Газогидродинамическая обстановка и распределение активного ила в сооружениях биологической очистки сточных вод

6. Ахмедов Р.Б. К расчету аэродинамических характеристик закрученной струи. В кн.: Теория и практика сжигания газа / Р.Б.Ахмедов, Т.Б.Балагула. - Л.: Недра, 1972.

- Т.5. - С. 15 - 27.

7. Алимов Р.З. Гидравлическое сопротивление и тепломассообмен в закрученном потоке / Р.З.Алимов // ИФЖ.

- 1968. - Т. 10. - №4.

8. Сугак Е.В. Очистка газовых выбросов в аппаратах с интенсивными гидродинамическими режимами / Е.В.Сугак, Н.А.Войнов, Н.А.Николаев. - Казань: «Школа», 1999.- 224 с.

9. Шахрай С.Г. Образование отложений в газоходах и пути их сокращения / С.Г.Шахрай, Е.В.Сугак // Современные технологии освоения минеральных ресурсов. - Красноярск: - 2006. - Вып. 4. С. - 412 - 418.

10. Кузьмин В.В. Экспериментальное определение пристеночного трения при движении закрученного потока в цилиндрическом канале. Вихревой эффект и его при-

менение в технике / В.В.Кузьмин, Ю.А.Пустовойт,

A.В.Фафурин. - Куйбышев, 1976. - С. 183 - 186.

11. Щукин В.К. Теплообмен, массообмен и гидродинамика закрученных потоков в осесимметричных каналах /

B.К.Щукин, А.А.Халатов. - М.: Машиностроение, 1982. 200 с.

12. Щукин В.К. Структура закрученного потока в цилиндрическом канале при однородном вдуве / В.К.Щукин, А.А.Халатов, А.В.Кожевников / ИФЖ. - 1979. - 37, № 2. - С. 245 - 253.

13. Булгакова Н.Г. Измерение дисперсного состава промышленных пылей. Обзорная информация ХМ - 14. / Н.Г.Булгакова, Е.Н.Петербургская. - М.: ЦИНТИнефте-химмаш, 1982. - С. 13 - 16.

14. Сестрин Л.Е. Основы газовой динамики / Л.Е.Сестрин. -М.: Изд-во МАИ, 1995. -332 с.

УДК 628.356.1

ГАЗОГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ ОБСТАНОВКА И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ АКТИВНОГО ИЛА В СООРУЖЕНИЯХ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

В.Н.Кульков1, Е.Ю.Солопанов2, И.В.Евтеева3, А.С.Разум4

Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Приведены векторное и скалярное поля скоростей сточной воды и распределение активного ила в вертикальном поперечном разрезе аэротенка. Оценена возможность интенсификации биологической очистки сточных вод. Ил. 3. Табл. 2. Библиогр. 4 назв.

Ключевые слова: аэротенк, очистка сточной воды, поле скоростей, активный ил.

GAS AND HYDRODYNAMIC CONDITION AND DISTRIBUTION OF ACTIVE SILT IN THE INSTALLATIONS

OF BIOLOGICAL CLEANING OF SEWAGES

V.N. Kulkov, E.Y. Solopanov, I.V. Evteeva, A.S. Razum

Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074

The authors demonstrate a vector field and a scalar field of speeds of sewage water and distribution of active silt in a vertical cross-section of an air tank. They estimate the possibility to intensify biological cleaning of sewages. 3 figures., 2 tables. 4 sources.

Key words: an air tank, cleaning of sewage water, field of speeds, active silt.

Гидродинамическая обстановка в аэротенке формирует поле активного ила и оказывает значительное влияние на эффективность очистки сточных вод. Направление и скорость циркуляции воды и взвешенного в ней активного ила, а также концентрация растворенного кислорода определяются интенсивностью аэрации, типом аэратора и его расположением в аэротенке. Система аэрации обеспечивает подачу и распределение воздуха (кислорода) в аэротенке, поддержание активного ила во взвешенном состоянии и создание благоприятных гидродинамических условий работы аэротенка.

Изучение газогидродинамической обстановки и полей циркуляции воды и активного ила по поперечному вертикальному сечению аэротенка проводили на установке и модельной ячейке, описанной ранее [1] и позволяющей изменять интенсивность аэрации, дозу ила, конструкцию аэратора и его месторасположение в широком интервале.

Для исследования гидродинамики в аэротенке нами использован метод трассера, основанный на введении в воду частиц твердой фазы, плотность которых одинакова с плотностью сточной воды [2]. Такие час-

1 Кульков Виктор Николаевич, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой водоснабжения, водоотведения, охраны и рационального использования водных ресурсов, тел.: 40-51-42, e-mail: kvn@istu.edu.

Kulkov Victor Nikolaevich, a doctor of technical sciences, a professor, the head of the Chair of Water supply, Drainage, Protection and Rational Use of Water Resources, tel.: 40-51-42, e-mail: kvn@istu.edu.

2Солопанов Евгений Юрьевич, доцент кафедры информационных технологий, аспирант, тел.: 40-52-79. Solopanov Evgeniy Yurjevich, a senior lecturer of the Chair of Information technologies, a post graduate of Irkutsk State Technical University, tel.: 40-52-79.

3Евтеева Ирина Владимировна, аспирант. Evteeva Irina Vladimirovna, a post graduate.

4Разум Алексей Сергеевич, аспирант.

Таблица 1

3 2 Квадрат: 1 - X Интенсивность аэрации I = 5,04 м /

N Xi Zi X2 Z2 AX AZ t, сек VX=AX/t VZ=AZ/t |V|

1 0 7 8 3 8 - 4 0,28 28,57 - 14,29 31,94

2 0 7 8 1 8 - 6 0,41 19,51 - 14,63 24,39

3 0 8 8 5 8 - 3 0,57 14,04 - 5,26 14,99

4 0 6 8 1 8 - 5 0,52 15,38 - 9,62 18,14

5 0 3 6 0 6 - 3 0,25 24,00 - 12,00 26,83

6 0 4 6 0 6 - 4 0,32 18,75 - 12,50 22,53

7 0 5 7 0 7 - 5 0,35 20,00 - 14,29 24,58

8 0 5 8 4 8 - 1 0,46 17,39 - 2,17 17,53

9 0 7 8 5 8 - 2 0,34 23,53 - 5,88 24,25

10 0 7 8 4 8 - 3 0,43 18,60 - 6,98 19,87

Среднее 19,98 - 9,76 22,51

тицы перемещаются вместе с потоком жидкости, что при использовании видеосъемки в плоскостной двумерной модели позволяет анализировать скорость практически любого элемента жидкости с разложением ее на составляющие по осям координат. В качестве частиц метки использовали шарики из губки диаметром 10-12 мм. Из шариков удаляли воздух, отжимая их под слоем воды, и кажущаяся плотность их становилась весьма близкой к плотности воды, в которую они погружались.

Процесс движения жидкости снимали фотоаппаратом SONI CYBER SHOT T-100 в режиме видеокамеры с последующей обработкой на компьютере с использованием программы SONI PICTURE MANAGER c покадровым просмотром и контролем времени 0,01 секунды.

Для определения скалярных и векторных значений скорости циркуляции сточной воды в точке г пространства поступали следующим образом. В окрестности точки выделяли квадрат размерами 80*80 мм и фиксировали координаты метки х1 и 21 на входе и х2 и 22 на выходе из контрольного квадрата, а также время г нахождения метки в квадрате. Составляющие скорости рассчитывали следующим образом (см/с):

V _ (х2 - Х1 ) _ Ах . V _ 2 ~ 2 ) - А

Ух, г — — . У 2, г — — .

г г г г

Так как истинная скорость - величина пульсирующая, а V х, г и V 2, г - осредненные квазистатические составляющие, для определения последних контро-

Таблица2

Разность освещенности A-10 3; лк

№ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

1 - - 1 06 1 07 1 08 1 08 1 08 1 05 1 04 1 07 1,07 1,05 1 06 1 05 1 07 1 09 1 06 0,96 - -

2 - - 1 12 1 12 1 14 1 14 1 15 1 14 1 13 1 14 1,14 1,13 1 12 1 14 1 14 1 15 1 11 0,98 - -

3 - - 1 13 1 14 1 17 1 15 1 15 1 17 1 15 1 15 1,16 1,14 1 14 1 15 1 16 1 16 1 12 0,97 - -

4 - - 1 08 1 14 1 17 1 17 1 16 1 16 1 15 1 17 1,13 1,16 1 15 1 15 1 15 1 16 1 13 0,96 - -

5 - - 1 13 1 15 1 17 1 18 1 17 1 17 1 15 1 12 1,17 1,14 1 14 1 17 1 17 1 18 1 13 0,99 - -

6 - - 1 14 1 15 1 18 1 17 1 16 1 16 1 15 1 13 1,14 1,15 1 13 1 17 1 17 1 18 1 13 0,95 - -

7 - - 1 13 1 15 1 18 1 18 1 16 1 13 1 09 1 05 1,05 1,10 1 11 1 14 1 16 1 16 1 12 0,99 - -

8 - - 1 12 1 16 1 18 1 19 1 16 1 10 1 06 1 00 0,99 0,98 1 10 1 15 1 16 1 17 1 14 0,97 - -

9 - - 1 11 1 17 1 19 1 18 1 15 1 14 1 16 1 03 0,95 0,97 1 08 1 15 1 18 1 17 1 13 0,97 - -

10 - - 1 14 1 18 1 19 1 19 1 07 1 11 1 07 1 06 0,96 0,96 1 10 1 16 1 18 1 19 1 14 0,99 - -

11 - - 1 16 1 18 1 20 1 19 1 19 1 18 1 10 1 07 1,00 1,02 1 09 1 15 1 19 1 19 1 15 1,00 - -

12 - - 1 14 1 18 1 19 1 18 1 16 1 14 1 04 1 03 0,97 1,06 1 14 1 14 1 16 1 18 1 14 1,00 - -

13 - - 1 16 1 15 1 19 1 18 1 18 1 15 1 11 1 03 1,13 1,12 1 15 1 14 1 16 1 19 1 14 1,00 - -

14 - - 1 14 1 15 1 19 1 19 1 18 1 17 1 15 1 17 1,15 1,16 1 16 1 16 1 18 1 19 1 13 1,00 - -

15 - - 1 15 1 15 1 19 1 19 1 17 1 18 1 18 1 16 1,17 1,16 1 17 1 17 1 18 1 18 1 14 1,00 - -

16 - - 1 13 1 13 1 18 1 18 1 17 1 17 1 17 1 17 1,18 1,16 1 16 1 16 1 18 1 18 1 14 0,99 - -

17 - - 1 13 1 13 1 17 1 18 1 18 1 17 1 18 1 17 1,18 1,16 1 16 1 15 1 18 1 17 1 14 1,01 - -

18 - - 1 12 1 12 1 16 1 17 1 17 1 17 1 17 1 17 1,16 1,16 1 16 1 17 1 17 1 17 1 13 1,02 - -

19 - - 1 11 1 12 1 13 1 16 1 16 1 15 1 16 1 15 1,17 1,16 1 14 1 15 1 16 1 18 1 12 1,00 - -

20 - - 1 10 1 11 1 12 1 15 1 13 1 16 1 15 1 15 1,14 1,12 1 13 1 11 1 16 1 15 1 10 0,99 - -

лировали перемещение 10 - 15 частиц метки (N) в каждой исследуемой точке ячейки. Распределение составляющих скорости циркуляции в заданной точке было близко к нормальному распределению. Медианы кривых распределения с точностью до 5 % совпадали с среднеарифметическими значениями, которые и использовали в дальнейшем для построения квазистатического векторного поля. Скалярные поля строили с использованием эпюр модулей скоростей циркуляции для всех рассматриваемых десяти вертикальных сечений.

Все расчеты для одного контрольного квадрата, при заданной интенсивности аэрации, сводились в таблицу и выполнялись с использованием табличного процессора MS Excel (табл. 1).

Возможность физического моделирования газогидродинамических процессов в аэротенке определяется тем, что размеры пузырьков при фильтрации воздуха через аэратор зависят от материалов фильтрующей поверхности и скорости потока воды, омывающего поверхность аэратора. В исследованиях использовали диспергирующее покрытие мелкопузырчатого аэратора АКВА-ЛАЙН производства НПФ «Экополимер».

Поверхность контакта фаз Sq_f «газ - сточная

вода», определенная химическим методом на физической модели поперечного вертикального сечения аэротенка [3], составила 0,01251 м 2 с

коэффициентом детерминации R2 = 0,91 (удельная

Sq_ f , отнесенная к единице поверхности аэратора, -

0,6895 м2/м2). Полученная поверхность обеспечивает поддержание в аэротенке средней концентрации растворенного кислорода, равной 2,6 мг/л, что вполне достаточно для биологической очистки сточных вод.

—>

/ ,

/ ' * ь ь \ *

I f : Г1 Г П '

N t ^ ....................................................\ * > N * L / J V...............................' / \ r

I 1 J

А \ *ч „________„Зч _______Jb* / 4

у т ........

Аэратор А ¡S 7

и — —^ i/

При построении поля скоростей в вертикальном поперечном разрезе аэротенка площадь сечения разбивалась на 10 горизонтальных (I - X) и десять вертикальных (1 - 10) сечений. Всего в ней обрабатывались данные для ~ 100 контрольных квадратов (рис. 1). По каждому из обрабатываемых сечений строили эпюры скоростей (рис. 2), наглядно показывающие изменение составляющих скорости по высоте вертикального поля разреза аэротенка. Для построения скалярного поля использовали эпюры скоростей, построенные по модулю скорости.

Построенные по результатам исследований векторное и скалярное поля (рис. 1) показывают, что по площади зоны поперечно-вертикального сечения аэ-ротенка поле весьма неоднородно, значения скорости изменяются от 40 до 6 см/сек и менее. Наибольшие численные значения скорости реализуются по периметру циркуляционного контура (ЦК), уменьшаясь по направлению к его центральным зонам. В центре контура скорость в 5-7 раз меньше, чем по его периметру, и центр контура смещен вверх и вправо (рис. 1) от геометрического центра зоны, в которой расположен циркуляционный контур.

Плоскостная конструкция модельной ячейки позволяла проводить люксметром ТКА-ПКМ измерения интенсивности светового потока проходящего через слой аэрируемой жидкости без ила и с илом. Для построения поля ила (распределения ила в поперечном вертикальном сечении аэротенка) измеряли интенсивность светового потока в 320 контрольных квадратах размером 40*40 мм. В 80 квадратах, расположенных с левой и правой стороны модельной ячейки, интенсивность светового потока не определялась в связи с конструктивной особенностью ячейки и расположением мелкопузырчатого аэратора.

Х.ем 0

Рис. 1. Векторное и скалярное поля скорости течения воды в вертикальном сечении модели аэротенка при

интенсивности аэрации JA = 5,04 м3/(м2-ч):

А О

5 см/с 30 см/с

10 см/с 35 см/с

О

A

15 см/с 40 см/с

20 см/с X — 25 см/с 45 см/с ^ — 50 см/с

А 80- ^ Z, см

64- -------------р-4

48- : J

32- к

16- :)

k Z, см

80-

64-

48-

1 - 32

Г - 16

/-- -+-

-10 О 10 20 VZ,CM/с

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 Vx, см/с

-10 О 10 20 Vz, см/с -10 0 10 20 30 40 |V|, см/с

Z, см

Рис. 2. Эпюры составляющих скорости течения воды Ух, Уг и модуля скорости \У\ в вертикальных сечениях модели аэротенка при интенсивности аэрации JA — 5,04 м3/

По разности показаний находили интегральную величину потери интенсивности светового потока, приходящуюся на активный ил (табл. 2). Для экспериментов использовали ил, взятый из вторичных отстойников на Левобережных КОС г. Иркутска. Иловый индекс, который характеризует седиментационную способность ила, равнялся 150 мл/г.

Для перевода разности интенсивностей светового потока А (лк) в дозу активного ила а (г/л) строили калибровочный график зависимости Аг от аг. Зависимость имела линейный характер и описывалась уравнением аг = 2,5 • 10-3 • А г.

Используя «Мастер диаграмм» программы MS Excel построили поле распределения ила (рис. 3) по

вертикальному поперечному сечению аэротенка с боковым расположением мелкопузырчатого аэратора

при интенсивности аэрации JA — 5,04 м3/(м2-ч).

Полученное поле распределения активного ила при аг — 3 г/л характеризуется неравномерным распределением ила по сечению аэротенка. Площадь максимальной концентрации ила (интервал 3-3,1 г/л) имеет неправильную кольцеобразную форму (рис. 3) и занимает центрально - периферийную часть аэротенка. В областях, прилегающих к стенкам, днищу и поверхности сточной воды, концентрация ила составляет 2,9-3,0 г/л. Эта область характеризуется максимальными скоростями жидкости - 20-45 см/с. Внутри кольцеобразной формы наблюдается падение концентрации с 2,9 до 2,4 г/л, а реализуемые скорости имеют

минимальную величину ~ 5 см/с. Уменьшение скорости циркуляции жидкости в центре кольца способствует коагуляции активного ила с образованием крупных хлопьев, дробящихся в струях воды, имеющих большую скорость.

Трехмерное изображение полученного поля распределения активного ила наглядно показывает неравномерность распределения ила по поперечному сечению аэротенка (рис. 3).

3,10 3,00 2,90 2,802,702,60 2,50 2,40

3,00-3,10

2,90-3,00 И 2,80-2,90

2,70-2,80

2,60-2,70

2,50-2,60

2,40-2,50

•. •. ... ...

МйтШ»

9 -^'^шиж уу^лтжгш.у ^ ш ш г^шт^у

1ШШИВ1

i 1

X.

-L

Рис. 3. Трехмерное и плоскостное поле распределения ила в вертикальном поперечном сечении аэротенка при интенсивности аэрации JA = 5,04 м3/(м2-ч). Концентрация активного ила приведена в г/л

Интересно сопоставить численные значения скоростей осаждения хлопка ила со скоростью потоков сточной воды в аэротенке. Водно-иловая смесь, находящаяся в аэротенке, представляет собой гетерогенную (многофазную ) систему, в которой дисперсионной средой служит биологически очищаемая сточная вода, а основным компонентом дисперсной фазы являются хлопки активного ила, сформированные в виде сложной трехуровневой клеточной структуры, окруженной экзоклеточным веществом биополимерного состава.

Осаждение хлопьев активного ила (при его концентрации в иловой смеси более 0,5-1 г/л) происходит с образованием видимой границы раздела фаз между осветляемой водой и илом. Скорость снижения границы раздела Uc при разделении иловой смеси в лабораторных условиях (по данным А.А. Бондарева) может

быть определена по формуле Uc = 99 • e 4'9'1 'а,

где 1г - иловый индекс активного ила, мл/г; аг - доза

активного ила в иловой смеси, г/л.

Иловый индекс характеризует седиментационную способность активного ила, т.е. предрасположенность ила к оседанию. Хорошо оседающий ил имеет иловый индекс от 60-90 до 120-150 мл/г в зависимости от технологического режима работы аэротенка и состава сточных вод.

При значениях 1г = 150 мл/г и аг = 3 г/л скорость снижения границы раздела между осветляемой водой и илом имеет значение 7,23 мм/с, что значительно меньше скоростей потока по периметру ЦК, и в первом приближении совпадает с центром циркуляционного контура.

Анализ молекулярно-кинетических свойств коллоидной системы позволил доказать, что при заданной

интенсивности аэрации JA = 5,04 м3/м2ч и аг = 3

г/л хлопья ила перемещаются в потоках ЦК, обеспечивая окислительную мощность аэротенка.

Численные значения скоростей потоков сточной жидкости в вертикальном поперечном сечении аэротенка, полученные нами, хорошо согласуются с единственными литературными данными [4]. По литературным данным, с учетом неоднородности поля, скорость потоков изменяется от 10 до 70 см/сек при боковом расположении аэратора в аэротенке. Необходимо отметить, что сведения об интенсивности аэрации и конструкции аэротенка в литературном источнике отсутствуют.

Сопоставление численных значений скоростей воды, полученных нами при моделировании и измеренных авторами на аэротенках с рассредоточенной подачей воды Левобережных КОС г. Иркутска, позволяет говорить о хорошей корреляции.

Библиографический список

1. Солопанов Е.Ю. Установка для определения поверхности контакта фаз "жидкость-газ" физико-химическим методом /Е.Ю. Солопанов, В.Н. Кульков //Инвестиции. Строительство. Недвижимость: матер. междунар. науч -но-практ. конф. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ. - 200б. - С. 114-117.

2. Бегунов А.И. Поле скоростей электролита в зоне, расположенной между анодом и боковой стенкой ячейки ЭГРЭ /А.И. Бегунов, Н.В. Подкопаев, Г.Б. Рашковский, В.Н. Кульков //Гидродинамика и явления переноса в двухфазных дисперсных системах: межвузовский сборник. - Иркутск, 1975. - С. 95-100.

3. Солопанов Е.Ю. Оценка достоверности эксперемен-тальных данных при определении межфазной поверхности «жидкость-газ» / Е.Ю. Солопанов, В.Н. Кульков //Экспертиза и управление недвижимостью: состояние, проблемы, перспективы: матер. Всероссийской. научно-практ. конф. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ. - 2007. - С. 128135.

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