автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Разработка и исследование высокоэффективных конструкций аэраторов пневматического типа для биологической очистки сточных вод

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ПО СИСТЕМАМ АЭРАЦИИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫМ В БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД.

1.1. Классификация систем аэрации. Технико-экономические показатели, применяемые для оценки различных систем аэрации.

1.2. Пневматическая система аэрации.

1.3. Механическая система аэрации.

1.4. Гидравлическая система аэрации.

1.5. Комбинированная система аэрации.

1.6. Пневматическая систем аэрации с выделенным аэрируемым объемом (всплывание пузырька воздуха в стесненных условиях). Эрлифтные аэраторы.

ВЫВОДЫ.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА

АЭРАЦИИ.

2.1. Движение одиночных газовых пузырьков в жидкости.

2.2. Закономерности массопередачи кислорода при единичном акте барбогажа.

2.3. Теоретический анализ факторов, влияющих на эффективность работы аэрационных систем.Цель и задачи исследований.

ВЫВОДЫ.

3. ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЭРЛИФТНЫХ АЭРАТОРОВ.

3.1. Теоретические основы работы эрлифтных аэраторов традиционной конструкции и вихревых эрлифтных устройств (ВЭУ).,.

3.2. Описание лабораторной установки для исследования эрлифтной аэрации.

3.3. Методика экспериментального определения зависимости перекачивающей способности в эрлифтных аэраторах от интенсивности аэрации и геометрических характеристик эрлифтов.

3.4. Результаты экспериментальных исследований определения зависимости перекачивающей способности эрлифтов. Построение математической модели процесса перекачивания жидкости эрлифтами.

ВЫВОДЫ.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ МАССОПЕРЕДАЧИ КИСЛОРОДА В ЖИДКОСТЬ ПРИ ЕЕ АЭРАЦИИ ЭРЛИФТНЫМИ УСТРОЙСТВАМИ ТРАДИЦИОННОЙ

КОНСТРУКЦИИ И ВИХРЕВЫМИ ЭРЛИФТНЫМИ

УСТРОЙСТВАМИ (ВЭУ).

4.1. Методика экспериментальных исследований процесса массопередачи кислорода в жидкость при ее аэрировании аэраторами традиционной конструкции и ВЭУ.

4.2. Результаты экспериментальных исследований процессов массопередачи кислорода в жидкость при ее аэрировании в эрлифтах.

ВЫВОДЫ.

5. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ ВИХРЕВОГО

ЭРЛИФТНОГО УСТРОЙСТВА (ВЭУ), РЕКОМЕНДУЕМОЕ КОНСТРУКТИВНОЕ РЕШЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ.

5.1. Результаты производственных испытаний ВЭУ.

5.2. Рекомендации по проектированию и расчету ВЭУ.

В настоящее время, как в России, так и за рубежом особую актуальность приобретают вопросы рационального использования водных ресурсов и охраны природных вод от загрязнения сточными водами.

Основным направлением кондиционирования хоз-бытовых сточных вод является их обработка на сооружениях биологической очистки, которые требуют больших капиталовложений, при этом значительную часть эксплуатационных расходов составляют затраты энергии, связанные с работой применяемых систем аэрации.

При обработке сточных вод на станциях биологической очистки основная часть кислорода, необходимого для окисления органических загрязнений, вносится аэрирующими устройствами того или иного типа. В связи с этим повышение надежности, эффективности и экономичности работы систем аэрации является весьма актуальной задачей.

Анализ существующих систем аэрации показал, что наибольшее распространение получили пневматические системы, среди которых наиболее эффективными являются мелкопузырчатые. Однако, данные системы, ввиду их подверженности засорению, практически не пригодны для обработки сточных вод, содержащих карбонатные соли, смолы, жиры, вязкие нефтепродукты и волокнистые вещества из-за быстрой кольматации пор. Лишенные этих недостатков средне-и крупнопузырчатые системы аэрации более надежны в работе, но в 1,5-2 раза менее эффективны.

Использование приема аэрации в выделенном объеме (эрлифтная аэрация) позволяет повысить эффективность аэрации. Однако, существующие системы очистки сточных вод с применением эрлифтной аэрации хотя и превосходят по эффективности средне-и крупнопузырчатые пневматические системы, но не достигают уровня мелкопузырчатых систем. б

Таким образом, повышение эффективности эрлифтных аэраторов, являющихся надежными в работе и не требующих частой регенерции, в силу их незасоряемости, является актуальной задачей исследования.

Настоящая диссертация посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям, направленным на усовершенствование конструкции высокоэффективных эрлифтных устройств, предназначенных для аэрирования хоз-бытовых сточных вод при их биологической очистке.

Целью данной работы является разработка и исследование вихревых эрлифтных аэраторов для обеспечения их высокой эффективности и экономичности.

Научная новизна диссертации заключается в разработке нового метода аэрирования жидкости в выделенном объеме, повышающего эффективность использования кислорода воздуха за счет увеличения интенсивности перемешивания водовоздушной смеси при ее вращательно-поступательном движении, а также в разработке и обосновании математической модели вихревого эрлифтного устройства, позволяющей оптимизировать его работу.

Практическая значимость работы заключается в том, что на основе предложенной теории, экспериментальных исследований и разработанных методов расчета предложена высокоэффективная конструкция вихревого эрлифтного устройства, позволяющая существенно повысить степень использования кислорода воздуха.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований диссертации могут быть использованы при проектировании вихревых эрлифтных устройств (ВЭУ).

Промышленный образец ВЭУ внедрен на поселковых очистных сооружениях р.п.Золотаревка Пензенского района Пензенской области. 7

Средний годовой экономический эффект от внедрения ВЭУ для аэрал ции составил 560 тыс.руб. в год при производительности 1000 м /ч хоз-бытовых стоков.

Работа выполнена в 1998-2000 г.г. на кафедре «Водоснабжение и во-доотведени» Пензенской государственной архитектурно-строительной академии. По материалам диссертации опубликовано 10 работ. Получено положительное решение по заявке на патент «Устройство для аэрации жидкости», приоритетная справка № 99115810 от 28.07.99 г. 8

АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ПО СИСТЕМАМ АЭРАЦИИ, ПРИМЕНЯЕМЫМ В СООРУЖЕНИЯХ БИОЛОГИЧЕСКОЙ

ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На основе теоретического анализа процессов пневматической аэрации доказано, что эффективность наиболее распространенных систем мелкопузырчатой аэрации не может быть повышена без принципиальных изменений их конструкции.

2. Повышение эффективности систем пневматической аэрации может быть достигнуто путем повышения интенсивности перемешивания водовоздушной смеси в аэрационном бассейне.

3. Наиболее простым и эффективным способом повышения степени турбулентности водовоздушной смеси в аэрационном бассейне является использование приема аэрации в выделенном объеме жидкости с использованием эрлифтного эффекта.

4. Доказано, что наибольшая интенсивность перемешивания в стволе эрлифтного аэратора достигается путем создания вращательно-поступательного движения потока водовоздушной смеси, реализуемого в предложенной конструкции вихревого эрлифтного устройства (ВЭУ).

5. Изучено влияние интенсивности аэрации и конструктивных особенностей эрлифтных устройств на их перекачивающую способность. Показано, что при превышении критического значения интенсивности аэра

3 2 ции, равного 2160 м /м -ч эмульсионный режим движения водовоздушной смеси переходит в воздушно-пробковый, что приводит к существенному снижению перекачивающей способности эрлифта. С увеличением степени закрутки потока водовоздушной смеси перекачивающая способность эрлифта уменьшается.

6. Изучено влияние интенсивности аэрации и конструктивных особенностей эрлифтных устройств на их массообменные характеристики, проведено обобщение полученных экспериментальных данных на основе положений теории подобия массообменных процессов. Построена матема

1-18 тическая модель, связывающая объемный коэффициент массопередачи со скоростью перекачивания жидкости, геометрическими характеристиками эрлифта и реологическими свойствами жидкости.

7. Показано, что закрутка водовоздушного потока, реализуемая при работе ВЭУ, позволяет интенсифицировать процессы массопередачи в 1,5. 1,7 раза. Установлено оптимальное соотношение диаметра камеры входа и ствола эрлифта, равное 3:1.

119

1. Богомолов А.И. Михайлов К.А. Гидравлика.-М.: Стройиздат, 1972, с.574-580.

2. Брагинский J1.H., Евилевич М.А., Бегачев В.Н., Гордеев Л.С. и др. Моделирование аэрационных сооружений для очистки сточных вод. -Л.-.Химия, 1980,-114 с.

3. Бредихин А.И., Атрошко А.Н. Пневмомеханическое диспергирование газа в жидкость //Труды института/ВНИИ ВОДГЕО. -М.: 1987 / Сооружения для очистки сточных вод и обработки осадков.

4. Бредихин А.И., Морозова K.M. Исследование микропузырчатого аэратора для открытых окситенков // Труды института/ ВНИИ ВОДГЕО. -М.: 1985 г. /-Очистка сточных вод и обработка осадков замкнутых систем водного хозяйства промышленных предприятий.

5. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. -М.: Наука, 1980.-976 с.120

6. ВНИИ ВОДГЕО. Аэраторы сточных вод.-М.: Строй-издат,1973, с.21-30.

7. Гришин Б.М., Андреев С.Ю., Гаврчна Е.В. Энергосберегающие технологии аэрирования для станций биологической очистки сточных вод. Материалы 1-й Межрегиональной научно-практической конференции. Тезисы докладов, Пенза, ПГАСА, 1998, с. -82.

8. Гришин Б.М.,- Андреев С.Ю., Гаврина Е.В. Закономерности мас-сообмена газ-жидкость при пневматической системе аэрации.// Материалы121научно-практической конференции «Строительство и экология»./Тезисы докладов, Пенза, ПДЗ, 1999, е.-19.

9. Данквертс П.В. Газожидкостные реакции. М.: Химия, 1973.295 с.

10. Дейч М.Е., Зарянкин А.Е. Гидрогазодинамика. -М.: Энергоатом-издат, 1984. -384 с.

11. Евилевич М.А., Брагинский J1.H. Оптимизация биохимической очистки сточных вод. -Л.: Стройиздат, 1979, с. 17-21.

12. Евилевич М.А., Брагинский Л.Н., Прицкер Б.С., Шраей М.Я. Аэрационное оборудование для биологической очистки сточных вод в аэ-ротенках.-М.: ВНИПИЭИлеспром, 1969,-53с.

13. Емцев Б.Т. Техническая гидромеханика. М.: Машиностроение, 1987.-440 с.

14. Жуков А.И., Монгайт И.Л., Родзиллер И.Д. Методы очистки производственных сточных вод. Справочное пособие. -М.: Стройиздат, 1977,-204 с.

15. Иванов В., Пугачев В. Новый способ аэрации воды в рыбоводческих водоемах.// Рыбоводство и рыболовство, 1972, №4,с.13-14.

16. Калат И.К., Мещеряков В.П., Дубкова Э.И. //А.с.№837012 (СССР) Установка для биохимической очистки сточных вод.- Опубл. в Б.И., 1981, №31.

17. Караваев И.И., Солимани A.B. Струйная аэрация сточных вод: Экспресс-информ. /Мелиорация и водное хозяйство. -М.: 1978,сер.4, вып.7, с. 10-19.

18. Карелин Я.А., Жуков Д.Д., Журов В.Н., Репин Б.Н. и др. Очистка производственных сточных вод в аэротенках. -М.: Стройиздат, 1973,-223 с.

19. Кафаров В.В. Основы массопередачи: Учебное пособие для вузов. -М.: Высшая школа, 1979, с.236-249

20. Коренков Б.Е. Исследование водовоздушных эжекторов с удлиненной цилиндрической камерой смешения. Автореферат диссертации кандидата техн.наук, -М., 1980.

21. Костенко В.Ф. Исследование поверхностной механической аэрации при биохимическом окислении загрязнений сточных вод коксохимических производств.//Диссертация на соискание ученой степени к.т.н./ -Харьков: 1981,-211с.

22. Кутателадзе С.С., Стырикович М.А. Гидродинамика газожидкостных систем. Изд. второе перераб. и доп. -М.: «Энергия», 1976, 296 с.

23. Ленский Б.П. Исследование закономерностей процесса биологической очистки в аэротенках-смесителях.//Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. /-М.: 1966,с.240-252.

24. Ленский Б.П., Михайлов М.М. Аэраторы водоструйного типа для очистных канализационных сооружений./Научно-техн. рефер. сборник, 1979, вып.4(126), с.11-18.12.3

25. Максимов Г.М. A.c. 785227 (СССР). Устройство для аэрирования сточных вод. -Опубл. в Б.И.,1980, №45.

26. Максимов К.П., Пономаренко B.C., Гладков В.Н. и др. A.c. 539843 (СССР). Устройство для аэрации сточных вод. Опубл. в Б.И., 1977, №47.

27. Методы повышения эффективности работы очистных сооружений канализации./Сборник научных трудов ВНИИ ВОДГЕО, 1989. -128с.

28. Михайлов М.М. Обоснование применения аэраторов струйного типа для биологической очистки сточных вод./Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. -Ростов-на-Дону, 1984.

29. Попкович Г.С., Репин Б.Н. Системы аэрации сточных вод. -М.: Стройиздат, 1986,-133 с.

30. Пороло JI.B. Воздушно-газовые подъемники жидкости. Основы теории и методы расчета.-М. Машиностроение, 1969,-160 с.

31. Правдивец Ю.П. A.C. 827419 (СССР) Устройство для очистки сточных вод. -Опубл. в Б.И.,1981, №17.

32. Примаченко В.П., Груздев М.Г. Унификация аэрационного оборудования для очистки сточных вод.// -Химическое и нефтехимическое машиностроение, 1982, №8, с.28.

33. Протасовский E.H. Расчет мощности, потребляемой струйными аэраторами. В кн. Новые методы и сооружения для водоотведения и очистки сточных вод. Межвузовский тематический сборник трудов . JL: ЛИСИ, 1981, с.5-9.

34. Рекомендации по расчету экономической эффективности научно-технических мероприятий в области очистки природных и сточных вод. ВНИИ ВОДГЕО. -М.:1979.-305 с.124

35. Репин Б.Н., Русина О.Н., Афанасьева А.Ф. Биологические пруды для очистки сточных вод пищевой промышленности. -М.: Пищевая промышленность, 1977,-208 с.

36. Репин Б.Н., Гиндин Г.Н., Хантимиров Т.М. Интенсификация работы коридорных аэротенков методом управляемого возврата иловой смеси // Жилищно-коммунальное хозяйство, 1983, №3, с.32-34.

37. Рябов А.К., Сиренко JI.A. Искусственная аэрация природных вод. -Киев: Наукова думка, 1982,-202с.

38. Сальников Б.Ф. Разработка гидравлических и пневматических аэраторов для биологической очистки сточных вод./Диссертация на соискание ученой степени к.т.н.-М.,1986.

39. Сйвак В.М., Янушевский Н.Е. Аэраторы для очистки кои-родных и сточных вод. Львов: Вища школа, изд-во при Львов.ун-те, 1984,-''24с.

40. Скирдов И.В., Бондарев A.A., Швецов В.Н. и др. а.с.691410 (СССР). Устройство для аэрации жидкости. -Опубл. в Б.И. 1979, №38.

41. Смирнов О.П., Коцинский Б.Б. Испытания аэратора, действующего по принципу шахтного водослива./В кн. Наука и техника в городском хозяйстве.-Киев, 1979,№41 ,с.43-45.

42. Справочник проектировщика. Канализация населенных мест и промышленных предприятий/Лихачев Н.И., Ларин И.И., Кашин С.А. и др.: под общ. ред. Самохина В.Н. 2-е изд.-М.: Стройиздат, 1981 г.,-639 с.

43. СНиП 2.04.03-85. Канализация. Наружные сети и сооружения/Госстрой СССР.-М.: 1986.-72с.

44. Справочник по очистке природных и сточных вод./Л.Л.Пааль.-М.: 1994,336с.

45. Семеновский Ю.В., Стрижев A.M. Эжекторно-эрлифтные аэраторы //Водоснабжение и-санитарная техника, 1992, №9, с. 19-21.125

46. Хлопенков П.Р. Теоретические основы конструирования эрлифтов /-Гидротехническое строительство, 1970,№10.

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

48. Яворский В.П. Исследование эжекторной аэрации для биохимической очистки сточных вод./Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н.- Каунас, 1971,-22 с.

49. Яковлев С.В., Скирдов И.В., Швецов В.Н., Бондарев А.П., Андрианов Ю.Н. Биологическая очистка производственных сточных вод. Процессы, аппараты и сооружения. М.: Стройиздат, 1985,208 с.

50. Яковлев С.В., Карелин А.Я., Жуков А.И., Колобанов С.К. Канализация. -М.: Стройиздат,1975,-632 с.

51. Яковлев С.В. Водоотведение и очилтки сточных вод. -М: Стройиздат, 1996. 591 с.

52. Яковлев С.В., Карелин Я.А., Масленников Н.А. Вспомогательные устройства очистных канализационных станций. М.: Госстройиз-дат, 1955,-180 с.

53. Янушевский Н.Е. Демура М.В. Классификация систем аэрации. /Строительные материалы, изделия и санитарная техника, 1982.вып.5, с.94-102.

54. Finn R.K. Agitation-aeration in the laboratory and industry// Bacteriological veiws.-1954,-V. 18 .-P254-274.

55. Higbie R. The rate of absorption of a pure gas into a still liquid during short periods of exposure. «Transactions of the American Institute of Chemical Engineers», 1935, vol.31.

56. Kalinske A. Power consumption for oxygenation and mixing // Air and Water pollution.-1963. -V.5, NN. 2-4.1. Поиложение 11. ТЕХНИЧЕСКИЙ АКТ ВНЕДРЕНИЯ

57. Миллер A.A. гл.инженер МП ЖКХ «Золотаревка»

58. Чупраков Е.Г. замначальника отдела по работе с территориями МЖКХ Пензенской области

59. Гришин Б.М. зав.кафедрой ВиВ ПГАСА

60. Андреев С.Ю. доцент кафедры ВВ ПГАСА

61. Гаврина Е.В. аспирант кафедры ВВ ПГАСАт