Исследование интенсификации процессов флотационной и биологической очистки сточных вод на основе применения модельных стоков Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 696.1

ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ ФЛОТАЦИОННОЙ И БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ МОДЕЛЬНЫХ

СТОКОВ

Леонтьев А.В., Стом Д.И., Толстой М.Ю., Чижик К.И.

Иркутский национальный исследовательский технический университет1, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, www.istu.edu, e-mail: [email protected]; [email protected] Иркутский государственный университет2, 664003, Иркутск, ул. Сухэ-Батора, 5. www.isu.ru, e-mail: [email protected] Телефон и факс: (3952)241870, 241855 Московский государственный строительный университет3, 129337, Москва, Ярославское шоссе, д. 26

www.mgsu.ru, e-mail: [email protected]

Аннотация: Приведены методические указания (включая схемы) по использованию экспериментальной емкости из оргстекла. Описано проведение эксперимента по интенсификации очистки сточных вод в рамках различных модельних сред, при работе энергосберегающего пневмогридравлического аэратора. Исследовано перемешивание жидкости за счет вращения пневмогидравлического аэратора.

Ключевые слова: водоотведение, очистка сточных вод, пневмогидравлический аэратор, модельная среда, растворимость кислорода

ВВЕДЕНИЕ

Развитие технического процесса на современном этапе предусматривает повышение производительности работающих и

функционирующих в оптимальном режиме сооружений и предприятий. В сегодняшних условиях одной из основных задач экономического и социального развития является разработка и осуществление в каждой отрасли, в объединениях и на предприятиях комплексных программ технического перевооружения и реконструкции производства, его непрерывного обновления на основе современной техники и передовой технологии [1-7]. При этом обращается внимание на необходимость более рационального использования водных ресурсов и повышения эффективности работы очистных сооружений и установок [14].

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ

Развитие и реконструкция городской застройки невозможна без реконструкции и модернизации очистных сооружений. При этом осуществление реконструкции и технического перевооружения сооружений по очистке производственных и городских сточных вод - одна из наиболее сложных инженерных задач, направленная на улучшение экологической обстановки и охрану водоемов от загрязнения и истощения. Существует множество способов очистки загрязненных вод, но необходимой ступенью и важным фактором является аэрация.

Аэрация жидкости необходима как для создания флотационных пузырьков в жидкости, так и для насыщения самой жидкости кислородом в зависимости от назначения химического или биохимического процесса в очистке воды, или другой отрасли промышленности, в которой применяют аэрацию как основу технологического цикла[8].

Разнообразие способов аэрации жидкости и устройств для их осуществления требует не только классификации, но и фундаментального подхода для выявления физических закономерностей осуществления аэрации и создания более совершенных устройств и способов, необходимых для различных отраслей промышленности [9].

Для диспергирования воздуха в жидкости с целью насыщения её пузырьками воздуха давно применяются различные устройства, называемые аэраторами. Все они классифицируются по различным признакам [10-15]:

- механические, то есть аэраторы, которые имеют какой-либо движущийся (вращающийся) рабочий орган, вовлекающий атмосферный воздух в жидкостную фазу;

- пневматические, представляющие собой систему трубопроводов, подающих простой или насыщенный техническим кислородом воздух под давлением в аэрируемую жидкость (непосредственно или через диспергаторы);

-пневмомеханические (комбинированные), объединяющие в себе конструктивные элементы двух вышеупомянутых типов аэраторов;

- гидравлические, принцип действия, которых заключается в использовании кинетической энергии потока жидкости для возникновения развитой поверхности газожидкостного контакта.

В свою очередь, представленные типы аэраторов классифицируется согласно своим конструктивным особенностям.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Принцип работы экспериментального стенда (продувка) заключается в использовании следующих компонентов.

1. Энергосберегающий пневмогидравлический аэратор.

Рис.1. Пневмогидравлический вращающийся аэратор: 1 - корпус; 2 - штанга; 3 - камера смешения;

4 - сопло; 5 - патрубок подвода газа; 6 - патрубок подвода жидкости.

Fig.1. The pneumatichydraulic rotating aerator 1 - case; 2 -bar; 3 - mixture chamber; 4 - nozzle;

5 - gas supply branch pipe; 6 - liquid supply branch pipe.

Соединение подводящих патрубков жидкости и газа с корпусом производится посредством подшипника скольжения. Для предотвращения смешивания газа с жидкостью в корпусе аэратора применяются сальники.

Пневмогидравлические аэраторы занимают промежуточное положение между мелко- и среднепузырчатыми, поскольку дисперсный состав газовой фазы у них колеблется от 0,1 до 10 мм, причём большая часть пузырьков имеет близкие по значению объёмы (2-4 мм), что положительно сказывается на процессе массопередачи кислорода в

жидкость и на процессе очистки сточной воды в целом. Незначительное засорение аэраторов связано с отсутствием пористых диспергаторов, с одной стороны, и хорошей промывающей способностью газожидкостной струи - с другой. При необходимости можно предусмотреть надеваемые на сопла подпружиненные крышки, автоматически закрывающиеся при прекращении подачи воздуха и жидкости, а также простые технологические отверстия в низших точках системы, работающих как воздушные краны по аналогии с системой отопления.

2. Комплект для ионометрии.

Предназначен для определения рН и концентрации ряда ионов, создание в емкости различных модельных сред.

сравнения (вспомогательный) сравнения (вспомогательный)

Состав комплекта:

- электрод одноключевой

- электрод двухключевой

- Na+ (натрий) ионоселективный электрод

- К+ (калий) ионоселективный электрод

- Са2+ (кальций) ионоселективный электрод

- Cl- (хлорид) ионоселективный электрод

- NO3 (нитрат) ионоселективный электрод

- магнитная мешалка

- штатив

3.

3.1

Методика подключения экспериментальной емкости (План Схема №3):

Установить емкость из

на

оргстекла опорный металлический стенд

3.2 Подсоединить краны подачи/слива воды

3.3 Подсоединить трубопровод ТР1 к водопроводу, а также к аэратору (1)

3.4 Установить на трубопроводе ТР1 расходомер воды (6)

3.5 Подсоединить трубопровод ТР2 к компрессору (2), а также к аэратору (1)

3.6 Установить на трубопроводе ТР2 ротаметр (4)

3.7 Установка датчика газоанализатора, счетчика газа на входе/выходе в емкость (5,7), регулировка и настройка приборов (при необходимости произвести калибровку)

3.8 Установка аэратора в емкость

3.9 Установка кислородомера (3)

3.10 Наполнение емкости водопроводной водой (1 35-400), до появления ее из контрольного крана

3.11 Внесение в протокол эксперимента начальных данных (температура среды, рН, содержание кислорода по газоанализатору, показания расходомера)

3.12 Одномоментный запуск автоматической записи показаний газоанализатора с интервалом 5 сек.

3.13 Внесение в протокол эксперимента текущих данных (давление воды, воздуха по манометрам, расход воздуха по ротаметру).

ОПИСАНИЕ РАБОТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО СТЕНДА

Биохимическая очистка сточных вод осуществляется в результате сложного комплекса взаимосвязанных физических, химических и биологических процессов. В результате лабораторных исследований была создана технологическая система очистки сточных вод. В данной системе задействован комплект для ионометрии, позволяющий определить рН и концентрацию ряда ионов, БПК и ХПК. Основные неметаллы в сточных водах (способы их очистки), задействованные в процессе эксперимента:

1. Азот аммонийный (МИ4)+: Биологическая фильтрация, окисление озоном, хлором, гипохлоритами щелочных и щелочноземельных металлов, произведены аэрация, сорбция с использованием цеолитов натриевой формы, ионообменные смолы, обработка сильной щелочью, флотация, восстановление аммония металлическим магнием, добавлением растворов хлорида магния и тринатрийфосфата.

2. Азот нитратный (^ЫР3)-: Электродиализ, ионообменные смолы, биологическая очистка, обратный осмос, электрофлотация, каталитическое восстановление до азота.

3. Азот нитритный (^ЫР2)-: Биологическая фильтрация, окисление озоном, хлором, гипохлоритами щелочных и щелочноземельных металлов, пероксидом водорода, обратный осмос, ионообменные смолы.

4. Сульфаты ^Р4)2-: Обратный осмос, ионообменные смолы, алюминий содержащим реагентом с известкованием.

5. Фенол (С6Н5ОН): Сорбция, озонирование, механическая очистка, парофазное окисление, жидкофазная очистка, биологическая очистка.

6. Фосфаты_(РО4)3-: Биологическая

фильтрация, отстойники, гидроциклоны, реагентная очистка, обратный осмос, адсорбция, ионообмен, коагуляция, окисление с последующей нейтрализацией известковым молоком озоном, хлором, кислородом воздуха.

7. Фтор: Реагентная очистка, сорбция, обратный осмос, ионообмен.

8. Хлориды (П-): Сорбция, обратный осмос, ионообмен.

Также установка включает в себя источник воды, компрессор, запорные краны, манометры, расходомер воды, ротаметр и пневмогидравлический аэратор (см. схема №3).

Лабораторные исследования составляли основную часть выполненной работы, и включали в себя отработку оптимальных режимов, выяснение физической природы процессов, протекающих в аэраторе, регистрацию основных и вспомогательных параметров изучаемых режимов работы, а также был отработан процесс смены раствора, создание различных модельных сред в емкости.

Методика экспериментальных исследований строилась следующим образом:

- измерялся расход воды и воздуха;

- измерялось давление воды и воздуха;

- измерялось число оборотов аэратора;

- измерялись диаметры пузырьков воздуха;

- измерялась растворимость кислорода в воде.

Основной вариант работы:

Вода подается из хозяйственно питьевого водопровода, а воздух нагнетается из компрессора, с давлением от 0,15 до 0,4 МПа. Сначала необходимо, при всех закрытых вентилях, накачать компрессор до необходимого давления. Затем открыть вентили, воздух начнет поступать в аэратор, далее открыть вентиль для подачи воды, регулируя необходимое давление. Аэратор начинает вращаться.

Работа системы фиксируется на высокоскоростную камеру марки pco.1200s. Эта модель германского производства позволяет записывать изображения с высоким разрешением и низким уровнем шума. Скоростная съемка позволяла исследовать динамику течения многофазной среды и развития струи при выходе из канала аэратора в испытательный резервуар.

Полученные при проведении эксперимента данные заносились в таблицу 1, по которой рассчитывались искомые параметры окислительной способности и эффективности, производились расчёты.

Таблица 1. Результаты измерений Table 1. Results of measurements of solubility of oxygen

№ опыта 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Время проведения эксперимента ^ мин

Объём аэрируемой жидкости V, дм3

Количество сульфита натрия т, г

Количество азота нитратного т, г

Количество азота нитритного т, г

Количество азота аммонийного т, г

Количество сульфатов т, г

Количество фенола т, г

Количество фосфатов т, г

Количество фтора т, г

Количество хлорида т, г

Солесодержание S=m/v, г/дм3

Мощность двигателя компрессора N кВт

Расход воды по водосчётчику Qж, дм3

Суммарный объём аэрируемой жидкости V», дм3

Расход воздуха по ротаметру Qг, дм3

Давление в системе Р, МПа

Концентрация С1 в начале эксперимента

растворенного

кислорода, мг/дм3 С2 в конце эксперимента

Температура воздуха Тг, оС

Температура воды Тж, оС

Текущее атмосферное давление Ра, мм.рт.ст.

Давление насыщенного водяного пара Р при

текущей температуре жидкости, мм.рт.ст.

Предел насыщения воды кислородом при

давлении 760 мм рт. ст., текущих температуре жидкости и солесодержании Cs(760), мг/дм3

Предел насыщения воды кислородом при текущем давлении Cs, мг/дм3

Объёмный коэффициент массопередачи

кислорода, k

Окислительная способность ОС, гО2/ч

Средняя окислительная способность

Эффективность, г Ог/кВт*ч

Средняя эффективность

Соотношение газ - жидкость Qг:Qж

Среднее соотношение газ - жидкость

ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Проведена оценка различных механизмов пневмогидравлической аэрации. Показана возможность создания энергоэффективного устройства на принципе смешения двухфазных потоков в пневмогидравлическом аэраторе.

Определена степень насыщения кислородом и коэффициент диффузии при распространении кислорода в сооружении при применении пневмогидравлической аэрации.

Предложен механизм энергосберегающего аэрирующего устройства, который позволяет отказаться от перемешивающих устройств,

использующих дополнительную электроэнергию, и применить механизм получения вращательного движения только за счет гидро-аэродинамики самой струи по принципу Сегнерова колеса.

Определены характеристики взаимодействия кислорода и активного ила на примере моделей, использующих: сульфит натрия, азот нитратный, азот нитритный, азот аммонийный, сульфаты, фенол, фосфаты, фтор, хлориды.

Разработаны теоретические и

методологические основы расчета технологий с применением пневмогидравлической аэрации при биохимической очистке, моделируя различные среды.

Экспериментальная емкость из оргстекла (для продувки)

A • f

/ / V v > \N л

\ \

/

a) План вид объемный a) Plan form of three-dimensional

Еяшортдошф

b) План вид сверху b) Plan top view

c) План вид c)The plan view

Рис. 1. Схема экспериментального стенда (продувка). 1 - Аэратор; 2- Компрессор; 3 - Кислородомер; 4 - Ротаметр; | I - Патрубки для электродов/электроды; ТП1 - Трубопровод подачи воды в Аэратор; ТР2 - Трубопровод подачи возд. (газа) в Аэратор; - Кран подачи/слива воды;

5 - Счетчик газа на входе в емкость; 6 - Расходомер воды; 7 - Счетчик газа на выходе из емкости

Fig. 1. Scheme of the experimental stand (purge) 1-Aerator; 2-Compressor; 3-Oxygen Meter; 4-Rotameter; i i - The connections for the electrodes/electrodes; RP1 - Pipeline supplying water to the Aerator; TR2-who supply Line. (gas) in the Aerator; XI - Tap water supply/discharge; 5 - gas Meter at the inlet of the tank; 6-water

flow Meter; 7-gas Meter at the outlet of the tank

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Воронов Ю.В., 2009. Водоотведение и очистка сточных вод/ Учебное издание: - М.: Издательство Ассоциации строительных вузов. -760 с.

2. Воронов Ю.В., Алексеев Е.В., Пугачев Е.А., Саломеев В.П., Алексеев С.Е., Викулина В.Б., Гогина Е.С., Залетова Н.А., Журов В.Н., Толстой М.Ю. Водоотведение Учебник для студентов вузов, обучающихся по программе бакалавриата по направлению «Строительство» (профиль «Водоснабжение и водоотведение») / Издательство АСВ -Москва, 2014. 416 с.

3. Gogina E., Shmal'ko V., Tolstoy M. Technology of Wastewater Treatment of the Baikal Natural Territory.Ecology and Industry of Russia. 2018;22(7):11-15. (In Russ.) https://doi.org/10.18412/1816-0395-2018-7-11-15

4. Попкович Г.С., Репин Б.Н., 1986/ Системы аэрации сточных вод. - М.: Стройиздат. - 136.

5. Воронов Ю.В., Казаков В.Д., Толстой М.Ю. 2007. Струйная аэрация. Монография // Учебно-методическое объединение ассоциации строительных вузов России. Москва, АСВ. - 162.

6. Чижик К.И., Белоокая Н.В. Модель микробиологической коррозии бетона в системах канализации //Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2017. Т. 7. № 2 (21). С. 75-83.

7. Баженов В.И., Березин С.Е., Устюжанин А.В., 2015. Обоснование строительства воздуходувных станций на базе экономического анализа затрат жизненного цикла// Водоснабжение и санитарная техника, № 2. - 46-53.

8. Патент РФ. Способ аэрации жидкости, 2005. / Казаков В.Д., Толстой М.Ю., Хан В.В., Кочержинский В.В., Куртин А.В., Кантарович С.И., Орлов А.В., Паутов М.И., RU. Опубликовано: 20.04.2005 Бюл. №11.

9. Толстой М.Ю., Орлов А.В., Васильева А.А., Паутов М.И., Полканов А.Г., Василевич Э.Э., 2005. Методика проведения эксперимента по измерению содержания кислорода в жидкости с применением двустороннего аэратора // Новые технологии в инвестиционно-строительной сфере и ЖКХ. Сб. науч. тр. Том 2. - Иркутск, Издательство ИрГТУ. -177 - 179.

10. Свод правил СП 32.13330.2012 "СНиП 2.04.03-85. Канализация. Наружные сети и сооружения.

11. Saliev Е., 2009. Ecological and economic problems of power saving up technologies' introduction in Ukraine. // MOTROL - №11В, 104 - 110.

12. Saliev Е., Nikolenko I., 2012. The feasibility report on maintainability of the water and sewage system// MOTROL - Vol.14, №5, 119 - 124.

13. Saliev Е., 2013. Reliability of the functioning of of the water and sewage system// MOTROL - Vol.15, №5, 53 - 60.

14. Костюченко С.В., Смирнов А.Д., Толстой М.Ю. Отечественные технологии и оборудование

для безреагентной обработки воды и стоков городов и предприятий Сибири / Водоснабжение и санитарная техника. 2017. № 11. С. 45-48.

15. Шишелова Т.И., Толстой М.Ю. Современное состояние науки о воде. Проблемы и перспективы // Научное обозрение. - 2016. - № 4 -С. 87-89

REFERENCES

1. Voronov Yu.V., 2009. Wastewater and wastewater treatment / Educational publication: - M .: Publishing house of the Association of Construction Universities. - 760 sec.

2. Voronov Yu.V., Alekseev EV, Pugachev EA, Salomeev VP, Alekseev SE, Vikulina VB, Gogina ES, Zaletova NA, Zhurov VN, Tolstoy M.Yu. Wastewater A textbook for university students enrolled in the undergraduate program in the direction "Construction" (profile "Water supply and sanitation") / ASV-Moscow,

2014. 416 p.

3. Gogina E., Shmal'ko V., Tolstoy M. Technology of Wastewater Treatment of the Baikal Natural Territory.Ecology and Industry of Russia. 2018; 22 (7): 11-15. (In Russ.) Https://doi.org/10.18412/1816-0395-2018-7-11-15

4. Popkovic GS, Repin BN, 1986 / Aeration systems for sewage. - Moscow: Stroyizdat. - 136.

5. Voronov Yu.V., Kazakov V.D., Tolstoy M.Yu. 2007. Ink jet aeration. Monograph // Educational and methodical association of the Association of Construction Universities of Russia. Moscow, DIA. 162.

6. Chizhik K.I., Belooka N.V. Model of microbiological corrosion of concrete in sewage systems // Izvestiya Vuzov. Investments. Building. The property. 2017. Vol. 7. No. 2 (21). Pp. 75-83.

7. Bazhenov VI, Berezin SE, Ustyuzhanin AV,

2015. Substantiation of the construction of blower stations based on the economic analysis of life cycle costs // Water supply and sanitary engineering, № 2. -46-53.

8. The patent of the Russian Federation. Method of fluid aeration, 2005. / Kazakov VD, Tolstoy M.Yu., Khan VV, Kocherzhinsky VV, Kurtin AV, Kantarovich SI, Orlov AV, Pautov MI, RU. Published: 20.04.2005 Bul. №11.

9. Tolstoy M.Yu., Orlov AV, Vasilieva AA, Pautov MI, Polkanov AG, Vasilevich EE, 2005. The procedure for the experiment on measuring the oxygen content in a liquid with application of a bilateral aerator // New technologies in the investment and construction sector and housing and communal services. Sat. sci. tr. Volume 2. - Irkutsk, IrSTU Publishing House. 177-179.

10. Code of Regulations SP 32.13330.2012 "SNiP 2.04.03-85. Sewerage: External networks and structures.

11. Saliev E., 2009. Ecological and economic problems of power saving up technologies' introduction in Ukraine. // MOTROL - №11В, 104 - 110.

12. Saliev E., Nikolenko I., 2012. The feasibility report on the maintenance of the water and sewage system. MOTROL - Vol.14, No. 5, 119-124.

13. Saliev E., 2013. Reliability of the functioning of the water and sewage system. MOTROL - Vol.15, No. 5, 53-60.

14. Kostyuchenko SV, Smirnov AD, Tolstoy M.Yu. Domestic technologies and equipment for the reagentless treatment of water and waste water from

cities and enterprises of Siberia / Water supply and sanitary engineering. 2017. No. 11. P. 45-48.

15. Shishlova TI, Tolstoy M.Yu. The current state of the science of water. Problems and prospects // Scientific review. - 2016. - No. 4 - P. 87-89

INVESTIGATION OF THE INTENSIFICATION OF FLOTATION AND BIOLOGICAL WASTEWATER TREATMENT PROCESSES BASED ON THE APPLICATION OF MODEL

STRAWS

Leontiev A.V., Stom D.I. , Tolstoy M.Y., Chizhik K.I.

Summary: Methodical instructions (including schemes) on the use of experimental capacity from plexiglas are given. An experiment on the intensification of wastewater treatment within the framework of various modeling media, with the operation of an energy-saving air-hydraulic aerator, is described. The mixing of the liquid due to the rotation of the air-hydraulic aerator was investigated.

Key words: water disposal, sewage treatment, pneumatichydraulic aerator, model area, solubility of oxygen