CC BY
47
Серпокрылов Николай Сергеевич
Serpokrilov Nikolai S.
Ростовский государственный строительный университет Rostov State University of Civil Engineering Преподаватель/lecturer д.т.н., профессор E-Mail: [email protected]
Смоляниченко Алла Сергеевна
Smolyanichenko Alla S.
Ростовский государственный строительный университет Rostov State University of Civil Engineering Преподаватель/lecturer к. т. н., ассистент E-Mail: [email protected]
Петросян Г арегин Г агикович
Petrosyan Garegin G.
Ростовский государственный строительный университет Rostov State University of Civil Engineering Аспирант/graduate student E-Mail: [email protected]
05.23.04 Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов
Оценка массообменных характеристик аэраторов из туфа Артикского
месторождения Армении
Evaluation of mass transfer characteristics of aerators made of Artik tufo
produced in Armenia
Аннотация: По массообменным показателям керамические аэраторы из армянского туфа артикского типа можно сопоставить с керамическими аэраторами «Бакор» и мембранными аэраторами Raubioxon. Проанализированы окислительно-восстановительные реакции, происходящие в иловой в режиме непрерывной и периодической аэрации. Получена оценка аэраторов из туфа по критериям SOTE и а-фактору.
The Abstract: According to mass transfer performances ceramic aerators made of Armenian tufo of Artik type can be matched with ceramic aerators "Bakor" and membranous aerators Raubioxon. Analyzed the oxidation-reduction reactions occurring in sludge in the mode of continuous and discontinuous aeration. It was made the evaluation of tuff aerators on criteria of SOTE and а-factor.
Ключевые слова: Типы пневматических аэраторов, керамические аэраторы,
армянский туф, иловый индекс, интенсивность аэрации, SOTE, а-фактор, синтетическая сточная вода, ХПК, скорость дыхания ила, окислительно-восстановительный потенциал, прерывистый режим аэрации.
Keywords: Types of air diffusers, ceramic aerators, Armenian tufo, silt index, the intensity of aeration, SOTE, а-factor, synthetic wastewater, COD, respiration rate of sludge, oxidation-reduction potential, intermittent aeration.
Главный редактор - д.э.н., профессор К.А. Кирсанов тел. для справок: +7 (925) 853-04-57 (с 1100 - до 1800) Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru
На сегодняшний день наиболее распространенной и применяемой в аэротенках является пневматическая система аэрации, которая предполагает подачу кислородсодержащего газа (воздуха, технического кислорода) под определенным давлением по магистральным и воздухораспределительным трубопроводам к различного рода диспергаторам, установленным в соответствующих точках аэрационных сооружений [1, 2]. Классическим представителем пневматической системы аэрации являются фильтросные пластины, получившие применение еще в 1923 году, но до сих пор имеют довольно широкое распространение на очистных сооружениях. С недавнего времени активно внедряются в промышленную практику керамические аэраторы, представляющие собой более усовершенствованную конструкцию пневматического типа. И наконец, из области последних разработок на рынке появились мембранные аэраторы, относящиеся к аэраторам тонкого диспергирования.
В CCCР в аэротенках также преимущественно применялись фильтросные пластины, которые имеют значительные конструктивные недостатки и высокие энергозатраты на аэрацию. Проблемы, возникающие при эксплуатации таких фильтросов, стимулируют поиск и разработку более эффективных и менее трудоемких конструкций аэраторов. К таковым относятся керамические аэраторы с регулированием размером пор.
За прошедшие двадцать лет в России в НТЦ «Бакор» были созданы новые пористые проницаемые керамические материалы с физико-техническими и эксплуатационными характеристиками, намного превосходящими ранее выпускавшиеся [3].
Аэраторы модульного типа из пористой проницаемой керамики, разработанный в НТЦ «Бакор», обладают устойчивостью к механическим и биохимическим воздействиям процесса очистки; возможностью управляемого перемешивания по всему объёму аэротенка и создания эффективных зон нитрификации и денитрификации путем регулирования расхода воздуха, подаваемого на каждый аэратор; простотой монтажа аэраторов; возможностью регенерации рабочей поверхности аэратора; герметичностью относительно проникновения воды при отсутствии давления воздуха в системе.
Примером аэраторов мембранного диспергирования являются аэрационные системы Raubioxon фирмы REHAU (Германия). Основными элементами данных аэраторов, согласно техническому описанию [4], являются: опорная труба, трубчатый аэратор с обратным клапаном, мембраны из EPDM (этилен-пропилен-диен-каучук) или мембраны из материала RAU-SIK (отликон-каучук). Преимуществами данной аэрационной системы являются совместимость с другими аэрационными системами, простота монтажа, не требующая опорожнения аэротенка, стойкость к химическим загрязнениям и температурным перепадам, отсутствие склонности к образованию налета на мембране. Также существенным достоинством является особая конструкция мембраны - в виде силиконового материала с нанесенными лазером конусообразными насечками размером 0,2мкм. При прекращении подачи воздуха поры в мембране попросту захлопываются, что препятствует проникновению жидкости внутрь аэратора. Данная особенность значительно сокращает расходы на электроэнергию.
С целью сокращения капитальных и энергетических затрат на аэрацию при сохранении высокой степени снижения загрязнений на очистных сооружениях, проведены исследования физических, химических и массообменных свойств вулканических туфов (на примере армянского туфа артикского месторождения). До настоящего времени туф преимущественно применялся в строительстве, в отдельных случаях - в качестве фильтрующих элементов. Однако данный материал имеет потенциал для использования в системе аэрации.
Туф - это пористая порода вулканического происхождения, которая образуется вследствие цементирования рыхлых продуктов вулканических извержений [5].
Более половины химического состава данной горной породы образуется за счёт оксидов кремния (49-75 %) и алюминия (8-23 %). Помимо этого, в состав камня входят оксиды железа, магния, калия, натрия и других химических элементов в незначительных количествах, % : СаО - (1-7), Бе203 - (1,95-10,74), ТЮ2 - (0,05-1,2), М§0 - (0,02-3,5), БОз -(0,02-1,75), К20+Ш20 - (1-10), прочие - (0-18%).
Вулканический туф возник путем смешения жидкой лавы с частицами песка и вулканического пепла. Эта порода является пористой (пористость находится в пределах 21,346,6 %), образованной путем скрепления тем или иным путём обломочного материала. Физико-механические характеристики варьируются в зависимости от вида камня. Например, степень спекания, в зависимости от которой выделяют спёкшиеся и сцементированные разновидности, определяет параметр прочности. Плотность породы составляет 2400-2610 кг/м3; объёмный вес варьируется от 1370 до 2050 кг/м3. Степень водопоглощения по весу может достигать 23,3 %. Морозостойкость данного материала невелика - около 25 циклов замерзания-оттаивания. Коэффициент водонасыщения варьируется в пределах 0,57-0,86, коэффициент размягчения - 0,72-0,89. Предел прочности вулканической породы при сжатии составляет 13,3-56,4 МПа [6].
Исследования проводились по методике переменного дефицита кислорода в модели аэротенка размерами, м: 1,5 х 0,5 х 0,45 (И) с использованием в качестве катализатора хлористого кобальта. Кроме того, были проведены исследования на керамических аэраторах из армянского туфа артикского месторождения 3-х моделей: «высокий», оснащенный 3 штуцерами — 180 х 150 х 35(И), «низкий», оснащенный 1 штуцером — 180 х 150 х 30 (И), «дисковый» ё=160 мм - И=50 мм. Рабочая высота слоя аэратора, соответственно, мм: 40, 20, 30 (табл.1).
Для сравнительной оценки и выбора наиболее рационального типа аэратора как с точки зрения эксплуатации, так и с экономической, был проведен ряд исследований: 1 -мембранные аэраторы КаиЫохоп фирмы ЯЕНАИ Ь=0,75м; 2 - керамические аэраторы «Бакор» Ь=0,75м; 3 - аэраторы из армянского туфа артикского месторождения, мм: 180х150х30(И) при расходах 1,8 м3/час и 3,9 м3/час (табл.2).
Таблица 1
Массообменные характеристики керамических аэраторов из армянского туфа
артикского месторождения
Аэратор Расход, л/мин Параметрические показатели аэраторов при расходах воздуха м3/час и высоте слоя воды 0,45 м
кут, ч 1 КПД, % окислительная способность, кг/ч- м3 эффективность аэрации, кгО2/(кВт-ч)
"Низкий" 30 2,6 2,6 1,08 2,03
"Высоки й" 15 2,06 16,0 0,28 0,52
"Дисковы й" 15 1,78 12,1 0,17 0,32
Массообменный процесс для исследованных типов аэраторов оценен через 80ТЕ, интенсивность аэрации 1а и а-фактор. Данные показатели позволяют оценить эффективность аэрации как для водопроводной воды, так и для иловой смеси, а также сравнить удельные
показатели потребности в кислороде (табл. 2,3).
Таблица 2
2
Массообменные характеристики исследуемых аэраторов в пересчете на 1 м
Аэратор Расход, 3 / >к 2 м /ч*м (л/мин) Параметрические показатели аэраторов при расходах воздуха м3/час и высоте слоя воды 0,45 м
к V ч, КПД, % Окислительная способность, кг/ч- м3 эффективность аэрации, кгО2/(кВт-ч)
"Низкий" (8=0,027м2) 66,66 (30) 96,3 2,6 40 75,19
"Высокий"(8=0,027м2) 33,33 (15) 76,3 16,0 10,37 19,26
"Дисковый"(8=0,02м2) 45 (15) 89,0 12,1 8,5 16,0
КеЬаи Ь=0,75м (Б=0,15м2) 12 (30) 26,33 5,56 1,8 6,21
Бакор, 750 (Б=0,14м2) 27,85 (65) 63,86 7,3 11,07 4,14
Таблица 3
Массообменные показатели исследуемых аэраторов в водопроводной воде по
зарубежным критериям
Аэратор 80ТЕ 1а, м 3/(м 2/ч) а-фактор
"Низкий" (Б=0,027м2) 0,22 125,51 2,6
"Высокий" (Б=0,027м2) 0,11 50,0 3,28
"Дисковый" (б=0,02м2) 0,09 51,92 3,79
ЯеЬаи Ь=0,75м (Б=0,15м2) 0,01 20-60 0,486
Бакор, 750 (Б=0,14м2) 0,028 7-132 0,273
Полученные массообменные характеристики рекомендуются к использованию в практике проектирования и эксплуатации, а также при сравнительном выборе систем аэрации.
ЛИТЕРАТУРА
1. Мешенгиссер Ю.М. Теоретическое обоснование и разработка новых полимерных аэраторов для биологической очистки сточных вод: Автореф. дис. д-ра техн. наук. - М.: ФГУП «НИИ ВОДГЕО», 2005.
2. Попкович Г.С., Репин Б.Н. Системы аэрации сточных вод. - М.: Стройиздат, 1986. - 133 с.
3. Красный А.Б., Тарасовский В.П., Адров О.И., Маджидов А. А., Серпокрылов Н. С., Серпокрылов Е. Н., Саенко М. Н., Фесенко М. Н. Аэраторы из пористой проницаемой керамики фирмы НТЦ «Бакор» - характеристики и перспективы применения ВиК, 2012, № 1-2.
4. RAUBIOXON PLUS AND RAUBIOFLEX AERATOR SYSTEM technical information. Copyright by Rehau UT 700E RCOM.FLE.SG - 39 c.
5. Шуман В. Мир камня. Горные породы и минералы. - М.: Мир, 1986. С. 112-114.
6. Заявка на выдачу патента на изобретение N2012150898/05 от 27.11.2012г. “Способ аэрации воды”, авторы: Серпокрылов Н.С., Петросян Г.Г.
7. Куля Н.Н., Н.С.Серпокрылов, А.А.Бондарчук, И.В.Новосельцева
Экспериментальное исследование водоструйного аэратора // Инженерный Вестник Дона. -Ростов-на-Дону:- 2012. - Вып. № 3. - С. 192-199.
8. Н.С.Серпокрылов, Петренко С. Е., Борисова В. Ю. Повышение эффективности и надежности очистки сточных вод на разных стадиях эксплуатации ОСК// Инженерный Вестник Дона. - Ростов-на-Дону:- 2013. - Вып. № 2. - 10 С.
Рецензент: Алексей Александрович Марочкин, к.т.н., директор ООО “Акватрат”.
