1实验目的(1)掌握测定曝气设备的 KLa 和充氧能力α、β 的实验方法及计算 Qs；(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：式中：dC /dt——氧转移速率，mg/(L·h)；KLa——氧的总传递系数，L/h；Cs——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：充氧能力为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Cs ，并根据 Cs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。
相对分子质量之比为：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倍。
所以实验投加的Na2S03投加量为式中：W——亚硫酸钠投加量，g；Cs——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L 为好，一般使用氯化钴(CoCl2·6H20)。
因为：所以单位水样投加钴盐量为：CoCl2·6H20 × = g/m3本实验所需投加钴盐为CoCl2·6H20 V(g)式中：V——水样体积，m3c)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 C，连续曝气 t 后，溶解氧升高至 Ct。
每隔溶解氧浓度升高，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： m3饱和溶解氧浓度Cs： mg/L亚硫酸钠用量： g氯化钴用量： g表4-1 曝气设备充氧能力实验数据记录序号时间t/s时间t/min Ct/(mg/L)序号时间t/s时间t/min Ct/(mg/L)1016150 21017160 32018170 43019180 54020210 650212407602227087023300980243301090253601110026390121102742013120284501413029480151405数据处理与分析5.1公式法求解KLa值公式：式中：KLa——氧的总传递系数，L/min；Cs——实验室的温度和压力下，自来水的溶解氧饱和度，mg/L；Ct——相应某一时刻 t 的溶解氧浓度，mg/L；t——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， C对应时间 t=0 时的Ct= L。
将已知值代入公式中求出 KLa，计算结果如表5-1所示。
表5-1 公式法K La计算结果序号时间t/min C t/(mg/L)C s-C t lg(C s-C t)K La 1/ 2由上表可以看出，运用公式法计算出来的KLa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KLa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KLa 值不适用于本实验。
5.2线性回归法求解KLa值5.2.1ln(Cs - Ct) - t关系曲线的绘制由公式“” 可知，作 ln(Cs - Ct) 和 t 的关系曲线，其斜率即为KLa值。
于是，对ln(Cs - Ct)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(Cs - Ct)为纵坐标，绘制ln(Cs- Ct) 和 t 的关系曲线如图5-1所示。
表5-2 ln(C s - C t)计算结果序号时间t/min C t/(mg/L)C s-C t ln（C s-C t）1234567891011121314151617181920212223242526272829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(Cs - Ct)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(Cs - Ct)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KLa值。
5.2.2ln(Cs - Ct) - t线性拟合由上一部分对ln(Cs - Ct)-t关系曲线的分析可知，为求得较为准确的 KLa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(Cs - Ct)-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Equation y = a + b*xAdj. R-SquareValue Standard Error ln(Cs-Ct)Interceptln(Cs-Ct)Slope由上表可知，对ln(Cs - Ct) –t进行线性拟合，线性相关系数达，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：其中，氧的总传递系数换算为20℃时氧的总传递系数5.3非线性回归法求解KLa值由于使用线性回归法计算氧传递系数 KLa 受Cs取值的影响较大，所以Cs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Cs值比真实值每减少1%，计算的 KLa 将增大3%；只有测得的Cs值大于或等于真实值的%时，才能准确的计算出 KLa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KLa存在一定的弊端。
计算KLa 值的另一种方法是非线性回归法。
非线性回归法把Cs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KLa 受Cs取值的影响。
使用这种处理方法只需测得的Cs 大于或等于真实值的98%便可准确的计算KLa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KLa 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：对该方程积分得：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Equation y =y0-a*exp(-b*x)Adj. R-SquareValue Standard ErrorB y0B aB b由上表可知，对C–t进行非线性拟合，相关系数R2达，极其接近1，拟t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：其中，溶解氧饱和浓度氧的总传递系数换算为20℃时氧的总传递系数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K La /(L/min)Cs/(mg/L)相关系数R2线性拟合非线性拟合由上表数据可知，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KLa值比非线性拟合偏小，相对误差为：③线性拟合结果Cs值比非线性拟合偏小，相对误差为：本次实验中，线性拟合结果的KLa 值和Cs值相对误差都很小，说明实验最开始测得的Cs 值具有很高的准确性度，实验KLa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Qs的计算公式式中KLa——氧的总转移系数，L/min；Cs——饱和溶解氧，mg/LV——水样的体积，m3。
式中KLa 值和Cs值的选取采用准确性更高的非线性拟合法。
将V = m3，KLa (20℃) = L/min，Cs= mg/L代入上式，得即计算所得鼓风机的充氧能力 Qs为×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：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～ 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。