CN104609534A - 臭氧接触池的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种臭氧接触池的设计方法。所述臭氧接触池的设计方法包括：设定一臭氧接触池模型，该臭氧接触池包括多个处理单元，每个处理单元包括一曝气段和一反应段，处理单元的个数记为i个，所述臭氧接触池包括i个曝气段和i个反应段；通过计算方法获得每个曝气段的出水液相臭氧浓度与液面尾气余臭氧的浓度的数值；通过每个曝气段出水液相臭氧浓度与液面尾气余臭氧的浓度计算最终出水液相臭氧浓度及整个臭氧接触池的液面尾气余臭氧平均浓度；利用最终出水液相臭氧浓度及整个臭氧接触池的液面尾气余臭氧平均浓度优化臭氧接触池。
Description
技术领域
本发明涉及一种臭氧接触池的设计方法。
背景技术
臭氧对水中的有机物具有很好的降解效果，它可以使水中大分子的有机物分解成小分子有机物，从而提高水的可生化性，提升生物活性炭池对有机物的去除效果，同时能去除嗅味，提升水质口感，因此，臭氧生物活性炭深度处理水技术得到了广泛的应用。
臭氧处理水的过程在臭氧接触池中进行。为了获得最佳的水处理效果，臭氧接触池中需要设计合适的臭氧投加比例、反应区宽度分配比例。目前对于臭氧接触池的设计只能通过具体实验操作测定最终出水液相臭氧浓度以及整个臭氧接触池的尾气余臭氧浓度，从而确定最佳的反应区宽度比和/或臭氧投加比例，达到优化设计臭氧接触池的目的。由于每个臭氧接触池的具体参数各有不同，待处理的水本身物理性能的变化也会导致出水中的液相臭氧浓度和尾气臭氧浓度的变化，要确定最佳的反应区宽度比和/或臭氧投加比例就需要反复地进行实验测定。因此整个臭氧接触池的设计工艺非常复杂，且需要消耗时间和人力物力。
发明内容
因此，为克服上述缺点，本发明提供一种臭氧接触池的优化设计方法。
一种臭氧接触池的设计方法，其包括以下步骤：设定一臭氧接触池模型，该臭氧接触池包括多个处理单元，每个处理单元包括一曝气段和一反应段，处理单元的个数记为i个，所述臭氧接触池包括i个曝气段和i个反应段；通过计算方法获得每个曝气段的出水液相臭氧浓度与液面尾气余臭氧的浓度的数值；通过每个曝气段出水液相臭氧浓度与液面尾气余臭氧的浓度计算最终出水液相臭氧浓度及整个臭氧接触池的液面尾气余臭氧平均浓度；利用最终出水液相臭氧浓度及整个臭氧接触池的液面尾气余臭氧平均浓度优化臭氧接触池。
相对于现有技术，本发明所提供的臭氧接触池的设计方法，通过计算即可得到臭氧接触池在使用时的理论最终出水液相臭氧浓度和整个臭氧接触池的尾气余臭氧浓度，进而确定臭氧接触池的每个反应区的体积比和/或臭氧投加比例，达到优化臭氧接触池的目的，不需要反复地进行实验测定，使臭氧接触池的设计更加简单快捷，且节约了人力和物力。
附图说明
图1为本发明实施所提供的臭氧接触池结构示意图。
图2为本发明实施例所提供的进入水中之后的臭氧浓度衰减曲线图。
图3为本发明实施例所提供的，在总臭氧投量为不变的情况下，得到的三段式臭氧接触池的臭氧投加比例优化图。
图4为本发明实施例所提供的，在反应区总体积为不变的情况下，得到的三段式臭氧接触池的每一段反应区体积比例优化结果图。
主要元件符号说明
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
本发明实施例提供一种臭氧接触池的设计方法。所述臭氧接触池的设计方法包括：
S1：设定一臭氧接触池模型，该臭氧接触池包括多个处理单元，每个处理单元包括一曝气段和一反应段；
S2：通过计算方法获得每个曝气段的出水液相臭氧浓度与液面尾气余臭氧的浓度的数值；
S3：通过出水液相臭氧浓度与液面尾气余臭氧的浓度的数值计算最终出水液相臭氧浓度及整个臭氧接触池的液面尾气余臭氧平均浓度；
S4：利用最终出水液相臭氧浓度及整个臭氧接触池的液面尾气余臭氧平均浓度设计臭氧接触池。
步骤S1中，所述臭氧接触池包括多个处理单元，处理单元用于处理进入臭氧接触池的水，即，待处理的水流经多个处理单元，在每个处理单元与臭氧接触，并与臭氧反应。所述处理单元的个数需要根据实际情况进行设计，处理单元的个数记为i（i=1，2，3……）个。请参见图1，本实施例中，臭氧接触池10包括三个处理单元，即为一三段式臭氧接触池，每个处理单元包括一曝气段及一反应段。所述臭氧接触池10包括一进水口30，一出水口40及多个隔离板20。隔离板20将臭氧接触池10分成若干个曝气段和反应段。所述臭氧接触池10中的每个曝气段的底部设置一曝气点，臭氧从该曝气点直接输入至曝气段。曝气点输入的臭氧与进入臭氧接触池10的水接触。输入的臭氧一部分没有与水反应从水的液面溢出，即液面尾气余臭氧；一部分从曝气段流入反应段，即出水液相臭氧浓度，流入反应段的臭氧在反应段与水发生反应；一部分在曝气段，与待处理的水反应。当处理单元的个数为i时，按照待处理水流经的顺序，臭氧接触池10分为第一曝气段11，第一反应段12，第二曝气段21，第二反应段22，第三曝气段31，第三反应段32……第i个曝气段及第i反应段。待处理的水从进水口30进入之后，经过i个处理单元，即，经过i个曝气段及i个反应段，与臭氧充分接触和反应，最后从出水口40流出。
在步骤S2中，首先，计算臭氧接触池10中，第i曝气段气泡粒径dbi；第i个曝气段的气泡实际上升速度vbi；第i个曝气段的臭氧传质系数kLi；以及亨利常数H的数值。
第i曝气段气泡粒径估算公式： ，
第i曝气段气泡静水上升速度计算公式：，
第i曝气段气泡实际上升速度计算公式：，
第i曝气段臭氧传质系数估算公式： ，
亨利常数计算公式：，
其中，T为待处理的水温，pH为水的pH值；Qgi为第i个曝气段进气流量；h0为臭氧接触池中的水深；Ql为进入臭氧接触池的水流量；Si为第i个曝气段的横截面积；这些参数均可以通过直接测量获得。将测量获得的上述参数代入上述公式中，即可以得到dbi，vbi，kLi和H的数值。
其次，所述臭氧接触池中，每个曝气点输入臭氧的浓度记为Cgin，曝气段流出到反应段的出水液相臭氧浓度记为Cli，液面尾气余臭氧的浓度记为Cgi，其中，第一处理单元中第一曝气段11的出水液相臭氧浓度Cl1与输入臭氧的浓度Cgin的关系为：
，
液面尾气余臭氧浓度Cg1满足：
，
第i（i大于等于2）个处理单元中曝气段的出水液相臭氧浓度为Cli与输入臭氧的浓度记为Cgin的关系为：
，
液面尾气余臭氧浓度Cgi满足：
，
其中，Vi为第i个反应段体积；vli为第i个曝气段的水流速度，这些参数的数值可以通过直接测量获得。R为普适常数，为一特定值。在上述计算公式中，所用到的pi，qi和A1，A2为中间参数，中间参数的计算公式为直接测量得到的参数的方程式，在直接测量得到的参数已知的情况下，进行简单计算获得中间参数。在计算中间参数时用到的反应动力学常数k1通过以下方式获得：对待处理的水源水进行分析，通过静态小试实验测定臭氧在水中的消耗曲线；本实施例中，臭氧在待处理水源中的消耗曲线如图2所示；其次，通过一级反应动力学方程，得到臭氧的一级反应动力学常数k1；本实施例中，臭氧的一级反应动力学常数k1为0.00263s-1。中间参数涉及到的计算公式如下所示。
第一曝气段用到的中间参数p1和q1的计算公式为：
，
，
第i（i大于等于2）用到的中间参数A1、A2、pi及qi的计算公式为：
将通过测量获得的参数或者通过简单计算得到的参数一一代入到每个处理单元中的出水液相臭氧浓度Cli计算公式和液面尾气余臭氧浓度Cgi计算公式中，即可以得到出水液相臭氧浓度Cli和液面尾气余臭氧浓度Cgi的具体数值。
在步骤S3中，臭氧与待处理的水在i个曝气段和i个反应段反应之后，待处理的水即从臭氧接触池的出口流出，此时，还有部分臭氧余留在水中从该出口流出，即，从第i个反应段流出。这部分臭氧的浓度为第i反应段的最终出水液相臭氧浓度，记为C’li。C’li的计算公式为：
，
整个臭氧接触池的液面尾气余臭氧平均浓度的计算公式如下：
，
对于整个臭氧接触池而言，臭氧的吸收率的计算公式如下：
，
臭氧利用率的计算公式如下：
。
本实施例中，所涉及的为一三段式臭氧接触池，即，i等于3。具体工况参数如表1所示：
表1 输入参数总汇
| 符号 | 代表意义 | 单位 | 输入值 |
| Cgin | 进气臭氧浓度 | mg/L | 100 |
| Ql | 进水流量 | m3/s | 1.157 |
| h0 | 曝气段水深 | m | 5.6 |
| S1 | 第一段曝气段截面积 | m2 | 2×5.85 |
| S2 | 第二段曝气段截面积 | m2 | 1.7×5.85 |
| S3 | 第三段曝气段截面积 | m2 | 1.7×5.85 |
| pH | 水质的pH值 | 无 | 8.67 |
| T | 水的温度 | oC | 20 |
| k1 | 一级反应动力学常数 | s-1 | 0.00263 |
| V1 | 第一个反应段体积 | m3 | 193.05 |
| V2 | 第二个反应段体积 | m3 | 364.86 |
| V3 | 第三个反应段体积 | m3 | 362.10 |
将上述参数一一代入计算公式中，即可以得到对应的结果。本实施例中，利用Matlab软件作为计算平台，在对应的编程中实现上述计算过程，将上述参数代入公式中，利用针对上述公式编写的计算程序，即可以得到如表2所示的结果。
表2 输出结果汇总
| 符号 | 代表意义 | 单位 | 计算值 |
| C’l3 | 最终出水液相臭氧浓度 | mg/L | 0.1732 |
| Cgout | 所有曝气段液面尾气余臭氧的平均浓度 | mg/L | 0.9046 |
| w1 | 臭氧接触池臭氧吸收率 | 无 | 99.1% |
| w2 | 臭氧接触池臭氧利用率 | 无 | 81.8% |
在步骤S4中，得到表2中的结果之后，通过设计相应的计算程序，可以优化臭氧接触池的参数，以达到实现预设的目标。本实施例中，通过上述公式和计算机程序，可以确定优化臭氧布点方式及优化三段反应区的体积分配。
臭氧布点方式优化指的是，在满足最终出水液相臭氧浓度C’l3在0.05～0.10mg/L之间的条件下，调整臭氧接触池中第1曝气段、第2曝气段及第3曝气段的臭氧投加比例，使得到的所有曝气段液面尾气余臭氧的平均浓度Cgout最低。请参见图3，左边坐标表示第一曝气段投加比例（%），右边坐标表示第二曝气段投加比例（%），三个曝气段的臭氧投加比例总和为1，纵坐标表示整个臭氧接触池的液面尾气余臭氧的平均浓度Cgout（mg/L）。图3中突出区域为可行域（满足最终出水液相臭氧浓度C’l3在0.05～0.10mg/L之间），从图中可以看出，当三个曝气段的臭氧投加为74：25：1时，整个臭氧接触池的液面尾气余臭氧的平均浓度最低。三个曝气段的臭氧投加为74：25：1近似于两点投加，投加比例可以为3：1：0。
反应区的体积分配指的是：在臭氧投加比例不变的情况下，满足最终出水液相臭氧浓度C’l3在0.05～0.10mg/L之间，保持总体积不变，通过改变三段反应区的体积比，使得到的整个臭氧接触池的液面尾气余臭氧的平均浓度Cgout最低，从而确定三段反应区的体积比。本实施例中，三个曝气段的臭氧投加比例为3：1：1。请参见图4，左边坐标表示第一反应段体积比（%），右边坐标表示第二反应段体积比（%），三个反应段的臭氧投加比例总和为1，纵坐标表示整个臭氧接触池的液面尾气余臭氧的平均浓度Cgout（mg/L）。图4中突出区域为可行域（满足最终出水液相臭氧浓度C’l3在0.05～0.10mg/L之间），当第1反应段、第2反应段及第3反应段的体积比为1：11：88时，整个臭氧接触池的页面尾气余臭氧的平均浓度最低。
相对于现有技术，本发明所提供的臭氧接触池的设计方法，通过计算即可得到臭氧接触池在使用时的理论最终出水液相臭氧浓度和整个臭氧接触池的液面尾气余臭氧浓度，进而确定臭氧接触池的每个反应区的体积比和/或曝气段的臭氧投加比例，达到优化臭氧接触池的目的，不需要反复地进行实验测定，使臭氧接触池的设计更加简单快捷，且节约了人力和物力。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。
Claims (10)
1.一种臭氧接触池的设计方法，其包括以下步骤：
设定一臭氧接触池模型，该臭氧接触池包括多个处理单元，每个处理单元包括一曝气段和一反应段，处理单元的个数记为i个，所述臭氧接触池包括i个曝气段和i个反应段；
通过计算方法获得每个曝气段的出水液相臭氧浓度与液面尾气余臭氧的浓度的数值；
通过每个曝气段出水液相臭氧浓度与液面尾气余臭氧的浓度计算最终出水液相臭氧浓度及整个臭氧接触池的液面尾气余臭氧平均浓度；
利用最终出水液相臭氧浓度及整个臭氧接触池的液面尾气余臭氧平均浓度优化臭氧接触池。
2.如权利要求1所述的臭氧接触池的设计方法，其特征在于，所属一级反应动力学常数k1通过以下方式获得：对待处理的水源水进行分析，通过静态小试实验测定臭氧在水中的消耗曲线；通过一级反应动力学方程，得到臭氧的一级反应动力学常数k1。
3.如权利要求1所述的臭氧接触池的设计方法，其特征在于，每个曝气段臭氧的输入浓度记为Cgin，每个曝气段出水液相臭氧浓度记为Cli，第一处理单元中第一曝气段的出水液相臭氧浓度Cl1与输入臭氧的浓度Cgin的关系为：
，
液面尾气余臭氧浓度Cg1满足：
，
其中，h0为臭氧接触池中的水深；T为水温；R为普适常数；H为亨利常数；db1为第1曝气段气泡粒径；V1为第1个反应段体积；vb1为第1个曝气段的气泡实际上升速度；p1和q1为中间参数，中间参数的计算公式为：
，
，
其中，Q1为进水流量，Qg1为第一曝气段的进气流量，k1为一级反应动力学常数，S1为第一曝气段的横截面积，kL1为第一曝气段的臭氧传质系数。
4.如权利要求1所述的臭氧接触池的设计方法，其特征在于，第i（i大于等于2）个处理单元中第i曝气段的出水液相臭氧浓度为Cli与输入臭氧的浓度记为Cgin的关系为：
，
液面尾气余臭氧的浓度Cgi为：
，
其中， T为水温；R为普适常数；H为亨利常数；dbi为第i曝气段气泡粒径； vbi为第1个曝气段的气泡实际上升速度；kLi为第i曝气段的臭氧传质系数，A1、A2、pi、qi为中间参数，中间参数的计算公式为：
其中，h0为臭氧接触池的水深，Si为第i个曝气段的横截面积； Vi为第i个反应段的体积；V（i-1）为第（i-1）个反应段体积；Qgi为第i个曝气段进气流量；Cl（i-1）第（i-1）曝气段的出水液相臭氧浓度，k1为臭氧一级反应动力学常数，Q1为进水流量。
5.如权利要求4所述的臭氧接触池的设计方法，其特征在于，臭氧与待处理的水在i个曝气段和i个反应段反应之后，待处理的水从臭氧接触池的出口流出，部分臭氧余留在流出的水中，这部分臭氧的浓度为最终出水液相臭氧浓度，记为C’li，C’li的计算公式为：
。
6.如权利要求1所述的臭氧接触池的设计方法，其特征在于，对于整个臭氧接触池而言，臭氧的吸收率的计算公式如下：
，
其中，Cgi为第i段曝气段液面尾气余臭氧浓度，Qgi为第i曝气段进气流量，Cgin为输入臭氧的浓度。
7.如权利要求1所述的臭氧接触池的设计方法，其特征在于，对于整个臭氧接触池而言，臭氧利用率的计算公式如下：
，
其中，Cgi为第i段曝气段液面尾气余臭氧浓度，Qgi为第i曝气段进气流量，Cgin为输入臭氧的浓度, C’li为最终出水液相臭氧浓度。
8.如权利要求1所述的臭氧接触池的设计方法，其特征在于，整个臭氧接触池的液面尾气余臭氧平均浓度Cgout的计算公式如下：
，
其中，Cgi为第i段曝气段液面尾气余臭氧浓度，Qgi为第i曝气段进气流量。
9.如权利要求1所述的臭氧接触池的设计方法，其特征在于，所述利用最终出水液相臭氧浓度及整个臭氧接触池的液面尾气余臭氧平均浓度优化臭氧接触池的方法为：在满足最终出水液相臭氧浓度在0.05～0.10mg/L之间的条件下，调整臭氧接触池中i个曝气段的的臭氧投加比例，使得到的所有曝气段液面尾气余臭氧的平均浓度Cgout最低，确定i个曝气段的臭氧投加比例。
10.如权利要求1所述的臭氧接触池的设计方法，其特征在于，所述利用最终出水液相臭氧浓度及整个臭氧接触池的液面尾气余臭氧平均浓度优化臭氧接触池的方法为：在臭氧投加比例不变的情况下，满足最终出水液相臭氧浓度在0.05～0.10mg/L之间，保持总体积不变，通过改变三段反应区的体积比，使得到的整个臭氧接触池的液面尾气余臭氧的平均浓度最低，从而确定三段反应区的体积比。
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