Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса разработки, исследований и эксплуатации систем аэрации сточных вод
1.1 Существующие конструкции аэраторов и опыт эксплуатации систем аэрации сооружений биологической очистки сточных вод 21
1.2 Методы расчета аэрационных систем 40
1.3 Методы моделирования и исследования газожидкостных систем 43
1.4 Выбор направления диссертационного исследования. Цель и задачи работы 64
2 Теоретические исследования процесса массопередачи при аэрации воды
2.1 Динамическая модель образования пузырьков 69
2.2 Скорость всплытия пузырьков 83
2.3 Межфазная поверхность "газ-жидкость" 87
2.4 Скорость переноса кислорода 94
2.5 Выводы по разделу 2 98
3 Принципы создания нового типа аэраторов и систем аэрации
3.1 Общие проблемы 100
3.2 Теоретические аспекты расчета аэрационных систем 106
3.3 Конструктивные характеристики аэраторов нового поколения 129
3.4 Выводы по разделу 3 134
4 Экспериментальные исследования гидравлических и массобменных характеристик аэраторов
4.1 Методика исследования массообменных характеристик аэраторов 136
4.2 Методика исследования гидравлических характеристик аэраторов 144
4.3 Разработка методов и приборов для исследования структуры газожидкостных потоков 146
4.4 Гидравлические характеристики аэраторов 153
4.5 Экспериментальные исследования массообменных характеристик трубчатых аэраторов 165
4.6 Исследование структуры водо-воздушного факела 169
4.7 Минимальная интенсивность аэрации 178
4.8 Проверка адекватности разработанных математических моделей 182
4.9 Комплексная проверка адекватности разработанных моделей 186
4.10 Выводы по разделу 4 192
5 Обобщение опыта эксплуатации созданных аэрационных систем 194
5.1 Характеристика работы очистных сооружений канализации до внедрения новых аэрационных систем 194
5.2 Методика расчета и проектирования систем пневматической аэрации
5.3 Характеристика работы очистных сооружений после внедрения новых систем аэрации 214
5.4 Пример практической реализации на Курьяновской станции аэрации г.Москвы 218
5.5 Ремонтоспособность и долговечность систем аэрации 220
5.6 Экономические аспекты применения разработанных систем аэрации 223
5.7 Выводы по разделу 5 226
Выводы 227
Список использованных источников 230
Приложение А. Результаты опытов на массообмен 258
Приложение Б. Характеристика объектов внедрения 280
Приложение В. Отзывы о работе аэрационных систем с аэраторами 290 АКВА-ПРО и аквалайн
- Методы моделирования и исследования газожидкостных систем
- Конструктивные характеристики аэраторов нового поколения
- Разработка методов и приборов для исследования структуры газожидкостных потоков
- Характеристика работы очистных сооружений после внедрения новых систем аэрации
Введение к работе
Актуальность работы.
Загрязнение водных объектов является одной из приоритетных задач, на решение которых направлена федеральная целевая программа "Экология и природные ресурсы России (2002-2010 годы)". Повышение эффективности очистки городских и промышленных сточных вод является одной из важнейших задач реализации указанной программы.
Аэрация сточных вод в процессе биологической очистки является одним из наиболее энергоемких процессов, на который приходится не менее 50% всех затрат на очистку сточных вод. Кроме того, аэрация - наиболее ответственный процесс, так как концентрация растворенного кислорода и эффективность перемешивания сточной жидкости в аэротенке во многом определяют степень окисления органических загрязнений.
Процесс совершенствования и создание новых типов аэраторов и аэраци- онных систем происходит в основном эмпирическим путем, при этом улучше- ние одних параметров аэрационных систем, неизбежно приводит к ухудшение других. Так, например, стремление повысить эффективность насыщения воды кислородом единичным аэратором, привело к повышенным капитальным затратам, неравномерности распределения воздуха по длине аэрационных лучей, низкой производительности единичных аэраторов, что в конечном счете сказывалось на качестве очистки сточных вод. Таким образом, задача разработки теоретических методов расчета аэрато ров и аэрационных систем, и на их основе - высокотехнологичных, эффективных и надежных устройств, является чрезвычайно актуальной.
Цель диссертационной работы.
Разработка конструкции и инженерной модели расчета трубчатых полимерных аэраторов для биологической очистки сточных вод.
Научная новизна.
1. Решена задача моделирования процесса формирования и роста лузырь ка воздуха в воде как задача переменной массы, движущейся с ускорением. ф Предлагаемая модель позволяет определить диаметр пузырька воздуха в мо мент его отрыва от поры при различных параметрах процесса, в том числе для криволинейных поверхностей аэратора.
2. Получена обобщенная формула для определения скорости всплытия пузырьков воздуха в сточной и водопроводной воде, для режимов одиночного и массового всплытия пузырьков.
На основе анализа структуры восходящих двухфазных струй разработана система расчета газосодержания водовоздушных потоков в различных зо нах. Получены зависимости скорости восходящего потока жидкости от газосо держания и геометрических параметров аэрационных систем.
4. Установлены новые зависимости массообменных характеристик мембранных и пористых аэраторов от их гидравлических параметров. На основе этих зависимостей разработана экспресс-методика определения массообменных характеристик.
5. Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены различ- ф ный характер зависимости эффективности массопередачи от расхода воздуха для диспергаторов с монодисперсным и полидисперсным составом пор.
6. На основе анализа уравнений движения систем с переменной массой получены зависимости распределения давления и расхода воздуха по длине аэрационного луча. Выведены зависимости, показывающие влияние пористого слоя и воздушных полостей на потери напора и коэффициент неравномерности распределения воздуха в аэрационной системе. Расчеты по указанным моделям использованы при определении конструктивных характеристик аэраторов (диаметра и скважности).
7. Показана возможность эффективной работы в одном аэрационном луче разнотипных аэраторов с различными гидравлическими и массообменными характеристиками. Разработана методика расчета таких комбинированных систем аэрации.
8. Разработан прибор и методика определения газосодержания в водовоз- душной смеси.
Практическая значимость.
1. На основе результатов теоретических разработок создана серия трубчатых пневматических мелкопузырчатых аэраторов, обладающих высокой надежностью, высокой эффективностью массопереноса и производительностью по воздуху.
Внедрение осуществлено на более чем на 300 объектах в России, а также в 13 странах мира. Наиболее значимыми объектами являются: Курьяновская станция аэрации (г. Москва), очистные сооружения городов - Ростов-на-Дону, Краснодар, Волгоград, Брянск, Казань, Ижевск, Челябинск, Воронеж, Иваново, Нижний Новгород, Орел, Тула, Хабаровск, Саратов, Улан-Удэ, Барнаул, Омск, Таганрог, Кострома, Ставрополь, Ярославль и другие города России.
Разработанные аэраторы успешно эксплуатируются также в Беларуси, Украине, Казахстане, Молдове, Китае, США, Южной Корее, Румынии, Индии, Японии, Венгрии, Кыргызстане, Узбекистане. 4 2. Освоены производственные мощности по производству аэрационных устройств, полностью обеспечивающие потребность станций очистки сточных вод предприятий и городов России.
3. Производство аэраторов сертифицировано по системе качества ISO 9001-2000, получены гигиенические заключения и сертификаты соответствия.
Выполненные разработки использованы при проектировании институтами Со ф юзводоканалпроект, Гипрокоммунводоканал (г.Москва), Ростовский Гипро коммунводоканал и другими проектными организациями.
5. Внедрение разработанных аэрационных систем позволило существенно сократить расходы электроэнергии на очистку сточных вод. Общая экономия электроэнергии в расчете на 100 тыс. м3 сточных вод в сутки составила более 250 тыс. кВт-ч в год. 6. Внедрение разработанных аэрационных систем позволило повысить эффективность очистки сточных вод от органических загрязнений на 5-10% и соединений аммонийного азота примерно на 30-40%, что позволило в ряде слу- щ чаев довести качество очищенных сточных вод до требований сброса в рыбохо зяйственные водоемы без строительства дополнительных сооружений. Личный вклад автора.
1. Постановка проблемы и формирование путей ее решения.
2. Создание экспериментальной базы и разработка методик экспериментальных исследований.
Разработка математических моделей гидравлики и массопередачи при аэрации жидкостей, вывод новых зависимостей, позволяющих на основе мини ф мального количества экспериментальных данных рассчитывать массообменные характеристики аэраторов любых конструкций.
4. Разработка новых конструкций аэраторов, организация промышленного производства.
5. Создание методологических основ и расчетных комплексов для проектирования аэрационных систем.
6. Теоретическое обобщение и анализ результатов, формирование выво- % дов работы.
7. Личное участие во внедрении результатов исследований. На защиту выносятся:
1. Результаты теоретического обобщения существующих методов расчета систем аэрации, их гидравлических и массообменных характеристик.
2. Зависимости, определяющие взаимосвязь диаметра образующихся пузырьков от характеристик диспергирующего слоя, конструкции аэратора и технологических параметров процесса; уравнения, определяющие структуру водовоздушного потока и газосодержания от технологических параметров процесса и схемы расположения аэраторов.
3. Математическая модель и методика расчета систем аэрации. Зависимости, описывающие движение воздушного потока в трубчатых аэрато-pax новых и известных конструкции.
4. Новые конструкции эффективных и надежных аэраторов.
5. Инженерная методика расчета для проектирования новых и реконструкции действующих сооружений биологической очистки сточных вод. Апробация работы.
Основные результаты работы и главные положения диссертации докладывались автором на III Международной научно-практической конференции "Эксплуатация систем водоснабжения и водоотведения" (г. Новокузнецк, 1996 г.), на Международном Конгрессе "ЭКВАТЕК-96" (г. Москва, 1996 г.), на III Международном Конгрессе "Вода: экология и технология" "ЭКВАТЕК-98" (г.Москва, 1998 г.), на Международном Конгрессе "ЕТЕВК-97" (г. Ялта, 1997 г.), на Международном Конгрессе "ЕТЕВК-99" (г. Ялта, 1999 г.), на IV Международном Конгрессе "Вода: экология и технология" "ЭКВАТЕК-2000" (г. Москва, 2000 г.), на V Международном Конгрессе "Вода: экология и технология" "ЭКВАТЕК-2002" (г. Москва, 2002 г), на VI Международном Конгрессе "Вода: экология и технология" "ЭКВАТЕК-2004" (г. Москва, 2004 г.).
Публикации.
По результатам работы опубликовано 44 научных работы в различных изданиях России, Украины и Беларуси, в том числе получено 8 патентов на изобретения, 11 работ без соавторов. 15 работ опубликовано в изданиях, рекомендованных ВАК России для публикаций по докторским диссертациям.
Методы моделирования и исследования газожидкостных систем
Величина пор в такой пластине колеблется от 80 до 300 мкм. Крепление фильтросных пластин производится в каналах на дне аэротенка в сборных бетонных держателях или металлических обоймах, позволяющих осуществлять их замену (рис 1.1). На практике металлические обоймы почти не применяются. Канал под пластинами выполняет функцию воздушного воздуховода.
Из-за широкого распространения, длительности использования и достаточно высокой степени переноса кислорода керамические фильтросы фактически стали стандартом для сравнения. Каждое новое поколение мелкопористых материалов, по данным изготовителей, предлагает некоторое преимущество или по эффективности, или по стоимости по сравнению с керамическими аэраторами.
Мелкопористые керамические пластины использовались почти исключительно как метод диспергирования воздуха на сооружениях биологической очистки до второй половины XX века, однако, сегодня редко применяются при новом строительстве и реконструкции. Можно перечислить следующие недостатки фильтросных пластин: - большое сопротивление. Новые фильтросные пластины имеют сопротивление порядка 50-70 см вод. ст., которое возрастает в процессе эксплуатации из-за загрязнений до 1,5-2,0 м вод. ст. Так как воздуходуходувные агрегаты часто не в состоянии обеспечить такое давление, то расход воздуха уменьшается и качество очистки ухудшается; - проблемы получения однородного воздухораспределения при присоединении нескольких пластин к одному воздуховоду; - невозможность добавления аэраторов, если нужно увеличить нагрузку на сооружения; - большая длительность монтажа, достигающая нескольких месяцев для одного аэротенка; - необходимость в специальных водосбросных стояках. Несмотря на то, что часть фирм продолжает производить керамические фильтросы [27], разработки в области пластинчатых аэраторов продолжаются в основном в направлении изменения материала.
Фирмы Messner и HAFI производят так называемые аэрационные панели Месснера [96]. Диспергатор Месснера представляет собой очень тонкую перфорированную мембрану из нержавеющей стали, размер панели 1,23 х 1,815 м. Оптимальный расход воздуха составляет 2-3 м /м ч. При таком расходе средний диаметр пузырька воздуха составляет 0,9 мм, стандартная эффективность переноса кислорода (СЭПК) на глубине 4м- около 50%, потери давления нового аэратора 4,5 - 6,5 кПа, в процессе работы возрастают до 1,05 кПа. Очевидно, что при таких параметрах вся площадь дна аэротенка должна быть перекрыта панелями. Температура сточной жидкости не должна превышать 30 С, высокие требования предъявляются к наличию в воде различных примесей, в первую очередь - нефтепродуктов. Пример аэраторов Месснера показывает, какую высокую цену приходится платить за повышенные характеристики эффективности переноса кислорода.
После керамики вторым по объему использования в аэротенках материалом являются пористые пластмассы. Как и в керамике, пористая среда создана из взаимосвязанных каналов или пор, через которые проходит сжатый воздух. В отличие от пористой керамики, технология позволяет получать различные размеры пор в широком диапазоне. Некоторые из преимуществ пластмассовых материалов по сравнению с керамикой - простота производства, более легкий вес, возможность создавать аэраторы практически любой формы и, в зависимости от индивидуального материала, большей устойчивости к разрушению. По долговечности полимеры практически не уступают керамике. Некоторыми недостатками является более низкая прочность, большая способность деформироваться во времени и более широкий диапазон распределения пор по размерам.
На сооружениях СНГ пористая пластмасса до конца 1980 гг. практически не получила распространения.
Пористые пластмассы производят из нескольких термопластичных полимеров, включая полиэтилен, полипропилен, полистирол и другие [39]. Для аэрации используются два наиболее обычных типа полимера - полиэтилен высокой плотности (низкого давления) (ПНД) и полистирол.
ПНД - относительно недорогой материал и его легко обрабатывать по сравнению с другими термопластами. Кроме того, у ПНД низкая усадка, может быть получено изделие однородного качества с малыми размерами пор. ПНД для аэраторов обычно используется одной марки, он неполярен и не содержит добавки или связующие компоненты.
Главные преимущества материала ПНД по сравнению с другими пластмассовыми материалами - их более низкая плотность (приблизительно 960 кг/м3), инертный состав и устойчивость к распаду.
Аэраторы из полистирола произведены из сополимера. Сырье - смесь четырех различных молекул. Физически полистирол составлен из очень малых сфер смолы, сплавленных под давлением. Полистирол имеет плотность слегка большую, чем ПНД. Присутствие стирола, однако, делает материал ломким и материал может разбиваться при падении, даже при комнатной температуре.
Фирмы Core Technology [135] и Parcson Corporation [3] производят аэра ционные панели из полиуретановых мембран размером 1,2x3,6 м. Технические характеристики для этих панелей не указываются, за исключением диаметра пузырька воздуха 1 мм. Можно предположить, что все характеристики аналогичны панелям Месснера.
Фирма Environmental Dynamics, Inc. производит пластины из пористого полиэтилена размерами 30x61 см и 30x122 см, толщиной 6 мм. Пластины смонтированы на коробе из полистирола, в нижней части которого имеется бетонный пригруз для предотвращения всплывания всей конструкции [114].
Конструктивные характеристики аэраторов нового поколения
Здесь коэффициенты &з и ПА зависят от типа диспергатора и свойств жидкости [30, 55, 71]. В реакторах больших диаметров К а не зависит от диаметра колонны. Однако, в работе [72] были сделаны вычисления для барботажных колонн диаметрами 1 м и 5,5 м по зависимости, предложенной в [7]. Было отмечено, что результаты расчета хорошо совпадают с экспериментальными данными для менее эффективных среднепузырчатых диспергаторов, но являются заниженными для мелкопузырчатых диспергаторов [30, 122, 146]. Однако, не были найдены надежные корреляции, которые можно было бы применить для мелкопузырчатых диспергаторов.
Большое количество исследований было выполнено для трехфазных систем, чтобы определить влияние твердой фазы на коэффициент массопередачи [68, 73, 124, 137, 147].
Активный ил может повлиять на показатели передачи кислорода с помощью трех механизмов: дыхания ила, накопленного на межфазной поверхности газ-жидкость, физическом присутствии ила как твердых частиц и модификации физико-химических параметров среды илом. Эти эффекты изучались экспериментально в аэрируемых барботажных биореакторах при различных концентрациях активного ила, скоростях перемешивания, расходах воздуха и удельных скоростях потребления кислорода [67]. Было найдено, что физическое присутствие ила как твердых частиц задерживало передачу кислорода, возможно из-за низкой проницаемости кислорода в слое активного ила, накопленного около поверхностей пузырьков. Дыхание активного ила и модификация параметров среды, с другой стороны, повышает скорость передачи кислорода. Эти факторы в наибольшей степени проявлялись при низких расходах воздуха, при которых образовывались более мелкие пузырьки воздуха, и высокой концентрации ила.
Авторы [32] показали, что присутствие твердых частиц размером порядка 50 мкм с концентрацией твердой фазы до 16% не влияет на коэффициент массопередачи.
Отметим, что параметр К а имеет более-менее ясный смысл при его использовании в описании процессов химической технологии, в которых газожидкостная смесь занимает весь объем аппарата. В этом случае влиянием гидродинамики на К а можно в определенном смысле пренебречь и для моделирования процесса массопередачи использовать критериальные уравнения. Эти уравнения неприменимы, когда объем газожидкостного факела существенно меньше общего объема аппарата как это имеет место в аэротенке, где на общий объемный коэффициент массопередачи существенно влияет гидродинамическая обстановка вне зоны газожидкостного факела. Гидродинамическая обстановка зависит от геометрических размеров аэротенка и схемы размещения аэраторов. В этом случае трудно найти основу для сравнения единичных аэраторов, если объемные коэффициенты массопередачи определены в аппарате, размеры которого существенно отличаются от размеров реального конкретного аэротенка.
Учитывая неопределенность в определениях объемного коэффициента массопередачи для моделирования аэротенков целесообразно использовать коэффициенты массопередачи по жидкой фазе К і. В отличие от К а, данные для Кі могут определяться даже для единичных пузырей [153]. Отмечается [123], что результаты для единичных пузырей могут использоваться для газожидкостных факелов в пузырьковом режиме и при массопередаче чистых газов с низкой растворимостью.
Имеющиеся эмпирические корреляции не объясняют механизма процессов массопередачи в барботажных колоннах. Теоретически обоснованный метод должен позволять получить зависимость для объемного коэффициента массопередачи Kjji как произведение корреляций для коэффициента массопередачи К-1 и для удельной межфазной поверхности а.
Для расчета частных коэффициентов массопередачи был предложен ряд феноменологических моделей. Наиболее распространенными из них являются модели Уитмена-Льюиса, Хигби, Данквертса, Тура-Марчелло и Левича [156, 191, 204, 316]. Несмотря на большое количество исследований, посвященных различным моделям, фактически только теория проницания Хигби дает возможность получить работоспособные зависимости для расчета двухфазных массообменных аппаратов.
Существующие модели разделяются на две большие группы. В первой группе моделей принимается, что время пребывания определяется масштабом турбулентных вихрей [196].
Каштанек [70] разработал корреляцию для объемного коэффициента мас-сопередачи, базировавшуюся на теории проникновения Хигби и теории изотропной турбулентности Колмогорова [196]. Белло и др. [17] предложили корреляцию, базировавшуюся на уравнениях для коэффициента массопередачи работы и для среднего диаметра пузырьков по Колдербенку [26]. Несмотря на теоретические основы, обе полученных корреляции были по существу эмпирическими. Шаг вперед был сделан в работе [75]. В результате было получено уравнение для К і, являющееся обобщением работ [15, 125, 129].
Следует отметить, что основным полем применения положений теории изотропной турбулентности являются аппараты с пневмомеханическим перемешиванием, а также системы с неньютоновскими жидкостями. Ко второй группе относятся модели, в которых принято допущение Хиг-би о том, что время пребывания равно времени всплытия пузыря на расстоянии, равном диаметру пузыря [64, 76, 130]. В настоящее время модель Хигби наиболее широко применяется для моделирования процессов насыщения воды кислородом в химической технологии и технологиях биологической очистки сточных вод.
Разработка методов и приборов для исследования структуры газожидкостных потоков
В приведенном перечне требований отсутствуют экономические характеристики - стоимость аэраторов.
В системах, связанных с экологическим риском (практика показывает, что технических систем, обладающих 100% надежностью, не существует), технические характеристики, позволяющие оперативно произвести ремонт, замену и реконструкцию аэрационной системы, а также эксплуатационные характеристики, должны преобладать над экономическими. Сравнивать аэраторы по стоимости имеет смысл только при прочих равных условиях для аэраторов с одинаковыми техническими данными (включая стоимость монтажа).
Выполненный аналитический обзор (раздел 1) существующих конструкций пневматических мелкопузырчатых аэраторов показал, что все известные конструкции аэраторов обладают как определенными достоинствами, так и существенными недостатками. Критический анализ опыта эксплуатации известных аэраторов позволил нам сделать следующие выводы: - по прочности и надежности наименее подвержены изменениям аэраторы из пористых пластмасс (по крайней мере, к таким изменениям, которые приводили бы к ухудшениям технических характеристик); - по структуре диспергирующего элемента аэратора картина неоднозначная. Пористые аэраторы более подвержены загрязнению со стороны воздуха, чем мембранные, но как показали исследования [39], этот вид загрязнения не является ведущим, особенно при условии правильно спроектированной и грамотно эксплуатируемой системы аэрации. С другой стороны, структура мембранных аэраторов приводит к необходимости больших капиталовложений в связи с их низкой единичной производительностью и критичностью к изменениям расхода воздуха; - надежность конструкции собственно аэратора и механизмов крепления. Из четырех конструктивно различающихся типов аэраторов наименее надежны пластинчатые и купольные аэраторы. На втором месте находятся дисковые и трубчатые патронные аэраторы, имеющие недостаточно надежное крепление к воздуховоду. Практически для всех конструкций аэраторов проблемой является равномерное распределение воздуха в системе аэрации, а также удаление из воздуховода конденсата и просочившейся сточной жидкости. Интересно отметить, что все известные конструкции аэраторов после сборки в системы аэрации состоят из воздухораспределительных трубопроводов и собственно аэраторов. Стоимость трубопроводов и их монтажа зачастую существенно превышают стоимость собственно аэраторов. Очевидно, чем больше труб приходится укладывать при монтаже для распределения воздуха, тем дороже будет обходиться система аэрации в целом. Практически все современные аэраторы для своего нормального функционирования требуют наличия системы трубопроводов на днище аэротенка. Это связано с тем, что подавляющая масса производителей аэраторов выпускает их в виде дисков, куполов или небольших по диаметру труб. Монтаж таких аэраторов в аэротенке без распределительных трубопроводов невозможен. Кроме того, производители трубчатых аэраторов тоже соединяют их не между собой, а с системой трубопроводов, разводящих воздух по дну аэротенка. Причина заключена в том, что для равномерного распределения воздуха по аэротенку каждый аэратор подключается к распределительной системе через профилированное отверстие. Кроме экономической нецелесообразности распределительной системы воздуха, наличие большого количества соединений приводит к снижению надежности системы в целом.
Поэтому автором была поставлена задача - создать новый тип аэраторов, который соединял бы функции воздуховода и диспергатора. Как известно, у трубчатых аэраторов диаметром более 50 мм при аэрации воздух выходит из верхней части сектора, и многие фирмы-производители выполняют нижнюю часть без отверстий. Это затрудняет монтаж, так как требуется четкая установка аэратора относительно собственной оси вращения и, кроме того, нивелирует еще одно преимущество трубчатых аэраторов по сравнению с плоскими. Как отмечалось ранее, в системе аэрации должна быть предусмотрена система либо предотвращающая попадания воды в систему аэрации, либо дополнительные водовыбросные стояки. Если трубчатый аэратор будет иметь перфорации и диспергирующее покрытие по всей поверхности, то это позволит решить про блему как удаления воды из аэраторов во время отключения и последующего включения воздуха, так и кольматации диспергирующего покрытия. На первый взгляд, такая конструкция трубчатого аэратора покажется нерациональной с точки зрения использования диспергирующего покрытия. На самом деле, это позволяет устранить ряд присущих плоским аэраторам (фильт-росным плитам, керамическим тарелкам и т. п.) недостатков. Важнейшим эксплуатационным параметром пневматических аэраторов, от которого зависит срок их службы, является темп возрастания потерь напора, связанных с забиванием (кольматированием) пор диспергирующего покрытия. В процессе эксплуатации поры диспергирующего покрытия забиваются изнутри твердыми частицами, содержащимися в потоке воздуха, и снаружи -частицами иловой смеси. Если соответствующими конструктивными мерами и фильтрацией возду ха можно практически исключить внутреннее забивание пор диспергатора, то внешние источники кольматирования исключить принципиально невозможно. Основные процессы кольматирования пор частицами иловой смеси происходят в момент выключения - включения подачи воздуха в аэрационную систему. На рис. 3.1 и 3.2 схематично показаны процессы, происходящие в момент выключения и включения подачи воздуха, соответственно, в плоских и трубчатых пористых аэраторах. В плоском аэраторе, при прекращении подачи воздуха иловая смесь, проходя (по сути фильтруясь) через поры диспергирующего слоя, заполняет внутренний объем аэратора (рис. 3.1, а-в). Воздух также выдавлива-ется сквозь диспергирующий слой.
Характеристика работы очистных сооружений после внедрения новых систем аэрации
Результаты расчетов показывают, что лучи из аэраторов без воздушных полостей обладают большим сопротивлением и более высоким коэффициентом неравномерности, чем аэраторы с полостями (при одинаковых характеристиках диспергирующего слоя). Если же в аэраторе без воздушных полостей выполнить диспергирующий слой с меньшей пористостью, то это приведет к снижению массообменных характеристик, как было показано ранее. Следует отметить, что при испытаниях единичных аэраторов в лабораторных условиях этот факт невозможно заметить, вследствие ничтожности потерь давления по длине.
На основе предложенного метода расчета разработана программа, которая позволяет для каждого конкретного аэротенка рассчитать оптимальную систему аэрации - в зависимости от длины ответвлений от воздуховодного стояка определить количество ответвлений, диаметр аэраторов и скважность дырчатого каркаса. При этом гидравлическое сопротивление системы будет минимально возможным, а неравномерность распределения воздуха по длине ответвления не превысит 5%.
В качестве примера рассмотрим расчет аэрационной системы для реального аэротенка. На основе расчета потребности в кислороде в первой половине коридора по ходу сточной жидкости требуемый расход воздуха составил 3269 м3/ч. Рассматривали 2 варианта: 4 или 3 параллельных ряда аэраторов с двусторонними стояками (длина ответвления аэраторов в одну сторону составляет 30 м). Результаты расчета приведены в табл. 3.2.
Если принять в соответствии с работой [305] максимальный коэффициент неравномерности 1,1, то видно, что аэраторы с диспергаторами большой пористости (єз) в данном случае не могут быть применены. Указанному критерию соответствуют аэраторы с диспергаторами средней пористости (Є2) с диаметром отверстий 8 мм, обладающие минимальным гидравлическим сопротивлением. При этом могут быть установлены либо 4 ряда аэраторов с внутренним диаметром каркасной трубы 88 мм, либо 3 ряда аэраторов с внутренним диаметром 100 мм. Дальнейший выбор между этими двумя вариантами должен быть проведен из экономических соображений.
При эксплуатации аэрационной системы одним из основных факторов снижения энергозатрат является равномерность распределения воздуха по длине луча (лучом будем называть систему последовательно размещенных аэраторов, расположенных по одну сторону воздухоподводящего стояка), так как требуемый по условиям задачи расход воздуха должен соблюдаться не в среднем, а для аэратора, пропускающего минимальный расход воздуха [305, 306]. Следовательно, расход воздуха на всех остальных аэраторах будет избыточным. Реально даже однотипные мелкопористые пневматические аэраторы обладают некоторым разбросом гидравлических характеристик, что приводит к перераспределению расхода воздуха даже для рядом расположенных аэраторов. По технологическим соображениям возможны системы, когда в одном луче устанавливаются аэраторы разных конструкций (комбинированная система аэрации). В этом случае разница в гидравлических характеристиках может быть существенной. Кроме того, при монтаже аэрационной системы возможны от 121 клонения в высотных отметках различных аэраторов. Для таких систем разработанные в предыдущем разделе методы расчета распределительных систем по уравнениям для потоков переменной массы не могут быть использованы, так как они предполагают постоянство гидравлических характеристик по длине луча. Известно, что массообменные характеристики аэраторов нелинейно зависят от расхода подаваемого воздуха, поэтому степень переноса кислорода в реальной системе всегда будет отличаться от теоретической, принятой для единичного аэратора. Математическая модель системы, учитывающей все указанные факторы, необходима для решения следующих задач: а) определение предельного расхождения гидравлических характеристик однотипных аэраторов с целью усовершенствования технологии их изготовле ния; б) определение предельной разницы в высотных отметках аэраторов для предъявления требований к точности монтажа; в) расчета реальных массообменных характеристик комбинированной системы аэрации. Указанная математическая модель может быть разработана только на основе рассмотрения каждого отдельного аэратора в составе луча. Для упрощения алгоритма расчета трубчатый аэратор представлен в виде комбинации различных элементов: а) участка дырчатого воздуховода, потери напора по длине и в отверстиях которого рассчитываются по формулам раздела б) диспергирующего элемента с сосредоточенными параметрами с известной гидравлической характеристикой. Тарельчатые аэраторы представлены как комбинация приточного тройника и диспергирующего элемента. Кроме того, в системе присутствуют участки непористых трубчатых воздуховодов и местные сопротивления в местах соединения отрезков воздуховода.
