Aquacultural Engineering W - 17 氣體交換 (Gas transfer) Aquacultural Engineering W - 17

傳輸程序 (Transfer process) 曝氣(aeration): 將氧氣或空氣中之氧加入水中 氧傳輸進入水中可視為三步驟之程序 氧氣傳輸至氣 – 液界面 (擴散及對流、作用快速)； 傳輸通過氣 – 液界面 (surface film、純粹擴散作用、氧擴散通過水作用相當慢、為傳輸程序之速率限制步驟)； 氧氣由氣 – 液界面傳輸進入液體中 (主要由對流作用完成)。 2019/2/22 AE-Aeration

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dC/dt = KL (A/V) (Cs - C) (15.1) 影響氧傳輸之參數 包括 可供傳輸之界面面積、 氧濃度梯度、 液膜係數(liquid film coefficient)值及 擾動程度(turbulence)。 dC/dt = KL (A/V) (Cs - C) (15.1) dC/dt = 氧濃度之時間變化率(mg/liter-h)； KL = 氧傳輸係數(cm/h)； A = 氣 – 液界面面積(cm2)； V = 水體積(cm3)； Cs = 液體中飽和溶氧濃度(mg/liter)； C = 液體中任一時間之氧濃度(mg/liter) 2019/2/22 AE-Aeration

KL 為通過液膜擴散速率(主要由氧及水分子性質決定)之函數， 氧通過水膜之擴散基本上為氧及水分子之性質， 溫度升高擴散速率增加， 2019/2/22 AE-Aeration

A/V 比值 氣 – 液界面表面積/液體體積， A/V 比值增加，氧傳輸率增加 2019/2/22 AE-Aeration

氧總傳輸率 (overall oxygen transfer rate) KLa = (A/V) KL 水溫每升高1℃，KLa 值增加 1.56% (KLa)20 = (KLa)T 1.024(20-T) (15.2) (= 2.4 %/1 ℃)； (KLa)20 = 20℃時之總傳輸係數； (KLa)T =溫度 T 時之總傳輸係數； T = 水溫 (℃)。 2019/2/22 AE-Aeration

(Cs – C)值 為氧溶入水中之驅動力， 水中飽和溶氧Cs 則為 氧分壓、 水溫、 鹽度之函數(Table 4.1) 2019/2/22 AE-Aeration

擾動 擾動 減少界面膜厚度， 增加KL值， 更新與氣體接觸之液體分子， 增加氧之對流傳輸， 亦增加表觀傳輸面積。 2019/2/22 AE-Aeration

KL a 值之測定 dC/dt = KL (A/V) (Cs - C) (15.1) ∫dC/(Cs-C) = KL(A/V) ∫dt ln[(Cs – C)/ (Cs – Ci)] = KL(A/V) t ln[(Cs – C)/(Cs - Ci)] = Kla t (15.4) 養殖系統中溶氧濃度為 溶氧加入量與耗氧量之函數， 耗氧為生物之活動所產生， 養殖生物受緊迫亦將增加耗氧量。 2019/2/22 AE-Aeration

曝氣機型式 四基本類型包括： gravity (重力式)、surface (表面式)、diffuser (擴散器式)及turbine (渦輪式)。 曝氣機之作用 在於利用輸入之能量，增加液膜面積以供氧傳輸及/或將液體混合 以確保低溶氧水可以和空氣或氧氣接觸。 混合可增加液膜面積及增加溶氧有效濃度梯度，可促使氧傳輸。 2019/2/22 AE-Aeration

重力式曝氣機 利用水降低高度時釋出之能量，以增加氣 – 液界面面積，提升溶氧濃度。 曝氣效率 E (%) = 100 [(Cb – Ca)/(Cs – Ca)] (15-5) Ca = 曝氣器上游溶氧濃度 (mg/L)； Cb = 曝氣器下游溶氧濃度 (mg/L)； Cs = 某一溫度時之飽和溶氧 (mg/L)； 2019/2/22 AE-Aeration

ME = (Cb – Ca)Q(3.6  103)e/Qh (15.6) ME = 機械曝氣效率 (kg O2/kWh)； Ca = 曝氣器上游溶氧濃度 (mg/L)； Cb = 曝氣器下游溶氧濃度 (mg/L)； Q = 流量 (liters/s)  = 水之單位體積重 (N/m3)； h = 落下高度 (m)； e = 抽水機效率 (分量) 2019/2/22 AE-Aeration

瀑布曝氣器(cascade aerator) 盤間距一定時， 溶氧飽和度隨盤數之增加而增加，但增加率逐漸下降。 盤數一定時， 溶氧飽和度隨盤間距之增加而增加，但增加率逐漸下降。 2019/2/22 AE-Aeration

盤間距增加，溶氧飽和度之增加有限，尤其飽和度在70 – 75 % 時。 因此，在容許高度限度內，使用寬盤較佳，因盤數可增加。 曝氣器高度一定時， 盤間距增加，溶氧飽和度之增加有限，尤其飽和度在70 – 75 % 時。 因此，在容許高度限度內，使用寬盤較佳，因盤數可增加。 一般採用盤間距10 – 25 cm、4 – 10盤 2019/2/22 AE-Aeration

表面曝氣機 (Surface Aerators ) 曝氣機之操作參數(Operating Parameters)： 氧傳輸率(oxygen transfer rate，kg O2 transferred per hour)受下列因素影響： 浸水深度、 轉子速率、 轉子直徑、 單位面積或單位水體積輸入動力、 廢水性質、 水槽尺寸及形狀、 氧濃度梯度、曝氣器設計。 2019/2/22 AE-Aeration

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氧傳輸率測定 氧傳輸率測定之標準狀態為 Downing and Boon (1963)： Kolega et al. (1969)： 1 atm、清水、水溫 20℃、由DO = 0 mg/l開始測試。 Downing and Boon (1963)： 輸氧率與轉子浸水深度呈線性關係； Kolega et al. (1969)： 輸氧率與槳輪浸水深 (0.1 - 0.5 倍轉子直徑) 成直線關係， 槳輪直徑由0.3 增為 0.6 m時，氧傳輸效率增加，增幅漸減。 槳輪轉速增加，氧傳輸係數增加。 曝氣機輸入動力增加，氧傳輸增加。 2019/2/22 AE-Aeration

廢水飽和溶氧濃度及Kla值修正 廢水飽和溶氧濃度降低，曝氣效率下降， 家庭廢水之 設計  值： 0.95 - 1.00 、  值 0.80 - 0.95，而  = 廢水KLa/清水KLa、  = 廢水飽和溶氧/清水飽和溶氧。 2019/2/22 AE-Aeration

界面活性劑之影響 界面活性劑 水產養殖系統中之天然界面活性劑 - 蛋白質 – 可濃縮於氣 – 液界面， 阻礙氧傳輸通過液膜。 可降低液體之表面張力， 促使生成小水滴， 在激烈攪動水中可增加表面曝器機之氧傳輸。 在水流動小時，界面活性劑降低氧之傳輸。 2019/2/22 AE-Aeration

表面曝氣機之氧傳輸率 氧傳輸率(Oxygen transfer rate) 受氧濃度梯度影響， 表面曝氣機之傳輸率一般為1.9 - 2.3 kg O2/kWh (Echenfelder, 1969) (水中操作溶氧為0.5 – 1.0 ppm)， 輪刷曝氣機之氧傳輸率為1.3 - 3.5 kg O2/kW-h (Downing and Boon, 1963) (水中操作溶氧為0.5 – 1.0 ppm)。 2019/2/22 AE-Aeration

散氣器 (Diffuser Aerators) 單管穿孔式(Figure 15.16)，材料為塑膠、碳化矽(carborundum)及木材(wood) 吸氣器系統(aspirator system、 Figure 15.17)可設置venturi, orifice, nozzle等設備吸入空氣混合曝氣。 2019/2/22 AE-Aeration

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Operating Parameters 氧傳輸率影響因素包括 氣泡與水間之氧濃度梯度、 氣泡表面水之溶氧飽和度、 氣泡在水中之停留時間、 氣泡大小、 氣體流量及 廢水性質 2019/2/22 AE-Aeration

(DO)o = 20 + 0.76(DO)i + 295(AWR) + 0.14d - 2.50(DO)i(AWR) U-Tube Aerator 調整水流向下流速使超過氣泡上升速度， 可增加接觸時間， 可增加壓力， 因而增加氧濃度梯度及增加氧溶入速率。 (DO)o = 20 + 0.76(DO)i + 295(AWR) + 0.14d - 2.50(DO)i(AWR) 2019/2/22 AE-Aeration

Downflow Bubble Contactor 氧吸收效率為輸入氧氣量與水流量比值之線性函數 氣/液比低時，吸收效率幾可達100% 氣泡中氧濃度於3.5 min內，由100% 降為5%。輸入空氣時，氧氣吸收效率為30%。 2019/2/22 AE-Aeration

Ejector (排出器) Aerators 2019/2/22 AE-Aeration

AERATOR SELECTION 表面曝氣機氧 擴散器曝氣機 若有足夠水頭，重力曝氣器最經濟。 傳輸效率最佳、初設費及操作費經濟。 擴散器曝氣機 效率佳、設備簡單。 若有足夠水頭，重力曝氣器最經濟。 U-tube aerator 可使溶氧超飽和。 曝氣單元數目決定及配置設計步驟： 決定系統需氧量； 根據需求及經濟性選擇曝氣機型式； 決定曝氣效率； 溫度、溶氧梯度及水質性質修正； 決定曝氣機數目、曝氣機配置。 2019/2/22 AE-Aeration