Горизонтальные вращающиеся щетки или лопасти, частично погруженные в воду и вращающиеся с высокой частотой, также широко используются в качестве поверхностных аэраторов. Вращение лопастей создает высокую турбулентность. Они превращают воду в капли, которые разбрызгиваются на поверхности.
Рабочие параметры
Скорость насыщения кислородом (кг O2 в час) зависит от многих факторов: глубины погружения; частоты вращения и диаметра ротора; энергии, приходящейся на единицу площади или объема; свойств аэрируемых стоков; характеристик (форма и размер) емкости; градиента концентрации кислорода и типа аэратора. Скорость насыщения воды кислородом обычно указывается в паспорте аэратора. Эти значения получены при стандартных условиях или приведены к ним. К стандартным условиям относятся следующие: воздух находится в контакте с чистой водой при давлении 760 мм рт. ст., температура воды составляет 20°С, исходная концентрация кислорода в воде равна нулю. Размеры и форма емкостей не всегда указываются.
Увеличение глубины погружения, частоты вращения и диаметра ротора поверхностных аэраторов приводит к увеличению скорости насыщения кислородом.
Даунинг и Бун (Downing and Boon, 1963) обнаружили почти линейную зависимость между глубиной погружения ротора в поверхностном аэраторе (конического типа) и абсорбцией кислорода (кг O2 в час). Стальзер и фон дер Эмд (Stalzer and Von der Emde, 1972) получили сходные результаты при изучении гигантских роторов. Колега и др. (Kolega et al., 1969), работая с лопастными поверхностными аэраторами, обнаружили, что коэффициент перехода кислорода практически линейно зависит от глубины погружения ротора, которая составляла 0,1—0,5 его диаметра. Они также отметили, что при увеличении диаметра лопастей с 0,3 до 0,6 м эффективность насыщения воды кислородом быстро возрастает.
Эйхенфельдер (Echenfelder, 1969) определил оптимальную частоту вращения ротора для конических аэраторов. При частотах вращения выше и ниже оптимальной насыщение кислородом на единицу затрачиваемой мощности снижалось.
Увеличение затрат мощности на единицу объема для всех аэраторов приводит к увеличению насыщения кислородом. Однако существует оптимальная мощность, обеспечивающая максимальную скорость насыщения кислородом. При дальнейшем увеличении мощности приращение скорости насыщения кислородом в. единицу времени на единицу затраченной мощности начинает снижаться. Гурвитц и др. (Hurwitz et all., 1963) показали, что насыщение воды кислородом в течение одного часа аэратором конического типа приблизительно описывается следующим уравнением:
где у — мощность, расходуемая на единицу поглощенного кислорода; х — частота вращения конуса; а и b — константы.
Таким образом, для исследованного аэратора существовала максимально эффективная частота вращения, выраженная в единицах затраченной мощности на единицу поглощенного кислорода.
Чеснесс и др. (1973) изучали аэратор с насадкой в виде форсунки и нашли, что для пресноводной системы механическая эффективность выражается следующим уравнением:
где МЕ— механическая эффективность насыщения кислородом, кг O2/(кВт·ч); KLa — суммарный коэффициент поглощения кислорода, ч-1; Сs — насыщающая концентрация, мг/л; V — объем аэрируемой емкости, л; Р — мощность, подводимая к форсунке, кВт.
Значение KLa получается из следующего уравнения регрессии:
где Q — расход воды, л/с; v — скорость, м/с; KLa — суммарный коэффициент поглощения кислорода, ч-1.
Чеснесс и др. (1973) обнаружили, что одна погруженная форсунка, расположенная на расстоянии, равном 1/3 радиуса от центра бассейна вместимостью 2782 л, и под углом 30° к горизонтали, обеспечивала максимальную аэрацию. Были опробованы также четыре поверхностных форсунки, расположенные под углами 30, 45, 60 и 75° к горизонтали. В табл. 15.2 приведены результаты этих экспериментов. Когда две форсунки заменили одной, количество поглощенного кислорода KLa уменьшилось на 14% при условии, что расход воды через одну форсунку был равен суммарному расходу воды через две форсунки при той же скорости прохождения воды через форсунку. Таким образом, одна крупная форсунка эффективнее двух мелких. Чеснесс и др. (1973) отметили, что для форсунок со скоростью подачи воды выше 10,7 м/с, механическая эффективность насыщения кислородом снижается. Выше этой скорости увеличение коэффициента KLa недостаточно для компенсации расхода мощности, необходимой для достижения более высокой скорости. Наиболее эффективной для всех экспериментов была скорость 10—11 м/с.
Характеристики подлежащих аэрации сточных вод также влияют на выбор аэратора. Большинство веществ, содержащихся в сточных водах, несколько снижают концентрацию насыщения воды. При расчете аэрации бытовых сточных вод коэффициент β принимают равным 0,95—1, а коэффициент α 0,80—0,95.
Коэффициенты α и β лучше всего определять экспериментально для конкретных сточных вод. Коэффициенты α и β для сточных вод систем культивирования гидробионтов неизвестны.
На величину коэффициента α существенное влияние оказывает присутствие в воде поверхностно-активных веществ, которые, концентрируясь на поверхности раздела фаз жидкость — газ, образуют на поверхности жидкости пленку и затрудняют проникновение в нее кислорода. Детергенты — наиболее распространенные активные вещества, обычно содержащиеся в бытовых стоках. В системах для культивирования водных организмов обычно содержатся природные поверхностно-активные вещества, например белки. Они уменьшают поверхностное натяжение жидкости и способствуют образованию мелких капель. Это увеличивает скорость насыщения воды кислородом в поверхностных аэраторах путем увеличения поверхности соприкосновения с воздухом под действием турбулентности. При уменьшении турбулентности поверхностноактивные вещества уменьшают диффузию через пленку и таким образом снижают скорость проникновения кислорода в воду. Форма и размер бассейна также влияют на скорость насыщения воды кислородом. При постоянных размере и числе аэраторов чрезмерное увеличение размера бассейна (в зависимости от типа аэратора и формы бассейна) приводит к уменьшению скорости насыщения воды кислородом. Это связано в основном со снижением скорости движения жидкости и турбулентности в бассейнах, слишком крупных для данного типа аэратора. Для увеличения турбулентности при обработке бытовых сточных вод на очистных станциях Кноп и Кальбскопф (Knop and Kalbskopf, 1969) рекомендовали поддерживать отношение диаметра бассейна к диаметру зоны работы поверхностного аэратора равным 1,5:1,0.
Потребность аэраторов в энергии обычно рассчитывают как количество затраченной мощности на единицу объема (Echenfelder, 1969). Корманик (Kormanik, 1976) представил данные по затратам мощности на единицу площади поверхности бассейна. Он установил линейную зависимость между насыщением кислородом на единицу подводимой мощности и мощностью, затрачиваемой на единицу поверхности бассейна, отметив при этом, что влияние размеров и форм бассейна на скорость насыщения воды кислородом отражалось более значительно на высокоскоростных малогабаритных аэраторах, чем на низкоскоростных поверхностных аэраторах. Окончательное влияние формы и размеров конкретного бассейна на скорость насыщения воды кислородом зависит от суммы таких факторов, как тип используемого аэратора, его размер, режим течения в бассейне и свойства сточных вод.
Градиент концентрации кислорода, несомненно, влияет на скорость насыщения воды кислородом. Как правило, поверхностные аэраторы обеспечивают поступление в воду от 1,9 до 2,3 кг (O2/кВт·ч) (Echenfelder, 1969). Даунинг и Бун (Downing and Boon, 1963) считают, что аэраторы с погруженными в воду щетками дают 1,3—3,5 кг O2/кВт·ч). Однако эти значения получены при работе со сточными водами или в стандартных условиях, описанных выше. Системы очистки сточных вод часто работают при низких концентрациях кислорода (0,5—1 мг/л). Это создает гораздо более высокий градиент концентрации кислорода, чем свойственный системам для культивирования гидробионтов где содержание кислорода в воде не должно быть ниже 3—5 мг/л. Таким образом, в системах культивирования из-за низкого градиента концентрации кислорода скорость насыщения воды кислородом ниже.
Конструкция аэратора также влияет на скорость насыщения воды кислородом. Лучше всего сравнивать аэраторы различных конструкций по данным завода-изготовителя. Однако еще более надежные результаты дают полевые испытания аэратора, поскольку в них можно учесть форму бассейнов и особенности сточных вод.
Расчет поверхностного аэратора
Поверхностные аэраторы выпускаются различными фирмами, доставляются в собранном виде и даже устанавливаются по желанию заказчика. Часто приобретение готового аэратора наиболее выгодно. Однако в некоторых случаях желательно иметь собственный аэратор. Часто такие конструкции создаются по методу проб и ошибок, так как информация по этому вопросу довольно ограниченна.
Колега с соавторами (Kolega et al., 1969) разработал конструкцию лопастного роторного аэратора (рис. 15.15). Эффективность работы этого аэратора они выразили с помощью коэффициента насыщения кислородом КНК, подобного коэффициенту KL. При выведении уравнения следующие величины были приняты постоянными: отношение длины аэрируемого бассейна к ширине вращающегося лопастного ротора, отношение ширины аэрируемого бассейна к ширине вращающегося лопастного ротора, отношение ширины лопасти к расстоянию между лопастями, отношение вязкости воздуха к вязкости жидкости, отношение плавучести к силе тяжести, действующей на погруженный в воду пузырек воздуха, число Шмидта (т. е. вязкость жидкости, деленная на произведение плотности жидкости на массовую диффузию кислорода в жидкости и на коэффициент инерции из второго закона Ньютона).
где КНК— суммарный коэффициент насыщения кислородом, с-1; N — частота вращения барабана, об/с; d — глубина погружения лопасти, футы; D — диаметр лопастного колеса, футы; h — глубина воды в бассейне, футы; Wf — ширина лопасти, футы; Re — число Рейнольдса NeND2/μ1; Fr — число Фруда NeDN2/g; Ne — коэффициент инерции по второму закону Ньютона, фунт силы·с2/(фунт массы·фут); μ2 — абсолютная вязкость жидкости, фунт силы·с/фут2; g — ускорение свободного падения, фунт силы/фунт массы.
Колега и др. (Kolega et al., 1969) установили, что коэффициент корреляции для уравнения (15.11) равен 0,983—0,996.
Применив горизонтальный ротор, Стальзер и фон дер Змд (Stalzer and Von der Emde, 1972) установили, что с глубиной погружения ротора потребляемая мощность линейно возрастает. Они также обнаружили, что потребляемая энергия ротора связана со средней скоростью потока обратно пропорциональной зависимостью: с уменьшением средней скорости потребляемая энергия увеличивается. Изучение вертикального распределения скорости в канале показало, что максимальная скорость наблюдается у поверхности близ ротора, а минимальная — непосредственно под ротором. При установке шандор или барьеров на определенных участках канала вертикальное распределение скорости становилось почти однородным и скорость насыщения воды кислородом возрастала. Шандоры увеличивают потребность в энергии (Stalzer and Von der Emde, 1972).
Бух и др. (Busch et al., 1974) сравнили эффективность лопастного колеса, биофильтра с аэратором, разбрызгивающим воду, поверхностного разбрызгивателя и эжекторной установки для аэрации прудов с сомиком-кошкой. Они установили, что лопастное колесо потребляет значительно меньшую мощность — 10,4 кВт·ч на 1 кг кислорода, внесенного в пруд, чем другие устройства. Для разбрызгивания воды по поверхности пруда требуется большая мощность — от 47 до 103 кВт·ч на 1 кг кислорода.
Методика выбора числа и размеров поверхностных аэраторов сводится к следующему:
- 1) определяют потребности систем в кислороде (см. ниже);
- 2) определяют KLa. В эту величину (которая обычно указывается в паспорте) вносят поправку на температуру воды по уравнению (15.14);
- 3) определяют α по значению KLa для чистой и сточной воды в сходных условиях;
- 4) определяют будущий градиент концентрации кислорода при работе аэратора;
- 5) определяют скорость перехода кислорода в воду за 1 ч
- 6) разделив потребности в кислороде на скорость насыщения кислородом за 1 кВт·ч для данного типа аэратора, определяют общую потребляемую мощность аэратора, необходимую для насыщения воды кислородом;
- 7) разделив общую потребляемую мощность на мощности аэратора данного типа, определяют необходимое для работы число аэраторов;
- 8) аэраторы размещают равномерно по площади бассейна.