CC BY
19
zun.nikita@mail.ru, Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Черноземцев Александр Николаевич, магистрант группы ВВм-12-1, e-mail: СhemozemtsevAV@gmail.com, Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Information about the authors
Korzun N.L., Candidate of medical science, associate professor, department of engineering services and life-support systems, tel.: 89149100532, e-mail: korzun.nikita@mail.ru; Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
Chernozemtsev A.N., candidate for a master's degree, e-mail: Œernozemtse-vAV@gmail.com, Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
УДК 628.35.001.24
ВОДО-ВОЗДУШНАЯ РЕГЕНЕРАЦИЯ ИММОБИЛИЗОВАННОГО ИЛА И ГИДРОДИНАМИКА В БИОРЕАКТОРЕ С ДВУРЯДНЫМ РАСПОЛОЖЕНИЕМ
АЭРАТОРОВ
© В.Н. Кульков, Е.Ю. Солопанов, А.М. Зеленин
Изучена гидродинамика водно-иловой смеси в аэротенке-биореакторе с двурядным расположением мелкопузырчатых аэраторов. Приведено скалярное поле скорости очищаемой воды в вертикальном поперечном сечении аэротенка. Изучена кинетика осаждения ила на ершовую загрузку после водо-воздушной регенерации иммобилизованного ила. Определена эффективность водо-воздушной регенерации от количества мелкопузырчатых аэраторов. Использована физическая модель аэротенка, позволившая показать, что двурядное расположение аэрационной системы увеличивает время седиментации свободно плавающего ила.
Ключевые слова: аэротенк-биореактор; поле скорости водно-иловой смеси; ершовая загрузка; водно-воздушная регенерация загрузки; иммобилизованный ил; свободно плавающий ил.
AIR-AND-WATER REGENERATION OF IMMOBILIZED SILT AND HYDRODYNAMIC IN BIOREACTOR WITH BISERIAL ARRANGEMENT OF
AERATORS
© V.N. Kulkov, E.Iu. Solopanov, A.M. Zelenin
We have studied hydrodynamics of water-and-silt substance in aerotank bioreactor with biserial arrangement of small-bubble aerator. We have presented speed scalar field of purified water in the vertical diametric cut in aerotank. We have studied kinetics of silt scale onto the brush loading after air-and-water regeneration of immobilized silt. We defined the efficiency of air-and-water regeneration depending on the number of small-bubble aerators. We have used the physical model of aerotank, that has allowed to show that a biserial arrangement of aeration system increases the sedimentation time of a free-floating
Key words: aerotank-bioreactor; speed field of water-silt substance; brush loading; air-and-water regeneration of loading; immobilized silt; free-floating silt.
Система аэрации аэротенка-биореактора поддерживает активный ил во взвешенном состоянии, насыщает водно-иловую смесь кислородом и создает благоприятные гидродинамические условия во всем объеме биореактора для окисления органических загрязнений.
Эффективность работы пневматических аэраторов зависит от расположения их в биореакторе. Ширина и форма аэрационной полосы в аэротенке-биореакторе влияют на формирование гидродинамической структуры потока и в значительной степени определяют эффективность процесса массопередачи [1]. Существуют различные варианты расположения пневматических аэраторов в плане: продольное, поперечное, диагональное, поперечно-диагональное, продольно-диагональное, неупорядоченное и сплошное.
При разработке биохимического метода очистки сточных вод широкое распространение получили аэротенки с расположением аэраторов вдоль одной из стен коридора, что создает спиралеобразное движение жидкости. При этом пузырки воздуха вводятся в струю воды, скорость движения которой в 2-3 раза выше скорости их движения. Вследствие этого, время контакта газ - жидкость уменьшается до 25-30% от ожидаемой величины и в аэротенке, глубиной 3 м, составляет 3-4 секунды вместо 10-12 при соответственном снижении эффекта массопередачи [1]. Г.С. Попковичем на основании натурных наблюдений были показаны преимущества двухстороннего расположения аэраторов в коридоре, позволившего более рационально использовать подаваемый в аэротенк воздух.
Крупномасштабные исследования, проведенные на очистных сооружениях г. Ми-луоки, показали, что степень использования кислорода составила: для одностороннего расположения аэраторов вдоль стены (спиралеобразный поток) 3,9-6,5%, для поперечной системы - 9,6-17,1%, для продольной пятирядной системы ~ 13%, для неупорядоченной системы «вороньи шаги» ~ 11% [2].
Изучение поля скорости движения сточной воды и распределения активного ила в аэротенке-биореакторе возможно только при использовании плоскостной физической модели биореактора. Проведение таких экспериментов в промышленном аэротенке невозможно. Возможность физического моделирования газогидродинамических процессов в аэротенке-биореакторе определяется пузырьками воздуха, проходящими через аэратор, размеры которых обусловливаются материалом фильтрующей поверхности, а также скоростью подъема пузырьков, вызывающих сонаправленное движение потока воды.
В первом приближении газогидродинамическое подобие в модели определяется критериями Рейнольдса, Фруда и Вебера. Скорость движения жидкости в поверхностном слое производственных аэрируемых сооружениях очистки сточных вод должна совпадать со скоростью жидкости в модельной установке при pf и ¡df = idem, что позволяет сделать вывод о функциональной зависимости в первом приближении описывающей подобные процессы при условии использования аэраторов идентичной конструкции:
Pf' vf' da vl a
Re = ——-—- = idem, Fr = —— = idem, We = —-— = idem
^ 8 • ^ Ь • Рг • ^
где pf, ^ и - плотность, вязкость и скорость жидкости; - эквивалентный диаметр
пузырьков газа (воздуха); 8 - ускорения свободного падения; а - коэффициент поверхностного натяжения.
В исследованиях поля скорости воды применялся мелкопузырчатый аэратор, для которого в качестве материала фильтрующей поверхности использовалось диспергирующее покрытие мелкопузырчатого аэратора АКВА-ЛАЙН. Сопоставление численных значений скоростей воды, полученных при моделировании (рис. 1) и измеренных в поверхно-
стном слое воды «методом поплавка» на аэротенке-вытеснителе левобережных КОС г. Иркутска и равных ~ 0,60 м/с, свидетельствует о возможности применения физического моделирования для изучения гидродинамики в модели аэротенка. Это позволяет переносить экспериментальные зависимости, полученные на модельной установке, на производственные аэрируемые сооружения очистки сточных вод. Критерий Рейнольдса для приведенного случая равнялся 1936, что указывает о переходном характере движения жидкости в поверхностном слое от ламинарного к турбулентному.
Построенное по результатам исследований скалярное поле скорости течения воды в вертикальном поперечном сечении биореактора с двурядной мелкопузырчатой аэрацией показывает, что по площади зоны сечения поле скорости весьма неоднородно, значение скорости изменяется от 0,6 до 0,05 м/с и менее (рис. 1). Наибольшие численные значения скорости реализуются по периметру двух циркуляционных контуров, уменьшаясь по направлению к центральным зонам этих контуров. Вращение водо-иловой смеси в контурах осуществляется по часовой (левый контур) и против часовой стрелки (правый контур). В центре контуров скорость ~ в 10 раз меньше, чем по их периметру, что позволяет характеризовать их как застойные зоны с минимальной окислительной способностью. Центральные застойные зоны имеют вертикальную вытянутую форму и определяются шириной коридора биореактора. Идентичности или зеркального отображения контуров не наблюдается. Форма контуров показывает квазистационарную гидродинамическую обстановку в поперечном сечении биореактора, которая, в свою очередь, определяется газодинамикой пузырьков, поднимающихся в сонаправленных потоках сточной воды от двух мелкопузырчатых аэраторов.
"£., см
Рис. 1. Скалярное поле скорости течения жидкости в модели вертикального
поперечного сечения биореактора с двурядной мелкопузырчатой аэрацией Js = 7,0
м3/(м2-ч):
А - 5 см/с; ▲ - 10 см/с; о - 15 см/с; • - 20 см/с; х - 25 см/с; 0 - 30 см/с; ♦ - 35 см/с; □ - 40 см/с; ■ - 45 см/с; * - 50 см/с; - 55 см/с; О - 60 см/с; • - 65 см/с
Необходимо отметить, что в правом и левом углу аэротенка, вдоль продольных сторон, где установлены мелкопузырчатые аэраторы, наблюдаются зоны с небольшими скоростями сточной воды ~ 0,3 м/с и менее. Это создает возможность оседания активного ила по углам аэротенка, что приводит к незначительному уменьшению окислительной способности аэротенка и появлению зон вторичного загрязнения сточных вод. Полученное скалярное поле скорости воды (рис. 1) реализуется между соседними рядами ершей (занавесками), расположенными через 0,1 м.
Введение красящей метки в жидкость наглядно показывает существование двух застойных зон в вертикальном поперечном сечении аэротенка (рис. 2).
Рис. 2. Застойные зоны в вертикальном поперечном сечении аэротенка при двурядной мелкопузырчатой аэрации
Размещение синтетической ершовой загрузки в модели аэротенка-биореактора изменяет скалярное поле скорости (рис. 3). Численные значения скорости по периметру контуров имеют меньшие значения, а ширина потока жидкости, определяемая ершовой загрузкой, в два раза уже. В центральной области поперечного сечения аэротенка (в ершовой загрузке) потоки имеют слабовыраженное направление при средней скорости 0,05 м/с. Центральный поток, направленный вниз, не сохраняет скоростей поверхностного потока (~ 0,5 м/с), а имеет скорости ~ 0,35 м/с и ниже. Два придонных потока имеют противоположные направления со скоростью ~ 0,25 м/с, обусловленные циркуляционным движением жидкости и подсосом воды угловыми аэраторами.
Использование продольной двурядной аэрационной системы в аэротенке-биореакторе оказывает существенное влияние на водо-воздушную регенерацию иммобилизованного ила осевшего на ершовой синтетической загрузке, расположенной в центральной области коридора аэротенка.
В модельной ячейке, объемом 0,08 м3, размещали 7 вертикальных ершей длиной 0,62 м и диаметром 0,05 м. Регенерацию проводили водо-воздушными факелами, полученными шестью эжекционными форсунками, расположенными под ершовой загрузкой. Удельный расход воды и воздуха составлял 53,5 м /(м -ч) и 24,8 м /(м -ч), соответственно.
Т. см
Рис. 3. Скалярное поле скорости течения воды в модели биореактора с ершовой
загрузкой: А - 5 см/с; ▲ - 10 см/с; о - 15 см/с; • - 20 см/с; х - 25 см/с; 0 - 30 см/с;
♦ - 35 см/с; □ - 40 см/с; ■ - 45 см/с; * - 50 см/с; ^ - 55 см/с; О - 60 см/с; • - 65 см/с
Суммарная доза ила составляла 0,28 г/л, иловый индекс - 120 мл/г, время регенерации - 30 секунд, интенсивность мелкопузырчатой аэрации - 6,92 м /(м -ч). Схема установки и расположение ершовой загрузки в биореакторе, используемой в эксперименте, описана ранее [3].
Двурядное расположение аэрационной системы увеличивает время седиментации свободно плавающего ила после его регенерации на 30 минут (~20 %) по сравнению с однорядным расположением (рис. 4).
Расчет эффективности водо-воздушной регенерации проводили по формуле
Сн _ Ск
Э = Ссп Ссп -100%, а _ Ск
ы! ^СП
где ССНП - концентрация свободно плавающего ила после регенерации; СксП - концентрация свободно плавающего ила до регенерации; аЕ - общая доза ила в модели, г/л.
Таким образом, использование двурядной продольной аэрации водно-иловой смеси мелкопузырчатыми аэраторами приводит к формированию двух циркуляционных контуров по поперечному сечению аэротенка-биореактора. В противоположно направленном движении жидкости в контурах реализуются скорости от 0,6 до 0,05 м/с и
менее. В центре контуров скорость ~ в 10 раз меньше, чем по их периметру. Размещение ершовой загрузки уменьшает численные значения скорости жидкости в контурах, а ширина их потоков определяется размерами ершовой загрузки.
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
а
К
ГО а. и ^ ф J ^^^ а) га
X Ф Т ш CL --1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-^ —t-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-
20
40
60
80
100 120 140 160 180 200 220 240 260 280
0
Рис. 4. Регенерация иммобилизованного ила и кинетика осаждения свободно плавающего ила на ершовой загрузке:
а - при двурядной аэрации водно-иловой смеси; б - при однорядной аэрации водно-иловой смеси
В ершовой загрузке имеют место потоки со скоростью ~ 0,05 м/с, кроме центрального вертикально ориентированного вниз потока со скоростью ~ 0,35 м/с. Эффективность водо-воздушной регенерации иммобилизованного ила при двурядной аэрации ~ на 20 % выше, чем при однорядной.
Статья поступила 27.05.2015 г.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Попкович Г.С. Системы аэрации сточных вод / Г.С. Попкович, Б.Н. Репин. М : Стройиздат, 1986. 136 с.
2. Leary, R. Fuil scale oxygen transfer studies of seven diffuser systems [Текст] / R. Leary, E. Lawrence, W. Katz // JWPCF. 1968. V. 40. № 7, P. 459-473.
3. Кульков В.Н. Влияние газовой составляющей на эффективность водо-воздушной регенерации ершовой загрузки в биореакторе / В.Н. Кульков, Е.Ю. Солопа-нов, А.М. Зеленин // Вестник ИрГТУ. Иркутск : Изд-во ИрГТУ, 2012. № 11. С. 112-118.
Информация об авторах
Кульков Виктор Николаевич, доктор технических наук, профессор кафедры инженерных коммуникаций и систем жизнеобеспечения, тел.: 8 (3952) 405-142, 89021763785, e-mail: kulkof.viktor@yandex.ru; Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Солопанов Евгений Юрьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры информатики, тел.: 8 (3952) 405-279, 89021707622, e-mail: evgursolo@mail.ru; Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Зеленин Александр Матвеевич, аспирант кафедры инженерных коммуникаций и систем жизнеобеспечения, тел.: 8 (3955) 523-484, 89025614470, e-mail: zelenin@ avk.irtel.ru; Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Information about the authors
Kulkov V.N., Doctor of Technical Sciences, Professor, Department engineering services and life-support systems, tel.: 8(3952) 405-142, 89021763785, e-mail: kulkof.viktor@yandex.ru; Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
Solopanov E.IU., Candidate of Technical Sciences, Associate professor of the Department «Computer science», tel.: 8 (3952) 405-279, 89021707622, e-mail: evgursolo@mail.ru; Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
Zelenin A.M., Post-graduate, Department engineering services and life-support systems, tel.: 8 (3955) 523-484, 89025614470, e-mail: zelenin@ avk.irtel.ru; Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
УДК 692.82
АНАЛИЗ ТРЕБОВАНИЙ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫХ К ОКОННЫМ КОНСТРУКЦИЯМ
ИЗ ПВХ ПРОФИЛЯ
© И.В. Никишин, О.В. Никишина
В статье анализируются нормативные документы, регламентирующие производство и монтаж оконных конструкций из ПВХ профиля. Данные требования нормативных документов обобщаются в табличной форме. Отмечаются этапы, на которых могут происходить отклонения от требования норм. Отдельные требования, по которым часто встречаются нарушения, рассматриваются подробнее.
Ключевые слова: оконные конструкции из ПВХ профиля; дефект; оконная рама; створка; светопрозрачные ограждающие конструкции; недостаток товара.
