Исследования растворимости кислорода

ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. ПРИКЛАДНАЯ ХИМИЯ И БИОТЕХНОЛОГИЯ, 2015, №1

ИССЛЕДОВАНИЯ РАСТВОРИМОСТИ КИСЛОРОДА М.Ю. Толстой, Т.И. Шишелова, Р.А. Шестов

Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, tolstoi@istu.edu

В статье приводятся результаты исследований растворимости кислорода при биологической очистке сточных вод, характеризующих процесс массопередачи кислорода в жидкость. Рассмотрена известная теория массопередачи кислорода в живую клетку. Сделаны предложения для дальнейших исследований по интенсификации процесса растворимости кислорода в воде. Ил. 1. Табл. 2. Библиогр. 8 назв.

Ключевые слова: кислород; очистка сточных вод; массоперенос; аэрация жидкости; распыление. RESEARCHES OF SOLUBILITY OF OXYGEN M. Yu. Tolstoy, T. I. Shishelova, R.A. Shestov

Irkutsk national research technical university,

83, Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia, tolstoi@istu.edu

Results of the researches of oxygen solubility at biological sewage treatment characterizing the process of a mass transfer of oxygen in liquid are given in article. The known theory of a mass transfer of oxygen into living cell is considered. The suggestions for further researches on an intensification of process of oxygen solubility in water have been made. 1 figure. 2 tables. 8 sources.

Key words: oxygen, sewage treatment, mass transfer, liquid aeration, dispersion.

ВВЕДЕНИЕ

Пути интенсификации очистки сточных вод городов различны по применению как сооружений (типа акселаторов или аэротенков-отстойников), так и новых технологий очистки. Наиболее эффективным, на наш взгляд, является способ интенсификации очистки, использующий применение новых технологий и создание новых устройств на базе уже имеющихся и практически мало загруженных сооружений. Проблема интенсификации очистки сточных вод подразумевает не только применение принципиально новых материалов, конструкций и оборудования, но и более рациональное использование имеющегося задела в исследовании процессов аэрации и потребления кислорода [8,3].

Во все времена поселения людей и размещение промышленных объектов реализовались в непосредственной близости от пресных водоемов, используемых для питьевых, гигиенических, сельскохозяйственных и производственных целей. В процессе использования воды человеком она изменяла, свои природные свойства и в ряде случаев становилась опасной в санитарном отношении. Впоследствии, с развитием инженерного оборудования городов и

промышленных объектов, возникла необходимость в устройстве организованных способов отведения загрязненных отработанных потоков воды по специальным гидротехническим сооружениям.

В настоящее время значение пресной воды как природного сырья постоянно возрастает. При использовании в быту и промышленности вода загрязняется веществами минерального и органического происхождения. Такую воду принято называть сточной водой.

Аэрация жидкости необходима как для создания флотационных пузырьков в жидкости, так и для насыщения самой жидкости кислородом в зависимости от назначения химического или биохимического процесса в очистке воды, или другой отрасли промышленности, использующей аэрацию как основу технологического цикла.

Применение аэрирующих устройств для методов очистки сточных вод известно уже несколько столетий. Разнообразие способов аэрации жидкости и устройств для их осуществления требует не только классификации, что делалось многими авторами в различной интерпретации, но и фундаментального подхода

для выявления физических закономерностей осуществления аэрации и создания более совершенных устройств и способов, необходимых для различных отраслей промышленности, таких, как обогащение полезных ископаемых, очистка сточных вод, биотехнологии, пищевая промышленность и другие.

Из всех известных способов аэрации жидкости наиболее перспективным, на взгляд авторов, является газожидкостный (или пневмо-гидравлический). Он позволяет не только генерировать пузырьки воздуха, но и управлять необходимыми параметрами аэрации, а именно: размерами образующихся пузырьков, их распределением в объеме, гидродинамикой потоков в камере аппарата, расходом реагентов и т.д.

Известные теории расчетов газожидкостных аэраторов основаны, в основном, на экспериментальных результатах исследований и описываются полуэмпирическими методами. Сложность решений уравнений движения, описывающих течение многофазных потоков, не позволяет исследователям теоретически обосновать применимость той или иной модели для различных конструкций и аппаратов. В связи с этим, главной задачей этой статьи является попытка определить основы теории для расчета газожидкостных аэраторов и увязать ее в комплекс с другими исследованиями, определяющими гидродинамику газожидкостных потоков во флотационных аппаратах.

Выявление закономерностей, поддающихся теоретическому описанию, определяющих соотношение фаз газа и жидкости в газожидкостных аэраторах, понятие процесса формирования размеров газовой фазы, гидродинамический расчет факела аэрированной струи и создание на этой основе управляемой динамики флотационного аппарата являлось бы серьезной основой в дальнейшем совершенствовании флотационной техники.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Известны работы исследователей в области аэрации жидкости для очистки сточных вод, которые поставили задачи по дальнейшему изучению растворения кислорода в зависимости от типа аэрирующих устройств, качества воды и активного ила [1,2,4,5].

Растворенный кислород находится в природной воде в виде молекул O2. На его содержание в воде влияют две группы противоположно направленных процессов: одни увеличивают концентрацию кислорода, другие уменьшают ее.

К числу первых относятся поглощение кислорода из атмосферы, выделение кислорода

водной растительностью в процессе фотосинтеза и поступление в водоемы с дождевыми и снеговыми водами, которые обычно пересыщены кислородом.

В артезианских водах все эти факторы практически не действуют и поэтому кислород в таких водах отсутствует. В поверхностных же водах содержание кислорода меньше теоретически возможного в силу протекания процессов, уменьшающих его концентрацию, а именно: потребления кислорода различными организмами, брожения, гниения органических остатков, реакций окисления и т.п.

Относительное содержание кислорода в воде, выраженное в процентах его нормального содержания и называется степенью насыщения кислородом. Этот параметр зависит от температуры воды, атмосферного давления и уровня минерализации.

Ниже приведены исследования растворения кислорода (табл. 1).

Концентрация кислорода определяет величину окислительно-восстановительного потенциала и в значительной мере направление и скорость процессов химического и биохимического окисления органических и неорганических соединений. Содержание кислорода в поверхностных водах служит характеристикой оценки качества поверхностных вод (табл. 2).

Для растворенного кислорода здравоохранение не предлагает какой-либо величины по показаниям его влияния на здоровье. Однако резкое снижение содержания кислорода в воде указывает на ее химическое и/или биологическое загрязнение. В свою очередь, истощение растворенного кислорода в системах водоснабжения может способствовать микробиологическому восстановлению нитрата в нитрит и сульфата в сульфид, что вызывает появление запаха. Уменьшение количества кислорода приводит также к повышению концентрации двухвалентного железа в растворе и осложняет его удаление. В то же время при определенных условиях растворенный кислород придает воде коррозионные свойства по отношению к металлам и бетону. Для поверхностных вод нормальной считается степень насыщения не менее 75%.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Исследования аэрации жидкости и выбор аэрационных устройств проводятся достаточно давно. Принцип работы аэрирующего устройства основывался на общих принципах гидродинамических потоков, разработанных в сфере исследования форсунок подачи топлива.

Установлено, что при создании в аэраторе скачка уплотнения, происходит режим распыла

Таблица 1

Зависимость концентрации кислорода от температуры воды_

Растворимость Температура воды, оС

0 10 20 30 40 50 60 80 100

мгО2/дм3 14,6 11,3 9,1 7,5 6,5 5,6 4,8 2,9 0,0

Таблица 2

Содержание растворенного кислорода в поверхностных водоемах по классам_

Уровень загрязненности воды и класс качества Содержание растворенного кислорода

Лето, мг/дм3 Зима, мг/дм3 Степень насыщения, %

Очень чистые, I класс 9 14-13 95

Чистые, II класс 8 12-11 80

Умеренно загрязненные, III класс 7-6 10-9 70

Загрязненные, IV класс 5-4 5-4 60

Грязные, V класс 3-2 5-1 30

Очень грязные, VI класс 0 0 0

жидкости, находящейся в соосном потоке газа. Такая оптимизация конструктивных параметров аэратора позволяет потоку воздуха кольцевым обжатием струи и жидкости создать режим кавитации течения жидкости, который затем переходит в пленочно-диспергированный режим течения жидкости и воздуха в выпускной насадке. Данный режим течения позволит дополнительно увеличить расход воздуха до образования в выпускной насадке скачка уплотнения, после прорыва которого скорость потока на выходе из выпускной насадки достигает сверхзвукового значения. Увеличение расхода воздуха при таком режиме течения потока позволит сохранить диаметр пузырьков воздуха флотационной крупности, что в свою очередь приведет к повышению извлечения при флотации.

Скорость окисления, или скорость потребления кислорода при неизменной температуре в каждый данный момент пропорциональна массе органического вещества, находящегося в воде. Следовательно, по мере окисления органического вещества, если нет поступления новых загрязнений, скорость окисления все время уменьшается.

Этому же закону подчиняется процесс растворения кислорода в воде. Кислород, как и всякий другой газ, может растворяться в воде лишь до определенного, насыщающего воду объема. Этот объем зависит от температуры и давления: чем температура выше, тем растворимость кислорода меньше.

Указанная зависимость существует при растворении кислорода, находящегося в воздухе под парциальным давлением, соответствующим его содержанию. Растворимость чистого кислорода, находящегося под более высоким давлением, будет выше. Такое явление наблюдается, как известно, при фотосинтезе, когда

зеленое вещество растений, разлагая на свету СО2, поглощает углерод и выделяет чистый кислород.

Скорость растворения кислорода, согласно указанному выше закону, в каждый данный момент обратно пропорциональна степени насыщенности воды кислородом или прямо пропорциональна его ненасыщенности (дефициту). Это относится, конечно, лишь к поверхности соприкосновения воды с кислородом (диффузионному слою). Для того чтобы эта скорость растворения относилась ко всей массе воды, необходимо интенсивное ее перемешивание. Дефицит кислорода может быть выражен в абсолютных значениях (в мг/дм3), а также в относительных величинах (в процентах или в долях от полного дефицита).

На рисунке представлена схема передачи кислорода от газового пузырька 1 с пограничной пленкой газа 2 через поверхность фазового контакта 3 (газ-жидкость), дополнительную пленку 4, образуемую, например, ПАВ, границу раздела 5 и пограничный слой жидкости 6 в основную массу перемешиваемой жидкости. Далее передача кислорода идет по пути преодоления пограничной пленки 8 жидкости вокруг микробиальной клетки, после чего через клеточную оболочку 9 кислород поступает в клетку 10 [3].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проделанной работы можно сделать следующие выводы.

Профиль концентрации кислорода изображает ломаная линия a-g, крутизна которой тем выше, чем выше сопротивление массопередачи на отдельных участках. Так, на участке a-d, где заметную роль играют процессы молекулярной диффузии, скорость растворения кислорода

зависит главным образом от площади поверхности контакта фаз, определяемой размером газовых пузырьков, а так же наличием загрязнений в жидкости. На участке б-в, имеющем пологий характер и отражающем влияние главным образом конвективной диффузии, концентрация кислорода не меняется или меняется незначительно, так как гидродинамика реальных сооружений характеризуется режимом развитой турбулентности. И, наконец, на участке в-д уклон профиля концентрации кислорода при постоянстве факторов определяется главным

1. Воронов Ю.В., Казаков В.Д., Толстой М.Ю. Струйная аэрация: монография // Учебно-методическое объединение ассоциации строительных вузов России. Москва, АСВ - 2007 г. -162 с.

2. Леонов С.Б. Казаков В.Д., Федотов К.В., Ратинер М.М., Толстой М.Ю. Эффект избирательного распределения вещества на упругой сферической оболочке // Изв. вузов. Цв. металлургия. 1989. № 2. С. 5-8.

3. Попкович Г.С., Репин Б.Н. Системы аэрации сточных вод. - М.: Стройиздат, 1986 г. 136 с.

4. Толстой М.Ю. Моделирование работы вращающегося пневмогидравлического аэратора // Научно-технический журнал Вестник МГСУ, Периодическое научное издание. Москва, МГСУ. 2008. № 3. С. 142-145.

5. Толстой М.Ю. Некоторые подходы к мо-

образом скоростью его потребления микроби-альной клеткой, зависящей в свою очередь от скорости поступления питательных веществ, иначе говоря, от технологических нагрузок по органическим загрязнениям. Используя в качестве аэрирующего устройства вращающийся пневмогидравлический аэратор, имеется возможность значительно повысить растворимость кислорода в жидкости и, соответственно, ускорить процесс его потребления клетками активного ила.

ЖИЙ СПИСОК

делированию работы вращающегося пневмо-гидравлического аэратора // Изв. вузов. Строительство. Новосибирск. 2008. № 9. С. 66-70.

6. Толстой М.Ю. Реконструкция инженерных сооружений города Иркутска на основе применения пневмогидравлических аэрирующих устройств // Архитектура и строительство России. 2008. № 9. С. 12-16.

7. Толстой М.Ю., Василевич Э.Э., Лапков-ский А.А., Васильева А.А. Очистка сточных вод катализаторами «КАТАН» при разной степени аэрации различной массовой концентрации активного ила // Вестник ИрГТУ. 2011. № 8 (55). С. 66-70.

8. Шишелова Т.И., Корзун Н.Л., Толстой М.Ю. Перспективы и направления исследования воды. М.: Издательский дом Академии Естествознания, 2014. 60 с.

REFERENCES

1. Voronov, Yu.V., Kazakov, V.D., Tolstoy, M.Yu. Struinaya aeratsiya [Jet aeration]. Moscow, ASV Publ., 2007, 162 p.

2. Leonov, S.B. Kazakov, V.D., Fedotov, K.V., Ratiner, M.M., Tolstoy, M.Yu. Effekt izbiratel'nogo raspredeleniya veshchestva na uprugoi sferiches-koi obolochke [Effect of selective distribtion of sub -stance on an elastic spherical cover]. Izvestiya Vu-zov. Tsvetnaya metallurgiya - Proceedings of Higher School. Non-ferrous metallurgy, 1989, no. 2, pp. 5 -8.

3. Popkovich, G.S., Repin, B.N. Sistemy aeratsii stochnykh vod [Systems of aeration of sewage]. Moscow, Stroiizdat Publ., 1986, 136 p.

4. Tolstoy, M.Yu. Modelirovanie raboty vrashchayushchegosya pnevmogidravlicheskogo aeratora [Modeling of operation of the rotating pneumatichydraulic aerator]. Vestnik MGSU - Bulletin of MGSU, 2008, no. 3, pp.142-145.

5. Tolstoy, M.Yu. Nekotorye podkhody k modelirovaniyu raboty vrashchayushchegosya pnevmogidravlicheskogo aeratora [Some approaches to modeling of operation of the rotating pneumatichydraulic aerator]. Izvestiya Vuzov. Stroitel'stvo - Proceedings of Higher School.

Construction, 2008, no. 9, pp. 66-70.

6. Tolstoy, M.Yu. Rekonstruktsiya inzhenernykh sooruzhenii goroda Irkutska na osnove primeneniya pnevmogidravlicheskikh aeriruyushchikh ustroistv [Reconstruction of engineering constructions of the city of Irkutsk on the basis of application pneumatichydraulic aerating devices]. Arkhitektura i stroitel'stvo Rossii - Architecture and Construction in Russia, 2008, no. 9, pp. 12-16.

7. Tolstoy, M.Yu., Vasilevich, E.E., Lapkovsky, A.A., Vasilyeva, A.A. Ochistka stochnykh vod kata-lizatorami «KATAN» pri raznoi stepeni aeratsii raz-lichnoi massovoi kontsentratsii aktivnogo ila [Sewage treatment by KATAH catalysts at different extent of aeration of various mass concentration of active silt]. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta - The Bulletin of Irkutsk State Technical University, 2011, no. 8 (55), pp. 66 -70.

8. Shishelova T.I., Korzun N.L., Tolstoy M.Yu. Perspektivy i napravleniya issledovaniya vody [Prospects and directions of research of water]. Moscow. Izdatel'skii dom Akademii Estestvozna-niya Publ., 2014, 60 p.

Поступила в редакцию 3 февраля 2015 г.

После переработки 2 марта 2015 г.