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.