Классификационные признаки систем аэрации

На современном этапе развития водопроводно-канализационного хозяйства одной из наиболее сложных инженерных задач, направленных на улучшение экологической обстановки в различных регионах страны и охрану водоемов от загрязнения, является реконструкция и перевооружение сооружений по очистке городских сточных вод.

Сохранение водных объектов и поддержание в них благоприятных условий для жизнедеятельности микро и макро организмов на сегодняшний день носит значение приоритетного характера и реализуется в виде разрабатываемых технологий очистки вод.

В условиях современной развивающейся индустриальной действительности вода, используемая в ходе производства продукции, загрязняется, претерпевая изменения физико-химического и биологического характера, нуждается в очистке с целью соответствия норм ПДК рыбохозяйственных водоемов.

Основное направление очистки хозяйственно-бытовых сточных вод – обработка их на сооружениях биологической очистки – аэротенках, оборудованных системой аэрации. Согласно экспертным оценкам данный метод очистки является наиболее распространённым и безопасным в экологическом отношении [27].

Аэрация сточных вод представляет собой комплекс задач, целью которых служит создание аэробных условий с протеканием биологических процессов очистки вод путем насыщения жидкости воздухом [28]. В основе данного способа лежит возможность некоторых бактерий, содержащихся в активном иле аэротенка, использовать для питания соединения органического происхождения с последующим биохимическим окислением.

В последние годы в области технологии аэрирования сооружений биологической очистки проводились разработки, как среди отечественных, так и зарубежных компаний. Сегодняшний рынок материалов и оборудования для диспергирования воздуха характеризуется повышенным разнообразием и высокими энергетическими показателями [29]. Наиболее широкое отражение на станциях очистки сточных вод находят следующие технологические решения диспергирования воздуха:

1) Пневматическая система аэрации– представляет собой подачу воздуха (технического кислорода) под давлением в 10 – 50 кПа по магистральным и воздухораспределительным трубопроводам к диспергаторам различной конструкции, месторасположение и число которых в аэротенке определяется по результатам расчета.

Суть процесса пневматической аэрации состоит в том, что сжатый воздух (или кислород) от воздуходувок, компрессоров, высоконапорных вентиляторов или кислородных испарительных установок по системе трубопроводов подается в аэрационное сооружение [30,31,32,33,34-39]. С помощью аэраторов воздух дробится на пузыри, которые распределяются в объеме жидкости и служат источником снабжения кислородом, а также вызывают циркуляцию водоиловой смеси для поддержания активного ила во взвешенном состоянии.

Пневматические аэраторы применяются как в открытых, так и закрытых аэрационных сооружениях.

По заглублению аэраторы пневматической системы классифицируют на аэраторы малого (до 1,5 м), среднего погружения (1,8-6,0 м) и глубинные аэраторы (свыше 6 м). В настоящее время распространены аэраторы среднего погружения.

В зависимости от давления на выходе различают аэраторы низкого давления (до 10 кПа), среднего (нормального, до 50 кПа) и высокого (свыше 50 кПа) давления. К системам низкого давления относят низконапорную систему ИНКА, к системам нормального давления - аэраторы среднего погружения, а к системам высокого давления - глубинные.

В зависимости от размеров, образующихся на выходе из диспергаторов пузырьков воздуха, применяемые в настоящее время пневматические аэраторы традиционно разделяют на 4 типа: безпузырчатые, тонкого диспергирования, среднепузырчатые и крупнопузырчатые. Однако, классификация по размерам воздушных пузырьков является в известной степени условной. Согласно отечественным работам мелкие пузырьки имеют диаметр 1-4 мм, средние 5-10 мм, крупные - более 10 мм. По Висмейеру, пузырьки диаметром до 1,2 мм - мелкие, 1,2-1,6 мм - средние и более 1,6 мм - крупные. Наконец, в технологической практике, как в России, так и за рубежом аэраторами тонкого диспергирования воздуха считают фильтросные пластины независимо от размеров их пор и соответственно размеров воздушных пузырьков.

Классификация пневматических систем аэрации представлена на рис. 2.1а

В безпузырчатой системе аэрации воздух (кислород) растворяется полностью или имеет пузырьки размером меньше 0,25 мм. Безпузырчатые аэраторы представляют собой пластины с отверстиями или порами размером менее 0,25 мм, устанавливаемые обычно в канализационных коллекторах.

Применение безпузырчатой системы аэрации наиболее эффективно, так как в этом случае меньше расход энергии на подачу воздуха, но необходимо уделять больше внимания эксплуатации диффузоров. Такие системы аэрации не получили широкое распространение, ввиду сложности получения пузырьков воздуха размером 0,25 мм. Имеется положительный опыт использования безпузырчатых аэрационных устройств в системах аэрации с техническим кислородом, в частности, в окситенках системы “Марокс” и в диспергаторах кислорода ПМД-3, разработанных во ВНИИ ВОДГЕО.

Безпузырчатая аэрация достигается применением вращающихся диффузоров. Окситенки этого типа имеют фирменное название “Марокс”. Диффузор, применяемый в окситенке “Марокс”, представляет собой полый диск с закрепленными пластинами (рис.2.1в Кислород подается в полый вал диска.). При вращении диска пузырьки газа срезаются окружающей жидкостью, не успев укрупниться до тех размеров, при которых они отрываютсяот пор фильтров при неподвижном аэраторе.

Классификационные признаки систем аэрации - student2.ru

Рис. 2.1 а- Классификация пневматических систем аэрации

Классификационные признаки систем аэрации - student2.ru

Рис. 2.1 б - Дополнение к классификации пневматических аэраторов

Классификационные признаки систем аэрации - student2.ru

Рис. 2.1 в - Диффузор системы “Марокс”. 1- полый вал; 2 - лопатки для перемешивания; 3 - пористые пластины.

При вращении диска пузырьки газа срезаются окружающей жидкостью, не успев укрупниться до тех размеров, при которых они отрываютсяот пор фильтров при неподвижном аэраторе. Пузырьки размером 100 мкм,обладающие относительно малой гидравлической крупностью, увлекаютсяпотоками жидкости, не всплывая на поверхность, до практически полногорастворения. Эффективность использования кислорода в иловой смеси достигает 90%.

2) Механическая система аэрации – реализуется в ходе вращения мешалки-аэратора, вовлекающего в биореактор наружный воздух из окружающей среды. В зависимости от типа расположения оси вращения ротора классифицируются на горизонтальные и вертикальные.

В отличие от пневматической системы аэрации механическая характеризуется рядом преимуществ, среди прочих отсутствие забивания и зарастанию, возможность проведения своевременного осмотра и ремонта.

3) Комбинированная система аэрации –сочетает в себе технологические возможности пневматических и механических аэраторов. Основное назначение системы – очистка сточных вод повышенной концентрации.

Таким образом, повсеместное распространение аэрационных сооружений для биологической очистки сточных вод обуславливает дальнейший поиск технических разработокс целью интенсификации протекания процессов работы таких сооружений при формировании оптимальной газогидродинамической обстановки [40].

Кроме вышеперечисленных, в последнее время стали применяться конструкции аэраторов, отличающиеся принципиальной новизной - пневмовибрационные, пневмомеханические и др. [41].

В последние годы вследствие развития исследований процессов и устройств систем аэрации расширяется и детализируется принятая классификация, которая относительно недавно дополнена следующими признаками: волновые воздействия на аэратор [42,43] (Андреев С.Ю., 2005), пневмоструйная аэрация [44,45] (Куля Н.Н., 2013), способность к захлопыванию отверстий мембранных аэраторов при отключении электроэнергии [46,47] (Смоляниченко А.С., 2011), аэраторы из природного туфа [48,49] (Петросян Г.Г., 2014).

Эффективность работы аэраторов обеспечивается следующими факторами:

1. Площадь раздела фаз “пузырек воздуха - жидкость”, которая зависит от диаметра пузырьков воздуха. Чем меньше диаметр пузырьков, тем выше скорость массопередачи кислорода.

2. Время контакта фаз. Оно обусловлено глубиной аэротенка, а также коэффициентом турбулентности.

3. Скорость обновления поверхности фаз, т.е. чем выше турбулентность потока, тем эффективнее аэрация сточных вод.

2.2 Исследование эффективности применения керамических аэраторов «Бакор»

Целью научно-исследовательской работы, проводимой при кафедре «ВиВ» Донского государственного Технического Университета при участии студентов-магистров, а также аспирантов стран Сирии и Египта, явилось проведение ряда сравнительно-аналитических экспериментов, призванных определить способы интенсификации биологической очистки сточных вод посредством изменения гидродинамических потоков. Результатом данной работы стало описание способа повышения окислительной способности аэротенка в ходе распределения активного ила в аэротенке за счет создания «эрлифтного» эффекта.

Для решения поставленной цели в научной лаборатории была смонтирована экспериментальная установка объемом 0,3 м3. Данная модель была загружена активным илом действующих аэротенков (рис. 2.1 г), на дно помещен пористый керамический аэраторфирмы «Бакор», обеспечивающий высокоинтенсивную мелкопузырчатую аэрацию [50].

Классификационные признаки систем аэрации - student2.ru

Рис. 2.1 г Модельная установка с керамическим аэратором«Бакор»

Эксперимент проводился в несколько этапов, каждый из которых характеризовался 2 стадиями:

Стадия I. Определение седиментационных свойств активного ила:

1) Аэратор исходной конструкции (рис. 2.1), расход воздуха = 50 л/мин, содержание кислорода в водеО2 = 3,02 мг/л, давлениеP = 0,165МПа: процесс аэрации характеризовался мало преобладающим перемешиванием, на дне наблюдались участки застоя ила, факел аэратора достигал малых размеров, активный ил не перемешивался во всем объеме модельной установки (рис. 18).

Классификационные признаки систем аэрации - student2.ru

Рис.17 Керамический аэратор фирмы «Бакор»

Таблица 2.1 - Технические характеристики аэратора модульного типа

№ п/п Наименование параметра Единица измерения Численное значение
Геометрические размеры мм 300х250х35
Размер «рабочей» поверхности мм 300х250
Размер пор мкм 20-100
Размер пузырьков диспергируемого воздуха (при избыточном давлении 0,5 бар) мм 0,5-2,0
Расход воздуха через один аэратор (при избыточном давлении 0,5 бар) м3/час 5,0
Предельное давление воздуха при котором происходит разрушение аэратора бар 10,0
Сопротивление потоку воздуха Па 750 – 1500
Масса аэратора кг 5,8

Классификационные признаки систем аэрации - student2.ru

Рисунок 1.10 - Схема работы аэратора модульного типа

Классификационные признаки систем аэрации - student2.ru

Рис.18 Модель аэротенка: 1 – резервуар; 2 – керамический аэратор фирмы «Бакор»; 3 – компрессор, 4 – «талия», 5 – «плечи»

2) Аэратор модифицированной конструкции с эрлифтным эффектом (рис. 4), расход воздуха = 50 л/мин, содержание кислорода в водеО2 = 3,02 мг/л, давлениеP = 0,165 МПа: процесс аэрации сопровождался интенсивным перемешиванием содержимого модельной установки, наблюдалось наличие завихрений воздушных потоков во всем объеме жидкости, отсутствовали участки застоя активного ила (рис. 20).

Классификационные признаки систем аэрации - student2.ru

Рис.19 Модифицированный аэратор фирмы «Бакор» с эрлифтным эффектом

Классификационные признаки систем аэрации - student2.ru

Рис.20 Модель аэротенка: 1 – резервуар; 2 – модифицированный аэратор фирмы «Бакор»; 3 – компрессор; 4 – подставки

С целью определения эффективности работы диспергаторов воздуха, на основании седиментационных показателей, батометром были отобраны пробы воды в 3-х точках объема модельной установки (рис. 21) и после30 минутного отстаивания определена высота слоя ила (рис. 22).

Классификационные признаки систем аэрации - student2.ru

Рис. 21 Точки отбора проб воды при использовании аэраторов:

1, 2, 3 – дно резервуара; 4, 5, 6 – середина резервуара

Классификационные признаки систем аэрации - student2.ru

Рис. 22 Количество активного ила, выпадающего в осадок, с применением аэраторов

различной конструкции

Стадия II: определение равномерности распределения концентрации взвешенных веществ в аэрируемом объеме.

Равномерность распределения взвесей определяли по прозрачности проб жидкости в соответствии с высотой аэрируемого слоя модельной воды с применением суглинка в качестве замутнителя (рис. 23).

Для ориентировки (СП по канализации) при использовании пористых материалов удельный расход воздуха на единицу рабочей поверхности аэраторов Ja,d зависит от индивидуальных свойств этих материалов и назначается в пределах Ja,d = 30-100 м3/(м2.ч); для фильтросных пластин - Ja,d = 60-80 м3/(м2.ч).

1. Аэратор типовой конструкции, расход воздуха 48 и 96 л/мин, давлениеP = 0,155 кПа: высокоинтенсивная мелкопузырчатая аэрация (35, 17 и 70,35 м3/(м2.ч))не обеспечивает в удаленных участках модельной установки должное взмучивание частиц. Оптимальное распределение кислорода не достигается в полном объеме.

2. Аэратор модифицированной конструкции с эрлифтным эффектом, расход воздуха 48 и 96 л/мин, уровень давления P = 0,155 кПа: насыщение кислородом жидкости протекает с большей интенсивностью, содержимое модельной установки характеризуется образованием ярко выраженные завихрений, имитат распределяется в полном объеме, подвергаясь дроблению на малые частицы [51-53].

Пробы воды, прошедшие тестирование на прозрачность по методу «кольца», мм, указывают на то, что использование аэратора с эрлифтным эффектом позволяет достигнуть более высоких показателей по прозрачности.

Классификационные признаки систем аэрации - student2.ru

Рис. 23 Показатели аэраторов, характеризующие расход воздуха

Анализ полученных результатов показывает, что при равных расходах воздуха (48 и 96 л/мин) аэратор с эрлифтным эффектом повышает концентрацию ила и взвеси (рис. 21, 23)в воде модульной установки, что свидетельствует о вовлечении донных отложений в циркуляционные потоки. Так, для верхнего ряда концентрация ила при аэраторе с эрлифтом составляет 184,08 мг/л, а с типовым - 164,18 мг/л (+12 %); средний ряд характеризуется значениями в 168,94 мг/л и 194,92 мг/л соответственно (+15 %); нижний ряд составляет 184,08 мг/л и 169,14 мг/л (+8 %), т. е. участие взвешенных веществ в массообменных реакциях при аэрации повышается в среднем - на 11,8%.

Вывод по второй главе

Таким образом, проведенные исследования показывают преимущество модифицированного аэратора с эрлифтным эффектом над типовым аэратором "Бакор" по повышению использования взвеси в процессе аэрации, что, в свою очередь, повышает коэффициенты массообмена, использования объема реактора, снижению затрат на процесс. Поэтому, модифицированный режим пневматической аэрации через пористые керамические пластины, со встроенными эрлифтами, может быть рекомендован как для сооружений биологической очистки сточных вод, так и для иных аэрационных процессов.

Широкое практическое применение эрлифтных аэраторов и их кон­структивное развитие наметились в 1970-77 гг. В настоящее время аэраторы данного типа применяют на предприятиях пищевой, химической и нефтехимической отраслей промышленности вместо мелкопузырчатых систем аэрации в случаях их быстрой кольматации солевыми отложениями или нефтяными загрязнениями, а также в качестве дополнительного аэрирующего средства на перегруженных очистных станциях.

Наши рекомендации