Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ 9
1.1 Гидродинамика жидкостных потоков в аэрационных сооружениях 11
1.2 Процессы циркуляции и массопереноса в аэрационных сооружениях с трехфазным псевдоожиженным слоем...- 13
1.3 Гидродинамика псевдоожиженного слоя конического реактора 28
Собственные исследования
Глава 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 31
2.1 Объекты исследований 31
2.2 Методики проведения экспериментов 35
Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ЦИРКУЛЯЦИИ В АЭРИРУЕМЫХ БАССЕЙНАХ 42
3.1 Критерии оценки 42
3.2 Результаты исследований 43
3.2.1 Теоретическое обоснование 43
3.2.2 Результаты экспериментов 45
Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПОДДЕРЖАНИЯ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ ВО ВЗВЕШЕННОМ СОСТОЯНИИ 70
4.1 Исследования со сферическими частицами 71
4.2 Исследования с цикорием и активным илом 74
4.2.1 Исследования с цикорием 74
4.2.2 Исследования с активным илом 76
Глава 5. МАССОПЕРЕДАЧА КИСЛОРОДА В АЭРИРУЕМЫХ БАССЕЙНАХ 80
5.1 Влияние расхода воздуха 80
5.2 Влияние высоты столба жидкости 81
5.3 Влияние размеров бассейна 82
5.4 Влияние погружения диффузора 90
5.5. Экстраполяция результатов исследований циркуляционных и массопередаточных процессов 94
Глава 6. ГИДРОДИНАМИКА И МАССОПЕРЕДАЧА КИСЛОРОДА В МНОГОФАЗОВОМ РЕАКТОРЕ 106
6.1 Гидродинамика многофазового реактора 108
6.1.1 Объект исследования 108
6.1.2 Гидродинамические характеристики многофазового реактора 109
6.1.3 Перемешивание твердой фазы 112
6.1.4 Перемешивание жидкой фазы 121
6.1.5 Исследование механизма смешения в МФ 123
6.2 Массопередача кислорода в многофазовом реакторе 126
6.2.1 Общий коэффициент массопередачи 126
6.2.2 Критерии, характеризующие эффективность систем аэрации... 128
6.2.3 Методы определения общего коэффициента массопередачи кислорода в реакторе без активного ила 129
6.2.4. Результаты исследований процессов массопередачи кислорода 130
6.3. Применение многофазового реактора в системах очистки сточных вод 133
6.3.1. Загрузка MP микроносителями 135
6.3.2. Кинетика очистки в MP 136
6.3.3. Экстраполяция результатов испытаний 148
Гласа 7. ГИДРОДИНАМИКА ПСЕВДООЖИЖЕННОГО СЛОЯ В ЦИЛИНДРИЧЕСКОМ И УСЕЧЕННО-КОНИЧЕСКОМ РЕАКТОРЕ 157
7.1. Основные характеристики псевдоожиженного слоя 157
7.1.1. Цилиндрический реактор 157
7.1.2. Усеченно-конический реактор 159
7.2. Математические модели процессов псевдоожижения. 163
7.2.1. Потери нагрузки в фиксированном слое 163
7.2.2. Потери нагрузки в псевдоожиженном слое 164
7.2.3. Минимальное псевдоожижение 166
7.2.4. Максимальное псевдоожижение 168
7.2.5. Определение характеристик слоя твердых частиц, псевдоожиженных в реакторе 170
ВЫВОДЫ 183
ЛИТЕРАТУРА 185
Введение к работе
Аэрационные бассейны являются основными сооружениями биологической очистки сточных вод с использованием активных илов. В этих сооружениях в аэробных условиях биомасса активного ила усваивает органические вещества, сбрасываемые со сточными водами.
Для поддержания аэробных процессов в сооружениях биологической
очистки могут использоваться различные аэрационные системы. Наиболее
надежными являются системы аэрации на основе диффузоров,
. расположенных в глубине бассейна. Воздух, подаваемый через диффузоры,
распространяется в виде пузырей при свободном подъеме в сточной воде. При этом обеспечивается не только питание кислородом микроорганизмов в процессе их жизнедеятельности, но и создание циркуляционных потоков в бассейне.
Гидродинамические процессы, происходящие в бассейне, в
> значительной степени определяются его геометрическими параметрами
(размерами, формой и объемом), уровнем воды над системой аэрации и расположением системы аэрации в бассейне.
Циркуляция сточной воды в бассейне позволяет:
<л - поддерживать во взвешенном состоянии твердые частицы
микроорганизмы активного ила или микроносители и таким образом обеспечивать необходимый контакт между ними и субстратом;
- обеспечивать массообмен путем передачи кислорода воздуха в
сточную воду для питания микроорганизмов.
# Изучение циркуляционных процессов и процессов массопереноса
кислорода в аэрируемых бассейнах необходимо для обеспечения оптимальных условий биологической очистки сточных вод, содержащих органические загрязнения.
Цель и задачи исследования.
Целью настоящей работы являлось исследование гидродинамических и массообменных процессов в аэрационных сооружениях и разработка путей повышения эффективности биологической очистки сточных вод.
При выполнении работы были поставлены задачи:
исследовать процессы циркуляции жидкости в аэрационных сооружениях и их зависимость от геометрических параметров бассейнов, типа и расположения устройств для аэрации;
изучить механизмы поддержания во взвешенном состоянии твердых частиц различных видов (сферических частиц, моделей флоккул активного ила и реальной биомассы активного ила) в аэрационных сооружениях;
исследовать процессы массопередачи кислорода в аэрационных бассейнах и влияние на них различных факторов конструктивно-технологического характера;
разработать методы экстраполяции результатов испытании циркуляционных и массопередаточных процессов на аэрационные сооружения с другими геометрическими параметрами, оснащенные различными типами аэрационных устройств;
- исследовать гидродинамику и массопередачу кислорода в
многофазном реакторе с псевдоожиженным слоем и выявить основные
критерии и параметры, определяющие эффективность его использования для
очистки сточных вод;
- изучить гидродинамику псевдоожижения в реакторах различных
конфигураций (цилиндрических и усеченно-конических) и разработать
рекомендации по выбору геометрических форм ректоров в сооружениях
биологической очистки сточных вод.
Поставленные задачи были в полном объеме и на высоком научно-техническом уровне решены в процессе выполнения работы.
Научная новизна.
Созданы математические модели гидродинамических и массообменных процессов в аэрационных бассейнах различных геометрических размеров и конфигураций.
Разработаны критерии оценки процессов циркуляции и массопередачи кислорода в аэрационных сооружениях различных типов.
Проведен комплекс экспериментальных исследований по определению влияния различных факторов (геометрических параметров бассейнов, типов и компоновок аэрационных устройств) - на эффективность процессов циркуляции и массопередачи кислорода.
Приведено теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение перспективности использования для очистки сточных вод многофазных усеченно-конических реакторов с псевдоожиженным слоем.
Разработаны практические рекомендации по выбору геометрических параметров и технологических режимов аэрации для реализации высоко эффективных процессов в аэрационных сооружениях различных типов.
Полученные результаты позволяют научно обосновывать конструктивно-технологические решения, принимаемые при проектировании новых и реконструкции действующих сооружений биологической очистки.
Практическая ценность.
Полученные результаты и выводы базируются на разработанных математических моделях и экспериментальных исследованиях и позволяют с достаточно высокой надежностью рекомендовать оптимальные конструктивно-технологические решения по выбору . аэрационных сооружений при создании систем биологической ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВО.Г различного происхождения. При этом, материалы работы обеспечивают возможность определения оптимальных решений с учетом особенностей конкретных видов и характеристик очистных сооружений.
Выполненная работа может быть использована для решения практических задач проектирования новых и реконструкции действующих
8 очистных сооружений аэробной биологической очистки с учетом особенностей микробиологических процессов обработки сточных вод различного происхождения.
Апробация работы.
На основании проведенных исследований разработаны Научно-методические рекомендации по оптимизации гидродинамических процессов в аэрируемых сооружениях биологической очистки высоконагруженных сточных вод предприятий агропромышленного комплекса (ВНИТИБП РАСХН)
Результаты и материалы выполненной работы использованы использованы ГУП «МосводоканалНИИпроект» при проведении проектирования очистных сооружений утильзавода «Эколог» г. Люберцы.
Материалы диссертационной работы доложены на II Всероссийской научно-практической конференции «Окружающая среда и здоровье», г. Пенза, 2005; V Международной научно-практической конференции «Состояние биосферы и здоровья людей» Пенза, 2005.
Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском и технологическом институте биологической промышленности в соответствие с Государственной программой «Разработать технологию биологической очистки сточных вод с высоким содержанием органических примесей» инв. № 01.200.2.01563 и планами хоздоговорных работ Московского института коммунального хозяйства и строительства.
Гидродинамика жидкостных потоков в аэрационных сооружениях
К настоящему времени исследованию процессов циркуляции жидкостей в аэрационных сооружениях посвящено большое количество работ.
В работе [54] использована теория течения струи в бесконечной среде. Считая, что смесь «воздух-вода», составляющая смешанный поток, представляет собой гомогенный поток автором было получено выражение для скорости жидкости:
U.=2i\S&J (1.1) где
Q расход воздуха;
L - блина бассейна;
G - ускорение свободного падения.
В работе [95] полученные выше результаты были объединены в систему с двумя лимитирующими параметрами - параметром рассеивания и характеристической поверхностью воды.
В работе [68] производился замер скорости потока в бассейнах с размерами от 400 до 800 мм и отношением H/L (высота/длина) в диапазоне 12 от 2,0 до 0,75. В экспериментах использовались мелкие пластмассовые шарики с плотностью, равной плотности жидкости. С помощью фотографирования с определенным интервалом времени рассчитывалась скорость движения воды при ее циркуляции в бассейне. По результатам проведенной работы были предложены зависимости для определения скоростей потоков в аэрируемых бассейнах:
Объекты исследований
Экспериментальные исследования процессов циркуляции и массообмена кислорода проводились в аэрационных бассейнах объемом от 0,037 до 180 м3.
Для проведения работы была создана серия аэрационных бассейнов, установленных на сооружениях биологической очистки. Схемь/ аэрационных бассейнов приведены на рис. 2.1.
При испытаниях использовались:
- три прямоугольных бассейна (Вь В2 и В3);
- цилиндрический бассейн (В4);
- бассейны октановой (восьмиугольной ) формы (В5 и Вб), имеющие промежуточную форму между бассейнами Вь Во, Вз и В4;
- пилотный бассейн (В7), геометрическая форма которого имела вид короны;
- промышленный бассейн с большими геометрическими размерами
(В8).
Геометрические характеристики бассейнов приведены в табл. 2.1.
Бассейны были выполнены из прозрачного оргстекла, что позволяло вести визуальные наблюдения циркуляционных потоков воды.
Критерии оценки
В качестве критериев циркуляции воды в аэрационном бассейне были выбраны следующие:
- скорость потока жидкости Vf в глубине бассейна, необходимая для поддержания твердых веществ во взвешенном состоянии;
- профиль скорости, который позволяет рассчитать среднюю скоростьпотока V в бассейне и поперечный циркуляционный расход Qc. Экспериментальные результаты использовались при изучении влияния параметров (расход газа, геометрия бассейна) на выбранные критерии циркуляции жидкости.
При исследовании потока в аэрационном бассейне, оснащенном системой распределения воздуха по длине продольной перегородки, можно отметить следующее (рис. 3.1):
- пузыри воздуха, поднимаясь вдоль продольной перегородки, создают повышение уровня жидкости по отношению к свободной части бассейна. Эта разность уровней приводит в движение жидкость в бассейне;
- существует ось симметрии для общего потока, при этом, когда высота воды равна ширине бассейна, ось располагается в центре, правой части бассейна;
- . профиль скоростей имеет максимальную скорость потока около дна и на поверхности бассейна.
