Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ систем аэрации, применяемых в сооружениях биологической очистки сточных вод 7
1.1. Основные требования предъявляемые к системам аэрации 7
1.2. Технико-экономические показатели, применяемые для оценки различных систем аэрации и классификация систем аэрации 11
1.3. Пневматическая система аэрации 13
1.4. Механическая система аэрации с поверхностными аэраторами центробежного типа 17
1.5. Механическая система аэрации с поверхностными цилиндрическими аэраторами 19
1.6. Пневмомеханическая система аэрации 20
1.7. Струйная аэрация 23
1.8. Выводы 32
1.9. Основные задачи настоящих исследований 32
2. Методика экспериментальных исследований 34
2.1. Общие положения 34
2.2. Описание крупномасштабной лабораторной установки 35
2.3. Методика экспериментального определения производительности по воздуху 39
2.4. Методика определения объемного коэффициента массо-передачи и расчета эффективности аэрирования 41
2.5. Методика испытания аэраторов струйного типа в производственных условиях 52
3. Теоретические и экспериментальные исследования гидравлических условий работы струйных аэраторов 55
3.1. Режимы движения пленок в вертикальных трубах . 55
3.2. Схема движения жидкости в вертикальной трубе при свободном истечении газожидкостной смеси . 56
3.3. Равномерное турбулентное течение жидкости 58
3.4. Определение размеров участка ускоренного движения жидкости 62
3.5. Условия истечения жидкости в вертикальную колонну струйного аэратора 64
3.6. Определение профиля скоростей движения воздуха . 68
3.7. Определение расхода воздуха, увлекаемого стекающей жидкостной пленкой 73
3.8. Влияние высоты колонны на расход воздуха 80
3.9. Условия истечения потока из колонны в резервуар. 82
3.10 .Структура газожидкостного потока в колонне при истечении под уровень воды в резервуаре. 84
3.11 .Выводы 90
4. Результаты экспериментальных исследований процесса массопередачи при применении струйных аэраторов 94
4.1. Условия массообмена в аэраторах струйного типа 94
4.2. Экспериментальное определение расчетного уравнения массопередачи для исследуемой системы аэрации 95
4.3. Экспериментальное определение коэффициента массопередачи непосредственно в аэрационной колонне 107
4.4. Исследование влияния поверхностноактивных веществ на коэффициент массопередачи 109
4.5. Методика расчета системы аэрации струйного типа 117
4.6. Эффективность аэрирования струйной системы аэрации . 123
4.7. Выводы 129
5. Результаты производственных исследований аэротенков, оборудованных аэрацией струйного типа, рекомендуемые конструктивные решения и основные технико-экономические показатели 130
5.1 Рекомендуемые конструктивные решения систем аэрации струйного типа 130
5.2 Конструкции производственных установок биологической очистки сточных вод, оборудованных аэраторами струйного типа. 135
5.3 Результаты экспериментальных исследований полноты перемешивания, достигаемое в зоне аэрации, при применении аэраторов струйного типа 136
5.4 Результаты эксплуатации производственных установок биологической очистки, оборудованных струйной системой аэрации 142
5.5 Технико-экономические показатели установок биологической очистки с аэрацией струйного типа 148
5.6 Примеры использования аэрации струйного типа в других областях санитарной техники 157
5.7 Выводы 161
Литература 162
Приложения 173
- Технико-экономические показатели, применяемые для оценки различных систем аэрации и классификация систем аэрации
- Методика экспериментального определения производительности по воздуху
- Схема движения жидкости в вертикальной трубе при свободном истечении газожидкостной смеси
- Экспериментальное определение расчетного уравнения массопередачи для исследуемой системы аэрации
Введение к работе
Охрана окружающей среды от загрязнений является одной из актуальных проблем современности. В СССР охране окружающей среды, в том числе охране содоемов и рациональному использованию водных ресурсов уделяется огромное внимание.
В соответствии с указаниями партии и правительства, изложенными в "Законе об охране природы" (1961 г.) и "Основах водного законодательства Союза ССР и союзных республик" (1970 г.), а также в постановлениях "О мерах по упорядочению использования и усиления охраны водных ресурсов СССР" (I960 г.)» "О мерах по дальнейшему улучшению охраны природы и рациональному использованию природных ресурсов" (1972 г.), "О мерах по предотвращению загрязнений бассейнов рек Волги и Урала неочищенными сточными водами" (1972 г.), "Об усилении охраны природы и улучшении использования природных ресурсов" (1973 г.)» "О мерах по предотвращению загрязнений бассейнов Черного и Азовскоюо морей" (1976 г.) в нашей стране осуществляется грандиозная программа социально-экономических и технических мероприятий по борьбе с загрязнением воды. Только в 10-й пятилетке на эти цели было выдел єно 7 млрд .рублей.
В настоящее время все больший размах получает жилищное и культурногбытовое строительство, В соответствии с директивами ХХУІ съезда КПСС на это строительство выделяются большие материальные и денежные средства. В связи с этим строительством резко повышается количество сточных вод и необходимость их очистки. Вопросы очистки сточных вод населенных мест и промышленных предприятий при современных повышенных требованиях к охране водоемов от загрязнений приобретают большое значение.
Наиболее распространенными сооружениями для биологической очистки бытовых и промышленных сточных вод являются аэротенки.
Они получили широкое распространение в СССР и за рубежом не только для крупных биологических станций, но и для станций небольшой и средней производительности»
Эксплуатационные расходы при очистке сточных вод в аэротен-ках определяются в основном расходом электроэнергии, затрачиваемой на растворение кислорода и перемешивание смеси сточных вод и активного ила. Расход электроэнергии в значительной степени зависит от принятой системы аэрации.
В нашей стране наибольшее распространение получила пневматическая система аэрации с распределением воздуха с помощью фильт-росных пластин. В данной системе аэрации воздух от турбовоздуходувок по системе трубопроводов поступает в железобетонные каналы, перекрытые сверху фильтросными пластинами. Наряду с фильтро-сами применяются фильтросные и поролитовые трубы. При этом конструкция аэротенков и системы аэрации не отличаются от аналогичных с фильтросами.
Эффективность аэрирования этой системы аэрации при оптимальных режимах работы и стандартных условиях (температура воды Ю°С, давление 0,1 МПа дефицит кислорода d = 1# к.п.д. воздуходувок = I) составляет 3 3,5 кг 02/квтч. В реальных условиях эффективность аэрирования значительно меньше и составляет 1т 1,5 кг 02/квтч.
Одновременно данная система аэрации требует применения сложного и дефицитного воздуходувного оборудования.. Принимая во внимание масштабы строительства станций аэрации, особенно малой и средней производительности, уже в настоящее время наблюдаются трудности в получении такого оборудования. В настоящей работе намечается изучить струйные аэраторы шахтного типа и условия их применения в сооружениях биологической очистки сточных вод. Предполагается, что их применение при определенных условиях позволит исключить использование дефицитного оборудования, снизить расход электроэнергии на очистку сточной жидкости и повысить надежность работы сооружений биологической очистки.
Технико-экономические показатели, применяемые для оценки различных систем аэрации и классификация систем аэрации
При технико-экономической оценке различных систем аэрации обычно используют следующие показатели: а) окислительная способность ОС (Охидепсіііоп Capacitu ), представляющая собой скорость переноса кислорода при стандарт ных условиях (температура воды - 10С и давление ОД ИПа), выра женная массой кислорода, перенесенной за один час, кг О ч.; б) эффективность аэрирования, определяемая как отношение скорости переноса кислорода в воде при стандартных условиях к номинальной мощности, кг 02/ квтч ; в) степень турбулизации потока в сооружении, оцениваемая обычно по скоростям движения жидкости в характерных точках; обычно приводят значение минимальных донных скоростей, величины которых должны быть достаточны для псевдоожижения активного ила; г) удельная номинальная мощность на единицу объема сооруже ния; обычно расчет системы аэрации производится исходя из дости жения требуемых скоростей растворения кислорода в сооружении, а поэтому удельная мощность будет зависеть от требуемой скорости растворения кислорода и эффективности аэрирования. Эффективность аэрирования принято определять исходя из работы нетто, без учета коэффициента полезного действия приводного оборудования. Это позволяет получать более общий показатель, независимый от характеристики установленного оборудования, выбор которого определяется местными условиями и номенклатурой оборудования, выпускаемого промышленностью. В тех случаях, когда по каким-либо причинам определить работу нетто не удалось, приводится работа-брутто. В настоящее время для биологической очистки сточных вод как в СССР так и за рубежом получили распространение следующие системы аэрации: а) пневматическая; б) механическая с поверхностными центробежными аэраторами; в) механическая с поверхностными цилиндрическими аэратора ми; г) пневмомеханическая; д) струйная.
Технико-экономические показатели пневматической аэрации определяются конструкцией воздухораспределительной системы, удельной нагрузкой по воздуху, конструкцией установки, принятым типом воздуходувного оборудования. В зависимости от типа воздухораспределителей пневматическая система аэрации подразделяется на мелкопузырчатую (d =1 4 мм) среднепузырчатую (d =5 10 мм) и крупнопузырчатую ( d 10 мм).
Наибольшее распространение при мелкопузырчатой системе для распределения воздуха получили фильтросные пластины, пористые керамические трубы.
Большим недостатком керамических аэраторов, дающих мелкие пузырьки воздуха, является засоряемость с внешней стороны солями железа, карбонатами, а с внутренней стороны - окалиной и пылевидными частицами, поступающими вместе с воздухом, невозможность применения их для ряда сточных вод (мясокомбинаты, молокозаводы, животноводческие фермы).
Существенным недостатком воздухораспределительной системы с фильтросами является трудоемкость подбора фильтросов одинаковой проницаемости и частые случаи вырыва пластин из канала» Повторная заделка пластины требует остановки аэротенка, его опорожнения и поэтому представляет собой времяемкую операцию, связанную с нарушением нормальной эксплуатации всего блока биологической очистки.
Для определения сопротивлений в пластинах, необходимо увеличивать напор воздуха в сети и соответственно расход электроэнергии. Через 4-5 лет потери напора возрастают в 5-6 раз и фильтросы необходимо заменять через каждые 10-12 лет. Применяемые способы регенерации пористых пластин восстанавливают их проницаемость лишь частично и только на короткий срок. Для надежной работы пористых аэраторов необходима достаточно высокая очистка подаваемого воздуха.
Несмотря на указанные недостатки пористые аэраторы являются основными, применяемыми в СССР и широко используются за рубе-ком. Это объясняется тем, что пористые аэраторы достаточно хорошо диспергируют воздух и обеспечивают высокую эффективность его использования.
Окислительная способность при распределении воздуха фильт-росными пластинами или фильтросными трубами зависит от глубины их расположения, размеров аэротенка, площади занимаемой фильтро-сами, интенсивности аэрации и изменяется в широких пределах 16 170 г 02/м3ч /11,14,40/. Эффективность аэрирования данной системы аэрации в зависимости от конструкции и режима эксплуатации изменяется в пределах 2,5 5 кг 02/квтч /14,33,40,85,110/. Однако в связи с увеличением сопротивления воздухораспределительных систем в процессе эксплуатации этот показатель на практике имеет тенденцию к уменьшению и его реальное значение с учетом коэффициента полезного действия воздуходувного оборудования через несколько лет эксплуатации не превышает 1,5 2 кг 02/квтч.
Методика экспериментального определения производительности по воздуху
Исследование этого параметра производилось на аэрационнои колонне тех же конструктивных и технологических параметров, что и в предыдущей серии опытов. Исследовалось два типа приемных воронок отличающихся углом конусности (60 и 90), при осевом и тангенциальном подводе воды в верхнюю камеру.
Влияние величины зазора на всасывающую способность колонны по воздуху проверялось на аэрационнои колонне тех же конструктивных размеров, что и в предыдущих опытах при осевом и тангенциаль » ном впусках воды в верхнюю камеру.
Величина зазора в опытах принималась 5, 10, 15, 20 мм и сво бодный излив, т.е. без регулирующего конуса. При каждой величине зазора расход воздуха определялся при шести значениях расхода циркулирующей воды от 2,8 м3/ч до 7,68 м3/ч Для определения влияния высоты аэрационнои колонны на производительность по воздуху верхняя камера устанавливалась на З х опорных стойках, по которым она скользила и могла быть установлена на различных высотах от 2,3 до 5,1 м. Изменение диаметра колонны достигалось монтажем колонны стеклянных труб другого диа метра с одновременной сменой сальника. В ходе исследований были испытаны колонны с условным диаметром 30, 50 и 75 мм. Все исследования проводились с воронкой с углом конусности 90 и зазором между воронкой и регулирующим конусом в 10 мм.
Влияние этого параметра изучалось на всех исследованных диаметрах колонн, при различных их высотах. При этом заглубление из« менялось от расположения конца трубы на 20 см выше уровня воды в в аэрационной камере до заглубления конца трубы под уровень на 70 см для крупномасштабной установки и на 2,5 м для малой лабораторной установки, Производительность исследуемой аэрационной колонны по воздуху является лишь косвенным показателем ее эффективности как аэрационной системы, применяемой для интенсификации процесса растворения кислорода в сооружениях биологической очистки сточных вод. Этот показатель не может быть использован непосредственно при сравнении данной системы с существующими системами аэрации. Эффективность любой системы аэрации в настоящее время оценивается следующими показателями: а) объемным коэффициентом массопередачи К5(1/ч) или окисли тельной способностью аэрации в кг OgA; б) эффективностью аэрирования, представляющей собой коли чество кислорода растворяющееся в воде при стандартных условиях, при затратах энергии равных I квтч (кг 02/квтч). Для определения объемного коэффициента массопередачи в опытах на полупроизводственной установке был использован метод переменного дефицита кислорода. Экспериментальное определение объемного коэффициента массопередачи и "окислительной способности" аэрационной колонны выполнялось в следующем порядке, В аэрационную камеру., заполненную водой, для связывания растворенного кислорода добавлялся сульфит натрия в количестве:
Сульфит натрия и хлористый кобальт предварительно растворялись в колбах с теплой водой и затем через верхний патрубок с вентилем вливались в резервуар с водой. Затем вентиль закрывался и включался насос для перемешивания содержимого резервуара. По истечении 3-4 минут после начала перемешивания закрывался вентияь на циркуляционной трубе и открывался вентиль на подачу воды в аэрационную колонну. После установления требуемого расхода, определяемого диафрагмой с ртутным дифманометром, отбиралась первая проба воды из резервуара. Затем, в зависимости от объема воды в резервуаре и циркуляционного расхода отбирались пробы через следующие интервалы времени: для малых объемов воды и больших циркуляционных расходов 0,5; I; 2; 3 и б мин,; для больших объемов воды и малых циркуляционных расходов I, 3, 6, 12 и 20 мин,; для промежуточных объемов и расходов 0,5, I, 3, б и 12 мин.
Пробы воды отбирались в стеклянные колбочки объемом 115,710 124,950 мм3 с притертыми пробками Затем в пробах определялась концентрация растворенного кислорода по методу Винкле-ра и рассчитывались величины объемного коэффициента масс опер еда чи и "окислительной способности" аэратора. В качестве примера в табл. 2.1 приведена методика обработки результатов некоторых опытов данного этапа исследований.
Схема движения жидкости в вертикальной трубе при свободном истечении газожидкостной смеси
При истечении жидкости из распределительной камеры в вертикальную колонну в камере при определенных расходах образуется вихревая воронка, центральную часть которой занимает воздушный жгут. Характер образующейся над сливным отверстием воронки и коэффициент расхода в значительной степени определяются условиями подвода воды в распределительную камеру.
При радиальном подводе воды в камеру над водосливным отверстием образуется воронка без вращения жидкости. Проведенные экспериментальные исследования показали, что коэффициент расхода при истечении воды непосредственно в трубу высотой 2,5-5 м оказался переменным, зависящим от расхода. График зависимости коэффициента расхода U от числа Рейнольдса І\Єчл для стеклянных труб d = 20 мм представлен на рис. 3,4. Коэффициент расхода jul определяется по формуле: при постоянной площади поперечного сечения Си .В действительности с увеличением расхода возрастает и СО в результате уменьшения сечения воздушного жгута, который совсем исчезает при некотором П Ккр Однако увеличение Ц значительно превышает увеличение OJ , что может быть объяснено лишь наличием отсасывающего эффекта, создаваемого кольцевым потоком жидкости, стекающим в вертикальной трубе с большой скоростью.Экспериментальные данные о величине критического расхода жидкости, при котором происходит исчезновение вихревой воронки над водосливным отверстием, хорошо согласуются с уравнением, приводимым С.СКутате-ладзе и М.А.Стыриковичем /34/: где ПКР - критический напор над сливным отверстием в момент исчезновения воронки; G - диаметр сливного отверстия; V - скорость движения жидкости в опускной трубе; YjY1 - объемный вес соответственно воды и воздуха.
Приведенные выше данные действительны для установившегося режима течения. В начальный момент подачи воды в верхнюю камеру имеет место быстрый подъем воды над водосливным отверстием на значительную высоту без образования воронки, обусловленные потерями энергии на ускорение потока в вертикальной трубе, затем -резкий спад уровня с образованием воронки и воздушного жгута.
В последующие периоды заметных изменений уровня воды в камере при постоянном расходе не наблюдается. При подаче воды в верхнюю камеру под острым или прямым углом к радиусу образуется развитая воронка с вращением жидкости и воздушным жгутом, занимающим значительную часть площади сливного отверстия, что имеет следствием существенное уменьшение коэффициента расхода. Параметры развитой воронки, а именно, расход, протекающий через отверстие и интенсивность воронки зависят от момента количества движения подводимого в камеру, т.е. от угла между радиусом и направлением вытекающей из подводящего патрубка струи, скорости струи, расхода и расстояния от центра сливного отверстрія. При тангенциальном подводе воды в камеру (угол между радиусом и направлением струи 90) уже при расходе 0,2 л/с напор над водосливным отверстием превышал 12,5 см и имел место перелив через стенки камеры. Коэффициент расхода сливного отверстия при этом составлял U =0,24, т.е. был значительно ниже, чем при радиальном подводе воды. На значительное снижение коэффициента расхода при образовании развитой воронки с вращением указывают многие авторы /3,47,51,62/. Аэрация воды в аэрационной камере в этих условиях была незначительной.
Изучение условий истечения было продолжено при оборудовании вертикальной колонны приемной воронкой, устанавливаемой в распределительной камере. Исследовались воронки с углом конусности 15-, 30, 60 и 90. При оборудовании сливного отверстия воронкой, последняя, при радиальной подаче воды в камеру, работала как водослив с острым гребнем с коэффициентом расхода 1/ 0,4. Воздушный жгут при этом образовывался в месте входа воды в вертикальную колонну. При тангенциальном подводе воды в распределительную камеру в ней образуется развитая вихревая воронка с вращением жидкости и одновременно уменьшается коэффициент расхода.
Существенного влияния угла конусности на характер истечения и количество увлекаемого водным потоком воздуха отмечено не было. Некоторое увеличение расхода воздуха (3-10 при прочих равных условиях было отмечено для воронки с конусностью в 60.
Одновременно с конусностью воронки изучалось влияние уста-ковки регулирующего конуса на количество вовлекаемого воздуха. Внутренняя поверхность приемной воронки и наружная поверхность регулирующего конуса образуют щель, через которую жидкость поступает в вертикальную колонну, а вертикальная трубка конуса позволяет подводить воздух в любое сечение колонны (рис.3.5). Однако результаты экспериментальных исследований не подтвердили эффективности применения регулирующего конуса при радиальной подаче жидкости в распределительную камеру, т.е. когда образуется воронка без вращения жидкости. В этих условиях заметного увеличения расхода воздуха не было отмечено. В случаях, когда возможно образование развитой воронки с вращением жидкости, что часто имеет место на практике, применение регулирующего конуса препятствует ее образованию и улучшает условия истечения.
Экспериментальное определение расчетного уравнения массопередачи для исследуемой системы аэрации
Основными показателями, используемыми для характеристики эффективности систем аэрации, являются объемный коэффициент массопередачи Ks «"окислительная способность" аэратора и эффективность аэрирования. Экспериментальное определение объемного коэффициента массопередачи производилось по методу переменного дефицита кислорода в опытах с водопроводной, предварительно обескислороженной водой. Колонны изготовлялись из стеклянных труб внутренним диаметром 37, 55 и 78 мм. Высота колонны изменялась от 2,36 м до 5,20 м, а заглубление конца колонны под уровень воды в резервуаре от 0 до 60 см. Температура воды составляла 2С - 26С.
Анализ данных 100 опытов (табл.4.1) показывает, что объемный коэффициент массопередачи изменяется в широких пределах от 3 до 60 І/ч в зависимости от высоты колонны, расхода воды, глубины воды в резервуаре, заглубления колонны и её диаметра. Соответственно изменяется и "окислительная способность" системы аэрации от 19 до 232 г/ч. Лучшие значения эффективности аэрирования системы аэрации составляли в опытах 2500 г 02/квтч, что соответствует аналогичным показателям мелкопузырчатой системы аэрации и применяемым на практике системам механической аэрации.
Экспериментальные данные по определению объемного коэффициента массопередачи были обработаны в виде критериального уравнения, используемого обычно в практических расчетах, для описания процесса массопередачи в жидкой фазе: табличном значении \ Гч =1,99 для доверительной вероятности 0#05 и числа степеней свободы 93 подтверждает значимость К . Значение критерия Фишера г = 15,1938 при табличном значении Г = 1,3 для доверительной вероятности 0,05 и числа степеней свободы ,= 99 и г = 93 позволяет утверждать, что полученное уравнение регрессии значимо.
Совпадение экспериментальных данных с результатами вычислений по уравнению (4.2) представлено в табл. 4.1.
Имеющий место некоторый разброс экспериментальных данных по сравнению с расчетными объясняется трудностями в достижении требуемой точности эксперимента на крупномасштабных установках. При определении объемного коэффициента массопередачи l\s предполагалось, что измеренная концентрация кислорода является одинаковой для всего объема жидкости в резервуаре, т.е. допускалось "мгновенность" перемешивания. В действительности время перемешивания конечно и зависит от циркулирующего расхода жидкости и объема воды в резервуаре. По этой причине точность экспериментального определения l\s не превышала 10$.
Полученные в опытах значения показателей степеней при критериальных числах близки к данным,приводимым рядом авторов. Так Кафаров В.В. /28/ для режима развитой свободной турбулентности приводит следующие численные значения Гїї =і# П =1. Ле-вич В.Т. /39/ теоретически получил для турбулентного режима течения пленки соответственно ГП = 1,5, П = 0,5.
Анализ уравнения (4.2) показывает, что коэффициент массопередачи возрастает с увеличением числа КС или соответственно плотности орошения. Подобную зависимость объемного коэффициента массопередачи от плотности орошения можно объяснить основываясь на гидравлических условиях работы струйных аэраторов, рассмотренных в в предыдущей главе. Как было показано выше (рис.3 14, 3,15) с увеличением расхода циркулирующей воды (числа Re ) расход всасываемого потоком воды воздуха сначала увеличивается, достигая максимального значения, а затем уменьшается. Одновременно с увеличением расхода воды увеличивается степень турбулизации поверхности пленки при свободном истечении и наблюдается переход от снарядного режима течения к эмульсионному при истечении под уровень. Повышение скорости истечения способствует более глубокому проникновению газожидкостной струи, что в свою очередь увеличивает площадь поверхности контакта фаз. Уравнение (4.2), таким образом, применимо лишь для области возрастания расхода воздуха с увеличением расхода воды, т.е. в определенной области значений Ке При превшпении значений Ке Кеке уравнение (4.2) становится не адекватным условиям протекания процесса. Значения Re кг нетрудно найти из экспериментальных данных, представленных на рис. 3.14 и 3.15. Значения ІчЄкр с достаточной для практики точностью могут быть описаны уравнением: где СІК - диаметр колонны в мм.
Таким образом, критический циркуляционный расход жидкости равен что соответствует также данным других авторов А4/. Другим технологическим параметром, определяющим значение объемного коэффициента массопередачи, как следует из уравнения (4.2), является отношение величины заглубления колонны к ее высоте. С увеличением этого параметра коэффициент массопередачи Ks увеличивается. Однако следует иметь в виду, что подобная зависимость имеет место лишь при условии
