CC BY
63
УДК 628.356.1
ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ ЦИРКУЛЯЦИОННЫХ ПОТОКОВ ЖИДКОСТИ В АЭРОТЕНКЕ, ВОЗНИКАЮЩИХ ПОД ДЕЙСТВИЕМ АЭРИРУЮЩИХ СИСТЕМ
В.Д.Казаков1, Н.Д.Пельменёва2
Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Приведен расчет гидродинамических режимов работы аэротенка-вытеснителя при реконструкции элементов системы аэрации сточных вод и изменении схемы их размещения. Ил. 4. Библиогр. 13 назв.
Ключевые слова: аэротенк; аэрация; очистка сточной воды; аэрирующие системы.
STUDY OF HYDRODYNAMICS OF CIRCULATING LIQUID FLOWS INDUCED BY AERATING SYSTEMS IN AN AEROTANK
V.D. Kazakov, N.D. Pelmeneva
Irkutsk State Technical University 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074
The authors present the calculation of hydrodynamic modes of operation of a displacing aerotank when reconstructing the sewage aeration system elements and changing the circuit of their position. 4 figures. 13 sources.
Key words: aerotank; aeration; sewage purification; aerating systems.
Основными условиями, обеспечивающими нормальное протекание процессов биоокисления в аэро-тенке, являются: равномерное распределение биомассы активного ила в объеме сооружения, оптимальное взаимодействие микроорганизмов с субстратом органических загрязнений и перенос растворенного кислорода в зону этого взаимодействия. Эффективной организации этих процессов препятствует целый ряд причин, устранение которых связано с техническими и другими эксплуатационными затратами.
Наиболее серьезными причинами принято считать неоднородность поля концентраций поступающего активного ила и органических загрязнений, неравномерное распределение их по времени и по объему аэротенка, седиментационные свойства активного ила, способствующие его осаждению, отсутствие эффективных аэрирующих устройств и унифицированных схем их размещения в сооружениях биологической очистки.
Устранению данных причин и созданию нормальных условий протекания процессов биоокисления в аэротенках посвящена большая часть исследований в области очистки сточных вод [1-7].
Несмотря на обширность и глубину исследований, современные требования к качеству очистки сточных вод, сокращению эксплуатационных затрат, надежности и эффективности используемого оборудования постоянно растут. Появление новых материалов, новых конструкций аэраторов, аэрирующих систем и сооружений требует проведения новых исследований
в области биологической очистки сточных вод. Например, простой переход от аэратора типа «перфорированная труба» к аэраторам «фильтросная пластина», «АКВАЛАЙН» или «ПОЛИПОР» в действующем аэра-ционном сооружении сопряжен с изменениями всего процесса биоокисления. Прежде всего, это связано с изменением удельного расхода воздуха на погонный метр каждого типа аэратора, изменениями размеров газовой фазы и соответственно скоростями всплытия пузырьков. Это, в свою очередь, меняет гидродинамику потоков, способствующих процессу перемешивания сточной жидкости с активным илом. Размеры и количество газовой фазы, присутствующей в объеме аэрирующего факела, оказывают существенное влияние на концентрацию растворенного кислорода во всем объеме сооружения. Так, например, при использовании систем мелкопузырчатой аэрации лучше происходит процесс растворения кислорода в жидкости, но при этом уменьшаются скорости газожидкостного потока. В случае использования систем средне - и крупнопузырчатой аэрации возрастают скорости газожидкостного потока, но хуже идет процесс растворения кислорода [7]. При этом в разных системах аэрации обеспечивается разный расход воздуха, что влияет на энергоемкость всего процесса и на качество очистки сточных вод.
Следовательно, переход от одного типа аэраторов к другому типу и изменение при этом схемы размещения всей системы аэрации в сооружениях биологической очистки не всегда оправданы и эффективны.
1 Казаков Вячеслав Дмитриевич, кандидат физико-математических наук, проректор по экономике, тел.: (3952)405030, e-mail: kazakov@istu.edu
Kazakov Vyacheslav Dmitrievich, Candidate of physical and mathematical sciences, pro-rector on Economics, tel.: (3952) 405030, email: kazakov@istu.edu
2Пельменёва Наталья Дмитриевна, доцент, декан факультета среднего профессионального образования, тел.: (3952)405852, e-mail: pel@istu.edu
Pelmeneva Natalia Dmitrievna, associate professor, Dean of the faculty of Secondary Professional Education, tel.: (3952) 405852, email: pel@istu.edu
тг
1' 1 1' Рис. 1. Размещение аэраторов в коридорах аэротенка до реконструкции (1), циркуляционные контуры движения сточной жидкости в поперечном сечении коридоров аэротенков до реконструкции (2)
То есть любые изменения, связанные с заменой систем аэрации, должны сопровождаться перерасчетом гидродинамических режимов работы всей системы сооружений с предварительным испытанием на моделях.
Рассмотрим такой переход на примере реальных очистных сооружений города Черемхово. В процессе реконструкции аэротенка-вытеснителя был сделан переход от старых аэраторов типа «перфорированная труба» на новые типа «ПОЛИПОР». При этом изменилась и система расположения аэраторов в коридорах аэротенков (рис. 1, 2).
Исходя из схемы размещения аэраторов до реконструкции предполагалось, что две основные задачи системы аэрации будут реализованы посредством насыщения сточных вод кислородом и создания двух перемешивающих циркуляционных контуров движения сточной жидкости в поперечном сечении коридора аэротенка (рис. 1).
Схема размещения аэраторов нового типа «ПОЛИПОР» после реконструкции аэротенков была рассчитана на создание только одного циркуляционного контура движения жидкости в поперечном сечении аэротенка (рис. 2).
Сравнение двух схем размещения аэраторов показывает появление двух теневых зон значительных размеров после реконструкции (рис. 2). Образование таких зон обусловлено эффектом диссипации энергии между слоями вращающейся жидкости и образованием циркуляционного потока жидкости определенных размеров, движущегося по замкнутому контуру. Внутри такого контура движение постепенно затухает по мере приближения к центральной части теневой зоны.
Следовательно, в этой зоне отсутствует процесс перемешивания сточных вод с хлопками активного ила и маловероятен перенос растворенного кислорода к микроорганизмам. Учитывая реальные размеры одного коридора аэротенка-вытеснителя (высота 4,5 м, ширина 9 м, длина 75 м) и взяв приблизительно поперечный размер ширины циркуляционного контура порядка 1,5 м, получим общий объем сточных вод около 675 м3, не участвующих в процессе биоокисления в одном коридоре аэротенка.
Конечно, в первом варианте (рис.1), при наличии двух циркуляционных контуров движения жидкости в аэротенке также существуют теневые зоны в центре каждого контура. Но размеры этих зон значительно меньше, чем в варианте с одним циркуляционным контуром (рис. 2). Таким образом, с точки зрения гидродинамики сооружения применение нового типа аэратора с изменением схемы расположения системы аэрации в аэротенке без каких-либо специальных расчетов не приводит к ожидаемому, на первый взгляд, положительному эффекту более интенсивного перемешивания. Кроме того, размещение трех труб аэраторов вместе на расстоянии 1,5-2 диаметра аэратора друг от друга будет менее эффективно с точки зрения оптимальной диффузии кислорода из пузырьков в жидкость по следующим причинам. Из теории известно [8], что скорость массопередачи кислорода в жидкость прямо пропорциональна величине коэффициента диффузии, площади раздела фаз, движущей силе процесса массопередачи, которой является величина АО - разность концентраций насыщенного газом раствора жидкости и концентрации раствора в данный момент времени. В рассматриваемом нами
Рис. 2. Размещение аэраторов в коридорах аэротенка после реконструкции (1), циркуляционные контуры движения сточной жидкости в поперечном сечении коридоров аэротенка после реконструкции (2), теневые
зоны, в которых движение жидкости отсутствует (3).
2
2
3
3
2
2
случае три расположенных рядом друг с другом аэратора создадут три барботажных факела около стенки и по всей длине аэротенка. То есть, учитывая расширение факела по высоте на 10о-12о от каждого аэратора, мы получим практически плотный газожидкостный слой, в поперечном сечении совпадающий с размерами размещения аэраторов и высотой аэротенка. Следовательно, внутри этого сечения из-за постоянной плотности газового слоя быстро установится критическая концентрация насыщения газом жидкости и процесс диффузии будет угнетаться или, проще сказать, будет значительно ослаблен. В связи с этим часть воздуха, насыщенная кислородом, достигая поверхности зеркала аэротенка, будет уходить в атмосферу, увеличивая тем самым затраты на аэрацию и снижая эффективность работы сооружения в целом.
Эти выводы подтверждаются исследованиями [1,3,7], в которых приведены результаты изучения влияния интенсивности аэрации на изменение величины коэффициента использования кислорода воздуха (рис. 3).
Ки% А
График показывает, что увеличение интенсивности аэрации (расхода воздуха через аэратор на площадь зеркала аэротенка) свыше 4 м3/м ■ч приводит к снижению коэффициента использования кислорода. Одной из причин этого снижения является возникновение струйного эффекта восходящего газожидкостного потока, увеличивающего скорость движения газовой фазы и соответственно уменьшающего время контакта фаз (пузырьков воздуха с жидкостью). Принимая во внимание высказанные замечания, рассмотрим упрощенную теоретическую модель движения жидкости с учетом предложенной схемы размещения аэраторов в правом коридоре аэротенка (рис. 4).
Пузырьковый факел 3, поднимаясь к поверхности зеркала аэротенка, будет создавать подъемную силу за счет объемного расширения газа по мере его приближения к поверхности. Возникающий при этом газ-лифтный эффект будет обеспечивать движение пузырьков газа и жидкости в вертикальном направлении с некоторой скоростью и = ио + ив , где ио - скорость всплытия пузырька в неподвижной воде (порядка 0,3
3 м3/ м2 ■ч
10
12
Рис. 3. График зависимости величины коэффициента использования кислорода (Ки) от интенсивности
аэрации (3)
Н/2
4
2
0
2
4
6
8
Рис. 4. Схема поперечного сечения правого коридора аэротенка-вытеснителя: 1 - аэратор; 2 - предполагаемая циркуляция потока жидкости; 3 - пузырьковый факел; R - радиус поворота потока жидкости на поверхности аэротенка; Н - высота столба жидкости; М - расстояние от стенки аэротенка до крайнего трубчатого аэратора
Н
м/с) [9], а ив - скорость движения жидкости. С учетом предложенных рассуждений, а также результатов, изложенных в [5,6], подъемная сила газа, заставляющая двигаться жидкость, может быть представлена в виде
Р-К-¥г-я-Я
F =-
(1)
где р - плотность жидкости; K - коэффициент, учитывающий расширение газа; Vz - среднее значение объемного расхода газа; g - ускорение свободного падения; H - высота слоя жидкости.
Подъемная сила, полученная в выражении (1), будет создавать крутящий момент в поперечном сечении коридора аэротенка, т.е. Мк = Fp • l, где l = H/2 -условное плечо приложения силы (согласно рис. 4). Потери напора, вызванного этой силой, будут происходить за счет трения потока о стенку аэротенка и за счет подсасывания жидкости в поток восходящего газожидкостного факела. Кроме того, при выходе факела на поверхность аэротенка поток изменяет направление движения практически на 90о, что создает потери на поворот. Наибольшим вкладом во все потери напора принято считать потери на поворот потока, то есть остальными потерями можно пренебречь. Потерям напора на поворот будет соответствовать момент сопротивления, который можно представить в виде
о2 2
м = z ■ р—--s н2 2
где Z = 0,5 согласно данным [10,11], а S - коэффициент, учитывающий изменение среднего радиуса на повороте потока. В случае циркуляционного движения жидкости должно выполняться условие сохранения моментов, то есть крутящий момент, созданный подъемной силой, должен уравновешиваться моментом сил сопротивления потоку. Следовательно, баланс моментов может быть представлен выражением 0,5-р-К ■Vr ■g ■ Н2
■ = £■ 0,5■ р-ие 2 S ■ Н2
(2)
Отсюда после несложных преобразований можно получить уравнение для определения скорости восходящего потока жидкости:
+ и,2 -ц,-С-V = 0, (3)
где £ - коэффициент, содержащий произведение меняющихся членов выражения (2).
Возникновение циркуляционного движения жидкости по замкнутому контуру зависит от таких гидродинамических процессов, как сжатие газа от атмосферного давления (Ра) до определенного заданного давления (р); подъем воды объемным расходом V) на высоту (Л); затраты кинетической энергии потока на
перемешивание частиц жидкости. Из условия баланса энергий известно [12,13], что энергия сжатого газа
расходуется на поднятие жидкости на высоту (к) и на кинетическую энергию перемешивания жидкости, то есть правомерно следующее равенство:
P. -ln^ = р-g-h-Ve +Р-V U
Ра.
2
Отсюда можно получить выражение для определения объемного расхода жидкости, участвующего в циркуляционном движении:
Ра + Р
Р„ -V, -ln-
V. =-
Р.
Р■
(4)
Полученное выражение (4) представляет собой объемный расход жидкости, который в единицу времени выносит газожидкостный факел на поверхность зеркала аэротенка. Этот объем жидкости можно условно представить параллелепипедом с размерами в плане, равными площади сечения восходящего факела, и толщиной, определяемой отношением объема жидкости вынесенного на поверхность аэротенка к этой площади сечения.
Вынесенный на поверхность слой жидкости объемом Qe = V будет двигаться к противоположной
стенке аэротенка, оказывая давление на неподвижные поверхностные слои жидкости, то есть перемещать к противоположной стенке уже суммарный объем жидкости, равный Qe + Qj. Таким образом, сила давления будет совершать работу по перемещению суммарного объема жидкости к противоположной стенке аэротенка F-Б,, = N /1. Учитывая потери энергии при совершении работы а также то, что
= (U+U )/2,
где и
ср
F = P-(Q. + Qj )-иСр,
Bj = B — M расстояние, пройденное жидкостью, согласно рис. 4, а мощность силы давления N = р ■Qe ■ ив , можно найти период времени, который потребуется потоку жидкости, чтобы достигнуть противоположной стенки аэротенка:
р( + Qj ■ (в—m ) t =-TT—2-• (5)
Р Q.
Для определения t необходимо подставить в выражения (2-5) известные данные из реальных параметров аэротенка-вытеснителя и системы аэрации «ПОЛИПОР», то есть
h= 4 м, В = 9 м, М = 0,7+1,5 (в зависимости от плотности размещения и количества аэраторов, установленных у стенки), Р = 0,6 кгс/см2, Vz = 0,0167 м3/с на 1 погонный метр для трехтрубной установки; Ve = 0,0111 м3/с для двухтрубной; Va = 0,0055 м3/с для однотрубной; р,gРа - по табличным данным [10,11];
ик = 0,1 м/с по экспериментальным замерам в действующем аэротенке-вытеснителе на расстоянии М от края противоположной стенки аэротенка. Например,
при Vz = 0,0167 м3/с, ив = 0,8 м/с, Qe = 0,0139 м3/с, ик = 0,1 м/с получим t ~ 8,9 сек, в течение которого поток жидкости, вынесенный на поверхность аэротен-
ка газожидкостным факелом, достигнет противоположной стенки.
Согласно законам гидродинамики, существование циркуляционного контура должно быть обеспечено условиями постоянства расхода в один и тот же промежуток времени. Принимая во внимание, что пузырьковый факел поднимает жидкость со дна аэротенка на высоту H = 4,5 м за время tK = H / ив « 5,6 сек, определим условия образования циркуляционного контура. Такими условиями будут Qe = const и
tK = const на вертикальных и горизонтальных участках контура. Следовательно, вынесенный на поверхность объем жидкости должен пройти участок (х) за
тот же период времени tK. Расстояние (х) может
быть найдено из соотношения x = B1 ■ tK /1. Отсюда, при известных данных получим x = 4,7 м, а при различных вариантах одностороннего размещения аэраторов (трехрядное, двухрядное, однорядное) можно найти размеры горизонтального участка циркуляционного контура соответственно: Вк = 6,2 м; Вк = 5,4 м;
Вк = 4,7 м. То есть ни один размер Вк не перекрывает всей ширины аэротенка-вытеснителя (В = 9 м). Мало того, очевидно, что размер горизонтального участка циркуляции жидкости Вк = 4,7 м достаточен для
образования двух циркуляционных контуров во всем поперечном сечении коридора аэротенка при условии двухстороннего размещения аэрационных систем.
Таким образом, выполненные исследования позволяют сделать следующие выводы:
1. Установка двух или трех аэраторов типа «ПО-ЛИПОР» около одной стенки аэротенка плотностью М = 1,0 + 1,5 м с удельным расходом воздуха V = 20 м3/ч на 1 погонный метр на каждом аэраторе не обеспечивает образование циркуляционного контура жидкости во всем поперечном сечении коридора аэротенка данных размеров, а следовательно, не создает условия эффективного перемешивания жидкости во всем объеме аэротенка-вытеснителя.
2. Плотность установки двух-трехрядного расположения аэраторов типа «ПОЛИПОР» в пределах 1+1,5 м отрицательно влияет на величину коэффициента использования кислорода.
3. Установка одного аэратора типа «ПОЛИПОР» около двух противоположных стенок аэротенка позволяет создать два симметрично расположенных циркуляционных контура, охватывающих практически все поперечное сечение аэротенка и соответственно обеспечивающих наиболее эффективное перемешивание сточных вод с активным илом во всем объеме аэротенка-вытеснителя при меньших эксплуатационных и производственных затратах.
Библиографический список
1. Очистка производственных сточных вод в аэротенках / Я .А. Карелин [и др.]. М.: Стройиздат, 1973. 223 с.
2. Яковлев С.В., Карюхина Т.А. Биохимические процессы в очистке сточных вод. М.: Стройиздат, 1980. 200 с.
3. Биологическая очистка производственных сточных вод / С.В.Яковлев [и др.]. М.: Стройиздат, 1985. 208 с.
4. Худенко Б.М., Шпирт Е.А. Аэраторы для очистки сточных вод. М.: Стройиздат, 1973. 112 с.
5. Моделирование аэрационных сооружений для очистки сточных вод / Л.Н.Брагинский [и др.]. Л.: Химия, 1980. 144 с.
6. Евилевич М.А., Брагинский Л.Н. Оптимизация биохимической очистки сточных вод. Л.: Стройиздат, 1979. 160 с.
7. Попкович Г.С., Репин Б.Н. Системы аэрации сточных вод. М.: Стройиздат, 1986. 136 с.
8. Кафаров В.В. Основы массопередачи. 3-е изд., перер. и доп. М.: Высшая школа, 1979. 439 с.
9. Кутателадзе С.С., Стырикович М.А. Гидродинамика газожидкостных систем. М.: Энергия, 1976. 296 с.
10. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение, 1999. 672 с.
11. Альтшуль А.Д., Киселев П.Г. Гидравлика и аэродинамика. М.: Стройиздат, 1975. 323 с.
12. Турк В.И. Насосы и насосные станции. М.: Стройиздат, 1961. 334 с.
13. Соколов В.Н., Доманский И.В. Газожидкостные реакторы. Л.: Машиностроение, 1976. 216 с.
УДК 711.4.03
ОПЫТ ГОРОДСКОГО УПРАВЛЕНИЯ РОССИИ (ДОРЕВОЛЮЦИОННАЯ МУНИЦИПАЛЬНАЯ НАУКА В СВЕТЕ СОВРЕМЕННОГО УЧЕНИЯ О ГОРОДЕ)
А.Н.Клевакин1
Новосибирская государственная архитектурно-художественная академия, 630099, г. Новосибирск, Красный проспект, 38.
Становление муниципальной науки рассматривается как часть всемирно исторического процесса повышения роли городов. В центре внимания наименее изученный период истории отечественного градостроительства -конец Х1Х - первые три десятилетия ХХ столетия. Ранее разрозненные сферы деятельности интегрируются. Формируется особый корпус людей - городских деятелей. Складывается самостоятельная область, в поле внимания которой находятся интересы городского развития. Приобретают все большее хозяйственное, политическое значение горизонтальные взаимодействия территориальных единиц. По мнению автора, обращение к трудам Л.А. Велихова позволяет актуализировать уникальный опыт самоуправления России. Текст книги «Основы город-
1Клевакин Александр Николаевич, кандидат архитектуры, тел.: 89139449898, e-mail: kan0756@mail.ru Klevakin Alexander Nikolayevich, Candidate of Architecture, tel.: 89139449898, e-mail: kan0756@mail.ru
