Глава 2 Экспериментальный выбор оптимальной системы аэрации с керамическими аэраторами «Бакор»
2.1 Классификационные признаки систем аэрации
На современном этапе развития водопроводно-канализационного хозяйства одной из наиболее сложных инженерных задач, направленных на улучшение экологической обстановки в различных регионах страны и охрану водоемов от загрязнения, является реконструкция и перевооружение сооружений по очистке городских сточных вод.
Сохранение водных объектов и поддержание в них благоприятных условий для жизнедеятельности микро и макро организмов на сегодняшний день носит значение приоритетного характера и реализуется в виде разрабатываемых технологий очистки вод.
В условиях современной развивающейся индустриальной действительности вода, используемая в ходе производства продукции, загрязняется, претерпевая изменения физико-химического и биологического характера, нуждается в очистке с целью соответствия норм ПДК рыбохозяйственных водоемов.
Основное направление очистки хозяйственно-бытовых сточных вод – обработка их на сооружениях биологической очистки – аэротенках, оборудованных системой аэрации. Согласно экспертным оценкам данный метод очистки является наиболее распространённым и безопасным в экологическом отношении [27].
Аэрация сточных вод представляет собой комплекс задач, целью которых служит создание аэробных условий с протеканием биологических процессов очистки вод путем насыщения жидкости воздухом [28]. В основе данного способа лежит возможность некоторых бактерий, содержащихся в активном иле аэротенка, использовать для питания соединения органического происхождения с последующим биохимическим окислением.
В последние годы в области технологии аэрирования сооружений биологической очистки проводились разработки, как среди отечественных, так и зарубежных компаний. Сегодняшний рынок материалов и оборудования для диспергирования воздуха характеризуется повышенным разнообразием и высокими энергетическими показателями [29]. Наиболее широкое отражение на станциях очистки сточных вод находят следующие технологические решения диспергирования воздуха:
Пневматическая система аэрации– представляет собой подачу воздуха (технического кислорода) под давлением в 10 – 50 кПа по магистральным и воздухораспределительным трубопроводам к диспергаторам различной конструкции, месторасположение и число которых в аэротенке определяется по результатам расчета.
Суть процесса пневматической аэрации состоит в том, что сжатый воздух (или кислород) от воздуходувок, компрессоров, высоконапорных вентиляторов или кислородных испарительных установок по системе трубопроводов подается в аэрационное сооружение [30,31,32,33,34-39]. С помощью аэраторов воздух дробится на пузыри, которые распределяются в объеме жидкости и служат источником снабжения кислородом, а также вызывают циркуляцию водоиловой смеси для поддержания активного ила во взвешенном состоянии.
Пневматические аэраторы применяются как в открытых, так и закрытых аэрационных сооружениях.
По заглублению аэраторы пневматической системы классифицируют на аэраторы малого (до 1,5 м), среднего погружения (1,8-6,0 м) и глубинные аэраторы (свыше 6 м). В настоящее время распространены аэраторы среднего погружения.
В зависимости от давления на выходе различают аэраторы низкого давления (до 10 кПа), среднего (нормального, до 50 кПа) и высокого (свыше 50 кПа) давления. К системам низкого давления относят низконапорную систему ИНКА, к системам нормального давления - аэраторы среднего погружения, а к системам высокого давления - глубинные.
В зависимости от размеров, образующихся на выходе из диспергаторов пузырьков воздуха, применяемые в настоящее время пневматические аэраторы традиционно разделяют на 4 типа: безпузырчатые, тонкого диспергирования, среднепузырчатые и крупнопузырчатые. Однако, классификация по размерам воздушных пузырьков является в известной степени условной. Согласно отечественным работам мелкие пузырьки имеют диаметр 1-4 мм, средние 5-10 мм, крупные - более 10 мм. По Висмейеру, пузырьки диаметром до 1,2 мм - мелкие, 1,2-1,6 мм - средние и более 1,6 мм - крупные. Наконец, в технологической практике, как в России, так и за рубежом аэраторами тонкого диспергирования воздуха считают фильтросные пластины независимо от размеров их пор и соответственно размеров воздушных пузырьков.
Классификация пневматических систем аэрации представлена на рис. 2.1а
В безпузырчатой системе аэрации воздух (кислород) растворяется полностью или имеет пузырьки размером меньше 0,25 мм. Безпузырчатые аэраторы представляют собой пластины с отверстиями или порами размером менее 0,25 мм, устанавливаемые обычно в канализационных коллекторах.
Применение безпузырчатой системы аэрации наиболее эффективно, так как в этом случае меньше расход энергии на подачу воздуха, но необходимо уделять больше внимания эксплуатации диффузоров. Такие системы аэрации не получили широкое распространение, ввиду сложности получения пузырьков воздуха размером 0,25 мм. Имеется положительный опыт использования безпузырчатых аэрационных устройств в системах аэрации с техническим кислородом, в частности, в окситенках системы “Марокс” и в диспергаторах кислорода ПМД-3, разработанных во ВНИИ ВОДГЕО.
Безпузырчатая аэрация достигается применением вращающихся диффузоров. Окситенки этого типа имеют фирменное название “Марокс”. Диффузор, применяемый в окситенке “Марокс”, представляет собой полый диск с закрепленными пластинами (рис.2.1в Кислород подается в полый вал диска.). При вращении диска пузырьки газа срезаются окружающей жидкостью, не успев укрупниться до тех размеров, при которых они отрываются от пор фильтров при неподвижном аэраторе.
Рис. 2.1 а- Классификация пневматических систем аэрации
Рис. 2.1 б - Дополнение к классификации пневматических аэраторов
Рис. 2.1 в - Диффузор системы “Марокс”. 1- полый вал; 2 - лопатки для перемешивания; 3 - пористые пластины.
При вращении диска пузырьки газа срезаются окружающей жидкостью, не успев укрупниться до тех размеров, при которых они отрываются от пор фильтров при неподвижном аэраторе. Пузырьки размером 100 мкм, обладающие относительно малой гидравлической крупностью, увлекаются потоками жидкости, не всплывая на поверхность, до практически полного растворения. Эффективность использования кислорода в иловой смеси достигает 90%.
Механическая система аэрации – реализуется в ходе вращения мешалки-аэратора, вовлекающего в биореактор наружный воздух из окружающей среды. В зависимости от типа расположения оси вращения ротора классифицируются на горизонтальные и вертикальные.
В отличие от пневматической системы аэрации механическая характеризуется рядом преимуществ, среди прочих отсутствие забивания и зарастанию, возможность проведения своевременного осмотра и ремонта.
Комбинированная система аэрации – сочетает в себе технологические возможности пневматических и механических аэраторов. Основное назначение системы – очистка сточных вод повышенной концентрации.
Таким образом, повсеместное распространение аэрационных сооружений для биологической очистки сточных вод обуславливает дальнейший поиск технических разработокс целью интенсификации протекания процессов работы таких сооружений при формировании оптимальной газогидродинамической обстановки [40].
Кроме вышеперечисленных, в последнее время стали применяться конструкции аэраторов, отличающиеся принципиальной новизной - пневмовибрационные, пневмомеханические и др. [41].
В последние годы вследствие развития исследований процессов и устройств систем аэрации расширяется и детализируется принятая классификация, которая относительно недавно дополнена следующими признаками: волновые воздействия на аэратор [42,43] (Андреев С.Ю., 2005), пневмоструйная аэрация [44,45] (Куля Н.Н., 2013), способность к захлопыванию отверстий мембранных аэраторов при отключении электроэнергии [46,47] (Смоляниченко А.С., 2011), аэраторы из природного туфа [48,49] (Петросян Г.Г., 2014).
Эффективность работы аэраторов обеспечивается следующими факторами:
Площадь раздела фаз “пузырек воздуха - жидкость”, которая зависит от диаметра пузырьков воздуха. Чем меньше диаметр пузырьков, тем выше скорость массопередачи кислорода.
Время контакта фаз. Оно обусловлено глубиной аэротенка, а также коэффициентом турбулентности.
Скорость обновления поверхности фаз, т.е. чем выше турбулентность потока, тем эффективнее аэрация сточных вод.