Энергосбережение как критерий выбора аэратора

Биологические процессы очистки, где основная роль отводится энергоемким процессам аэрации, характеризуются значительными эксплуатационными затратами (до 80 % потребляемой электроэнергии).

Аэрационным системы, при их кажущейся простоте, продолжают оставаться сложным, недостаточно надежным и изученным оборудованием, принимая во внимание необходимость их технологического и автоматизированного регулирования.

Аэраторы классифицируются по давлению: до 10 кПа – низкого, от 10 до 50 кПа – среднего, более 50 кПа – высокого давления. По размеру образующихся на выходе из аэраторов пузырьков их разделяют на: мелкопузырчатые (1–4 мм), среднепузырчатые (5–10 мм) и крупнопузырчатые (более 10 мм). Это обеспечивает Эффективность Аэрации (OTR) в пределах 2,2–3,5 кг/(кВт·ч) – для мелко- и среднепузырчатых аэраторов и 1,6–2,6 кг/(кВт·ч) для крупнопузырчатых при использовании воздуходувного оборудования с КПД порядка 70 %.

Суть пневматической системы аэрации предполагает распределение воздуха или кислородсодержащего газа под давлением по магистральным и воздухораспределительным трубопроводам к аэраторам- диспергаторам, установленным под слоем воды в аэротенках

Энергоэффективность аэрационных систем зависит от способа их раскладки по площади днища аэротенка, критериев выбора и характеристик аэраторов, а также условий эксплуатации.

Раскладка систем аэрации

Высокая эффективность работы собственно аэраторов – залог энергосбережения. Вместе с тем, заявленные параметры эффективности в натурных условиях аэраторы подтверждают не во всех случаях. Раскладка аэрационных систем по площади днища аэротенка играет важную роль в общей энергетике сооружения. Аэраторы, сами по себе, могут быть современными и эффективными, а проекты удачными и не удачными с точки зрения энергосбережения (рис. 1).

В обоих случаях аэраторы – диспергаторы приняты мелкопузырчатыми. Однобокое продольное расположение аэраторов, в отличие от рассредоточенного по всей ширине днища вызывает интенсивную поперечную циркуляцию иловой смеси или ее перемешивание. Это существенно сокращает время контакта пузырьков воздуха с иловой смесью, поэтому воздух в составе отходящих газов содержит повышенное содержание кислорода. Раскладка аэраторов по всей ширине днища коридора не вызывает продольного перемешивания, а скорость всплытия пузырьков снижается практически втрое. Вместе с тем, условие поддержания иловой смеси во взвешенном состоянии выполняется.

По отношению к процессам аэрации управление – это отклик на суточные и сезонные изменения технологических нагрузок. Управляемая подача воздуха воздухонагнетателями или другими устройствами ведет к значительным перепадам удельных нагрузок на аэраторы. Конструкция аэраторов должна компенсировать подобные перепады нагрузок. Так, полимерные трубчатые аэраторы (рис. 1, а) в нестационарных условиях быстро кольматируются, а мембранные (рис. 1, б) с успехом противостоят динамике нагрузок. Форма гибкой мембраны в процессе управления зависит от количества подаваемого воздуха до ее полного закрытия в момент прекращения подачи воздуха.

Оба представленных на рис. 1 решения отличаются пониженными затратами: левое – капитальными, правое – энергетическими.

Каким правилам должна подчиняться энергосберегающая раскладка аэраторов? Рис. 2 демонстрирует основные принципы, в соответствие с которыми реализуются с технические решения.

Рис. 2, а характеризует величины требуемого удельного потребления кислорода (AOR/ai , кг/(ч·г)) в соответствии с происходящими по длине аэротенка от впуска сточных вод к выпуску процессами:

• окисления органических загрязнений – углеродсодержащие вещества, определяемые БПК,

• окисления аммонийного азота – реакция обычно называется нитрификацией,

• эндогенного дыхания бактерий и микроорганизмов в составе активного ила, определяемого в натурных условиях респирометрическим анализом.

В соответствии с принципами формирования потребности в кислороде следует выполнять энергосберегающие проекты раскладки аэрационных систем. Высокие потребности в AOR/ai следует обеспечивать повышенным количеством (или плотностью) аэраторов, низкие потребности – пониженным.

Единственной оговоркой и корректировкой сказанного является особое отношение к конечным зонам аэротенков. Очень часто величины низкой потребности в кислороде в «хвосте» сооружений находятся уже ниже дозволенных, исходя из условия необходимости поддержания иловой смеси во взвешенном состоянии. Как требует СНиП [1], необходимо обеспечивать минимальную интенсивность аэрации, увеличив расход воздуха для зон с низкой потребностью кислорода.

Итак, если выполнять раскладку аэрационных систем по принципам энергосбережения следуя принципам формирования потребности в кислороде (рис. 2, а), плотность их раскладки будет убывать по длине сооружения. При этом достигается еще одно очень важное преимущество – задвижки на стояках (или плетях) аэрационных систем могут находиться в открытом состоянии постоянно. Как правило, положение этих задвижек вызывает большие хлопоты для службы эксплуатации, которая постоянно оптимизирует их положение, причем каждый последующий технолог настраивает их по-другому. Бесконечное количество возможных вариантов настройки задвижек на стояках целесообразно устранить на этапе проектирования. Тем более что энергоэффективность ни в коей мере не связана с общим повышением давления в системах аэрации.

рации. Вторым аспектом повышения энергоэффективности аэрационных систем является их раскладка по ширине коридора (рис. 2, б). Этот график построен по материалам СНиП [1], повышение эффективности аэрации в % представлено как модификация коэффициента К1. Как видно, с увеличением площади аэраторов в зонах аэротенка эффективность растет, достигая максимума в 72 %. Это происходит когда вся площадь аэротенка «покрыта» распределенной плетью аэрационной системы, как показано на рис. 1,б.

Поскольку вариантов раскладки аэрационных систем может быть представлено множество, приведем пример одного из первых, 1989 г., зарубежных анализов, представленных в документе Агентства по Защите Окружающей среды (США) [2].

Таблица демонстрирует эффект изменения нагрузки на единичные аэраторы – диффузоры. Эффективность использования кислорода, SOTE %, снижается с ростом нагрузки по воздуху на диффузор. Однобокое расположение аэраторов по эффективности «проигрывает» варианту полного покрытия днища аэротенка. Например, для мембран EPDM SOTE, в среднем, ниже на 77,8 % (3,5 м), 50 % (5,2 м), 30,6 % (7,0 м). Хотя имеется выигрыш по количеству установленных аэраторов. Это можно проследить по воздушной нагрузке на единичный элемент, он выше в 1,5–2 раза.

Табл. 1 построена по принципу убывания эффективности массопереноса в зависимости от раскладки аэраторов, так удобнее запоминать и анализировать варианты раскладок.

В отечественной практике оптимизация раскладки аэраторов, к сожалению, очень часто игнорируется, поскольку превалирует стремление улучшить массообменные характеристики отечественного аэрационного оборудования. Желательно, чтобы проектировщики в большей степени уделяли внимание принципам технологической раскладки аэрационных плетей, что существенно сэкономит регулярные энергозатраты при эксплуатации.

Характеристики аэраторов и их изготовление

Повышенная эффективность аэрации соответствует современной тенденции энергосбережения. Поэтапное развитие пневматических мелкопузырчатых аэраторов дает следующую линейку: фильтросные элементы (трубы и пластины), керамические композиции, пористые пластмассы, полимерные синтетические материалы (в основном трубы, реже пластины), тканевые, мембранные диспергаторы (в основном из полимерных материалов).

Фильтросные элементы имеют сопротивление: новые 5–7 кПа, старые 15– 20 кПа. К недостаткам этих систем следует отнести: со временем возрастание сопротивления, вызванное кольматацией, проблемы с монтажом и однородным воздухораспределением.

Примером качественно выполненных отечественным керамических аэраторов являются диспергаторы ЗАО «Бакор» (плиты и трубчатые) с пористостью 36–45 % и размером производимого пузырька 0,5– 3,0 мм.

Широкое применение в РФ получили пористые полимерные трубчатые аэраторы «Экополимер», «Экотон», «Этек», «Креал», «Уралставан-инжиниринг», которые обладают как сходством, так и конструктивным различием. Трубчатые аэраторы выполняются из опорного каркаса (с отверстиями и каналами, выполненными из ребер и углублений) и диспергирующего покрытия (навивка сплавленного пористо – волокнистого слоя или фиксация пористого ПВД). Иногда используется материал стеклопластик.

Подобные аэраторы несомненно имеют достоинства, выраженные в высоких массообменных и пониженных гидравлических характеристиках: эффективность (или степень) использования кислорода воздуха (SOTE) до 33–36 % (новые аэраторы, приводится для глубины 6 м), эффективность аэрации 3,0–4,5 кг/(кВт·ч), и снижение сопротивлений в аэраторах до 0,7–2,5 кПа.

Появление в конце 80-х годов мембранных мелкопузырчатых аэраторов позволило значительно увеличить управляемость процесса и снизить засорение аэрационных систем. В настоящее время мелкопузырчатые аэраторы с использованием мембран являются основным оборудованием для систем аэрации, особенно на современных сооружениях с применением процессов удаления азота и фосфора, а также автоматизированным регулированием подачи воздуха

Необходимость автоматизированного регулирования подачи воздуха в аэротенки диктуется требованиями энергосбережения и стабильной качественной очистки. Это достигается развитием способов технологического управления. Технологическое управление необходимо ввиду повсеместной исходной суточной и сезонной неравномерности расходов и концентраций исходного стока. Основное требование к аэраторам – соответствие возможности технологического управления. А именно, готовность воспринимать перепады расходов воздуха в достаточно широких диапазонах, зависящих от степени исходной неравномерности. Этим качеством из пневматических аэраторов обладают только мембранные, поскольку полимерные трубчатые аэраторы при технологическом управлении кольматируются

Классическими материалами для производства мембран являются следующие полимеры:

• EPDM – этилен пропилен диен мономер

• Полиуретан – в основном полиэфир, реже полиэстер

• Силикон – существенно отличен от других полимеров тем, что химические связи углерод-углерод замещены связями углерод-кремний-кислород (полиорганосилоксан).

Из табл. 2 понятно, что EPDM является материалом достаточно широкого спектра действия для городских, иногда промышленных сточных вод (в отсутствие масел и жиров). Когда состав сточных вод содержит стоки НПЗ, ЦБК, пищевой промышленности целесообразно использовать полиуретановую или силиконовую основу мембран. Силиконовые мембраны отличаются высокой стойкостью к концентрированным компонентам, хотя довольно часто используются для очистки городских сточных вод.

Представленные полимеры в классическом выражении довольно редко используются фирмами производителями без химических добавок пластификаторов и эластомеров. Например, в структуру EPDM иногда внедряются парафиновые масла в качестве пластификаторов, которые не образуют жестких внутренних химических связей между звеньями в общей структуре полимера. Поскольку парафины биоразлагаемы, они могут диффундировать из структуры материала, способствуя развитию хрупкости, потере эластичности и росту сопротивлений. Некоторые фирмы – производители намеренно отказываются от широкого использования пластификаторов и эластомеров, предполагая возникновение отрицательных эффектов.

Однако, по сведеньям фирмы SSI (США) антиадгезионное покрытия PTFE (политетрафлюороэтилен, фторэластомер), способствуют защите материала EPDM от воздействия разрушающих элементов. Этот эластомер продлевает исходную эффективность использования кислорода SOTE во времени и создает устойчивость к нарастанию сопротивления в системе. Сведения радуют, но, вместе с тем, требуют проверки.

Современное развитие полимерных материалов ориентировано также на использование смесей элементов, например силикона и EPDM, что способствует эластичности комплексного материала и его химической стойкости к маслам и углеводородам.

Секрет производства качественных мембран кроется также и в использовании современного оборудования. Так, например, Китайская фирма U&D способна обеспечить повышенную плотность мембран на современнейшем прессе давлением 300 тонн, что позволяет выпускать до 2 млн. мембран в месяц. Мембраны для трубных и алюминиевых модулей производятся на уникальном стане длиной 47 м с производительностью 6 м минуту (рис. 3). Производитель имеет свои собственные разработки, защищенные 11 патентами, уже 14 лет проектирует системы аэрации, реализовано порядка 1000 проектов.

Фирма-производитель, гордясь качеством своей продукции, реализовала необычный тест, названный в шутку «crash test». Через аэраторы пропускались расходы воздуха, 20-кратно превышающие рабочие нагрузки. Эластичные и прочные аэраторы при этом раздувались, причем давление в системе измерялось непрерывно до момента их разрыва. Давления разрушения соответственно для аэраторов: дисковые, борд и трубчатые составили – 0,8; 0,45; 0,65 атм.

Форма аэраторов – диспергаторов в любом случае достаточно практичная: диск, трубчатый модуль, пластина (или борд). Перфорация мембран выполняется обычно насечкой 1–2 мм при прессовании. Формование мембран происходит при использовании прессов и вакуумной технологии, что обеспечивает высокое качество продукции.

В качестве конструктивной основы для установки мембран используются материалы: ПВХ, ПНД, алюминий, реже – нержавеющая сталь. Производство усиленного трубного модуля и пластмассовой подосновы под дисковый аэратор представлено на рис. 4.

Выбор аэраторов

В международной практике при выборе аэратора обычно учитывают его массообменные характеристики SOTE, площадь, обслуживаемую одним аэратором, которая зависит от площади мембраны и формы аэратора, удобство монтажа, цену, затраты по замене, обслуживанию и прочее. Количество подаваемого в аэрационную систему воздуха пропорционально степени использования кислорода воздуха SOTE для выбранного типа аэраторов.

Данные о современных мембранных аэраторах представлены в табл. 3 [3].

Передовые производители мембран предлагают современные системы аэрации с эффективностью массопереноса в среднем диапазоне 42–43 % для принятой глубины погружения 6 м, и различную форму мембранных аэраторов: трубчатую, дисковую, пластинчатую (борд). При этом используются все перечисленные в табл. 2 материалы для мембран.

Экономически оправданные сроки службы современных аэраторов из EPDM составляют 5–6 лет (для композиций с пониженным содержанием пластификаторов возможно 8 лет), а силиконовых и полиуретановых мембран до 8 лет.

Системы воздухораспределительных креплений к днищу аэротенка выполняются, как правило, на болтах либо анкерных, либо химических. Общая сборка воздухораспределительных систем не имеет единого стандартного решения для фирмпроизводителей. Софт – коннекторы, защелкивающиеся замки, резьбовые соединения и т.д. в сочетании с различными материалами не унифицированы среди производителей.

Одним из первых патентомобладателей на диспергатор с использованием мембран стала фирма Sanitaire (США). В табл. 2 приведена ее современная пластинчатая модификация серии «Gold». Еще в 1998 году авторы проводили на Люберецкой станции аэрации генподрядные работы по инжинирингу, монтажу и наладке системы биологического удаления биогенных элементов на базе энергосберегающих принципов. При устройстве новых аэраторов эффективность использования кислорода воздуха возросла с 7 % до 18 % [4].

Наблюдается современная тенденция производства крупных аэраторов с увеличенной площадью мембран, к конструкциям такого рода относится довольно интересное решение – сдвоенные диски (рис. 5, а). Это позволяет сокращать затраты на воздухоразводящие системы, которые в случае дисковых аэраторов с малой площадью могут достигать до 50 % стоимости системы аэрации в целом. Крепление современных аэраторов позволяет максимально упростить монтаж.

На рис. 5, б представлен мембранный диффузор, разработанный специально для контактного процесса периодической аэрации (SBR). Аэратор имеет горизонтальную поверхность поддерживающего слоя, что, по сведениям фирмы способствует улучшению распределения воздуха и более плотному закрытию мембраны в момент прекращения подачи воздуха.

Наибольшую эффективность имеют аэраторы Bioworks, в среднем  50 %, что позволяет экономить до 18 % расхода воздуха в сравнении с другими производителями. Это объясняется увеличением массопереноса за счет движения аэратора относительно жидкости. Аэратор раскачивается в воде на гибкой системе креплений за счет динамики восходящих аэрационных потоков. Сравнение эффективности гибких (качающихся) аэраторов и жестко закрепленных представлено на рис 6.

В случае аэрационной системы Bioworks аэрационный модуль разрабатывался совместно с системой промывки, что позволяет производить воздушную промывку достаточно часто и практически постоянно поддерживать высокую эффективность системы. Все ведущие производители аэраторов рекомендуют применение систем промывки.

Достаточно продолжительные сроки службы мембран из силикона предлагает фирма REHAU, разработки которой направлены на увеличение стойкости мембран.

В процессе эксплуатации возможна замена мембран для восстановления энергоэффективности. Осуществление замены связано с трудоемкостью процесса, принимая во внимание большое количество единичных модулей. Как упростить эту задачу? Приведем пример.

Для комплектации средних и крупных аэротенков мембранными аэраторами предлагается вариант сооружений называемый «алюминиевый борд», (рис. 7). Данное решение экономит количество воздухоразводящих труб, сокращает сроки и стоимость монтажа. Алюминиевая основа, в отличие от полимерной, не подвержена старению, изменению свойств материала и его размеров.

Конструкция мембран выполняется таким образом, чтобы до минимума упростить ее замену. Последовательность замены весьма проста: 1 – рулон ленты мембраны разрезается на проектные длины, 2 – отрезок мембраны вручную заводят в продольные пазы алюминиевого корпуса, 3 – по краям мембраны фиксируются упругими защелками из нержавеющей стали. Модули выполнены подъемными для удобства эксплуатации.

 

Эксплуатация аэраторов в условиях поддержания их высокой эффективности

Практика эксплуатации аэрационных систем в России представляет иногда не очень приятные примеры, когда их состояние в условиях периодических ремонтов характеризуется как критическое (рис. 8). На некоторых станциях аэрации сопротивление возрастает на 20 Па (или 2 м.в.ст.), при этом заказчики настаивают на увеличении расчетных давлений на эту величину, хотя это приводит к резкому снижению энергоэффективности. Подбор завышенной мощности воздуходувного оборудования при обеспечении необоснованно высоких давлений в воздухоразводящих системах – негативный пример расточительного обращения с энергоресурсами.

На практике энергосбережение в полной мере характеризуется величиной эффективности использования кислорода воздуха AOTE или OTE, (%). Этот показатель сопряжен с величиной окислительной способности аэратора в реальных условиях AOR (кгО2/час) и в 1,5–2,5 раза ниже SOTE, поскольку учитывает влияние следующих факторов:

• коэффициент качества воды [1], принятый в зарубежной практике как α-фактор. Выражается отношением: KLa (реальные условия) / KLa (стандартные условия) для новых аэраторов

• β-фактор, выражающий соотношение между насыщением кислородом в реальных условиях к аналогу в стандартных условиях

• Θ-фактор, отражающий влияние температуры иловой смеси на объемный коэффициент массопередачи KLa к аналогу в стандартных условиях

• давления P, температуры Т

• коэффициент засорения аэраторов F[5,6]: KLa (старые аэраторы) / KLa (новые аэраторы) за указанный срок эксплуатации

• соотношение площадей аэрируемой зоны и аэротенка f az/fat [1] (в зарубежной практике AT/AD).

Элементом, вызывающим интерес и споры, является F-фактор, не достаточно изученный в отечественной практике. Он свидетельствует о необходимости воздушной и/или химической промывки  регенерации мембранных аэраторов, а также об их старении (рис. 9).

 

Рис. 10 демонстрирует косвенную характеристику фактора F – изменение сопротивлений мембранными аэраторами в процессе эксплуатации. Данные приводятся для классических материалов, описанных в табл. 2.

Увеличение сопротивления мембран приводит к увеличению потерь энергии, и в ряде случаев, к нарушению процессов аэрации в сооружениях. Из графиков на рис. 10 видно, что не все мембраны увеличивают сопротивление.

В ходе старения мембраны из полиуретана теряют упругость, а мембраны из EPDM, наоборот, теряют эластичность. Для EPDM во всем диапазоне расхода воздуха наблюдается существенное увеличение потерь напора для бывших в работе аэраторов. А для полиуретана, наоборот, в диапазоне низких расходов наблюдается снижение сопротивлений. Оба явления, наряду с доказанной экспериментально потерей прочности, обнаруживают наличие химического старения мембран, что неблагоприятно для эксплуатации аэраторов. Потеря эластичности увеличивает затраты энергии и не позволяет порам раскрываться равномерно, а потеря упругости приводит к их растягиванию, неполному закрытию и усилению процессов кольматации.

В конце концов, изменение свойств мембраны приводит к возникновению механических разрушений, в первую очередь, в местах отверстий, через которые проходит воздух. Увеличение размеров отверстий изменяет диаметр пузырьков и резко снижает эффективность аэрации.

Материал EPDM был испытан [6] в стандартных условиях (продолжение опыта, рис. 9). Испытания проводились до очистки мембран и после очистки чистой водой и кислотой, рис. 11. После очистки коэффициент массопереноса KLa восстанавливался в значительной степени. Показатель сопротивления аэраторов DWP также восстанавливался, но в меньшей степени. В этой области техники наблюдается явный дефицит экспериментальных исследований. Было отмечено, что эффективность использования кислотных промывок в большей степени влияет на удаление неорганических кольматирующих веществ и в значительно меньшей степени – органических.

Все ведущие производители аэраторов (см. табл. 3) рекомендуют применение систем промывки. Специалисты фирмы GummiJaeger (Германия) подтверждают снижение энергозатрат после воздушной и химической кислотной промывки, сопротивление снижается в среднем на 65 % (усреднено по рабочему диапазону). При этом мембраны полностью не восстанавливаются и их сопротивление повышается в среднем на 23 % по сравнению с первоначальным (табл. 4).

Некоторые крупные станции аэрации сообщают о снижении эффективности отечественных мембран более чем на 30 % уже в первые 2–3 года эксплуатации, а также о практически полной потере эластичности мембранами, бывшими в эксплуатации без промывки 3–5 лет.

Если аэрационные системы не подвергаются своевременной промывке и часть пор не работает в силу их обрастания и кольматации, то механическая нагрузка на оставшиеся поры увеличивается, и процессы механического разрушения происходят быстрей, что, в свою очередь, дополнительно снижает срок эксплуатации аэраторов. Большинство крупных фирм-производителей аэраторов предлагают оборудование для осуществления химической промывки методом введения газа или раствора кислот в распределительную систему аэраторов. 

Резюме

Основой управляемых процессов биологической очистки являются пневматические мембранные аэраторы, способные воспринимать колебания нагрузок по воздуху в достаточно широких диапазонах, соответствуя исходным нагрузкам сточных вод.

Энергосберегающие принципы раскладки мембранных аэраторов по зонам аэротенка: количество или плотность аэраторов по длине аэротенка следует принимать в зависимости от величин потребности кислорода с учетом условия необходимости поддержания иловой смеси во взвешенном состоянии; распределять аэраторы целесообразно с одинаковой плотностью по всей ширине коридора.

Передовые производители мембран предлагают современные системы аэрации с эффективностью массопереноса в среднем диапазоне 42–43 % для принятой глубины погружения 6 м. Технология изготовления мембран непрерывно изменяется путем совершенствования механических устройств прессования, вакуумирования и т.д. и химического состава мембран (добавок, пластификаторов, эластомеров и смесей классических полимеров).

Для увеличения срока службы мембран ведущие производители аэраторов рекомендуют применение воздушной и/или химической промывки 1 раз в 12–24 месяца. Это способствует энергосбережению, поскольку снижает сопротивление систем аэрации.

При падении эффективности мембранных аэраторов (в условиях регулярных промывок) на 20 % в связи с их старением экономически целесообразно заменить мембраны или систему. Вводится понятие «экономически оправданный срок службы мембран». Он зависит от качества их изготовления и материалов. При этом срок может составлять 5–6 лет или не менее 8 лет

Для корректного сравнения и выбора аэраторов следует предусматривать в технических условиях по закупкам общепринятые в международной практике параметры и определения (в статье приведены отечественные и соответствующие им зарубежные аналоги).