第2章 传质及曝气

1、第第4 4章章 传质及曝气传质及曝气 1 4.1 4.1 气气- -液传质模型液传质模型 4.2 4.2 相似现象与相似准数相似现象与相似准数 4.3 4.3 曝气设备的充氧能力曝气设备的充氧能力 4.4 4.4 气泡的传质性能气泡的传质性能 4.5 4.5 鼓风曝气和机械曝气鼓风曝气和机械曝气 4.6 4.6 水膜的传质性能水膜的传质性能 第第4 4章章 传质及曝气传质及曝气 2 概概 述述 n 传质：质量传递（传质：质量传递（mass transfer） n 物质以扩散方式从一处转移到另一处的过程，称为物质以扩散方式从一处转移到另一处的过程，称为质质 量传递过程量传递过程，简称，简称传质传

2、质。在一相中发生的物质传递是。在一相中发生的物质传递是单单 相传质相传质，通过相界面的物质传递为，通过相界面的物质传递为相间传质相间传质。 n 实质：由于某种推动力而引起的物质分子的运动。实质：由于某种推动力而引起的物质分子的运动。 n 分子扩散、涡流扩散、简单混合产生的物质迁移。分子扩散、涡流扩散、简单混合产生的物质迁移。 3 概概 述述 n分子扩散（分子扩散（molecular diffusion)：在静止或滞流流体内 部，若某一组分存在浓度差，则因分子无规则的热运动 使该组分由浓度较高处传递至浓度较低处这种现象称为 分子扩散。 n涡流扩散（涡流扩散（eddy diffusion）：）：流

3、体作湍流运动时，若 流体内部存在浓度梯度，流体质点便会靠质点的无规则 运动，相互碰撞和混合，组分从高浓度向低浓度方向传 递，这种现象称为涡流扩散。 4 概概 述述 n 传质过程在工程中占有极其重要的地位：传质过程在工程中占有极其重要的地位： 1、广泛运用于混合物的分离操作；、广泛运用于混合物的分离操作； 2、常与化学反应共存，影响着化学反应过程，甚至、常与化学反应共存，影响着化学反应过程，甚至 成为化学反应的控制因素；成为化学反应的控制因素； 3、在环境保护、生命现象及许多工程和工业实践中、在环境保护、生命现象及许多工程和工业实践中 都涉及物质的传递过程。都涉及物质的传递过程。 5 概概 述述

4、 6 质量传递 吸收、蒸馏、萃取、吸 附、干燥、膜分离等 n曝气：在水中加入氧气等气体；曝气：在水中加入氧气等气体； 去除水中所溶解的挥发性气体去除水中所溶解的挥发性气体 （空气吹脱：（空气吹脱：air stripping） 7 1.1.相相 2.2.相界面相界面 相与相之间在指定条件下有明显的界面，叫做相界面。相与相之间在指定条件下有明显的界面，叫做相界面。 3.3.相转移过程相转移过程 在传质过程中，物质通过相界面从一相转移至另一相的在传质过程中，物质通过相界面从一相转移至另一相的 过程，叫相转移过程。过程，叫相转移过程。 传质过程的类型传质过程的类型 气体吸收气体吸收利用气体中各组分在液

5、体溶剂中的溶解度不同，利用气体中各组分在液体溶剂中的溶解度不同， 使易溶于溶剂的物质由气相传递到液相。使易溶于溶剂的物质由气相传递到液相。 液体蒸馏液体蒸馏是依据液体中各组分的挥发性不同，使其中沸点是依据液体中各组分的挥发性不同，使其中沸点 低的组分气化，达到分离的目的。低的组分气化，达到分离的目的。 气体增湿气体增湿是将干燥的空气与液相接触，水分蒸发进入气相。是将干燥的空气与液相接触，水分蒸发进入气相。 （1 1）流体相间的传质过程）流体相间的传质过程 气相一液相气相一液相 包括气体的吸收、液体的蒸馏、气包括气体的吸收、液体的蒸馏、气 体的增湿等单元操作。体的增湿等单元操作。 液相一液相液相

6、一液相 在均相液体混合物中加入具有选择性在均相液体混合物中加入具有选择性 的溶剂，系统形成两个液相。的溶剂，系统形成两个液相。 气相一固相气相一固相 含有水分或其它溶剂的固体，与比较干燥的热含有水分或其它溶剂的固体，与比较干燥的热 气体相接触，被加热的湿分气化而离开固体进入气气体相接触，被加热的湿分气化而离开固体进入气 相，从而将湿分除去，这就是相，从而将湿分除去，这就是固体的干燥固体的干燥。 （2 2）流一固相间的传质过程）流一固相间的传质过程 气体吸附气体吸附的相间传递方向恰与固体干燥相反，的相间传递方向恰与固体干燥相反， 它是气相某个或某些组分从气相向固相的传递过程。它是气相某个或某些组

7、分从气相向固相的传递过程。 含某物质的过饱和溶液与同一物质的固相相接触时，含某物质的过饱和溶液与同一物质的固相相接触时， 其分子以扩散方式通过溶液到达固相表面，并析出使固其分子以扩散方式通过溶液到达固相表面，并析出使固 体长大，这是体长大，这是结晶结晶。 液相一固相液相一固相 固体浸取固体浸取是应用液体溶剂将固体原料中的可溶组分提取出是应用液体溶剂将固体原料中的可溶组分提取出 来的操作。来的操作。 液体吸附液体吸附是固液两相相接触，使液相中某个或某些组分扩是固液两相相接触，使液相中某个或某些组分扩 散到固相表面并被吸附的操作。散到固相表面并被吸附的操作。 离子交换离子交换是溶液中阳离子或阴离子

8、与固相离子交换剂上相是溶液中阳离子或阴离子与固相离子交换剂上相 同离子的交换过程。同离子的交换过程。 吸收过程（吸收过程（AbsorptionAbsorption） 利用不同气相组份在液利用不同气相组份在液 相溶剂中的溶解度差异，相溶剂中的溶解度差异， 进行选择性的吸收。进行选择性的吸收。 分离依据分离依据 气相气相 A+BA+B 液相液相 A+SA+S A A 脱收脱收 吸收吸收 相界面相界面 传质推动力传质推动力 P、C 萃取过程（萃取过程（ExtractionExtraction） 利用液相各组分在溶利用液相各组分在溶 剂中的溶解度差异。剂中的溶解度差异。 传质推动力传质推动力 C 液相

9、液相 A+BA+B 液相液相 A+SA+S A 萃取萃取 相界面相界面 分离依据分离依据 蒸馏过程（蒸馏过程（DistillationDistillation） 利用液相各组分利用液相各组分 的挥发度差异。的挥发度差异。 传质推动力传质推动力 P、C 气相气相 A+BA+B 液相液相 A+BA+B A B 精馏精馏 相界面相界面分离依据分离依据 吸附和干燥过程（吸附和干燥过程（AdsorptionAdsorptionDryDry） 气液相气液相 A+BA+B 固相固相 C C A A 脱附脱附 吸附吸附 相界面相界面 吸附过程吸附过程 固相固相 A+BA+B 气相气相 C+AC+A A 干燥干

10、燥 相界面相界面 A 干燥过程干燥过程 热量热量 气相气相液相液相相界面相界面 P PG G P Pi i C Ci i C CL L PP CC 主体主体主体主体 溶质由气相主体溶质由气相主体 向气液相界面的向气液相界面的 扩散推动力扩散推动力 溶质由气液相界溶质由气液相界 面向液相主体的面向液相主体的 扩散推动力扩散推动力 传质过程的共性传质过程的共性( (吸收吸收) ) 气相传质气相传质 液相传质液相传质 溶解溶解 平衡状态平衡状态 衡量单位衡量单位 b b、溶质、溶质A A在相界面上溶解，在相界面上溶解，溶解过程溶解过程； 虽然各相内主体浓度相等，但界面附近区域虽然各相内主体浓度相等，

11、但界面附近区域 的浓度不相等。的浓度不相等。 浓度或组成的单位浓度或组成的单位 传质步骤传质步骤 a a、溶质、溶质A A由气相主体到相界面，由气相主体到相界面，气相内传递气相内传递； c c、溶质、溶质A A自相界面到液相主体，自相界面到液相主体，液相内传递液相内传递。 4.1 4.1 气气- -液传质模型液传质模型 4.2 4.2 相似现象与相似准数相似现象与相似准数 4.3 4.3 曝气设备的充氧能力曝气设备的充氧能力 4.4 4.4 气泡的传质性能气泡的传质性能 4.5 4.5 鼓风曝气和机械曝气鼓风曝气和机械曝气 4.6 4.6 水膜的传质性能水膜的传质性能 第第4 4章章 传质及曝

12、气传质及曝气 17 n 气体通过气液界面传递的问题就是如何计算通过界面气体通过气液界面传递的问题就是如何计算通过界面 的传质通量。的传质通量。 n 气液界面附近的区域难于进行观察和做试验，因此借气液界面附近的区域难于进行观察和做试验，因此借 助数学模型描述。助数学模型描述。 4.1 4.1 气气- -液传质模型液传质模型 n 1904年，最早由年，最早由 Nernst提出单膜模型提出单膜模型 n 膜内静止，只依靠分膜内静止，只依靠分 子扩散传质，浓度差子扩散传质，浓度差ci- cb即由传质阻力形成即由传质阻力形成 18 n 常用的三个模型：常用的三个模型： 1926年，年，Whitman 提出

13、双膜理论提出双膜理论 1935年，年，Higbie 提出浅渗提出浅渗/渗透理论（渗透理论（penetration theory） 1951年，年，Danckwerts 提出表面更换提出表面更换/更新理论（更新理论（surface renewal theory） 4.1 4.1 气气- -液传质模型液传质模型 19 4.1 4.1 气气- -液传质模型液传质模型 双膜理论双膜理论 n 主要论点：主要论点： （1）在气、液两相接触的）在气、液两相接触的 界面两侧存在着处于层流界面两侧存在着处于层流 状态的状态的气膜和液膜气膜和液膜，在其，在其 外侧则分别为气相主体和外侧则分别为气相主体和 液相主体

14、，两个主体均处液相主体，两个主体均处 于紊流状态。气体分子以于紊流状态。气体分子以 分子扩散方式从气相主体分子扩散方式从气相主体 通过气膜与液膜而进入液通过气膜与液膜而进入液 相主体。相主体。 20 4.1 4.1 气气- -液传质模型液传质模型 双膜理论双膜理论 n 主要论点：主要论点： （1）气液双膜气液双膜 （2）由于气、液两相的主）由于气、液两相的主 体均处于紊流状态，其中体均处于紊流状态，其中 物质浓度基本上是均匀的，物质浓度基本上是均匀的， 不存在浓度差，也不存在不存在浓度差，也不存在 传质阻力，气体分子从气传质阻力，气体分子从气 体主体传递到液相主体，体主体传递到液相主体， 阻力

15、仅存在于气、液两层阻力仅存在于气、液两层 层流膜中层流膜中。 21 4.1 4.1 气气- -液传质模型液传质模型 双膜理论双膜理论 n 主要论点：主要论点： （1）气液双膜气液双膜 （2）阻力仅存在于气、液阻力仅存在于气、液 两层层流膜中两层层流膜中 （3）在气膜中存在着氧的）在气膜中存在着氧的 分压梯度分压梯度，在液膜中存在，在液膜中存在 着氧的着氧的浓度梯度浓度梯度，它们是，它们是 氧转移的推动力。氧转移的推动力。 22 4.1 4.1 气气- -液传质模型液传质模型 双膜理论双膜理论 n 主要论点：主要论点： （1）气液双膜气液双膜 （2）阻力仅存在于气、液两层阻力仅存在于气、液两层

16、层流膜中层流膜中 （3）分压、浓度梯度是传质推分压、浓度梯度是传质推 动力动力 （4）气体通过气膜的通量与通）气体通过气膜的通量与通 过液膜的过液膜的通量相等通量相等，即膜内为，即膜内为 稳态、无物质积累和亏损。稳态、无物质积累和亏损。 23 4.1 4.1 气气- -液传质模型液传质模型 双膜理论双膜理论 n 主要论点：主要论点： （1）气液双膜气液双膜 （2）阻力仅存在于气、液两层阻力仅存在于气、液两层 层流膜中层流膜中 （3）分压、浓度梯度是传质推分压、浓度梯度是传质推 动力动力 （4）通量相等，膜内为稳态通量相等，膜内为稳态 （5）在气液界面上，气液立即）在气液界面上，气液立即 达到溶

17、解平衡，即：达到溶解平衡，即：Ci=HPi 24 4.1 4.1 气气- -液传质模型液传质模型 双膜理论双膜理论 双膜理论模型论点：双膜理论模型论点： （1）界面两侧存在）界面两侧存在气膜和液膜；气膜和液膜； （2）膜内为层流，）膜内为层流，传质阻力只在膜内传质阻力只在膜内； （3）气体的）气体的分压梯度和浓度梯度分压梯度和浓度梯度是传质的推动力；是传质的推动力； （4）通过气膜的通量与通过液膜的通过气膜的通量与通过液膜的通量相等通量相等，膜内，膜内 无物质积累和亏损；无物质积累和亏损； （5）气液界面上，）气液界面上，气液达溶解平衡气液达溶解平衡，即：，即：Ci=HPi 。 25 4.1

18、4.1 气气- -液传质模型液传质模型 双膜理论双膜理论 气膜一侧的通量：气膜一侧的通量： 水膜一侧的通量：水膜一侧的通量： 将亨利定律代入：将亨利定律代入： 将将ci代入式（代入式（2），得：），得： 其中其中KL为总传质系数：为总传质系数： 1/ KL为传质阻力：为传质阻力： 26 4.1 4.1 气气- -液传质模型液传质模型 浅渗理论浅渗理论 实际生产过程中，气相与液相接触时间很短，不可实际生产过程中，气相与液相接触时间很短，不可 能达到稳态能达到稳态 浅渗理论的基本观点：浅渗理论的基本观点： 允许气体传递进入它所接触的那部水中的时间极短，允许气体传递进入它所接触的那部水中的时间极短，

19、 故气体扩散进入水的深度也必然是很浅的故气体扩散进入水的深度也必然是很浅的 传递的过程是非稳态的，即随时间变化的，因此传传递的过程是非稳态的，即随时间变化的，因此传 递的通量并非一个恒量（双膜理论认为是恒量）递的通量并非一个恒量（双膜理论认为是恒量） 阻力主要在水膜内阻力主要在水膜内 27 4.1 4.1 气气- -液传质模型液传质模型 浅渗理论浅渗理论 28 4.1 4.1 气气- -液传质模型液传质模型 浅渗理论浅渗理论 浅渗模型的平均传质通量：浅渗模型的平均传质通量： 29 c AB c t D k 2 tc 称为气、液接触时间或渗透时间称为气、液接触时间或渗透时间 4.1 4.1 气气

20、- -液传质模型液传质模型 浅渗理论浅渗理论 气水接触时间极短的情气水接触时间极短的情 况下，扩散进水膜中的况下，扩散进水膜中的 距离距离y也是极小的。也是极小的。 当接触当接触0.1s时，时，y为为 0.0035cm，如果水膜厚，如果水膜厚 0.1cm，扩散的深度只，扩散的深度只 有它的有它的3.5。这就是。这就是 为什么叫浅渗。为什么叫浅渗。 D=1*10-5cm2/s 30 4.1 4.1 气气- -液传质模型液传质模型 表面更换理论表面更换理论 表面更换理论：表面更换理论： 是浅渗理论的发展。浅渗理论认为，在传质过程中是浅渗理论的发展。浅渗理论认为，在传质过程中 气体和水的接触表面是不

21、变的气体和水的接触表面是不变的 表面更换理论则认为，由于水膜中的水存在一种紊表面更换理论则认为，由于水膜中的水存在一种紊 动混合状态，传递物质的动混合状态，传递物质的表面不可能是固定不变的表面不可能是固定不变的， 应该是由无数的接触时间不同的面积微元组成的，应该是由无数的接触时间不同的面积微元组成的， 这些面积微元在相应的接触时间内所传递的质量总这些面积微元在相应的接触时间内所传递的质量总 和，才是真正的传质量和，才是真正的传质量 每一个面积微元所通过的量仍用浅渗理论公式计算每一个面积微元所通过的量仍用浅渗理论公式计算 31 4.1 4.1 气气- -液传质模型液传质模型 水膜阻力与气膜阻力：

22、水膜阻力与气膜阻力： 浅渗理论和表面更换理论在物理概念上对于理解浅渗理论和表面更换理论在物理概念上对于理解 气液传质现象比双膜理论更为深刻气液传质现象比双膜理论更为深刻 在实际应用中，仍采用双膜理论的公式，不只是在实际应用中，仍采用双膜理论的公式，不只是 便于应用，更重要的是它能把气膜阻力与液膜阻便于应用，更重要的是它能把气膜阻力与液膜阻 力的相对大小表示出来，这更有利于对气液传力的相对大小表示出来，这更有利于对气液传 质具体过程的质具体过程的主次因素主次因素的了解的了解 32 4.1 4.1 气气- -液传质模型液传质模型 气体的亨利常数气体的亨利常数 H 的大小决定了阻力的大小决定了阻力

23、溶解度很小的气体溶解度很小的气体(如氧气如氧气)，其亨利常数小，气膜阻，其亨利常数小，气膜阻 力可以忽略，传质阻力完全由力可以忽略，传质阻力完全由水膜阻力水膜阻力来定来定 溶解度很大的气体溶解度很大的气体(例如例如SO2或氨或氨) ，其亨利常数很大，其亨利常数很大， 气膜阻力气膜阻力就可能变成传质的控制因素就可能变成传质的控制因素 33 4.1 4.1 气气- -液传质模型液传质模型 4.2 4.2 相似现象与相似准数相似现象与相似准数 4.3 4.3 曝气设备的充氧能力曝气设备的充氧能力 4.4 4.4 气泡的传质性能气泡的传质性能 4.5 4.5 鼓风曝气和机械曝气鼓风曝气和机械曝气 4.

24、6 4.6 水膜的传质性能水膜的传质性能 第第4 4章章 传质及曝气传质及曝气 34 4.2 4.2 相似现象与相似准数相似现象与相似准数 几何相似几何相似： 运动相似运动相似：在几何相似：在几何相似 的运动体系中，其对应的运动体系中，其对应 质点在对应时间间隔内质点在对应时间间隔内 所经过的途径是相似的所经过的途径是相似的 热相似热相似：两系统对应温：两系统对应温 度差的比值一定度差的比值一定 化学相似化学相似：两系统对应：两系统对应 浓度差的比值一定浓度差的比值一定 35 4.2 4.2 相似现象与相似准数相似现象与相似准数 相似理论是进行模型试验和整理经验公式的依据相似理论是进行模型试验

25、和整理经验公式的依据 实际反应过程往往很复杂，要把所有的相似准数都实际反应过程往往很复杂，要把所有的相似准数都 考虑在内，是不现实的考虑在内，是不现实的 虽然不可能达到严格的相似关系，但可按对于整个虽然不可能达到严格的相似关系，但可按对于整个 过程起主导作用的准数对所得数据进行整理和应用，过程起主导作用的准数对所得数据进行整理和应用， 这就是近似相似的概念这就是近似相似的概念 36 4.2 4.2 相似现象与相似准数相似现象与相似准数 扩散过程的相似，包括了两个主要的相似准数扩散过程的相似，包括了两个主要的相似准数 一个是控制一个是控制主体扩散过程的主体扩散过程的Schmidt数数Sc，另一个

26、是，另一个是 控制控制扩散边界相似的扩散边界相似的Sherwood数数Sh。 Sc数的物理意义：粘滞动量通量除以扩散动量通量数的物理意义：粘滞动量通量除以扩散动量通量 Sh数的物理意义：总传质通量除以扩散传质通量数的物理意义：总传质通量除以扩散传质通量 37 4.1 4.1 气气- -液传质模型液传质模型 4.2 4.2 相似现象与相似准数相似现象与相似准数 4.3 4.3 曝气设备的充氧能力曝气设备的充氧能力 4.4 4.4 气泡的传质性能气泡的传质性能 4.5 4.5 鼓风曝气和机械曝气鼓风曝气和机械曝气 4.6 4.6 水膜的传质性能水膜的传质性能 第第4 4章章 传质及曝气传质及曝气

27、38 4.3 4.3 曝气设备的充氧能力曝气设备的充氧能力 曝气的主要作用：曝气的主要作用： 2、搅动、混合、搅动、混合 1、充氧、充氧 向活性污泥微生物提供所需的溶解氧，以保障微生物向活性污泥微生物提供所需的溶解氧，以保障微生物 代谢过程的需氧量，通常曝气池出口的溶解氧浓度应代谢过程的需氧量，通常曝气池出口的溶解氧浓度应 控制在控制在2mg/L以上以上 使曝气池中的污泥处于悬浮状态，增加活性污泥、溶使曝气池中的污泥处于悬浮状态，增加活性污泥、溶 解氧、污水中的有机污染物的充分接触，提高传质效解氧、污水中的有机污染物的充分接触，提高传质效 率，保证曝气池的处理效果率，保证曝气池的处理效果 39

28、 40 )( LsL CCAK dt dm (1) 其中：其中： 氧的转移速率，氧的转移速率， kgO2/h ； A 气、液界面面积，气、液界面面积，m2； KL 液膜的氧转移系数，液膜的氧转移系数，m/h； Cs 液体的饱和溶解氧浓度，液体的饱和溶解氧浓度，kgO2/m3； CL 液体的实际溶解氧浓度，液体的实际溶解氧浓度，kgO2/m3。 dt dm 曝气的理论基础曝气的理论基础 4.3 4.3 曝气设备的充氧能力曝气设备的充氧能力 41 )( * 0bL CCKN )( 1 LsL CC V A K dt dC dt dm V (2) （1）式左右除以液体的体积）式左右除以液体的体积V得

29、到：得到： )( LsLa CCK dt dC (3) 其中：其中： 单位体积内氧的转移速率，单位体积内氧的转移速率， mg/（Lh） ； KLa 氧的总转移系数，氧的总转移系数，h-1； Cs 液体的饱和溶解氧浓度，液体的饱和溶解氧浓度，mg/L； CL 液体的实际溶解氧浓度，液体的实际溶解氧浓度，mg/L。 dt dC 4.3 4.3 曝气设备的充氧能力曝气设备的充氧能力 42 )( LsL CCAK dt dm (1) 氧总转移系数可通过实验求出氧总转移系数可通过实验求出 )( LsLa CCK dt dC dtK CC dC La Ls (4) 对式对式(4)积分积分 t La C C

30、 s dtK CC dCL O 0 C0 当当 t=0时，液体中的溶解氧浓度。时，液体中的溶解氧浓度。 积分结果：积分结果： tKCC La C Cs L 0 )ln( 氧总转移系数氧总转移系数KLa的求定的求定 tK CC CC CCCC La Ls s sLs 0 0 ln)ln()ln( 4.3 4.3 曝气设备的充氧能力曝气设备的充氧能力 43 与与t 之间存在线性关系，直线的斜率即为之间存在线性关系，直线的斜率即为可见可见 Ls s CC CC 0 lg 3 . 2 La K 测定测定KLa值的方法值的方法 t K CC CC La Ls s 3 . 2 lg 0 首先用脱氧剂进行脱

31、氧（亚硫酸钠）；首先用脱氧剂进行脱氧（亚硫酸钠）； 在溶解氧为在溶解氧为0的状态下，进行曝气充氧，每隔一段时间测的状态下，进行曝气充氧，每隔一段时间测 定溶解氧值，直到饱和为止；定溶解氧值，直到饱和为止； 绘制绘制 与与t之间的关系曲线，直线斜率为之间的关系曲线，直线斜率为 。 Ls s CC CC 0 lg 3 . 2 La K 4.3 4.3 曝气设备的充氧能力曝气设备的充氧能力 44 脱氧清水在脱氧清水在20和标准大气压条件下测得的氧转移速和标准大气压条件下测得的氧转移速 率为标准氧转移速率，以率为标准氧转移速率，以R0表示，单位为表示，单位为kgO2/h 以城市废水或工业废水为对象，按

32、当地实际情况进行以城市废水或工业废水为对象，按当地实际情况进行 测定，所得到的为实际氧转移速率，以测定，所得到的为实际氧转移速率，以R表示，单位亦表示，单位亦 为为kgO2/h 设计曝气系统时，需将实际氧转移速率换算成为标准设计曝气系统时，需将实际氧转移速率换算成为标准 氧转移速率，为此，引入某些参数修正氧转移速率，为此，引入某些参数修正 标准清水转移速度与实际氧转移速度标准清水转移速度与实际氧转移速度 4.3 4.3 曝气设备的充氧能力曝气设备的充氧能力 45 4.1 4.1 气气- -液传质模型液传质模型 4.2 4.2 相似现象与相似准数相似现象与相似准数 4.3 4.3 曝气设备的充氧

33、能力曝气设备的充氧能力 4.4 4.4 气泡的传质性能气泡的传质性能 4.5 4.5 鼓风曝气和机械曝气鼓风曝气和机械曝气 4.6 4.6 水膜的传质性能水膜的传质性能 第第4 4章章 传质及曝气传质及曝气 46 废水中的污染物会增加分子转移的阻力，使废水中的污染物会增加分子转移的阻力，使Kla值值 降低，为此引入系数降低，为此引入系数，对，对Kla值进行修正。值进行修正。 1 La Law K K LaLaw KK Klaw 废水中氧总转移系数废水中氧总转移系数 值通过实验确定，一般值通过实验确定，一般 =0.80.85。 水质水质 水温水温 压力压力 水质水质 水温水温 压力压力 氧总转移

34、系数（氧总转移系数（KLa） 4.4 4.4 气泡的传质性能气泡的传质性能 47 1 s sw C C ssw CC Csw废水的饱和溶解氧浓度，废水的饱和溶解氧浓度，mg/L； 值一般介于值一般介于0.90.97之间。之间。 氧转移的影响因素氧转移的影响因素 水质水质水质水质 氧总转移系数（氧总转移系数（KLa） LaLaw KK 饱和溶解氧浓度（饱和溶解氧浓度（Cs） 废水中含有的盐分将使其饱和溶解氧浓度降低，废水中含有的盐分将使其饱和溶解氧浓度降低， 对此，用系数对此，用系数加以修正：加以修正： 水温水温 压力压力 水温水温 压力压力 4.4 4.4 气泡的传质性能气泡的传质性能 48

35、氧转移的影响因素氧转移的影响因素 氧总转移系数（氧总转移系数（KLa） LaLaw KK 饱和溶解氧浓度（饱和溶解氧浓度（Cs） ssw CC 水质水质 水温水温 压力压力 氧总转移系数（氧总转移系数（KLa） 水温升高，液体的粘度降低，有利于氧分子的转水温升高，液体的粘度降低，有利于氧分子的转 移，移， KLa值将提高，水温降低则相反。值将提高，水温降低则相反。 )20( )20()( 024. 1 T LaTLa KK KLa（ （T）和 和KLa（ （20）水温 水温T 和和20 时的氧总转移系数时的氧总转移系数 T设计水温，设计水温，； 1.024温度系数。温度系数。 氧总转移系数（氧

36、总转移系数（KLa） 饱和溶解氧浓度（饱和溶解氧浓度（Cs） 4.4 4.4 气泡的传质性能气泡的传质性能 49 氧转移的影响因素氧转移的影响因素 水质水质 水温水温 压力压力 LaLaw KK ssw CC 水质水质 水温水温 压力压力 氧总转移系数（氧总转移系数（KLa） 氧总转移系数（氧总转移系数（KLa） 饱和溶解氧浓度（饱和溶解氧浓度（Cs） )20( )20()( 024. 1 T LaTLa KK 饱和溶解氧浓度（饱和溶解氧浓度（Cs） 水温升高，水温升高， 饱和溶解氧浓度饱和溶解氧浓度Cs值下降值下降 T T C s 5 .33 65.2475 )760( Cs（ （760）标

37、准大气压条件下的 标准大气压条件下的Cs值，值，mg/L； T设计水温，设计水温，。 4.4 4.4 气泡的传质性能气泡的传质性能 50 氧转移的影响因素氧转移的影响因素 水质水质 水温水温 压力压力 LaLaw KK ssw CC 水质水质 压力压力 氧总转移系数（氧总转移系数（KLa） 饱和溶解氧浓度（饱和溶解氧浓度（Cs） )20( )20()( 024. 1 T LaTLa KK 氧总转移系数（氧总转移系数（KLa） 饱和溶解氧浓度（饱和溶解氧浓度（Cs） 水温水温 饱和溶解氧浓度（饱和溶解氧浓度（Cs） T T Cs 5 .33 65. 2475 )760( 4.4 4.4 气泡的传

38、质性能气泡的传质性能 51 4.4 4.4 气泡的传质性能气泡的传质性能 52 氧转移的影响因素氧转移的影响因素 压力压力 饱和溶解氧浓度（饱和溶解氧浓度（Cs） 压力增高，饱和溶解氧浓度压力增高，饱和溶解氧浓度Cs提高提高 p pp CC ss 5 )760( 10013.1 p 所在地区的实际大气压力，所在地区的实际大气压力，Pa； Cs（ （760） 标准大气压条件下的 标准大气压条件下的Cs值，值，mg/L； p 水的饱和蒸汽压力，水的饱和蒸汽压力， Pa。 4.4 4.4 气泡的传质性能气泡的传质性能 机械曝气装置的情况机械曝气装置的情况 53 氧转移的影响因素氧转移的影响因素 压力

39、压力 饱和溶解氧浓度（饱和溶解氧浓度（Cs） p水的饱和蒸汽压力忽略不计，得到：水的饱和蒸汽压力忽略不计，得到： )760( 5 )760( 10013. 1 sss C p CC 5 10013. 1 p 压力增高，饱和溶解氧浓度压力增高，饱和溶解氧浓度Cs提高提高 p pp CC ss 5 )760( 10013. 1 4.4 4.4 气泡的传质性能气泡的传质性能 机械曝气装置的情况机械曝气装置的情况 54 氧转移的影响因素氧转移的影响因素 压力压力 饱和溶解氧浓度（饱和溶解氧浓度（Cs） )760(ss CC 对鼓风曝气装置，曝气对鼓风曝气装置，曝气 盘安装在水面以下，其盘安装在水面以下

40、，其 Cs值以扩散装置出口和值以扩散装置出口和 混合液表面两处饱和溶混合液表面两处饱和溶 解氧浓度解氧浓度平均值平均值（Csm） 计算计算 5 10013.1212 1 bt ssm pO CC Ot气泡离开水面时，氧的百分比，气泡离开水面时，氧的百分比，% )1 (2179 )1 (21 A A t E E O EA氧利用率，氧利用率，6-12% pb安装曝气装置处的绝对压力，安装曝气装置处的绝对压力，Pa Hppb 3 108 . 9 H-曝气头水深曝气头水深 4.4 4.4 气泡的传质性能气泡的传质性能 55 氧转移的影响因素氧转移的影响因素 水质水质 水温水温 压力压力 氧总转移系数（

41、氧总转移系数（KLa） LaLaw KK 饱和溶解氧浓度（饱和溶解氧浓度（Cs） ssw CC 氧总转移系数（氧总转移系数（KLa） )20( )20()( 024. 1 T LaTLa KK 饱和溶解氧浓度（饱和溶解氧浓度（Cs） 饱和溶解氧浓度（饱和溶解氧浓度（Cs） 5 10026. 242 bt ssm pO CC )1 (2179 )1 (21 A A t E E O Hppb 3 108 . 9 鼓风曝气装置鼓风曝气装置 )760(ss CC T T Cs 5 .33 65. 2475 )760( 4.4 4.4 气泡的传质性能气泡的传质性能 机械曝气装置机械曝气装置 56 标准氧

42、转移速率（标准氧转移速率（R0）的计算）的计算脱氧清水脱氧清水 )20()20()20()20(0 )( smLaLsmLa CVKCCVK dt dm R CL水中含有的溶解氧浓度，脱氧清水水中含有的溶解氧浓度，脱氧清水CL =0。 温度为温度为T时的实际氧转移速率（时的实际氧转移速率（R）污水污水 )(024. 1 )( 20 )20(LTsm T La CCKVR 氧转移速率的计算氧转移速率的计算 )(024. 1 )( 20 )20( 0 LTsm T sm CC C R R 因此因此 )(024. 1 )( 20 )20( 0 LTsm T sm CC RC R CL混合液的溶解氧浓

43、度，一般按混合液的溶解氧浓度，一般按2mg/L考虑。考虑。 4.4 4.4 气泡的传质性能气泡的传质性能 57 氧转移效率氧转移效率100 0 c A O R E EA氧转移效率，氧转移效率，%； Oc供氧量，供氧量，kg/h； 氧转移效率与供气量的计算氧转移效率与供气量的计算 ssc GGO3 . 043. 1%21 21%氧在空气中所占百分比；氧在空气中所占百分比； 1.43氧的容重，氧的容重，kg/m3； Gs供气量，供气量，m3/h。 供氧量供氧量 100 3 . 0 0 A s E R G供气量供气量 4.4 4.4 气泡的传质性能气泡的传质性能 58 对鼓风曝气系统，各种曝气装置的

44、对鼓风曝气系统，各种曝气装置的E EA A值是值是 制造厂家通过清水试验测出的，随产品向制造厂家通过清水试验测出的，随产品向 用户提供用户提供 氧转移效率与供气量的计算氧转移效率与供气量的计算 4.4 4.4 气泡的传质性能气泡的传质性能 59 氧转移效率与供气量的计算氧转移效率与供气量的计算 需氧量需氧量 活性污泥系统供氧速率与耗氧速率应保持平衡，因此，活性污泥系统供氧速率与耗氧速率应保持平衡，因此， 曝气池混合液的需氧量应等于供氧量。曝气池混合液的需氧量应等于供氧量。 O2曝气池中混合液需氧量，曝气池中混合液需氧量，kgO2/d； a 代谢每代谢每kgBOD所需的所需的O2的的kg数；数；

45、 b 每每kgMLVSS每天进行自身氧化所需氧的每天进行自身氧化所需氧的kg数，即污泥数，即污泥 自身氧化需氧率，自身氧化需氧率，d-1； Sr有机质降解量，有机质降解量，kg/m3，Sr=S0-Se XVMLVSS Vr VXbQSaO 2 4.4 4.4 气泡的传质性能气泡的传质性能 60 可以改写为：可以改写为： bNab VX QS a VX O s V r V 2 氧转移效率与供气量的计算氧转移效率与供气量的计算 sr V r N b a QS VX ba QS O 2 单位重量活性污泥的需氧量，单位重量活性污泥的需氧量，kgO2/(kgMLVSSd) V VX O2 每降解的每降解

46、的1kgBOD的需氧量，的需氧量， kgO2/(kgBODd) r QS O2 Ns-污泥负荷，污泥负荷， kgBOD/(kgMLVSSd) 4.4 4.4 气泡的传质性能气泡的传质性能 61 Vr VXbQSaO 2 或或 例例 题题 l 某城市废水处理厂，设计流量某城市废水处理厂，设计流量Q=30000m3/d，一级处理出，一级处理出 水水BOD5=200mg/L，采用活性污泥法处理，要求处理水，采用活性污泥法处理，要求处理水 BOD520mg/L。 l 经计算，曝气池容积经计算，曝气池容积V=10000m3，XV=2000mg/L，采用微，采用微 孔曝气盘作为曝气装置，孔曝气盘作为曝气装

47、置，EA=18%，CL=2mg/L，计算温度，计算温度 25，曝气盘安装在水下，曝气盘安装在水下4m处。处。 l有关参数：有关参数：a=0.5，b=0.1，=0.8，=0.9，=1.0。 求定鼓风曝气量和采用表面机械曝气器时的充氧量。求定鼓风曝气量和采用表面机械曝气器时的充氧量。 62 例例 题题 解：解： （1）鼓风曝气量的计算）鼓风曝气量的计算 计算需氧量计算需氧量 VeVr VXbSSQaVXbQSaOR)( 02 1000 200010000 1 . 0 1000 )20200(300005 . 0 2 O hkgOdkgO/8 .195/4700 22 63 R R0 应该把实际需要

48、的转移速率应该把实际需要的转移速率R转换为标准状态清水的氧转移速转换为标准状态清水的氧转移速 率率R0，才能够根据曝气设备提供的氧转移效率，才能够根据曝气设备提供的氧转移效率EA计算出需要的计算出需要的 供气量供气量Gs。 例例 题题 曝气装置出口处的压力按下式计算，得：曝气装置出口处的压力按下式计算，得： PaHppb 5353 10405. 14108 . 910013. 1108 . 9 气泡溢出曝气池表面时，氧含量的百分比按下式计算，得：气泡溢出曝气池表面时，氧含量的百分比按下式计算，得： %100 )1 (2179 )1 (21 A A t E E O %9 .17 %100 )18

49、. 01 (2179 )18. 01 (21 计算曝气池内饱和溶解氧浓度的平均值计算曝气池内饱和溶解氧浓度的平均值 64 计算计算R0 )(024. 1 )( 20 )20( 0 LTsm T sm CC RC R 5 10026. 242 bt ssm pO CC 例例 题题 查表（排水工程下册第四版附录查表（排水工程下册第四版附录1）得知，）得知，20和和25时的饱时的饱 和溶解度浓度分别为：和溶解度浓度分别为： Cs（ （20）=9.17mg/L； ；Cs（ （25）=8.4mg/L。 。 将所得各值代入式中，得：将所得各值代入式中，得： LmgCsm/28. 9 42 9 .17 02

50、6. 2 405. 1 4 . 8 )25( LmgCsm/17.10 42 9 .17 026. 2 405. 1 17. 9 )20( 65 例例 题题 )(024. 1 )( 20 )20( 0 LTsm T sm CC RC R hkgO /9 .347 )228. 90 . 19 . 0(024. 18 . 0 17.108 .195 2 )2025( 计算供气量计算供气量 min/4 .107/6 .6442100 183 . 0 9 .347 100 3 . 0 33 0 mhm E R G A s 20时，脱氧清水的需氧量按下式计算，代入各值得：时，脱氧清水的需氧量按下式计算，

51、代入各值得： 66 hkgOR/1 .363 )24 . 80 . 19 . 0(024. 18 . 0 17. 98 .195 2 )2025( 0 例 题 （2）机械曝气器充氧量的计算）机械曝气器充氧量的计算 按下式求按下式求20脱氧清水需氧量，带入各值，得脱氧清水需氧量，带入各值，得 表面曝气，表面曝气，Csm不需要换算为水不需要换算为水 面和水下的平均值面和水下的平均值 67 )(024. 1 )( 20 )20( 0 LTsm T sm CC RC R 4.1 4.1 气气- -液传质模型液传质模型 4.2 4.2 相似现象与相似准数相似现象与相似准数 4.3 4.3 曝气设备的充氧

52、能力曝气设备的充氧能力 4.4 4.4 气泡的传质性能气泡的传质性能 4.5 4.5 鼓风曝气和机械曝气鼓风曝气和机械曝气 4.6 4.6 水膜的传质性能水膜的传质性能 第第4 4章章 传质及曝气传质及曝气 68 4.5 4.5 鼓风曝气和机械曝气鼓风曝气和机械曝气 鼓风曝气：将空压机送出的压缩空气通过一系列管道系统送到安装在曝气池 底的空气扩散装置，以微小气泡形式逸出，转移到混合液中，同时混合液搅 拌、混合。 机械曝气：利用安装在水面上、下的叶轮高速转动，剧烈搅动水面，产生水 跃，液面与空气接触表面不断更新，使空气中的氧转移到混合液中。 69 鼓风曝气 空气净化器 鼓 风 机 空气输配 管系

53、统 扩 散 器 鼓风机 供应压 缩空气 风量要满足生化反应所需的氧量和能保 持混合液悬浮固体呈悬浮状态。 风压要满足克服管道系统和扩散器的摩 阻损耗以及扩散器上部的静水压。 罗茨鼓风机：适用于中小型 污水厂，噪声大，必须采取 消音、隔音措施 离心式鼓风机：噪声小，效 率高，适用于大中型污水厂 70 三叶式罗茨鼓风机 常用鼓风机形式常用鼓风机形式 多级离心风机 多级风机 71 鼓风曝气 空气净化器 鼓 风 机 扩 散 器 空气输配 管系统 负责将空气输送到空气扩散器。要求沿程 阻力损失小,曝气设备各点压力均衡,空气 干管和支管流速符合设计要求，配备必要 的手动阀和电动调节阀门。 72 鼓风曝气

54、空气净化器 鼓 风 机 扩 散 器 扩散器的作用是将空气分散成小气泡, 增大空气和混合液之间的接触界面，把空 气中的氧溶解于水中。 空气输配 管系统 微气泡扩散器(m) 小气泡扩散器(mm) 中气泡扩散器(mm) 大气泡扩散器(mm) 扩散器的类型 73 1.1.微气泡扩散器：微气泡扩散器：气泡直径在气泡直径在100100m m左右。左右。 射流曝气器：射流曝气器：自吸式、供气式（鼓风式）两种类型自吸式、供气式（鼓风式）两种类型 4.5 4.5 鼓风曝气和机械曝气鼓风曝气和机械曝气 74 通过混合液的高速射流，将鼓通过混合液的高速射流，将鼓 风机引入的空气切割粉碎为微风机引入的空气切割粉碎为微 细气泡，与混合液充分接触混细气泡，与混合液充分接触混 合，促进氧的传递，氧利用率合，促进氧的传递，氧利用率 20%-30%20%-30%。 扩散板与扩散管扩散板与扩散管 4.5 4.5 鼓风曝气和机械曝气鼓风曝气和机械曝气 75 微孔曝气盘 微孔曝气管 76 膜片式微孔空气扩散器膜片式微孔空气扩散器 固定式平板型空气扩散器固定式平板型空气扩散器 4.5 4.5 鼓风曝气和机械曝气鼓风曝气和机械曝气 77 ZDB型振动曝气器 膜片式微孔曝气器 K