Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аналитический обзор современных методов предварительной обработки и очистки сточных вод, предусматривающих создание и использование водовоздушных смесей 12
1.1. Современные методы предварительной обработки и очистки сточных вод, предусматривающих создание и использование водовоздушных смесей 12
1.1Л. Использование динамических двухфазных систем вода-воздух в процессах предварительной обработки
и очистки сточных вод 12
1 Л.2. Аэрирование сточных вод при их биохимической очистке. Флотационная очистка сточных вод 14
1.2. Перемешивание сточных вод как метод интенсификации процессов их очистки 20
1.2Л. Перемешивание в технологиях очистки воды 20
1.2.2. Пневматическое перемешивание жидкости 26
1.2.3. Гидропневматическое перемешивание жидкости 37
Выводы к главе 1 50
Цели и задачи исследований 51
Глава 2. Теоретические основы процессов очистки сточных вод с использованием водовоздушных смесей 53
2.1. Теоретические основы процессов перемешивания жидкости барботированием 53
2.1.1. Свободное всплывание одиночного газового пузырька в жидкости 53
2.1.2. Теоретические основы процессов перемешивания сжатым воздухом 78
2.2. Теоретические основы процесса аэрации воды 83
2.2.1. Кинетика массопередачи кислорода в жидкость из одиночного всплывающего пузырька 83
2.2.2. Математическое моделирование аэрационных сооружений 97
2.3. Теоретические основы процесса флотации 102
2.3.1. Методы теоретического описания процесса флотации 102
2.3.2. Термодинамические модели процесса флотации 103
2.3.3. Кинетические модели процесса флотации 107
2.3.4. Условия флотируемости безынерционной дисперсной частицы всплывающим пузырьком воздуха 116
Выводы к главе 2 128
Глава 3. Разработка технологии очистки замазученных сточных вод тэц с использованием диспергированной водовоздушной смеси 129
3.1. Исследования режимов движения вращательно-поступательных потоков жидкости в гидродинамических устройствах различной конструкции 129
3.1.1. Объект исследований, программа и методика проведения исследований 129
3.1.1.1. Объект исследований 129
3.1.1.2. Описание установки для проведения исследований режима движения закрученных потоков жидкости 129
3.1.1.3. Программа и методика проведения исследований режимов движения закрученных потоков жидкости... 131
3.1.2. Результаты экспериментальных исследований режимов движения закрученных потоков жидкости в гидродинамических устройствах различной конструкции 133
3.1.3. Оценка достоверности полученных экспериментальных данных. Разработка математической модели закрутки потока жидкости в гидродинамических устройствах различной конструкции 140
3.2. Исследования технологии диспергирования водовоз душной смеси в электрогидродинамическом устройстве 141
3.2.1. Объект исследований, программа и методика проведения испытаний технологии диспергирования водовоздушной смеси 141
3.2.1.1. Объект исследований 142
3.2.1.2. Описание установки для проведения исследований
технологии диспергирования водовоздушной смеси 142
3.2.1.3. Программа и методика проведения исследований
технологии диспергирования водовоздушной смеси 145
3.2.2. Результаты экспериментальных исследований технологии
диспергирования водовоздушной смеси 156
Выводы к главе 3 148
Глава 4. Разработка комбинированной системы аэрации с использованием вихревых эрлифтных устройств 149
4.1. Экспериментальные исследования процесса перемешивания жидкости эрлифтными устройствам 149
4.1.1. Основы процесса перемешивания жидкости эрлифтными устройствами 149
4.1.2. Лабораторные исследования процесса перемешивания жидкости эрлифтным устройством, работающим в статическом режиме 155
4.1.2.1. Описание установки для проведения лабораторных исследований 155
4.1.2.2. Программа и методика проведения лабораторных исследований 155
4.1.2.3. Результаты лабораторных исследований 157
4.1.3. Лабораторные исследования процесса перемешивания жидкости эрлифтным устройством, работающим в динамическом режиме 159
4.1.3.1. Описание установки для проведения лабораторных исследований 159
4.1.3.2. Программа и методика проведения лабораторных исследований 159
4.1.3.3. Результаты лабораторных исследований 160
4.2. Лабораторные исследования технологии аэрации и перемешивания жидкости с использованием вихревых эрлифтных устройств 164
4.2.1. Лабораторные исследования процесса перемешивания жидкости вихревым эрлифтным устройством 164
4.2.1.1. Описание установки для проведения лабораторных исследований 164
4.2.1.2. Программа и методика проведения лабораторных исследований 166
4.2.1.3. Результаты лабораторных исследований 167
4.2.2. Лабораторные исследования массопередачи кислорода в жидкость в процессе ее аэрирования мелкопузырчатой пневматической системой и перемешивания вихревым эрлифтным устройством 172
4.2.2.1. Программа и методика проведения лабораторных исследований 172
4.2.2.2. Результаты лабораторных исследований 173
Выводы к главе 4 174
Глава 5. Разработка технологии предварительной обработки городских сточных вод в вихревых гидродинамических устройствах (ВГДУ) 175
5.1. Обоснование использования метода предварительной обработки сточных вод в вихревых гидродинамических устройствах
с целью интенсификации работы городских очистных сооружений 175
5.1.1. Анализ дисперсного состава загрязнений хозяйственно-бытовых сточных вод 175
5.1.2. Влияние дисперсного состава сточных вод на скорость их биохимического окисления 178
5.1.3. Предварительная биокоагуляционная обработка сточных вод как метод интенсификации первичного отстаивания 184
5.2. Исследования технологии предварительной обработки сточных вод в вихревых гидродинамических устройствах 187
5.2.1. Объект исследований, программа и методика проведения испытаний 187
5.2.1.1. Объект исследований 187
5.2.1.2. Конструкция вихревого гидродинамического устройства (ВГДУ) 189
5.2.1.3. Описание установки для проведения исследований технологии предварительной обработки сточных вод в ВГДУ 192
5.2.1.4. Программа и методика проведения исследований технологии предварительной обработки сточных вод 194
5.2.2. Результаты исследований технологии предварительной обработки сточных вод в ВГДУ 195
5.3. Исследования процесса биологической очистки обработанных в ВГДУ сточных вод 203
5.3.1. Описание установки для проведения исследований 203
5.3.2. Программа и методика проведения исследований 205
5.3.3. Результаты экспериментальных исследований влияния предварительной обработки сточных вод в ВГДУ и отстаивания на процесс их последующей биологической очистки 208
Выводы к главе 5 214
Глава 6. Разработка технологии активации потока возвратного ила аэротенков путем утилизации его избыточной энергии при обработке в электрогидродинамическом устройстве (ЭГДУ) 216
6.1. Обоснование выбора мероприятий по интенсификации работы аэротенков 216
6.1.1. Технология утилизации избыточной энергии перекачиваемого насосами потока возвратного ила 216
6.1.2. Насыщение активного ила кислородом 217
6.1.3. Воздействие на активный ил повышенной турбулентности 223
6.1.4. Электрообработка активного ила 228
6.2. Лабораторные исследования технологии утилизации избыточной энергии потока возвратного ила 232
6.2.1. Объект исследований, программа и методика проведения лабораторных испытаний технологии утилизации избыточной энергии потока возвратного ила 232
6.2.1.1. Объект исследований 232
6.2.1.2. Описание установки для проведения лабораторных исследований технологии утилизации избыточной энергии потока возвратного ила 233
6.2.1.3. Программа и методика проведения лабораторных исследований технологии утилизации избыточной энергии потока возвратного ила 235
6.2.1.4. Методика проведения химических анализов 236
6.2.2. Результаты экспериментальных исследований влияния параметров обработки иловой смеси в ЭГДУ на повышение ее ферментативной активности 238
6.2.3. Результаты экспериментальных исследований влияния обработки иловоздушной смеси в ЭГДУ на изменение динамики процесса биологической очистки сточных вод в опытном аэротенке 242
Выводы к главе 6 245
Глава 7. Производственное внедрение технологий диспергирования водовоздушных смесей 246
7.1. Производственное внедрение технологии диспергирования водовоздушной смеси 246
7.1.1. Производственное внедрение технологии диспергирования водовоздушной смеси на участке очистки замазученных сточных вод ТЭЦ г. Пензы 246
7.1.2. Рекомендации по проектированию и расчету аппаратурного оформления технологии диспергирования водовоздушной смеси в ЭГДУ. Расчет экономического эффекта от полученного внедрения .254
7.2. Производственное внедрение технологии перемешивания аэрационного объема вихревыми эрлифтными устройствами 261
7.2.1. Производственное внедрение технологии перемешивания аэрационного объема вихревыми эрлифтными устройствами (ВЭУ) на канализационных очистных сооружениях г. Каменки Пензенской области 261
7.2.2. Рекомендации по проектированию и расчету аппаратурного оформления технологии премешивания аэрационного объёма.
Расчет экономического эффекта, полученного от внедрения 268
7.3. Производственное внедрение технологии предварительной обработки сточных вод в вихревом гидродинамическом устройстве 270
7.3.1. Производственное внедрение технологии предварительной обработки сточных вод в ВГДУ на канализационных очистных сооружениях г. Сердобска Пензенской области 270
7.3.2. Рекомендации к проектированию и расчету аппаратурного оформления технологии предварительной обработки сточных вод в ВГДУ. Расчет экономического эффекта от полученного внедрения 278
7.4. Производственное внедрение технологии утилизации избыточной энергии потока возвратного ила в электрогидродинамическом устройстве...281
7.4.1. Производственное внедрение технологии утилизации избыточной энергии потока возвратного ила на канализационных очистных сооружениях г. Заречного Пензенской области 281
7.4.2. Производственное внедрение технологии утилизации избыточной энергии потока возвратного ила на канализационных очистных сооружениях ОАО «АвтоВАЗ» г. Тольятти
Самарской области 291
7.4.3. Рекомендации по проектированию и расчет аппаратурного оформления технологии утилизации избыточной энергии потока возвратного ила. Расчет экономической эффективности от полученного внедрения 295
Общие выводы 300
Библиографический список
- Аэрирование сточных вод при их биохимической очистке. Флотационная очистка сточных вод
- Теоретические основы процессов перемешивания сжатым воздухом
- Объект исследований, программа и методика проведения исследований
- Лабораторные исследования процесса перемешивания жидкости эрлифтным устройством, работающим в статическом режиме
Введение к работе
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 обуславливает необходимость применения новых технологических и конструкторских решений в области очистки сточных вод.
Аппаратурное оформление новых технологий не должно требовать серьезных изменений существующих схем очистки сточных вод, и наряду с этим быть простым в изготовлении и легко встраиваться в существующие типовые решения очистных станций без значительных капитальных и эксплуатационных затрат.
Разработка экономичных и эффективных технологий и аппаратов для генерирования диспергированных гетерогенных динамических систем вода-воздух является одним из решений, позволяющих интенсифицировать работу канализационных очистных сооружений.
В основу диссертационной работы положены исследования, выполненные автором и под его руководством в лаборатории очистки производственных и хозяйственно-бытовых сточных вод Пензенского государственного университета архитектуры и строительства, а также в производственных лабораториях и на реконструируемых очистных сооружениях. Работа проводилась в соответст-
вии 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.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА исследований заключается в следующем:
разработаны теоретические модели, описывающие процессы диффузии кислорода в воду из всплывающих воздушных пузырьков, установлены термодинамические условия, определяющие 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 с целью 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 во-
довоздушных 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 произво-дительностью 1200 м /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
10 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 м /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 м /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 м /сут. Среднегодовой экономический эффект от внедрения составил 2,2 млн. руб. в ценах 2007 года.
НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ
- результаты теоретических и экспериментальных исследований технологичес
ких процессов получения диспергированных водовоздушных смесей и их использо
вания 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, подтверждающих новизну научно-технических решений.
ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА. Вклад автора в получение 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.
ОБЪЕМ И СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ. 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 название и приложений.
Автор выражает благодарность и глубокую признательность заведующему кафедрой информационно-вычислительных технологий Пензенского ГУ АС доктору химических наук, профессору А.Н. Кошеву за полезные советы и помощь, оказанную при выполнении диссертационной работы.
Аэрирование сточных вод при их биохимической очистке. Флотационная очистка сточных вод
Система аэрации - комплекс сооружений, устройств и оборудования, обеспечивающих подачу и распределение воздуха (кислорода) в аэротенке, поддержание активного ила во взвешенном состоянии и создание благоприятных гидродинамических условий работы аэротенков, а также отдувку образующихся в результате метаболизма газов, избыток которых может тормозить процесс биохимической очистки сточных вод [50, 149, 167].
Анализ существующих классификаций аэрационных систем и типов аэраторов показывает, что разные авторы классифицируют аэрационные устройства по различным признакам. Чаще всего это конструктивные признаки, способ ввода энергии в систему и способ подачи и распределения воздуха (кислорода) в воде.
Аэраторы некоторыми авторами подразделяются на пневматические, механические, гидравлические и комбинированные [77]; на пневматические, механические, эжекционные и пневмомеханические [197]; на пневматические, механические и комбинированные [98]; на пневматические и механические, а также водосливы-аэраторы [189]. Таким образом, одни и те же аэраторы у разных авторов оказываются отнесенными к различным системам аэрации. Например, аэраторы, инжектирующие воздух движущейся струей жидкости, относят к пневматической [203], механической [98], гидравлической [77] и комбинированной [156] системам аэрации. Аналогичная картина наблюдается с аэраторами-водосливами. В одном случае их относят к механической системе аэрации [98], во втором - к гидравлической [77], а в третьем они выделены в отдельную группу аэраторов [189]. Аэраторы ударного типа относят и к пневматической [203], и к комбинированной [77] системам аэрации. Это же можно отметить в отношении форсуночных и других типов аэраторов.
Наиболее удачной является классификация систем аэрации по основному общему для всех систем признаку - способу подачи и распределения кислорода [167]. Согласно этой классификации различают следующие системы: 1) пневматическая система аэрации; 2) механическая система аэрации; 3) гидравлическая система аэрации; 4) комбинированная система аэрации.
В пределах каждой системы аэрации в зависимости от конструктивных признаков различают подвиды аэрационных устройств.
Суть пневматических систем аэрации заключается в том, что сжатый воздух или кислород от воздухонагнетательных устройств (компрессоров, воздуходувок, высоконапорных вентиляторов) подается по воздуховодам в воздухораспределительные устройства, располагаемые в аэрационном бассейне.
Суть механических систем аэрации заключается в насыщении жидкости кислородом, происходящем за счет вращения ротора аэратора. Это насыщение может осуществляться за счет разбрызгивания ротором жидкости, за счет захвата воздуха при гидравлическом прыжке, за счет создания зон разрежения при вращении ротора. В зависимости от типа применяемого аэратора один способ насыщения жидкости преобладает над другим.
Гидравлические системы аэрации осуществляют насыщение жидкости кислородом за счет захвата воздуха падающими струями (каплями) воды или за счет вовлечения воздуха струей жидкости, движущейся через суженные участки инжектирующих устройств.
Комбинированные системы аэрации сочетают в себе признаки нескольких вышеперечисленных систем аэрации. Наибольшее распространение из комбинированных систем аэрации получила пневмомехиническая система аэрации.
Для оценки эффективности аэрационного оборудования применяют следующие показатели [50, 149, 167, 189]:
1. Окислительная способность (ОС), кг/с - это количество кислорода, которое растворяется в единице объема воды за единицу времени при нулевой концентрации кислорода в воде (ORT - Oxygen Transfer Rate - скорость пере носа кислорода). Окислительная способность (ОС), с-1, определяется по формуле: OC = KLaCpV1 (1.1) где Kia - объемный коэффициент массопередачи кислорода, с-1; Ср - концентрация насыщения жидкости кислородом, кг/м ; V- объем аэрационного сооружения, м .
Расчетные значения окислительной способности определяют в стандартных условиях (SORT - Standard Oxygen Transfer Rate - скорость переноса кислорода при стандартных условиях): чистая водопроводная вода, температура 20 С, барометрическое давление воздуха 0,1 МПа. В этом случае окислительная способность может быть вычислена по формуле: ОС = 9,02 . К (1.2) где KLa2o - объемный коэффициент массопередачи при температуре воды 20 С, — 1 "К с ; 9,02 - растворимость кислорода в воде при 20 С, кг/м .
2. Интенсивность аэрации, под которой понимается количество воздуха, подаваемого на 1 м площади аэротенка в единицу времени. Интенсивность аэрации или, иными словами, расход воздуха на единицу площади аэрируемой поверхности существенно влияет на эффективность работы аэрационной системы.
3. Эффективность аэрации Э, кг 02/(кВт-ч) - это количество кислорода, растворяемого в аэротенке, при энергозатратах на аэрацию в 1 кВт-ч: ОС Э = —, (1.3) N где /V - потребляемая мощность, кВт.
4. Удельные энергозатраты Nya, (кВт-ч)/кг 02 - это энергозатраты на аэрацию для растворения 1 кг кислорода. N д ОС
Этот показатель в значительной мере определяет эксплуатационные затраты. При этом общий расход энергии во многом зависит от того, насколько точно выбранная интенсивность аэрации соответствует условию достижения требуемой величины объемного коэффициента массопередачи KL.
5. Коэффициент использования кислорода п, % - это отношение скоростей растворения и подачи кислорода в аэротенк: ОС и = —100, (1.5) где (Ту - подача кислорода в аэротенк, кг/м , определяемая по формуле: Gs=0,232pQBO3a, (1.6) где 0,232 - объемное содержание кислорода в 1 м3 воздуха, м3/м3; р - плотность воздуха, кг/м .
На показатели эффективности аэрационных устройств влияют производительность очистных сооружений, концентрация загрязнений в очищаемой воде, требования к степени ее очистки, климатические условия, глубина воды в аэрационном сооружении, возможность применения аэраторов для перекачки циркуляционного активного ила.
Эффективность процесса массопередачи определяется геометрическими (конструктивными), динамическими и физико-химическими факторами.
Под геометрическими параметрами системы подразумевают: при пневматической аэрации - глубину и ширину аэрационных сооружений и их соотношение, ширину полосы аэрации и ее отношение к ширине аэротенка, глубину воды в сооружении, глубину погружения аэраторов и размеры их элементов (размеры фильтросных пластин, диаметры пористых или перфорированных труб); кроме того, при низконапорной аэрации конструктивными параметрами являются размеры продольной стенки и ее положение, расстояние от продольной стенки до аэраторов и т.д.; при механической аэрации - заглубление и диаметр ротора, размеры лопастей (ширина и высота), количество лопастей и их форма; при гидравлической аэрации - высоту установки струйных аппаратов и их геометрические размеры (диаметры, углы, длина конусной части, диаметры отверстий перфорации и их площадь), наличие и тип распределителя газожидкостной смеси, глубину погружения его под уровень жидкости, размеры распределителя (диаметр, длина горизонтальной части), расстояние между распределителями в плане; при комбинированной аэрации учитываются элементы всех сочетающихся систем.
Теоретические основы процессов перемешивания сжатым воздухом
При диаметре dn =130-10 м пузырек воздуха имеет следующие характеристики: УП =0,48 м/с; С = 0,44; ап =0,073 Дж/м2; Арп =21,81 Па; 5П =0,00223 м; Кл =11,47; Яф =2,27.
Увеличение диаметра пузырька воздуха более Jn=130-10 м обуславливает переход в область второй автомодельности режима его всплывания, при которой vn = const = 0,48 м/с; = 0,44; ап =0,073 Дж/м2; Ар = const = 21,81 Па; 8П = const = 0,00223 м; К = const = 2,27 .
В области второй автомодельности режима всплывания пузырька воздуха увеличение его диаметра сопровождается пропорциональным увеличением его объема Wu и площади поверхности Sn. По наблюдению многих авторов [50, 115, 149] пузырьки воздуха в области второй автомодельности режима всплывания крайне неустойчивы и склонены к дроблению.
Проведенный нами анализ позволяет выделить следующие режимы всплывания пузырька воздуха:
1. Режим ламинарного всплывания пузырька воздуха. Пузырек воздуха при ламинарном режиме всплывания сохраняет шарообразную форму и имеет на верхней границе режима диаметр dn = 0,123 10 м. При диаметре du = 0,123-10 м пузырек воздуха имеет следующие характеристики: vn= 0,0082м/с;Re= 1; = 24;an= 0,000025 Дж/м2; Л/?п = 0,82 Па; Кд = 6; #ф = 4. В рассматриваемом режиме всплывания пузырька воздуха действуют следующие закономерности: 18v рв " Re п= - = 5,384-105 2м/с; = — = 4,466 10"11 d n3; Ар d о Ар = 0,82 Па = const; an = Уп п , Дж/м ; А д = 6 = const; АГф = 4 = const
2. Режим ламинарного всплывания пузырька воздуха со скользящим пристеночным слоем. Пузырек воздуха в рассматриваемом режиме всплывания сохраняет шарообразную форму и имеет диаметр на верхней границе режима 4 = 0,5-10 3м.
При диаметре dn = 0,5 10 м пузырек воздуха имеет следующие характеристики: vn = 0,135 м/с; Re = 67; = 0,36; an = 0,00010 Дж/м2; Ар = 0,82 Па; Кд=6;Кф=4.
В рассматриваемом режиме всплывания пузырька воздуха участвуют следующие закономерности: vn= 5,384-105-с/2; Ар = const = 0,82 Па; = 4,466-10"11 d 3; тп = Рп п , Дж/м2; Ка=6 = const; Яф = 4 = const.
3. Переходный режим всплывания пузырька воздуха со скользящим при стеночным слоем.
Пузырек воздуха в рассматриваемом режиме всплывания сохраняет шаро-образную форму и имеет диаметр на верхней границе режима du = 1,37-10 м. Пузырек воздуха имеет следующие характеристики: &п = 0,37 м/с; Re = 500; = 0,13; оп = 0,00076 Дж/м2; Ар = 2,23 Па; Кд = 6; Яф = 4. В рассматриваемом режиме всштывания пузырька воздуха действуют следующие закономерности: vu = 273,3 dn м/с; = 1,758-10 4 d l; ап = 407d Дж/м2; Ар = 1628 dn Па; Кд=6 = const; Кф=4 = const.
4. Турбулентный режим всплывания пузырька воздуха. Пузырек воздуха в рассматриваемом режиме всплывания деформируется, в результате чего сфери ческая форма переходит в форму сфероида. В процессе деформации пузырька изменяется как коэффициент дисперсности Кд, так и коэффициент формы К+.
Пузырек воздуха имеет на верхней границе режима диаметр dn = 5-10 м. При диа-метре dn - 5-10 м пузырек воздуха имеет следующие характеристики: vn = 0,21 м/с; Re = 1040; С, = 0,44; ап = 0,00279 Дж/м2; Ар = 4,27 Па; Кл = 11,47; Кф = 2,27.
В рассматриваемом режиме всплывания пузырька воздуха действуют следующие закономерности: vu = 0,0206 d m м/с; С, = 62,4с/п0 935; ап =0,55 8 п Дж/м2; Д/? = 60,4 п0 5 Па; KR =162,2 5; Яф = 0,22d;M.
5. Турбулентный режим всплывания пузырька воздуха с автомодельностью закона сопротивления. В рассматриваемом режиме всплывания пузырек изме няет свою форму от сплющенного сфероида до формы выпукло-вогнутой лин зы, коэффициент формы Кф и коэффициент гидравлического сопротивления С, при этом остаются постоянными величинами (область первой автомодельности режима всплывания). Изменение величины коэффициента дисперсности Кд об уславливает отклонение от квадратичного закона изменения скорости всплыва ния пузырька воздуха vu.
Пузырек воздуха имеет на верхней границе режима диаметр dn = 130-10"3 м. При диаметре dn= 130-10 м пузырек воздуха имеет следующие характеристики vn = 0,48 м/с; Re = 61782; С = 0,44; оп = 0,073 Дж/м2; Ар = 21,81 Па; Ка =58,3; К,. =2,27, 5 =0,0022 м. В рассматриваемом режиме всплывания пузырька воздуха действуют следующие закономерности: vn = 0,8 J 25, м/с; С, = 0,44 = const; стп = О, 558б/п, Дж/м2; Ар = 60, 4б?п0 5, Па; Ка = 162,2 /п0 5; Кф = 2,27 = const.
6. Турбулентный режим всплывания пузырька воздуха в области второй автомодельности режима всплывания (dn 130 10-3 м, Re 62257). В данной области всплывания пузырька воздуха скорость всплывания пузырька vn, коэффициент поверхностного натяжения ап, избыточное давление воздуха Ари, коэффициент гидравлического сопротивления С,, дисперсный размер пузырька воздуха 5П, коэффициент формы /Сф остаются неизменными величинами и принимают следующие значения: vn = 0,48 м/с; ( = 0,44; ап = 0,073 Дж/м2; Ар = 21,81 Па; 5П =0,00223 м; /Сф = 2,27.
Объект исследований, программа и методика проведения исследований
Объектом исследований в данном цикле работ служит закрученный поток жидкости (воды), перекачиваемый через трубчатое гидродинамическое устройство (вихревую камеру). Исследуется два способа создания вращатель-но-поступательногого движения потока жидкости:
1. Закрутка потока за счет тангенциальной подачи жидкости в вихревую камеру через прямоугольную щель.
2. Закрутка потока за счет подачи жидкости в камеру входа (соосно устанавливаемую на вихревой камере) через тангенциально присоединенный к ней патрубок, имеющий диаметр, равный диаметру вихревой камеры.
Исследования режимов движения закрученных потоков жидкости в гидродинамических устройствах различной конструкции проводились в лаборатории очистки сточных вод ПГУАС г. Пензы.
Схема установки для исследования режимов движения закрученных потоков жидкости представлена на рис. 3.1.
Установка включала в себя бак с водой 1, перекачивающий насос 2. Напор и расход перекачиваемого потока воды регулировались вентилем 3. мические устройства № 1, № 2, № 3 с отношением площади входного патрубка FBn к площади тангенциальной щели Диаметры входного патрубка dm и вихревой камеры dm во всех гидродинамических устройствах были равны 20 мм.
Таким образом, средние осевые скорости потока во входном патрубке и вихревой камере были равны: vBX- voc.
Целью проведения первого этапа исследований было установление влияния параметров потока во входном патрубке (средняя скорость потока vbx, давление рвх) на параметры потока в вихревых камерах: напор в пристеночной Нс и осевой Н0 областях; величину угла закрутки а.
Средняя осевая скорость потока в вихревой камере voc рассчитывалась через секундный расход жидкости, который измерялся водомером марки ВСК-15 и контролировался объемным способом. Давление во входном патрубке измерялось при помощи манометра марки Mill-160. Напор в пристеночной и осевой областях вихревой камеры измерялся при помощи пьезометров.
Угол закрутки потока а, определяющий соотношение величины окружной скорости v0K и осевой (поступательной) скорости z oc в пристеночной области потока a = arctg ос в соответствии с рекомендациями [115] принимался равным 1/2 величины угла, образуемого линиями границы раздела фаз жидкость-воздух на выходе из вихревой камеры, и равным углу, образуемому линиями распыливания с осью устройства.
В ходе проведения второго этапа исследований изучались режимы движения закрученных потоков жидкости в вихревой камере гидродинамических устройств с соосно присоединенной камерой входа.
Изучались гидродинамические устройства № 1, № 2, № 3 с отношением диаметра камеры кв к диаметру вихревой камеры dBK:
Диаметры входного патрубка dm и вихревой камеры в этой серии опытов также были равны: JBn= dm= 20 мм. Средние осевые скорости во входном патрубке и вихревой камере vm = voc. Целью проведения второго этапа исследований было установление влияния параметров потока во входном патрубке (средняя скорость потока vm, напор Нт) на параметры потока в вихревых камерах: напор в пристеночной Нс и осевой Я0 областях; величину угла закрутки потока а для различных гидродинамических устройств с соосно присоединенной камерой входа.
По методике используемой в первой серии опытов, определялись: средняя осевая скорость потока в вихревой камере voc; давление и напор во входном патрубке #вП; напор пристеночной Нс и приосевой областях вихревой камеры Н0; угол закрутки потока а.
Результаты экспериментальных исследований режимов движения закрученных потоков жидкости в гидродинамических устройствах различной конструкции Результаты экспериментальных исследований зависимостей изменения напора в вихревых камерах гидродинамических устройств от величины средней осевой скорости представлены в виде графиков на рис. 3.4, 3.5, 3.6.
Анализируя графики, представленные на рис. 3.4, 3.5, 3.6, можно сделать следующие выводы:
1. В гидродинамических устройствах с щелевым тангенциальным входом создается значительно большее разрежение на оси потока (Н0- -0,41...-0,72 м) чем в гидродинамических устройствах с камерой входа (Н0 = -0,12.. .-0,19 м).
2. Гидродинамические устройства с камерой входа позволяют получить большее разрежение в пристеночной области (і/н = -0,09...-0,16 м), чем гидродинамическое устройство с щелевым тангенциальным входом (Нн = -0,03.. .-0,09 м).
3. Величина отношения напора в центральной области к напору в пристеночной области в вихревых камерах гидродинамических устройств с щелевым тангенциальным входом значительно превышает аналогичный показатель вихревых камер гидродинамических устройств с камерой входа.
4. При увеличении осевой скорости voc в вихревых камерах гидродинамических устройств с щелевым тангенциальным входом с 1 м до 3 м разрежение в осевой области увеличивается в 2,1-2,4 раза, а в вихревых камерах гидродинамических устройств с камерой входа - в 1,1-1,2 раза.
Лабораторные исследования процесса перемешивания жидкости эрлифтным устройством, работающим в статическом режиме
Аппаратурное оформление технологии диспергирования водовоздушной смеси предусматривает проектирование следующих устройств: 1) водовоз душного эжектора; 2) электрогидродинамического устройства; 3) камеры с коалесцирующей загрузкой; 4) стояка классификатора фракций водовоздушной смеси. Используемый в технологии водовоздушный эжектор диспергирования водовоздушной смеси эжектор является гидроструйным насосом, в котором происходит передача энергии от рабочего потока перекачиваемой жидкости к потоку подсасываемого воздуха.
Конструктивная схема водовоздушного эжектора с основными соотношениями размеров в соответствии с рекомендациями Е.Я. Соколова и Н.М. Зингера [173] представлена нарис. 7.5. /=(6-ЮН Рис. 7.5. Конструктивная схема водовоздушного эжектора: 1 - входной патрубок; 2 - рабочее сопло; 3 - воздушный патрубок; 4 - конфузор; 5 - камера смешения; 6 - диффузор; 7 - выходной патрубок 255 Диаметр входного патрубка эжектора dv рассчитывается по формуле d = \ —,м, (7.1) р 4-3600 У J где Qp - расчетный часовой расход сточных вод, перекачиваемых во флотатор, м3/ч; vp - расчетная скорость потока жидкости во входном патрубке эжектора, vp= 1,2-1,8 м/с.
Основной геометрической характеристикой эжектора является относительный диаметр d , определяемый как отношение диаметра камеры смешения dK к диаметру рабочего сопла dc: d = і. (7.2) с Величина относительного диаметра эжектора d принимается в зависимости от величины относительного давления р определяемого по формуле: Р = , (7.3) где рр - давление во входном патрубке эжектора, Па; рс - давление в выходном патрубке эжектора, Па. Основной технологической характеристикой эжектора является объемный коэффициент эжекции (коэффициент подсоса), определяемый как отношение расхода подсасываемого воздуха Qb, м3/ч, к расходу перекачиваемой жидкости Qv, м3/ч. u=Ss.. (7.4) О Технология диспергирования водовоздушной смеси предусматривает использование высоконапорных эжекторов с оптимальным диаметром d = 1,4-1,8 и коэффициентом эжекции и = 0,5-0,8. Диаметр рабочего сопла эжектора рассчитывается по формуле (7.5). dc= 4Qp , м, (7.5) 3600жр 2Рр/р где р - плотность воды (р 1000 кг/м3); ф - коэффициент скорости рабочего сопла (ф = 0,95). 256 Диаметр камеры смешения определяется по формуле dK = ddc, м. (7.6) Расход подсасываемого воздуха определяется по формуле QB =uQp, м3/ч. (7.7) Диаметр воздушного патрубка эжектора рассчитывается по формуле: d = \ — м (7-8) где ZJB - расчетная скорость воздуха в воздушном патрубке, vB = 6-8 м/с. Расстояние от рабочего сопла до начала камеры смешении (длина свободной струи) /с при и 0,5 рекомендуется определять по формуле: /ст = 1,43 /ст(0,37 + и),м, (7.9) где dCT - диаметр струи жидкости, определяемый по формуле: dCT=l,55dc(\ + u),M, (7.10) Длина камеры смешения /к принимается из условия /Ж=(6-10К. (7.11) Диаметр выходного патрубка эжектора рассчитывается по формуле: D Шх+дв) 3 у 4-3600г;с J где vc— скорость водовоздупшого потока в выходном патрубке эжектора, vc = 1,0-1,2 м/с. Длина диффузора эжектора определяется по формуле /л=% ,м, (7.13) 2tga где a - угол конусности диффузора, a = 4-5.
Электрогидродинамическое устройство (ЭГДУ) Электрогидродинамическое устройство предназначено для получения устойчивой, не склонной к коалесценции мелкодисперсной водовоздушной смеси. Схема электрогидродинамического устройства представлена на рис. 7.6. D„ "X і . ) ч J _ІУ з/ \25/" І шттвшЛт/ f —4 к KB к 4 --аП.5г [ 1 г V Рис. 7.6. Схема электрогидродинамического устройства: 1 - входной патрубок; 2 - камера входа; 3 - катодный участок вихревой камеры; 4 - анодный участок вихревой камеры; 5 - диэлектрические фланцевые соединения Диаметр входного патрубка ЭГДУ dBn рассчитывается по формуле: (7.14) d„„ = . I , м, 4-3600Гвп где vm - скорость движения водовоздушной смеси во входном патрубке ЭГДУ, увп= 1,2-1,4 м/с. Диаметр камеры входаDKB определяется по формуле: Da = dmKr,M, (7.15) где Кг - геометрический коэффициент, Кг= 5. Диаметр ствола ЭГДУ (вихревой камеры) рекомендуется принимать равным диаметру входного патрубка: dBK = dBn. 258 Проведенные технологические расчеты в соответствии с методикой, представленной на рис. 1.12 показывают, что для получения значения критерия Кемпа Са = 1200 длина вихревой камеры должна составлять /вк = l2dBK, при этом: длина катодного участка (7.16) ку = 8 вк м длина анодного участка Ly = 4 к М (7.17) Камера с коалесцирующей загрузкой Камера с коалесцирующей загрузкой предназначена для предварительной обработки замазученных сточных вод с целью укрупнения содержащихся в них капелей нефтепродуктов. Схема камеры с коалесцирующей загрузкой представлена на рис. 7.7. Диаметры входного dBX и выходного dBb[X патрубков камеры с коалесцирующей загрузкой принимаются равными диаметру выходного патрубка эжектора Д,
Похожие диссертации на Интенсификация работы канализационных очистных сооружений с использованием диспергированных водовоздушных смесей
