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1 范围 本方法规定了化学消氧法曝气器清水充氧性能测试方法的原理、方法、装置、仪器、步骤及结果分析等内容。 本方法适用于各类曝气器化学消氧法清水充氧性能的测试。 2 规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件,仅所注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。 CJ/T 264—2007 水处理用橡胶膜微孔曝气器 3 术语和定义 下列术语和定义适用于本文件。 3.1 曝气器 diffuser 用于水中充氧并起搅拌作用的气体扩散器。 3.2 标准条件 standard condition 指气体压力为1个标准大气压(0.101325 MPa)、气体温度为20 ℃、完全干燥(零湿度),水温为20 ℃。 3.3 通气量 quantity of aeration 在标准状态下,单位时间内单个曝气器充入清水中的空气量,单位m3/h。 3.4 标准氧总转移系数(kLa20) standard oxygen transfer coefficient 曝气器在标准状态、测试条件下,单位传质推动力、单位时间内向单位体积水中传递氧的数量,单位h-1。 3.5 氧饱和度(CS,T) oxygen saturation value 指在测试状态下,水温为T ℃水中氧气达到饱和状态时的溶解氧浓度值,单位mg/L。 3.6 标准氧饱和度(CS,S,T) standard oxygen saturation value 在大气压为1个标准大气压(0.101325 MPa)、水温为T ℃时的溶解氧饱和浓度值,单位mg/L。 3.7 标准氧转移速率(SOTR) standard oxygen transfer rate 曝气器在标准状态下,单位时间向溶解氧浓度为零的清水中传递的氧量,单位kg/h。 3.8 标准氧转移效率(SOTE) standard oxygen transfer efficiency 标准状态下溶入清水中的氧量与曝气器供氧量之比,单位%。 3.9 比标准氧转移效率(SSOTE) specific standard oxygen transfer efficiency 标准状态下每米水深溶入氧的百分数或每米水深供气1 m3所溶入的氧量,单位为%/m或g /(m3•m)。 3.10 理论动力效率(E) theoretical aeration efficiency 曝气器在标准状态、测试条件下,单位时间消耗1kW有用功率传递到水中的氧量,单位kg/(kW•h)。 3.11 阻力损失(RL) resistance loss 曝气器在标准通气量下的动态湿压力损失,单位Pa。测试方法见附录A。 3.12 净曝气密度 effective diffuser density 曝气器膜片(或曝气件)有效面积与服务面积的比值,单位%。其中,管式曝气器有效面积按其膜片(或曝气件)表面积的50 %计算。 4 测试方法 4.1 氧传递方程 4.1.1 曝气充氧过程基本方程式为: (1) 将上式积分整理后有: (2) 式中: kLaT ——测试水温下清水实验中曝气器氧总转移系数,h-1; CS,T ——氧饱和度,mg/L; C ——曝气t时刻水中相应的溶解氧浓度,mg/L; t ——曝气测试过程中的任一时刻,h。 4.1.2 记录溶解氧浓度C随曝气时间t的变化,用式(2)计算得出曝气器氧总转移系数kLaT值。 4.2 测试方法 4.2.1 采用间歇非稳态法,即测试过程中测试水池的水不进不出,在曝气过程中,水中溶解氧浓度C随曝气时间t而变。 4.2.2 间歇非稳态法又分为静态启动与动态启动两种测试方法。 4.2.3 静态启动法是指在非曝气状态投药消氧,水中溶解氧降至零后开始曝气,记录水中溶解氧浓度C随曝气时间t的变化,从而计算得出氧总转移系数kLaT值。 4.2.4 动态启动法是指在曝气状态下投药消氧,水中溶解氧浓度C降至零后升高,记录水中溶解氧浓度C随曝气时间t的变化,从而计算得出氧总转移系数kLaT值。 5 药剂 5.1 催化剂:氯化钴(CoCl2•6H2O)或其他钴盐(化学纯)。 5.2 脱氧剂:工业用亚硫酸钠(Na2SO3)。 6 测试装置 6.1 测试水池 测试水池可以是方形、圆形、长方形等。测试水池服务面积应能满足不同净曝气密度设置的要求,池内不宜有影响曝气充氧的其他构件,池深应能满足不同测试水深的要求。 注:生产验证测定可在实际生产池内进行。 6.2 布置要求 为降低曝气器测试中因产品性能差异带来的系统误差,测试所用曝气系统应满足:盘式曝气器≥16个;板式曝气器≥12个;管式曝气器≥8个。 6.3 测试仪器 6.3.1 溶解氧测量仪:最大测量误差±1 %,响应时间≤30 s。 6.3.2 气体流量计:精度±1.5 %。 6.3.3 压力变送器:精度±0.1 %。 6.3.4 液位计:测量误差±10 mm。 6.3.5 数据记录与控制系统:数据记录仪的输入信号与各个测试仪表的输出信号相匹配,测试数据实时记录误差±1 %。 6.3.6 供风系统:风量恒定,实验过程风量波动误差±2 %。 6.3.7 电导率测定仪:精度±0.5 %。 6.3.8 水温、环境温度计:精度±0.1 ℃。 6.3.9 气压测定仪:精度±2 %。 6.3.10 湿度测定仪:精度±3 %RH。 7 测试步骤及说明 7.1 测试计划制定 制定测试计划,包括曝气器布置方案设计、测试通气量和测试水位的确定及测试批次的安排等内容。 7.2 曝气器安装与活化 7.2.1 曝气器安装要求 曝气器的安装应符合安装质量的要求。整套曝气系统应保证管、阀件密封,曝气器布置均匀且整体水平度偏差≤±10 mm。 7.2.2 曝气器活化要求 在测试水位下采用最大通气量对曝气器进行不少于48 h的鼓风活化。 7.3 测试准备 7.3.1 检查水池的密封性。 7.3.2 对测试池水体积进行测量。 7.3.3 调整供风系统使出风量稳定在测试通气量。 7.3.4 溶解氧测量仪按如下要求准备: ——测试前按照操作说明对仪器进行标定。 ——测试水池中至少需要均匀布置3个溶解氧探头。测试点位置离池壁至少1m,垂直高度分别为水面以下H/6(H为水深)、H/2、5H/6处。大型测试水池用6个或更多的探头。 7.4 药剂准备 7.4.1 加药量计算 7.4.1.1 催化剂投加量:以Co2+浓度0.3 mg/L~0.5 mg/L计算。当投加亚硫酸钠后,如果水中溶解氧下降速度较慢,氯化钴的投加量应逐步增加,适宜投加量建议通过实验确定。 7.4.1.2 静态启动法亚硫酸钠投加量按如下公式计算: (3) 式中: G ——亚硫酸钠投加量,g; 8 ——理论上消耗1g氧所需亚硫酸钠量,g/g; C ——加药前水中溶解氧浓度,mg/L; V ——测试水池中水的体积,m3; K ——脱氧安全系数,一般取1.2~1.5。 7.4.1.3 动态启动法亚硫酸钠投加量按如下公式计算: (4) 式中: G ——亚硫酸钠投加量,g; 8 ——理论上消耗1g氧所需亚硫酸钠量,g/g; K ——脱氧安全系数,一般取1.2~1.5; C ——加药前水中溶解氧浓度,mg/L; V ——测试水池中水的体积,m3; SOTR ——曝气器的标准氧转移速率,kg/h。 TX ——从加药到完成消氧的时间,min。 7.4.2 药剂配制 7.4.2.1 用温水溶解氯化钴,并搅拌均匀。 7.4.2.2 用温水溶解亚硫酸钠,并搅拌均匀。 7.5 测试过程及判定方法 7.5.1 测试过程 采用动态启动法。曝气器在测试通气量下稳定运行后,将所配氯化钴溶液均匀投加进水中(如果在测试水池中连续测试,水中钴盐只需投加一次,氯化钴需至少提前30 min投加,以保证在投加亚硫酸钠之前氯化钴已经均匀分布于水中),再向水中投加亚硫酸钠溶液进行化学消氧,水中溶解氧浓度快速降为0 mg/L或接近于0 mg/L并稳定后,溶解氧浓度开始上升,直至溶解氧达饱和浓度CS,T停止曝气。上述过程应保证持续稳定曝气。 7.5.2 曝气终止时间判定方法 采用非线性回归进行数据处理时,当测试时间达到4/kLaT h以上或达到溶解氧从0 mg/L上升至90 % CS,T所用时间的两倍以上时,可作为曝气终止时间点。 7.6 测试要求 7.6.1 水质要求 初次测试时,测试用水中溶解性总固体≤500 mg/L;如连续测试要保证测试用水中溶解性总固体≤2000 mg/L或电导率≤3000 μS/cm。 7.6.2 水温、水位要求 7.6.2.1 测试不应在低于4 ℃的水中进行,如果在测试过程中,水温变化超过2 ℃,应重测。 7.6.2.2 测试开始前和结束曝气时的水位差应≤20 mm。 7.6.3 通气量要求 测试过程中通气量波动≤±2 %。 8 测试记录与数据处理 8.1 测试记录 可参照表1。 表1 测试记录表 测试日期: 曝气器 名称 型号 数量,个 安装高度,cm 测试条件 服务面积,m2 水深,m 水体积,m3 通气量,m3/h 测试前: 测试后: 环境参数 水温,℃ 气温,℃ 大气压力,kPa 湿度,% 药剂投加 氯化钴,g 加药前水中溶解氧,mg/L 亚硫酸钠,g 管路参数平均值 气体流量,m3/h 气体温度,℃ 气体湿度,% 压力,MPa 其他参数记录 电导率, μS/cm 饱和溶解氧,mg/L 测试开始时间 测试结束时间 测试点位 编号 1 2 3 4 位置 C-t曲线 8.2 C-t记录曲线 测试点处水中溶解氧浓度C随曝气时间t变化曲线记录如图1。 图1 C-t关系曲线 8.3 数据处理 氧总转移系数kLaT在曝气充氧过程中代表了氧的总传递性,氧传递基本方程式为 注:本标准推荐采用非线性回归法进行氧总转移系数的数据处理计算。 9 结果分析 9.1 计算标准氧总转移系数kLa20公式 按如下公式计算: (5) 式中: kLa20 ——标准状态测试条件下,清水实验中曝气器的氧总转移系数,h-1; kLaT ——测试水温下清水实验中曝气器氧总转移系数,h-1; T ——测试条件下的水温,℃; 1.024 ——温度修正系数。 9.2 计算标准氧转移速率SOTR公式 9.2.1 按如下公式计算: (6) 式中: SOTR ——标准氧转移速率,kg/h; kLa20 ——标准状态测试条件下,清水实验中曝气器的氧总转移系数,h-1; CS,20 ——20 ℃下清水中溶解氧饱和浓度,mg/L; V ——测试水池中水的体积,m3。 9.2.2 把T ℃测定的清水实验中溶解氧饱和度CS,T换算成CS,20,可利用标准氧饱和度值并结合实际大气压P计算,公式如下: (7) 式中: CS,20 ——20 ℃下清水中溶解氧饱和浓度,mg/L; CS,T ——氧饱和度,mg/L; CS,S,20 ——20 ℃时的标准溶解氧饱和浓度,mg/L,见附录B; CS,S,T ——标准氧饱和度,mg/L,见附录B; 0.1013 ——标准大气压值,MPa; P ——测试时实际大气压,MPa; 9.2.3 对于鼓风曝气系统,可利用曝气器淹没水深一半处的压力近似计算CS,20,公式如下: (8) 式中: CS,20 ——20 ℃下清水中溶解氧饱和浓度,mg/L; CS,S,20 ——20 ℃时的标准溶解氧饱和浓度,mg/L,见附录B; hE ——曝气器的淹没水深,m。 9.3 计算理论动力效率E公式 9.3.1 按如下公式计算: (9) 式中: E ——理论动力效率,kg/(kW•h); SOTR ——标准氧转移速率,kg/h; NT ——曝气器充氧时所耗理论功率,即不计管路、风机、电机损失,只考虑曝气充氧所消耗的有用功率,kW。 9.3.2 计算鼓风曝气器理论功率NT公式: (10) 式中: Pa ——管路气体压力,kPa; q ——标准状态下通气量,m3/h。 9.4 计算标准氧转移效率SOTE公式 9.4.1 按如下公式计算: (11) 式中: SOTE ——标准氧转移效率,%; SOTR ——标准氧转移速率,kg/h; 0.28 ——20 ℃时空气中氧的密度,kg/m3; q ——标准状态下通气量,m3/h。 9.4.2 q按下式计算: (12) 式中: qb ——气体的实际流量,m3/h; Pb ——测试时气体的绝对压力,MPa; Tb ——测试时气体的绝对温度,K; 0.1013 ——标准大气压值,MPa; 293 ——标准温度值,K。 9.5 计算比标准氧转移效率SSOTE公式 按如下公式计算: (13) (14) 式中: SSOTE ——比标准氧转移效率,g/(m3•m)或%/m; SOTR ——标准氧转移速率,kg/h; q ——标准状态下通气量,m3/h; hE ——曝气器的淹没水深,m; 0.28 ——20 ℃时空气中氧的密度,kg/m3。 9.6 有效性判定 9.6.1 在1组不同通气量的曝气器清水充氧测试中,单次测试各测点的kLaT值与其均值的误差应在±5 %以内,否则应分析其原因,重新测定。 9.6.2 1组测试中3个及以上不同通气量测试对应的SOTR值的线性拟合度值R2≥0.99时,测试结果视为有效;否则同种测试条件下的重复测试应≥3次,kLaT值单次测试与重复测试平均值的误差应在±10 %以内。 10 测试报告 应包括下列各项: ——依据标准; ——样品名称、型号、数量及生产厂家; ——测试条件:池型及服务面积、水深、通气量、净曝气密度、环境参数等; ——测试结果; ——测试中发生的任何异常现象说明; ——测试单位、测试日期、测试人员。
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