Интенсификация работы канализационных очистных сооружений с использованием диспергированных водовоздушных смесей

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Интенсификация работы канализационных очистных сооружений с использованием диспергированных водовоздушных смесей

Специальность 05.23.04 - Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Андреев Сергей Юрьевич

Пенза 2007

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства»

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Гришин Борис Михайлович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Стрелков Александр Кузьмич;

доктор технических наук, профессор Журба Михаил Григорьевич;

доктор технических наук, профессор Залётова Нина Анатольевна

Ведущее предприятие: Научно-производственная фирма «Экополимер»

Защита состоится « » ____________ 2007 г. в ________ часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.184.02 при ГОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства» по адресу: 440028, г. Пенза, ул. Г. Титова, 28, корпус 1, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале библиотеки Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства».

Автореферат разослан « » __________ 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Т.В. Алексеева

канализационный очистной водовоздушный вихревой

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Сброс бытовых и промышленных сточных вод в открытые водоемы является существенным фактором, приводящим к ухудшению их состояния. Масштабы антропогенного воздействия в настоящее время превысили допустимые границы, обусловленные способностью водоемов к самоочищению. Это привело к увеличению в водоисточниках фоновых значений как общего содержания органических веществ, так и отдельных токсичных компонентов. Актуальность проблемы загрязнения поверхностных водоемов сточными водами связана не только с природоохранными и рыбохозяйственными целями, но и с необходимостью преодоления больших трудностей, возникающих в процессе водоподготовки для питьевого и промышленного водоснабжения из загрязненных и эвтрофированных водоемов.

Российские требования к качеству сточных вод, сбрасываемых в водоем, являются одними из наиболее жестких в мире. Так, например, требования к качеству сточных вод, сбрасываемых в открытые водоемы, стран членов ЕС по БПК и взвешенным веществам составляют 15-20 и 20-30 мг/л, а для России соответственно 3-6 и 6-15 мг/л. Жесткие требования, предъявляемые к качеству сточных вод, существуют на фоне ограниченных финансовых возможностей предприятий, имеющих на своем балансе очистные сооружения. Все это обусловливает необходимость применения новых технологических и конструкторских решений в области очистки сточных вод.

Во многих технологических схемах очистки хозяйственно-бытовых и производственных сточных вод, связанных с процессами перемешивания, аэрации и флотации используются гетерогенные динамические системы вода-воздух.

В настоящее время назрела необходимость применения энергосберегающих технологий и аппаратов для получения гетерогенных водовоздушных систем, которые не требуют существенных затрат при реконструкции очистных сооружений и позволяют значительно интенсифицировать процессы механической и биологической очистки сточных вод. Новое технологическое оборудование должно быть простым в изготовлении, встраиваться в существующие типовые решения очистных станций без значительных капитальных и эксплуатационных затрат.

Таким образом, разработка высокоэффективных и экономичных технологий интенсификации работы канализационных очистных сооружений с использованием диспергированных водовоздушных смесей является весьма актуальной проблемой.

Как показали исследования, такие технологии могут быть реализованы с помощью вихревых аппаратов, в которых предусматривается обработка турбулентного потока водовоздушной смеси в неоднородном электрическом поле.

Работа проводилась в соответствии с комплексной Федеральной целевой программой «Экология и природные ресурсы России» (2002-2010 гг.) и «Программой социально-экономического развития Пензенской области на 2002-2010 гг.».

ЦЕЛЬ РАБОТЫ - научное обоснование и разработка энергосберегающих технологий интенсификации работы сооружений очистки производственных и бытовых сточных вод с использованием диспергированых водовоздушных смесей, полученных в вихревых аппаратах.

Для достижения поставленной цели оказалось необходимо решить следующие основные задачи:

· теоретическое обоснование эффективности использования диспергированных водовоздушных смесей, полученных при воздействии на них повышенной турбулентности и неоднородного электрического поля в вихревых аппаратах для интенсификации механической и биологической очистки сточных вод;

· проведение экспериментальных исследований и анализ работы вихревых аппаратов различных конструкций для получения диспергированных водовоздушных смесей;

· проведение экспериментальных исследований технологий интенсификации работы канализационных очистных сооружений с использованием диспергированных водовоздушных смесей, полученных в вихревых аппаратах;

· промышленное внедрение новых энергосберегающих технологий интенсификации работы канализационных очистных сооружений с использованием диспергированных водовоздушных смесей;

· разработка научно обоснованных методик расчета и рекомендаций по проектированию предлагаемого аппаратурного оформления новых технологий интенсификации работы канализационных очистных сооружений;

· расчет технико-экономического обоснования эффективности использования предлагаемых технологий с использованием аппаратов для создания диспергированных водовоздушных смесей.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА исследований заключается в следующем:

- разработаны теоретические модели, описывающие процессы диффузии кислорода в воду из всплывающих воздушных пузырьков, установлены термодинамические условия, определяющих их устойчивость и дробление;

- на основе термодинамического подхода получены теоретические модели, описывающие процессы работы водовоздушных перемешивающих устройств;

- теоретически обоснована и экспериментально доказана эффективность использования вихревых аппаратов с наложением электрического потенциала для получения водовоздушной смеси необходимого дисперсного состава и газонасыщения для интенсификации процессов механической и биологической очистки сточных вод;

- определены оптимальные условия проведения процесса флотационной очистки производственных сточных вод с использованием диспергированных в неоднородном электрическом поле турбулентных водовоздушных смесей;

- разработан новый метод интенсификации работы мелкопузырчатой пневматической системы аэрации, предусматривающий дополнительное перемешивание аэрационного объёма и создание эффекта противотока за счет вихревых эрлифтных потоков;

- получены эмпирические зависимости, адекватно описывающие повышение эффективности механической и биологической очистки сточных вод в результате предварительной обработки вихревого потока их смеси с воздухом и активным илом;

- определены закономерности повышения ферментативной активности возвратного ила аэротенков в результате обработки его смеси с воздухом в неоднородном электрическом поле;

- разработаны технологические и конструктивные решения энергосберегающего оборудования, используемого для получения диспергированных водовоздушных смесей, обеспечивающих интенсификацию работы сооружений очистки хозяйственно-бытовых и производственных сточных вод.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ работы заключается в создании, апробировании и внедрении в Поволжском регионе технологий и оборудования для получения диспергированных водовоздушных смесей, используемых в целях интенсификации работы канализационных очистных сооружений, отличающихся, экономичностью, простотой изготовления и эксплуатации.

Предложена и апробирована в промышленных условиях новая высокоэффективная технология флотационной очистки мазутосодержащих сточных вод ТЭЦ с использованием тонкодиспергированных водовоздушных смесей;

Предложена и апробирована в промышленных условиях комбинированная технология аэрирования иловой смеси аэротенков, предусматривающая совместное использование мелкопузырчатых пневматических аэраторов и перемешивающих вихревых эрлифтных устройств (ВЭУ);

Разработана и доведена до стадии практической реализации технология предварительной обработки городских сточных вод в вихревых гидродинамических устройствах (ВГДУ);

Предложена и апробирована на промышленных очистных сооружениях технология активации потока возвратного ила аэротенков путем утилизации его избыточной энергии при последовательной обработке в эжекторе и электрогидродинамическом устройстве (ЭГДУ);

Разработаны рекомендации по проектированию и расчету аппаратурного оформления технологических схем интенсификации работы канализационных очистных сооружений, предусматривающих использование диспергированных водовоздушных смесей.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ. Разработанные автором новые технологии интенсификации работы канализационных очистных сооружений внедрены на ряде объектов в Пензенской и Самарской областях. В частности:

· Технология тонкого диспергирования водовоздушной смеси внедрена на участке флотационной очистки замазученного стока ТЭЦ-1 г. Пензы производительностью 1200 м³/сут. Среднегодовой экономический эффект от внедрения предлагаемой технологии составил 1,9 млн. руб. в ценах 2007 года.

· Комбинированная технология аэрирования иловой смеси аэротенков внедрена на канализационных очистных сооружениях г. Каменка Пензенской области, производительностью 8700 м³/сут. Среднегодовой экономический эффект от внедрения составил 0,22 млн. руб. в ценах 2007 года.

· Технология предварительной обработки городских сточных вод в вихревых гидродинамических устройствах с добавлением избыточного активного ила внедрена на канализационных очистных сооружениях г. Сердобска Пензенской области, производительностью 17000 м³/сут. Среднегодовой экономический эффект от внедрения составил 0,5 млн. руб. в ценах 2007 года.

· Технология активации потока возвратного ила аэротенков путем утилизации его избыточной энергии внедрена:

- на канализационных очистных сооружениях г. Тольятти Самарской области производительностью 290000 м³/сут. Среднегодовой экономический эффект от внедрения составил 13,5 млн. руб. в ценах 2007 года;

- на канализационных очистных сооружениях г. Заречного Пензенской области производительностью 30000 м³/сут. Среднегодовой экономический эффект от внедрения составил 2,2 млн. руб. в ценах 2007 года.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ:

- результаты теоретических и экспериментальных исследований технологических процессов получения диспергированных водовоздушных смесей и их использования для интенсификации работы канализационных очистных сооружений;

- энергосберегающие технологии интенсификации работы очистных сооружений с использованием процесса диспергирования водовоздушных смесей в вихревых аппаратах;

- конструктивные решения аппаратов и оборудования для предлагаемых технологий получения водовоздушных смесей;

- методики расчета и рекомендации по проектированию аппаратурного оформления предлагаемых технологий интенсификации работы канализационных очистных сооружений;

- технико-экономический анализ предлагаемых технических решений, позволяющих интенсифицировать работу канализационных очистных сооружений.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ И ПУБЛИКАЦИИ. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 16 международных и всероссийских конференциях в гг. Пензе, Томске, Кемерово, Тюмени.

По теме диссертации опубликованы семь монографий, более 80 работ в научно-технических журналах и трудах конференций, (в том числе 12 статей в журналах, рекомендованных ВАК). Получены 3 патента, подтверждающие новизну научно-технических решений.

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА. Вклад автора в получении научных результатов состоял в непосредственном руководстве всеми этапами работ (постановка задачи, проведение исследований и производственных испытаний, обработка, анализ и обсуждение полученных результатов).

Диссертант участвовал во внедрении всех разработанных им технологий интенсификации очистки сточных вод на объектах коммунального хозяйства и промышленности на стадии проектирования, изготовления оборудования, монтажа и проведения пуско-наладочных работ.

Под руководством автора по теме диссертационной работы были подготовлены и успешно защищены девять диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук.

ОБОСНОВАННОСТЬ И ДОСТОВЕРНОСТЬ ПОЛУЧЕННЫХ ПОЛОЖЕНИЙ, ВЫВОДОВ И РЕКОМЕНДАЦИЙ. Достоверность полученных результатов оценена с помощью современных математических методов обработки экспериментов. Научные положения работы построены на результатах анализа обширных технологических экспериментов, проведенных в лабораторных и промышленных условиях. При постановке экспериментов были использованы современные общепринятые методики, оборудование и приборы. Экспериментальные данные, полученные на моделях, соответствуют результатам, полученным при промышленном внедрении.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация изложена на 320 страницах машинописного текста, содержит 19 таблиц, 117 рисунков и состоит из введения, 7 глав, основных выводов, библиографического списка использованной литературы, включающего 241 названия и приложений.

Автор выражает благодарность и глубокую признательность заведующему кафедрой информационно-вычислительных технологий Пензенского ГУАС доктору химических наук, профессору А.Н. Кошеву за полезные советы и помощь, оказанную при выполнении диссертационной работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность проведения исследований по теме диссертационной работы, сформулирована цель и дана общая характеристика работы.

В первой главе представлен аналитический обзор современных технологий очистки сточных вод, предусматривающих использование водовоздушных смесей. Анализ экспериментальных данных, полученных отечественными и зарубежными исследователями, показал, что наличие и характер процессов перемешивания сточных вод оказывают значительное влияние на эффективность их последующей механической и биологической очистки. Показано, что из многих применяемых способов макромасштабного и микромасштабного перемешивания сточных вод наиболее экономичным, технологически эффективным и универсальным является гидропневматический способ, при котором перемешивание стоков осуществляется заранее подготовленной водовоздушной смесью с заданным дисперсным составом воздушных пузырьков.

Так как на большинстве сооружений очистки хозяйственно-бытовых и производственных сточных вод применяется низконапорное оборудование (насосы, воздуходувки), то для получения водовоздушных смесей требуемой дисперсности и газонасыщения наиболее целесообразным является использование компактных и простых в изготовлении вихревых аппаратов, обеспечивающих наибольшую степень утилизации энергии при турбулизации водовоздушных потоков. Приведены рекомендуемые значения критериев Фруда и Кемпа при работе вихревых аппаратов для создания диспергированных водовоздушных смесей, а также обоснованы конструктивные решения при проектировании таких устройств.

Рассмотрено влияние электрического потенциала на процесс диспергирования водовоздушных смесей.

Показано, что в ряде случаев при механической и биологической очистке сточных вод воздействие постоянного электрического потенциала на предварительно создаваемую водовоздушную смесь приводит к существенному увеличению эффекта очистки сточных вод.

Во второй главе приводится анализ теоретических основ процессов очистки сточных вод с использованием водовоздушных смесей. На основании полученных уравнений энергетического баланса дается определение условий обеспечения устойчивости и диспергирования водовоздушных пузырьков в водной среде. Использование данных условий на стадиях расчета и проектирования вихревых аппаратов позволяет создавать конструкции, обеспечивающие получение водовоздушных смесей требуемого дисперсного состава и газонасыщения. Рассматриваются режимы всплывания одиночного пузырька в жидкости с учетом изменения его основных геометрических характеристик.

Одним из основных свойств пузырька воздуха является дисперсность (раздробленность) - признак, связанный с его размерами и геометрией. Вводятся следующие понятия, характеризующие степень дисперсности пузырька:

1. Линейный размер пузырька d_п. Поскольку поперечный разрез пузырька всегда представляет собой круг, за его линейный размер принимается диаметр поперечного сечения d_п, имеющего наибольшую площадь f_п.

2. Дисперсный размер пузырька _п - отношение объема пузырька W_п к площади его поверхности S_п.

3. Коэффициент дисперсности К_д - отношение линейного размера пузырька d_п к его дисперсному размеру _п.

4. Коэффициент формы пузырька К_ф - отношение площади поверхности пузырька S_п к площади его поперечного сечения f_п.

Анализ зависимости скорости свободного всплывания v_п воздушного пузырька от диаметра (линейного размера) d_п позволил выделить следующие режимы.

1. Режим ламинарного всплывания пузырька воздуха. Пузырек воздуха при данном режиме всплывания сохраняет шарообразную форму. Диаметр пузырька воздуха на верхней границе ламинарного режима всплывания имеет значение d_п = 0,13210-³ м, скорость всплывания при этом v_п = 0,0082 м/с.

2. Режим ламинарного всплывания пузырька воздуха со скользящим пристеночным слоем. В отличие от твердой сферы в рассматриваемом режиме для пузырька воздуха сохраняется закон Стокса, наблюдается эффект проскальзывания, обусловленный подвижностью наружных слоев поверхности пузырька. Диаметр пузырька воздуха на верхней границе рассматриваемого режима d_п = 0,5·10-³ м, скорость всплывания v_п = 0,135 м/с (точка 2 рис. 1).

3. Переходный режим всплывания пузырька воздуха со скользящим пристеночным слоем.

Диаметр пузырька воздуха на верхней границе переходного режима всплывания d_п = 1,37·10-³ м, скорость всплывания v_п = 0,37 м/с. В рассматриваемом режиме скорость всплывания пузырька воздуха может быть определена по уравнению v_п = 273,3d_п, м/с.

Рис. 1. Зависимость коэффициента дисперсности Kд (А) и коэффициента формы Kф (Б) пузырька воздуха от его диаметра dп

4. Турбулентный режим всплывания пузырька воздуха. При турбулентном режиме равенство действующих на пузырек воздуха сил сохраняется, но равномерное сжатие его поверхности уже не может скомпенсировать действие увеличивающейся силы Архимеда, вследствие чего происходит деформация пузырька, сфера сплющивается и превращается в сфероид. Изменение формы пузырька приводит к увеличению коэффициента гидравлического сопротивления . Возросшее сопротивление изменившейся формы сплющенного пузырька воздуха обусловливает уменьшение скорости всплывания v_п. Анализ фотографий всплывающих пузырьков в воде при температуре воды Т = 20 С позволил получить зависимости изменения коэффициентов дисперсности К_д и формы К_ф от диаметров пузырьков воздуха приведенные на рис.1. При турбулентном режиме всплывания скорость пузырька воздуха может быть определена по уравнению м/с, коэффициент дисперсности - по уравнению ; коэффициент формы - по уравнению . Диаметр пузырька воздуха на верхней границе турбулентного режима всплывания d_п = 510-³ м, скорость всплывания v_п = 0,21 м/с (точки 4, рис. 1).

5. Турбулентное всплывание пузырька воздуха в области автомодельности режима движения. В рассматриваемом режиме всплывания пузырька воздуха прекращается его деформация, что обусловливает постоянство значений коэффициента формы К_ф = 2,27 = const (см. рис. 1) и коэффициента гидравлического сопротивления . Изменение коэффициента дисперсности в соответствии с уравнением обусловливает отклонение от квадратичного закона изменения скорости всплывания пузырька воздуха. В рассматриваемом режиме всплывания скорость пузырька воздуха может быть определена по уравнению .

Анализ закономерностей изменения скоростей всплывания пузырьков при увеличении их диаметров позволил выдвинуть предположение о взаимосвязи режимов всплывания пузырьков с режимами массопередачи кислорода воздуха в жидкость. В общем виде кинетику массопередачи кислорода воздуха в воду из всплывающего пузырька принято описывать уравнением:

, (1)

где - скорость массопередачи, кг/с; К_L - коэффициент массопередачи границы раздела фаз пузырек-жидкость (пленочный коэффициент массопередачи), м/с; А - площадь раздела фаз газ-жидкость, м²; С_н - концентрация насыщения газом жидкости, кг/м³; С - концентрация растворенного газа в жидкости, кг/м³.

Теория псевдостационарной молекулярной диффузии Льюиса-Уитмена рассматривает процесс массопередачи с поверхности псевдотвердого сферического пузырька воздуха, что соответствует ламинарному режиму всплывания пузырьков диаметром менее d_п = 0,123•10-³ м. В соответствии с теорией Льюиса-Уитмена пленочный коэффициент массопередачи может быть определен по формуле , м/с; где D_сд - коэффициент псевдостационарной диффузии, м²/с; y - толщина границы раздела фаз «газ-жидкость», м.

Пленочная теория Хигби (теория «пенетрации»: теория «проницания») рассматривает процесс нестационарной молекулярной диффузии через скользящую «обновляющуюся» в процессе всплывания пузырька границу раздела фаз. Условия, положенные в основу теории Хигби, обеспечиваются при ламинарном режиме всплывания пузырьков воздуха со скользящим пристеночным слоем и переходном режиме всплывания пузырьков воздуха, имеющих диаметры d_п = 0,123·10-³…1,37·10-³ м.

В соответствии с теорией Хигби пленочный коэффициент массопередачи может быть определен по формуле: , где D_нд - коэффициент нестационарной молекулярной диффузии, значение которого отлично от значения D_сд, м²/с.

В теории П.В. Данквертса рассматривается процесс непрерывного обновления поверхности деформированного воздушного пузырька под действием образующихся на ней турбулентных вихрей. Активное образование турбулентных вихрей возможно лишь в режимах турбулентного всплывания деформированных пузырьков воздуха, имеющих диаметр более чем 1,37·10-³ м. В соответствии с теорией П.В. Данквертса пленочный коэффициент массопередачи может быть определен по формуле: , где D_тд - коэффициент турбулентной диффузии, значение которого отлично от значений D_сд и D_нд, используемых Льюисом-Уитменом и Хигби, м²/с; S - фактор обновления, величина, обратная времени полного обновления поверхности пузырька воздуха, с-¹.

В своей теории П.В. Данквертс не приводит какого-либо конкретного подхода для определения величины фактора обновления поверхности границы раздела фаз.

Было предложено определять S как отношение секундной работы, совершаемой силами гидродинамического сопротивления А_гс, к поверхностной энергии пузырька воздуха Е_Д:

; ,

где - сила гидродинамического сопротивления, Н; - расстояние, м, на которое перемещается пузырек воздуха за время, , с; _п - коэффициент поверхностного натяжения, Дж/м².

Тогда

. (2)

Поскольку при турбулентном всплывании пузырька воздуха устанавливается режим динамического равновесия действующих на него сил: силы Архимеда F_А; силы гидродинамического сопротивления F_го; силы поверхностного натяжения F_пн (F_Ар = F_гс = F_пн), то по аналогии с выражением (2) фактор S также может быть определен по формулам:

; (3)

. (4)

Таким образом, с учетом формулы (4), пленочный коэффициент массопередачи для турбулентных режимов всплывания деформированных пузырьков воздуха может быть определен по формуле:

. (5)

В отличие от формулы Хигби , описывающей процесс массопередачи в режимах всплывания сферических пузырьков воздуха со скользящим приграничным слоем формула (5) учитывает изменение геометрии поверхности пузырьков воздуха в процессе их деформации (дополнительно учитывается коэффициент дисперсности К_д), вследствие чего ее использование будет более корректно при описании массопередачи в турбулентных режимах всплывания деформированных пузырьков воздуха.

Во второй главе приводится вывод уравнений для определения коэффициента истощения концентрации кислорода в воздухе внутри пузырька в процессе его всплывания К_ги и для определения коэффициента использования кислорода К_и:

; (6)

, (7)

где - объемный коэффициент массопередачи одиночного пузырька воздуха, с-¹; - абсорбционная константа Бунзена; ДТ_п - продолжительность всплывания пузырька воздуха, с; ДС_п - изменение концентрации кислорода в воздухе внутри пузырька за время его всплывания, кг/м³; С_кв - концентрация кислорода в воздухе, кг/м³.

Во второй главе также дается анализ процесса барботирования как способа перемешивания жидкости. Приводится вывод системы уравнений, описывающих работу перемешивающих эрлифтных устройств. Рассматривается положительное влияние, которое оказывает пневматическое перемешивание на различные технологические процессы очистки воды. Достигаемый эффект объясняется одновременным протеканием по крайней мере четырех процессов: 1) специфическим механическим перемешиванием воды всплывающими пузырьками воздуха; 2) образованием границы раздела фаз (газ-жидкость), обладающей избыточной поверхностной энергией и выступающей в роли катализатора происходящих процессов; 3) десорбцией (отдувкой) из воды летучих соединений; 4) насыщением воды кислородом воздуха, приводящим к повышению уровня Еh и снижению электрокинетического потенциала содержащихся в воде примесей.

Специфические процессы, связанные с барботированием жидкости, позволяют получить усреднение ее характеристик не только на макроуровне (процесс макросмешения), но и достичь выравнивания концентраций реагирующих веществ на микроуровне (процесс микросмешения).

Приводится анализ теоретических основ очистки сточных вод методом напорной флотации. Рассматриваются теоретические модели процесса флотации инерционных и безынерционных дисперсных частиц, полученные с использованием термодинамического и кинетического подхода. Выводится критерий флотируемости дисперсной частицы всплывающим пузырьком воздуха, позволяющий предсказать возможность образования флотокомплекса «дисперсная частица - пузырек воздуха» в «дальнем» или «ближнем» энергетическом минимуме.

Анализируется процесс выделения пузырьков из пересыщенной газом жидкости, имеющий две стадии: 1) возникновения зародышей пузырьков газа; 2) роста образовавшихся зародышей. Первая стадия протекает с увеличением энергии Гиббса системы и поэтому термодинамически затруднена. Вторая стадия проходит самопроизвольно со значительным убыванием энергии Гиббса. С ростом величины пересыщения жидкости газом происходит не только увеличение количества зародышей, но и существенное увеличение диаметра образовавшихся пузырьков, вследствие их изотермического расширения за счет диффузии газа из пересыщенного раствора. При увеличении пересыщения жидкости степень дисперсности водовоздушной смеси уменьшается. Уменьшение отношения диаметра флотируемой частицы d_ч к диаметру образовавшегося пузырька воздуха d_п приводит к снижению коэффициента эффективности захвата Е и снижению эффекта очистки методом напорной флотации.

Увеличение степени газонасыщения флотационного объема положительно влияет на процесс флотации, а увеличение среднего радиуса образующихся пузырьков воздуха - отрицательно. Противоположное влияние этих двух факторов приводит к тому, что эффективность процесса напорной флотации будет иметь максимум при некотором определенном значении пересыщения жидкости.

Технология диспергирования водовоздушной смеси в процессе ее обработки в неоднородном электрическом поле позволяет устранить противоречия, присущие методу напорной безреагентной флотации, получить мелкодисперсную водовоздушную смесь при высоком коэффициенте газонасыщения и повысить эффективность флотационной очистки сточных вод.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям технологии получения тонкодиспергированной водовоздушной смеси.

Рассматриваются теоретические основы процесса диспергирования газожидкостной смеси под действием турбулентных пульсаций в трубчатом гидродинамическом устройстве с закрученным потоком.

Поскольку энергия турбулентных пульсаций (диссипация энергии) имеет минимальное значение в ядре потока, возрастает при удалении от него, и достигает максимального значения в пристеночных областях потока, трубчатые гидродинамические устройства, в которых создаются потоки жидкости, имеющие большие значения окружных скоростей в пристеночных областях, должны позволить получить более тонкодисперсные водовоздушные смеси.

Были изучены два способа создания вращательно-поступательного движения жидкости: 1) закручивание потока за счет тангенциальной подачи жидкости в вихревую камеру через прямоугольную щель; 2) закручивание потока за счет подачи жидкости в камеру входа (соосно устанавливаемую на вихревой камере и имеющую больший диаметр) через тангенциально присоединенный к ней патрубок, имеющий диаметр, равный диаметру вихревой камеры.

Для создания вращательно-поступательного движения жидкости по первому способу использовались вихревые гидродинамические устройства: № 1 с геометрическим коэффициентом К_г1 = 3 (геометрический коэффициент отношение площади входного патрубка F_вп к площади тангенциальной щели F_тщ); № 2 с К_г1 = 5; № 3 с К_г1 = 7.

Для создания вращательно-поступательного движения жидкости по второму способу использовались вихревые гидродинамические устройства: №1 с геометрическим коэффициентом К_г2 = 3 (геометрический коэффициент отношение диаметра камеры входа D_кв к диаметру вихревой камеры d_вк); № 2 с К_г2 = 5; № 3 с К_г2 = 7.

Изучалось влияние параметров потока во входном патрубке (средняя скорость потока v_вх и давление р_вх) на параметры потока в вихревой камере: напор в пристеночной Н_п и осевой Н_о областях, угол закрутки потока .

Угол закрутки потока , определяющий соотношение окружной скорости v_ок и осевой (поступательной) скорости v_ос в пристеночной области , в соответствии с рекомендациями профессора С.С. Кутателадзе принимался равным углу, образующемуся на выходе из вихревой камеры линиями распыления с осью потока.

В гидродинамических устройствах с щелевым тангенциальным входом наблюдалось значительно большее вакуумметрическое давление на оси потока (P_вo до 0,7210⁴ Па), чем в гидродинамических устройствах с камерой входа (P_вo до 0,210⁴ Па). Гидродинамические устройства с камерой входа позволили получить большее вакуумметрическое давление в пристеночной области (P_вп до 0,1610⁴ Па), чем гидродинамические устройства с тангенциальным щелевым входом (P_вп до 0,110⁴ Па). Величина отношения вакуумметрических давлений в центральной и пристеночной областях в вихревых камерах гидродинамических устройств с щелевым тангенциальным входом () значительно превышает аналогичный показатель вихревых камер гидродинамических устройств с камерой входа () При увеличении осевой скорости v_ос с 1 до 3 м/с разряжение в осевой области вихревых камер гидродинамических устройств с щелевым входом увеличивается в 2,1-2,4 раза; а в вихревых камерах гидродинамических устройств с камерой входа в 1,1-1,2 раза. При увеличении осевой скорости v_ос в вихревых камерах гидродинамических устройств с щелевым тангенциальным входом с 1 до 3 м/с, угол закрутки потока увеличивается с 16 до 39, а в вихревых камерах гидродинамических устройств с камерой входа с 31 до 43.

Проведенные исследования показали, что гидродинамические устройства с камерой входа позволяют достичь больших значений окружных скоростей v_ок в пристеночных областях вихревых камер, чем устройства с тангенциальным щелевым входом.

Обработка экспериментальных данных позволила получить следующие математические модели, описывающие изменение угла закрутки потока при увеличении осевой скорости v_ос от 1 до 3 м/с; для гидродинамических устройств с тангенциальным щелевым входом и для гидродинамических устройств с камерой входа.

Экспериментальные исследования технологии диспергирования водовоздушной смеси, образующейся после высоконапорного газожидкостного эжектора, проводились с использованием гидродинамических устройств № 2 с тангенциальным щелевым входом и камерой входа. Вихревая камера (ствол электрогидродинамического устройства) (ЭГДУ) в обоих случаях имела общую длину 1 м и была разделена диэлектрическими муфтами на катодные и анодные участки. Диаметр вихревой камеры d_вх = 20 мм. Коэффициент газосодержания водовоздушной смеси - отношение объема, занимаемого воздухом W_в, м³, к общему объему смеси W_с, м³, поддерживался на уровне = 0,4. Средняя осевая скорость движения водовоздушной смеси по стволу ЭГДУ поддерживалась на уровне v_ос = 1,4 м/с. К изолированным участкам ствола ЭГДУ от выпрямительного устройства подводился электропотенциал 12 В. Обработанная в ЭГДУ водовоздушная смесь пропускалась через две воздухоотделительные колонны. Из нисходящего потока водовоздушной смеси, проходящего первую воздухоотделительную колонну, имеющую диаметр 50 мм, отделялись пузырьки воздуха, имеющие диаметр более d_п = 0,5·10-³ м, на второй воздухоотделительной колонне, имеющей диаметр 300 мм, отделялись пузырьки воздуха, имеющие диаметр более d_п = 0,1·10-³ м.

При отсутствии поляризации ствола ЭГДУ в водовоздушной смеси на выходе из устройства с тангенциальным щелевым входом суммарный объем пузырьков диаметров менее 0,5•10-³ м составляет около 1%, а в устройстве с камерой входа около 3 % от общего объема водовоздушной смеси. Пузырьки диаметром менее 0,1•10-³ м на ЭГДУ без электрической поляризации ствола получить не удалось. Наложение электрического потенциала 12В на ствол ЭГДУ позволило существенно повысить степень дисперсности водовоздушной смеси. При положительной поляризации двух участков ствола ЭГДУ длиной 400 мм каждый суммарный объем пузырьков диаметром менее 0,1•10-³ м в водовоздушной смеси на выходе из устройства с тангенциальным щелевым входом составлял 3 %, а на выходе из устройства с камерой входа 5 % от общего объема водовоздушной смеси.

При отрицательной поляризации двух участков ствола ЭГДУ длиной 400 мм каждый суммарный объем пузырьков диаметром менее 0,1•10-³ м в водовоздушной смеси на выходе из устройства с тангенциальным щелевым входом составлял 5 %, а на выходе из устройства с камерой входа 9 % от общего объема водовоздушной смеси.

Проведенные исследования показали, что ЭГДУ с камерой входа и отрицательной поляризацией участков ствола, имеющих большую длину, является эффективным устройством, позволяющим получить тонкодисперсную водовоздушную смесь для флотационной очистки сточных вод.

В четвертой главе приводятся результаты теоретических и экспериментальных исследований комбинированной системы аэрации аэротенков с перемешиванием аэрационного объема вихревым эрлифтным устройством. Рассматриваются теоретические основы процесса перемешивания жидкости эрлифтными устройствами. Анализируются характеристики эрлифтных устройств работающих в статическом режиме, при котором пузырьки воздуха всплывают в неподвижном слое жидкости и динамическом режиме, предусматривающим всплывание пузырьков в движущемся слое жидкости.

Основными характеристиками режима работы эрлифтного устройства являются: коэффициент газосодержания водовоздушной смеси , определяемый как отношение объема эрлифтной зоны, занимаемой газом W_г, м³, к общему объему эрлифтной зоны W_э, м³, приведенная скорость газа или интенсивность барботирования J_э, м/с, определяется как отношение расхода, подаваемого в эрлифт воздуха Q_в, м³/ч, к площади поперечного сечения эрлифтной зоны F_э, м²; относительное время - отношение времени пребывания в эрлифтной зоне газа Т_г, с, к времени пребывания в эрлифтной зоне жидкости Т_ж, с; относительный расход - отношение объемного расхода, проходящего через эрлифт газа Q_г (м³/с), к расходу перекачиваемой через эрлифт жидкости Q_ж, м³/с.

В четвертой главе приводится вывод замкнутых систем уравнений, описывающих работу эрлифтного устройства в статическом и динамическом режимах. В результате экспериментальных исследований процесса работы перемешивающего эрлифтного устройства было установлено, что приведенная скорость движения жидкости v_ж и коэффициент газосодержания водовоздушной смеси могут быть определены по эмпирическим уравнениям:

. (8)

Экспериментальные исследования процессов перемешивания и аэрации воды с использованием вихревого эрлифтного устройства проводились на установке, включающей в себя: компрессор, ротаметр, запорную арматуру, трубчатый аэратор «Аква-лайн», вихревое эрлифтное устройство, бак с водой.

Тангенциально присоединенные к стволу вихревого эрлифтного устройства (ВЭУ) выпускные патрубки обеспечивали создание вращательного движения жидкости. Окружные скорости потока жидкости в придонных слоях при приведенной скорости подачи газовой фазы в ствол эрлифта J_э = 0,16 м/с имели значения v_од = 0,05-0,11 м/с, скорость нисходящего потока жидкости в пристеночных областях достигала величины v_нп = 0,14 м/с.

Определение зависимости величины объемного коэффициента массопередачи кислорода К_La от интенсивности аэрации производилось по стандартному методу переменного дефицита кислорода в воде.

В начале производилось обескислороживание воды с последующим повышением концентрации растворенного кислорода в процессе аэрации с заданной интенсивностью аэрирования J, м³/(м²•с). Обескислороживание воды производилось сульфатом натрия с добавлением катализатора - хлористого кобальта. Концентрация кислорода, растворенного в воде, определялась с помощью кислородомера марки АЖА-101.1 М. Доля воздуха, подаваемого на ВЭУ контролировалась ротаметрами и определялась как отношение расхода воздуха, подаваемого на ВЭУ Q_вэ к общему расходу воздуха, подаваемого на трубчатый аэратор «Аква-лайн» и ВЭУ Q_во ().

Результаты экспериментальных исследований процесса массопередачи кислорода воздуха, представлены в виде графиков, изображенных на рис. 2.

Проведенные исследования показали, что ВЭУ является эффективным перемешивающим устройством, позволяющим осуществить эффект противотока и повысить степень перемешивания аэрационного бассейна. Наибольший оптимальный режим работы комбинированной системы аэрации наблюдается при доле воздуха подаваемого на ВЭУ = 0,1. При подаче 10 % от общего расхода сжатого воздуха на ВЭУ и до 90% от общего расхода - на мелкопузырчатый аэратор, эффективность системы аэрации увеличивается в 1,6 раза.

Рис. 2. Зависимость величины объемного коэффициента массопередачи кислорода К_La от интенсивности аэрации J и доли воздуха, подаваемого на вихревое эрлифтное устройство : 1 - = 0; 2 - = 0,05; 3 - = 0,10; 4 - = 0,2

Пятая глава посвящена экспериментальным исследованиям технологии предварительной обработки городских сточных вод в вихревых гидродинамических устройствах (ВГДУ). Приводится теоретическое обоснование метода предварительной обработки сточных вод в ВГДУ с целью интенсификации работы городских очистных сооружений.

Предложенная технология предусматривает утилизацию избыточной энергии потока сточных вод, перекачиваемых на городские очистные сооружения путем подачи их под остаточным напором в ВГДУ, устанавливаемое над камерой гашения напора. Технология предварительной обработки сточных вод позволяет реализовать следующие методы воздействия на дисперсные системы сточных вод:

1. Воздействие на сточные воды повышенной турбулентности, приводящее к ортокинетической коагуляции мелкодисперсных частиц и отмывке мелких минеральных частиц от налипших на них органических загрязнений.

2. Насыщение сточных вод кислородом воздуха и повышение их Еh-потенциала.

3. Биокоагуляционная обработка сточных вод с использованием избыточного активного ила.

Отмывка мелких фракций песка от налипших на них органических загрязнений позволяет интенсифицировать работу песколовок, существенно повысить эффективность задержания мелких фракций песка, снизить зольность осадка песколовок, устранить его загнивание.

Снижение концентрации взвешенных частиц минерального состава в сточных водах, поступающих в аэротенк, приводит к существенному сокращению прироста ила, так как минеральные частицы практически полностью переходят в массу избыточного ила. Сокращение прироста активного ила позволяет не только снизить затраты, связанные с его утилизацией, но и увеличить возраст активного ила. Увеличение возраста активного ила до определенного значения (как правило более 5-7 суток) обусловливает существенное интенсифицирование процессов биохимического окисления аммонийного азота.

На основе анализа соотношения удельной массы нитрифицирующего активного ила, прирастающей в единице объема аэрационного сооружения за единицу времени, к удельной массе нитрифицирующего ила, выносимого из этого объема в единицу времени, был выведен технологический критериальный комплекс, характеризующий возможность протекания процесса биологической нитрификации.

Исследования проводились на опытной установке, смонтированной на территории КОС г. Сердобска Пензенской области, в состав которой входили вихревое гидродинамическое устройство (ВГДУ) с диаметром вихревой камеры d_вк = 50 мм, бак-делитель потока, модель песколовки и модель отстойника. Схема ВГДУ представлена на рис. 3.

Рис. 3. Схема вихревого гидродинамического устройства ВГДУ: 1 - патрубок входа; 2 - камера входа; 3 - воздушный патрубок; 4 - вихревая камера; 5 - камера смешения; 6 - тело обтекания

Рис. 4. Зависимости изменения зольности осадка 3, задерживаемого в модельной песколовке (1), и процентного содержания в нем фракций песка диаметром менее 0,25 мм (2) от средней осевой скорости жидкости vос в вихревой камере ВГДУ

ВГДУ включает в себя цилиндрическую камеру входа с тангенциально присоединенным к ней патрубком входа 1, вихревую камеру 4 и камеру смешения 5. За счет тангенциальной подачи жидкости под остаточным напором по патрубку 1 в камере входа 2 создается поток с вихревым движением. При переходе из камеры входа, имеющей диаметр D_кв, в соосно присоединенную к ней вихревую камеру, имеющую диаметр d_вк, угловая скорость вращения потока увеличивается. В приосевой зоне ВГДУ создаётся область с пониженным давлением, куда по воздушному патрубку 3 засасывается атмосферный воздух и подается избыточный активный ил.

Зависимости изменения зольности осадка задерживаемого в модельной песколовке и процентного содержания в нем фракций песка диаметром менее 0,25 мм от средней осевой скорости жидкости v_ос в вихревой камере представлены на рис. 4.

Зависимости изменения эффекта очистки сточных вод по БПК₅ в модельном отстойнике Э_БПК концентрации органических веществ (БПК₅) на выходе из модельного отстойника С_БПК от значения средней осевой скорости v_ос в вихревой камере ВГДУ и от концентрации избыточного активного ила в смеси со сточными водами С_ил при средней скорости v_ос = 0,7 м/с представлены на рис. 5, 6.

Рис. 5. Зависимости изменения эффекта очистки сточных вод по БПК5 в модельном отстойнике ЭБПК (1) и концентрации органических загрязнений (БПК5) на выходе из отстойника СБПК (2) от средней осевой скорости жидкости vос в вихревой камере ВГДУ

Рис. 6. Зависимости изменения эффекта очистки сточных вод по БПК5 в модельном отстойнике ЭБПК (1) и концентрации органических загрязнений (БПК5) на выходе из отстойника СБПК (2) при средней осевой скорости жидкости в вихревой камере ВГДУ vос = 0,7 м/с от концентрации избыточного ила в смеси со сточными водами Сил

Обработка опытных данных позволила получить следующую математическую модель, описывающую изменение эффективности снижения БПК₅ в процессе первичного отстаивания городских сточных вод после ВГДУ:

; ; , (9)

где Э_по - эффект удаления БПК₅ в процессе первичного отстаивания сточных вод, прошедших предварительную обработку в ВГДУ, %; Э - эффект удаления БПК₅ в процессе первичного отстаивания из сточных вод, не прошедших предварительную обработку, %; К_v - коэффициент, учитывающий влияние средней осевой скорости жидкости в стволе ВГДУ; К_с - коэффициент, учитывающий влияние концентрации добавляемого в сточные воды избыточного активного ила; v_ос - среднеосевая скорость жидкости в стволе ВГДУ, м/с; С_ил - концентрация активного ила в смеси со сточными водами, мг/л.

На втором этапе исследований проводилось изучение процесса биологической очистки городских сточных вод, прошедших предварительную обработку в ВГДУ. В состав экспериментальной установки входили контрольный и опытный аэротенки емкостью по 0,12 м³ каждый.

В опытный аэротенк подавались предварительно обработанные в ВГДУ сточные воды, прошедшие механическую очистку в модельной песколовке и отстойнике, в контрольный - сточные воды после песколовки и отстойника, не прошедшие предварительную обработку в ВГДУ. Общая продолжительность обработки в модельном и контрольном аэротенках соответствовала периоду аэрации в натурном аэротенке-вытеснителе. Анализы качества сточных вод проводились в отфильтрованных пробах, отбираемых из аэротенков через каждый час.

Зависимости изменения концентрации органических загрязнений в процессе биологической очистки в опытном и контрольном аэротенках по БПК₅ предсталены на рис. 7.

Рис. 7. Зависимости изменения концентрации органических загрязнений (БПК5) в процессе биологической очистки в опытном (1) и контрольном (2) аэротенках

Проведенные исследования показывают, что предварительная обработка сточных вод в ВГДУ позволяет повысить эффективность работы первичных отстойников, в результате чего нагрузка на аэротенк снижается в 1,5 раза. Концентрация загрязняющих веществ на выходе из аэротенка уменьшается по показателям БПК₅ - в 2 раза; ХПК - в 1,7 раза; - в 1,4 раза, - в 1,14 раза. Прирост активного ила уменьшается в 2 раза.

Шестая глава посвящена экспериментальным исследованиям технологии активации потока возвратного ила аэротенков путем утилизации его избыточной энергии при обработке в эжекторе и электрогидродинамическом устройстве (ЭГДУ). Приводится теоретический анализ предпосылок к выбору основных направлений исследований.

Перекачивание возвратного ила в голову аэротенков на станциях биологической очистки сточных вод, как правило, производится эрлифтными установками или центробежными насосами. При перекачивании активного ила центробежными насосами избыточная энергия потока не используется и безвозвратно теряется. Это обстоятельство позволило предложить новую технологию, предусматривающую утилизацию избыточной энергии потока возвратного активного ила путем последовательной его обработки в эжекторе и электрогидродинамическом устройстве (ЭГДУ). Предложенная технология позволяет реализовать следующие методы воздействия на иловую смесь: 1) насыщение активного ила кислородом воздуха; 2) воздействие на активный ил повышенной турбулентности; 3) электрообработка активного ила.

При перекачивании через эжектор потока возвратного ила происходит подсасывание атмосферного воздуха, в результате чего на выходе из эжектора образуется иловоздушная смесь. Для интенсификации процессов насыщения иловой смеси кислородом воздуха и реализации технологии ее электроактивации, нами была разработана конструкция электрогидродинамического устройства (ЭГДУ), состоящего из двух соосно соединенных камер: камеры входа (диаметром D) и ствола (диаметром d).

В стволе ЭГДУ создается интенсивное вращательно-поступательное движение иловоздушной смеси, характеризуемое повышенным уровнем турбулентности. ЭГДУ можно рассматривать как весьма совершенный смеситель, позволяющий существенно интенсифицировать процесс массообмена иловоздушной смеси, образующейся после эжектора. С целью интенсификации процесса активации иловой смеси ствол ЭГДУ разделен диэлектрическими муфтами на катодные и анодные участки, к которым подводится электрический потенциал. В отличие от использованных ранее технологий электроактивации иловой смеси в электролизерах с традиционной плоскопараллельной системой электродов, обработка иловоздушной смеси в стволе ЭГДУ, представляющем собой систему из соосных трубчатых электродов, не предполагает одновременного нахождения ее в катодной и анодной областях. Иловоздушная смесь, имеющая вращательно-поступательное движение, поочередно проходит катодные и анодные зоны, что существенно изменяет режимы ее обработки.

Рис. 8. Зависимости изменения дегидрогеназной активности обработанной в ЭГДУ иловой смеси от напряжения поляризации и типа электродной системы при v = 1,5 м/ч: 1 - блок электродов (катод-анод) lк = 0,4; lа = 0,4 м; 2 - блок электродов (катод-анод) lк = 0,4; lа = 0,2 м; 3 - блок электродов (анод-катод-анод) lк = 0,2; lа = 0,8 м; 4 - блок электродов (катод-анод-катод) lк = 0,8; lа = 0

Все многообразие воздействий электрического поля и электрического тока на бактериальные клетки сводится к следующим последствиям: 1) увеличение активности микроорганизмов вследствие повышения проницаемости мембран; 2) активация микроорганизмов вследствие повышения активности внеклеточных ферментов и ряда поверхностно расположенных рецепторов клеток; 3) интенсификация процессов внутриклеточного метаболизма.

...