Лабораторная работа 9 ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ

Лабораторная работа 9
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ
АЭРАЦИОННЫХ СИСТЕМ
Цель работы: изучить устройство и работу основных типов
аэрационных систем; освоить приемы исследования эффективности
систем аэрации на лабораторных установках.
Задание. 1. Изучить влияние глубины погружения механического
аэратора на его окислительную способность. Определить оптимальную глубину погружения аэратора.
2. Сравнить эффективность пневматических систем аэрации для
различных вариантов диспергирования воздуха.
3. Провести анализ влияния параметров и конструктивных особенностей аэраторов на эффективность работы.
1. Общие положения
Под системами аэрации понимают комплекс сооружений, устройств и оборудования, обеспечивающих подачу и распределение
воздуха (кислорода) в аэротенке, биопруде, поддержание активного
ила во взвешенном состоянии и создание благоприятных гидродинамических условий работы аэротенков, а также отдувку образующихся
газов, избыток которых может тормозить процесс биохимической
очистки сточных вод. В зависимости от способа подачи и распределения кислородсодержащего газа в аэротенках все применяемые в
настоящее время аэраторы можно классифицировать следующим образом: пневматические, механические, пневмомеханические, струйные и др.
2. Конструкции аэраторов
2.1. Пневматические аэраторы
Пневматические аэраторы диспергируют в жидкости сжатый воздух. В зависимости от степени дисперсности воздуха и среднего размера пузырьков в жидкости, который зависит от размера отверстий и
скорости выхода из них воздуха, различают три вида пневматических
аэраторов: мелко-, средне- и крупнопузырчатые. Мелкопузырчатые
аэраторы состоят из пористого элемента, через который в жидкость
103
поступает воздух, и корпуса или короба, где закреплены пористые
элементы (рис. 23). В качестве пористых элементов применяются
фильтросные пластины и трубы из керамики или пластмассы, а также
чехлы из синтетических тканей.
Среднепузырчатые аэраторы представляют собой решетку из
дырчатых труб с отверстиями или щелями шириной 36 мм (20 отверстий на 1 м трубы). Крупнопузырчатые аэраторы выполняются в
виде открытых снизу стояков труб диаметром 50 мм, расположенных
на расстоянии 12 м друг от друга.
Наиболее эффективны мелкопузырчатые аэраторы, но их применение ограничено при наличии в воде веществ, кольматирующих поры фильтросов. Эффективность среднепузырчатых аэраторов можно
повысить на 2025% при оборудовании их струенаправляющими
устройствами.
1
1
а
б
в
1
2
4
3
Рис. 23. Пневматические аэраторы:
а  мелкопузырчатый; б  среднепузырчатый; в  крупнопузырчатый; 1 – воздух;
2 – пористый элемент; 3 – отверстие; 4 – воздухопровод
2.2. Механические аэраторы
Механические аэраторы насыщают жидкость кислородом за счет
интенсивной ее рециркуляции или разбрызгивания, а также при всасывании и диспергировании атмосферного воздуха. В зависимости от
принципа действия и конструкции механические аэраторы делятся на
поверхностные (дисковые, конусные и роторные) и погружные (всасывающие) и пневмомеханические (рис. 24).
Дисковые и конусные поверхностные механические аэраторы
представляют собой лопастные турбины диаметром 0,54 м с вертикальным валом, приводимые в действие мотор-редукторами. Эти
турбины являются разновидностью центробежных колес. При работе
104
аэратора жидкость всасывается снизу, лопастями приводится во вращение и отбрасывается к периферии. В результате образуется гидравлический прыжок, захватывающий и диспергирующий атмосферный воздух, пузырьки которого увлекаются нисходящим потоком в
толщу аэрируемой жидкости.
а
б
в
Воздух
Рис. 24. Механические аэраторы:
Поверхностные: а  дисковый (конусный); б  роторный; в  пневмомеханический
Роторные поверхностные механические аэраторы состоят из горизонтального вала, снабженного узкими лопастями, выполняемыми
в виде плоских пластинок или уголков. Погружение ротора 
816 см. При вращении ротора лопасти турбулизируют жидкость, увлекая в нее атмосферный воздух и разбрызгивая часть ее.
Погружные всасывающие механические аэраторы действуют
аналогично импеллерным аэраторам, турбина которых заглублена на
0,61 м под уровень воды.
2.3. Струйные
действия
аэраторы
и аэраторы
комбинированного
Пневмомеханические аэраторы совмещают в себе аэрацию с помощью дырчатых труб и механическое диспергирование пузырьков
воздуха вращающейся лопастной турбиной. Пневматический аэратор
и турбина размещаются у дна резервуара.
Струйные аэраторы обеспечивают диспергирование атмосферного воздуха за счет эжектирования его падающей или напорной струей
аэрируемой жидкости, которая подается к аэраторам специально предусмотренными циркуляционными насосами. Применяются два типа
струйных аэраторов: шахтный и эжекторный. Принцип работы указанных аэраторов поясняется на рис. 25.
105
а
Воздух
Воздух
Воздух
б
в
вид сверху
Рис. 25. Струйные аэраторы:
а  шахтный; б  эжекторный; в  эрлифтный
К аэраторам комбинированного действия можно отнести эрлифтные аэраторы, которые обеспечивают насыщение кислородом как по
типу пневматических аэраторов, так и за счет гидравлического
прыжка в верхней части цилиндрического корпуса.
2.4. Оценка работы аэраторов
Основной характеристикой пневматических аэраторов, определяющей эффективность их работы, является удельный расход возду106
ха. Работа механических аэраторов характеризуется окислительной
способностью (ОС) и удельными энергозатратами. Величина ОС характеризует предельную производительность аэратора по растворению кислорода воздуха при температуре воды 20ºС и полном дефиците кислорода.
Удельные энергозатраты определяют экономичность аэратора,
т. е. расход энергии, кВт·ч/кг растворенного кислорода.
3. Описание лабораторных установок и методика выполнения работы
Механический поверхностный аэратор (рис. 26) состоит из резервуара 1, дискового аэратора 2, привода 5. Привод обеспечивает частоту вращения аэратора до 1460 мин1. Мощность электродвигателя 
0,08 кВт. Глубину погружения аэратора изменяют путем перемещения электродвигателя по направляющим рейкам 3 и измеряют с помощью линейки 8. Для сохранения заданной глубины погружения
имеется фиксатор 4. Потребляемая электродвигателем мощность
фиксируется ваттметром.
5
220
4
7
8
6
3
2
1
Рис. 26. Механический поверхностный аэратор:
1 – сосуд с водой; 2 – аэратор; 3 – направляющие рейки; 4 – винт-фиксатор; 5 – электродвигатель; 6 – автотрансформатор; 7 – ваттметр; 8 – измерительная линейка
107
1
3
8
9
2
7
4
6
5
Рис. 27. Модель барботажной колонны:
1 – барботажная колонна; 2 – компрессор; 3 – кран; 4 – диспергирующие элементы
аэратора; 5 – слив; 6 – кран переключения режима аэрации; 7 – место отбора проб;
8 – ротаметр; 9 – игольчатый клапан
Модель барботажной колонны (рис. 27) состоит из стеклянной
трубы, трубопровода подачи воды в модель, аэратора, балонных вентилей и редукторов давления, трубопровода отвода воды из модели.
Модель обеспечивает получение зависимостей барботажного (пневматического) растворения кислорода из воздушного и кислородного
пузырьков. Возможно изучение режима аэрации при противоточном
движении воды и пузырьков воздуха.
Определение окислительной способности и эффективности работы аэратора производится в стандартных условиях, т. е. при полностью обескислороженной воде, температуре 20ºС, давлении
101,5 кПа. Перед началом эксперимента воду «обескислороживают».
Для этой цели применяется сульфит натрия Na2SO3, кoторый потребляет растворенный в воде кислород, окисляясь до сульфата (Na2SO4).
Для ускорения реакции окисления вводят катализатор (хлорид ко108
бальта) в количестве 1 мг/дм3. Количество сульфита принимается из
расчета 56 г на 1 г кислорода. Сульфит вводят в виде водного раствора. После введения сульфита натрия, хлорида кобальта и перемешивания можно приступать к работе.
В работе используют 2%-ный раствор хлорида кобальта и
5%-ный раствор Na2SO3. Требуемый расход указанных растворов
можно определить исходя из объема воды, подлежащей обескислороживанию, и содержания кислорода в ней. Плотность растворов
можно принять равной 1 г/см3.
Требуемые объемы реагентов отмеряют с помощью пипеток и
сливают в 200 см3 воды, которые вводят в сосуд с водой (в стеклянную колонну сверху) и перемешивают. Указанную процедуру проводят перед каждым опытом. При этом восполняют потери воды в результате пробоотбора и учитывают содержание кислорода в воде после предыдущего опыта.
3.1. Исследование механической аэрации
Первый опыт проводится при полностью затопленном аэраторе.
Аэратор необходимо заглубить так, чтобы образующаяся при его работе воронка не достигала его поверхности. Определив глубину погружения, при которой аэратор затоплен, проводят обескислороживание воды указанным выше методом, после чего включается электродвигатель и фиксируются показания ваттметра. Первые две пробы
на содержание растворенного кислорода берут с интервалом в 2 мин,
а все последующие  с интервалом 1 мин. Всего отбирают 7 проб
(время работы аэратора и количество проб задает преподаватель).
Анализ проб проводят сразу после отбора.
Второй опыт проводят при полностью обнаженной верхней поверхности аэратора (при вращении диска).
Третий опыт проводится при глубине погружения диска, равной
23 см. Методика проведения опытов аналогична вышеприведенной.
По указанию преподавателя отбор проб воды может проводиться в
разных местах емкости с целью изучения распределения концентраций растворенного кислорода в объеме сосуда. По полученным данным в координатах С   строят кривые насыщения воды кислородом
во времени для каждой глубины погружения аэратора. Используя
значение концентрации кислорода в конце опыта, определяют объемный коэффициент массопередачи (Кмо), окислительную способность
аэратора (ОС) и эффективность аэрации (Э).
109
Кмо = 2,303 · lg (Cr  C1)  lg (Cr  C2)] · 60 /  ,
(91)
где Сr  равновесная концентрация насыщения воды кислородом в
условиях проведения эксперимента (температура, давление)
(приложение 1, табл. 29), г/м3;
С1  концентрация кислорода в начале опыта, г/м3;
С2  концентрация кислорода в конце опыта, г/м3;
  время работы аэратора, мин.
ОС = Кмо · Сr · V,
(92)
где V  объем воды в резервуаре, м3.
Э = Р / ОС ,
(93)
где P – мощность, потребляемая аэратором, Вт.
Результаты измерений и расчетов заносят в табл. 21. Строят график, по оси абсцисс которого откладываются значения глубины погружения, а по оси ординат  значения эффективности аэрации. Проекция точки максимальной эффективности аэрации на ось ординат
дает значение оптимальной глубины погружения.
Таблица 21
Результаты опыта по определению эффективности работы
механического аэратора
Концентрация
Мощность,
кислорода, мг/л
Глубина
потребпогружения
ляемая
аэратора
аэратором
В начале
В конце
Н, см
Р, Вт
опыта
опыта
С1
С2
Объемный
коэффициент массопередачи
Кмо, ч-1
Окислительная
способность
ОС,
г/ч
Эффективность
аэрации
Э,
Вт ч/г О2
Следует заметить, что в сточных водах условия массообмена несколько иные по сравнению с чистой водой. Обычно Кмо для сточных
вод в 1,151,25 раз ниже.
3.2. Исследование пневматической аэрации
По указанию преподавателя эксперимент проводят для аэраторов
с различными размерами сопел, пористыми трубами или фильтрос110
ными пластинами. Для барботажа может использоваться воздух или
кислород.
Перед началом работы закрывают краны 5, 7, 9. Краном 6 подключают требуемый аэратор (мелкопузырчатый, крупнопузырчатый)
и заполняют стеклянную колонну водопроводной водой до требуемого уровня (7–10 л). После контроля содержания кислорода в воде
проводят ее обескислороживание, как описано выше. С разрешения
преподавателя включают компрессор и через 1 мин открывают газовый кран 3, затем, медленно открывая игольчатый клапан 9, устанавливают заданный расход воздуха. Фиксируют время начала опыта.
Отбор проб начинают через меньшие промежутки времени, чем в
случае механического аэратора. Опыт ведут до достижения концентрации кислорода, близкой к равновесной. После завершения опыта
отключают компрессор (если он не используется в других работах),
закрывают краны 3, 5, 7.
Для каждого типа аэратора определяют скорость всплывания пузырьков воздуха (V1) и средний диаметр (dср). Экспериментально скорость всплывания пузырьков воздуха удобнее всего определять в
конце опыта, когда компрессор отключен, но за счет давления в ресивере воздух поступает на колонну. Добиваясь появления одиночных
пузырьков, с помощью секундомера фиксируют время, за которое пузырек пройдет известное расстояние (отмечено на колонне). Значения
dср и V1 связаны соотношением
(94)
dср = · V12 / g ,
где   коэффициент гидравлического сопротивления, который можно определить по графику на рис. 28.
Скорость истечения воздуха через отверстие аэратора определяется исходя из объемного расхода воздуха (Qв) и свободной поверхности аэратора (Fсв; для мелкопузырчатого аэратора равна 8 см2, для
крупнопузырчатого – 4,2 см2):
w = Qв / Fсв .
(95)
Как показали многолетние исследования, для мелкопузырчатых
аэраторов диаметр воздушных пузырьков лежит в пределах 4–6 мм.
По результатам опытов рассчитывают параметр А, характеризующий
степень использования кислорода воздуха для заданных значений
глубины слоя жидкости и крупности пузырьков:
А = 12 · (D / 3 · V1)0,5 · [(H2 · Сr ·  · g / 2 · Ра) +
+ Н · (Сr  С)] / (С1· dср1,5) ,
111
(96)
где С1  концентрация кислорода в газовой фазе, г/м3 (приложение 1,
табл. 27);
dср  средний (эквивалентный) диаметр пузырьков, м;
D  коэффициент диффузии, м2/с;
Сr  равновесная концентрация кислорода в жидкости в условиях
эксперимента, г/м3 (приложение 1, табл. 29);
С  достигнутая концентрация кислорода в жидкости, г/м3;
Н – глубина погружения аэратора (высота слоя жидкости), м;
  плотность воды для условий проведения опыта, кг/м3 (приложение 1, табл. 30);
Ра – атмосферное давление при проведении опыта, Па.

1,6
1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
w , м/с
Рис. 28. Зависимость коэффициента  от скорости истечения газа через отверстия
аэратора (w)
Коэффициент диффузии может быть рассчитан по уравнению
Уилки и Чанга:
(97)
D = 6 · 108 ·Т [  · н2о / (·V0,6)]0,5 ,
где Т – температура, К;
  поправка, которая учитывает ассоциацию молекул воды, равная 2,6;
Мн2о – относительная молекулярная масса воды, равная 18;
  вязкость жидкости при расчетной температуре, сП
112
(1 сП = 103 Па) (приложение, табл. 28);
V  мольный объем кислорода, равный 25,6 см3/моль.
Для выражения А в % полученное значение необходимо умножить на 100.
Более точное значение параметра (А1) получают умножением полученного значения А на коэффициент кислородного истощения газовой среды Ки:
А 1 = А · Ки ,
(98)
Таблица 22
Значение параметра Ки
А, %
Ки
А, %
Ки
0–1,0
1,00
11–12
0,93
1,5–2,0
0,99
13–14
0,92
2,5–3,5
0,98
15
0,91
4,0–5,0
0,97
20
0,87
5,5–6,5
0,96
25
0,83
7,0–8,0
0,95
30
0,79
9,0–10,0
0,94
35
0,75
Коэффициент учитывает изменение параметров массообмена в
процессе движения пузырьков воздуха в жидкости. Значение Ки можно принять по табл. 22.
Параметр А1 используют для определения удельного расхода кислорода воздуха на аэрацию сточной жидкости.
Результаты опыта по определению эффективности пневматической аэрации оформляют в виде табл. 23.
По результатам опытов строят зависимость А = f (Н) для разных
видов аэраторов, выбирают оптимальные условия аэрации жидкости
пневматическими аэраторами.
113
33
Таблица 23
Результаты исследования работы пневматических аэраторов
Вид
аэратора
Расход
воздуха
Глубина
погружения
аэратора
Концентрация
кислорода в
жидкости в
конце опыта
Скорость
всплывания
пузырька
Степень
использования
кислорода
воздуха
(параметр А)
Вопросы для самоконтроля
1. Системы аэрации сточных вод, используемые при биологической очистке сточных вод в искусственных и природных условиях.
2. Показатели эффективности работы аэрационных систем.
3. Конструкции аэраторов.
114