Разработка новой конструкции электрогидродинамического устройства для обработки возвратного активного ила аэротенков Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Гришин Б.М, , Андреев С.Ю., Бикунова М.В., Титов Е.А. , Савицкий Е.А., Кулапин В.И. , Пантюшов И.В. РАЗРАБОТКА НОВОЙ КОНСТРУКЦИИ ЭЛЕКТРОГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ ОБРАБОТКИ ВОЗВРАТНОГО АКТИВНОГО ИЛА АЭРОТЕНКОВ

Одним из направлений исследований по решению проблем охраны и рационального использования водных ресурсов является интенсификация очистки городских сточных вод в аэротенках. Интенсификация биологической очистки городских сточных вод в аэротенках может осуществляться различными способами . Одним из таких способов является насыщение возвратного активного ила аэротенков воздухом и обработка полученной иловоздушной смеси в неоднородном электрическом поле с использованием элек-трогидродинамических устройств (ЭГДУ). В работе [1] была рассмотрена технология, предусматривающая использование энергии рециркуляционного насоса для смешения потока возвратного ила с атмосферным воздухом в струйном эжекторе (рис. 1, а). Далее, под остаточным напором полученная водо-

воздушная смесь поступала в ЭГДУ, состоящее из входной камеры и ствола, предназначенного для создания вихревого потока с относительно высокой турбулизацией, а также для его обработки электрическим током. Обработанный таким образом возвратный ил направлялся в начало аэротенка, где смешивался со сточными водами для осуществления процесса биологической очистки.

Производственные испытания ЭГДУ показали его достаточно высокую степень влияния на эффективность процессов окисления органических примесей и аммонийного азота в аэротенке [1, 2]. Однако, в процессе эксплуатации ЭГДУ был выявлен целый ряд его конструктивных недостатков. Последовательное расположение катодных и анодных участков на стволе ЭГДУ приводило к частому «пробиванию» кольцевых диэлектрических прокладок и требовало их постоянной замены, что в свою очередь было связано со значительными неудобствами при осуществлении ремонтных работ.

Рис. 1 Схемы обработки возвратного ила аэротенков а - с ЭГДУ старой конструкции; б - с ЭГДУ новой конструкции; 1-аэротенк; 2-вторичный отстойник; 3-иловый резервуар; 4 - рециркуляционный

насос; 5 - эжектор; 6 - ЭГДУ; 7-источник постоянного тока

Недостатком ЭГДУ с точки зрения гидродинамики являлась недостаточно высокая интенсивность перемешивания иловоздушного потока из-за отсутствия местных сопротивлений, которые бы обеспечивали достаточный уровень массообмена в стволе. Кроме того, наличие струйного эжектора в технологической схеме обработки возвратного ила приводило к значительному увеличению потерь напора перед ЭГДУ и существенному снижению (до 2 0-25%) подачи рециркуляционного насоса, что уменьшало дозу активного ила и ухудшало кинетику окисления загрязнений в аэротенке. С целью устранения указанных недостатков была поставлена задача разработки новой конструкции ЭГДУ, отвечающей следующим требованиям:

1) обеспечение подачи в поток возвратного активного ила максимально возможного количества кислорода воздуха без ухудшения условий работы центробежного рециркуляционного насоса;

2) создание режима интенсивного перемешивания потока иловой смеси с воздухом для обеспечения высоких массообменных характеристик системы «пузырек воздуха - жидкость - бактериальная клетка ила»;

3) осуществление активации клеток ила электрическим током с помощью эффективно действующей и удобной в эксплуатации электродной системы.

Как показали гидравлические испытания новой конструкции ЭГДУ, первое требование выполняется за счет организации подачи сжатого воздуха из штатной системы аэрации аэротенка непосредственно в корпус ЭГДУ (рис. 1, б). Режим интенсивного перемешивания наиболее целесообразно создавать в

стволе ЭГДУ с использованием последовательно установленных дисков или диафрагм.

Таким образом, корпус новой конструкции ЭГДУ функционально разделяется на две части или зоны (рис. 2) - организации вращательного движения иловой жидкости и подачи сжатого воздуха (верхняя

зона между сечениями 1-1 и 2-2) и зоны смешения иловой жидкости с воздухом, где устанавливается центральный опорный стержень 5 с дисками 5 для турбулизации потока (нижняя часть ЭГДУ между сечениями 2-2 и 3-3). Электрообработку иловой смеси целесообразно производить в центральной части ЭГДУ на границе между зонами, размещая центральный электрод (катод) 8 в диэлектрической трубке подачи сжатого воздуха 7 (см. рис. 2). Такой прием позволяет предотвратить возникновение короткого замыкания между центральным электродом и корпусом ЭГДУ и существенно облегчить эксплуатацию

установки. Для обеспечения подачи более компактной струи на центральные диски 5 нижней части аппарата на границе раздела двух зон устраивается разделительная диафрагма 4.

Конструктивные параметры гидродинамической установки определяются, прежде всего, гидравлическим расчетом.

В стволе ЭГДУ должны обеспечиваться условия для дробления не только пузырьков воздуха, но и хлопков активного ила с целью увеличения их удельной поверхности и, следовательно, скорости окисления загрязнений. Данные условия могут быть обеспечены в том случае, если масштаб наименьших турбулентных вихрей А0 будет сопоставим с радиусом гк хлопка ила (гх * 1-10-4 м^ [3]. Масштаб

наименьших вихрей, по Колмогорову - Обухову, может быть выражен через затраты энергии на турбули-зацию

где £о - среднее значение мощности, рассеиваемой в единице массы пе-ремешиваемой среды, Вт/кг; vc - кинематическая вязкость водовоздушной смеси, м2/с.

Величина £о связана с удельными затратами мощности Ыуд (Вт/м3) на перемешивание соотношением

NуД= £о'Рс, (2)

где рс - плотность водовоздушной смеси.

Кинематическая вязкость и плотность водовоздушной смеси в стволе ЭГДУ зависят от степени насыщения иловой жидкости воздухом.

Плотность водовоздушной смеси с определенными допущениями определяется по формуле [4] рс=р-(1-ф) (3)

где р - плотность жидкой фазы, кг/м3; ф - коэффициент газосодержания смеси или объемная концентрация дисперсной фазы (воздуха).

с

(1)

Іі стВ

\

Сі

'й

а

* И/[І

4\ Ри

Рі

їда

(-

(-

-)

-) А

Рс І І V Углїй

План 6 сечении 0-0

Рис. 2

Расчетная схема для определения гидродинамических характеристик аппарата обработки

возвратного ила 1- подающий трубопровод; 2- входная камера; 3-

4 - разделительная диафраг-

внутренние диски; 7 - патрубок подачи сжатого воздуха; 8

цен-

ма; 5 - опорный стержень; 6

тральный электрод

К

Ф= — (4)

К

где Ив и Ис - объемы воздуха и смеси, м3.

Кинематический коэффициент вязкости водовоздушной смеси находится по эмпирической зависимости при ф<0,15 [4].

Ус =У

(5)

где V - кинематический коэффициент вязкости жидкой фазы, м/с

Таким образом, для определения масштаба наименьших вихрей Ло по (1) при известном газонасыще-нии иловой смеси необходимо знать среднее значение удельной мощности 1 найдена по уравнению:

которая может быть

где

расход энергии на перемешивание, Дж;

уд

Е

Ь - время смешения иловой жидкости с воздухом в стволе ЭГДУ, с.

Расход энергии на перемешивание в стволе высотой ЛсТв между сечениями 2-2 и 3-3 (см. рис. 2) определяется из соотношения:

Е=(Дрс + рсд Ьств) Ус=( Лрс+Еп.уд) Ус Вт, (7)

где Дрс - располагаемые потери давления, Дрс=р2~р0, Па;

Еп.уд - располагаемая энергия положения;

Р2 - давление жидкости в сечении 2-2, Па.

Величина р2 определяется гидравлическим расчетом из уравнения баланса энергии потока между сечениями 1-1 и 2-2. Основное влияние на значение р2 оказывают давление жидкости рх в сечении 1-1, а также геометрические размеры входной камеры.

Для случая истечения в атмосферу Ро=Ратм=0 и Дрс=р2 •

Тогда Е=( р2+ Еп.уд) Ус . (8)

Расчетные потери давления на перемешивание должны быть несколько меньше располагаемых и в общем случае определяются по соотношению

о2

Дрсрасч=рс(^м+ ^Тр) , (9)

2

где и ^Тр - коэффициенты местных сопротивлений и потерь на гидравлическое трение по длине ствола;

о юге - скорость выхода иловой смеси из ствола ЭГДУ, О =1,8-2,2 м/с.

При незначительной длине ствола ЭГДУ (1 <1м) >> ^тр последним значением в расчетах можно пре-

небречь. Тогда

2

ЛРсра°ч=РДм . (10)

2

Коэффициент для последовательно расположенных дисков 5 (см. рис. 2) находится по соотношению, применяемому для расчета центральных вставок гидравлического трубчатого смесителя [5] при расстоянии 1в между вставками

(г — 1 — 2 г ) *

( г ств — 1 в — 2 гств) *

Я.

5м=1,7 8 •Пв • —-О,

2

=1,78 • Пв •Кв , (11)

где п - количество вставок (внутренних дисков);

5в - площадь вставки, м2;

За - площадь поперечного сечения ствола ЭГДУ, м2;

Кв - коэффициент стеснения площади поперечного сечения ствола.

Для предотвращения подпора иловой смеси в сечении 2-2 ствола ЭГДУ и с учетом соотношений (10) и (11) запишем условие для нормальной работы нижней зоны ЭГДУ в режиме смешения

о2

Дрср“ч=Рс-1,7 8 • пвКв—^ < Р2+ Еп.уд . (12)

2

Данное условие является определяющим для выбора количества и размеров внутренних вставок (дисков), размещаемых в стволе вихревого аппарата. Полученное расчетное значение Лрсрасч подставляется в формулу (8) для нахождения фактической энергии, затрачиваемой на перемешивание.

Далее по формулам (6), (2) и (1) определяются соответственно величины Ыуд, £о и Ло. При невы-

полнении неравенства Ло^ гх задаются новые значения давления на входе р1 или другие размеры входной камеры и ствола ЭГДУ.

Данные расчеты позволяют сконструировать вихревые аппараты необходимых размеров, а также найти требуемые технологические характеристики О-И рециркуляционных насосов.

Сравнительные производственные испытания ЭГДУ различных конструкций были проведены на канализационных очистных сооружениях г. Заречный Пензенской области производительностью 30 тыс. м3 в сутки. На двух секциях аэротенков были установлены новые ЭГДУ, на двух остальных - ЭГДУ старой конструкции. Подача возвратного ила на все группы ЭГДУ через общий магистральный трубопровод производилась двумя параллельно работающими центробежными насосами марки СМ 200-150-4 00 (п=960

об/мин) с напором 20 м и общим расходом до 440 м3/ч. Значение избыточного давления в начале всех распределительных линий, подводящих возвратный ил к установкам, поддерживалось постоянным на уровне 0,7-105Па для всех секций за счет открытия или закрытия входных задвижек на линиях.

Испытания показали, что в двух секциях аэротенков с новыми ЭГДУ за счет их меньшего гидравлического сопротивления расход возвратного ила возрос с 80 м3/ч до 110 м3/ч и соответственно доза ила в аэрационном бассейне увеличилась с 2 до 2,5 г/л. В данных секциях остаточное содержание в биологически очищенных сточных водах БПК снизилось с 10-12 до 7-8 мг/л, аммонийного азота с 5-7 до 2,5-3 мг/л, фосфатов с 0,8-1,0 до 0,4-0,6 мг/л по сравнению с двумя другими секциями, где работали ЭГДУ старых конструкций [6].

Таким образом, совершенствование конструкций ЭГДУ и их гидравлического режима работы позволило не только улучшить качество биологической очистки стоков, но также упростить и удешевить эксплуатацию аэротенков.

ЛИТЕРАТУРА

1. Андреев С.Ю. Электроактивационная обработка возвратного ила в системе соосных электродов

как способ интенсификации работы аэротенков/ С.Ю. Андреев// Изв. вузов. Строительство. - 2006 -

№10 - С. 51-58.

2. Андреев С.Ю. Обработка возвратного активного ила в вихревом электрогидродинамическом устройстве/С.Ю. Андреев, Б.М. Гришин// Водоснабжение и санитарная техника. - 2006. - №3.

3. Евилевич М.А. Оптимизация биохимической очистки сточных вод/ М.А. Евилевич, Л.Н. Брагинский. - Л.: Стройиздат, 1979.

4. Клейтон С. Эмульсии, их теория и технические применения/С. Клейтон. - М.: Иностранная литература, 1960.

5. Вейцер Ю^. Высокомолекулярные флокулянты в процессах очистки воды/ Ю^. Вейцер, Д^. Mинц. - M.: Стройиздат, 1984.

6. Гришин Б^. Совершенствование конструкций электрогидродина-мических устройств, используе-

мых для обработки возвратного активного ила аэротенков/ Б^. Гришин, С.Ю. Андреев, M^. Бикунова, С.В. Ишев//Изв. вузов. Строительство. - 200В - № 8 - С. 50 - 55.