Конструирование аэротенков с продольной рециркуляцией иловой смеси

На основе анализа представлены физический механизм и оптимизационный расчет аэротенка гидродинамической структуры вытеснителя с продольной рециркуляцией иловой смеси. Данная конструкция сочетает в себе одновременно достоинства вытеснителей (по увеличенной длине пробега иловой смеси) и смесителей (по равномерному распределению технологической нагрузки). Представлено сравнение конструктивных размеров проекта аэротенка на базе рекомендаций ведущих фирм – производителей перемешивающего оборудования. 

Ключевые слова: аэротенк, продольная рециркуляция, погружная мешалка, система аэрации.

Процессы биологической очистки сточных вод в аэротенках вне зависимости от удаления биогенных элементов могут быть реализованы в сооружениях гидродинамических конфигураций: смесителей, вытеснителей и аэротенков-вытеснителей с продольной рециркуляцией иловой смеси (АПРИС). Последнее иногда называют карусельным аэротенком. Реализация процессов – дело инженерное, поэтому АПРИС – это конструкция с оптимизационными расчетами.

Продольный рецикл иловой смеси на работу аэротенков оказывает стабилизирующее влияние не только при регулярных суточных колебаниях технологической нагрузки, но и при аварийных 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). 

В АПРИС ввод кислорода осуществляется аэраторами, перемешивание – мешалками (рис. 1). Представлен комплексный вариант с пневматической системой аэрации и обозначением процесса денитрификации (зона Анокс). Процесс денитрификации протекает симультанно, эффективность его зависит не только от кинетических параметров и технологических нагрузок, но и от расхода воздуха и конфигурации аэраторов (процент покрытия днища аэротенка).

Скорость продольной рециркуляции u носит рекомендательный характер, при этом ее точная величина определяется в современных условиях методом компьютерного анализа CFD1 [1]. 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 [2].

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 [1].  Вопросы перемешивания в очистке сточных вод и при аналогичном использовании рассмотрены в [3]. В России обычно конструируют аэротенки с верхним изливом иловой смеси. При устройстве первичного отстаивания и систем аэрации в АПРИС рекомендуются средние расчетные величины u ≥ 0,3 м/с

Для АПРИС типичны условия формирования горизонтальных потоков мешалками при наличии вертикально восходящих водовоздушных потоков систем аэрации с зонной раскладкой плетей (см. рис. 1). Технологический подбор продольного рециркулятора-мешалки производится при оценке раскладки 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 водовоздушных 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 pair. 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 проектировании2 . 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. 2).

Представленная на рис. 2 диаграмма является рекомендацией к проектированию АПРИС по карусельному типу и универсальна для любого типа конфигураций. 

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. 3, табл.).

Таблица 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. 3) 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 постаэрационного 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 (см. таблицу), 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 [4].

ВЫВОДЫ 

1. Рассмотрен физический механизм двухфазного потока аэротенка-вытеснителя с продольной рециркуляцией иловой смеси, включающий зависимость скорости горизонтального потока от интенсивности аэрации.

2. Представлены рекомендации фирм-производителей перемешивающего оборудования по конструированию аэротенков с продольной рециркуляцией иловой смеси.