实验六曝气充氧实验
一、实验目的
活性污泥法处理过程中曝气设备的作用是使空气、活性污泥和污染物三者充分混合，使活性污泥处于悬浮状态，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对有机污染物进行氧化降解。
由于氧的供给是保证生化处理过程正常进行的主要因素之一，因而需通过实验测定氧的总传递系数KLa,评价曝气设备的供氧能力和动力效率，为合理的选择曝气设备提供理论依据。
通过本实验希望达到以下目的：
1、加深理解曝气充氧机理及影响因素；
2、掌握测定曝气设备的氧总传递系数和充氧能力的方法；
3、了解各种测试方法和数据整理的方法。
二、实验原理
所谓曝气就是人为的通过一些设备，加速向水中传递氧的一种过程。
现行通过曝气方法主要有三种，即鼓风曝气、机械曝气、鼓风机械曝气。
鼓风曝气是将由鼓风机送出的压缩空气通过管道系统送到安装在曝气池池底的空气扩散装置（曝气器），然后以微小气泡的形式逸出，在上升的过程中与混合液接触、扩散，使气泡中氧转移到混合液中支。
机械曝气则是利用安装在水面的叶轮的高速转动，剧烈搅动水面，产生水跃，使液面与空气接触的表面不断更新，使空气中的氧转移到混合液中去。
曝气的机理可用若干传质理论来加以解释，但水处理界比较公认的是刘易斯（Lewis）于怀特曼（Whitman）创建的双膜理论。
双膜理论是基于在气液两相界面存在着两层膜（气膜和液膜）的物理模型。
它的内容是：在气液两相接触界面两侧存在着气膜和液膜，它们处于层流状态，气体分子从气相主体以分子扩散的方式经过气膜和液膜进入液相主题，氧转移的动力为气膜中的氧分压梯度和液膜中的氧的浓度梯度，传递的阻力存在于气膜和液膜中，而且主要存在于液膜中。
如图所示：
氧扩散方向
P C P
液相主体 气相主体 P C
气 G 膜
双膜理论模型
影响氧转移的因素主要有温度、污水性质、氧分压、水的紊流成都、气液之间接触时间和面积等。
氧转移的基本方程式为
()C C K dt
dc
S La -= V X A D K f L La /•=
式中
dt
dc
——液相主体中氧转移速度[mg/(l ·min)] Cs ——液膜处报和溶解氧浓度（mg/L ） C ——液相主体中溶解氧浓度（mg/L ） K La ——为氧总转移系数
D L ——氧分子在液膜中的扩散系数 A ——气液两相接触界面面积（m 2） X f ——液膜厚度（m ） V ——曝气液体容积（L ）
由于液膜厚度X f 及两相接触界面面积很难确定，因而用氧总转移系数K La 值代替。
K La 值与温度、水紊动性、气液接触面面积等有关。
它指的是在单位传质动力下，单位时间内向单位曝气液体中充氧量，它是反映氧转移速度的重要指标。
t
s o s t t a o ρρρρ---=
ln 1KL 式中： KLa —氧总转移系数，l/min ；
t 、t0—曝气时间，min；
ρ0—曝气开始时烧杯内溶解氧浓度（t0=0时，C0=？mg/L），mg/L；
ρs —烧杯内溶液饱和溶解氧值，mg/L；
ρt —曝气某时刻t 时，烧杯内溶液溶解氧浓度，mg/L
评价曝气设备充氧能力的方法有两种：⑴不稳定状态下的曝气试验，即试验过程中溶解氧浓度是变化的，由零增加到饱和浓度；⑵稳定状态下的试验,即试验过程中溶解氧浓度保持不变。
本实验仅进行在实验室条件下进行的清水和污水在不稳定状态下的曝气试验。
三、实验设备及仪器
1、实验装置如图
2、卷尺
3、溶解氧测定仪
4、烧杯（100mL）配玻棒
5、计时表
6、无水亚硫酸钠
7、催化剂：氯化钴
8、电子天平
四、实验步骤
1、向模型曝气池注入自来水至曝气叶轮表面稍高处，用卷尺测出模型曝气池内水的高度H（m）和模型曝气池的直径D（m），进而计算出模型曝气池的容积（V，m3或L）。
注意：注水时水的流速不能过大，应避免模型曝气池中注入的原水含有气泡。
2、认真预习溶氧仪的使用方法，用胶带将极化校正过的溶氧仪探头捆绑在大玻棒上，并将探头伸入水下1/2处。
注意：在实验过程中，探头伸入水下的深度应尽量保持一致，并要避免溶氧仪探头与曝气头相接触。
3、启动曝气叶轮，使其缓慢转动（注意：仅使水流流动，不能产生气泡），用溶氧仪测定自来水水温和水中溶解氧值，当溶氧仪数值稳定时记录其为初始溶解氧浓度ρ0。
4、根据ρ0计算实验所需要的消氧剂Na2SO3和催化剂CoCl2的量，并称取。
Na2SO3+1/2O2=Na2SO4
1）脱氧剂（无水亚硫酸钠）用量：
从上面的反应式可以知道，每去除1mg溶解氧，需要7.9mgNa2SO3。
根据池子的容积和自来水的溶解氧浓度，可以算出Na2SO3的理论需要量。
实际投加量应为理论值的150%-200%。
计算方法如下：W1=V×ρ0×7.9×（150%-200%）
式中W1为Na2SO3的实际投加量，mg。
2）催化剂（氯化钴）用量：
催化剂氯化钴的投加量按维持池子中的钴离子浓度为0.05-0.5mg/L左右计算。
计算方法如下：W2=V×0.5×129.9/58.9
式中W2为CoCl2的实际投加量，mg。
5、将Na2SO3和CoCl2用蒸馏水样溶解后投放在曝气叶轮处。
注意：因Na2SO3和CoCl2称取量较少，应多次冲洗称量瓶，并将冲洗水倒入模型池内。
6、待溶解氧读数为零时，加快叶轮转速，使模型池内呈现曝气充氧状态，此时开始计时，每隔1min测定池内溶解氧值，直至溶解氧值不再增长为止，此时即为饱和溶解氧浓度ρs。
随后关闭曝气装置。
注意：因记录时间间隔较短，两人应充分合作。
一人控制溶解氧探头，避免溶氧仪探头和曝气盘接触，一人记录。
五、实验数据及结果整理
1、测定并记录实验基本参数，记录格式如下：
实验日期年月日
模型曝气池内径D= m，高度H= m
实验条件下自来水的ρs= mg/L
表1原始实验记录表
水样体积V ： L ； 水温： ℃；初始溶解氧浓度ρ0： mg/L 无水亚硫酸钠用量： g ；氯化钴用量： g 测量时间 t （min ） 1 2 3 3.5 4.0 4.5 5 …… 溶解氧浓度 ρ（mg/L ） …… ρs - ρ （mg/L ）
2、数据整理。
1) 以溶解氧浓度ρ为纵坐标、时间t 为横坐标，作ρ与t 的关系曲线。
2) 根据ρ-t 曲线计算相应于不同ρ值的d ρ/dt ，记录于表2中。
表2 不同ρ值的d ρ/dt
ρ（mg/L ） …… d ρ /dt （mg/（L ·min ））
3）以d ρ/dt 为纵坐标、ρs-ρ为横坐标，绘制出d ρ/dt 与ρ的关系曲线，得到直线的斜率为所求的KLa 。
（或充氧时间t 为横坐标，水中溶解氧浓度变化Ct
Cs Cs
ln 为纵坐标，作图绘
制充氧曲线，所得直线的斜率即为KLa 。
）
4）计算温度修正系数K ，根据KLa （T ），求氧总转移系数KLa （20）
K=1.024（20-T ）
KLa （20）=K· KLa （T ）= 1.024
（20-T ）
× KLa （T ）
5）计算充氧设备充氧能力OC ：单位时间内转移到液体中的氧量。
表面曝气时OC= KLa （20）·ρs·V kgO 2/h 式中：ρs —1atm 下，20℃时溶解氧饱和值，ρs=9.17mg/L V —曝气池有效体积，m 3. 6）计算曝气设备动力效率Ep 。
N
OC
Ep kg/kW·h 式中：N —理论功率，只计算曝气充氧所耗有用功；
V ——曝气池有效体积。
六、实验结果分析与小结
对整理得到的实验结果进行分析，并对本次实验进行小结（体会、心得）。
七、思考题
1. 简述曝气在活性污泥生物处理法中的作用
2. 简述曝气充氧原理及影响氧转移因素
3. 氧总转移系数KLa 的意义是什么？。