一种测定水中氧总转移系数的实验装置

本实用新型属于水处理实验教学装置技术领域，涉及一种测定水中氧总转移系数(kla)的实验装置。

背景技术：

在污水处理的好氧活性污泥工艺中，常采用鼓风曝气或机械曝气的方式，将空气中的氧溶解到混合液中，保证好氧微生物在有充足的氧气条件下，对污水中的有机物进行氧化分解。空气中的氧向混合液中的转移速率与工况条件密切相关，既取决于曝气设备的性能(曝气量、汽泡大小、搅拌强度等)，也受水温、水质的影响。通常通过测定不同曝气条件下清水(或污水)中氧的总转移系数kla，来表征空气中的氧向水相中的转移速率，为曝气充氧装置的设计和污水厂实际运行管理提供理论支持。

对于高校环境工程、给排水科学与工程等环境类专业，曝气充氧实验是水处理实验课程的必做实验项目，具有极其重要的地位和意义。从已公开的中国专利来看，已经有几种曝气充氧实验教学装置应用在实验教学中，如专利公开号为cn203689803u公开了“一种可移动的曝气充氧实验装置”，专利公开号为cn207008948u公开了“一种曝气充氧实验装置”，专利公开号为cn208471663u公开了“一种教学用曝气充氧装置”，这些公开技术从提高实验结果准确性、可拆卸使用、便于移动等不同角度出发，解决了曝气充氧实验装置在使用过程中暴露的缺点与不足，推进了曝气充氧实践教学的改革与发展。

但是现有的技术成果，普遍存在几个没有很好解决的核心问题：一是没有设计脱氧水储备水箱，直接在曝气桶中配置脱氧水水样，完成一个曝气工况条件后，需要排放废水后再向曝气罐中重新加水，并投加适量的亚硫酸钠和氯化钴配置脱氧水水样，再进行另一个曝气工况条件。加之曝气桶容积较大，从排水、注水到加脱氧剂配置水样的过程不仅繁琐，还用时较长，会浪费大量实验有效时间，使得2学时内只能开展一到两种工况条件研究，同时也造成实验废水大量排放的环境污染问题。而且每次配置的水样，脱氧水的起始溶解氧浓度(do)不容易控制，难以做到实验的单因素变量控制，容易出现较大实验误差。此外，如果出现某个工况条件下，结果不理想或实验失败的情况，学生没有充裕的时间重复实验，达不到相应的教学目标。二是装置结构布局不够合理，1台设备仅仅能满足一组学生实验，没充分发掘设备的使用潜力。曝气充氧测定水中氧总转移系数(kla)实验属于专业课实验，每年只进行一轮实验，如何提高设备使用率的同时提高实验室的使用效率，是一个必须要面对、要思考思考解决办法的现实问题。同时，设备使用安全问题考虑不够，诸如电源线、气泵、控制器等电气组件设置在曝气桶台面上或台面下，在加装水样、实验过程中，水溢流或溅洒情况不可避免，稍不注意可能流到电源或用电设备上，造成漏电或短路等安全风险，存在一定的用电安全隐患。三是曝气条件设置不够全面，在2学时内无法实现不同曝气工况(诸如不同类型鼓风曝气扩散器、不同温度、不同水质等)实验，学生没法评价不同曝气方式的充氧效率及对溶解氧饱和时间及氧的总转移系数(kla)的影响，不利于知识的掌握。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种测定水中氧总转移系数(kla)的实验装置，解决了脱氧水配置费时费力、实验用水量大、曝气桶原始水样初始do浓度不稳定和实验电气安全的问题，具有可视性好，噪音小、符合人体工学设计，操作便捷、移动方便等特点，可方便的选择不同曝气方式进行不同曝气工况的do-时间曲线测定，评价不同曝气方式对溶解氧饱和时间及氧的总转移系数(kla)的影响。一台设备可同时供4组同学开展实验操作，减少实验设备占用实验空间，满足实验教学和科学研究的需求。

为达到上述目的，本实用新型的实施例采用如下技术方案：

根据本实用新型提供的一个实施例，本实用新型提供了一种测定水中氧总转移系数的实验装置，包括实验台、脱氧水储备水箱、实验装置和电控箱单元；所述实验台中设有废水箱，实验台上设有脱氧水储备水箱、实验装置和电控箱单元；所述废水箱分别与实验装置和脱氧水储备水箱连通，电控箱单元连接实验装置；

通过控制实验装置曝气桶进水量对进水搅动，测定溶氧过程水中各处do值。

对于上述技术方案，本发明还有进一步优选的方案：

进一步的，所述实验装置包括若干个曝气桶，曝气桶内设溶氧电极、不同类型的鼓风曝气扩散器和电加热棒；溶氧电极连接溶氧主机。

进一步的，溶氧电极上带有卡口。

进一步的，不同类型的鼓风曝气扩散器采用纳米级曝气盘、微孔管式曝气头或穿孔管。

进一步的，还包括伸入曝气桶内的搅拌杆，搅拌杆连接电控箱单元的搅拌电机控制器。

进一步的，所述脱氧水储备水箱底部装有一个水管，通过分水管与各曝气桶底部连通，通过进水阀门控制曝气桶的进水量；并通过分水管连通废水箱。

进一步的，所述电控箱单元包括气泵、流量计、气体阀门分流器、搅拌电机控制器、搅拌电机和搅拌杆，搅拌电机控制器连接搅拌电机，搅拌电机输出轴连接伸入曝气桶内的搅拌杆，流量计、气体阀门分流器分别设于实验台侧壁。

进一步的，所述气泵依次连接流量计和气体阀门分流器，气体阀门分流器分别与第一、第二、第三鼓风曝气扩散器连通。

进一步的，所述脱氧水储备水箱和曝气桶采用透明材料制成。

本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：

1)整机尺寸和实验台面高度以及电控箱中心高度尺寸符合人体工学设计。

2)脱氧水储备水箱尺寸、曝气桶尺寸，以及脱氧水储备水箱配置的脱氧水样，可满足4组曝气桶每组10-15次曝气的实验需求，在实验操作错误或结果不理想情况下，有充足的脱氧水样进行重复实验，同时可保证4个曝气桶原始水样的初始do浓度始终相同，减少实验误差，减少配水耗时，确保实验正确性。

3)脱氧水储备水箱和曝气桶采用亚克力透明材料制成，高透明性，方便观察水位及实验过程中曝气汽泡粒径大小和分布均匀情况。

4)溶氧探头通过曝气桶内壁卡口垂直固定，不用一直手持探头，搅拌杆叶片也不会打到探头而造成探头损坏，方便实时检测水中do的变化情况，得到不同实验条件下的氧总转移系数(kla)。

5)通过控制曝气桶实验台面的进水阀门和出水阀门，可以便捷的完成向曝气桶底部注入脱氧水水样和排出废水的操作过程。脱氧水水样从脱氧水储备水箱底部流出，从曝气桶底部注入，该注水过程中不存在充氧现象，保证起始脱氧水样的低氧或无氧状态。

6)电控箱单元置于装置上部，高度符合人体工学设计，气体流量计、气体阀门分流器、搅拌电机控制器、漏电保护器等的电控按钮集成于电控箱单元侧立面，气泵、搅拌电机、电源线、气体管路等安装在电控箱单元内，使得电控箱单元外观简洁美观，操作舒适便捷，设有漏电保护，不存在电控箱浸水漏电等用电安全隐患。

7)采用无噪音空气泵，产生噪音小。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型的不当限定，在附图中：

图1是本实用新型的正立面结构示意图。

图2是本实用新型的侧立面结构示意图。

图中：1-1实验台，1-2万向轮，1-3实验台面，2-1脱氧水储备水箱，2-2水箱盖，3-1气泵，3-2流量计，3-3气体阀门分流器，3-4搅拌电机控制器，3-5搅拌电机，3-6搅拌杆，4-1曝气桶，4-2溶氧电极，4-3溶氧主机，4-4、第一鼓风曝气扩散器，4-5、第二鼓风曝气扩散器，4-6第三鼓风曝气扩散器，4-7电加热棒，4-8进水阀门，4-9卡口，5分水管，6废水箱。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

如图1和图2所示，本实用新型提供一种测定水中氧总转移系数(kla)的实验装置，包括实验台1-1以及实验台上部的脱氧水储备水箱2-1、实验装置和电控箱单元；其中实验台内腔设有废水箱6，实验台上设有脱氧水储备水箱、实验装置和电控箱单元；废水箱6分别与脱氧水储备水箱2-1和实验装置连通；电控箱单元连接实验装置。脱氧水储备水箱2-1位于实验装置顶部中间，水箱顶部有方形开口和水箱盖2-2。

实验装置设在实验台1-1的实验台面1-3上，实验装置包括若干个曝气桶4-1，曝气桶4-1内设溶氧电极4-2、不同类型的第一、第二、第三鼓风曝气扩散器4-4、4-5、4-6和电加热棒4-7；溶氧电极4-2连接溶氧主机4-3，溶氧探头4-2上带有卡口4-9。还包括设在脱氧水储备水箱2-1上连接溶氧探头4-2的溶氧主机4-3。还包括由气泵3-1、流量计3-2、气体阀门分流器3-3、搅拌电机控制器3-4、搅拌电机3-5和搅拌杆3-6等组成的电控箱单元。搅拌电机控制器3-4连接搅拌电机3-5，搅拌电机3-5输出轴连接搅拌杆3-6伸入曝气桶4-1内，流量计3-2、气体阀门分流器3-3分别设于实验台1-1侧壁。

脱氧水储备水箱2-1底部高于曝气桶顶部，脱氧水储备水箱底部装有一个水管，再分成4个分水管5，各分水管5与各曝气桶4-1底部连通。在一个实施例中，在实验台面上设有一个进水阀门4-8，控制曝气桶进水量，曝气桶4-1底部安装排水管，排水管出口位于废水箱6顶部。电控箱单元和实验台面位于两侧，每侧实验台面设置2个曝气桶、2套电控按钮。气泵3-1连接流量计3-2，再连接气体阀门分流器3-3，将气体分成几路后，分别与不同鼓风曝气扩散器连接。连接管采用软管，气体管路均采用活接，便于拆卸和更换。实验台1-1的底部安装有万向轮1-2，方便移动。

在一个实施例中，脱氧水储备水箱尺寸为1100×250×320mm(长×宽×高)，曝气桶尺寸为120×180mm(直径×高)，脱氧水储备水箱配置的脱氧水样，可满足4组曝气桶每组10-15次曝气的实验需求。实验台为架体结构，尺寸为1100×800×1500mm(长×宽×高)，实验台面高度800mm，电控箱中心高度1350mm，高于曝气桶实验台面330mm；且架体为中空结构，气体管路和水管路均穿设于中空结构内，进水阀门与排水阀设置在实验台面上，位于曝气桶两侧，方便实验操作。采用无噪音空气泵，产生噪音小。

曝气桶4-1侧壁垂直安装2个亚克力材料预制板，预制板中间开有一圆孔，用于固定溶氧电极。

曝气桶4-1底部设有多路进气口，与曝气桶腔体内底部不同类型鼓风曝气扩散器相连接。不同类型鼓风曝气扩散器可采用纳米级曝气盘、微孔管式曝气头、穿孔管等，各气体管路连接管采用软管活接，便于拆卸和更换。

溶氧电极与溶氧主机连接，溶氧主机显示屏可实时显示水中do的变化情况，方便读数和记录不同曝气状况下的水中氧气含量变化，通过公式计算可得到不同曝气状况下的氧总转移系数(kla)，评价不同曝气方式对溶解氧饱和时间及氧的总转移系数(kla)的影响。

根据以上结构，本实用新型的工作过程是：

1)检查确定实验台1-1的气体流量计3-2阀门、气体阀门分流器3-3各分流阀门、进水阀门4-8和出水阀门处于关闭状态。

2)配置脱氧水样。打开箱盖2-2，向脱氧水储备水箱2-1加入一定体积的实验用水(自来水或含盐污水)，加入亚硫酸钠，使水相中亚硫酸钠浓度与实验用水起始do的摩尔比为1.0-1.05左右，即每毫克溶解氧加入亚硫酸钠的量为7.9-8.3毫克左右。为加速脱氧反应，加入适量氯化钴作为催化剂。通常采用质量浓度为5-10％的亚硫酸钠溶液，当实验用水中加入已知浓度的亚硫酸钠溶液后，轻轻搅拌(避免空气混入)、反应10min左右，测定do。当do为零或接近零，即得到脱氧水。盖上箱盖2-1。

3)打开进水阀门4-8，向曝气桶4-1中加水至1l处，关闭进水阀门4-8。

4)打开搅拌电机控制器3-4开关，设定搅拌转速80-100转/分，开始慢速搅拌，此过程仅为保证充氧过程水中各处do值无差异，避免溶氧探头附着汽泡影响检测结果正确性，对充氧效率的影响甚微。

5)将溶氧电极4-2穿过曝气桶内壁卡口4-9垂直固定，打开溶氧主机4-3，检测起始do值并记录，待do值降为0或接近0不在降低时，方可开始曝气充氧实验。

6)打开气泵3-1，打开与第一鼓风曝气扩散器4-4连接的气体阀门分流器3-3对应的阀门，调节气体流量计3-2阀门，控制其流量为0.1-0.3l/min。

7)当气泡从曝气桶4-1底部冒出，开始计时并定时记录水中do值，3min内10s记录一次do值，3min后调整为30s记录一次do值，5min后停止记录。

8)依次关闭气泵3-1、流量计3-2、气体阀门分流器3-3和搅拌电机控制器3-4开关。

9)取平行水样，改变空气流量，再重复上述步骤3)-8)，可开展测量不同空气流量曝气的do-时间曲线，评价不同空气流量曝气对溶解氧饱和时间及氧的总转移系数(kla)的影响。

10)改变与第一鼓风曝气扩散器4-4连接的气体阀门分流器3-3对应阀门，取平行水样，再重复上述步骤3)-8)，可开展测量不同类型鼓风曝气扩散器曝气的do-时间曲线，评价不同鼓风曝气扩散器类型对溶解氧饱和时间及氧的总转移系数(kla)的影响。

11)通过曝气桶4-1内壁装的电加热棒4-7，可将脱氧水水样加热至实验要求的水温，再重复上述步骤3)-8)，取平行水样，任选一种鼓风曝气扩散器，可开展测量不同温度的do-时间曲线，评价不同水温对溶解氧饱和时间及氧的总转移系数(kla)的影响。

12)改变水箱的水样，再重复上述步骤3)-8)，任选一种鼓风曝气扩散器，取平行水样，可开展测量不同水质曝气的do-时间曲线，评价不同水质对溶解氧饱和时间及氧的总转移系数(kla)的影响。

本装置结构不变的情况下，还可开展机械曝气搅拌强度对氧的转移速率的影响实验，具体工作过程为：在脱氧水储备水箱2-1中配置一定体积的脱氧水样，打开进水阀4-8，向曝气桶4-1中加水至1l处，关闭进水阀门4-8，打开搅拌电机控制器3-4开关，采用不同转速模拟不同搅拌强度，取平行水样，测量不同搅拌强度的do-时间曲线，评价搅拌强度对溶解氧饱和时间及氧的总转移系数(kla)的影响。

本实用新型并不局限于上述实施例，在本实用新型公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本实用新型的保护范围内。