Системы аэрации

Критерии и сравнение систем аэрации

Системы аэрации выполняют две функции: доставляют кислород микроорганизмам активного ила, а также перемешивают жидкость и гомогенизируют ее, чтобы обеспечить тесный контакт между живой средой, загрязнениями и вводимым кислородом. Эти системы состоят из одного или группы устройств (размещенных в сооружении соответствующих объема и формы) для растворения определенного количества кислорода — обычно атмосферного — в воде.

Аэрация: параметры и стандартные условия. Производительность по кислороду аэрационных систем может быть охарактеризована следующими параметрами:

• количеством введенного кислорода за 1 ч (выражается в кг растворенного кислорода за 1 ч);
• удельным количеством введенного кислорода (в кг растворенного кислорода на кВт затраченной энергии);
• производительностью по кислороду (в кг растворенного кислорода за 1 ч на 1 м3 объема сооружения);
• эффективностью растворения кислорода: процент от массы введенного кислорода, который действительно растворился с помощью компрессионной системы (этот параметр позволяет исключить из сравнения фактор эффективности работы используемой воздуходувки, так как этот фактор не зависит от диффузоров воздуха).

Комбинация аэратор — аэротенк рассматривается как единое целое и результаты эксплуатации аэрационной системы должны сопровождаться полным анализом всей системы. Например, наилучшая эксплуатация сооружений по насыщению кислородом может быть при нереальных условиях: высокой затрате энергии на 1 м3 объема сооружения для поверхностных аэраторов или низком расходе воздуха на диффузор (при мелкопузырчатой системе аэрации).

Различные системы обычно сравнивают при стандартных или нормальных условиях, а именно: в чистой воде; при температуре 10 °С (20 °С в некоторых странах); стандартном атмосферном давлении, равном 0,1 МПа; концентрации растворенного кислорода 0 мг/л.

Поправки для перехода от стандартных условий к реальным условиям. Чтобы перейти от стандартных условий к реальным, применяют поправочный фактор Т:

реальные условия = стандартные условия * Т.

Фактор Т есть произведение трех коэффициентов: Тр, Та, Tt.

Коэффициент Тр (называемый часто а в Англии и США) оценивает перенос кислорода в сточной воде по отношению к чистой воде; он зависит от состава стока (в частности, содержания в нем поверхностно-активных веществ, жиров, взвешенных веществ и т. п.) и собственно системы аэрации и геометрии сооружения.

Коэффициент Td оценивает дефицит кислорода, который растворяется пропорционально его дефициту Сs—Сх (где Сs — концентрация кислорода при его насыщении, но при действительных условиях, учитывающих солесодержание, атмосферное давление, температуру и т. д.; Сх — концентрация кислорода в жидкости).

При стандартных условиях (10° С) Cs — постоянная величина, равная 11,25 мг/л, а Сx=0, в этом случае

Td=(Cв— Сx)/11,25.

На величину Cs оказывают влияние:

солесодержание воды. Поправочный коэффициент используется в виде выражения

(475 — 2,65*S)/475,

где S — солесодержание в г/л;

температура;

атмосферное давление (делается поправка обычно только на высоту).

Значение Сх обычно принимают от 1 до 2 мг/л.

Коэффициент Tt характеризует скорость переноса кислорода. Если температура повышается, то скорость переноса в системе газ — жидкость увеличивается. Принимается выражение Tt = 1,024^t-10, где t выражено в °С.

Коэффициенты Td и Tt не зависят от системы аэрации, а коэффициент переноса Тр зависит от системы аэрации. Поэтому общая производительность по кислороду различных типов аэрационных систем не изменяется, если стандартные условия в точности соответствуют реальным условиям; на этом основано объективное сравнение. Эти условия не используют для определения коэффициента Гр, который может быть определен путем точных измерений на полупроизводственной установке биологической очистки при подаче на нее реального стока. Коэффициент Тр может оказаться существенно ниже при мелкопузырчатой аэрации, чем при крупнопузырчатой системе или поверхностной аэрации, и в значительной степени зависит от наличия поверхностно-активных веществ.

Другие критерии сравнения. Сравнение проводится и по вспомогательным признакам, которые трудно оценить количественно, но которые могут быть оценены качественно, например:

• смешение, которое можно достичь при высокой скорости продувки, предотвращающей выпадение ила и обеспечивающей однородность смешанной жидкости;
• возможность приспособления к различным условиям при сохранении достаточной производительности;
• надежность всех компонентов системы (передаточный механизм, воздуходувка, диффузоры, пористые элементы, трубы и т. п.).

Например, не имеет смысла ставить аэратор высокой производительности по кислороду, если она достигается при недостаточном гидравлическом перемешивании или если аэратор подвержен заиливанию, в результате которого производительность падает и в сооружении могут появиться даже анаэробные зоны.

Поверхностная аэрация

Интенсивность процесса поверхностной аэрации зависит от применяемого типа аэратора, его мощности и удельной производительности по кислороду. Поверхностные аэраторы делятся на три основные группы: низкоскоростные турбинные с вертикальной осью с периферийной скоростью 4—6 м/с. Этот тип аэратора забирает воду снизу и через центральную трубу (или без нее) выбрасывает в радиальном направлении;

высокоскоростные с вертикальной осью с частотой вращения 750—1800 мин-1, с двигателем, установленным без промежуточного передаточного механизма; импеллер небольшого диаметра обычно располагается в трубе. Этот тип аэратора более удобен для лагун, чем для аэрационных сооружений;

с горизонтальной осью, которые устанавливают либо вдоль, либо поперек потока. Они работают лучше при невысоких удельных затратах энергии.

Ниже описаны условия эксплуатации аэраторов первого типа, которые наиболее часто используются в качестве поверхностных аэраторов.

Мощность, развиваемая на оси аэратора с вертикальной осью вращения, описывается уравнением:

р = KN_pD⁵Nⁿ

где D — диаметр ротора; N — угловая частота вращения, об/мин; N_p — коэффициент, зависящий от геометрии ротора; n — экспонента с численным значением от 2 до 3.

В зависимости от частоты вращения для заданной глубины погружения мощность обычно изменяется от 2,4 до 2,7. Кроме того, после стартового момента движение воды и, в частности, ее вращение вызывает относительный скоростной сдвиг между скоростями движения турбины и жидкой массы, что снижает мощность. Это падение особенно заметно в крупных сооружениях, если удельная мощность высока.

Удельная производительность по кислороду. В данных системах на удельную производительность по кислороду влияет ряд факторов:

• удельная мощность, т. е. потребленная мощность, отнесенная к 1 м3 объема сооружения; верхний ее предел 70—80 Вт/м3, с увеличением удельной мощности возрастает удельная производительность по количеству растворенного кислорода; скорость;
• глубина погружения (влияние глубины погружения на эффективность при заданной скорости различно для разных аэраторов);
• форма сооружения. В круглом сооружении вращение жидкости происходит легче и это несколько снижает удельную производительность по кислороду (чтобы предотвратить это явление, ставят радиальные перегородки);
• отношение площади поверхности к глубине. Оптимальная эксплуатация имеет место в том случае, если сторона квадрата или диаметр сооружения вдвое больше глубины.

Удельная производительность по кислороду низкоскоростных аэраторов колеблется в пределах 1,5—2,5 кг кислорода на 1 кВт*ч (механическая энергия измеряется на оси аэратора).

Смешение. На эффект смешения в сооружении, которое характеризуется скоростью продувки жидкости у дна, влияют два основных параметра: удельная мощность (для данного сооружения скорость увеличивается с ростом мощности) и смоченный радиус. По аналогии с потоком в трубах смоченный радиус определяется отношением объема к площади поверхности воды. Процесс смешения улучшается, если этот радиус увеличивается.

Пневматическая аэрация

В этом процессе воздух вводится в массу жидкости под дарением. Различают три основные категории пневматической аэрации в соответствии с размером образующихся пузырьков:

• крупных (d>6 мм), когда воздух вводится либо непосредственно через вертикальные трубы, либо через крупнопористые диффузоры;
• средних (d=4—6 мм), когда размер пузырьков уменьшают различными путями, например использованием спарджеров, мелких отверстий и т. п.;
• мелких (d<3 мм), когда пузырьки получаются при пропускании воздуха через пористый материал (размер пор 50 мкм).

Стандартная эффективность растворения кислорода определяется несколькими факторами:

• типом диффузора и его расположением (изолированные, в ряд, в днище);
• глубиной погружения диффузора. Выявлено, что в пределах от 2,5 до 8 м эффективность пропорциональна глубине погружения;
• расходом воздуха. Для крупно- и среднепузырчатой систем эффективность возрастает с увеличением расхода. Для системы мелкопузырчатой аэрации чем выше расход, тем больше степень укрупнения пузырьков, эффективность обычно имеет тенденцию к снижению;
• площадью поперечного сечения. Эффективность растворения снижается, если соотношение площади к глубине сооружения увеличивается.

Смешение. Обычно смешение вызывает меньше проблем, если аэротенки оборудованы аэраторами компрессионного типа, а не поверхностными аэраторами; компрессионными аэраторами воздух вводится вблизи дна сооружения.

Кривые эффективности для пористых дисков типа ДР 230

Диффузоры: пористые диски ДР 230, диффузоры Вибрейр, другие диффузоры. Пористые диски ДР 230 выполнены из гранул искусственного корунда (алюминия а) определенного размера, связанных (вследствие адгезии керамики) и превращенных в стекловидную массу при высокой температуре. Материал весьма устойчив к действию сильно коррозионных химикалиев, ма исключением фторидов и их производных. Диски закреплены в поливинилхлорид или нержавеющую сталь и смонтированы на погруженных продольных фидерах группами или рассредоточено у дна сооружения. Диски обеспечивают высокую эффективность по кислороду при стандартных условиях в пределах от 20 до 25% при глубине погружения 4 м. Подаваемый воздух должен быть тщательно профильтрован (содержание пыли предусмотрено менее 15 мг на 1000 м3).

Диффузоры «Вибрейр» позволяют получить пузырек среднего размера. Они состоят из сформованного полиэтиленового основания, снабженного вибрирующим колпачком; подобно дисковым диффузорам монтируются на погруженных фидерах.

Эффективность использования кислорода для диффузоров «Вибрейр» (8—12% при глубине погружения диффузора 4 м) ниже, чем для дисковых, но диффузоры «Вибрейр» позволяют иметь более упрощенную и дешевую систему кондиционирования, получения и транспортирования воздуха; они особенно пригодны для станций малых и средних размеров.

Диффузоры «Вибрейр» могут обеспечивать прерывистую подачу воздуха.

Другие диффузоры. Трубчатые диффузоры выполнены из пористой керамики (мелкий пузырек), мягкого пластика с резьбой (на цилиндрическом суппорте) (средний пузырек) или из пластиков жестких, скрепленных полиэтиленом или полиуретаном.

В системах с разряжением воздух подается при низком давлении в горловину инжектора, обеспечивающего рециркуляцию содержимого сооружения.

Смешанные аэраторы

В некоторых системах объединяются действия механической мешалки и продувки воздуха. Примером такой системы может быть аэратор «Вортимикс Инфилко-Дегремон», который включает в себя механическую мешалку с погружным лопастным импеллером, обеспечивающую циркуляцию жидкости вниз, и распределительную систему подачи воздуха в непосредственной близости от импеллера.

Пузырек среднего размера, получаемый с помощью этого оборудования, измельчается ротором мешалки и мгновенно смешивается с перемешивающейся водой. Водовоздушная смесь направляется к днищу сооружения по диагонали.

Такая система обусловливает непрерывное эффективное перемешивание, поскольку мешалка обладает высокой гидравлической эффективностью, и позволяет осуществлять контроль за эффективностью использования кислорода путем изменения количества подаваемого воздуха. При интенсивном перемешивании с помощью импеллера эффективность использования кислорода в зоне подачи воздуха может достигать 30%.

Общие затраты энергии здесь такие же, как и у низкоскоростных поверхностных аэраторов. Они могут быть снижены, если аэраторы используются преимущественно с целью смешивания. Этот тип оборудования подходит главным образом для станций в регионах с холодным климатом или для случая, когда необходимо исключить образование аэрозолей.

Использование чистого кислорода

Использование чистого кислорода — это давнишняя техника биологической очистки сточных вод.

Преимущества. Применение чистого кислорода дает два основных преимущества:

• вследствие очень высокого парциального давления кислорода в подаваемом газе в смесь с активным илом может быть введено во много раз больше кислорода (при определенных затратах энергии), чем при использовании атмосферного воздуха; энергетические затраты ниже при той же производительности по кислороду. Отсюда значительно больше микроорганизмов может быть обеспечено кислородом в единице объема реактора;
• по тем же причинам содержание растворенного кислорода в аэрируемой смеси с илом или в воде легко может достигать (или даже превышать) 6—8 мг/л, что для обычной системы аэрации влечет недопустимый перерасход энергии. Очень высокое содержание растворенного кислорода благоприятствует прониканию его во внутрь хлопка активного ила, даже в условиях очень концентрированной суспензии.

Эти преимущества позволяют уменьшить размеры биологического реактора, поскольку увеличивается концентрация активного ила и в то же время возрастает его активность. При равной нагрузке на ил избыточный ил обладает меньшей способностью загнивать и образуется он часто в меньшем количестве, чем в традиционных аэрационных системах.

Применение. Чистый кислород может быть использован:

• на станции с активным илом и непрерывной подачей кислорода (например, на очистных станциях для обработки концентрированных промышленных стоков, в которых загрязнения главным образом биоразлагаемые, а также на крупных городских станциях);
• на станциях с активным илом, работающих в условиях переменных нагрузок: очистные станции с высоким уровнем колебаний концентрации загрязнений, главным образом в районах туризма, с очень высокой потребностью в кислороде в отдельные сезоны по сравнению со среднегодовой потребностью;
• для предварительного насыщения сточной воды или смеси кислородом до 10 мг/л или существенно выше с целью дезодорации, обогащения кислородом перед закрытым биофильтром (патент фирмы «Дегремон»), когда размеры биофильтра могут быть заметно уменьшены и подпитки (допинга) на обычных станциях, работающих на атмосферном воздухе, для увеличения содержания растворенного кислорода в аэротенке.

Практическое применение. Наиболее часто системы, использующие обогащенный кислородом газ, включают воздухонепроницаемое закрытое сооружение, в котором «газовая подушка» поддерживается при высоком парциальном давлении кислорода. Такое оборудование наиболее предпочтительно с точки зрения защиты окружающей среды. В исключительных случаях, когда отработанный газ надлежит дезодорировать, применяют газовые скрубберы, которые при работе на кислороде конструктивно более просты, чем для систем с атмосферным воздухом.

Очистка с применением чистого кислорода сильно загрязненных стоков в закрытых емкостях имеет тот недостаток, что затруднено выделение свободной СО2, образующейся вследствие бактериального дыхания. Чтобы ограничить выделение С02, можно увеличить щелочность воды или ввести продувку атмосферным воздухом. По этим причинам более предпочтительной оказывается обработка в две стадии: сначала с кислородом и затем с воздухом. Если чистый кислород используется на первой стадии, то и затраты энергии, и объемы реакторов для очистки от основной части загрязнений могут быть уменьшены. Если же на второй стадии используется воздух, то свободная С02 может быть легко выделена, а дегазация и образование пены в конечном осветлителе могут быть уменьшены. Воздух помогает удалить остаточные загрязнения и вызвать нитрификацию.

Чтобы снизить потери, применяют многоступенчатый биологический реактор с рядом отделений, через которые проходит газовая смесь. Для городских сточных вод степень потребления кислорода в реакторе достигает 90%.

Получение кислорода. На небольшие станции кислород доставляют в жидком виде, хранящимся в полностью изолированных контейнерах, снабженных системой испарения.

Для больших станций экономические соображения диктуют устройство местных кислородных установок, за исключением особых случаев, когда рядом имеется кислородная линия, дающая газ в достаточном количестве с центрального пункта получения кислорода.

Кислород на месте может быть получен двумя способами: с помощью молекулярных сит (адсорберы с меняющимся давлением или PSAs) при производительности до 30 т/сут и на криогенных установках при производительности выше 10 или 20 т/сут. Получаемый кислород обычно имеет степень чистоты 95—99%.

По материалам ООО Вектор Технологий.