U-образный аэратор (рис. 15.18) состоит из U-образной трубы. Вода поступает сверху вниз по одному колену трубы и выходит снизу вверх по другому. Воздух или чистый кислород подается в воду через распылитель, расположенный на входе в U-образную трубу. Расход воды по трубе регулируют так, чтобы она была выше скорости подъема пузырьков в спокойной воде. При таком расходе воды возрастают время ее контакта с пузырьками и концентрация кислорода при насыщении, так как в нижней части U-образной трубы возрастает давление. В результате увеличения времени контакта и градиента концентрации кислорода (т. е. Cs—С) при повышенном давлении насыщение воды кислородом интенсифицируется.
Спис и др. (Speece et al., 1969) представили данные по работе U-образной трубы, из которых видно, что потеря напора возрастает с увеличением соотношения воздуха и воды до 0,20. Концентрация растворенного кислорода (РК) (т. е. РК на выходе — РК на входе) возрастает с увеличением отношения воздух : вода и глубины, но при снижении скорости. Количество переданного кислорода на единицу энергии уменьшается с увеличением глубины погружения распылителя и увеличением глубины U-образной трубы. Они также показали, что для любой скорости течения жидкости существуют такие концентрации РК на выходе, которые обеспечивают максимальную эффективность насыщения кислородом [в мг O2/(кВт·ч)], но величина концентрации РК зависит от скорости течения воды в U-образной трубе. Следует также отметить, что U-образная труба — один из немногих аэраторов, в которых перенасыщение может быть достигнуто сравнительно просто и эффективно, прежде всего в результате увеличения давления в нижней части U-образной трубы. Перенасыщение в U-образной трубе может быть достигнуто при погружении на глубину 12,2 м и условии, что на выходе концентрация РК составляет всего 50% насыщения (Speece and Orosco, 1970).
Спис и Ороско (1970) составили уравнение регрессии, связывающее несколько рабочих параметров U-образной трубы:
где РК0 — насыщенность растворенного кислорода на выходе U-образной трубы, %; PKi — насыщенность растворенным кислородом на входе U-образной трубы, %; ВВ — соотношение воздуха и воды, десятичные доли; d — глубина погружения U-образной трубы, м.
Аэратор с вертикальным потокообразователем
Подаваемый распылителем воздух или кислород (рис. 15.19) поступают в воду через раструб. В верхней части раструба скорость воды превышает скорость подъема пузырьков, а у дна — скорость воды несколько ниже скорости подъема пузырьков. Таким образом, продолжительность контакта воды с газом определяется расходом газа, поскольку пузырьки у дна выталкиваются из-под раструба новыми пузырьками, поступающими из распылителя. Спис с соавторами (Speece et al., 1971) с помощью модели и опытной установки показали, что между эффективностью абсорбции кислорода и количеством кислорода, поступившего в воду, существует линейная зависимость. При низком содержании кислорода в воде можно добиться почти 100%-ной абсорбции кислорода. Сходные результаты были получены и в экспериментах с аэрацией воды воздухом, за исключением того, что эффективность максимальной абсорбции составляла 30% в отличие от почти 100%-ной абсорбции чистого кислорода. Для установки, которую они использовали, концентрация кислорода в пузырьках (из чистого кислорода) за 3,5 мин снизилась со 100 до 5%.
Эжекторный аэратор (рис. 15.20) представляет собой аэратор с форсункой. Жидкость под высоким давлением подается через форсунку. Отдельно подается сжатый газ. В зоне смешивания газа и жидкости происходит сильная турбулентность и мгновенное поглощение кислорода.
Сравнение устройств для аэрации
Для интенсификации насыщения воды кислородом необходимо максимальное количество пузырьков воздуха минимального диаметра. Использование чистого кислорода вместо воздуха или смеси воздуха с чистым кислородом ускоряет процесс за счет увеличения концентрации насыщения и градиента.
Эйхенфельдер (1969) считает, что эффективность распылителей, расположенных вдоль бассейна, повышается, если . ширина бассейна вдвое превышает глубину. Отношение ширины к глубине бассейна можно увеличить до 4:1, если распылитель разместить в центре бассейна. При очистке сточных вод основная цель перемешивания — поддержание твердых частиц во взвешенном состоянии; для чистой воды основная цель — увеличить скорость прохождения кислорода через поверхность раздела вода — воздух. Большинство распылителей дают пузырьки газа диаметром 2,0—2,5 мм. Пузырьки меньшего диаметра можно получать в специальных распылителях, но при том же расходе газа перепад давления газа, через распылитель возрастает. Закупоривание отверстий распылителя примесями, содержащимися в газе, осложняет их очистку, если размер отверстий слишком мал.
Потребляемая мощность распылителей зависит от эффективности работы воздушного компрессора, глубины, на которой воздух выходит в воду через распылитель, размера пузырьков, потерь в системе воздухоподачи и других параметров, рассмотренных выше. Эффективность абсорбции кислорода варьирует от 0 до почти 100% в зависимости от условий работы всей системы.
Очень трудно сравнивать эффективность работы аэраторных систем, поскольку имеется очень мало данных относительно работы различных типов аэраторов в сходных условиях. Скотт (Scott. 1972) сравнивал эффективность нагнетания воздуха под поверхность воды через форсунку при помощи керамзитовых распылителей и через форсунки, разбрызгивающие воду по поверхности бассейна. Он установил, что наиболее эффективным является аэратор с форсункой, расположенной у дна. Эффективность керамзитовых распылителей составляет 53% эффективности сопел Вентури, а эффективность форсунок, разбрызгивающих воду по поверхности, составляет только 41%. Поскольку при этих расчетах не учитывались объемы воздуха, использованные для каждой системы, эти данные содержат некоторые неучтенные параметры.
В соплах Вентури и других установках, работающих на принципе подсоса воздуха, требуются водяные насосы, а не компрессоры. Для аэраторов с керамзитовыми или другими распылителями требуются компрессоры, а не водяные насосы. Только в аэраторах с вертикальным потокообразователем и в U-образной установке используются одновременно и компрессор, и водяной насос.
Выбор аэратора определенного типа зависит прежде всего от таких факторов, как наличие сжатого газа, аэрируемая площадь, наличие насоса для подачи жидкости и удобство обслуживания. Экономика также должна учитываться, но общие капитальные затраты и текущие расходы для различных типов аэраторов должны учитываться для каждой установки в отдельности.
Турбинные аэраторы
Простой турбинный аэратор состоит из винта, погруженного в аэрируемую жидкость. При вращении винта жидкость также приходит в движение, способствуя лучшей аэрации на поверхности. Различные исследователи по-разному определяют турбинные аэраторы. Так, Эйхенфельдер (1969) определяет турбинные аэраторы как сочетание турбины, описанной выше, и распылителя. Его турбинный аэратор состоит из винта или нескольких пропеллеров, насаженных на один вертикальный вал, и распылителя, расположенного под одним из винтов, обычно самым глубоким. Распылитель не должен производить мелкие пузырьки, поскольку винт создает скоростной поток. Таким образом, размер пузырьков зависит от расхода газа, частоты вращения винта и свойств жидкости.
Насыщение воды кислородом с помощью турбинного аэратора без распылителя зависит от частоты его вращения, свойств жидкости и дефицита кислорода в ней. При увеличении частоты вращения возрастает скорость насыщения воды кислородом. При увеличении дефицита кислорода (т. е. разницы между концентрацией насыщения кислородом и истинной концентрацией кислорода в жидкости) возрастает скорость насыщения воды кислородом, так как возрастают движущие силы. Свойства жидкости по сравнению с чистой водой могут увеличивать или уменьшать скорость насыщения воды кислородом в зависимости от таких важных факторов, как концентрация поверхностно-активных веществ и температура.
Эффективность насыщения воды кислородом (количество кислорода, поступающего в жидкость, на 1 кВт·ч затраченной энергии) пропорциональна отношению потребляемой мощности винта Рр к протребляемой мощности компрессора Рс. Если п принять за мощность, представляющую собой отношение Рр/Рс. Максимальная эффективность обычно наблюдается при равных мощностях компрессора и винта (Echenfelder, 1969). Таким образом, одинаковое потребление мощности винтом и воздушным компрессором обеспечивает максимальную эффективность насыщения воды кислородом. Увеличение мощности воздушного компрессора приводит к увеличению размеров пузырьков и, следовательно, к уменьшению эффективности насыщения. Увеличение мощности, потребляемой винтом, приводит к чрезмерному перемешиванию, одновременно уменьшается обновление воды на каждую единицу расходуемой мощности.
Эйхенфельдер (1969) показал, что турбинные аэраторы с распылителями, используемые для обработки бытовых стоков, обеспечивают эффективность насыщения от 1,5 до 1,8 кг O2/(кВт·ч). Следует также отметить, что установки для обработки сточных вод часто работают при низком содержании кислорода (от 0,5 до 1,0 мг/л), что значительно ниже, чем в системах для культивирования водных организмов. Поскольку дефицит кислорода в сточных водах выше, эффективность аэрации там выше, чем при использовании тех же аэраторов в системах для культивирования.
Турбинные аэраторы находят ограниченное применение в бассейнах для выращивания рыб, так как лопасти могут травмировать рыбу. Однако эти аэраторы можно использовать в бассейнах с неподвижными видами, например устрицами, или их можно устанавливать в бассейнах, не предназначенных непосредственно для культивирования.