Оценка гидродинамики жидкостных потоков и процессы массопереноса кислорода в аэрационных сооружениях

Аэрационные сооружения являются основной составляющей биологической очистки, обеспечивающей подачу и распределение кислорода в аэротенке, поддержание активного ила во взвешенном состоянии и создание благоприятных гидродинамических условий работы аэротенков.

Ранее проведенная оценка работы Саларской станции аэрации г. Ташкента [1] показала, что существующая система аэрации (через фильтросные пластины) не обеспечивает достаточного качества очистки. Таким образом, возникла необходимость разработки более совершенной конструкции аэраторов. В настоящее время наиболее эффективными считаются пневматические трубчатые аэраторы [3, 5]. Для оценки возможностей применения гидропневматических аэраторов на Саларской станции аэрации рассмотрим свойственные им процессы гидродинамики жидкостных потоков и массопереноса кислорода.

В зависимости от способа подачи и распределения воздуха различают аэраторы пневматического, механического, гидравлического и комбинированного типа [2]. В настоящее время наиболее широкое распространение получили пневматические аэраторы [3], хотя вопрос о создании оптимальной конструкции аэратора до сих пор не решен. Все многообразные по размеру и форме устройства пневматической аэрации подразделяются мелкопузырчатые (d = 1-4 мм), среднепузырчатые (d = 5-10 мм) и крупнопузырчатые (d >10 мм). К мелкопузырчатым относятся, например, аэраторы форсуночного и ударного типа, а также керамические, тканевые и пластиковые аэраторы; к среднепузырчатым – перфорированные трубы, щелевые и др.; к крупнопузырчатым – открытые трубы, сопла и т.п.

Основным недостатком пористых мелкопузырчатых аэраторов является их засорение пылью, поступающей с воздухом. Содержание пыли в воздухе не должно превышать 0,05 мг/м³. Перерывы в аэрации приводят к фильтрованию жидкости через пористые аэраторы и забиванию их частицами активного ила. Эффекты обрастания снижают эффективность массопереноса кислорода и требуют большего рабочего давления, которое снижает их энергетические характеристики [6].

Среднепузырчатые аэраторы (перфорированные трубы диаметром d = 6…10 мм) менее эффективны, но и меньше засоряются. В процессе массопереноса кислорода в аэрационных сооружениях газ может выделяться в виде небольших пузырьков для обеспечения их наибольшей поверхности.

Считается, что наилучшими характеристиками обладают пузырьки, генерируемые на гибком отверстии [5, 6]. Поэтому нами были проанализированы гидродинамические характеристики массопереноса кислорода [4] при использовании гибких аэрационных трубок.

Гибкие трубки различаются по таким физическим свойствам, как толщина стенки, прочность на растяжение, размер отверстия, твердость и удлинение, которые влияют на характеристики переноса кислорода. Учитывая свойства гибких трубок, их пористая стенка может образовывать мелкий пузырь, что приводит к увеличению межфазной области и ускоряет скорость переноса кислорода. Благодаря своей гибкости трубка может быть установлена и смонтирована на различных поверхностях, причем возникающее в трубке усилие сдвига помогает уменьшить накопление загрязняющих веществ на трубчатом диффузоре и увеличить продолжительность его использования [5].

При очевидных достоинствах гибких аэраторов на сегодняшний день нет точных методов их проектирования, а также отсутствуют достоверные данные о характеристиках различных видов и форм трубок и оптимизации выпускаемой гибкой трубки диффузора аэрации, а также для оценки ее характеристик [4, 6]. Чтобы заполнить этот пробел, необходимо изучить различные гибкие трубки диффузора аэрации, используемые в городских системах очистки сточных вод. Кроме того, стоимость имеющихся на рынке аэрационных трубок составляет 70-75 долларов за 1 м. Поэтому необходим поиск более дешевых материалов и технологий изготовления. Предполагается в дальнейшем изготавливать гибкие аэраторы из резиновых отходов, что позволит повысить коэффициент рециклинга и уменьшить проблему накопления отходов резины.

Для исследования было изготовлено несколько образцов гибких аэраторов длиной по 100 мм (рис. 1), имеющих множество мелких пор в стенках. Эксперименты проводились при следующих рабочих условиях: подача газа Q_Г = 0,5-5 л/мин, объем жидкости 10 л, высота слоя жидкости 0,25 м и температура 25 °С. В качестве рабочей жидкости использовалась водопроводная вода.

Рисунок 1. Гибкая аэрационная трубка из резины

К главным физическим характеристикам, влияющим на гидродинамику жидкостных потоков и процессы массопереноса кислорода в аэрационных сооружениях, относятся: 1) коэффициент объемного массопереноса кислорода (k_Lо) и эффективность массопереноса кислорода (ЭМК); 2) эффективность аэрации (ЭА); 3) основные свойства гибкости аэрационных трубок (толщина стенки трубок, их прочность на растяжение, размер отверстия, устойчивость при относительном удлинении); 4) гидродинамические параметры пузырьков (диаметр пузырьков d_п), частота образования пузырьков и скорость образования пузырьков U_п); 5) оценка межфазной площади (S_м) и коэффициент объемного массопереноса жидкости (k_L).

Коэффициент массопереноса кислорода (k_Lо) можно рассчитать по ф-ле (1), которую в свою очередь можно перестроить в линейную ф-лу (2):

                                                              (1)

In(С_s – С_t)=In(С_s – С_о) – k_Lо ∙t                                                              (2),

где С_s–растворенный кислород в жидкой фазе в равновесии (или насыщенный растворенный кислород); С_t – растворенный кислород во время аэрации; С_о –изначальный уровень растворенного кислорода; k_Lо –коэффициент массопереноса кислорода; t – время аэрации.

ЭМК может быть рассчитана по формуле (3):

                                                 (3)

где k_Lо – коэффициент массопереноса кислорода; Сs – растворенный кислород в жидкой фазе в равновесии; V – объем аэрированной воды; ρ_G – плотность воздуха; Q_G–расход воздуха.

Энергоэффективность диффузоров можно оценить по эффективности аэрации (ЭА), которая связана с потреблением энергии Р_G, как представлено в формулах (4) и (5).

Р_G = Q_G×∆Р_общая= Q_G ×ρL× g × H_L + ∆ Р                                                     (4)

                                                                                  (5)

где Р_G– потребление энергии; Q_G – введенный показатель расхода воздуха; △Р_общая– потеря энергии через диффузор; ρ_L– плотность жидкости; g–ускорение из-за силы тяжести; H_L – высота жидкости; k_Lо – коэффициент массопереноса кислорода; С_s – растворенный кислород в жидкой фазе в равновесии (или насыщенный растворенный кислород); V – объем аэрированной воды; ρ_G – введенный показатель плотности воздуха.

Принимая во внимание гидродинамические параметры пузырька, а именно диаметр пузырька (d_п) и скорость образования пузырьков (U_п) были получены формулы (6) и (7).

                                                                                    (6)

                                                                                                         (7)

где d_п – диаметр пузырька; l_п – длина пузырька; ∆D – пространственное смещение пузырьков в течение фиксированного временного периода; h_п– высота пузырька; t – временной период.

Для исследования основных показателей, характеризующих гидродинамику жидкостных потоков, а именно: коэффициент массопереноса кислорода (k_Lо) и эффективность массопереноса кислорода (ЭМК), были проведены испытания 20 вариантов аэрационных трубок с различными физическими свойствами. Толщина образцов колебалась от 2,5 до 3,6 мм, твердость – от 50 до 72 единиц, прочность при растяжении – от 1100 до 3200 МПа, удлинение – от 22 до 80 %. В процессе эксперимента определены зависящие от которые зависят от характеристик трубок. Результаты для некоторых трубок представлены в табл. 1.

Как видно из представленной таблицы, показатели массопереноса кислорода для различных типов трубок взаимосвязаны с их физическими свойствами. Наилучшим показателем эффективности аэрации обладает трубка № 12 со следующими физическими параметрами: толщина стенки 3,15 мм; твердость 63 единицы, предел прочности 1000 Па, удлинение 19 %.

Выявлено, что изменение различных гидродинамических показателей аэрационных систем зависит от физических свойств трубок. С увеличением толщины стенки трубки увеличивает коэффициент массопереноса кислорода k_Lо в среднем от 1,2·10^{– 3}с^-1 до 4,0·10^{– 3} с^-1в зависимости от расхода газа. При этом расход газа изменяется в среднем от 1 до 4 л/мин. 

Таблица 1.

Показатели массопереноса кислорода в зависимости от типа аэрационных трубок

Кроме того, толщина стенки трубки напрямую связана с использованием рабочего давления (Р), потребляемой мощностью (Р_G) и, следовательно, с эффективностью аэрации.

Физические характеристики трубки необходимы для описания механизма массопереноса кислорода и для выбора подходящей трубки-диффузора для аэрации. Например, самый высокий коэффициент k_Lо и самая низкая ЭА, полученные при использовании трубок с толщиной стенки и прочностью на растяжение соответственно 3,4 мм 3100 Па и 2,8 мм и 3000 Па. На рис. 2 на примере трех видов трубок, которые характеризуются средними показателями толщины стенки и прочности на растяжение, показана зависимость рабочего давления и скорости потока газа, увеличивающаяся по экспоненте.

Рисунок 2. Зависимость рабочего давления от скорости потока газа

Твердость трубки в различных диффузорах находится в диапазоне от 50 до 72 единиц, что влияет на гибкость структуры трубки и модификацию размера отверстий при различной скорости потока газа. Многочисленные неоднородные поры и каналы (средний диаметр около 0,19 мм) в стенках трубок служат отверстиями для образования пузырьков. Было выявлено, что размер образующихся пузырьков не зависит от расхода воздуха, однако связан с жесткостью отверстия. Следовательно, характеристики твердости трубки играют важную роль в изменении размеров пузырьков. Размеры пузырьков также связаны со статическим поверхностным натяжением. Скорость образования пузырьков варьируется в диапазоне 0,22 – 0,27 м/с и увеличивается с ростом расхода газа. Поэтому можно заключить, что гидродинамические параметры пузырьков (диаметр и скорость образования) связаны между собой. Очевидно, что нет необходимости создавать много мелких пузырьков для увеличения объема массопереноса, так как при этом резко возрастает потребление энергии и снижается коэффициент массопереноса в жидкой фазе.

Таким образом, физические параметры (толщина стенки трубки, прочность трубки на растяжение, а также ее твердость и удлинение) следует рассматривать как ключевой фактор для управления потреблением энергии, эксплуатационными расходами, гидродинамическими параметрами пузырьков и, следовательно, эффективностью массопереноса кислорода в гибком диффузоре. Задачей будущих исследований является анализ характеристик гибких резиновых аэраторов при работе в сточных водах, а также экономические показатели производства аэрационных трубок из резиновых отходов. Кроме того, необходима разработка теоретических моделей прогнозирования параметров гидродинамики и массопереноса пузырьков в реальных условиях аэрационного резервуара.