Возможности применения струйных аэраторов в сооружениях биологической очистки

АННОТАЦИЯ

Качество биологической очистки в большой степени зависит от работы систем аэрации. Поиск наиболее экономичного и эффективного вариант приводит к выводу о возможности применения струйных аэраторов. Для обеспечения максимального коэффициента массопереноса и размеров активно аэрируемой зоны следует применять насадки с прямоугольно-овальными отверстиями.

ABSTRACT

The quality of biological treatment depends to a large extent on the aeration systems operation. The search for the most economical and effective option leads to the conclusion about the possibility of using jet aerators. To ensure the maximum mass transfer coefficient and dimensions of the actively aerated zone, mouthpieces with rectangular-oval holes should be used.

Ключевые слова: биологическая очистка стоков, система аэрации, струйная аэрация, насадок.

Keywords: biological wastewater treatment, aeration system, jet aeration, mouthpiece.

Для совершенствования технологий биологической очистки наиболее важным вопросом является интенсификация процессов аэрации.

Развитие технологий насыщения жидкостей газами неразрывно связа­но с разработкой новых конструкций газожидкостных аппаратов. Причиной этого является то, что использование традици­онных газожидкостных технологий и их аппаратурного оформления приво­дит к определенным трудностям.

Применяемые сегодня на очистных сооружениях г. Ташкента пневматические аэраторы нуждаются в наличии дорогостоящих компрессорных станций, обслуживание которых затруднено из-за частого забивания распределительных отверстий элементами активного ила (требуется периодическая полная останов­ка сооружений для осуществления регенерации) [1].

Работа аппаратов механического перемешивания требует решения проблем герметизации оборудования в условиях высокой влаж­ности окружающего воздуха. Надежность и ремонтопригодность этих аппаратов понижена благодаря наличию внутренних подвиж­ных элементов и сложного привода [2, 3].

Комбинированные пневмомеханические аппараты занимают промежу­точную позицию по эффективности растворения кислорода, отличаются высокой степенью перемешивания, но из-за присутствия в их конструкции недостатков как пневматических, так и механических аппаратов, применение комбинированных сис­тем затруднено [2].

Исследования по повышения технических характеристик аппаратуры для аэрирования жидкостей привели к появлению инжекционных статических устройств, осуществляющих диспергирование газа струями жидкости, создаваемыми насосом. По сравнению с ранее рассмотренными аэраторами, струйные аппараты имеют следующие преимущества: вы­сокая скорость растворения газа в жидкости и малая энергоёмкость, а также простота конструкции, легкость эксплуатации и надежность работы. Благодаря указанным достоинствам струйные аппараты в послед­нее время все более широко применяются для осуществления эффективного тепло- и массопереноса в различных отраслях промыш­ленности. В частности, они используются в аэротенках, окислительных каналах и других соору­жениях биологической очистки стоков; в производстве газированных напитков; медицинской и микробиологической промышленности [4, 5].

Более широкое применение устройств струйного типа ограничивается несовершенством конструкции и отсутствием науч­но обоснованных методик расчета их главных гидродинамических и массообменных характеристик. Поэтому сохраняется актуальность теорети­ческих и экспериментальных исследований процессов аэрации в этих аппара­тах [5, 6, 7].

Механизм насыщения жидкости газом в таких аппаратах основан на инжектировании воздуха падающей струей жидкости, вытекающей из на­садки (рисунок 1). Поверхность струи жидкости после выхода из насадки, двигаясь в га­зовой среде, становиться негладкой, "шероховатой". Во впадины "шерохова­тостей" проникает газ и увлекается в спутное движение струей. Захваченный газ диспергируется в виде мелких пузырей, образуя газожидкостную смесь с развитой межфазной поверхностью.

Рисунок 1. Инжектирующая струя

Анализ проведенных ранее исследований показывает, что струйные аппараты такого ти­па практически не уступают пневматическим, механическим и пневмомеха­ническим системам по скорости растворения кислорода в жидкости. К поло­жительным характеристикам этих аппаратов можно отнести исключение из схемы производства газонагнетательных машин, достаточно развитую меж­фазную поверхность системы газ-жидкость, высокую эксплуатационную на­дежность, поскольку аппарат не имеет подвижных элементов, малое потреб­ление энергии. Это подтверждают данные по эффективности различных ти­пов аэрационных систем, приведенные в таблице 1.

Математическое моделирование процесса струйной аэрации прово­дится в несколько этапов. Целью моделирования является определение гео­метрических размеров аэрируемой области и массообменных характеристик струйного процесса в зависимости от исходных данных: скорость, геометри­ческие размеры и конфигурация струи, физико-химические свойства сред и др. Перечислим основные этапы математического описания процесса:

• изучение инжектирующей способности струи жидкости;
• гидродинамические характеристики газожидкостной зоны;
• определение среднего диаметра газовых пузырьков;
• исследование характера межфазной поверхности процесса;
• моделирование массопереноса в системе.

Таблица 1.

Характеристика аэрационных систем

Анализ литературных данных показывает, что к сего­дняшнему дню не создано достаточно четкого теоретического описания меха­низма явлений, происходящих при движении турбулизованных жидкостных струй в газовой среде. Всё же было выявлено, что на расход инжектируемого газа значительно влияют параметры "шероховатостей" на поверхности струи [6, 7].

Возникновение "шероховатостей" и разрывов на поверхности падающих струй можно объяснить тем, что при течении внутри насадки струя жидкости приобретает определенный профиль скорости, вследствие равенства нулю скорости на границе со стенкой насадки. После выхода струи из насадки в газовую фазу исчезает влияние ограничивающей стенки и профиль скорости перестраивается.

Одним из наиболее важных показателей является массоперенос кислорода, который характеризуется объемным коэффициентом массопереноса К_Lα. Как этот, так и другие показатели работы струйных аэраторов во многом зависят от формы струй, которые обеспечиваются насадками различной формы. Нами ведутся исследования возможностей применения струйных аэраторов с различными насадками. В ходе предварительного эксперимента были определены значения объемного коэффициента массопереноса и эффективности переноса кислорода для насадок с круглыми и овально-прямоугольными отверстиями.

Результаты измерений глубины погружения струи Н_р, диаметра факела и скорости истечения V для отверстий круглой и овально-прямоугольной формы приведены в таблицах 2 и 3.

Скорость определялась по формуле

V=Q/S ,  (м/с)

Где Q – задаваемый расход, м³/с; S – площадь сечения струи на выходе из сопла, м².

Таблица 2.

Геометрические размеры области аэрирования при различной скорости истечения струи из круглого отверстия

Таблица 3.

Геометрические размеры области аэрирования при различной скорости истечения струи из овально-прямоугольного отверстия

По полученным данным построены сравнительные графики (рис. 2 и 3) зависимостей Н_р и d_ф от скорости истечения.

Рисунок 2. График зависимости Н_р от скорости истечения струи

Рисунок 3. График зависимости d_ф от скорости истечения струи

Из графиков видно, что зависимости геометрических размеров области активного аэрирования (Н_р и d_ф) от скорости истечения струи из сопла (для одиночных отверстий) имеет линейный характер. Область активного аэрирования при использовании овально-прямоугольного отверстия больше, чем при использовании круглого отверстия.

Заключение. Для совершенствования процессов естественной и искусственной биологической очистки сточных вод целесообразно использовать струйные аэраторы, отличающиеся простотой эксплуатации.

Для обеспечения максимального коэффициента массопереноса и размеров активно аэрируемой зоны следует применять насадки с прямоугольно-овальными отверстиями.

Список литературы:
1. Абдукодырова М.Н. О возможностях интенсификации биологической очистки стоков в г. Ташкенте // Universum: Технические науки: электрон. научн. журн. 2018. № 5(50). URL: http://7universum.com/ru/tech/archive/item/5920 (дата обращения: 1.05.2020).
2. Мешенгиссер Ю. М. Теоретическое обоснование и разработка новых полимерных аэраторов для биологической очистки сточных вод. Автореферат дисс….. д.т.н. Москва, 2005. – 48 с.
3. Tanner W., Reid P.E. Advances in Aeration. El. source. URL: http://www.reidengineering.com/wp-content/uploads/2012/05/Aeration-Presentation-Reid2013.pdf
4. Чупраков Е. Г. Интенсификация работы городских очистных сооружений за счет предварительной обработки сточных вод в вихревых гидродинамических устройствах. Автореферат дисс…к.т.н. Пенза, 2005. –24 с.
5. Яблокова М.А. Аппараты с инжектированием и диспергированием га¬за турбулентными струями жидкости. Автореф. на соиск. уч. степ, д.т.н. Санкт - Петербург: С - П.ГТИ, 1995. - 40 с
6. Кислов Е.А. Методы расчета гидродинамических и массообменных характеристик газожидкостных аппаратов с закрученными струями. Дисс… к.т.н. Ярославль: ЯГТУ, 2005. – 178 с.
7. Лобов В.Ю. Создание метода расчета и усовершенствование конструкций струйных аппаратов. Дисс… к.т.н. Ярославль: ЯГТУ, 2001. – 178 с.