Принцип продольной рециркуляции в аэротенках карусельного типа

Невероятно, но факт: первые аэротенки были построены именно по принципу продольной рециркуляции, т. е. карусельному типу1 . Первое советское упоминание [1] (В. Ф. Иванов, изд. 1929 г.) дает ссылку на «механические аэро-тэнки системы Haworth» впервые внедренные в английском городе Шеффилд (1921–1924 гг.) при общей производительности объекта для первой и второй очереди (3 400 + 68 000= 88 320) м3 / сут, рис. 1. Система, для двух очередей, включала узкие желоба поперечным сечением 1,2 х 1,2 и 1,8 х 1,3 м. Благодаря продольным стенкам удлиняется путь движения сточной воды (до 1200 и 1690 м соответственно). «Движение воды в желобах около 0,5 м / сек создавалось посредством погруженных до середины и помещенных на двух параллельных валах колес, установленных посередине желобов и делающих до 15 об / мин при использовании электромотора мощностью 20 HP» (~15 кВт). Число резервуаров (1 + 16) ед., число каналов в каждом резервуаре (18 + 22) ед. «Из отчетов о работе био-аэраторов можно видеть, что в них получается очень высокий эффект очистки и вытекающая из осадочных бассейнов жидкость совершенно светла, лишена способности загнивать и без всякого запаха. Это легко объясняется тем, что притекающая в био-аэратор жидкость подвергается смешиванию с перемещающейся в ней уже очищенной водой, составляя незначительный процент ее объема».

Исходные данные позволяют определить коэффициент рециркуляции КR (1) для этой системы КR = 26,9. Развитие городов и хозяйства привело к необходимости централизованной биологической обработки больших масс сточных вод при использовании центробежных воздуходувных машин, способных распределить воздух на глубинах аэротенков до 6 м (иногда более). Поскольку подаваемый воздух обеспечивал не только процессы аэрации, но и перемешивания, необходимость в рециркуляторах продольного типа отпала. Массовое развитие крупных аэротенков оформлялось геометрически в виде прямоугольных емкостных резервуаров при ограниченной глубине. Причем аэротенки гидродинамической структуры потока смесителей, как правило, имеют прямоугольную в плане форму, а вытеснители устраиваются по коридорному принципу. В период массового строительства крупных аэротенков в России (1950–70е годы) аэротенки с продольной рециркуляцией иловой смеси отсутствовали. В малой канализации среди типовых решений внедрялись циркуляционные окислительные каналы (ЦОК, глубиной ~ 1 м и средней скоростью окисления по БПКполн — 6 мг / (г. ч)) с поперечными горизонтальными щеточными аэраторами, являющимися продольными рециркуляторами иловой смеси.

Аэротенкам с продольной рециркуляцией иловой смеси (АПРИС) по «карусельному» типу требовался двигатель — рециркулятор, способный формировать горизонтальные потоки, рис. 2. При этом коэффициент рециркуляции КR определяется зависимостями с учетом или без учета влияния внешнего контура рециркуляции возвратного ила из вторичных отстойников:

где Q, QВИ, QR — расходы соответственно исходных сточных вод, возвратного ила и продольного рецикла иловой смеси.

Строго говоря, в американской практике с конца 1970-х г. г. использовались механические аэраторы, как рециркуляторы потока, рис.3. Практически одновременно в России эту роль выполняли эрлифтные аэраторы — рециркуляторы [3]. 

С середины 1970-х годов появляется оборудование, способное осуществлять роль рециркуляторов иловой смеси — мешалки, снабженные погружным электродвигателем (IP68), которые при горизонтальном размещении в коридорных аэротенках, с успехом внедряются для обеспечения принципа продольной рециркуляции, рис. 4. Чуть позже, на базе тех же мешалок были разработаны рециркуляционные осевые насосы для обеспечения межзонной (аэробная, аноксидная, анаэробная) рециркуляции.

К этому времени пневматические аэраторы конструктивно усовершенствовались, приобрели качество высокоэффективных, мелкопузырчатых. Современная инженерная раскладка аэраторов также вызвана требованием повышения эффективности растворения кислорода воздуха и КПД аэрации. Она выполняется позонно в виде плетей и равномерно по ширине коридора.

О НАДЕЖНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ

Аэротенки с зонной аэрацией требуют комплексной поддержки устройствами горизонтального перемешивания. Одно из базовых и фундаментальных инженерных решений — аэротенк с продольной рециркуляцией иловой смеси (АПРИС) по «карусельному» типу, где функциональные обязанности разделены: ввод кислорода осуществляется аэраторами, перемешивание — мешалками, рис. 5а

Такое комплексное решение накладывает особую ответственность на надежность работы мешалок погружного типа, ведь в случае их выхода из строя работоспособность конструкции в целом не снижается, а прекращается (относится к варианту — рис. 5а).

Способы повышения надежности:

Резервирование оборудования на склад с возможностью срочной установки (хотя бы 1–2 ед.),

Использование оригинальных установочных аксессуаров мешалок, рассчитанных фирмой — производителем на прочность и противостояние резонансным нагрузкам,

Устройство шкафов управления, позволяющих предсказать возможные выходы из строя мешалок на ранних этапах (перегрев и перегрузка двигателей, сигнализация течи воды в статорный отсек или в масляный картер).

Обеспечение проходов по технологическим мостикам с достаточно тяжелым оборудованием и наличие на местах подъемных устройств (возможно переносных).

О KR И МОЩНОСТИ РЕЦИРКУЛЯЦИОННЫХ ПОТОКОВ

Творчество инженера способно реализовать на практике любой разумный KR или гидравлическую мощность рециркуляции при наличии совершенного оборудования. Вопрос в том, как оценить размер наиболее часто используемых на практике соотношений исходного и рециркуляционного расходов (формула 1, рис. 2)? 

Прикидочные расчеты позволяют оценить этот размер при условиях, обозначенных на рис. 6.

Данные приводятся для ширины коридоров В = 6–12 м. Минимальная длина аэротенка Lmin составляет 40 м, чтобы выполнить конструктивное условие. Этот параметр целесообразно определять как: Lmin ~ 7 B.

Для вполне реальных условий, рис. 6 с u= 0,3 м / с, расходы продольной рециркуляции в 21,6–162 крат превышают исходные. 

О ГИДРОДИНАМИКЕ.

Реакторы для очистки сточных вод условно делятся на аэротенки смесители и вытеснители. В первом случае считается, что вся жидкость в реакторе полностью перемешивается, и концентрации постоянны в любой точке реактора. Во втором случае считается, что жидкость не перемешивается, и каждый поступивший объем движется по оси реактора (аэротенка), не контактируя с соседними объемами. Оба случая являются некоторой идеализацией процесса. Реально конструкции аэротенков редко приближаются к идеальным смесителям и практически никогда не являются идеальными вытеснителями. В зависимости от скорости течения жидкости, интенсивности перемешивания, формы аэротенка и времени пребывания поступившая порция жидкости по мере движения по аэротенку обязательно перемешивается с частью содержимого реактора. Если степень этого смешения велика, то реактор относят к смесителям, если мала — то к вытеснителям. На практике степень смешения жидкости определяется по кривым отклика реактора при трассировке биологически не активным трассером (не вступающим в реакцию в сооружении).

К описанию реальной гидродинамики в аэротенках существует два подхода: представление реактора в виде набора ячеек идеального смесителя (чем больше ячеек, тем более выражена неравномерность концентраций по длине реактора) и диффузионное описание процесса, при котором предполагается, что продольное смешение жидкости описывается коэффициентом турбулентной диффузии2 DL , а структура реактора определяется отношением этого коэффициента к произведению скорости течения и длины реактора DL / uL. Обратная данному выражению величина называется критерием Пекле Pe = 1 / (DL / uL). Вид кривых отклика для разных режимов в реакторе представлен на рис 7а [5].

Исследования с помощью трассировки изотопами реальных аэротенков московских станций аэрации с длинными (более 100 м длиной), аэрируемыми по всей длине коридорами, показали, что величина DL находится в переделах 370–840 м2 / час, а число эквивалентных ячеек — от 7 до 76 [6].

Кроме описанных режимов, еще существуют реакторы с высокой степенью внутренней рециркуляции — АПРИС, где сам реактор, как правило, приближается к вытеснителю. Кривые отклика таких реакторов представлены на рис 7б, где заметно возникновение дополнительных пиков концентрации трассера с увеличением коэффициента рециркуляции.

Для описания таких реакторов так же может применяться как ячеистая модель, так и описание с помощью диффузионной модели. Для любого участка такого реактора, если известно DL , величина DL / uL определяется длиной выбранного участка и скоростью с учетом рециркуляции. Это особенно важно, если учитывать, что конструктивно разные участки подобных реакторов (в зависимости от наличия систем аэрации, поворотов и т. п.) могут иметь разные величины DL .

Зависимость дисперсионного критерия аэротенков от коэффициента продольной рециркуляции иловой смеси аппроксимируется следующим соотношением:

Сравнение различных расположений рециркулярных узлов по длине аэротенка показало, что с приближением узла рециркуляции к концу аэротенка общая структура потока становится ближе к вытеснителю. Таким образом, посредством изменения коэффициента рециркуляции можно изменить структуру потока любого реактора, кроме реактора с идеальным смещением. Практический же интерес представляют реакторы-вытеснители, где продольная рециркуляция реализуется в полном объеме. Например, при первоначальном DL /uL равном 0,03, соответствующей незначительному продольному смешению, с увеличением коэффициента рециркуляции до 5 величина DL /uL увеличивается до 0,34, что уже соответствует интенсивному продольному смешению в АПРИС.

О СКОРОСТИ ПРОДОЛЬНОЙ РЕЦИРКУЛЯЦИИ

 рис. 6 достаточно условно для показательной оценки величин KR . Оценка u носит рекомендательный характер, при этом ее точная величина определяется в современных условиях методом компьютерного анализа CFD3 [7]. В аэротенках различного типа величина расчетной u связана с поддержанием иловой смеси во взвешенном состоянии и в близости от дна (на 15–20 см) составляет 0,15–0,3 м / с [8]. На повышенных глубинах (6–12 м) эту скорость следует корректировать в сторону увеличения. Величину u =0,3 м / с принято считать универсальной в схемах с песколовками и скоростью осаждения активного ила • 1 мм / с. В любом случае диапазон u = 0,2–0,4 м / с типичен для процессов очистки в аэротенках с учетом устройства современных зон: анаэробных, аноксидных, с установкой плетей аэраторов (но в отсутствии подачи воздуха4 ).

Фундаментальные научно-практические вопросы турбулентного и ламинарного перемешивания в т. ч. многофазных систем, скоростей и их градиентов, экспериментальные методы, а также области промышленного использования и роли поставщиков оборудования представлены в [7]. Вопросы перемешивания в очистке сточных вод и при аналогичном использовании рассмотрены в [9]. В России обычно конструируют аэротенки с верхним изливом иловой смеси. Для этих условий рекомендуются средние расчетные величины u, м / с, зависящие от наличия предварительной очистки:

0,32–0,35 при устройстве решеток прозорами

10 мм; 0,28–0,31 при устройстве решеток прозорами

10 мм, с песколовками, но без первичного отстаивания; 0,25–0,27 при устройстве решеток с прозорами

10 мм, песколовок и первичного отстаивания;

0,3 при устройстве первичного отстаивания и систем аэрации в АПРИС; 0,15–0,18 для глубокой доочистки в биопрудах без высшей водной растительности при наличии предварительной механической и биологической очистки.

Для рассматриваемых АПРИС типичны условия формирования горизонтальных потоков мешалками при наличии вертикально восходящих водо-воздушных потоков систем аэрации с зонной раскладкой плетей, рис. 5а. Для того чтобы осуществить технологический подбор продольного рециркулятора — мешалки, требуется оценить раскладку сил сопротивления горизонтальному потоку F, учитывающих все типы гидравлических сопротивлений (дна, стен резервуара, плетей аэраторов и др.). При этом величина расчетной скорости u зависит от характера сопротивления водо-воздушных препятствий или сил сопротивления «аэрационной преграды».

Физический механизм двухфазного потока АПРИС, характеризуется отношением удельных мощностей двух потоков, которое выражается числом Фруда Fr. Первая энергия вызвана скоростью горизонтального потока u,  создаваемой мешалками в «карусельной» зоне, вторая — им противодействующей вертикальной скоростью восхождения потоков от систем аэрации:

Назначенная расчетная скорость u должна быть достаточно велика для того, чтобы побороть v air. И, наоборот, u следует ограничить в рамках оптимума, поскольку неоправданное увеличение удельной мощности горизонтального потока приводит к излишним энергозатратам и количеству установленного оборудования. Функция мешалок в АПРИС превалирует над функцией аэрационных систем, поскольку влияет на работоспособность конструкции в целом.

Оценка предлагаемых вариантов инженерных систем АПРИС с учетом достигаемых величин Fr • 0,3 является обязательным условием при проектировании5 . В противном случае систему продольной рециркуляции с аэрацией лучше перепроектировать, переназначив величину I. Наибольший практический интерес представляет функциональная зависимость скорости горизонтального потока от интенсивности аэрации u ~ f (I) при Fr= 0,3 как балансовой величине, рис. 8.

Представленная на рис. 8 диаграмма является рекомендацией к проектированию АПРИС по «карусельному» типу и универсальна для любого типа конфигураций. Данная рециркуляционная модель относиться к технологическим моделям с повышенными коэффициентами рециркуляции (КR ~ 20–400).

О КОНСТРУИРОВАНИИ АПРИС

Принципы расстановки мешалок в сооружениях различных конфигураций и их ориентация — это отдельная тема, требующая глубокого анализа. Компании производители, как правило, справляются с этим заданием. Проектировщикам рекомендуется знать следующее:

Исходными данными для подбора являются геометрические размеры зон или резервуаров для перемешивания, концентрация иловой смеси, сведения о предварительной механической очистке,

Гидродинамические задачи перемешивания решаются численными методами, например, методом компьютерного анализа CFD, экспериментальными методами трассирования, прямых замеров величин скоростей и визуализации потока жидкости. Накопленный опыт часто переносится фирмами — изготовителями перемешивающего оборудования в программное обеспечение по его подбору. Компании- производители не имеют унифицированных общих для всех рекомендаций, отражающих принципы позиционирования,

В качестве результата компании- производители предлагают количество, марку мешалок с техническим описанием (размеры, мощность и т. п.) и набор установочных аксессуаров с подъемным устройством или без него. Но этого мало, следует потребовать схему размещения мешалок в резервуаре с размерами и углами установки мешалки по отношению к стенкам резервуара. Это очень важно, поскольку выбранная марка обязательно соответствует схеме ее размещения в резервуаре! 

Мешалки из каталогов производителей подбираются по показателю Тяга (Thrust), Ньютон. 

С учетом опыта производственных фирм можно порекомендовать следующие конструктивные размеры для АПРИС, рис. 9, табл. 1.

Табл. 1 составлена для наиболее типичного варианта высокопроизводительного АПРИС с крупными мешалками редукторного типа и энергосберегающими по конструктивному принципу. В случае устройства мешалок с прямым приводом на вал некоторые размеры могут отличаться от заявленных размеров. Аналогичное условие действует для случая устройства кольцевых круглых АПРИС. При недостатке данных фирмы-производители готовы их предоставить, поскольку не всегда удается охватить всю многовариантность возможных на практике инженерных решений.

Данный тип аэротенков с использованием заргузочного материала возможен, если он взвешенного, плавающего типа. Использование фиксированных на каркасе загрузок не подтверждается практикой использования.

Удобное место для впусков (сточных вод и возвратного ила) в случае компоновки рис.9 располагается на ¾ последней аэрационной плети по ходу продольной рециркуляции (ближе к мешалке). Для выпуска иловой смеси — на середине участка L3 .

Минимальные допуски на расстояния L1 , L3 , L5 , L6 учитывают необходимость выравнивания скоростей потоков и снижения гидравлических сопротивлений. Необходимость допусков L2 , L4 вызвана требованием обеспечить сбалансированные нагрузки на пропеллер мешалки, путем устранения пост-аэрационного турбулентного эффекта и попадания газовой фазы на пропеллер мешалки.

Плети аэрации возможно располагать на поворотах (L — Lc ), но это будет являться дополнительным сопротивлением, что потребует увеличения мощности мешалок. Тема гидравлических сопротивлений АПРИС требует отдельного рассмотрения

Практика может диктовать множество различных инженерных вариантов АПРИС, не конфликтуя с рекомендациями, табл. 1., которые носят общий характер. Так, например, с помощью компьютерного анализа CFD не изменяя установленной мощности и типа мешалок, а только за счет их позиционирования (или привязки) и изменения вертикального угла установки можно добиться серьезного изменения Fr и u общей системы АПРИС [10].

О ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ ОЧИСТКИ.

Данный вопрос требует отдельного рассмотрения, поэтому ограничимся основными позициями. Продольный ре цикл иловой среды на работу аэротенков оказывает стабилизирующее влияние не только при регулярных суточных колебаниях технологической нагрузки, но и при ава рийных ситуациях, а также стохастических залповых сбросах сточных вод. Он сочетает в себе одновременно достоинства вытеснителей (по увеличенной длине пробега иловой смеси) и смесителей (по равномерному распределению технологической нагрузки). 

Совместное использование горизонтальных продольных рециркуляторов (мешалок погружного типа, генерирующих горизонтальные циркуляционные потоки) и аэрационных систем увеличивает массоперенос кислорода (KL a). Механизм влияния можно описать следующим образом. Без влияния горизонтально ориентированных потоков аэрационные плети организуют эрлифтную циркуляцию в коридоре аэротенка с уменьшением времени контакта с газовой фазой. Продольная рециркуляция устраняет этот негативный эффект. При неудовлетворительной работе системы аэрации эффект влияния максимален (до 100 %).