Повышение эффективности пневмоструйных аэраторов для водных технологий
На правах рукописи
Куля Наталья Николаевна
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПНЕВМОСТРУЙНЫХ АЭРАТОРОВ ДЛЯ ВОДНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Специальность 05.23.04 – «Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов»
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Волгоград – 2013
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ростовский государственный строительный университет»
| Научный руководитель: доктор технических наук, профессор | Серпокрылов Николай Сергеевич |
| Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор кандидат технических наук, доцент | Баженов Виктор Иванович исполнительный директор ЗАО «Водоснабжение и водоотведение», г. Москва Костюков Владимир Павлович ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, заведующий кафедрой «Водное хозяйство, инженерные сети и защита окружающей среды» |
| Ведущая организация: | ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет" |
Защита состоится «21» ноября 2013г. в 13-00 часов на заседании диссертационного совета ДМ212.026.05 при ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1 (корп. Б ауд. 203)
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета
Автореферат разослан «21» октября 2013 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Фокин Владимир Михайлович
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. В настоящее время не решена проблема загрязнения природных вод продуктами деятельности человека. Сброс бытовых и промышленных недостаточно очищенных сточных вод превышают допустимые границы, обусловленные способностью водоемов к самоочищению.
Согласно Государственному докладу «О состоянии санитарно-эпидемиологического благополучия населения в Российской Федерации в 2011 году" более 33% сбрасываемых сточных вод в водоемы относятся к категории загрязненные.
На сооружениях биологической очистки основную часть эксплуатационных расходов составляют затраты энергии на аэрацию сточных вод. Кроме этого аэрационные сооружения применяются для насыщения воды водоемов кислородом. В связи с этим возникает необходимость в совершенствовании энергосберегающих установок аэрационных систем, которые не требуют существенных затрат при реконструкции и/или создании очистных сооружений, при насыщении природных вод и позволяют повысить эффективность насыщения кислородом.
В водном хозяйстве достаточно широкое применение нашли струйные системы аэрации, которые уступают по эффективности пневматическим, но просты и надежны в эксплуатации, не требуют капитальных затрат на строительство и эксплуатацию воздуходувных станций и могут быть изготовлены непосредственно на объекте эксплуатации.
Среди различных систем аэрации пневмоструйная наименее изучена, хотя малоэнергоемка, проста в конструктивном исполнении, эффективна при малой производительности. Возможно ее совмещение с другими системами аэрации: она объединяет положительные свойства пневматической и струйной системы, т. е. является более простой в эксплуатации, не требует частой регенерации, в виду незасоряемости.
Поэтому разработка методов повышения эффективности пневмоструйных аэраторов является актуальной задачей в рамках концепции энергосбережения.
Изложенное определяет актуальность работы и требует проведения как теоретических, так и экспериментальных исследований.
Цель работы. Повышение эффективности насыщения кислородом обрабатываемых вод при применении энергосберегающих пневмоструйных аэраторов при различных условиях эксплуатации.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- дополнить существующую классификацию систем аэрации;
- разработать и верифицировать компьютерную модель движения жидкости при работе пневмоструйного аэратора;
- установить гидравлические закономерности и конструктивные параметры пневмоструйного аэратора, влияющие на массообменные характеристики;
- установить граничные условия соотношения габаритов аэрируемой емкости и пневмоструйного аэратора на базе оптимизации технологических параметров;
- уточнить существующую методику расчета и рекомендации по применению пневмоструйных аэраторов в водных технологиях;
- разработать и внедрить в производство технические решения, повышающие эффективность пневмоструйной системы аэрации.
Методы исследований включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, экспериментальное исследование в лабораторных условиях, оснащенных контрольно-измерительными приборами, компьютерное моделирование изучаемых процессов. Обработку экспериментальных данных вели методами математической статистики. Для построения модели использовали компьютерное моделирование с помощью программного комплекса Ansys 11.
Научная новизна работы:
- установлен новый вид системы аэрации – пневмоструйный, с регулируемыми в вертикальной и горизонтальной плоскостях всасывающими патрубками в водоаэрационной колонне;
- получены оптимальные соотношения конструктивных параметров аэрируемой емкости и технологических характеристик аэратора, влияющих на гидравлические массообменные процессы.
- получена компьютерная модель движения жидкости в аэрируемом резервуаре, параметры которой с допустимой статистической погрешностью согласуются с экспериментальными данными пневмоструйной системы аэрации;
- получены расчетные зависимости течения жидкости при пневмоструйной аэрации и уточнены рекомендации для расчета процесса.
Практическое значение работы:
- предложено конструктивное решение пневмоструйного аэратора, позволяющее производить насыщение кислородом обрабатываемой жидкости без образования застойных зон в резервуаре;
- предложена кассета носителя биомассы с защитной сеткой от крупных волокнистых включений, пластмассы, окурков, для аэротенков с пневмоструйной системой аэрации (патент РФ №2420460);
- разработан технический регламент на проектирование и эксплуатацию установок с пневмоструйной системой аэрации.
Реализация результатов работы:
- рекомендации диссертационной работы использованы в проектах института ООО «РостИнпром», г. Ростов–на–Дону, 2012г., института Ростовский Водоканалпроект в 2013г., института Гипрокоммунводоканал в 2013г.
- пневмоструйная система аэрации (по патенту РФ №123002) и кассета носителя биомассы (по патенту РФ №2420460) внедрены на локальных очистных сооружениях сточных вод кондитерской фабрики Аксайского района Ростовской области.
На защиту выносятся следующие основные положения:
- пневмоструйную систему аэрации для насыщения кислородом рекомендуется использовать при обработке вод расходом от 50-200м3/ч, диаметр распределительной чаши может варьироваться от 0,6-2,0 м;
- зависимость эффективности насыщения кислородом при пневмоструйной системы аэрации от глубины погружения аэратора в жидкость и от количества и длин входных патрубков;
- результаты компьютерного моделирования пневмоструйной системы аэрации с описанием движения потоков жидкости к патрубкам колонны с граничными значениями скоростей, обеспечивающими эффективную гидродинамику массообмена;
- режим работы и технологические параметры пневмоструйного аэратора использованы при проектировании и внедрении на очистных сооружениях канализации кондитерской фабрики Аксайского р-на, Ростовской области, производительностью 200 м3/сут.
- технико-экономический анализ определил варианты применения пневматической и водоструйной систем аэрации в аэротенках и аэрируемых прудах в зависимости от характеристик обрабатываемой жидкости.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались автором на:
- научной конференции Ростовского государственного строительного университета, г.Ростов-на-Дону, 2009 - 2012г;
- научной конференции «Техновод», г. Ростов-на-Дону, 2012г.;
- конференции Международной Водной Ассоциации «4-ая Восточно-Европейская Конференция «Опыт и молодость в решении водных проблем»», г. Санкт-Петербург, 2012г.
Публикации. По результатам работы опубликованы в 11 печатных работ, в том числе: 2 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 2 - патента РФ.
Личный вклад соискателя: разработка и создание экспериментальной установки и методов исследований; участие в получение научных экспериментальных данных, разработка новых технологических решений, их теоретическая и экспериментальная проверка; систематизация, обработка и анализ полученных результатов; обоснование и формулировка научных положений и выводов; участие во внедрении результатов исследований в практику проектирования строящихся или реконструируемых объектов, а также написания публикаций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав и выводов. Работа изложена на 180 страницах печатного текста, включает 55 рисунков, 37 таблиц и 8 приложений. Список литературы представлен 131 источником.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснованы актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований, приведены положения научной новизны и практической значимости полученных результатов. Представлены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе проанализирована классификация существующих систем аэрации, рассмотрены преимущества и недостатки каждой из них. Установлено, что пневмоструйная система аэрации – экономична, проста в эксплуатации. Отсутствуют отрицательные факторы пневматической системы аэрации, такие как, засоряемость, высокое потребление электроэнергии, что приводит к дорогой эксплуатации. Но пневмоструйная система аэрация уступает по энергоэффективности пневматической, однако в определенных условиях она имеет ряд преимуществ, в первую очередь обусловленных простотой и доступностью изготовления, возможностью дополнять существующие системы аэрации при недостатке кислорода, несложной эксплуатацией.
В связи с чем, предложено в существующую классификацию систем аэрации внести и пневмоструйную. Появление на рынке погружных насосов с различными достаточно узкими диапазонами расходов и напоров создает предпосылки для разработки конструктивных вариантов исполнения пневмоструйной аэрации разной производительности.
Во второй главе теоретически рассмотрен механизм протекания массообменных процессов при аэрации и оценка существующих технологических параметров аэрационных систем, в т. ч. и пневмоструйной системы аэрации, по методике переменного дефицита кислорода: объемный коэффициент массопередачи kv, [ч-1], окислительная способность ОС [О2г/ м3*ч], эффективность аэрации Е [О2кг/(кВтч)].
Рассмотрено уравнение массопередачи кислорода из газовой среды в жидкую, полученное с помощью метода размерностей и пи-теоремы с учетом объемного коэффициента массопередачи kv, применяемого впоследствии в практических расчетах для описания процесса массопередачи с использованием водосливных аэраторов:
(1)
где A,b,c,d,e – коэффициенты уравнения регрессии;
Wp – объем зоны обслуживания, м3;
Qц – циркуляционный расход, м3/с;
Reсж – число Рейнольдса в сжатом сечении;
Dэкв, dэкв – соответственно эквивалентные диаметры зоны обслуживания и колонны, м;
Z – высота расположения водослива колонны над отметкой дна водобойного лотка, м;
H – напор воды над водосливом с тонкой стенкой, м;
Lк – длина водобойного лотка, м.
В зарубежной литературе оценку систем аэрации ведут по SOTE-, –, F-факторам, которые начинают применяться и в отечественной практике. Однако в отечественной литературе данных для пневмоструйных систем не имеется, что потребовало проведения экспериментально-теоретических исследований.
Стандартная эффективность массопереноса кислорода SOTE (Standart oxygen transfer efficiency) определяется как (% растворенного кислорода):
(2)
где SOTR (Standart oxygen transfer rate) – окислительная способность, кг/ч·м3, W – объем сосуда, м3, Qair – расход воздуха, л/мин, JO2 – содержание кислорода в воздухе, мг/л.
Процесс массопередачи кислорода в воду описывается уравнением:
(3)
где 
-коэффициент массопередачи; а - удельная площадь межфазного контакта; С* - концентрация насыщения кислорода в воде; С – концентрация растворимого кислорода в момент времени t.
По (2) определяются закономерности процесса аэрации, но нельзя установить линии потоков движения воды при этом. Для получения характера потоков жидкости обосновано применение программы ANSYS, позволяющей получить линий токов в формате 3Д со значениями их скоростей, через которые возможно установить соотношение аэрируемых объемов и площадей резервуаров и технологических параметров водоструйного аэратора.
В третьей главе проводится описание экспериментальных установок, методики проведения эксперимента.
Массообменные характеристики аэрационного процесса, включая SOTE-, –, F-фактора, определяли по методике переменного дефицита кислорода. Концентрация его фиксировали сертифицированным прибором МАРК-302Т, «Взор».
Экспериментальное исследование водоструйного аэратора проводили на установках в лабораторных условиях РГСУ: применяли 2 модели аэратора (рис. 1а,б): пневмоструйный с воздушной форсункой (рис.1 а) и водоструйный с погружным насосом (рис.1 б).
Исследования проводили в соответствии с методикой планирования активного эксперимента.
В первой серии исследований процесс работы пневмоструйного аэратора оценивали параметром оптимизации - время насыщения кислородом, мгО2/л. Факторы варьирования: диаметр распределительной чаши, высота распределительной чаши над поверхностью воды, соотношение площади распределительной чаши к площади резервуара, отметка расположения форсунки относительно дна резервуара, производительность компрессора, длина патрубка, количество патрубков. В исследованиях применена матрица планирования дробного факторного эксперимента (ДФЭ) типа 28-5.
Т.к. в практических условиях не всегда имеется возможность подбора компрессора с требуемыми характеристиками на подачу заданного количества воздуха, его заменяют насосом (рис.1 б), поэтому в водоаэрационную колонну вместо воздушной форсунки помещали погружной насос (рис. 1.б). Водоструйный аэратор оценивали по скорости насыщения кислородом, мгО2/л/мин. Исследования проведены согласно матрице ДФЭ типа 25-2. Факторы варьирования: диаметр чаши, высота борта стенок чаши, высота чаши относительно поверхности воды, длина патрубка, количество патрубков.
а. б.
Рисунок 1. Принципиальная схема: а). пневмоструйного аэратора; б). водоструйного аэратора: 1 - водоаэрационная колонна, 2 - резервуар – 0,3 м3, 3 - форсунка с воздухом, 4 – входные патрубки, 5 - распределительная чаша, 6 - кислородомер, 7 - компрессор Qвоздмакс=150 л/мин, Р=19,6 кПа, N=160Вт, 8- погружной насос Q=1,2м3/ч, H=1,8 м.
Для технологических расчетов и проектирования установок необходимо экспериментально установить оптимальные соотношения длин патрубков к длине (ширине) резервуара через распределение струйных потоков в объеме, а также площадей распределительной чаши и резервуара. Для этого в резервуар 2 (рис.1) помещали сетчатый каркас, снабженный разноцветными шелковыми нитями, образцами - свидетелями потоков.
Во время работы водоструйного аэратора нити отклонялись в разные стороны по направлению движения воды, после чего по углам отклонения нитей составляли картину потоков. Опыты проводились по методике активного эксперимента, реализовывалась матрица ДФЭ типа 23.
Через углы отклонения нитей в 5-ти вертикальных и 12 горизонтальных сечениях резервуара (от 5 до 45°) по вертикали составлена схема потоков воды при разных расходах. Однако данная схема не дает достаточно надежных экспериментальных данных для расчета в объеме резервуара скоростей потоков жидкости. Также нити на каркасе модели, характеризуя величину силы потоков, одновременно являются местными гидравлическими сопротивлениями. Для расчетного определения скоростей потоков, обеспечивающих поддержание активного ила во взвешенном состоянии без сопротивлений, оказываемых нитями, проведено компьютерное моделирование.
Компьютерным моделированием с применением активного эксперимента в формате 3D построены модели водоструйного аэратора со скоростями линий тока к патрубкам, м/с. Факторами варьирования являлись: диаметр сечения входа воды в резервуар, равный диаметру чаши, мм (х1), количество патрубков, шт. (х2), длина патрубка, мм (х3). Параметры оптимизации : У1 - степень заполненности резервуара линиями тока воды, У2 - средняя скорость линии тока, м/с.
В результате исследования была получена компьютерная модель с наибольшой заполненностью линиями токов – 70% аэрируемого резервуара и наибольшой скоростью – 2,3 м/с при условиях: х1-диаметр сечения, 310 мм, х2 – длина патрубка, 40 мм, х3 – количество патрубков, 4 шт.
Степень заполненности линиями тока аэрируемого резервуара – 70% и средняя скорость 2,3 м/с достаточна для поддержания во взвешенном состоянии и перемешивании активного ила.
Полученные оптимальные результаты подтверждаются визуализацией отклонений нитей (около 45°) и, следовательно, методологически компьютерное моделирование потоков воды может применяться в исследованиях с пневмоструйными аэраторами.
В 4-й главе приведены результаты экспериментального исследования пневмоструйного аэратора и водоструйного аэратора в лабораторных условиях, также проведено компьютерное моделирования инсталляции блока водоструйного аэратора в опытно-промышленной установке по очистке сточных вод..
На основе активного эксперимента получено интерполяционное уравнение процесса оптимального времени насыщения кислородом пневмоструйным аэратором (до 5 мг/л), где значимым фактором является отметка расположения воздушной форсунки:
(3)
где YРАСЧ – время насыщения, мин;
Х5 - отметка форсунки, мм.
Данная зависимость (3) проверена экспериментально по скорости насыщения кислородом в зависимости от расположения воздушной форсунки в аэраторе (рис.3).
Рисунок 3. Теоретическая (сплошная) и экспериментальная (пунктир) зависимость скорости насыщения О2 в зависимости от расположения форсунки относительно дна резервуара
Определяющим фактором скорости насыщения кислородом в процессе с водоструйным аэратором является длина патрубка:
(4)
где YРАСЧ – скорость насыщения кислородом, мгО2/л/мин;
Х4 – длина патрубка, мм.
В натуральных величинах:
(5)
где L – длина патрубка, мм;
V – скорость насыщения кислородом, мгО2/л/мин.
Водоструйный аэратор сравнили с пневмоструйным по: объемному коэффициенту массопередачи, окислительной способности, энергоэффективности.
Установлено, что эффективность водоструйного аэратора составляет 0,25 кгО2/кВтч, а для пневмоструйного аэратора – 0,05 кгО2/кВтч.
На базе ВолгГАСУ разработан аэратор – отстойник с пропеллерным пневмомеханическим аэратором, производительность которого по кислороду составляет - 25кг/ч. Однако, пневмомеханическая модель аэрации уступает в надежности пневмоструйным системам.
Водоструйный аэратор сравнили в лабораторных условиях на активном иле с аэратором пневматическим типа «бакор».
Используя метод Лайнуивера-Берка, получили скорость насыщения для аэратора типа «бакор» и водоструйного: 1,25 мгО2/ч и 6,7 мгО2/ч соответственно. Построен график по методу обратных величин Лайниувера – Берка и получены константы Михаэлиса, рис.4а, 4б.
а.
б.
Рисунок 4. Графики скорости насыщения в обратных величинах, 1/V для: а - аэратора типа «бакор», б – водоструйного аэратора
Построена компьютерная модель инсталляции блока водоструйного аэратора в аэрируемом резервуаре с использованием ПФЭ типа 25. Варьируемыми факторами процесса являлись: количество аэраторов, длина патрубка, количество патрубков, диаметр чаши, отметка расположения патрубка. Параметры оптимизации: - линия тока - заполненность вихрями в резервуаре, в %, определяли методом планиметра, при объеме более 70% - достаточная заполненность, менее — недостаточная; - средняя скорость линии тока, м/с.
С помощью PLAN – получены математические отклонения для подтверждения описания эксперимента, табл.
Таблица 1 - Экспериментальные данные ПФЭ
| №опыта | Х1 | Х2 | Х3 | Х4 | Х5 | Опытные данные | |
| V, м/с | Отклонение, % | ||||||
| 25 | -240 | -5 | -1 | -2 | +4 | 1,89 | 2,1 |
| 2 | -240 | -5 | +3 | -2 | -1 | 1,65 | 2,7 |
| 19 | +310 | -5 | +3 | -2 | -1 | 9,31 | 4,9 |
| 9 | +310 | -5 | +3 | +8 | -1 | 9,31 | 8,6 |
| 14 | -240 | -5 | -1 | +8 | +4 | 1,69 | 9,6 |
| 18 | +310 | +25 | +3 | -2 | +4 | 2,29 | 12,5 |
| 24 | +310 | +25 | -1 | -2 | +4 | 2,28 | 12,8 |
| 28 | -240 | +25 | +3 | +8 | +4 | 1,8 | 15,6 |
| 4 | +310 | -5 | -1 | -2 | +4 | 1,69 | 16,9 |
| 31 | -240 | -5 | +3 | +8 | +4 | 9,39 | 22,6 |
| 3 | -240 | +25 | +3 | -2 | +4 | 1,64 | 22,7 |
| 23 | +310 | +25 | +3 | +8 | -1 | 9,12 | 26,6 |
| 32 | -240 | +25 | +3 | +8 | -1 | 2,36 | 27,3 |
| 22 | +310 | -5 | +3 | +8 | +4 | 2,36 | 31,2 |
| 16 | +310 | -5 | +3 | -2 | +4 | 2,37 | 36,1 |
| 11 | +310 | +25 | -1 | +8 | +4 | 2,27 | 39,5 |
| 1 | -240 | +25 | -1 | +8 | +4 | 1,74 | 69,8 |
| 26 | +310 | -5 | -1 | +8 | +4 | 2,28 | 108,9 |
| 8 | -240 | -5 | +3 | +8 | -1 | 6,63 | 244,7 |
Рисунок 5. Модель водоструйного аэратора для опыта №14 диаметр чаши Д=24см, отметка патрубка над дном резервуара – 5 см, количество аэраторов- 1шт, длина патрубков L=8 см, количество патрубков – 4шт.
При технологических параметрах, соответствующих опыту №14 наблюдается заполненность линиями тока до 95%, и одновременно по результатам программы PLAN отклонение теоретического значения от экспериментального не превышает 10%.
Зная значения факторов и геометрические размеры аэрируемой емкости, получим в относительных единицах размерные соотношения, рекомендуемые к проектированию (табл. 2).
На основе результатов лабораторных и опытно-промышленных исследований разработаны рекомендации для проектирования очистных сооружений с водоструйной системой аэрации (табл. 3,4).
Таблица 2 – Рекомендуемые относительные значения конструктивных размеров аэрируемой емкости к размерам пневмоструйного аэратора
| Отношения параметров аэрируемой установки | Относительные значения |
| Отношение диаметра сечения к площади резервуара,Sd/Sрез | 0,06 |
| Отношение высоты расположения патрубка к высоте резервуара,Нпатр/Нрез | 0,1 |
| Отношение длины патрубка к длине резервуараLпатр/ Lрез | 0,01 |
Таблица 3 - Рекомендуемый типоряд очистных сооружений с водоструйным аэратором. (Прямоугольный резервуар)
| Q, м3/ч | Прямоугольный резервуар | Размеры водоструйного аэратора | ||||
| aхb | h | Sповрез, м2 | Sсеч,м2 | Dсеч | количество аэраторов - N | |
| 50 | 3х3 | 4 | 9 | 0,45 | 0,76 | 4 |
| 100 | 3х8 | 4 | 24 | 1,2 | 1,24 | 2 |
| 200 | 6х8 | 4 | 48 | 2,4 | 1,75 | 2 |
| 500 | 6х21 | 4 | 126 | 6,3 | 2,83 | 1 |
Таблица 4 - Рекомендуемый типоряд для очистных сооружений с водоструйным аэратором. (Цилиндрический резервуар вертикальный)
| Q, м3/ч | Цилиндрический резервуар вертикальный | Размеры водоструйного аэратора | |||||
| Sосн | H | Sповрез, м2 | Dрез | Sсеч,м2 | Dсеч | количество аэраторов - N | |
| 50 | 6,25 | 8 | 6,25 | 2,8 | 0,3 | 0,6 | 4 |
| 100 | 12,5 | 8 | 12,5 | 4,0 | 0,6 | 0,9 | 4 |
| 200 | 25 | 8 | 25 | 5,6 | 1,3 | 1,3 | 4 |
| 500 | 65 | 15,38 | 65 | 9,1 | 3,3 | 2,0 | 4 |
В пятой главе приведены результаты отработки пневмоструйной системы аэрации в опытно-промышленных условиях на очистных сооружениях канализации кондитерской фабрики г.Аксая, Ростовской области. производительностью 186,7 м3/сут.
Пневмоструйный аэратор был вмонтирован в блок нитрификатора со встроенным вторичным отстойником, таким образом, что водоструйный аэратор расположен в зоне нитрификации, а входные патрубки связаны с вторичным отстойником, с помощью которых осуществляется забор рециркуляционного ила в начало сооружения.
Нитрификатор, рис. 6, представляет собой сооружение L=11,0 м, H=2,2 м, разделенный перегородкой перелива на зону нитрификацию и вторичный отстойник.
На основе полученных экспериментальных и теоретических результатов исследований нитрификатор был дополнительно оборудован: водоструйным аэратором для перекачивания активного возвратного ила в начало сооружения с патрубками, связанными с вторичным отстойником (патент РФ №123002 ); кассетами с ершовой загрузкой (патент РФ 2420460), включающей каркас с носителем прикрепленной микрофлоры в виде кассет с закрепленными ершовыми полимерными элементами, встроенными в биореактор, приспособления для крепления кассеты и носителя, защитным экраном, закрепленным на каркасе, в виде сетчатого полотна. Защитный экран задерживает длинные волокнистые включения, содержащиеся в сточных водах, и предотвращает загнивание, т. е. вторичное загрязнений очищенных вод.
Рисунок 6. Разрез нитрификатора с вторичным отстойником: 1- водоструйный аэратор, 2 - входные патрубки, 3- воздуховод, 4 – магистральный трубопровод, 5-кассета с ершовой загрузкой.
Водоструйный аэратор, рис.6 состоит из водоаэрационной колонны, воздухопровода, входных патрубков, для забора воды из вторичного отстойника, магистрального трубопровода, подающего воду в начало сооружения.
Инсталляция водоструйного аэратора в зону нитрификации обеспечила очистку сточных вод до требований сброса в рыбохозяйственный водоем, благодаря сочетанию технологических и управленческих функций процесса очистки сточных вод: рециркуляция и насыщение кислородом активного ила; измерение расхода ила по понижению уровня жидкости; фиксированный и регулируемый отвод избыточного и возвратного ила; повышение энергоэффективности установки.
Кроме этого предложена схема внедрения водоструйного аэратора с патрубками в систему денитрификации, рис. 7.
а ) б)
Рисунок 7 - Схема рециркуляционных потоков при устройстве денитрификации с затопленным водоструйным аэратором: а). без патрубков, б). с патрубками
По экономическим соображениям денитрификация с затопленным водоструйным аэратором может осуществляться для перемешивания сточной жидкости взамен погружной мешалки. Погружной насос, установленный внутрь водоаэрационной колонны, осуществляет циркуляцию сточной воды, через входные патрубки. При этом верхний срез водоструйной колонны находится ниже уровня воды.
В шестой главе на основе технико – экономических расчетов обосновывается применение пневмоструйной и водоструйной систем аэрации в технологических схемах обработки вод: нитрификатора, оборудованного пневматической системой аэрации или пневмоструйной или водоструйной; в аэрируемых прудах, оборудованных пневматической системой аэрации или водоструйной.
Эффективность, кгО2/кВт*ч, для процесса нитрификации с концентрацией органических загрязнений в сточной воде на входе в нитрификатор БПКп =285,64 мг/л составляет для: пневматической системы аэрации - 0,08, водоструйной – 0,03, пневмоструйной - 0,02.
Эффективность, кгО2/кВт*ч, для аэрируемых прудов процесса нитрификации с концентрацией органических загрязнений на входе БПКп = 30 мг/л составляет для: пневматической системы аэрации - 17, водоструйной – 1,94.
В связи с высокой засоряемостью, а также малым периодом эксплуатации, дороговизной оборудования пневматической системы аэрации, рекомендуется на малых очистных сооружениях канализации, а также на аэрируемых прудах при невысоких показателях по БПКп использовать водоструйную систему аэрации или сочетание пневматической и пневмоструйной систем аэрации.
Таблица 5 - Удельные затраты систем аэрации для процесса нитрификации
| Система аэрации | кгО2/ч | Стоимость, руб. | Удельные затраты, руб. на 1 кгО2/ч |
| Пневматическая | 1,3 | 176 226 | 7*10-6 |
| Пневмоструйная | 0,260 | 176 226 | 1,5*10-6 |
| Водоструйная | 0,9 | 2 263 296 | 4*10-7 |
Таблица 6 - Удельные затраты систем аэрации для аэрируемых прудов
| Система аэрации | кгО2/ч | Стоимость, руб. | Удельные затраты, руб. на 1 кгО2/ч |
| Пневматическая | 1,3 | 28 758 | 4,5*10-5 |
| Водоструйная | 0,9 | 188 608 | 4,8*10-6 |
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
1. Дополнена существующая классификация струйных и пневматических систем новым типом пневмоструйной аэрацией, сочетающая в себе их положительные технические и технологические показатели.
2. Получено экспериментально уравнение регрессии по оценке влияния технологических факторов водоструйного аэратора на процесс насыщения кислородом воды, установлено, что длина патрубка наиболее влияет на процесс насыщения кислородом:
где YРАСЧ – скорость насыщения кислородом, мгО2/л/мин;
Х4 – длина патрубка, мм.
3. Получена зависимость для расчета скоростей насыщения и потоков жидкости в аэрируемом объеме на базе компьютерной модели, достоверно согласующейся с экспериментальными исследованиями.
4. Установлены оптимальные соотношения конструктивных параметров аэратора к аэрируемому объему, влияющие на гидравлические массообменные процессы: отношение диаметра сечения к площади резервуара - 0,06; отношение высоты расположения патрубка к высоте резервуара - 0,1; отношение длины патрубка к длине резервуара - 0,01.
5. Обосновано применение пневмоструйных аэраторов для встраивания в существующие или вновь проектируемые водные технологии: нитрификации, денитрификации, аэрируемых прудов. Разработаны рекомендации по проектированию водоструйного аэратора с патрубками, а также граничные условия параметров аэрируемой емкости и аэратора.
6. Составлены рекомендации для конструкторско-технологического оформления очистных сооружений на базе пневмоструйной системы аэрации, определены их технико - экономические показатели.
7. Результаты работы внедрены в очистные сооружения канализации кондитерской фабрики Аксайского района Ростовской области в 2012 г. Инсталляция пневмоструйного аэратора в зону нитрификации обеспечила очистку сточных вод до требований сброса в рыбохозяйственный водоем, благодаря сочетанию технологических и управленческих функций процесса.
Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:
Публикации в ведущих рецензируемых научно-технических журналах и изданиях, определенных ВАК России
- Экспериментальное исследование водоструйного аэратора [Электронный ресурс] / Н. С. Серпокрылов, А. А. Бондарчук, Н. Н. Куля и др. // Инженерный Вестник Дона. - 2012. – Вып. № 3. - Режим доступа: www.ivdon.ru
- Куля, Н. Н. Моделирование водоструйного аэратора [Электронный ресурс] / Н. Н. Куля // Науковедение. - 2012. – Вып. № 3. – Режим доступа: naukovedenie.ru
Патенты РФ на изобретения и полезные модели
- Патент РФ №2420460 С2 СО2F3/10 от 10.06.2011г. «Кассета носителя биомассы для очистки сточных вод» [Электронный ресурс] / Н. С. Серпокрылов, Н. Н. Куля, А. А. Марочкин и др.. – Режим доступа: http://www1.fips.ru/fips_servl/fips_servlet
- Патент РФ №123002 от 05 июля 2012г. «Устройство для биологической очистки хозяйственно-бытовых сточных вод» [Электронный ресурс] / Е. В. Крашенников, Н. С. Серпокрылов, Н. Н. Куля. – Режим доступа: http://www1.fips.ru/fips_servl/fips_servlet
Отраслевые издания и материалы конференций
5. Куля, Н. Н. Влияние высоты столба жидкости на распределение скорости течения воды в тонкослойном элементе [Текст] /Н. Н. Куля, Н. С. Серпокрылов // Материалы междунар. науч. – практич. конф. – Ростов н/Д.: РГСУ, 2008. - С. 62-64
6. Куля, Н. Н. Оптимизация обесцвечивания природных вод [Текст] / Н. Н. Куля // Строительство-2009: материалы междунар. науч. – практич. конф. – Ростов н/Д.: РГСУ, 2009. - С. 5-56
7. Куля, Н. Н. Очистка городских сточных вод с применением комплексного реагента «СКИФ» [Текст] / Н. Н. Куля, Н. С. Серпокрылов, И. А. Кулик // Строительство-2010: материалы междунар. науч. – практич. конф. – Ростов н/Д.: РГСУ, 2010. - С. 47-48
8. Куля, Н. Н. Особенности обесцвечивания природных вод [Текст] / Н. Н. Куля // «Строительство-2010»: материалы междунар. науч. – практич. конф. – Ростов н/Д.: РГСУ, 2010. - С. 46-47
9. Куля, Н. Н. Исследование массопередачи двухполочных аэраторов [Текст] / Н. Н. Куля, Н. Н. Гризодуб // Строительство-2011: материалы междунар. науч. – практич. конф. – Ростов н/Д.: РГСУ, 2011. – С. 35-38
10. Куля, Н. Н. Моделирование линии токов с помощью программного оборудования ANSYS 11 [Текст] / Н. С. Серпокрылов, Н. Н. Куля // Строительство-2012: материалы междунар. науч. – практич. конф. – Ростов н/Д.: РГСУ, 2012. – С. 35-38
11. Куля, Н. Н. Исследование водоструйного аэратора [Текст] / Н. С. Серпокрылов, Н. Н. Куля; ЮРГТУ (НПИ). // Технология очистки воды « Техновод – 2011»: Материалы 6 Междунар. науч. практ. конф. Чебоксары, 20- 23 сентября 2011 г. - Новочеркасск: НПО «Лик», 2011. - С. 76 - 79
12. Куля, Н. Н. Экспериментальное исследование водоструйного аэратора [Текст] / Н. Н. Куля, Н. С. Серпокрылов, А. А Бондарчук; Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. (НПИ). // Технологии очистки воды «ТЕХНОВОД-2012»: Матер. VII Межд. науч.-практ. конф. г. Санкт-Петербург, 18 – 21 апр. 2012 г. - Новочеркасск: «Лик», 2012. - С. 182 - 187
Куля Наталья Николаевна
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПНЕВМОСТРУЙНЫХ АЭРАТОРОВ ДЛЯ ВОДНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
05.23.04 Водоснабжение, канализация, строительные системы
охраны водных ресурсов
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Подписано в печать 16.10.2013 г. Заказ № _____ Тираж 100 экз. Печ. л. 1,0
Формат 60х84 1/16.
Бумага писчая. Ризограф.
Редакционно-издательский центр
Ростовского государственного строительного университета
344022, г. Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162
