CC BY
48
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ: строительство
Экологическая безопасность строительства
DOI.org/10.5281/zenodo.897006 УДК 628.12
М.Ю. Толстой
ТОЛСТОЙ МИХАИЛ ЮРЬЕВИЧ - к.т.н., доцент, заведующий кафедрой инженерных коммуникаций и систем жизнеобеспечения, e-mail: tolstoi@istu.edu Иркутский национальный исследовательский технический университет Лермонтова ул., 83, Иркутск, 664074
Исследования и разработка мобильной установки для систем жизнеобеспечения с применением энергосберегающих технологий
Аннотация: Приведены результаты исследований и разработок комбинированной передвижной установки для систем жизнеобеспечения с применением энергосберегающих технологий на основе пневмогидравлического вращающегося аэратора. Исследовано перемешивание жидкости за счет вращения пневмогидравлического аэратора. Показана возможность объединения различных технологий для очистки сточных вод в одном комбинированном мобильном сооружении. На основании проведенных исследований предложена сливная станция очистки сточных вод. Показаны пути интенсификации очистки сточных вод с применением вибрационных воздействий. Ключевые слова: мобильная установка, очистка сточных вод, водоотведение, пневмогидравличе-ский аэратор, перемешивание сточных вод, перемешивание осадка.
Введение
Развитие городской застройки невозможно без реконструкции и модернизации очистных сооружений. При этом техническое перевооружение 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. Предполагается, что стационарные очистные сооружения проектируют и возводят в пределах городской застройки. Для приема сточных вод и обработки осадка от недалеко расположенных деревень и коттеджных поселков (загородная инфраструктура) необходимо возводить дополнительные очистные станции. Существует множество способов очистки загрязненных вод, но для всех важным фактором является аэрация жидкости, создание аэробных условий для биологической очистки.
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 в другой отрасли промышленности, использующей аэрацию как основу технологического цикла [1-3].
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 [4-6].
Для диспергирования воздуха в жидкости с целью насыщения ее пузырьками воздуха давно применяются различные устройства, называемые аэраторами [7-9, 11, 12].
© Толстой М.Ю., 2017
О статье: поступила: 20.07.2017; финансирование: бюджет Иркутского национального исследовательского технического университета.
В данной статье мы представляем эксперимент на основе авторского способа комплексной очистки бытовых стоков и компактного устройства для данного процесса. Производительность сливных станций (предназначенных для очистки отдельно стоящих объектов - коттеджи, малые турбазы, пункты питания и т.п. - от бытовых и близких к ним по составу сточных вод), включающих нашу разработку - пневмогидравлический аэратор [8, 11], достигает от 1 до 50 м /сут.
Технологический процесс состоит из механической очистки, биологической обработки, нитрификации и денитрификации сточных вод в аэротенках с инертной загрузкой, анаэробной обработки осадка.
В состав сооружений входит двухъярусный отстойник, выполненный в виде отстойного желоба, аэротенки с инертным носителем микрофлоры, осветлитель с тонкослойными блоками и с встроенным фильтром доочистки из местных материалов, установка обеззараживания сточных вод. В ходе очистки происходит снижение: БПКполн - с 250 до 3 мг/л; взвешенных веществ -с 270 до 3 мг/л; азота аммонийного - с 15 до 0,4-0,5 мг/л; фосфатов - с 11 до 0,25 мг/л и СПАВ -с 8-10 до 0,05 мг/л.
Обработка осадка осуществляется в отделении двухъярусного отстойника с последующим вывозом.
Сооружение может быть выполнено из металла или полиэтилена с внутренними перегородками, круглым, многогранным или прямоугольным в плане.
Насыщение сточной жидкости кислородом осуществляется пневмогидравлическими струйными аэраторами [13].
Технологическая схема сооружения представлена на рис. 1 .
Расход для сливной станции определялся исходя из примерной производительности подъ-
3 3
езжающих ассенизационных машин - 4 машины в час, в день 20 машин х 5 м ~ 100 м /сут.
Технические характеристики
представленного модельного ряда
Модели отличаются друг от друга вместимостью цистерны и производительностью. Чем больше производительность техники, тем больше размеры ассенизаторской машины. Например, высота ассенизаторской машины ГАЗ 3307 - 2500 мм, полный вес - 8180 кг, а время максимального наполнения отходами - 3-6 мин. Габариты ассенизаторской машины ГАЗ 3309 отличаются по высоте - 2600 мм.
Процессы пневмогидравлического аэрирования
и возможность их применения для биологической очистки
Пневмогидравлическое аэрирование обычно осуществляется путем совместной подачи жидкой и газовой фаз под избыточным давлением в различные устройства, близкие по своим конструкциям к эжекторам и топливным форсункам. Механизм образования пузырьков при пневмо-гидравлическом аэрировании до сих пор не совсем ясен и поэтому не имеет общей теории.
Принцип работы некоторых конструкций форсунок положен в основу создания различных пневмогидравлических аэраторов, существующих в промышленности.
Струя жидкости, вытекающая из отверстия или насадки в атмосферу, теряет свою устойчивость и на некотором расстоянии от среза сопла либо распадается на отдельные крупные капли (небольшие скорости истечения), либо образует капельный факел, волнообразно «ломаясь» (умеренные скорости), либо превращается в мелкодисперсный, практически аэрозольный «туман» (высокие скорости).
Сопутствующий струе жидкости сонаправленный поток газа ускоряет разрушение струи и уменьшает диаметр капель, смещая процесс в сторону туманообразной структуры потока.
При выходе в атмосферу газожидкостная смесь с большой скоростью движения представляет собой нитевидные и пленочные образования, в которые превратились капли жидкости под воздействием потока газа, перемещающиеся с этим потоком.
При выходе под поверхность жидкости (затопленная газожидкостная струя) наблюдается картина захвата газа жидкостными пленочными частицами и погружения его в объем жидкости в виде пузырьков.
Таким образом, обеспечивая мелкодисперсный распыл жидкости на капли одинаковых размеров, можно добиться образования близких по диаметру пузырьков, величина которых практически не превышает генерируемые пористыми диспергаторами.
10
.........
Рис. 1. Компактный блок очистных сооружений: 1 - процеживатель, 2 - отстойный желоб;
3 - анаэробная зона сбраживания; 4 - инертный носитель микрофлоры; 5 - тонкослойные блоки, 6 - фильтр; 7- эрлифт; 8 - пневмогидравлические струйные аэраторы; 9 - контактная камера;
10 - блок УФО; 11 - осадок; 12 - утеплитель; 13 - блок оборудования для аэрации.
Здесь и далее - рисунки и графики М.Ю. Толстого.
Подавляющее большинство аэротенков оснащено пневматической системой аэрации. Чаще всего это фильтросные пластины, пористые пластиковые и керамические диспергаторы в виде труб, дисков и т.п. или стальные перфорированные трубы. Главный недостаток такой системы аэрации - засорение у аэраторов пор биологическими отложениями снаружи и пылью в продуваемом воздухе изнутри (мелкопузырчатые), отверстий, хотя и в меньшей степени, - продуктами коррозии (среднепузырчатые). Создано множество конструкций аэраторов обоих классов, однако, являясь улучшенными вариантами предыдущих устройств, они не совмещают в себе двух главных достоинств друг друга - тонкое диспергирование воздуха и малая степень засорения. Не говоря уже о том, что перемешивающей способностью в различных направлениях не обладают ни те, ни другие. Для современных систем аэрации предусматриваются различные способы управления гидродинамикой потока и предотвращения застойных зон [5]. Перемешивание сточной жидкости и осадка осуществляется самим пневмогидравлическим аэратором, который вращается за счет импульса выходящей аэрированной струи по принципу Сегнерова колеса.
Пневмогидравлические аэраторы занимают промежуточное положение между мелко-и среднепузырчатыми, поскольку дисперсный состав газовой фазы у них колеблется от 0,1 до 10 мм, причем большая часть пузырьков имеет близкие по значению объемы (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, работающие как воздушные краны по аналогии с системой отопления.
Высокая окислительная способность в сочетании с низкой степенью засоряемости и возможностью регулирования гидродинамики в сооружении делают пневмогидравлические аэраторы перспективными аэрирующими устройствами для процесса биологической очистки сточных вод. Плюс к этому простота осуществления очистки, достигаемое качество аэрации и отсутствие избыточных затрат энергии.
Пневмогидравлический вращающийся аэратор
Рассмотрим предлагаемое нами новое аэрационное устройство - пневмогидравлический вращающийся аэратор (рис. 2) [8].
I I т—1
120_ | 55 | ,_120.
Рис. 2. Пневмогидравлический вращающийся аэратор: 1 - корпус; 2 - штанга;
3 - камера смешения; 4 - сопло; 5 - патрубок подвода газа; 6 - патрубок подвода жидкости.
Соединение подводящих патрубков жидкости и газа с корпусом производится посредством подшипника скольжения. Для предотвращения смешивания газа с жидкостью в корпусе аэратора применяются сальники.
Лабораторные исследования составляли основную часть выполненной нами работы и включали в себя отработку оптимальных режимов, выяснение физической природы процессов, протекающих в аэраторе, регистрацию основных и вспомогательных параметров изучаемых режимов работы.
Методика экспериментальных исследований строилась следующим образом:
1) измерялся расход воды и воздуха;
2) измерялось давление воды и воздуха;
3) измерялось число оборотов аэратора;
4) измерялись диаметры пузырьков воздуха;
5) измерялась растворимость кислорода в воде.
Экспериментальные исследования гидродинамики двухфазных потоков в канале аэратора проводились в зависимости от параметров каждой из фаз на входе в канал устройства. Варьировались два основных параметра подаваемой жидкости и воздуха: 1) подбирались давление и расход жидкости, затем изменялись давление и расход воздуха; 2) те же самые параметры менялись, но уже в определенном соотношении (давление газа-давление жидкости).
На основе анализа полученных результатов строились графики, которые прослеживают явную зависимость насыщения кислородом жидкости от давления в системе и связанного с ним роста расхода воздуха и увеличения числа оборотов аэратора, создающих интенсивность перемешивания. Так, ниже представленные результаты экспериментальных испытаний пневмогидравлического
аэратора отображают зависимости: «частота вращения-давление» (рис. 3); «расход газа-давление» (рис. 4); «расход жидкости-давление» (рис. 5). Для построения линии зависимости по каждому параметру принято среднее арифметическое значение для каждого этапа повышения давления.
Ы, об/мин
45 40 35 30 25 20 15 10
л о
Давление, Р
-0,15 МПа
-0,2 МПа
-0,25 МПа
-0,3 МПа
-0,35 МПа
-0,4 МПа
Опыт 1 Опыт 2 Опыт 3 Номеропыта
Рис. 3. График зависимости числа оборотов аэратора от давления в системе.
Ог, л/мин 0,44
0,42 0,40 0,38 0,36 0,34 0,32
0,41 0,40 0,4 0 0,4 2 ),41 Ю
0,39 0,38 0,37 """о, 0, 39 38
0,35 0 ,35
0,42 0,41 0,40
0,39
0,37
0,34
Давление, Р 0,15 мпА
-0,2 МПа
-0,25 МПа
-0,3 МПа
-0,35 МПа
-0,4 МПа
Опыт 1 Опыт 2 Опыт 3 Номеропыта
Рис. 4. График зависимости расхода газа от давления в системе.
Ож, л/мин 8,5
8 7,5 7 6,5 6 5,5 5
8,3 8,5
7,7 ',8 7,6
7,1 7
6,5 7 к ц
6,4 6,5
Ц А 5, 7 5,6
5,6 5,1 5 ,2 5,15
Давление, Р 0,15 мпА
-0,2 МПа
-0,25 МПа
-0,3 МПа
-0,35 МПа
-0,4 МПа
Номер опыта
Опыт 1 Опыт 2 Опыт 3
Рис. 5. График зависимости расхода жидкости от давления в системе.
ВЕСТНИК ИНЖЕНЕРНОЙ ШКОЛЫ ДВФУ. 2017. № 3(32)
Соотношение «газ-жидкость», также являющееся одним из немаловажных параметров пневмогидравлических аэраторов, рассчитывалось как отношение расходов воздуха и воды. Такое соотношение важно при процессе флотации для очистки воды и для физико-химических процессов обогащения полезных ископаемых [7, 8].
Результаты экспериментов изменения соотношения расходов газ-жидкость ^г:0ж) в зависимости от давления, полученные на «чистой» воде, приведены на графике (рис. 6) и представлены в табл. 1.
Цг:Ож
20 19 18 17 16 15 14
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
20
1 9
1 8
16 ,7
У
14 ,5 1 5 г
0,4
Р, МПа
Рис. 6. График зависимости отношения расхода газа к расходу жидкости от давления в системе.
Для оценки потребления кислорода в аэротенке необходимо расчетным путем определить производительность по кислороду, гО2/ч:
ОС = к * С ,
(1)
где к - объемный коэффициент массопередачи, ч ;
С. - предельная концентрация растворенного кислорода в воде при данном атмосферном давлении, температуре воды и ее солености, мг/дм3; V - объем аэрируемой воды, дм . Объемный коэффициент массопередачи:
к_ 2,303-[1в С - С )- 1в С - С2 )]• 60
(2)
3
где С, С - соответственно начальная и конечная концентрация растворенного кислорода, мг/дм ; X - время, мин.
Предельная концентрация растворенного кислорода при данном атмосферном давлении
мг/ дм :
Г -Г Ра - Р
С$ С$ (760)
760 - р
где ра - атмосферное давление по барометру, мм рт. ст.;
(3)
С
.5(760)
предельная концентрация растворенного кислорода в воде при атмосферном давлении 760 мм. рт. ст., данной температуре Т и солености $ воды, мг/дм3;
р - давление насыщенного пара при данной температуре воды, мм рт. ст. (справочные данные).
475 - 26,6 • $
(4)
С.
$ (760)
33,5 + Т
Таблица 1
Результаты измерений растворимости кислорода
Параметры Опыт, №
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Время проведения эксперимента ^ мин 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25
Объем аэрируемой жидкости V, дм3 40 40 40 40 40 40 40 40 40
Количество сульфита натрия т, г 24 24 24 24 24 24 24 24 24
Солесодержание S=m/v, г/дм3 0,19 0,19 0,19 0,19 0,19 0,19 0,19 0,19 0,19
Мощность двигателя компрессора N кВт 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6
Расход воды по водосчетчику Qж, дм3 2,7 2,7 2,7 2,8 2,8 2,7 2,9 2,7 2,8
Суммарный объем аэрируемой жидкости Vж, дм3 42,7 42,7 42,7 42,8 42,8 42,7 42,9 42,7 42,8
Расход воздуха по ротаметру Qг, дм3 63,2 63,2 63,2 63,2 63,2 63,2 63,2 63,2 63,2
Давление в системе Р, МПа 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5
Концентрация растворенного кислорода, мг/дм3 С1 в начале эксперимента 0,12 0,11 0,11 0,11 0,1 0,1 0,11 0,1 0,11
С2 в конце эксперимента 5,89 5,94 5,91 5,95 5,88 5,92 5,94 5,87 5,91
Температура воздуха Тг, °С 21 21 21 21 21 21 21 21 21
Температура воды Тж, °С 17 17 17 17 17 17 17 17 17
Текущее атмосферное давление Ра, мм рт. ст. 711 711 711 711 711 711 711 711 711
Давление насыщенного водяного пара Р при текущей температуре жидкости, мм. рт. ст. 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7
Предел насыщения воды кислородом при давлении 760 мм рт. ст., текущих температуре жидкости и солесодержании Cs (760), мг/дм3 9,31 9,31 9,31 9,31 9,31 9,31 9,31 9,31 9,31
Предел насыщения воды кислородом при текущем давлении Cs, мг/дм3 8,69 8,69 8,69 8,69 8,69 8,69 8,69 8,69 8,69
Объемный коэффициент массопередачи кислорода, к 268,3 272,9 270,3 273,8 268,0 271,4 272,9 267,1 270,3
Окислительная способность ОС, гО2/ч 99,6 101,3 100,3 101,9 99,7 100,8 101,8 99,2 100,6
Средняя окислительная способность 100,6
Эффективность, гО2/кВт-ч 166,0 168,8 167,2 169,8 166,2 167,9 169,6 165,3 167,6
Средняя эффективность 167,6
Соотношение газ-жидкость, Qг:Qж 23 23 23 23 23 23 22 23 23
Среднее соотношение газ-жидкость 23
[87]
www.dvfu.ru/vestnikis
Соленость (г/дм ) принималась как отношение массы т сульфита натрия (г), требуемой для деаэрирования данного объема воды V, к этому объему воды (дм ): т
S =
V
(5)
Объем аэрируемой воды:
Уж = V + ЯЖ , з (6)
где V - объем резервуара с аэрируемой водой, дм ;
Qm - объем воды, проходящей через сопло, дм (для пневматического способа Qm = 0).
Одним из важнейших технологических параметров оценки работы аэратора является отношение окислительной способности к потребляемой мощности.
Эффективность аэратора, гО2 /кВт-ч:
э = (7)
N
где N - энергия, затраченная двигателем компрессора, кВт.
Показатель концентрации растворенного кислорода - один из определяющих для сооружений аэробной биологической очистки. Исследуя разработанный аэратор, можно с уверенностью сказать, что он позволяет без значительных технических затрат насыщать жидкость кислородом воздуха с одновременным ее перемешиванием, благодаря чему растворенный кислород более эффективно распространяется по всему объему и поддерживает микроорганизмы во взвешенном состоянии. Это позволяет считать его более эффективным и конкурентоспособным среди прочих устройств для аэрации жидкости и рекомендовать для внедрения на канализационных очистных станциях в сооружениях биологической очистки сточных вод [10].
Интенсификация процесса флотации
Лабораторные испытания по интенсификации процесса флотации заключаются в создании колебаний в жидкости путем вибрационного воздействия. Для данных исследований мы использовали вибростенд одного из ведущих мировых производителей виброиспытательного оборудования -компании TIRA GmbH (Германия). Эта компания предлагает вибраторы на постоянных магнитах, которые можно использовать в качестве как мобильных, так и стационарных систем для имитации вибраций окружающей среды.
Рис. 7. Экспериментальная установка для исследования вибрационных воздействий.
Данная установка выглядит следующим образом (рис. 7). Она включает в себя испытательный резервуар (1) с аэрируемой жидкостью, магнитный вибратор (2) модели Б511 с диапазоном частот 2-7000 Гц и усилитель мощности (3) ВАА120 ТЖА с синусоидальной мощностью на выходе до 2 кВт. Этот тип усилителей работает со всеми виброгенераторами на постоянных магнитах, а также с генераторами до 1600 Н. Они оборудованы современными МОП -транзисторами и в зависимости от ситуации могут работать по току/напряжению. Они оснащены дисплеем с подсветкой, поэтому удобны для пользователя. Система контроля безопасности производит мониторинг параметров: температуры, перегрузки по току, смещения, и исключает выход усилителя из строя при коротком замыкании. Запуск системы производится дистанционно через пульт управления (4), который связан с компьютером (5) с установленным на него специализированным программным обеспечением. В программном обеспечении предварительно задаются требуемые параметры: частота (Гц), амплитуда движения (мм) и ускорение и производится пуск системы. Колебательные движения от вибратора (2) предаются в резервуар (1) через соединительную мембрану (7). Датчики вибрации (6), установленные на подвижной части виброгенератора (2), позволяют следить на экране компьютера за ходом работы и изменениями ранее заданных параметров. Эксперименты фиксируются на высокоскоростную камеру (8) pco.1200s.
При проведении исследований на данной установке был обнаружен эффект распределения твердых частиц загрязнений на поверхности упругой колеблющейся искусственной оболочки размером 40 мм, закрепленной в жидкости [13].
Полученные результаты позволяют утверждать, что колебания поверхности пузыря, вызванные вибрационным воздействием, повышают степень извлечения и, соответственно, эффективность элементарного акта флотации. Это, в свою очередь, дает возможность снизить концентрацию применяемых флотореагентов, что удешевляет процесс флотации и уменьшает количество загрязнений в очищенной воде.
Кроме того, уменьшение количества гидрофобизаторов понижает плотность жидкости, что увеличивает эффективность осаждения частиц на пузыре. Также это уменьшает толщину оболочки пузыря и увеличивает амплитуду его колебаний.
Многочисленные экспериментальные исследования колебаний воздушных пузырьков под воздействием вибраций позволили обнаружить еще несколько эффектов, касающихся поведения мелких пузырьков. То есть по мере изменения параметров вибрации разрозненные пузырьки воздуха, всплывающие в жидкости, начинали группироваться в отдельные скопления или накапливаться в виде роя пузырей в отдельных зонах камеры флотации.
Устойчивое повторение обнаруженных эффектов предопределило теоретическое и экспериментальное изучение возможности их использования для интенсификации процессов аэрации и флотации.
Для исследования растворимости кислорода при возникновении вибрационных воздействий автором статьи были проведены измерения кислородосодержания в воде. Данные приведены в таблицах 2 и 3. Растворенный кислород находится в природной воде в виде молекул 02. На его содержание в воде влияют две группы противоположно направленных процессов: одни увеличивают концентрацию кислорода, другие уменьшают ее. К числу первых относятся поглощение кислорода из атмосферы, выделение кислорода водной растительностью в процессе фотосинтеза и поступление в водоемы с дождевыми и снеговыми водами, которые обычно пересыщены кислородом. В артезианских водах все эти факторы практически не действуют, и поэтому кислород в таких водах отсутствует. В поверхностных же водах содержание кислорода меньше теоретически возможного в силу протекания процессов, уменьшающих его концентрацию, а именно: потребления кислорода различными организмами, брожения, гниения органических остатков, реакций окисления и т.п. Относительное содержание кислорода в воде, выраженное в процентах от его нормального содержания, называется степенью насыщения кислородом. Этот параметр зависит от температуры воды, атмосферного давления и уровня минерализации.
Таблица 2
Зависимость концентрации кислорода от температуры воды
Растворимость Температура воды, °С
0 10 20 30 40 50 60 80 100
мг О2/дм3 14.6 11.3 9.1 7.5 6.5 5.6 4.8 2.9 0.0
Концентрация кислорода определяет величину окислительно-восстановительного потенциала и в значительной мере - направление и скорость процессов химического и биохимического окисления органических и неорганических соединений. Содержание кислорода в поверхностных водах служит характеристикой оценки качества поверхностных вод.
Таблица 3
Содержание растворенного кислорода в поверхностных водоемах по классам
Уровень загрязненности воды и класс качества Содержание растворенного кислорода
Лето, мг/дм3 Зима, мг/дм3 Степень насыщения, %
Очень чистые, I класс 9 14-13 95
Чистые, II класс 8 12-11 80
Умеренно загрязненные, III класс 7-6 10-9 70
Загрязненные, IV класс 5-4 5-4 60
Грязные, V класс 3-2 5-1 30
Очень грязные, VI класс 0 0 0
Для растворенного кислорода существующие строительные и санитарно-эпидемические нормы не предлагают какой-либо величины по показаниям его влияния на здоровье. Однако резкое снижение содержания кислорода в воде указывает на ее химическое или биологическое загрязнение. В свою очередь, истощение растворенного кислорода в системах водоснабжения может способствовать микробиологическому восстановлению нитрата в нитрит и сульфата в сульфид, что вызывает появление запаха. Уменьшение количества кислорода приводит также к повышению концентрации двухвалентного железа в растворе и осложняет его удаление. В то же время при определенных условиях растворенный кислород придает воде коррозионные свойства по отношению к металлам и бетону. Для поверхностных вод нормальной считается степень насыщения не менее 75%.
Исследования аэрации жидкости и выбор аэрационных устройств проводились автором достаточно давно (см, например, Толстой М.Ю. Исследование гидродинамики инверсивных потоков в аэрирующих устройствах пневматических флотационных машин: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Иркутск: Изд-во Иркутского полит. ин-та, 1993. 20 с., а также [3, 5, 11-13]). Принцип работы аэрирующего устройства основывался на общих принципах гидродинамических потоков, разработанных в сфере исследования форсунок подачи топлива.
Установлено, что при создании в выпускном насадке аэратора скачка уплотнения происходит режим распыла жидкости, находящейся в соосном потоке газа. Такая оптимизация конструктивных параметров аэратора позволяет потоку воздуха кольцевым обжатием струи жидкости создать режим кавитации ее течения, который затем переходит в пленочно-диспергированный режим течения жидкости и воздуха в выпускной насадке. Данный режим течения позволит дополнительно увеличить расход воздуха до образования в выпускной насадке скачка уплотнения, после прорыва которого скорость потока на выходе из выпускной насадки достигает сверхзвукового значения. Увеличение расхода воздуха при таком режиме течения потока позволит сохранить диаметр пузырьков воздуха флотационной крупности, что, в свою очередь, приведет к повышению извлечения при флотации.
Скорость окисления, или скорость потребления кислорода, при неизменной температуре в каждый данный момент пропорциональна массе органического вещества, находящегося в воде. Следовательно, по мере окисления органического вещества, если нет поступления новых загрязнений, скорость окисления все время уменьшается.
Этому же закону подчиняется процесс растворения кислорода в воде. Кислород, как и всякий другой газ, может растворяться в воде лишь до определенного, насыщающего воду объема. Этот объем зависит от температуры и давления: чем температура выше, тем растворимость кислорода меньше.
Указанная зависимость существует при растворении кислорода, находящегося в воздухе под парциальным давлением, соответствующим его содержанию. Растворимость чистого кислорода, находящегося под более высоким давлением, будет выше. Такое явление наблюдается, как известно, при фотосинтезе, когда зеленое вещество растений, разлагая на свету СО2, поглощает углерод и выделяет чистый кислород.
Скорость растворения кислорода, согласно указанному выше закону, в каждый данный момент обратно пропорциональна степени насыщенности воды кислородом или прямо пропорциональна его недонасыщенности (дефициту). Это относится, конечно, лишь к поверхности соприкосновения воды с кислородом (диффузионному слою). Для того чтобы эта скорость растворения относилась ко всей массе воды, необходимо интенсивное ее перемешивание. Дефицит кислорода может быть выражен в абсолютных значениях (в мг/дм ), а также в относительных величинах (в процентах или в долях от полного дефицита).
Б.Н. Репиным была представлена схема передачи кислорода от газового пузырька с пограничной пленкой газа через поверхность фазового контакта (газ-жидкость), дополнительную пленку, образуемую, например, ПАВ, границу раздела и пограничный слой жидкости в основную массу перемешиваемой жидкости [9]. Далее передача кислорода идет по пути преодоления пограничной пленки жидкости вокруг микробиальной клетки, после чего через клеточную оболочку кислород поступает в клетку.
Профиль концентрации кислорода изображает ломаная линия, крутизна которой тем выше, чем выше сопротивление массопередаче на отдельных участках. Так, на участке, где заметную роль играют процессы молекулярной диффузии, скорость растворения кислорода зависит главным образом от площади поверхности контакта фаз, определяемой размером газовых пузырьков, а также наличия загрязнений в жидкости. На участке, имеющем пологий характер и отражающем влияние главным образом конвективной диффузии, концентрация кислорода не меняется или меняется незначительно, так как гидродинамика реальных сооружений характеризуется режимом развитой турбулентности. Наконец, на окончательном участке уклон профиля концентрации кислорода при постоянстве факторов определяется главным образом скоростью его потребления мик-робиальной клеткой, зависящей в свою очередь от скорости поступления питательных веществ, т. е. от технологических нагрузок по органическим загрязнениям.
Таким образом, процесс растворения кислорода неразрывно связан с процессом его потребления. Согласно формуле (7), определяющим фактором повышения эффективности аэрирующих устройств является отношение окислительной способности кислорода к затратам энергии на его получение.
Растворенный кислород - один из определяющих показателей для сооружений аэробной биологической очистки. Именно вращающийся пневмогидравлический аэратор позволяет повысить эффективность использования кислорода в процессе биологической очистки сточных вод.
Исследования влияния вибрации на растворимость кислорода
Экспериментальные исследования, проведенные автором, показали, что создание акустических колебаний в жидкости путем вибрационного воздействия напрямую влияет на содержание в ней растворенного кислорода (рис. 8).
11,0 10,5 10,0 9,5 9,0 8,5 8,0
50 100 150 200 250 300 350 400
Частота, Гц
Рис. 8. График зависимости количества растворенного в воде кислорода от частоты колебаний вибростенда.
4
о
a
о
n
w
S
Si fO
35 S
2
35 u
35 s
a
a
о
и
H
w
«
a.
10 23
10 01
9, 35 9, 64
8, 75 9, 02
8, 46 8, 57
Основные выводы исследований
Приведены результаты исследований и разработок комбинированной передвижной установки для систем жизнеобеспечения с применением энергосберегающих технологий на основе пневмогидравлического вращающегося аэратора. 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.
Проведены исследования перемешивания жидкости за счет вращения пневмогидравличе-ского аэратора. Показана возможность объединения различных технологий для очистки сточных вод в одном комбинированном мобильном сооружении. На основании проведенных исследований предложена сливная станция очистки сточных вод. Показаны пути интенсификации очистки сточных вод с применением вибрационных воздействий.
Проведены исследования влияния вибрационных воздействий на процесс флотации при использовании эффекта резонанса и эффекта распределения вещества на упругой сферической оболочке.
Экспериментально установлено увеличение содержания кислорода при вибрационных воздействиях в прямой зависимости от увеличения частотных воздействий.
Применение акустических колебаний в жидкости позволяет интенсифицировать физико-химические процессы при флотационных методах очистки сточных вод, а также при биохимических процессах.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Алексеев Е.В. Очистка сточных вод флотацией. Основы технологии и применение: монография / Московский гос. строит. ун-т (национальный исследовательский университет). М.: АСВ, 2015. 160 с.
2. Баженов В.И., Березин С.Е., Устюжанин А.В. Обоснование строительства воздуходувных станций на базе экономического анализа затрат жизненного цикла // Водоснабжение и санитарная техника. 2015. № 2. С. 46-53.
3. Воронов Ю.В., Казаков В.Д., Толстой М.Ю. Струйная аэрация: монография. М.: АСВ, 2007. 162 с.
4. Ксенофонтов Б.С. Очистка сточных вод: кинетика флотации и флотокомбайны. М.: Изд. дом «Фо-рум»-Инфра-М, 2015. 256 с.
5. Леонов С.Б., Казаков В.Д., Федотов К.В., Ратинер М.М., Толстой М.Ю. Эффект избирательного распределения вещества на упругой сферической оболочке // Изв. вузов. Цв. металлургия. 1989. № 2.С. 5-8.
6. Мещеряков Н.Ф. Кондиционирующие и флотационные аппараты и машины. М.: Недра, 1990. 237 с.
7. Николенко И.В., Пастушенко А.В., Котовская Е.Е. Анализ влияния условий эксплуатации насосной станции на параметры насосных агрегатов // MOTROL. Commission of motorization and energetics in
agriculture: Polish Academy of sciences. Lublin. 2010(12D):36-47. URL: Ьйр://уйе.ги/кафедра-водоснабжения-водоотведени/выпускающие-кафедры/водоснабжения-водоотведения-и-санит/состав-кафедры-ввист/николенко-илья-викторович (дата обращения: 10.07.2017).
8. Пневмогидравлический аэратор с плоскоструйным аэрирующим факелом (ПГАПАФ): пат. 2515644(13) С2, МПК B03D 1/14 (2006.01) / А.В. Орлов, М.Ю. Толстой. Опубл. 20.05.2014, Бюл. № 14.
9. Попкович Г.С., Репин Б.Н. Системы аэрации сточных вод. М.: Стройиздат, 1986. 136 с.
10. СП 32.13330.2012 СНиП 2.04.03-85. Канализация. Наружные сети и сооружения (утв. приказом Министерства регионального развития РФ от 29 декабря 2011 г. № 635/11).
11. Способ аэрации жидкости: пат. 2250140 Российская Федерация / В.Д. Казаков, М.Ю. Толстой, В В. Хан, В В. Кочержинский и др. Опубл. 20.04.2005, Бюл. № 11.
12. Толстой М.Ю., Орлов А.В., Васильева А.А. и др. Методика проведения эксперимента по измерению содержания кислорода в жидкости с применением двустороннего аэратора // Новые технологии в инвестиционно-строительной сфере и ЖКХ: сб. науч. тр. Т. 2. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2005. С.177-179.
13. Толстой М.Ю., Орлов А.В., Полканов А.Г. и др. Применение эрлифта в комбинированном сооружении // Актуальные проблемы градостроительства и благоустройства территорий: тез. докл. II Междунар. науч.-техн. конф. Кишинёв, 2004. С. 31-33.
THIS ARTICLE IN ENGLISH SEE NEXT PAGE
construction
Environmental Safety of Construction
DOI.org/10.5281/zenodo.897006
Tolstoy M.
MIKHAIL TOLSTOY, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Head of the Department of Engineering Communications and Life Support Systems, e-mail: tolstoi@istu.edu
Federal State Budget Educational Institution of Higher Education "Irkutsk National Research
Technical University" (INRTU)
83, Lermontova St., Irkutsk, Russia, 664074
Researches and developments of a mobile unit for life support systems with the use of energy saving technologies
Abstract: The article deals with the results of the researches and developments of the combined mobile unit for life support systems with the use of energy saving technologies on the basis of the pneumatichy-draulic rotating aerator. The agitation of liquid through the rotation of the pneumatichydraulic aerator has been studied in it. It has been demonstrated that it is possible to integrate a variety of technologies in order to purify wastewater in a combined mobile unit. On the basis of the researches, there has been proposed a waste water treatment plant. The ways to intensify the process of purification of waste water has been presented as well.
Key words: water disposal, sewage treatment, pneumatichydraulic aerator, acoustic vibrations, resonance, solubility of oxygen.
REFERENCES
1. Alekseev E.V. Sewage treatment by flotation. Bases of technology and application: monograph. Moscow State. Builds. Univ. (National Research University). M., DIA, 2015, 160 p.
2. Bazhenov V.I., Berezin S.E., Ustyuzhanin A.V. Justification of construction of pressure-blowing stations on the basis of the economic analysis of expenses of life cycle. Water supply and the sanitary equipment. 2015;2:46-53.
3. Voronov Yu.V., Kazakov V.D., Tolstoy M.Yu. Jet aeration: monograph. M., DIA, 2007, 162 p.
4. Ksenofontov B.S. Sewage treatment: kinetics of flotation and flotokombayna. M., Prod. the house Forum, Infra-M, 2015, 256 p.
5. Leonov S.B., Kazakov V. D., Fedotov K.V., Ratiner M.M., Tolstoy M.Yu. Effekt of selective distribution of substance on an elastic spherical cover. Izv. higher education institutions.Color metallurgy. 1989;2:5-8.
6. Meshcheryakov N.F. Air conditioning and flotation apparatus and machines. M., Subsoil, 1990, 237 p.
7. Nikolenko I.V., Pastushenko A.V., Kotovsk E.E. Analysis of influence of service conditions of the pump station on parameters of pump units. MOTROL. Commission of motorization and energetics in agriculture, Polish Academy of Sciences. Lublin. 2010(12D):36-47.
8. The pneumatichydraulic aerator with the ploskostruyny aerating torch (PGAPAF): stalemate. 2515644(13) C2, MPK B03D 1/14 (2006.01) / A.V. Orlov, M.Yu. Tolstoy. Publ. 5.20.2014, Bulletin N 14.
9. Popkovich G.S., Repin B.N. Systems of aeration of sewage. M., Stroyizdat, 1986, 136 p.
10. Set of rules of the joint venture 32.13330.2012 Construction Norms and Regulations 2.04.03-85. Sewerage. External networks and constructions (order of the Ministry of Regional Development of the Russian Federation of December 29, 2011, N 635/11).
11. Way of aeration of liquid: stalemate. 2250140 Russian Federation / V.D. Kazakov, M.Yu. Tolstoy, V.V. Khan, V.V. Kocherzhinsky, etc. Opubl. 4.20.2005, Bulletin N 11.
12. Tolstoy M.Yu., Orlov A.V., Vasilyeva A.A., etc. A method of carrying out an experiment of measurement of content of oxygen in liquid with use of the two-sided aerator. New technologies in the investment and construction sphere and housing and public utilities. Vol. 2. Irkutsk, Publishing house of IRGTU, 2005, p.177-179.
13. Tolstoy M.Yu., Orlov A.V., Polkanov A.G., etc. Application of an air lift in the combined construction. Current problems of town planning and improvement of territories. Chisinau, 2004, p. 31-33.
