ICS 91.140 P 41
CJ/T 475—2015
代替 CJ/T 3015.2—1993
MeaSUrement Of OXygeiI mass transfer in CIean Water for fine bubble diffuser
2015-03-04 发布
2015-09-01 实施
附录B （资料性附录）101.325 kPa大气压、不同水温下的饱和溶解氧................. …….
附录C （规范性附录）不同类型曝气器的阻力损失测定中h的计算方法
本标准按照GB/T 1.1—2009给出的规则起草。
本标准代替CJ/T 3015.2—1993«曝气器清水充氧性能测定》。本标准与CJ/T 3015.2—1993相比 主要技术变化如下：
——修改了术语和定义的表述,与国际主流表述相一致；
——增加了第一次测试要求，限定了常用曝气器的测试条件；
——改用非线性回归法计算氧总传质系数,并修改了标准氧传质速率的计算；
——修正了鼓风曝气器理论功率的计算方法；
——增加了阻力损失的测定；
——删除了机械曝气器和射流曝气器理论功率的计算。
本标准由住房和城乡建设部标准定额研究所提出。
本标准由住房和城乡建设部市政给水排水标准化技术委员会归口。
本标准起草单位：中国人民大学、宜兴市产品质量监督检验所、江苏菲力环保工程有限公司、北京碧 福生环保工程设备有限公司、北京世华康达水务工程技术有限公司。
本标准主要起草人:王洪臣、齐鲁、李小冬、王子、宋黎明、邵中平、邵琨焜、董福贵、董鸣。
本标准所代替标准的历次版本发布情况：
——CJ/T 3015.2—1993o
1范围
本标准规定了微孔曝气器清水氧传质性能测定的范围、术语和定义、原理和方法、装置和设备、测试 步骤、数据处理和测试报告。
本标准适用于不同材质、不同类型微孔曝气器清水氧传质性能的测定。其他各类鼓风曝气器清水 氧传质性能测定可参照使用。
2术语和定义
下列术语和定义适用于本文件。
2.1
微孔曝气器 fine bubble diffuser
向水中传递氧气,并且产生的气泡直径小于或等于3 mm的鼓风曝气器。
2.2
标准状态 Standard COnditiOnS
大气压为101.325 kPa、水温为20 °C的状态。
2.3
测试条件 measurement COnditiOnS
曝气器氧传质性能测试时的水深、气量、曝气密度。
2.4
氧总传质系数 OXygen transfer COeffiCient
表征曝气器在一定测试条件下的氧总传质性能特征量,单位为l∕min,用KLG表示。在数值上与 曝气器在测试条件下、单位传质推动力作用时,单位时间内向单位体积水中传递的氧气质量相同。
2.5
标准氧总传质系数 Standard OXygelI transfer COeffiCient
表征曝气器在标准状态、一定测试条件下的氧总传质性能特征量，单位为l∕min,用KLaS表示。 在数值上与曝气器在标准状态、测试条件下,单位传质推动力作用时,单位时间内向单位体积水中传递 的氧气质量相同。
2.6
标准氧传质速率 Standard OXygen transfer rate
曝气器在标准状态、测试条件下，单位时间内向溶解氧浓度为零的水中传递的氧气质量，单 位为kg∕ho
2.7
标准氧传质效率 Standard OXygen transfer efficiency
曝气器在标准状态、测试条件下,单位时间内传递到水中的氧气质量占曝气器供氧量的百分比, 以％表示。
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2.8
标准曝气效率 Standard aeration efficiency
曝气器在标准状态、测试条件下,消耗单位有用功所传递到水中的氧气质量,单位为kg∕(kW・h)0
2.9
阻力损失 resistance IOSS
101.325 kPa大气压条件下,一定大小的通气量通过曝气器前后的压力差,单位为PaO
2.10
曝气密度 diffuser PlaCement denSity
曝气器出气表面积占测试装置底面积的百分比，以％表示。
2.11
响应时间 response time
将溶解氧测定仪探头从低溶解氧水移至高溶解氧水中,从低溶解氧值到达高溶解氧值的63%时所 用的时间。
3原理和方法
3.1测试原理
曝气充氧过程属于氧传质过程,在氧由气相向液相传递过程中，阻力主要来自于液膜,液膜氧传质 微分方程式见式(1)。将式(1)积分并整理可得式(2)或式(3),氧总传质系数可按式(2)或式(3)计算：
de
C =C: — (C： — Co)exp(— KLa ∙ t)
式中：
C ——与曝气时间t相对应的水中溶解氧浓度值,单位为毫克每升(mg∕L)；
t ——曝气时间,单位为分钟(min)；
KLa——曝气器在测试点处的氧总传质系数,单位为每分(l∕miπ)5
C* ——时间趋于无限大，测试点达到稳定状态时的饱和溶解氧浓度值，单位为毫克每 升(mg∕L);
CO——测试点在时刻为零时的溶解氧浓度值,单位为毫克每升(mg∕L)O
3.2测试方法
3.2.1本标准采用非稳态测定法,测试水池中的水不进不出。以氯化钻为催化剂,亚硫酸钠为脱氧剂， 将水中溶解氧降至零后曝气使之达到稳定状态。
3.2.2可釆用静态启动或动态启动两种测试方法,静态启动是指测定时先加药脱氧,待溶解氧降至零 后开始曝气;动态启动是在启动曝气的同时加药脱氧。
3.2.3在测试装置中选取上、中、下3个溶解氧浓度测试点，测试点1在测试装置水面以下0.50 m处， 测试点2在测试装置1/2水深处,测试点3在测试装置池底以上0.50 m处。各测试点距测试装置池壁 不应小于0.60 m(测试装置宽或直径小于1.20 m时,测试点应位于池中心)O对于较大的测试装置或者 现场清水测试,在水平方向和垂直方向均应设置溶解氧测定仪,测点不应小于4个。
3.2.4记录曝气阶段不同时刻的水中溶解氧浓度值,得到每个测试点的溶解氧浓度随时间的变化关
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系，按式(3)釆用非线性回归法处理数据,得到Kl。。
4装置和设备 4.1测试装置 4.1.1测试装置池型应与实际应用情况相近,并应避免边壁效应,测试装置连接示意图见图Io
4.1.2测试装置内不宜有影响曝气的其他构件,测试水深宜不小于4 m,池深应满足不同曝气水深的 要求。
4.1.3测试装置为不同服务面积的一组曝气试验池,应确保曝气密度在5%〜10%之间。
4.1.4生产验证测定可在实际生产池内进行。
说明：
1——压力测定装置;
2--流量计；
3——空气；
4 曝气器；
5— —测试装置；
6— —溶解氧记录仪;
7— —溶解氧测定仪。
图1测试装置连接示意图
4.2测试设备
4.2.1溶解氧测定仪
溶解氧测定仪应不少于3台，精度应为±0.5% ,响应时间应小于0.02/KLa。
4.2.2溶解氧记录仪
溶解氧记录仪应能实时记录溶解氧浓度值的变化,并应具有连接计算机的接口，精度应为±0.5%。
4.2.3流量计
应能测量供气装置的通气量,可釆用转子流量计,精度应为±2%。
4.2.4气温、水温测定仪
测量气温、水温,可釆用气温表和水温表,精度应为±0.1%。
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4.2.5压力测定装置
测定通入空气的压力和当地大气压力，可釆用压力表,精度应为±2%。
4.2.6 U型压力计
测定曝气器的阻力损失,精度应为±2.5%。
4.3供气装置
根据测试需要的最小通气量要求确定,可选择空压机或鼓风机。
5测试步骤 5.1第一次测试
5.1.1安装好待测曝气器。
5.1.2提前0.50 h开启溶解氧测定仪预热,对溶解氧测定仪进行校准。
5.1.3将溶解氧测定仪安装到指定测试点。
5.1.4待测装置中注水至所需液位高度。
5.1.5测试用水可采用自来水,TDS应不超过2 000 mg∕L,测试水温宜在10 °C〜30 OCo
5.1.6 一次完整的测试过程中,水温变化不应大于2 OCo
5.1.7测量并记录水温、TDS浓度及溶解氧浓度值。
5.1.8药剂投加：
a) 催化剂的投加。催化剂宜使用化学纯或试剂纯的氯化钻水合物(CoCl2・6H2O),或硫酸钻 (CoSO4)o水中Ce/+浓度应保持在0.10 mg/L〜0.50 mg∕L0催化剂宜配成溶液后均匀加入 测试装置中。测定过程不更换测试用水时,可投加一次催化剂。
b) 亚硫酸钠的投加。脱氧剂宜使用试剂纯或工业纯的亚硫酸钠，亚硫酸钠中不宜含有钻杂质。 脱氧剂的加入应使测试装置中所有位置的溶解氧浓度降低到0.50 mg/L以下的时间大于 2 minO亚硫酸钠宜采用溶液的形式投加,溶液量不得超过测试水体积的0.2%。也可直接投 加粉末状药剂,应确保药剂均匀分散于水中。亚硫酸钠的投加量计算见式(4):
G=7.88×V×C×K ..................( 4 )
式中：
G--亚硫酸钠的投加量,单位为克(g);
V——测试装置内水的体积,单位为立方米(m');
C——测试时水中的溶解氧浓度值,单位为毫克每升(mg/L)；
K——考虑到药剂中杂质等而设的安全系数,可取L20〜1.50。
5.1.9启动供气装置。
5.1.10数据记录：
a) 溶解氧浓度记录。采用记录仪自动记录，当溶解氧浓度在10 min内变化小于0.10 mg/L或 5 min内基本保持不变时停止记录，截取饱和溶解氧浓度20%〜80%部分的测试数据进行 计算。
b) 其他数据记录。测试过程应保持通气量恒定,在每次测试开始和结束时记录气体流量和气体 温度、压力、水温、环境温度和大气压等。
5.1.11结果分析
按式(2),作In(C： —C)随时间t的变化图,In(C： —C)随时间的*的变化率即为一K*,该值作 为后续测试的初始KLa值。
5.2第二次测试
5.2.1测量并记录水温、TDS浓度及水中溶解氧浓度值。
5.2.2按5.1.8的要求再次进行药剂投加。
5.2.3启动供气装置。
5.2.4数据记录：
a) 溶解氧浓度记录。溶解氧浓度从溶解氧浓度不为0时开始计时,测试持续时间不小于4∕K*, KLa为第一次测试所得数据。
b) 其他数据记录同第一次测试。
6数据处理
6.1标准氧总传质系数
根据第二次测试记录的溶解氧浓度随时间的变化关系,选取测试条件下20%饱和溶解氧值至测试 结束时的所有溶解氧浓度值,计算出氧总传质系数KLa和稳定溶解氧浓度C：,具体计算过程应符合附 录A的规定。标准氧总传质系数计算见式(5)：
KLaS=KLaX 舛。-丁) ..................( 5 )
式中：
KLaS——标准状态、测试条件下,曝气器氧总传质系数,单位为每分(l∕min)5
KLa ——测试水温条件下,曝气器氧总传质系数,单位为每分(Vmin)；
0 ——温度修正经验系数,可取1.024；
T ——测试期间的水温,取测试过程中的平均温度,单位为摄氏度(°C)。
6.2标准氧传质速率
标准氧传质速率计算见式(6)〜式(Io):
-I n
τ∩
520
Ω = -5~ ..................( 10 )
ɪ bo
式中：
SOTR ——标准氧传质速率,单位为千克每小时(kg∕h)；
SOTRI——测试点处的标准氧传质速率,单位为千克每小时(kg/h)；
KLaSi——某一测试点的标准氧总传质系数,单位为每分d∕min)5
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V ——测试装置中水的体积,单位为立方米(m3)；
C^i ——标准状态下测试点的饱和溶解氧浓度值,单位为毫克每升(mg/L)；
C：I ——测试点稳定状态饱和溶解氧的估算值,计算应符合附录A的规定,单位为毫克每升 (mg/L)；
r ——温度修正系数；
Ω --压力校正因子；
C* ——101.325 kPa大气压、测试水温下的饱和溶解氧浓度值,单位为毫克每升(mg∕L)；
——标准状态下的饱和溶解氧浓度值,参见附录B,单位为毫克每升(mg∕L)5
Fb ——测试时气体的绝对压力，单位为千帕(kPa)；
PbO ——101.325 kPao 6.3标准曝气效率
标准曝气效率计算见式(Il)-式(13):
|
SAE =鄒 NT ʌT Qb X P NT =-------- 3 600 X 1 OOO |
..................(11 ) ..................(12 ) |
式中：
SAE——标准曝气效率,单位为千克每千瓦时［kg∕(kW・h)］；
SOTR——标准氧传质速率,单位为千克每小时(kg∕h)；
NT ——曝气充氧过程中所耗理论功率,单位为千瓦(kW);
P ——进气管的气体压力,单位为帕(Pa);
Qb ——气体的实际流量,单位为立方米每小时(m3∕h)5
gb0 ——测试时转子流量计的刻度流量,单位为立方米每小时(m3∕h);
FbO ----101.325 kPa；
Pb ——测试时气体的绝对压力，单位为千帕(kPa);
Tb ——测试时气体的绝对温度,单位为开尔文(K)；
TbO ——刻度标定时的绝对温度,293.15 KO 6.4标准氧传质效率
标准氧传质效率计算见式(14)、式(15):
SOTR
SOTR
SOTE = ^‰^^0.28 Xg
(14 )
式中：
SOTE ——标准氧传质效率,％;
W°2 ——空气中氧气的质量流量,单位为千克每小时(kg∕h)5
q ——1个标准大气压、20 °C气温时,曝气装置的通气量,单位为立方米每小时(m3∕h);
Qb --气体的实际流量,单位为立方米每小时(m3∕h);
Pb ——测试时气体的绝对压力,单位为千帕(kPa)；
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Tb ——测试时气体的绝对温度,单位为开尔支(K)；
TS ----293.15 K；
PS ——101.325 kPa0 6.5阻力损失 6.5.1管路连接
微孔曝气器阻力损失测定管路连接见图2o
说明：
1--流量计；
2— —进气口 ；
3— —曝气器；
4— —测试装置；
5 U型压力计。
图2阻力损失测定管路连接图
6.5.2测试方法
将曝气器放入测试装置中，按图2连接好管路。加水至水面超过曝气器顶部20 cm,通入测试所需 气量,该气量应与测试水深的实际气量相同，用U形压力计测量通气阻力。对于通过接口连接的曝气 器阻力损失测定,应加测在相同通气量时接口本身的阻力损失。
6.5.3阻力损失计算
曝气器阻力损失计算见式(16):
RL = H-A × 10 ..................( 16 )
式中：
RL ——曝气装置阻力损失,单位为帕(Pa)；
H ——U型压力计测试所得压力，单位为帕(Pa)5
h ——曝气器中心距水面的距离,不同曝气器儿的计算应符合附录C的规定,单位为毫米(mm)o
6.6判定规则
6.6.1每组测试所有测点的KLaS值与其均值的误差应在±5%以内。
6.6.2每种测试条件下的重复测定不得少于3次,各组KLJ值与其均值的误差应在±10%以内。
7测试报告
测试报告应包括下列内容：
a） 注明本标准；
b） 委托单位；
C）曝气装置规格、溶解氧测定仪型号及精度；
d） 测试用水的水质（总溶解性固体、电导率）及水温；
e） 测试时的气体温度、压力及环境温度、大气压；
f） 测试时使用的亚硫酸钠和催化剂的等级和使用量；
g） 测试时水的体积、测试水深和曝气器布置密度，测试时的通气量，每次平行测试的KLas、 SoTR、SOTE、SAE和阻力损失；
h） 原始数据及测试结果；
i） 测定单位、人员、日期及盖章。
咐录A
(规范性附录) 非线性回归法计算微孔曝气器KLa值
A.1计算方法
A.1.1清水中溶解氧浓度值与曝气时间的关系可用式(A.1)表示：
C=C； -(C： -C0)exp(-KLa U) ..................( A.1 )
式中：
C ——与曝气时间*相对应的水中溶解氧浓度,单位为毫克每升(mg/L)；
C*——时间趋于无限大,测试点达到稳定状态时的饱和溶解氧浓度,单位为毫克每升(mg/L)；
CO——测试点零时刻的溶解氧浓度值,单位为毫克每升(mg/L)；
KLa——测试点的氧总传质系数,单位为每分(l/ɪnin) 5
t --曝气时间，单位为分钟(min) O
A. 1.2为实测所得的C-I数据组选配回归方程式,见式(A.2):
C(P,z) =PI 一 (Pi -P2)exp(-P3 ∙ O ..................( A.2 )
式中：
,P? =Co ,R =KlQ ,为特定参数。
A.1.3利用迭代法将式(A.2)在PJ点展为泰勒级数,并弃去一阶导数后的高阶项,见式(A.3)：
1 C(PJ+∆PJ,O=C(PJ,^ + ∑ (嘉)ʌpɪ(i =1,2,3) ..................( A.3 )
ɑʃ i
式中：
np 1
pɪ的上标1表示用迭代法的第一次计算，R是第一次计算时给出的估值o(⅛ 为在P!点处C Ori
对巳的偏导数值，P}+∆PJ表示P；点处附近的一点G = I,2,3),令其为F?,见式(A.4)和式(A.5)：
P^=PJ+∆Pj(i =1,2,3) ..................( A.4 )
令：
s=∑ CCi-C(PJ+∆PJ,O]2 ..................( A.5 )
式中：
Ct——与时刻t相对应的溶解氧测量值,单位为毫克每升(mg/L)；
S ——剩余差方或剩余平方和，即整个测试时间内，时刻：的溶解氧浓度测量值与估计值之差的平 方和。
对s-ʌpɪ进行最小二乘法计算得正规方程组,解之得AF!,再由式(A.4)计算出PI O
按迭代法进行第二次重复计算,将式(A.2)在PI (/ = 1,2,3)点展开为泰勒级数,重复第一次计算 过程得AF单及△ P； G = I,2,3)。
重复同样的计算过程直到第顶次,得若∣∆P{∣≤l×10-4 ,W R+】即为待求参数KLaO
A.2计算步骤
A.2.1测量曝气过程中不同时刻： = ^(7 = 1,2,3,…，N)水中的溶解氧浓度值C,获得C小数据组。
A.2.2检查测试数据的完整性、可靠性,并选择从溶解氧浓度为0 mg/L到测试结束时的所有数据作
Zl=I- exp(- Pi ・ t) Z2 =exp(- Pj3 ∙
Z3 =t(P{ — F∕)exp(- Pj3 U)
Zf =[1 — exp(- Pj3 ・ ^)]2
Z； =[exp(- Pj3 ∙ /f z； exp(-P{ . Ol2
b)计算正规方程组中的系数见式(A.14)〜式(A.19)：
Si =∑Z 单 a 22 =ΣJZ3
CL 33 Z= ∑ Z3
Λ 12 z^^z 21 Z= Σ
CL 13 =xQ 31 Z= Σ -^3 CL 23 =z Q 32 =xZJZzZa
C)求方程组的解见式(A.20)〜式(A.27):
CI =NWZi
C2 =∑WZ2
C3 =∑WZ3 设：
di = a 22 h —Λ21Λi2 d2 =QlIC3 — Ci31C1 ʤ =<211(2 23 — α 13^12 A 11 (2 33 —^13^31 dζ =CIlI C2 —Q>21 Cl
按式(A.28)〜式(A.33)所示公式计算ZXP!和玲G = 1,2,3,∙∙∙,N): A πl d1d2 — d3d^t AP3= d^-dl
a1
ʌ ŋi CI —(212 ∆P2 —<213 ∆P1 ∆PJ =----------------
PI=PI + PI=PlPI
为待分析数据。
A.2.3给出第1次计算的初始值F；,即参数PJ=Cs, Pl=Co 9 Pl=KLa的初始假定值。
A.2.4根据选择的C-I数据组,计算和P?:
a)计算运算因子(J=I)见式(A.6)〜式(A.13)：
CC =Pi - (Pi-Pi)exp(-Pi ・ Q ..................( A.6 )
式中：
CC——不同时刻 很J = 1,2,3,・・・,N)溶解氧浓度计算值,单位为毫克每升(mg∕L)O
W = CM-CC ..................( A.7 )
式中：
CM——不同时刻如Q = I,2,3,・・・,N)测定的溶解氧浓度值,单位为毫克每升(mg∕L)O
设：
..................(A.8 )
..................(A.9 )
..................(A.1O )
..................(A.11 )
..................(A.12 )
..................(A.13 )
..................(A.14 )
..................(A.15 )
..................(A.16 )
..................(A.17 )
..................(A.18 )
..................(A.19 )
..................(A.20 )
..................(A.21 )
..................(A.22 )
..................(A.23 )
..................(A.24 )
..................(A.25 )
..................(A.26 )
..................(A.27 )
..................(A.28 )
..................(A.29 )
..................(A.30 )
..................(A.31 )
..................(A.32 )
P!=P1+∆P⅛ ..................( A.33 )
A.2.5按上述步骤重复计算,直至第顶组,计算出 出。如果∣∆P{∣≤1 X 10-4 ,则R+】即为待求参 数KLao同理,如果I ∆Pi I ≤ 1 XIO-4 ,则巧+】即为待求参数C；。
附录B (资料性附录)
101.325 kPa大气压、不同水温下的饱和溶解氧
B.1 101.325 kPa大气压、不同水温下的饱和溶解氧浓度见表B.1。
表BJ 101.325 kPa大气压、不同水温下的饱和溶解氧浓度表
|
温度/°C |
饱和溶解氧/(mg∕L) |
温度/°C |
饱和溶解氧/(ɪng/L) |
|
0 |
14.62 |
21 |
8.91 |
|
1 |
14.22 |
22 |
8.74 |
|
2 |
13.83 |
23 |
8.58 |
|
3 |
13.46 |
24 |
8.42 |
|
4 |
13.11 |
25 |
8.26 |
|
5 |
12.77 |
26 |
8.11 |
|
6 |
12.45 |
27 |
7.97 |
|
7 |
12.14 |
28 |
7.83 |
|
8 |
11.84 |
29 |
7.69 |
|
9 |
11.56 |
30 |
7.56 |
|
10 |
11.29 |
31 |
7.43 |
|
11 |
11.03 |
32 |
7.30 |
|
12 |
10.78 |
33 |
7.18 |
|
13 |
10.54 |
34 |
7.07 |
|
14 |
10.31 |
35 |
6.95 |
|
15 |
10.08 |
36 |
6.84 |
|
16 |
9.87 |
37 |
6.73 |
|
17 |
9.66 |
38 |
6.63 |
|
18 |
9.47 |
39 |
6.53 |
|
19 |
9.28 |
40 |
6.43 |
|
20 |
9.09 |
附录C
(规范性附录)
不同类型曝气器的阻力损失测定中h的计算方法
CJ盘式、板式曝气器
对于盘式、板式曝气器山为水面与盘、板面的距离。
C.2管式曝气器
对于管式曝气器n的计算见式(C.D：
A=AI+⅞ ..................( C.1 )
厶
式中：
h1——水面距曝气器上表面的距离,单位为毫米(mm)；
D--曝气器外径,单位为毫米(mm) O
C.3钟罩形、球冠形曝气器
对于钟罩形、球冠形曝气器的计算见式(C.2)：
h=h2+^- ........................( C.2 )
厶
式中：
h2——水面距曝气器上表面的距离,单位为毫米(mm)；
r ——曝气器圆切面中心点至曝气器上表面的高度,单位为毫米(mm) O
C.4球型曝气器
对于球形曝气器止的计算见式(C.3)：
h=h3+R ..................( C.3 )
式中：
h3--水面距曝气器上表面的距离,单位为毫米(mm)；
R ——曝气器上表面至曝气器上、下半球结合面处的高度,单位为毫米(mm)o
C.5其他类型曝气器
对于其他类型的曝气器,视其形状根据相关的几何公式计算。
中华人民共和国城镇建设
行业标准
微孔曝气器清水氧传质性能测定
CJ/T 475—2015
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开本880X1230 1/16 印张1.25 字数28千字 2015年6月第一版2015年6月第一次印刷
CJ/T 475-2015
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书号：155066 • 2-28781 定价 21.00 元
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打印日期：2015年8月10日F009