Расчет расхода воздуха на очистных сооружениях

О.Н.Новиков

o22n04nov62@rambler.ru

Пневматическое перемешивание

В практике проектирования и строительства очистных сооружений пневматрическое перемешивание иногда просто необходимо. Преимущество пневматического перемешивания - возможность перемешивания в сосудах и резервуарах сложной формы, отсутствие трущихся частей, простота монтажа и обслуживания.

Пневматическое перемешивание сжатым инертным газом или воздухом применяют, когда перемешиваемая жидкость отличается большой химической активностью и быстро разрушает механические мешалки, либо когда воздух или газ выпоняют дополнительные функции, в частности отдувку аммонийного азота. Перемешивание сжатым газом является малоинтенсивным процессом. Расход энергии при пневматическом перемешивании больше, чем при механическом. Пневматическое перемешивание не применяют для обработки летучих жидкостей в связи со значительными потерями перемешиваемого продукта. Нецелесообразно применение пневматического перемешивания со вспенивающимися средами. Перемешивание воздухом может сопровождаться окислением или осмолением веществ. Перемешивание сжатым газом проводят в аппаратах, снабженных специальными устройствами - барботером или центральной циркуляционной трубой - эрлифтом. Барботер представляет собой расположенные по дну аппарата трубы с отверстиями, с помощью которых осуществляется барботаж газа через слой обрабатываемой жидкости. При циркуляционном (эрлифтном) перемешивании газ подают в циркуляционную трубу. Пузырьки газа увлекают за собой вверх по трубе жидкость, находящуюся в сосуде, которая затем опускается вниз в кольцевом пространстве между трубой и стенками аппарата, обеспечивая циркуляционное перемешивание жидкости. При расчете пневматических мешалок определяют необходимое давление и расход газа. Давление газа может быть рассчитано с помощью уравнения Бернулли:

p=H*ρ_l*g+(ρ_g*ω²)/2 *(1+λ l/d+∑ξ)+p₀(1), где

H – высота столба перемешивания жидкости,

ω– скорость воздуха в трубе ( 40 м/сек),

ρ_l и - ρ_g -плотность перемешиваемой жидкости и газа,

ξ - сумма коэффициентов местных сопротивлений,

λ -коэффициент трения,

l и d – длина и диаметр трубы,

p₀ – давление над жидкостью в аппарате.

Для ориентировочных расчетов потери давления в трубопроводе можно принимать равными ~20% сопротивления столба жидкости. Тогда уравнение Бернулли принимает вид:

p=1,2*H*p_l*g+p₀ (2)

Объемный расход газа V (м³/ч) можно определить по эмпирической формуле V=k*F*p, где

F — поверхность спокойной жидкости в аппарате, м²; р— давление воздуха, бар; k— опытный коэффициент.

При слабом перемешивании k = 0,24-0,30, при малоинтенсивном 0,35-0,50 и интенсивном 0,45-0,60. Расчет по формуле дает значение объемного расхода газа при давлении, равном 1 бару. При расчете барботеров расход воздуха на 1 м² свободной поверхности можно принимать равным: для слабого перемешивания - 0,4 м³/мин, для среднего - 0,8 м³/мин для интенсивного-1,0 м³/мин.

По вопросам снабжения воздухом очистных сооружений можно проконсультироваться с автором данной публикации по электронной почте ecowater888@andex.ru

Реакции с воздухом

Воздух потребляется и на окисление (электрохимическое, биохимическое)

Для расчета потребности в воздухе на окисление (A) следует учесть:

Химическое потребление кислорода – концентрацию окисляющихся примесей в стоках [БПК] мг/л (г/куб.м).

Объем стока Q, куб.м/ч.

Величину коэффициента полезного действия растворения кислорода воздуха в воде КПДО₂ (50%).

Содержание кислорода в воздухе [O₂]_a 20%.

Молекулярную массу воздуха – 29 г/моль.

Объем моля газа – 0,0224 куб.м/моль.

A(куб.м/ч)=(Q*[БПК]* КПДО₂*100%*0,0224 куб.м/моль )/(29 г/моль*[O₂]_a) (3);

Применяется при электрохемосорбционной очистке.

Расход воздуха на флотацию

Традиционным признаком классификации флотационных сооружений принят способ получения диспергированной газовой фазы (ДГФ). Все существующие способы можно разделить на следующие группы: дробление газовой фазы (диспергирование) в толще жидкости; непосредственное выделение из обрабатываемой воды. Флотация один из видов адсорбционно-пузырькового разделения, основанный на формировании всплывающих агломератов (флотокомплексов) загрязнений с диспергированной газовой фазой и последующим их отделением в виде концентрированного пенного продукта (флотошлама).

Барботажное получение ДГФ

Одним из наиболее распространенных методов получения ДГФ в очистных сооружениях является барботаж. Диспергируемый газ проходит через поры (отверстия) фильтросного устройства, погруженного в воду, и образует поток газовых пузырьков, размер образующихся пузырьков определяется условиями отрыва их от кромки пор.

Получение ДГФ механическим диспергированием

Для механического диспергирования газовой фазы используют различного вида устройства, движущиеся части которых попеременно то погружаются в жидкость, то выходят из нее. Однако в чистом виде метод механического диспергирования газовой фазы применяют редко. Чаще всего комбинируют истечение газов в виде пузырей с последующим их дополнительным диспергированием турбиной. При этом газовая фаза образуется либо при истечении газов из барботера, расположенного ниже мешалки, либо газ подают прямо в мешалку, снабженную отверстиями. С увеличением расхода газа число пузырьков возрастает до тех пор, пока не будет достигнут критический расход газа. При расходе газа выше критического последовательно отрывающиеся от отверстия пузырьки соприкасаются друг с другом и поднимаются в жидкости в виде цепочки пузырьков. Размер частиц газовой дисперсии зависит от интенсивности перемешивания, продолжительности и температуры. Уменьшение межфазного поверхностного натяжения также способствует увеличению дисперсности эмульсии, при этом уменьшается удельная работа диспергирования. В процессах механического диспергирования газовой фазы энергия тратится на ее дробление и на преодоление сил гидродинамического сопротивления жидкости. Обычно затраты энергии на диспергирование газовой фазы составляют 0,2-2% от общей затрачиваемой в процессе энергии. Механизм процесса диспергирования пузырьков при механических воздействиях достаточно сложен. Он включает стадии деформирования пузырьков под влиянием касательных или растягивающих напряжений в вытянутые эллипсоиды и последующего их дробления на более мелкие.

Получение ДГФ из пересыщенных газовых растворов

В компрессионных и вакуумных флотационных установках ДГФ получают из пересыщенных растворов газа. Пересыщенный раствор газа в воде может быть получен или предварительным насыщением или в результате протекания химических, электрохимических, микробиологических и других процессов, сопровождающихся образованием газообразных продуктов реакции. Количественные закономерности получения ДГФ механическими методами в настоящее время изучены недостаточно. Выделение газовой фазы происходит на границах раздела фаз и, частично, в объеме жидкости. Пузырьки, образующиеся в объеме жидкости, имеют меньший размер, так как период нахождения их в воде вследствие процесса седиментации оказывается меньше. Уменьшение среднего размера пузырьков, полученных из пересыщенных газовых растворов, происходит при воздействии вибрации, ультразвука, понижении давления в сооружении.

Формирование ДГФ при протекании реакций, сопровождающихся выделением газов

При проведении реакции в жидкой фазе степень пересыщения быстро увеличивается, достигает максимума, а затем по мере образования пузырьков и их роста снова уменьшается. Примером этого может служить взаимодействие растворов карбонатов с растворами кислот при их быстром смешении. При протекании в очищаемой воде химических, биохимических и электрохимических реакций, сопровождающихся образованием газов, получаются пересыщенные газовые растворы, из которых выделяются пузырьки. Существенное отличие этого метода получения ДГФ от получения ее из пересыщенных газовых растворов другой характер изменения пересыщения во времени. В начальный период реакции требуется некоторое время до возникновения состояния пересыщения жидкой фазы газовым компонентом. Далее характер пересыщения может быть различным. Пузырьки газов, образующиеся в электрохимических процессах, полидисперсны по размерам, а гистограммы получающихся газовых дисперсий изменяются во времени. Скорость газовыделения пропорциональна плотности тока и электрохимическому выходу реакции. Размер образующихся пузырьков зависит от поверхностных свойств границы раздела газ жидкость твердое тело , значений электрохимического потенциала и перенапряжения. Если в реакции используют твердые исходные продукты, то газ выделяется преимущественно на их поверхности. Реакции с использованием твердых веществ являются саморегулирующимися, так как возникающая газовая фаза уменьшает доступ жидкого реагента в зону реакции до установления состояния подвижного равновесия. Размеры пузырьков образующейся газовой дисперсии непостоянны по высоте флотаторов при любом способе их получения.

Влияние конструкции аппаратов

Кроме условий образования, дисперсный состав пузырьков существенно зависит от гидродинамического режима флотационного сооружения, который оказывает непосредственное влияние на процессы коалесценции и сепарации ДГФ. Влияние величины рН на размер пузырьков обусловлено процессами концентрационной деполяризации. При уменьшении концентрации ионов водорода у поверхности катода концентрация электролита в двойном электрическом слое повышается, что вызывает уменьшение краевых углов смачивания и размеров пузырьков. Присутствие в сточных водах ПАВ, ионов тяжелых металлов и других примесей изменяет процессы газообразования, изменяя величину перенапряжения, и также снижает краевой угол смачивания. Барботажные флотационные сооружения отличаются простотой и относительно малыми расходами энергии. Для уменьшения отрицательного влияния продольного перемешивания в камере флотации обычно выделяют две и более последовательные секции. Воздух во флотационную камеру подается через мелкопористые фильтросные пластины, трубы, насадки, уложенные на дне камеры. Размер пор обычно находится в пределах 50-200 мкм, давление воздуха 0,1-0,2 МПа, продолжительность флотации 20-40 мин, расход воздуха оцределяется экспериментально. Рабочая глубина камеры флотации 1,5-3 м. Барботажные флотационные установки применяют при очистке сточных вод, содержащих загрязнения, способные образовывать достаточно прочные флотокомплексы и обладающие устойчивым пенообразованием. Недостатками этого типа сооружений являются значительная интенсивность перемешивания и возможность зарастания пор фильтросных элементов, а также трудность подбора для них мелкопористых материалов, обеспечивающих получение мелких, близких по размерам пузырьков воздуха. Сточная вода из приемного кармана поступает к вращающемуся импеллеру, который по воздушной трубе подсасывает воздух. Над импеллером расположен неподвижный статор в виде диска с отверстиями для внутренней циркуляции воды. Смесь воды и воздуха выбрасывается импеллером через статор. Спрямляющая решетка, расположенная вокруг статора, способствует более мелкому диспергированию воздуха в воде и уменьшению скорости выхода водо-воздушной смеси в камеру флотации. Пена, содержащая флотируемые частицы, удаляется лопастным пеноснимателем. Обычно импеллерная флотационная установка включает несколько последовательных камер. Флотационные установки с механическим диспергированием воздуха имеют круглую или квадратную в плане камеру флотации ( 13.4, б). В состав внутреннего оборудования входят воздушная труба, турбинка (импеллер) с валом привода, статор и спрямляющая решетка. Применение импеллерных установок целесообразно при очистке сточных вод с высокой концентрацией дисперсных загрязнений (более 2-3 г/л) преимущественно таких, как нефть, нефтепродукты, жиры. Степень диспергирования воздуха зависит от окружной скорости вращения импеллера, которую принимают равной 10-15 м/с. Диаметр импеллера должен быть 200-750 мм. Зона, обслуживаемая импеллером, не должна превышать размеров квадрата со стороной 6dH, (где d„ — диаметр импеллера). Высота флотационной камеры принимается равной 1,5-3 м, продолжительность флотации 20-30 мин. Флотационные сооружения с использованием компрессионного метода получения ДГФ получили достаточно широкое распространение в составе малых и средних очистных комплексов ( 13.4, в). Напорная флотация по сравнению с вакуумной используется чаще, поскольку позволяет регулировать степень пресыщения в соответствии с требуемой эффективностью очистки сточных вод при начальной концентрации загрязнений До 4-5 г/л и более. Флотационные камеры компрессионных флотаторов в зависимости от структуры загрязнений сточных вод могут быть дополнены совмещенной зоной отстаивания. Недостатком импеллерных флотаторов является относительно высокая обводненность пены. Особенно существенным становится этот недостаток в тех случаях, когда основной целью флотации является извлечение растворенных ПАВ, так как большой объем воды в пене заставляет создавать дополнительные установки для ее обработки, что удорожает очистку в целом. При проектировании флотаторов для обработки сточных вод с расходом до 100 м³/ч принимаются прямоугольные в плане камеры глубиной 1-1,5 м, при большей производительности — радиальные флотаторы глубиной не более 3 м. При напорной флотации сточные воды под давлением 0,3-0,5 МПа подаются в напорный бак (сатуратор). Туда же компрессором подают воздух. Возможна также подача воздуха через водовоздушный эжектор, установленный на байпасной линии насоса. Количество подаваемого воздуха зависит от начальной и конечной концентрации загрязняющих веществ, а также их свойств. Насыщенная воздухом вода из сатуратора подается во флотационную камеру, где выделившиеся из сточной воды пузырьки воздуха всплывают вместе с частицами взвешенных веществ. Всплывающая масса непрерывно удаляется механизмами для сгребания пены в пеносборник. К недостатками компрессионных флотаторов относятся ограниченность удельного расхода воздуха и сложность эксплуатации вспомогательного оборудования для приготовления водовоздушной смеси. Компрессионные флотаторы применяют для очистки сточных вод от нефти, нефтепродуктов, масел, жиров, ПАВ, волокнистых веществ, а также для отделения скоагулированных загрязнений.

Проектирование и расчет сооружений флотационной очистки сточных вод

Проектирование флотаторов включает расчет системы диспергирования воздуха или газа и определение размеров сооружения. СНиП 2.04.03-85 КАНАЛИЗАЦИЯ. НАРУЖНЫЕ СЕТИ определяет, что:

Расчетную величину потерь давления в аэраторах (с учетом увеличения сопротивления за время эксплуатации) следует принимать, кПа (м вод. ст.):

для мелкопузырчатых аэраторов - не более 7 (0,7);

для среднепузырчатых, заглубленных свыше 3 м, - 1,5 (0,15);

при низконапорной аэрации - 0,15-0,5 (0,015-0,05).

Флотационные установки надлежит применять для удаления из воды взвешенных веществ, ПАВ, нефтепродуктов, жиров, масел, смол и других веществ, осаждение которых малоэффективно. Флотационные установки также допускается применять: для удаления загрязняющих веществ из сточных вод перед биологической очисткой; для отделения активного ила во вторичных отстойниках; для глубокой очистки биологически очищенных сточных вод; при физико-химической очистке с применением коагулянтов и флокулянтов; в схемах повторного использования очищенных вод. Напорные, вакуумные, безнапорные, электрофлотационные установки надлежит применять при очистке сточных вод с содержанием взвешенных веществ свыше 100-150 мг/л (с учетом твердой фазы, образующейся при добавлении коагулянтов). При меньшем содержании взвесей для фракционирования в пену ПАВ, нефтепродуктов и др. и для пенной сепарации могут применяться установки импеллерные, пневматические и с диспергированием воздуха через пористые материалы. Для осуществления процесса разделения фаз допускается применять прямоугольные (с горизонтальным и вертикальным движением воды) и круглые (с радиальным и вертикальным движением воды) флотокамеры. Объем флотокамер складывается из объемов рабочей зоны (глубина 1,0-3,0 м), зоны формирования и накопления пены (глубина 0,2-1,0 м), зоны осадка (глубина 0,5-1,0 м). Гидравлическая нагрузка - 3-6 м³/(м²×ч). Число флотокамер должно быть не менее двух, все камеры рабочие. Для повышения степени задержания взвешенных веществ допускается использовать коагулянты и флокулянты. Вид реагента и его доза зависят от физико-химических свойств обрабатываемой воды и требований к качеству очистки. Влажность и объем пены (шлама) зависят от исходной концентрации взвешенных и других загрязняющих веществ и от продолжительности накопления ее на поверхности (периодический или непрерывный съем). Периодический съем следует применять в напорных, безнапорных установках. Расчетную влажность пены следует принимать, %: при непрерывном съеме - 96-98; при периодическом съеме с помощью скребков транспортеров или вращающихся скребков - 94-95; при съеме шнеками и скребковыми тележками - 92-93. В осадок выпадает от 7 до 10 % задержанных веществ при влажности 95-98 %. При проектировании установок импеллерных, пневматических и с диспергированием воздуха через пористые материалы необходимо принимать:

Продолжительность флотации - 20-30 мин;

Расход воздуха при работе в режиме флотации - 0,1-0,5 м³/м³;

Расход воздуха при работе в режиме пенной сепарации - 3-4 м³/м³ (50-200 л на 1 г извлекаемых ПАВ) или 30-50 м³/(м²×ч);

Глубину воды в камере флотации - 1,5-3 м;

Окружную скорость импеллера - 10-15 м/с;

Камеру для импеллерной флотации - квадратную со стороной, равной 6D (D - диаметр импеллера 200-750 мм);

Скорость выхода воздуха из сопел при пневматической флотации -100-200 м/с;

Диаметр сопел - 1-1,2 мм;

Диаметр отверстий пористых пластин - 4-20 мкм;

Давление воздуха под пластинами - 0,1-0,2 МПа (1-2 кгс/см²).