体形成一柱体,如图 2 所示。图 2 中柱体为水柱节段,传质微元为红色部分。该模型以速度为主要过程变量。根据质量守恒定律,跌落过程某一瞬间的水柱微元物料衡算关系如式(1)。mo=Vtd(1)其中:mo 氧向水柱微元传质质量,kg;Vt t 时微元体积,m3;d 微元内溶解氧质量浓度变化量,kg/m3。根据双膜理论,水柱微元物料衡算关系如式(2)和式(3)。m0=k(s-)At(2)Vt=D2dh/4(3)其中:k 传质系数;s 饱和溶解氧质量浓度,mg/L;微元内溶解氧质量浓度,mg/L;At 传质时间为 t 时的微元传质面积,m2;D 跌水水柱微元的传质直径,m;dh 微元内跌
16、水高度变化量,m。Ms-wdRBC 经布水箱跌落出水,初速度较小,因而在校正模型中忽略不计,带入式(4)式(6)可得式(7)。vt=(2ght)0.5(4)At=Ddh(5)t=dh/vt(6)ds-=4kDdh(2ght)0.5(7)其中:vt t 时传质微元跌水下落速度,m/s;t 跌水下落时间,s;g 重力加速度,m2/s,通常取9.8 m2/s;ht t 时传质微元跌水下落高度,m。令 K=kD,利用边界条件 ht=0、=0;ht=h,=t积分,可得式(8)。lns-s-0=-8Kh0.5(2g)0.5(8)其中:t 跌水后溶解氧质量浓度,mg/L;0 跌水前溶解氧质量浓度,mg/L;
17、图 2 跌水过程水柱传质微元示意图Fig.2 Schematic Diagram of Mass Transfer Infinitesimal in Water Column during Water-Droppingh 跌水高度,m。对不同跌水高度时充氧情况进行监测,以 h0.5和 lns-s-0试验值分别为横纵坐标作图,结果如图3 所示,可得式(9)。s-s-0=e-1.207 8h0.5(9)即经一定高度跌水后,进入生物转盘的液体溶解氧质量浓度计算如式(10)。=1-e-1.207 8h0.5s-e-1.207 8h0.50(10)图 3 h0.5和 lns-s-0试验值拟合关系Fig.
18、3 Fitting Relationship between Experimental Data of h0.5 and lns-s-0311净 水 技 术WATER PURIFICATION TECHNOLOGYVol.42,No.8,2023August 25th,20233 生物转盘转动过程氧传质模型生物转盘多作为污水处理过程中的好氧生物反应器,溶解氧浓度是其运行过程中的重要参数,一些学者从不同角度对生物转盘的氧传质建立了不同的氧传质模型。已提出的生物转盘的氧传质模型主要包括物理传递模型和生物膜附着传递模型两种。不考虑生物膜附着的物理传递模型具有更强的普适性,应用也更加简便。Zeeval
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