1. Введение и цели исследования
Статья посвящена ключевым аспектам проектирования и эксплуатации аэрационных систем в биологической очистке сточных вод. Основные цели:
Статья посвящена ключевым аспектам проектирования и эксплуатации аэрационных систем в биологической очистке сточных вод. Основные цели:
- Теоретическое обоснование: Изучение механизмов массопереноса кислорода.
- Практическое применение: Выбор аэраторов на основе эффективности, энергопотребления и простоты обслуживания.
- Дополнительные факторы: Учет испарения летучих соединений, образования тумана, охлаждения воды.
2. Терминология и стандарты
Авторы подчеркивают важность стандартизированной терминологии для корректного сравнения аэраторов:
В США (ASCE) и ЕС приняты единые методы тестирования аэраторов в чистой воде для исключения субъективности.
Авторы подчеркивают важность стандартизированной терминологии для корректного сравнения аэраторов:
- OTR (Oxygen Transfer Rate): Количество кислорода, переданное в воду за единицу времени (кг O₂/ч).
- SOTR (Standard OTR): OTR в стандартных условиях (20°C, 1 атм, нулевая соленость, DO = 0).
- OTE (Oxygen Transfer Efficiency): Отношение поглощенного O₂ к поданному (%).
- SAE (Standard Aeration Efficiency): Энергоэффективность (кг O₂/кВт·ч).
- α-фактор: Отношение kLa в сточной воде/к kLa в чистой воде. Ключевой параметр для учета влияния загрязнений.
- F-фактор: Коэффициент загрязнения аэраторов (снижение эффективности со временем).
В США (ASCE) и ЕС приняты единые методы тестирования аэраторов в чистой воде для исключения субъективности.
3. Теоретические основы аэрации
Двухпленочная теория (Lewis & Whitman, 1924):
Кислород диффундирует через газовую и жидкостную пленки на границе раздела фаз.
Двухпленочная теория (Lewis & Whitman, 1924):
Кислород диффундирует через газовую и жидкостную пленки на границе раздела фаз.
Уравнение переноса:
OTR=kLa⋅(DOsat−DO)⋅V, где:
Поправки для реальных условий:
- kLa – коэффициент массопереноса (ч⁻¹),
- DOsat – насыщенная концентрация O₂ (зависит от глубины и давления),
- DO – текущая концентрация O₂ в воде.
Поправки для реальных условий:
- α-фактор: Учитывает влияние ПАВ, жиров и взвесей. Для муниципальных стоков α = 0.3–0.8.
- β-фактор: Коррекция на соленость (β ≈ 0.95–0.99 для пресной воды).
- θ-фактор: Температурная зависимость (θ = 1.024).
4. Типы аэрационных систем
4.1. Поверхностные аэраторы
Принцип работы: Механическое разбрызгивание воды для контакта с воздухом.
Типы:
Минусы: Низкая SAE, охлаждение воды, образование тумана.
4.2. Диффузные аэраторы
Мелкопузырчатые (1–3 мм):
4.1. Поверхностные аэраторы
Принцип работы: Механическое разбрызгивание воды для контакта с воздухом.
Типы:
- Высокоскоростные (900–1200 об/мин): Маломощные (<50 кВт), низкая эффективность (SAE = 0.9–1.3).
- Низкоскоростные (40–60 об/мин): До 150 кВт, SAE = 1.5–2.1.
Минусы: Низкая SAE, охлаждение воды, образование тумана.
4.2. Диффузные аэраторы
Мелкопузырчатые (1–3 мм):
- Материалы: EPDM, полиуретан, силикон, керамика.
- Эффективность: SAE = 3.6–4.8 (чистая вода), α = 0.4–0.8.
- Недостатки: Требуют очистки каждые 6–24 месяца.
- SAE = 0.6–1.5, низкие эксплуатационные затраты.
- Применение: Аэробные дегестеры, MBR с высоким MLSS.
4.3. Турбинные аэраторы
- Комбинация механического перемешивания и подачи воздуха.
- SAE = 1.2–1.8, α = 0.4–0.6.
- Используются в промышленности для высоких нагрузок.
5. Критерии выбора аэраторов (ВАЖНО!)
Энергоэффективность: Приоритет – мелкопузырчатые системы (SAE до 4.8 кг O₂/кВт·ч).
Стойкость к загрязнениям: Полиуретан и силикон устойчивы к маслам. EPDM дешевле, но быстрее выходит из строя и деформируется.
Глубина резервуара: Увеличение глубины повышает SOTE (на 6–7.5%/м). Поэтому лидеры рынка производства СБО используют вертикальную раскладку станций и аэротенков, размещая аэраторы на дне вытянутого резервуара.
Раскладка: Равномерное распределение по дну (+20–30% к эффективности).
6. Эксплуатация и обслуживание
Очистка аэраторов:
Энергоэффективность: Приоритет – мелкопузырчатые системы (SAE до 4.8 кг O₂/кВт·ч).
Стойкость к загрязнениям: Полиуретан и силикон устойчивы к маслам. EPDM дешевле, но быстрее выходит из строя и деформируется.
Глубина резервуара: Увеличение глубины повышает SOTE (на 6–7.5%/м). Поэтому лидеры рынка производства СБО используют вертикальную раскладку станций и аэротенков, размещая аэраторы на дне вытянутого резервуара.
Раскладка: Равномерное распределение по дну (+20–30% к эффективности).
6. Эксплуатация и обслуживание
Очистка аэраторов:
- Химическая промывка (HCl, H₂O₂) – раз в 6–12 месяцев.
- Воздушная продувка – ежемесячно.
- Контроль DWP (Dynamic Wet Pressure): Рост давления сигнализирует о загрязнении.
- Off-GAS тесты для измерения OTE в реальных условиях.
7. Пример расчета
Дано:
Аэротенк объемом 1000 м³, требуемый OTR = 200 кг O₂/ч.
Глубина = 5 м, α = 0.6, β = 0.98, θ = 1.024, T = 15°C.
Расчет SOTR:
SOTR=OTRα⋅β⋅θT−20=2000.6⋅0.98⋅1.024−5≈350 кгO₂/ч
Выбор аэраторов:
Дано:
Аэротенк объемом 1000 м³, требуемый OTR = 200 кг O₂/ч.
Глубина = 5 м, α = 0.6, β = 0.98, θ = 1.024, T = 15°C.
Расчет SOTR:
SOTR=OTRα⋅β⋅θT−20=2000.6⋅0.98⋅1.024−5≈350 кгO₂/ч
Выбор аэраторов:
- Мелкопузырчатые (SAE = 4.0):
- Мощность = SOTR / SAE = 350 / 4.0 = 87.5 кВт.
8. Выводы
Для муниципальных станций: Мелкопузырчатые диффузоры с полиуретановыми мембранами – оптимальный выбор. Наш выбор и выбор партнеров AERAPURIT.
Для промышленных стоков: Турбинные аэраторы или поверхностные системы при высоких нагрузках.
Обслуживание: Регулярная очистка и контроль DWP критически важны.
Инновации: Анаэробные селекторы повышают α-фактор на 20–40%.
Статья подчеркивает: Энергосбережение требует комплексного подхода – от выбора оборудования до мониторинга. Для углубленного изучения рекомендованы работы Stenstrom & Rosso (2008) и стандарты ASCE.
Для муниципальных станций: Мелкопузырчатые диффузоры с полиуретановыми мембранами – оптимальный выбор. Наш выбор и выбор партнеров AERAPURIT.
Для промышленных стоков: Турбинные аэраторы или поверхностные системы при высоких нагрузках.
Обслуживание: Регулярная очистка и контроль DWP критически важны.
Инновации: Анаэробные селекторы повышают α-фактор на 20–40%.
Статья подчеркивает: Энергосбережение требует комплексного подхода – от выбора оборудования до мониторинга. Для углубленного изучения рекомендованы работы Stenstrom & Rosso (2008) и стандарты ASCE.