CC BY
32
ВЕСТНИК МГСУ
1/2012
УДК 628.3
В.Н. Кульков, Е.Ю. Солопанов
ФГБОУВПО «ИрГТУ»
ВЛИЯНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ НА ОКИСЛИТЕЛЬНУЮ МОЩНОСТЬ АЭРОТЕНКА
Приведены поля скорости течения воды с воздействием на гидродинамическую обстановку в аэротенке направляющей пластиной. Показано, что можно оптимизировать гидродинамику аэротенка с целью увеличения его окислительной мощности.
Ключевые слова: аэротенк, аэратор, активный ил, гидродинамика, поле скорости жидкости, окислительная мощность, направляющая пластина
Воздействуя на газогидродинамику с помощью механических устройств или изменяя геометрию зоны циркуляции в аэротенке, возможно создать оптимальную гидродинамическую обстановку, обеспечивающую равномерную концентрацию ила, и, следовательно, достигнуть максимальной окислительной мощности аэротенка.
Принципиальная схема установки для изучения гидродинамики сточных вод и распределения активного ила в аэрируемых сооружениях, показана на рис. 1.
Установка состоит из модельной ячейки (1), представляющей собой вертикальное поперечное сечение аэротенка, с размерами 0,06x0,77x0,88 м, выполненной из силикатного полированного стекла. Количество воздуха, подаваемого в ячейку компрессором ОМА (2) с мощностью двигателя 1,5 кВт, регулировалось двумя вентилями (3). Мгновенный расход воздуха контролировался ротаметром (4) типа РМ-0,63 ГУЗ, общий расход воздуха за время эксперимента — газосчетчиком ВК-в4 (7), а давление измерялось манометром MTПCq-100 (6). Для измерения температуры воды применялся ртутный термометр (5), с ценой деления 0,1 градуса. Слив жидкости из ячейки происходил через кран (9).
Поля скорости течения жидкости в модели аэротенка изучались по методике, описанной в [1] с использованием метода трассера, основанного на введении в воду частиц, плотность которых одинакова с плотностью воды. Такие метки перемещаются вместе с потоком жидкости, что при использовании видеосъемки в плоскостной двумерной модели позволяет анализировать скорость практически любого элемента жидкости с разложением ее на составляющие по осям координат. Для изучения гидродинамической обстановки в модели аэротенка применяли мелкопузырчатый аэратор шириной 0,058 м, для которого в качестве материала фильтрующей поверхности использовали диспергирующее покрытие мелкопузырчатого аэратора АКВА-ЛАИН производства НПФ «Экополимер».
Из проведенных исследований гидродинамической обстановки в модели аэротенка при боковом расположении мелкопузырчатого аэратора при интенсивности аэрации J = 5,41 м3/(м2-ч) определено существование основного циркуляционного контура по периметру модели, (рис. 2), в котором реализуются скорости течения воды
Рис. 1. Схема установки: 1 — модельная ячейка; 2 — компрессор; 3 — краны для регулирования расхода воздуха и сброса его в атмосферу; 4 — ротаметр; 5 — аэратор; 6 — манометр; 7 — счетчик газа; 8 — термометр; 9 — кран для выпуска воды; 10 — направляющая пластина; 11 — люксметр
~ 0,35...0,65 м/с, и находящейся в центре модели «застойной зоны» с величинами скоростей воды 0,05.0,1 м/с, где происходит коагуляции активного ила в крупные агломераты (рис. 3), что согласуется с литературными данными [2]. Небольшие скорости движения воды не способствуют доставке растворенного кислорода в застойную зону, т.е. окислительная способность этой области аэротенка уменьшается. Размеры этой области составляют ~ 15 % от всей площади поперечного сечения аэротенка и, следовательно, более шестой части его объема выведено из процесса активного окисления органических веществ.
7 см 10 см/с
0 4 20 36 52 68 77 Х,см0 4 20 36 52 68 77 Х.см
Рис. 2. Векторное и скалярное поля скорости течения воды в модели аэротенка при боковом расположении мелкопузырчатого аэратора при интенсивности аэрации У = 5,41 м3/(м2-ч). Скорость течения воды, см/с: А — 5; ▲ — 10; о — 15; • — 20; х — 25; О — 30; ♦ — 35; □ — 40; ■ — 45; ★ — 50; — 55
Для увеличения окислительной мощности аэротенка необходимо уменьшить площадь застойной зоны, интенсифицируя гидродинамическую обстановку в области этой зоны. Этого можно достичь, введя направляющую пластину, расположенную над
аэратором (см. рис. 1). Пластина создает направленное перемещение части потока жидкости, отобранного из основного циркуляционного контура, в область застойной зоны.
Для определения длины, угла наклона и местоположения пластины над мелкопузырчатым аэратором были проведены эксперименты с красящей жидкостью, подаваемой по трубке в центр модели аэротенка.
В результате опытов было установлено, что оптимальная длина пластины, позволяющая устранить застойную зону, составляет 1/3 ширины модели аэротенка. Найдено, что направляющая пластина должна располагаться над аэратором на расстоянии, равном 1/10 высоты модели аэротенка, а направление потока жидкости, отражающегося от нее, должно быть сориентировано в геометрический центр модели аэротенка. На рис. 4 показано наличие застойной зоны и ее отсутствие при оптимальной установке направляющей пластины в модели вертикального поперечного сечения аэротенка при интенсивности аэрации У = 5,41 м3/(м2-ч).
4
Рис. 3. Коагуляция активного ила с образованием крупных хлопьев в центральной части модели аэротенка
ВЕСТНИК МГСУ
1/2012
Рис. 4. Застойная зона и ее отсутствие при установке направляющей пластины в модели аэротенка
Построенные векторное и скалярное поля скорости воды (рнс. 5) с измененной газогидродинамикой в модели аэротенка при боковом расположении мелкопузырчатого аэратора «АКВА-ЛАЙН» при интенсивности аэрации 3 = 5,41 м3/(м2-ч) показывают, что по площади зоны поперечно-вертикального сечения аэротенка скалярное иоле имеет сложную конфигурацию. Оно характеризуется несколькими контурами циркуляции жидкости с вращением, как по часовой, так и против часовой стрелке. Значения скорости жидкости изменяется от 0,1 до 0,6 м/с. Наибольшие численные значения скорости, как и прежде, реализуются по периметру большого циркуляционного контура, а также над верхним концом направляющей пластины.
Рис. 5. Векторное и скалярное поля скорости течения воды с измененной гидродинамикой в модели аэротенка. Скорость течения воды, см/с: ▲ — 10; О — 15; • — 20; х— 25; О — 30; ♦ — 35; □ — 40; ■ — 45; ★ — 50; ^ — 55; О — 60; • — 65
Для построения поля распределения активного ила с измененной гидродинамикой измеряли интенсивность светового потока, проходящего через слой аэрируемой жидкости без ила и с илом в контрольных квадратах размером 40х40 мм модельной ячейки. По разности показаний находили интегральную величину потери интенсивности
светового потока, приходящуюся на активный ил [1]. В опытах использовали маломи-нерализированную ангарскую воду со свежеотобранным активным илом, взятым из вторичных отстойников Левобережных КОС г. Иркутска. Иловый индекс, характеризующий седиментационную способность ила, равнялся 150 см3/г.
Воздействие на гидродинамическую обстановку в модели аэротенка способствовало более равномерному распределению активного ила (рис. 6) по всему объему аэротенка, застойная зона практически исчезла. Наличие двух возникших незначительных застойных зон не превышает ~ 2 % площади поперечного сечения.
Отсутствие застойных зон, в которых происходит коагуляция хлопьев активного ила в большие агломераты, увеличивает окислительную мощность аэротенка в целом и приводит к повышению глубины биологической очистки сточных вод.
Z, см
" 1 2345678 9 10
0 4 20 36 52 68 77 X, см
Рис. 6. Поле распределения активного ила с измененной гидродинамикой в модели аэротенка. Концентрации активного ила, г/л:
□ - 2,5...2,6; □ - 2,6...2,7; □ - 2,7...2,8; 0- 2,8...2,9; ■ - 2,9...3,0; ■ - 3,0...3,1; ■ - 3,1...3,2
Количество газа отбираемого пластиной от газового потока над аэратором не может быть равно 100 %, так как исчезнет основной циркуляционный контур, который поддерживает активный ил во взвешенном состоянии и обеспечивает равномерное распределение кислорода по объему аэротенка. Необходимо определить оптимальное количество отбираемого газа, обеспечивающее уменьшение застойной зоны при поддержании активного ила во взвешенном состоянии. Варьируя отбором газа на направляющую пластину, можно проследить на векторном и скалярном полях количественные и качественные изменения гидродинамической обстановки в вертикальном поперечном разрезе аэротенка.
Для решения этой задачи был проведен ряд экспериментов при интенсивности мелкопузырчатой аэрации J = 4,33 м3/(м2-ч) для различного отбора газа на направляющую пластину в интервалах 8.10, 15.17, 18.20 и 21.23 %, и по их результатам построены векторные и скалярные поля движения жидкости. Количество отобранного газа на пластину определялось с помощью газовой ловушки и газосчетчика ВК-С4.
Оценив площадь застойной зоны (скорости потока воды < 0,1 м/с) в процентах от всей площади вертикального поперечного сечения модели аэротенка, получаем экстремальную зависимость от количества газа направляемого на пластину с минимумом (рис. 7). Полученная зависимость описывается математическим уравнением с величиной достоверности аппроксимации зависимости Я2 = 0,9859
ВЕСТ МГСУ 1/2012
5 = 0,0009д2 - 0,0184д + 0,1493,
где 5 — площадь застойной зоны, %; д — количество газа отбираемого пластиной, %.
На рис. 7 черным квадратиком на оси ординат отмечена величина площади застойной зоны без направляющей пластины над аэратором в модели аэротенка.
Рис. 7. Зависимость площади застойной зоны от количества воздуха подаваемого на направляющую пластину (-) и линия квадратичной апроксимации (---). Интенсивность мелкопузырчатой аэрации J = 4,33 м3/(м2-ч)
Из анализа полученной зависимости делаем два основных вывода: увеличение процента газа, отбираемого пластиной, не должно превышать ~ 20 %; величина отбираемого газа для обеспечения оптимальной гидродинамической обстановки (с точки зрения устранения застойной зоны и увеличения окислительной мощности аэротенка) составляет ~ 11 %.
Библиографический список
1. Газогидродинамическая обстановка и распределение активного ила в сооружениях биологической очистки сточных вод / В.Н. Кульков, Е.Ю. Солопанов, И.В. Евтеева, А.С. Разум // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2008. № 4. С. 48—52.
2. Попкович Г.С., Репин Б.Н. Системы аэрации сточных вод. М. : Стройиздат, 1986. 136 с.
Поступила в редакцию в декабре 2011 г.
Об авторах: Кульков Виктор Николаевич — доктор технических наук, профессор, кафедра инженерных коммуникаций и систем жизнеобеспечения, Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, офис 111 А, 8-(3952)-405-142, [email protected];
Солопанов Евгений Юрьевич — кандидат технических наук, доцент кафедры информатики, Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, офис 111 А, 8-(3952)-40-52-79, [email protected].
Для цитирования: Кульков В.Н., Солопанов Е.Ю. Влияние гидродинамики на окислительную мощность аэротенка // Вестник МГСУ. 2012. № 1. С. 122—127.
V.N. Kulkov, E.U. Solopanov
HYDRODYNAMICS INFLUENCE ON OXIDATIVE CAPACITY OF AERATION BASIN
The velocity fields of water flow to the impact on the hydrodynamic conditions in the aeration basin by the guide plate. It is shown that one can optimize the hydrodynamics of the aeration basin in order to increase its oxidative capacity.
Key words: aeration basin, aeration, activated sludge, hydrodynamic conditions, field of liquid velocity, oxidative capacity.
References
1. Kulkov V.N., Solopanov E.U., Evteeva I.V., Razum A.C. Gazogidrodinamicheskaja obstanov-ka i raspredelenie aktivnogo ila v sooruzhenijah biologicheskoj ochistki stochnyh vod [Gas hydrodynamic conditions and activated sludge distribution in installations for biological treatment of stewage waters]. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta [Bulletin of ISTU], 2008, no 4, Pp. 48—52.
2. Popkovich G.S., Repin B.N. Sistemy ajeracii stochnyh vod [The aeration systems of wastewater], Moscow, Strojizdat, 1986. 136 p.
A b o u t a u t h o r s: Kulkov Viktor Nikolaevich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Engineering Services and Life Support systems, Irkutsk State Technical University, of. 111A, 83, Lermontov Street, Irkutsk, 664074, Russia, +7-(3952)-40-51-42, [email protected];
Solopanov Evgenij Jurjevich — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Computer Sciences, Irkutsk State Technical University, of. 111A, 83, Lermontov Street, Irkutsk, 664074, Russia, +7-(3952)-40-52-79, [email protected].
F o r c i t a t i o n: Kul'kov V.N., Solopanov E.Ju. Vlijanie gidrodinamiki na okislitel'nuju moshhnost' ajero-tenka [Hydrodynamics influence on oxidative capacity of aeration basin]. Vestnik MGSU [Proceedings of the Moscow State University of Civil Engineering], 2012, no 1, Pp.122—127.
