Существует несколько типов распылителей. Наиболее простой из них представляет собой трубу, помещенную в бассейн с водой. Воздух, подаваемый насосом в трубу, образует у дна пузырьки, которые в жидкости всплывают, а кислород переходит в воду. Такое устройство малоэффективно, так как пузырьки получаются крупными, а поверхность перехода кислорода сравнительно невелика. На рис. 15.16 показано более эффективное устройство, в котором воздух поступает в воду через распылитель. Распылитель образует мелкие, сравнительно одинаковые пузырьки с большой поверхностью контакта, что усиливает суммарный переход кислорода. Распылители можно изготовлять из различных материалов, в том числе из пластмассы, карборунда и дерева.
Конструкция второго типа распылителя основана на принципе всасывания (рис. 15.17). Правильно спроектированные трубка Вентури, сопла, форсунка или любая другая конструкция, работающая на принципе уменьшения статического давления в трубопроводе, могут обеспечить подачу воздуха в жидкость. Отверстие, соединяющее систему с атмосферой, расположенное в точке пониженного давления, заставляет воздух проникать в поток жидкости. Образуемые таким образом пузырьки аэрируют жидкость. Для такой системы необходим насос и устройство для подсоса воздуха, но не требуется подачи воздуха под давлением.
Рабочие параметры
Скорость насыщения воды кислородом с помощью распылителя зависит от разности концентрации кислорода в пузырьках и окружающей воде, насыщения воды вокруг пузырьков, времени нахождения их в воде, размеров пузырьков (поскольку это определяет площадь контакта), скорости подачи газа и характеристик сточных вод.
Градиент концентрации кислорода между пузырьками и окружающей водой зависит от концентрации кислорода в пузырьке, насыщения воды и скорости обновления жидкостной пленки. Концентрация кислорода в пузырьке зависит от газа, которым он наполнен. Если это воздух, то концентрация кислорода в нем составляет всего 21%. Однако для увеличения градиента концентрации и скорости насыщения воды кислородом в распылителях можно использовать чистый кислород. Поскольку диффузия кислорода в воду происходит при подъеме пузырьков, концентрация кислорода внутри пузырька и градиент концентрации между водой и воздухом по мере подъема уменьшаются.
Скорость обновления поверхностной пленки пузырьков влияет на скорость проникновения кислорода в воду. Скорость обновления пленки зависит от скорости подъема пузырьков в воде по сравнению со скорстью воды. Зиминский и Уиттмор (Zieminski an,d Whittemore, 1970) представили данные о скорости подъема пузырьков воздуха, диспергированного в нижней части трубки диаметром 10,1 см, погруженной в большой резервуар. С помощью этих данных, а также данных о скорости подъема пузырьков, полученных Иппеном и Карвером (Ippen and Carver, 1954), можно определить относительную скорость пузырьков (т. е. скорость подъема пузырьков по сравнению со скоростью воды). Теоретически скорость подъема пузырьков составляет около 30 см/с при диаметре пузырьков 0,9 мм (Ippen, Carver, 1954). По данным измерения расхода и с поправкой на объем воздуха относительная скорость пузырьков составит около 20 см/с. Такая разница в скорости пузырьков и воды должна обеспечить быстрое обновление поверхностной пленки и высокую скорость проникновения кислорода в воду. Чем мельче пузырьки, тем меньше относительная скорость пузырьков. Это приводит к снижению скорости обновления пленки, но несколько компенсируется большей площадью поверхности на единицу объема газа.
Диаметр пузырьков оказывает значительное влияние на аэра-ционные характеристики распылителей: чем меньше пузырьки, тем больше площадь на единицу подаваемого газа и тем больше газа проникает в воду. Мелкие пузырьки медленнее поднимаются (см. табл. 11.41) к поверхности, чем крупные. При этом увеличивается время нахождения пузырьков в воде. Это в свою очередь увеличивает количество кислорода, проникающего в воду. Мелкие пузырьки усиливают турбулентность и перемешивание воды в бассейне. Однако при этом наблюдаются некоторые потери, например из-за снижения скорости скольжения мелких пузырьков, но другие положительные факторы компенсируют эти недостатки1.
Зиминский и Уиттмор (1970) установили, что пузырьки диаметром более 3—4 мм обеспечивают почти постоянную скорость обновления воды в бассейне при постоянном расходе газа. Пузырьки диаметром менее 3 мм уменьшают скорость обновления воды (увеличивая перемешивание) при том же расходе воздуха. Это происходит из-за снижения скорости скольжения мелких пузырьков. Даунинг и Бун (1963) установили, что скорость насыщения кислородом резко возрастает при диаметре пузырьков менее 5 мм. Например, в опытах с пропусканием через воду пузырьков газа, содержащих 5 мг/л анионного детергента при 10 °С, коэффициент диффузии воздуха при диаметре пузырьков 5 мм, выпускаемых в бассейне на глубине 1,2 м, составляет 0,05 мл кислорода, абсорбируемого на 100 мл воздуха, прошедшего через систему, при дефиците кислорода, составляющем 1 мг/л на 1 м глубины. При тех же условиях, но со средним диаметром пузырьков 1 мм коэффициент диффузии воздуха составил 0,34 мл 02 на 100 мл при дефиците кислорода 1 мг/л на 1 м глубины. График зависимости коэффициента диффузии воздуха от диаметра пузырьков представляет собой логарифмическую кривую.
Глубина погружения распылителя также влияет на величину поглощения кислорода: с увеличением глубины абсорбция возрастает. Это прежде всего связано с увеличением времени контакта пузырьков с водой из-за большей глубины погружения. Морган и Бьютра (Morgan and Bewtra, 1963) обнаружили линейную зависимость между глубиной погружения распылителя и абсорбцией кислорода (в %):
где S — глубина погружения распылителя, м; A — абсорбция кислорода, %.
Используя специальные распылители, Морган и Бьютра (1963) получили такую же зависимость. Однако она была нелинейной, и скорость увеличения абсорбции кислорода уменьшалась почти до нуля при глубине погружения распылителя более чем на 4 м. Таким образом, увеличение глубины погружения увеличивает абсорбцию кислорода только до определенной глубины, которая зависит от типа распылителя и других параметров.
Иппен и Карвер (1954) установили линейную зависимость между глубиной погружения и максимальной абсорбцией кислорода при насыщении воды как воздухом, так и чистым кислородом. В этих опытах абсорбция возрастает с увеличением глубины погружения от 50 до 355 см. В этих же экспериментах было показано, что с уменьшением размеров пузырьков абсорбция возрастает.
Бьютра и др. (1970) изучали влияние температуры на абсорбцию кислорода в обескислороженной водопроводной воде. С помощью диффузорной аэрационной установки они установили влияние температуры на коэффициент KLa:
тде (KLa) —скорость переноса кислорода при температуре Т; (KLa)20 — скорость суммарного переноса кислорода при температуре 20°С; С — константа, равная 1,0192.
Для поверхностных аэраторов константа в уравнении (15.14) равна 1,024 (Anon, 1972). Эта величина — средняя из полученных разными исследователями. Поскольку данные Бьютра и др. (1970) получены в диапазоне 10—30°С для водопроводной воды, эти условия ближе всего к тем, которые наблюдаются в системах для культивирования гидробионтов.
Расход газа также влияет на эффективность работы распылителей. Морган и Бьютра (1963) показали, что абсорбция кислорода уменьшается с увеличением расхода воздуха на единицу длины бассейна. Скорость изменения абсорбции уменьшается с увеличением расхода воздуха (т. е. наклон прямой зависимости абсорбции кислорода от расхода воздуха уменьшается с увеличением расхода). Морган и Бьютра (1963) показали, что никаких изменений в абсорбции кислорода с изменением расхода воздуха при использовании распылителя другого типа не наблюдается.
Бьютра и Польковский (Bewtra and Polkowski, 1970) получили сходные результаты для распылителей другого типа. Таким образом, влияние расхода воздуха зависит до некоторой степени от типа распылителя. Следовательно, на увеличение абсолютного количества поглощенного кислорода влияют другие факторы. Увеличение расхода воздуха влечет за собой увеличение площади контакта для проникновения кислорода, что в свою очередь влияет на увеличение коэффициента KLa. Бьютра и Польковский (1970) представили данные, подтверждающие это положение. В их опытах при температуре 10°С коэффициент KLa изменялся от 0,27 при расходе воздуха 3,26 л/с почти до 1,2 при 15 л/с.
Примечания
1. Здесь автор упускает из виду одно очень важное обстоятельство. Чем мельче пузырьки, тем больше их внутреннее давление в результате поверхностного натяжения, а соответственно, и парциальное давление кислорода. При барботировании вода может оказаться перенасыщенной не только кислородом, но и азотом, что может вызвать азотную эмболию.