Пути интенсивности работы аэратенков с пневматической аэрацией `

АННОТАЦИЯ

В статье приводятся результаты испытаний разработанного авторами устройства позволяющее интенсифицировать процесс массообменная дополнительным дроблением пузырьков путем вибрации мешалки и создания режима пульсации подачи воздуха при установленном минимальном его расходе.

ABSTRACT

The article presents the test results of the device developed by the authors, which makes it possible to intensify the mass transfer process by additional crushing of the bubbles by vibration of the mixer and creating a pulsation mode of the air supply at a set minimum flow rate.

Ключевые слова: Аэрация, аэротенка, очистительные сооружения, сточная вода, воздушные пузырьки, диаметр пузырьки, скорость движении, гидродинамика, параметры, расход воды, массопереноса, мешалка, концентрация кислорода, объемный коэффициент.

Keywords: Aeration, aeration tank, treatment facilities, waste water, air bubbles, diameter bubbles, flow rate, hydrodynamics, parameters, water flow, mass transfer, agitator, oxygen concentration, volume coefficient.

В условиях Ферганского региона для биологической очистки сточных вод традиционно применяются аэратенки с пневматической системой аэрации, в которых воздух диспергируется через фильтросные плиты или через перфорированные трубы. Согласно СНиП системы с фильтросными плитами считаются эффективнее в два раза по сравнению с трубчатыми, но они очень хрупки, быстро засоряются, часто выходят из строя, т. е. не обеспечивают достаточной надежности очистки сточных вод, в связи с чем эффективность их перед перфорированными трубами не является очевидной (1). Поэтому, в настоящее время в системах аэрации чаще стали применять перфорированные трубы. Примером тому очистные сооружения   в городе Фергане, Риштане, Кувасае и другие, а также проекты очистных сооружений небольших поселков, предприятий городов Ферганской, Наманганской, Андижанской областей.

Следовательно, объектом нашего исследования будут средне пузырчатые системы аэрации, т.е. системы с перфорированными трубами, а точнее их конструктивные и гидродинамические параметры. К конструктивным параметрам относятся глубина погружения аэратора, глубина и ширина аэратенка и их соотношения, ширина полосы аэрации и её отношение к ширине аэратенка, габариты аэратора и его элементов и диаметр отверстий. К гидродинамическим параметрам следует отнести расход сточной воды и подаваемого воздуха, количество и крупность воздушных пузырьков и распределение их в объеме сооружений, траектория и скорость движения жидкости и газа. Влияние выше перечисленных параметров на величину объемного коэффициента масса передачи изучены достаточно хорошо и приведены в отечественной и зарубежной литературе.

Изучение их позволяет заключить, что из выше перечисленных факторов существенное влияние на эффективность процесса очистки сточных вод оказывают ширина полосы аэрации (3), интенсивность перемешивания (4), интенсивность аэрации с увеличением ширины полосы аэрации одновременно, и самое главное крупность воздушных пузырей и их распределение в объеме сооружения (1,3,4,5,6). Согласно СНиП (1,3,5) при изменении отношения f_а2/f_ат от 0,05 до 1, расход воздуха на аэрации на 1м3 сточной воды уменьшается в 1,5 раза и больше, но при этом растут материальные и энергетические затраты.  Обычно интенсивность аэрации в исследуемых сооружениях меняется от 3 до 28 м³/м² час, причем при увеличении Jа от 3 до 7 м³/м² аэрации при Jа м3/м2. час степень использования кислорода увеличивается на 0,7%, а при Jа= 7 -10 м3/м2. час на 0,15 % (7). В работе (1), также указано на линейную зависимость скорости массопередачи от интенсивности аэрации при Jа=4-8 м3/м2 час, при Jа> 8м3/м2 час она приобретает криволинейный характер, что объясняется переходом от барботажного режима (пузырчатого) в струйный. При увеличении fа2/fаt = 0,5 и более прямолинейный характер сохраняется (Ка)20=f(Jа), следовательно, увеличение интенсивности аэрации без изменения конструкции аэраторов также не дает желаемых результатов.

Скорость массопередачи или растворения кислорода выражается уравнением:

d_с/d_т = К_е.  (Са-Со),                                                                            (1)

где: dс/dт- скорость массопередачи,

Ке - коэффициент массопередачи,

А- площадь межфазового контакта,

V- объем жидкости,

Са- равновесная концетрация кислорода в воде,

Со - концентрация растворимого кислорода в воде.

При этом

А= f(dn), (Ка)20 = К*А/V                                                                          (2)

таким образом, диаметр пузырька существенно влияет на объемный коэффициент массопередач.

При значениях dn=0,22-0,25см он достигает своего максимального значения и резко падает при увеличении dn> 0,5 см. Диаметр пузырьков при применении трубчатых аэраторов по исследованиям многих ученых колеблется от 5-10 мм (1,3,7,8), иследовательно интенсификация работы таких сооружений возможно путем дополнительного дробления пузырей. Если учесть, что интенсивный массоперенос происходит в момент образования пузырьков, то очевидным является целесообразность изменения условий образования их. В работе (4) даны некоторые варианты конструкции диспергаторов воздуха отечественных и зарубежных авторов. Но во всех предложенных конструкциях требуется увеличение энергетических затрат. Новым, в решении поставленной задачи, является пульсирующий режим подачи воздуха (9) и пневмо вибрационные аэраторы (10), у которых те же самые недостатки. Указанные недостатки устранены в предложенном автором устройстве (6) при сохранении режиме пульсации воздуха и вибрации массы около аэратора. (рис 1)

Рисунок 1 Устройство для аэрации сточных вод

Устройство (рис 1) содержит вертикально установленный в резервуаре аэротенка 1 полый вал 2, имеющий на нижнем конце мешалку 3 с пустотелыми клиновидными, расположенными на разных уровнях лопатками 4 и 5. Верхние ведомые лопатки 4, имеют отверстия 6 сверху и сообщаются с полым валом 2 через четыре перекрываемые ими же отверстия 7. Ведущие лопатки 5 имеют боковые отверстия 3 с тыльной по направлению вращения стороны. Ведомые 4 и ведущие 5 лопатки разделены между собой фланцем 9. Сжатый воздух поступает по полому валу 2 в мешалку 3.   Выходя через боковые отверстия 8 ведущих лопаток 5, он приводит   во вращение мешалку 3. При этом, ведомые лопатки сообщаются через отверстия 7 и воздух выходит через верхние отверстия 6, по мере вращения мешалки 3, ведомые лопатки 4 перекрываются стенкой полого вала 2 и воздух к ним практически не поступает. Далее, ведомые лопатки 4 снова перекрывают отверстия 7 и к ним поступает воздух, цикл повторяется, т.е. происходит пульсация подаваемого воздуха. При выходе из отверстия 6, пузырек срывается жидкостью, не успев принять соответствующий размер, т. е. образуется пузырек значительно меньших размеров. В результате пульсации воздуха и массы смеси около лопаток мешалки 3 происходит дополнительное дробление пузырьков, увеличивается площадь контакта фаз. 

Рисунок 2 Устройство для аэрации сточных вод

Такой же эффект можно достичь при вращении мешалки электродвигателем подавая установленный минимум расхода воздуха (рис2), при этом отверстия во всех лопатках выполняется сверху. Скорость вращения лопаток, регулируется не зависимо от расхода воздуха электродвигателем.

При применении предложенных устройств удельный расход воздуха следует определять по формуле:

q _air ;                                                                    (3)

где: q_air- удельный расход воздух,

q_о-   удельный расход кислорода,

len, lex- БДКполн поступающий на очистку и очищенной сточной воды,

Са-растворимость кислорода воздуха в воде,

Со- средняя концетрация кислорода в воде аэротенка,

К₁, К₂, К₃, Кt -  соответственно коэффициенты, учитывающие тип аэратора, глубину погружения аэратора, качество сточной воды и температуру сточныой воды. температуру сточной воды.

К₄- новый введенный автором коэффициент, учитывающий особенности предложенного аэратора. При линейной скорости вращения аэратора Vо=0, К₄=1 и формула (3) приобретает вид, тем самым сохранена его универсальность. Путем теоретических и экспериментальных исследований (2) предложены формулы для определения К₄.

К₄=(dn*/ dn)^0,67*(faz/faz*)0,18                                                                 (4)

dn*,faz*- диаметр пузырей и ширина полосы аэрации при применении обычных аэраторов. 

K₄= 1+1,92Vо ^1,5                                                                            (5)

В таблице приводится значение K₄ рассчитанное по формуле (4) и (5), также определенное экспериментально.

  Таблица 1.

Зависимость K₄ от линейной скорости вращения аэратора Vо

Расхождение К4* определяемого по формуле (4), К4** - определяемый по формуле (5) и К4 определяемый экспериментально небольшие и колеблется в пределах 0,9-4,4%, что дает основание применяемости обоих формул для расчета предложенных аэраторов.  Диаметр пузырьков в этом случае 0,9 - 4,36 мм при диаметре отверстий в аэраторе dо=3мм и 1,1-5,32 мм при dо =5мм, при линейной скорости вращения мешалки 1,7-0,4м/с.

Таким образом, предложенное устройство работает как мелкопузырчатая пневматическая система аэрации, не имея недостатков, которые присуще им и позволяет в несколько раз сократить расход воздуха, способствует увеличению окислительной мощности аэрационных сооружений.

Список литературы:
1. Карелин Я.А. и др " Очистка производственных сточных вод в аэратенках», М., Стройиздат, 1973ог.
2. Сивак В.М., Янушевский Н.Е. "Аэраторы для очистки природных и сточных вод" Львов, Высшая школа 1984
3. АбдуганиевН.К. "Очистка сточных вод и рекомендация по интенсификации работы очистных сооружений и по их проектированию в условиях Ферганского региона", Охрана окружающей среды и использование промышленных отходов. Сборник научных трудов Таш.ПИ, Tашкент,1988г.