Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время (и в видимой перспективе) основную функцию в процессах очистки сточных вод от органических и биогенных загрязнений выполняют искусственные биологические сооружения, в большей степени аэротенки различных технологических и конструктивных решений, оборудованные разнообразными системами аэрации. Согласно экспертным оценкам от 60 до 90% эксплуатационных затрат очистных станций обусловлено расходами на аэрацию иловой смеси в аэротенках.
В последнее десятилетие в связи с появлением и использованием новых материалов и оборудования для диспергирования воздуха (преимущественно зарубежного производства) повышены надежность и энергетические показатели известных конструкций аэраторов, но не исключены, в полной мере, имеющиеся у них недостатки.
В то же время многим типам пневматических мелкопузырчатых аэраторов свойственны кольматация пор - засорение, увеличение сопротивления выходу воздуха и, соответственно, рост давления в системе, необходимого для диспергирования одного и того же количества воздуха.
Особую сложность для эксплуатации представляет периодическое отключение электроэнергии и, как следствие, прекращение аэрации. Восстановление поврежденных аэраторов требует опорожнения аэротенков. В итоге все это требует существенных экономических и временных затрат, характерным показателем которых является энергосбережение. Постановления Правительства РФ указывают, что в течение ближайших 3 – 4 лет количество потребляемой абонентами электроэнергии по сравнению с настоящим периодом удвоится, а ее стоимость будет сравнима с мировыми ценами. К тому же введение платы за установленную электрическую мощность направлено на использование обоснованного, а не завышенного, электрооборудования.
Поэтому внедрение в России нового класса энергосберегающих мембранных аэраторов следует концепции энергосбережения.
Имеется, к сожалению, преимущественно, зарубежный, достаточно длительный и эффективный опыт использования мембранных аэраторов в биологической очистке сточных вод. При этом, для флотации и/или смешения мембранные аэраторы не применялись ни за рубежом, ни в России.
К тому же литературные данные по зарубежным мембранным аэраторам касаются применения в аэротенках при высоте слоя жидкости более 3,6 м. В Российской практике высота слоя иловой смеси в аэрационных сооружениях может быть меньше 3,6 м: например, в транспортносовместимых блочно-модульных сооружениях – 2,8 м. Массообменных характеристик от зарубежных разработчиков и производителей мембранных аэраторов для таких высот аэрируемой жидкости не имеется и их надо определять впервые.
Изложенное определяет актуальность работы и требует проведения как теоретических, так и экспериментальных исследований.
Цель работы – повышение эффективности процессов очистки сточных вод на базе применения энергосберегающих мембранных аэраторов при различных условиях эксплуатации систем аэрации.
Для достижения поставленной цели потребовалось решение ряда взаимосвязанных задач:
- уточнение систематического положения мембранных аэраторов в известных классификациях аэрационных систем;
- исследование массообменных и энергетических характеристик для аэраторов ряда производителей и получение их расчетных зависимостей;
- проведение сравнительного анализа эксплуатационных показателей различных типов аэраторов при очистке сточных вод и разработка методики их выбора;
- изучение способов оптимизации аэрационного процесса по удельным энергозатратам с применением различных носителей, импульсной аэрации, перемешивания;
- определение степени регенерации мембранных аэраторов и их массообменных характеристик после различных периодов и условий эксплуатации.
Основная идея работы состоит в установлении массообменных характеристик различных типов аэраторов, в разработке методики их выбора и расчета, что обеспечивает повышение эффективности и энергосбережения аэрационного процесса при очистке сточных вод с применением мембранных аэраторов в расширенном диапазоне высот слоя аэрируемой жидкости, в т. ч. и с твердыми носителями, являющиеся активными окислителями биозагрязнений.
Методы исследований включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, моделирование изучаемых процессов на испытательных установках, оснащенных контрольно-измерительными приборами. Оптические, физико-химические и биохимические методы анализа сточных вод и водопроводной воды лабораторных, полупроизводственных и производственных установок. Обработку экспериментальных данных вели методами математической статистики и корреляционного анализа.
Достоверность обоснована применением классических положений теоретического анализа, моделированием изучаемых процессов, планированием необходимого объема экспериментов, подтверждена удовлетворяющей сходимостью полученных результатов экспериментальных исследований, выполненных в опытно-промышленных и промышленных условиях с расчетными зависимостями в пределах максимальной погрешности =±10% при доверительной вероятности 0,95.
Научная новизна работы:
- произведена оценка аэрационного процесса по параметрам, применяемым в зарубежной практике, а также проведена их адаптация к показателям, принятым в отечественной научной и технической литературе;
- обоснованы теоретически и подтверждены экспериментально высокие массообменные характеристики мембранных аэраторов и предложены методики их выбора и расчета при высоте обрабатываемой жидкости до 4 м;
- получены расчетные зависимости для описания массообменных процессов при очистке сточных вод с применением мембранных аэраторов при различных высотах слоя воды;
- дополнена классификация пневматических аэрационных систем на основании последних разработок конструкций аэраторов и исследований механизма протекающих процессов при их эксплуатации.
Практическое значение полученных результатов:
- подтверждено эмпирическим путем преимущество мембранных аэраторов перед другими типами аэраторов, в том числе при различных высотах слоя воды;
- предложена методика повышения эффективности аэрационного процесса на основе сорбционной технологии, позволяющая значительно сократить потребление электроэнергии;
- предложено конструктивное решение раскладки мембранных аэрационных систем в очистных сооружениях, позволяющее оптимально производить насыщение кислородом слой сточной жидкости без образования застойных зон.
Реализация результатов работы:
- рекомендации диссертационной работы использованы в проектах институтов ОАО «Институт «Ростовский Водоканалпроект», ООО «Северо-Кавказский Гипрокоммунводоканал», ОАО «ЛУКОЙЛ-Ростовнефтехимпроект», ООО «Гипрошахт», г. Ростов–на–Дону;
- использованы ООО «Акватрат», г. Ростов н\Д, в конструировании, изготовлении и эксплуатации блочно – модульных установках по биохимической очистке хозяйственно – бытовых и некоторых типов производственных сточных вод, при физико-химической очистке ряда предприятий пищевой, нефтехимической и перерабатывающей промышленности (всего – более 20 объектов от Сахалина до Норильска);
- внедрены в учебный процесс ГОУ ВПО «Ростовский государственный строительный университет».
На защиту выносятся следующие основные положения:
- способность к захлопыванию отверстий мембранных аэраторов при отключении электроэнергии позволяет дополнить данным признаком существующую классификацию аэрационных систем;
- применение мембранных аэраторов значительно повышает эффективность аэрационного процесса и снижения энергопотребления до 60% при очистке различных категорий сточных вод;
- увеличение эффективности аэрационного процесса с мембранными аэраторами до 25% достигается применением сорбционной технологии, основанной на применении сорбирующих материалов;
- не обнаружен стабильный положительный эффект энергосбережения в импульсном режиме работы мембранных аэраторов;
- после годичного срока эксплуатации показатели массообмена мембранных аэраторов снижаются не более, чем на 15%;
- методика выбора различных типов аэраторов на основе ранжировочного ряда и/или эквивалентных процентов позволяет определить требуемый тип мембранных аэраторов в зависимости от исходных условий.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на: Международной научно-практической конференции института инженерно-экологических систем РГСУ (Ростов-на-Дону, 2008–2011 гг.), «Техновод» (Казань, 2005 г., Калуга, 2008 г.), «Экологическая безопасность городов юга России и рациональное природопользование», (Ростов-на-Дону, 2004, 2006 г.), «Яковлевские чтения», (Новочеркасск 2008 г., Москва, 2009 г.).
Публикации. По результатам работы опубликованы 10 печатных работ, в том числе: 2 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 - патент РФ.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав и выводов. Работа изложена на 152 страницах печатного текста, включает 54 рисунка, 29 таблиц и 3 приложения. Список литературы представлен 112 источниками.
