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：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：校正实验标准大气压实验时的大气压废水的自来水的废水的自来水的充氧能力为校正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。
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1.5倍。
所以实验投加的Na2S03投加量为式中：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：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，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：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“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：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：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：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：③线性拟合结果C s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的计算公式式中K La——氧的总转移系数，L/min；C s——饱和溶解氧，mg/LV——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：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。