Подробный анализ научной статьи по аэрации (Stenstrom & Rosso, 2010)

1. Введение и цели исследования
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:

• 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).

Стандарты:
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.

Уравнение переноса:

OTR=kL​a⋅(DOsat​−DO)⋅V, где:

• 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:

• 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.

Плюсы: Высокий α-фактор (0.7–1.0), простота.
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.

Крупнопузырчатые (>5 мм):

• SAE = 0.6–1.5, низкие эксплуатационные затраты.
• Применение: Аэробные дегестеры, MBR с высоким MLSS.

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:

• Химическая промывка (HCl, H₂O₂) – раз в 6–12 месяцев.
• Воздушная продувка – ежемесячно.

Мониторинг:

• Контроль DWP (Dynamic Wet Pressure): Рост давления сигнализирует о загрязнении.
• Off-GAS тесты для измерения OTE в реальных условиях.

Замена мембран: При падении эффективности на 20%.

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:

• 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.