CC BY
93
Андреев С.Ю., Гришин Б.М., Демидочкин В.В., Злыднев А.В., Кулапин В.И.
Пензенский государственный университет
НОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ СТОЧНЫХ ВОД С ПРИМЕНЕНИЕМ ВИХРЕВЫХ ЭРЛИФТНЫХ УСТРОЙСТВ
Практика эксплуатации современных сооружений аэробной биологической очистки сточных вод показывает, что себестоимость процесса очистки на 60-80 % зависит от эффективности применяемой системы аэрации, являющейся наиболее энергоемким элементом очистных сооружений. В связи с этим оптимизация процессов расчета и эксплуатации аэрационных систем является весьма актуальной задачей.
В соответствии с одной измоделей системы аэрации, скорость массопередачи кислорода, кг/с,из газовой фазы описывается уравнением [1]:
dm/dt = KlA(Ch-C), (1)
где Kl - коэффициент массопередачи жидкой пленки, м/с;А - площадь межфазового контакта, м2; Сн, С - соответственно концентрация насыщения жидкости газом и концентрация растворенного в жидкости газа, кг/м3;
Предполагается определять коэффициент массопередачи жидкой пленки по уравнению Хигби:
К L
рн - V
Я- dn'
(2)
где Dh - коэффициент нестационарной диффузии кислорода газа в жидкость, м2/с; Vn-скорость всплывания пузырька воздуха, м/с,^п- диаметр пузырька воздуха, м.
Формула Хигби описывает процесс нестационарной молекулярной диффузии через тонкую жидкостную пленку, часть поверхности которой движется вместе с набегающим на пузырек потоком жидкости. Описываемые формулой (2) процессы протекают при переходном режиме всплывания газового пузырька (переход от ламинарного режима к турбулентному). Пневматические системы аэрации тонкодиспергированным воздухом позволяют получить пузырьки диаметром dnот 2,5-10-3 до 5-10-3 м (пузырьковый режим), в связи с чем для описания процесса массопередачи этих систем более корректно использовать формулу Данквертса. Теория Данквертса описывает турбулентный режим массопередачи (dn>0,83*10-3 м), при котором турбулентные вихри, зарождающиеся на поверхности пузырька воздуха, контактируют с ней в течение короткого промежутка времени, в результате чего происходит обновление поверхности границы раздела фаз.
В соответствии с теорией Данквертса:
KL =tJDt ■ S, (3)
где Dt - коэффициент турбулентной диффузии, м2/с; S -фактор обновления границы раздела фаз, с-
1
В своих работах Данквертс не предлагает какого-либо конкретного подхода для определения величины S. Одна из попыток определения численного значения S, исходя из анализа баланса энергий (термодинамический подход), сделана в [2] . Было высказано предположение, что процесс обновления поверхности раздела под действием турбулентных вихрей должен быть связан с работой, совершаемой на границе раздела фаз. Поскольку работа, совершаемая при обновлении поверхности, обусловлена наличием поверхностного натяжения, величина новой поверхности, образующейся в единицу времени S, с-1, за счет турбулентного обмена элементов жидкости на единице поверхности, может быть определена как:
S=P/o, (4)
где Р = ZpVn3/2 - работа, совершаемая на единице поверхности в единицу времени, Вт/м2; о - коэффициент поверхностного натяжения, Дж/м2.
Тогда
S= ZpVn3/2o, (5)
где р - плотность жидкости, кг/м3.
Поскольку Sявляется величиной, обратной среднему значению времени экспозиции, и может быть интерпретирована как частота обновления поверхности, нами было предложено определять Sне в виде отношения элементарной работы Р к коэффициенту поверхностного натяжения о, а как отношение секундной работы, совершаемой силами гидродинамического сопротивления Ат, Дж/с, к поверхностной энергии пузырька воздуха Е, Дж:
AT = Fr С. Dl / DT = Fr С Vn DT / DT
= Frc. Vn = fn V-(VП / 2)-Vn = (6)
= fn V P-Vn / 2;
E = sn ■ Sn (7)
где Fr.c= fuZpVn3/2 - сила гидродинамического сопротивления, Н; Al- расстояние, м, на которое перемещается пузырек воздуха за время АТ, с; fn- площадь поперечного сечения пузырька воздуха, м2; Sn- площадь поверхности пузырька воздуха, м2.
Тогда
S = At / E = ( fn / Sn )■ v ■ р vn / 2 - a=g-p -V3 / 2 - s- K ф, (8)
где Кф = Sh/^ - коэффициент формы пузырька воздуха.
Предложенное уравнение (8) для вычисления значения фактора обновления границы раздела фаз всплывающего пузырька воздуха отличается от формулы (5) лишь наличием дополнительного коэффициента Кф.
Введение коэффициента формы пузырька воздуха Кф учитывает специфику сил поверхностного натяжения Fh.h. и гидродинамического сопротивления Fp.o.. Силы гидродинамического сопротивления действуют на площадь поперечного сечения пузырька воздуха fn, а силы поверхностного натяжения - на поверхность раздела фаз пузырька воздуха Sn.
С учетом равенства (8) формула (1) примет вид:
dm/dt = A DT - v- P Vn (СН -С). (9)
V 2 -s-Кф 1 Н ’
Разделяя переменные и интегрируя уравнение (9) в интервале dm(от О до Am) и dt(от 0 до AT),
имеем:
Dm = A DT -с- P'Vn (СН -С)-ДТ, (10)
\ 2-s-Кф 1 Н ’
где Лш- масса растворившегося кислорода, кг; ЛТ - время контакта воздуха с водой, с.
Для одиночного пузырька воздуха, имеющего площадь поверхности Бпи объем Wn, величина снижения концентрации кислорода ЛС, кг/м3 , в газовой фазе будет описываться уравнением:
Dm S,
ДС = —= ^- IDT - v Wn W Л| T
P-Vn
2- s- Кф
■(Сн - С) - ДТ = —- , Dt-V
n n Кф n
где 5п = Wn/Sn- дисперсный размер пузырька воздуха, м. Коэффициент использования кислорода воздуха Ки = Лш/шк
p-vn
2 -s- Кф
(Сн
определяемый
слорода воздуха Лш, растворенного в воде, аэрации, может быть вычислен по формуле:
к массе кислорода воздуха шк
- С) - ДТ, (11)
как отношение , подаваемого
массы ки-в систему
К
ДС
С, „
= ^-JDT-V
P-V3n
2- s- Кф
(Сн - С)
С
ДТ, (12)
где Ск.в. - концентрация кислорода в воздухе, кг/м3.
Время контакта воздуха с водой в случае всплывания одиночного пузырька со скоростью УПв слое жидкости высотой Н определяется по соотношению ЛТ =H/Vn.
Время контакта ЛТ при одновременном всплывании группы пузырьков уменьшается из-за возникновения эрлифтного эффекта, приводящего к тому, что пузырьки всплывают в слое жидкости, движущейся вместе с пузырьками, и приближенно может быть вычислено по эмпирической зависимости:
ЛТ =H°,667/V П.
Тогда
К, ..ДС._2 рт.у. r-n С -С).Н^^.аз)
" С,, Sn i 2- s - Кф С„ Vn
Зависимость (13) может быть использована для инженерных расчетов окислительной способности (ОС) пневматических систем аэрации с различной дисперсностью пузырьков воздуха:
ОС = КиСк.н.0в, (14)
где Qe - расход воздуха, подаваемого в систему аэрации, м3/ч.
Как видно из формулы (13) увеличение глубины погружения аэраторов приводит к повышению эффективности работы пневматических систем аэрации.
Авторами была разработана конструкция вихревого эрлифтного устройства (ВЭУ), которое предлагается использовать в качестве пневматического перемешивающего устройства. ВЭУ устанавливается по центру аэротенка и создает в своем стволе закрученный восходящий поток иловой смеси.
Закручивание потока происходит за счет поступления иловой смеси по тангенциально присоединенным к стволу ВЭУ патрубка-входа. Предусматривается подавать в ВЭУ до 10 % от общего расхода сжатого воздуха.
Мелкодисперсные пневматические аэраторы (штатная система аэрации) устанавливаются вдоль бортов аэротенка. Над штатной системой аэрации (за счет работы ВЭУ) создается закрученный нисходящий поток иловой смеси - реализуется принцип противоточной аэрации.
В связи с тем, что поток иловой смеси имеет не только вертикальную, но и тангенциальную (окружную) составляющую вектора скорости, процесс массопередачи значительно интенсифицируется.
Использование ВЭУ позволяет не только повысить эффективность системы пневматической аэрации, но и организовать более выгодный гидравлический режим в аэротенке без изменения его конструкции -режим ячеистого аэротенка.
В зоне действия каждого ВЭУ с шагом, равным ширине аэротенка создаётся гидравлическая ячейка, в которой закрученный поток реализует режим аэротенка-смесителя. Между собой отдельные ячейки соединяются по принципу аэротенка-вытеснителя.
Создается гидравлический режим ячеистого аэротенка, позволяющий более плавно распределить нагрузку на активный ил по длине сооружения.
Таким образом, дополнительное оснащение коридорных аэротенков-вытеснителей, используемых для полной биологической очистки хозяйственно-бытовых сточных вод, вихревыми эрлифтными перемешивающими устройствами позволяет не только существенно повысить эффективность штатной мелкопузырчатой аэрации, но и оптимизировать гидравлический режим аэротенка без изменения его конструкции.
Интенсификация процессов перемешивания иловой смеси и ее насыщения кислородом воздуха позволит не только повысить эффективность работы аэрационной системы, но и приведет к существенному улучшению седиментационных свойств активного ила.
Чем меньше значение илового индекса, тем лучше будут работать вторичные отстойники, вследствие чего в системе аэротенк-отстойник можно поддерживать большую дозу активного ила и обеспечить большую окислительную мощность аэрационного сооружения.
Хорошо оседающий активный ил имеет величину илового индекса в пределах 80-120 см3/г. Значение илового индекса определяется нагрузкой на активный ил [3].
Имеются многочисленные сведения о существенном снижении илового индекса в аэрационных сооружениях, использующих технический кислород.
Стадией, лимитирующей скорость переноса кислорода для биологических систем с хлопками активного ила является этап, предусматривающий процессы массопередачи внутри хлопка активного ила.
В первом приближении можно принять концентрацию кислорода на поверхности хлопка активного ила равной средней концентрации в объеме аэрационного бассейна.
Тогда процесс передачи кислорода и поверхности хлопка активного ила к бактериальной клетке будет описываться уравнением:
dm
~dt
KlA(C - C,)
кг/с,(15)
гдеСк - концентрация кислорода на поверхности мембраны у бактериальной клетки, кг/м3. Необходимую скорость массопередачи можно выразить через удельную нагрузку по органическим грязнениям (БПКполн) на 1 кг вещества активного ила qy кг/кг-с и энергетический коэффициент выражающий удельный расход кислорода на биохимическое окисление органических веществ, кг/кг.
dm
~dt
qy muK э
кг/с,(16)
за -Кэ,
где ши - масса активного ила в аэрационном бассейне, кг.
Для критического случая, когда концентрация кислорода у бактериальной клетки станет равной нулю, Ск=0, можно записать
KlAC = qymJK э .(17)
Согласно методу Колмогорова [4] для турбулентных пульсаций, имеющих масштаб 1 ,м и величину
удельной диссипации энергии £т , м2/с3 величина коэффициента турбулентной диффузии определяется по формуле:
г\ ___ „1/3 о4/3 2/ /1о\
Dmd = £т '1 , м /с,(18)
Наиболее интенсивно процесс массопередачи будет происходить под действием нулевых турбулентных пульсаций, обладающих наибольшей энергией и имеющих минимальный масштаб 1 :
где V к - коэффициент кинематической вязкости межклонового вещества хлопка ила, м2/с. Тогда
,3/4
Dmd=£тч-Еи4г3=т --a=n , м2/с .(20)
e1/3 V~
,, 4 "т ,,
£т £т.
Таким образом, коэффициент турбулентной диффузии можно в первом приближении принять равным ве-
личине коэффициента кинематической вязкости межклонового вещества хлопка ила D Тогда из (15),(16) и (5) имеем
тд
к
WS АС = ЯутиКэ ,V
дутикэ
аЫб
(21)
Поскольку Vk
Рк '
где m - динамический коэффициент вязкости ность межклонового вещества хлопка ила, кг/м3.
mz=дУтикэ \ рк ас VS
межклонового
вещества хлопка
ила
Па^с; рк
плот-
откуда рк =
АСу SMK
V %тиКэ J
, (22)
С учетом того, что отношение площади
с А
удельной площадью контакта фаз Fm = --- ,
2
контакта фаз А м2/кг имеем
м2 к массе активного ила ши
кг является
(
Рк =
FnpJSpKK
2
, кг/м3 .(23)
v ЦУКэ ,
Анализ формулы (23) показывает, менных значениях параметров Qy; Кэ
что снижение концентрации кислорода С в иловой смеси при неиз-Fm, S; ^к должно сопровождаться снижением плотности хлопка ак-
тивного ила, т.е. повышением величины илового индекса. С другой стороны, повышение концентрации кислорода в иловой смеси должно сопровождаться увеличением плотности ила, т. е. уменьшением величины илового индекса.
О существенном снижении илового индекса при использовании в системах аэрации технического кислорода свидетельствует многочисленный опыт эксплуатации окситенков. Улучшение седиментационных характеристик активного ила позволяет поддерживать концентрацию ила в аэрационном бассейне окситенков на уровне 6-9 г/л, в то время как в аэротенках она не превышает 2-4 г/л [3].
Транспорт кислорода внутрь хлопка активного ила происходит значительно медленнее, чем перенос органического субстрата, так как градиент концентраций кислорода в хлопке на порядок меньше, чем градиент концентраций органического субстрата. При уменьшении концентрации кислорода в иловой смеси хлопок активного ила испытывает острый недостаток кислорода. Адаптационный реакцией на кислородное голодание является увеличение илового индекса и снижение плотности хлопка ила.
Как перегрузка, так и недогрузка активногоилапоорганическим
загрязнениям (помимо прочих фактов) приводит к резкому увеличению илового индекса, называемому «вспуханием» ила и повышенному выбросу его с очищенной водой из вторичных отстойников.
Таким образом, можно рассматривать насыщение иловой смеси кислородом с одновременным ее перемешиванием не только как прием, интенсифицирующий процессы биохимического окисления, но и как способ, позволяющий улучшить седиментационные свойства иловой смеси.
Производственное внедрение технологии перемешивания аэрационного объема аэротенков вихревыми эрлифтными устройствами проводилось на канализационных очистных сооружениях г. Кузнецк-12 Пензенской области производительностью 2800 м3/сут. С целью интенсификации работы аэрационной системы и обеспечения эффективного перемешивания аэрационного объема в аэротенках были установлены вихревые эрлифтные устройства (ВЭУ).
Общий вид ВЭУ представлен на рисунке1.
Биологическая очистка сточных вод на канализационных очистных сооружениях г. Кузнецк-12 осуществлялась в аэротенках-вытеснителях, построенных в соответствии с ТП 902-03-15. Общий вид аэротенка с установленным ВЭУ показан на рисунке 2.
Рисунок! - Общий вид вихревых эрлифтных устройств (ВЭУ)
Рисунок 2 - Общий вид аэротенка с установленнымВЭУ
В связи с уменьшением расхода сточных вод, подаваемых на канализационные очистные сооружения, с проектных 4200 м3/сут до 2800 м3/сут эксплуатировались только две секции блока емкостей из четырех существующих.
Внедрение технологии перемешивания иловой меси вихревыми эрлифтными устройствами на КОС г.Кузнецк-12 позволило повысить эффективность биологической очистки сточных вод и существенно улучшить седиментационные свойства активного ила.
Основной расход сжатого воздуха (90 %) от общего расхода подавался на штатную систему тонкого диспергирования воздуха. Подача 10 % от общего расхода сжатого воздуха на ВЭУ позволила организовать интенсивное перемешивание аэрационного объема, повысить эффективность работы пневматической системы аэрации иснизитьудельный расход воздуха, поступающегов аэротенк, с 8,1 до 6,3 м3/м3. Показатели массообменных характеристик систем аэрации до и после реконструкции представлены в табл. 1.
Таблица 1. Показатели массообменных характеристик систем аэрации до и после проведения реконструкции
Вид системы аэрации Объемный коэффициент массопередачи кислорода в жидкость КЬа, ч-1 Интенсив -ность аэрации J, м3/ (м2 • ч) Удельный расход воздуха, подаваемого в систему аэрации, QyB , м /м Коэффициент использова-ния кислорода воздуха Ки Эффектив-ность системы аэрации Э, кг/(кВт *ч)
Пневматическая система аэрации до реконструкции 6,1 5,8 9,9 0,12 1,9
Комбинированная система аэрации после реконструкции 6,1 4,1 7,0 0,17 2,7
Результаты, полученные от внедрения технологии перемешивания иловой смеси аэротенков на КОС г. Кузнецк-12 Пензенской области, представлены в табл. 2.
Таблица 2. Результаты внедрения технологии перемешивания иловой смеси вихревыми эрлифтными устройствами на КОС г. Кузнецк-12
Концентрация за- Концентрация загряз- Концентрация за-
№ п/п Среднемесячные показатели грязнений в сточных водах, посту- нений в сточных водах на выходе с КОС грязнений в сточных водах на выходе с
пающих на КОС, до реконструкции, КОС после реконст-
мг/л мг/л рукции, мг/л
1 Взвешенные вещества 140 14 10
2 БПКпол 210 17 9
3 ХПК 250 32 25
4 NH + 0,18 2,1 0,6
5 РСф 7 3,2 1,4
6 Иловый индекс, см3/г 170 115
Выводы:
1. Эффективность пневматических систем аэрации аэротенков зависит от продолжительности контакта пузырьков с жидкостью.Повысить продолжительность контакта пузырьков с жидкостью можно за счетувеличения глубины аэротенка или организации режима противотока всплывающего пузырька и нисходящего потока иловой смеси.
2. Вихревое эрлифтное устройство (ВЭУ) позволяет эффективно перемешивать иловую смесь в аэротенках и организовать режим противотока.
3. Технология комбинированной аэрации иловой смеси аэротенков, предусматривающая совместное использование мелкопузырчатых пневматических аэраторов и перемешивающих ВЭУ внедрена на промышленных сооружениях биологической очистки г. Кузнецк-12 Пензенской области производительностью 2800 м3/сут. Внедрение предложенной технологии позволило повысить эффективность пневматической системы аэрации в 1,4 раза, уменьшить иловый индекс со 170 до 115 см3/г, повысить эффективность биологической очистки сточных вод.
ЛИТЕРАТУРА
1. Мешенгиссер, Ю. М. Моделирование процесса массопередачи при аэрации воды/ Ю.М. Мешенгиссер, Ю. Г. Марченко // Водоснабжение и санитарная техника. - № б, 2000.
2. Брагинский, Л. Н. Моделирование аэрационных сооружений очистки сточных вод [Текст]/ Л.Н. Брагинский, М. А. Евилевич. - Л.: Химия, 1980.
3. Яковлев С.В. Водоотведение и очистка сточных вод/ С.В. Яковлев, Я.А. Карелин, Ю.М. Ласков, В.И. Калицун. - М.: Стройиздат, 1996.
4. Кутателадзе, С.Е. Гидродинамика газожидкостных систем / С.Е. Кутателадзе, М.А. Стырикович. - М.: Энергия, 1976.
