Исследования аэрации воды с использованием генераторов мелких пузырьков воздуха
В данном исследовании представлены экспериментальные исследования, подтверждающие, что системы аэрации с подвижными генераторами мелких пузырьков воздуха работают эффективнее, чем традиционные системы с неподвижными генераторами.
Рассмотрены два варианта оборудования:
1. Неподвижные генераторы мелких пузырьков, формирующие пузырьки диаметром менее 1 мм.
2. Подвижные генераторы мелких пузырьков, перемещающиеся в объёме аэрируемой воды.
Именно подвижный вариант обеспечивает более эффективный перенос кислорода из атмосферного воздуха в воду.
1. Введение
Массоперенос на границе «вода–воздух» может быть интенсифицирован за счёт диспергирования воздуха в воде в виде пузырьков. Подача атмосферного воздуха в воду необходима для поддержания требуемой концентрации растворённого кислорода, который нужен для жизнедеятельности бактерий в сточных водах, растений, рыб и других гидробионтов. Ориентировочные значения потребности в кислороде, к примеру, для рыб — 4–15 мг/дм³.
Насыщение воды кислородом может происходить естественным путём (например, на водопадах), либо принудительно — с помощью аэрационных установок: механическая аэрация и пневматическая аэрация.
При этом пневматическая аэрация считается более эффективной, поскольку воздух подаётся ниже уровня воды, непосредственно в её толщу. Среди пневматических систем выделяются:
• перфорированные трубы,
• пористые диффузоры,
• генераторы мелких пузырьков (FBG).
Цель — показать, что подвижные генераторы мелких пузырьков особенно полезны в больших резервуарах и водоёмах, где могут образовываться зоны с низким содержанием растворённого кислорода. Перемещение генератора позволяет увеличить путь пузырьков в воде, продлить их контакт с жидкостью и повысить эффективность аэрации.
2. Неподвижный генератор мелких пузырьков
Исходные условия эксперимента
Для сравнения берем одинаковые исходные параметры:
Площадь выходного сечения воздуха в воде: 1,2 × 10⁻⁶ м², расход сжатого воздуха: 0,6 м³/ч, гидростатический напор: 500 мм вод. ст., температура воды и воздуха: 24,6 °C, начальная концентрация растворённого кислорода: 5,46 мг/дм³.
Конструктивно генератор выполнен из прозрачного оргстекла в форме параллелепипеда с перфорированной пластиной и патрубками подачи воздуха. Для этой версии использовали 17 отверстий диаметром 0,3 мм в пластине толщиной 2 мм. На основании расчётов авторы показывают, что начальный диаметр пузырьков оказывается менее 1 мм, то есть система действительно работает в режиме мелкопузырчатой аэрации.
Экспериментальная установка
Испытания проводились на установке, включающей:
Компрессор, ресивер, редуктор давления, ротаметр, трубопроводы подачи воздуха, прозрачный аэротенк из оргстекла, датчики и приборы контроля, кислородомер.
Концентрация растворённого кислорода измерялась каждые 15 минут в течение двух часов.
Теоретическая модель
Авторы используют стандартное уравнение роста концентрации растворённого кислорода в воде:
dC/dτ = a·kL·(Cs − C)*[kg/m3 * 1/s]
где: a·kL — объёмный коэффициент массопередачи, Cs — концентрация кислорода при насыщении, C — текущая концентрация кислорода.
Результаты численного расчёта хорошо совпали с экспериментальной кривой изменения концентрации O₂ во времени. Это означает, что выбранная математическая модель адекватно описывает процесс аэрации для неподвижного генератора.
3. Подвижный генератор мелких пузырьков
Во второй части работы рассматривается генератор, который перемещается в объёме воды с помощью электромеханического механизма. При таком движении начальная скорость пузырька определяется не только скоростью выхода воздуха из отверстия, но и скоростью движения самого генератора. За счёт этого пузырьки проходят в воде более длинный путь, а турбулентность воды возрастает.
Сравнение с неподвижной схемой
Для резервуара объёмом 0,125 м³ с неподвижным генератором концентрация растворённого кислорода увеличивалась с 5,46 до 8,31 мг/дм³ за 120 минут. Затем рассматривается резервуар, увеличенный по длине в 8 раз, то есть объёмом 1 м³. Если использовать в нём один неподвижный генератор с теми же характеристиками, то по принципу подобия теоретически потребовалось бы около 16 часов для достижения того же результата.
Однако эксперимент с подвижным генератором показал, что та же концентрация достигается не за 16 часов, а примерно за 4 часа. То есть время аэрации сокращается приблизительно в 4 раза. Это связано это не только с более длинной траекторией пузырьков, но и с усилением турбулентности воды.
Результаты при разных скоростях движения генератора: 0,2 м/с, 0,4 м/с, 0,6 м/с.
Из таблицы статьи следует, что при скорости 0,2 м/с рост концентрации кислорода происходил наиболее эффективно: 0 мин — 5,47 мг/дм³ , 120 мин — 7,83 мг/дм³ , 210 мин — 8,32 мг/дм³ , 240мин — 8,36 мг/дм³ , 270 мин — 8,40 мг/дм³.
При скоростях 0,4 м/с и 0,6 м/с насыщение также происходило успешно, но несколько хуже. При увеличении скорости движения начинает усиливаться коалесценция пузырьков, то есть их слияние, а это снижает эффективность кислородопередачи.
4. Адаптированные выводы исследования
1. Генераторы мелких пузырьков обеспечивают равномерное распределение пузырьков в воде и позволяют контролировать их размер через геометрию выходных отверстий.
Потери давления у таких устройств ниже, чем у некоторых пористых диффузоров.
2. Чем меньше диаметр пузырьков, тем выше скорость переноса кислорода в воду.
3. Подвижные генераторы по сравнению с неподвижными позволяют существенно уменьшить время, необходимое для перехода от начальной концентрации кислорода к концентрации, близкой к насыщению — в исследовании примерно в 4 раза.
4. Наилучший результат скорость движения 0,2 м/с. При повышении до 0,4 м/с и выше эффективность начинает ухудшаться из-за коалесценции пузырьков.
5. Движение генератора увеличивается турбулентность воды, что интенсифицирует растворение кислорода.
Для прикладных задач водоочистки, аквакультуры и аэрации сточных вод эта статья важна тем, что подтверждает простой инженерный принцип: не только размер пузырька, но и траектория его движения в воде определяет эффективность аэрации. Подвижный мелкопузырчатый генератор позволяет одним устройством обрабатывать больший объём воды, устранять зоны с низким DO и потенциально снижать затраты на установку большого числа стационарных аэраторов.
Оригинал исследования: “Water aeration researches using fine air bubble generators” Nicolae Vlad Sima et al 2022 IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 960 012018)