Снижение энергопотребления систем аэрации сточных вод Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

ВОДОСНАБЖЕНИЕ, КАНАЛИЗАЦИЯ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ

УДК 628.2; 628.14

СЕРПОКРЫЛОВ НИКОЛАЙ СЕРГЕЕВИЧ, докт. техн. наук, профессор, serpokrilov@nm.ru

СМОЛЯНИЧЕНКО АЛЛА СЕРГЕЕВНА, аспирант, arpis-2006@mail.ru

Ростовский государственный строительный университет, 344026, г. Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162

СНИЖЕНИЕ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ СИСТЕМ АЭРАЦИИ СТОЧНЫХ ВОД

Рассмотрены методы оптимизации работы аэрационных систем с целью снижения энергозатрат при их эксплуатации. Приведены результаты исследований при тестировании аэраторов: 1. В присутствии наполнителей (шунгит С = 0,5-1,0 г/л, песок С = 0,5 г/л, активированный уголь С = 0,5 г/л). 2. При работе в режиме импульсной аэрации с различными интервалами подачи/отключения воздуха (1с/1с, 5/5, 10/10). На основе полученных данных произведена сравнительная оценка различных типов аэраторов по основным технологическим параметрам при исследованных методах оптимизации.

Ключевые слова: энергосбережение, коэффициент массопередачи кислорода, окислительная способность, эффективность аэрации, а-фактор, сорбционная технология, импульсная аэрация.

SERPOKRYLOV, NIKOLAY SERGEYEVICH, Dr. of tech. sc., prof., serpokrilov@nm.ru

SMOLYANICHENKO, ALLA SERGEYEVNA, P.G., arpis-2006@mail.ru

Rostov on Don State University of Building,

162 Sotsialisticheskaya st., Rostov-on-Don, 344026, Russia

DECREASE OF ENERGY CONSUMPTION OF SEWAGE AERATION SYSTEMS

Method of optimization of oxidizing systems' work for the decrease of power consumption at their operation are considered. The results of aerators' testing are: 1. At the fillers presence (shungit С = 0,5-1,0 g/l, sand С = 0,5 g/l, activated coal С = 0,5 g/l). 2. At a work in a mode of pulse aeration with various intervals of giving/switching-off of air (1 sek/1 sek, 5/5, 10 k/10).

© Н.С. Серпокрылов, А.С. Смоляниченко, 2010

On the basis of the received data the comparative estimation of various types of aerators by the basic technological parameters is made at the analyzed optimization methods.

Keywords: energy saving, factor of oxygen mass transfer, oxidizing capacity, efficiency of aeration, a-factor, sorption technology, pulse aeration.

В настоящее время (и в видимой перспективе) основную функцию в процессах очистки сточных вод от органических и биогенных загрязнений выполняют искусственные биологические сооружения, в большей степени аэротенки различных технологических и конструктивных решений, оборудованные разнообразными системами аэрации. Согласно экспертным оценкам от 60 до 80 % эксплуатационных затрат очистных сооружений обусловлены расходами на аэрацию иловой смеси в аэротенках [1-4].

Особую сложность для эксплуатации представляет периодическое отключение электроэнергии и, как следствие, прекращение аэрации. Через поры и каналы внутрь поступает иловая смесь, которая кольматирует их, повышает сопротивление аэраторов и снижает объем подаваемого воздуха. Данную смесь при повторном включении воздуходувного оборудования следует выпускать, что приводит к ручному труду, гидравлическим ударам и, как следствие, -к разрушению отдельных аэраторов. Через последние выходит основной расход воздуха, влияя на равномерность аэрации, создавая застойные зоны и т. п. Восстановление поврежденных аэраторов чаще всего требует опорожнения аэро-тенков. Даже не принимая во внимание снижение качества очистки вод, в итоге все это требует существенных экономических и временных затрат.

Гидродинамические условия барботажа определяют протекание массо-обменных процессов диффузионного растворения кислорода, что оказывает решающее влияние на его энергозатраты. Основное отличие массового двухфазного потока от элементарного акта барботажа состоит в изменяющемся по объему потока составе водовоздушной смеси, наличии мощной поперечной циркуляции в потоке и отсутствии фиксированной границы раздела фаз [4, 5].

Как известно, при массовом всплывании пузырьков воздуха в аэротен-ках возможны пузырьковый, факельный и струйный режимы, во многом определяющие эффективность системы аэрации [4, 6, 7]. Площадь поверхности контакта фаз при барботажной аэрации наряду со временем контакта и скоростью массопередачи кислорода из воздушных пузырьков в жидкость является важнейшим показателем эффективности процесса. Пузырьковый режим, самый эффективный по массопередаче, наблюдается при низких и умеренных расходах воздуха и зависит от крупности пузырьков, от размеров пор или отверстий аэратора, причем образование соседних пузырьков происходит автономно. Если выход воздуха из аэратора превышает скорость всплытия пузырьков, то над отверстием образуется факел воздуха с одновременным дроблением крупных и коалесценцией мелких пузырьков. При факельном режиме истечения крупность пузырьков уже не зависит от размера отверстий в аэраторе. Она определяется гидродинамическими показателями среды. Проскок воздуха через жидкость в виде сплошных струй (струйный режим) наблюдается в аэротенках при отказе аэраторов (например, разрушение фильтросов) и массовом его выходе через образовавшуюся брешь.

Процесс растворения кислорода в аэротенках условно можно подразделить на четыре одновременно протекающих стадии: 1 - образование пузырьков, 2 - подъем, 3 - выход на поверхность, 4 - поступление кислорода через поверхность жидкости (реаэрация). При этом значения объемных коэффициентов массопередачи различны на каждой стадии, причем в момент образования пузырьков массопередача наиболее эффективна и может достигать 30 % общей величины (по Каунтсу) [6].

Таким образом, технологическую оценку аэраторов и выбор их для применения рекомендуется производить на основе массообменных и энергетических, а также эксплуатационных характеристик аэраторов. К последним мы предлагаем относить помимо прочих (обрастание, засорение пор, механическую прочность, всплывание и т. п.) поступление иловой смеси в аэрацион-ную систему.

Нами проведена экспериментальная оценка технологических и энергетических показателей современных аэраторов, применяемых или рекомендуемых разработчиками к использованию в практике биологической очистки сточных вод в аэротенках: 1 - перфорированные пластмассовые аэраторы (диаметром 60 мм, отверстия 2 мм) длиной 0,75 м; 2 - сетчатые аэраторы (пластмассовый трубопровод диаметром 60 мм, отверстия 2 мм, сетка с ячейкой 1x1 мм) длиной 0,75 м; 3 - аэраторы фирмы «Экополимер» (Россия) диаметром 100 мм, длиной 0,87 м; 4 - тканевый аэратор (полотно иглопробивное термоскрепленное с двух сторон, артикул 380.400.03/169) длиной 0,75 м, закрепленный на перфорированной пластмассовой трубе диаметром 60 мм. Также определены параметры трех типов трубчатых мембранных аэраторов:

5 - RAUBIOXON фирмы Rehau (ФРГ) диаметром 64 мм, длиной 0,5, 0,75 и 1,0 м (мембраны из этиленпропилендиенкаучука или отликон-каучука) [5];

6 - фирмы Vodni energie s. r. o. (Чешская республика) диаметром 64 мм, длиной 0,75 м (мембрана ПУМ-68 из полиуретана [8]); 7 - фирмы FORTEGS -AGS (Чешская республика) диаметром 68 мм, длиной 0,75 м (мембрана АМЕ - Т из модифицированного полиуретана [9]).

Выбор указанных мембранных аэраторов для оценки был обусловлен тем, что, по данным их производителей, они имеют высокие энергетические показатели производства кислорода от 2,5 до 6,5 кг О2 на 1 кВтч израсходованной электроэнергии. В то же время они практически не применяются в очистке сточных вод в России.

В качестве критериев эффективности аэрации рассмотрены: объемный коэффициент массопередачи кислорода куг, ч-1, КПД, %, окислительная способность (ОС), кг/ч-м3, эффективность аэрации (ЭА) по производству растворенного в жидкости кислорода, кгО2/кВт-ч. Исследования проведены по методике переменного дефицита кислорода на обескислороженной водопроводной воде с сульфитом натрия и катализатором (хлористым кобальтом) [6] на модели аэротенка с прозрачными стенками с высотой слоя воды 0,45 м и на реальных сточных водах г. Ростова-на-Дону на модели аэротенка со слоем иловой смеси 3,6 м.

При изучении физической картины было выявлено, что пузырьковый режим аэрации наблюдается на всех исследованных типах аэраторов, за ис-

ключением сетчатого (факельного) и тканевого (переходного между факельным и струйным) (табл. 1).

Таблица 1

Технологические параметры исследованных аэраторов

Тип аэратора длиной 0,75 м Показатели аэраторов при расходах воздуха, м3/ч, и высоте слоя воды 0,45 м

ч-1 КПД, % Окислительная способность, кг/ч-м3 Эффективность аэрации, кгО2/(кВт-ч)

1,8 3,9 7,8 1,8 3,9 7,8 1,8 3,9 7,8 1,8 3,9 7,8

ЯеИаи 3,95 19,33 34,44 5,56 5,2 4,36 0,27 2,01 5,67 0,93 3,77 10,64

Перфорированный 1,22 2,02 4,61 2,13 0,99 0,99 0,054 0,073 0,31 0,10 0,14 0,61

Сетчатый 1,12 2,39 4,24 1,86 0,93 0,83 0,04 0,07 0,229 0,08 0,14 0,43

Водные энергии 9,89 20,59 32,06 5,55 5,26 4,36 0,5 2,18 5,57 0,93 4,09 10,54

Фортекс 4,53 10,80 15,41 2,71 2,94 2,08 0,39 0,61 1,31 0,24 1,14 2,45

Тканевый - 1,65 3,37 - 1,32 1,35 - 0,01 0,01 - 0,019 0,019

Подтверждено [1, 3], что длительность насыщения жидкости по методике переменного дефицита кислорода зависит от расхода воздуха, типа и габаритных размеров аэратора. Полученные значения kVT, ч-1, КПД, %, ОС, кг/ч-м3, ЭА, кгО2/кВт-ч (табл. 1) рекомендуются в качестве исходных для технологического выбора аэраторов, в том числе и зарубежных.

На первой стадии процесса аэрации - образования пузырьков воздуха -получены массообменные характеристики ряда аэраторов (табл. 1) при высоте слоя жидкости 0,45 м. Изучение второй стадии процесса аэрации - подъема пузырьков - выполнено на модели аэротенка с высотой слоя иловой смеси 3,6 м с аэраторами КаиЫохоп фирмы ЯеЬаи (табл. 2).

Таблица 2

Параметры аэраторов ЯаиЫохоп при высоте слоя активного ила 1,3-3,6 м

Высота слоя иловой смеси, м Глубина измерения от поверхности воды, м ^г, ч 1 КПД, % Окислительная способность, кг/ч-м3 Эффективность, кгО2/кВт-ч

1,3 1,0 27,48 10,37 2,89 3,19

2,3 1,5 28,39 11,48 4,86 4,14

2,8 2,5 41,10 22,18 3,66 5,39

3,6 3,0 41,81 24,97 3,73 6,38

Можно видеть, что при высотах слоя жидкости, близких к реальным высотам в аэротенке, объемный коэффициент массопередачи кислорода, КПД, ОС и ЭА у аэраторов КаиЫохоп значительно выше, чем у применяемых в настоящее время в российской практике типов аэраторов.

Тип аэратора можно принять оптимальным при одновременно наилучших значениях трех основных критериев систем аэрации ОС, ку и Е. На основе обобщения литературных данных [1, 2, 4, 10, 11] представим основные технологические параметры различных типов аэраторов в виде суммы и/или произведения (ОС, ку, Е), по величине которых произведем ранжирование (табл. 3).

Таблица 3

Основные технологические параметры и ранжирование систем аэрации

Типы аэраторов ОС, кгО2/(м3-ч) Е, кгО2/(кВт-ч) ку, ч-1 ОС + Е + ку Ранг ОС • Е • ку Ранг

Различные системы аэрации

Пневматический 0,098 (3) 1,4 (3) 4,2 (3) 9 3 0,58 3

Механический 0,143 (2) 2,75 (1) 5,1(2) 5 2 2 1

Пневмомеханический 0,145 (1) 1,7 (2) 7 (1) 4 1 1,7 3 2

Эжекторный 0,095 (4) 0,5 (5) 3,75 (4) 13 4 0,18 5

Эрлифтный 0,048 (5) 1,3 (4) 3,5 (5) 14 5 0,22 4

Некоторые аэраторы при Яводы = 0,45 м

ЯеИаи 2,97 (2) 5,11 (2) 19,24 (2) 6 2 292 2

Перфорированный 0,182 (4) 0,36 (4) 2,92 (4) 12 4 0,2 4

Сетчатый 0,14 (5) 0,26 (5) 2,68 (5) 15 5 0,1 5

Водные энергии 3,09 (1) 5,22 (1) 20,85 (1) 3 1 336,3 1

Фортекс 0,85 (3) 2,2 (3) 10,27 (3) 9 3 19 3

Тканевый До 0,01 (6) До 0,019 (6) 2,51 (6) 18 6 0,001 6

Примечание. Цифры в скобках означают ранг параметра аэратора по столбцу.

В зарубежной практике [3, 4, 7] критерием оценки эффективности работы аэрационных систем служит а-фактор, связывающий отношения коэффициента массопередачи с удельной площадью контакта воды с воздухом для иловой воды и коэффициента массопередачи с удельной площади контакта воды с воздухом для чистой воды:

а= ,

(К • я)„

где Кх - объемный коэффициент массопередачи; a - удельная площадь контакта воды с воздухом (KL ■ а)ис относится к иловой смеси (а = 0,229 м2), (KL • а)чв - к чистой воде (а = 0,672 м2).

Ранжирование типов аэраторов по величине, обобщающей основные технологические параметры (табл. 3), и по а-фактору (табл. 4) позволяет рекомендовать вести выбор аэраторов для биологической очистки сточных вод в последовательности: I - мембранные (1 - «Водные энергии», 2 - Raubioxon, 3 - FORTEGS - AGS); II - пневматические (1 - перфорированные, 2 - сетчатые, 3 - тканевые); III - механические; IV - пневмомеханические; V - эр-лифтные; VI - эжекторные.

Таблица 4

а-фактор для различных типов аэраторов

Типы аэраторов, Ь = 0,75 м а-фактор Ранг

ЯеИаи 0,486 2

Перфорированный 6,61 4

Сетчатый 7,19 5

Водные энергии 0,448 1

Фортекс 0,91 3

Тканевый 9,04 6

Для интенсификации процесса окисления загрязнений и тем самым снижения энергопотребления при аэрации применяют наполнители (песок, керамзит, активированный уголь, пластмассы и т. п. [12]), находящиеся во взвешенном или расширенном слое.

Перспективным материалом в качестве носителя в биосорбционных технологиях очистки вод может быть природный минерал шунгит, обладающий развитой сорбционной поверхностью, включая нанопоры, стоимость которого в разы ниже активированного угля. При исследовании биосорбцион-ной технологии с использованием в аэрационных процессах сорбента - шун-гита фракцией 0,2-0,5 мм в качестве показателей эффективности аэрации были приняты коэффициенты массопередачи и а-фактор (табл. 5). Для сравнения исследованы показатели процесса в одинаковых условиях аэрации без наполнителей и с наполнителями: песок С = 0,5 г/л, активированный уголь С = 0,5 г/л.

Таблица 5

Коэффициенты массопередачи и а-фактор аэратора ЯеЬаи Ь = 1,0 м при ^ = 20 °С, высоте слоя воды 0,45 м, расходе воздуха Q = 130 л/мин

Показатель Шунгит концентрацией, г/л Песок, С = 0,5 г/л Акт-й уголь, С = 0,5 г/л

0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 0,0

kv 12,09 12,91 14,34 14,69 15,13 15,61 11,56 9,17 5,36

а-фактор 0,77 0,72 0,65 0,64 0,62 0,60 0,81 1,02 1,74

Сравнивая значения ку и а-фактора (табл. 5), можно видеть, что наличие шунгита улучшает показатели процесса окисления по сравнению с другими наполнителями. При этом эффективность аэрации при использовании шунги-та с концентрацией С = 1,0 г/л (Е = 0,113 кгО2/кВт-ч) возросла на 30 % по отношению к аэрированию без сорбента (Е = 0,063 кгО2/кВт-ч), что, в свою очередь, позволяет говорить о значительном снижении энергозатрат на обслуживание аэрационных систем.

К энергосберегающему аэрированию можно отнести и импульсную аэрацию, обеспечивающую одновременно перемешивание иловой суспензии, предотвращающее выпадение из нее твердой фазы и внесение кислорода воздуха в жидкость для обеспечения биохимического окисления загрязнений, при этом в отличие от постоянного аэрирования она минимизирует расход воздуха. Был проведен эксперимент (табл. 6) с различными периодами импульсной аэрации: 1 с :1 с, 5 с : 5 с, 10 с : 10 с (аэрационный период в 1 (5,10) секунду с прекращением подачи воздуха на 1 (5,10) секунду).

Таблица 6

Сводная таблица массообменных показателей при различных режимах импульсной аэрации при расходе Q = 65 м3/ч для аэратора ЯЕИЛи Ь = 0,75 м

Режим импульсной аэрации Коэффициент массопередачи Коэффициент использования кислорода Окислительная способность, кг/ч-м3 Эффективность аэрации, кгО2/кВт-ч КПД, %

1:1 6,46 0,012 0,825 1,55 2,98

5:5 6,01 0,011 0,71 1,33 2,80

10:10 5,78 0,011 0,68 1,28 2,98

Непрерывный 19,33 0,017 2.01 3,77 5,2

На основании полученных данных (табл. 6) следует, что импульсная аэрация не улучшает энергетических показателей процесса аэрации и поэтому не рекомендуется к применению в системах биологической очистки сточных вод.

Таким образом, на основании исследований предложены варианты выбора аэраторов для повышения эффективности аэрационного процесса, которые позволяют существенно сократить энергопотребление и тем самым снизить эксплуатационные издержки на 30 %.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Мешенгиссер, Ю.М. Теоретическое обоснование и разработка новых полимерных аэраторов для биологической очистки сточных вод : автореф. дис. ... докт. техн. наук. - М. : НИИ ВОДГЕО, 2005.

2. Серпокрылов, Н.С. Сравнительная оценка технологических параметров некоторых аэраторов / Н.С. Серпокрылов, И.В. Климухин, И.Н. Павлюк [и др] // Вода: технология и экология. - 2007. - № 4. - С. 21-29.

3. Ingeniería de aguas residuahs: tratamiento, vertido i reutilizacion. - Mexico : Metcalf & Eddy, 1996. - 1485 p.

4. Мишуков, Б.Г. Оценка эффективности работы аэрационных систем / Б.Г. Мишуков, Е.А. Соловьева // Вода: технология и экология. - 2008. - № 2. - С. 42-46.

5. Cornel, P. Sauerstoffzufurvermogen und Sauerstoffvertag der RAUBIOXON - Rohrbelufter / P. Cornel, M. Wagner, U. Rutze. - Darmstadt : Technische Universitet Darmstadt, 1999. - 15 c.

6. Худенко, Б.М. Аэраторы для очистки сточных вод / Б.М. Худенко, Е.А. Шпирт. - М. : Стройиздат, 1973. - 112 с.

7. Кинетика процесса массопередачи кислорода в жидкость при всплывании одиночного пузырька / Б.М. Гришин, С.Ю. Андреев, Т.А. Малютина [и др.] // Совершенствование систем водоснабжения и водоотведения по очистке природных и сточных вод: межвуз. сборник научн. тр. - Самара : Самарский гос. архит.-строит. ун-т, 2005. - С. 97-99.

8. Aeration elemente. Рекламный проспект фирмы Vodni energie s. r. o. (Чешская республика).

9. Аэрационные системы АМЕ. Рекламный проспект фирмы FORTEGS - AGS a. s (Чешская республика).

10. Михайлов, М.М. Обоснование применения аэраторов струйного типа для биологической очистки сточных вод : автореф. дис. - М., 1984. - 16 с.

11. Яковлев, С.В. Исследование работы гидравлического эрлифтного аэратора / С.В. Яковлев, И.В. Скирдов, Б.Ф. Сальников // Водоснабжение и санитарная техника. - 1984. -№ 1. - С. 3-5.

12. Способ очистки воды от трудноокисляемых органических соединений : пат. 2079447 РФ, МКИ 6 02F3/02 / В.Н. Швецов, К.М. Морозова, И.А. Нечаев ; опубл. 05.20.97, Бюл. № 16.