Гидродинамика и массопередача кислорода в аэрационных сооружениях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.23, кандидат технических наук Пронин, Алексей Александрович

• Пронин, Алексей Александрович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Пронин, Алексей Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1 Гидродинамика жидкостных потоков в аэрационных сооружениях.

1.2 Процессы циркуляции и массопереноса в аэрационных сооружениях с трехфазным псевдоожиженным слоем.

1.3 Гидродинамика псевдоожиженного слоя конического реактора.

СОБСТВЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Глава 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1 Объекты исследований.

2.2 Методики проведения экспериментов.

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ЦИРКУЛЯЦИИ В АЭРИРУЕМЫХ БАССЕЙНАХ.

3.1 Критерии оценки.

3.2 Результаты исследований.

3.2.1 Теоретическое обоснование.

3.2.2 Результаты экспериментов.

БАССЕЙНАХ.

5.1 Влияние расхода воздуха

J.J UJ1 fl/lf 111W ^/UJiVlVpyyU

5.4 Влияние погружения диффузора.<

5.5. Экстраполяция результатов исследований циркуляционных массопередаточных процессов.

Глава 6. ГИДРОДИНАМИКА И МАССОПЕРЕДАЧА КИСЛОРОДА 1МНОГОФАЗОВОМ РЕАКТОРЕ.

6.1 Гидродинамика многофазового реактора.К

6.1.1 Объект исследования.

• 6.1.2 Гидродинамические характеристики многофазового реактора.

6.1.3 Перемешивание твердой фазы.

6.1.4 Перемешивание жидкой фазы.

6.1.5 Исследование механизма смешения в МФ.1:

6.2 Массопередача кислорода в многофазовом реакторе.

6.2.1 Общий коэффициент массопередачи.1:

6.2.2 Критерии, характеризующие эффективность систем аэрации.Л'.

6.2.3 Методы определения общего коэффициента массопереда кислорода в реакторе без активного ила.U ф 6.2.4. Результаты исследований процессов массопередачи кислорода.1;

6.3. Применение многофазового реактора в системах очистки сточных вод

6.3.1. Загрузка MP микроносителями.

6.3.2. Кинетика очистки в MP.

6.3.3. Экстраполяция результатов испытаний.

РЕАКТОРЕ.

7.1. Основные характеристики псевдоожиженного слоя 7.1.1. Цилиндрический реактор.

7.1.2. Усеченно-конический реактор.

7.2. Математические модели процессов псевдоожижения.

7.2.1. Потери нагрузки в фиксированном слое.

7.2.2. Потери нагрузки в псевдоожиженном слое.

7.2.3. Минимальное псевдоожижение.

7.2.4. Максимальное псевдоожижение.

7.2.5. Определение характеристик слоя твердых частиц, псевдоожиженных в реакторе.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Гидродинамика и массопередача кислорода в аэрационных сооружениях»

Аэрационные бассейны являются основными сооружениями биологической очистки сточных вод с использованием активных илов. В этих сооружениях в аэробных условиях биомасса активного ила усваивает органические вещества, сбрасываемые со сточными водами.

Для поддержания аэробных процессов в сооружениях биологической очистки могут использоваться различные аэрационные системы. Наиболее надежными являются системы аэрации на основе диффузоров, расположенных в глубине бассейна. Воздух, подаваемый через диффузоры, распространяется в виде пузырей при свободном подъеме в сточной воде. При этом обеспечивается не только питание кислородом микроорганизмов в процессе их жизнедеятельности, но и создание циркуляционных потоков в бассейне.

Гидродинамические процессы, происходящие в бассейне, в значительной степени определяются его геометрическими параметрами (размерами, формой и объемом), уровнем воды над системой аэрации и расположением системы аэрации в бассейне.

Циркуляция сточной воды в бассейне позволяет:

- поддерживать во взвешенном состоянии твердые частицы микроорганизмы активного ила или микроносители и таким образом обеспечивать необходимый контакт между ними и субстратом;

- обеспечивать массообмен путем передачи кислорода воздуха в сточную воду для питания микроорганизмов.

Изучение циркуляционных процессов и процессов массопереноса кислорода в аэрируемых бассейнах необходимо для обеспечения оптимальных условий биологической очистки сточных вод, содержащих органические загрязнения.

Цель и задачи исследования.

Целыо настоящей работы являлось исследование гидродинамических и массообменных процессов в аэрационных сооружениях и разработка путей повышения эффективности биологической очистки сточных вод.

При выполнении работы были поставлены задачи:

- исследовать процессы циркуляции жидкости в аэрационных сооружениях и их зависимость от геометрических параметров бассейнов, типа и расположения устройств для аэрации;

- изучить механизмы поддержания во взвешенном состоянии твердых частиц различных видов (сферических частиц, моделей флоккул активного ила и реальной биомассы активного ила) в аэрационных сооружениях;

- исследовать процессы массопередачи кислорода в аэрационных бассейнах и влияние на них различных факторов конструктивно-технологического характера; разработать методы экстраполяции результатов испытании циркуляционных и массопередаточных процессов на аэрационные сооружения с другими геометрическими параметрами, оснащенные различными типами аэрационных устройств;

- исследовать гидродинамику и массопередачу кислорода в многофазном реакторе с псевдоожиженным слоем и выявить основные критерии и параметры, определяющие эффективность его использования для очистки сточных вод;

- изучить гидродинамику псевдоожижения в реакторах различных конфигураций (цилиндрических и усеченно-конических) и разработать рекомендации по выбору геометрических форм ректоров в сооружениях биологической очистки сточных вод.

Поставленные задачи были в полном объеме и на высоком научно-техническом уровне решены в процессе выполнения работы.

Научная новизна.

Созданы математические модели гидродинамических и массообменных процессов в аэрационных бассейнах различных геометрических размеров и конфигураций.

Разработаны критерии оценки процессов циркуляции и массопередачи кислорода в аэрационных сооружениях различных типов.

Проведен комплекс экспериментальных исследований по определению влияния различных факторов (геометрических параметров бассейнов, типов и компоновок аэрационных устройств) - на эффективность процессов циркуляции и массопередачи кислорода.

Приведено теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение перспективности использования для очистки сточных вод многофазных усеченно-конических реакторов с псевдоожиженным слоем.

Разработаны практические рекомендации по выбору геометрических параметров и технологических режимов аэрации для реализации высоко эффективных процессов в аэрационных сооружениях различных типов.

Полученные результаты позволяют научно обосновывать конструктивно-технологические решения, принимаемые при проектировании новых и реконструкции действующих сооружений биологической очистки.

Практическая ценность.

Полученные результаты и выводы базируются на разработанных математических моделях и экспериментальных исследованиях и позволяют с достаточно высокой надежностью рекомендовать оптимальные конструктивно-технологические решения по выбору . аэрационных сооружений при создании систем биологической очистки сточных во,г различного происхождения. При этом, материалы работы обеспечивают возможность определения оптимальных решений с учетом особенностей конкретных видов и характеристик очистных сооружений.

Выполненная работа может быть использована для решения практических задач проектирования новых и реконструкции действующих очистных сооружений аэробной биологической очистки с учетом особенностей микробиологических процессов обработки сточных вод различного происхождения.

Апробация работы.

На основании проведенных исследований разработаны Научно-методические рекомендации по оптимизации гидродинамических процессов в аэрируемых сооружениях биологической очистки высоконагруженных сточных вод предприятий агропромышленного комплекса (ВНИТИБП РАСХН)

Результаты и материалы выполненной работы использованы использованы ГУП «МосводоканалНИИпроект» при проведении проектирования очистных сооружений утильзавода «Эколог» г. Люберцы.

Материалы диссертационной работы доложены на II Всероссийской научно-практической конференции «Окружающая среда и здоровье», г. Пенза, 2005; V Международной научно-практической конференции «Состояние биосферы и здоровья людей» Пенза, 2005.

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском и технологическом институте биологической промышленности в соответствие с Государственной программой «Разработать технологию биологической очистки сточных вод с высоким содержанием органических примесей» инв. № 01.200.2.01563 и планами хоздоговорных работ Московского института коммунального хозяйства и строительства.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Заключение диссертации по теме «Биотехнология», Пронин, Алексей Александрович

ВЫВОДЫ.

1. Разработаны математические модели циркуляционных процессов в аэрационных бассейнах и даны теоретические и практические рекомендации по выбору оптимальных режимов массообмена между субстанциями, содержащимися в сточной воде.

2. Экспериментальным путем определено влияние геометрических, компоновочных и расходных характеристик бассейнов и типов систем аэрации на процессы циркуляции и массоопередачи кислорода при аэробной биологической очистке сточных вод.

3. Получены аппроксимирующие зависимости, описывающие полученные экспериментальные результаты, выраженные в виде безразмерных критериев, что упрощает их использование для обоснования конструктивно-технологических решений при проектировании и реконструкции сооружений биологической очистки.

4. Проведен анализ различных типов реакторов, применяемых в системах аэробной биологической очистки и показаны преимущества многофазного реактора с псевдоожиженным слоем, разработанного к испытанного при выполнении настоящей работы.

5. Исследован механизм смешения различных фаз в реакторе, позволивший выявить закономерности процесса и скорости перемешивания твердых частиц псевдоожиженного слоя. Полученные результаты показали, что необходимый уровень смешения частиц твердой фазы может быть достигнут при выборе соответствующей нагрузки и обосновании потребной скорости газа у днища реактора.

6. Выявлены преимущества многофазного реактора при использовании его в системах биологической очистки, заключающиеся в способности обрабатывать стоки с высокими нагрузками по загрязнениям, обеспечивать интенсивный рост биомассы и ее стабильную концентрацию на частицах-носителях в течение длительного времени.

7. Проведены сравнительные теоретические и экспериментальные исследования гидродинамических процессов цилиндрического и усеченно-конического реакторов и разработаны математические модели процессов псевдоожижения на различных режимах их функционирования.

8. Показаны преимущества усеченно-конического реактора с псевдоожиженным слоем, состоящие в том, что захват и вынос частиц определяется только поступающим расходом и является процессом медленно текущим, пористость и объем слоя мало зависит от поступающего расхода, рост активной биомассы на твердых частицах не дестабилизирует их слой, а лишь способствует его перемешиванию.

185

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Пронин, Алексей Александрович, 2005 год

1. Айнштейн В.Г., Баскаков А.П., Берг Б.В. Псевдоожижение. М., Химия, 1991.

2. Алиева P.M. и др. Реализация экологического принципа в микробиологической очистке сточных вод. Известия Академии наук СССР. 1986, №4, с. 517-527.

3. Богомазов О.А., Машанов А.В., Кобылянский В.Я. Электрохимические методы биотестирования сточных вод. М., Химия, 1996.

4. Брагинский Л.Н., Евилевич М.А., Бегачев В.И. Моделирование аэрационных сооружений для очистки сточных вод. Л., Химия. 1980.

5. Буевич Ю.А., Минаев Г.А. Струйное псевдоожижение. М. Химия,1984.

6. Вавилин В.А. Анализ модели процесса биологической очистки воды. Химия и технология воды. 1985, № 7, с. 11-14.

7. Вавилин В.А. Анализ модели процесса биологической очистки воды. Химия и технология воды. 1985, № 7, с. 11-14.

8. ВарЕаров В.В., Брындина Л.В., Ильина Н.М. Биологическая очистка сточных вод. Экология и безопасность жизнедеятельности, 1996, № 1, с. 4648.

9. Гарнаев А.Ю., Седых Л.Г. и др. под ред. Кринстонсона М: Биологическая очистка сточных вод и отходов сельского хозяйства. Рига. 1990.

10. Головлева Л.А. и др. Микробная детоксикация сточных вод коксохимического производства. Микробиология, 1995, № 2 с. 197-200.

11. Гулиа В.Г. Поверхностные явления и некоторые вопросы химической кинетики. М., Наука, 1982.

12. Гуревич Ю.Л. Перспективы использования смешанной культуры дрожжей и бактерий на сложном субстрате. Смешанные проточные культуры микроорганизмов. Новосибирск, 1981, с. 168-181.

13. Понтер JI.И. Некоторые микробиологические и биохимические закономерности процесса биологической очистки сточных вод. Журнал Всесоюзного химического общества, 1972, т. 17, № 2.

14. Денисов А.А. Аэробная биологическая очистка активным илом сточных вод агропромышленного комплекса. Диссертация на соискание ученой степени доктора биологических наук. ВНИТИБП. М., 1992.

15. Денисов А.А. Повышение эффективности и надежности биологической очистки сточных вод. М. ВНИИТЭИАгропром, 1989.

16. Денисов А.А. Повышение эффективности и надежности биологической очистки сточных вод. Обзорная информация ВНИИТЭИагропром. ВАСХНИЛ. М., 1989.

17. Денисов А.А. Продленная аэрация при аэробной биологической очистке сточных вод активным илом. Вестник сельскохозяйственной науки, 1991, № 7, с. 115-120.

18. Денисов А.А., Щербина Б.В., Семижон А.В. Аэробная очистка сточных вод. Ветеринария, 1995, № 5, с. 48-49.

19. Денисов А.А., Щербина Б.В., Семижон А.В. Очистка сточных вод на животноводческих комплексах. Молочное и мясное скотоводство, 1995, № 4, с. 2-6.

20. Долженко Л.А. Экология биотрансформации при очистке сточных вод. М. Стройиздат, 2001.

21. Ейтс Д. Основы механики псевдоожижения. М., Мир, 1986.

22. Иванов Г.Г., Эль Ю.Ф. и др. Повышение эффективности работы крупноразмерных аэротенков. Водоснабжение и санитарная техника. М., 1991, Лг« 1,с. 11-13.

23. Кунии Д., Левеншпиль О. Промышленное псевдоожижение. М., Химия, 1976.

24. Липеровская Е.С. Гидробиологические индикаторы состояния активного ила и их роль в биологической очистке сточных вод. Самоочищение водоемов и биологическая очистка сточных вод. Серия:

25. Общая экология. Биоцеиол. Гидробиол. Итоги науки и техники ВИНИТИ. 1977, №4, с. 169.

26. Литвиненко В.И. Псевдоожижение. Ухта, 1998.

27. Литвтненко В.И. Псевдоожижение. М., Наука, 1998.

28. Лукиных Н,.А. Биологическая очистка городских сточных вод и перспективы ее развития в России. Материалы Международного конгресса «Вода: экология и технология», М., 1994.

29. Мазур И.И., Молдаванов О.И., Шишов В.Н. Инженерная экология, т. 1. Теоретические основы инженерной экологии. М., Высшая школа, 1996, с. 111-134, 202-225.

30. Мартынов С.И. Взаимодействие частиц в суспензии. Казань, 1998.

31. Механическая и биологическая очистка сточных вод и обработка осадков предприятий агропромышленного комплекса. Сборник научных трудов ВНИИ ВОДГЕО, М., 1986.

32. Механическая и биологическая очистка сточных вод и обработка осадков предприятий агропромышленного комплекса. Сборник научных трудов ВНИИ ВОДГЕО, М., 1986.

33. Мошев В.В., Иванов В.А. Реологическое поведение концентрированных суспензий. М., Наука, 1990.

34. Оптимальное секционирование аэротенка, работающего под нестационарной нагрузкой. Химия и технология воды, 1988, т. 10, № 4, с. 291-294.

35. Оценка продолжительности очистки сточных вод в аэротенках и регенерации активного ила. М., Химия и технология воды, 1988, т. 10, № 1, с. 73-85.

36. Победимский Д.Г. Экологическая биотехнология. Казань, 1992.

37. Протодьяконов И.О., Чесноков Ю.Г. Гидродинамика псевдоожиженного слоя. Л., Химия, 1982.

38. Протодьяконов Т.О. Гидродинамика и массообмен в дисперсных систехмах жидкость-твердое тело. Л., Химия, 1987.

39. Псевдоожижение. Ред. Девидсон И.Ф. и Харрисон Д.М. Изд. Химия, 1974.

40. Розенбаум Р.Б., Тодес О.М. Движение тел в псевдоожиженном слое. Л., изд-во ЛГУ, 1980.

41. Ротмистров М.Н. и др. Микробиология очистки воды. Киев, 1978.

42. Ротмистров М.Н. и др. Микробиология очистки воды. Киев, 1978.

43. Синицин А.П. и др. Иммобилизованные клетки микроорганизмов. М., изд. МГУ, 1994.

44. Состояние и перспективы техники псевдоожижения в кипящем слое. М., Химия, 1988.

45. Строительные нормы и правила, Канализация, Наружные сети и сооружения. СНиП 2.04.03-85. М., СтроГшздат, 1986.

46. Сысуев В.В. Современные методы и оборудование для аэрации жидкостей при биологической очистке сточных вод. М. СтроГшздат, 1990.

47. Таварткиладзе И.Н. Сорбционные процессы в биофильтрах. М., СтроГшздат, 1984.

48. Технические записки по проблемам воды. «Дегремон». т. 1. М: СтроГшздат, 1983, с. 61-115, 139-149, 161-203.

49. Технические записки по проблемам воды. «Дегремон». т. 2. М: СтроГшздат, 1983, с. 750-823.

50. Трехфазный кипящий слой и его применение в промышленности. М., Химия, 1977.

51. Федоров Н.Ф., Шифрин С.М., Канализация. М., Высшая школа,1968.

52. Федотовский B.C. Эффективная сдвиговая вязкость концентрированных эмульсий, суспензий и пузырьковых сред. Обнинск, 1997.

53. Яковлев С.В и др. Водоотводящие системы промышленных предприятий. М., Стройиздат, 1990.

54. Яковлев С.В. и др. Канализация. М., СтроГшздат, 1976.

55. Abraham G. Rijkwaterstaat Communication. Kague, 1973.

56. Adlington D., Thompson R.P. Proc. 3rd European Symp. Chem. React. Eng., Oxford, 1965, p. 203.

57. Afschar A.S., Schugerl K. Chem. Eng. Sci. 23, 267, 1968.

58. Atkinson В., Black G.M., Pinches A. The characteristics of solid supports and biomass support particles when used in fluidixed beds in Biological Fluidized Bed Treatment of Water and Wastewater. Chichester, 1981.

59. Botterill J.S.M., George J.S., Besford H. Chem. Eng. Progr. Symp. Ser. n. 62, 7, 1966.

60. Bulson P.S. The Dock and Harbourg authority. V. 42, n. 487, p. 15-22,1961.

61. Caldenbank P.H., Evans F., Farley R., Jepson G., Poll P. Proc. Symp. Catalysis Pract. London, 1963.

62. Calderbank P.H., Moo-Joung M.B., Bibby R. Proc. 3rd European Symp. Chem. React. Eng., Oxford, 1965, p. 91.

63. Chatib В., Grasmick A., Elmaleh S., Ben Aim R. Biological wastewater treatment in a three-phase fluidized bed reactor in Biological Fluidized Bed Treatment of Water and Wastewater. Chichester, 1981.

64. Chervenak M.C., Feigelman S., Wolk R., Byrd C.R., Hellwing L.R. Oil and Gas J., v. 61, n. 227, 1963.

65. Davidson J.F., Harrison D. Fluidized Partieles. Cambridg. 1963. 23.

66. Elmalen S., Grasmick A. Mathematical models for biological aerobic fluidized bed reactors in Mathematical Models in Biological Waste Water Treatment, ed. Grouiec M.J., 1992.

67. Gehr R et al. Removal of extracellular material. Technigues and pitfalls. Water Research, 1985, vol. 17, N 12, p. 1743-1748.

68. Griswold C.R., van Driesen R.P. Hydrocarbon Process Petrol. Ref., 45, 153, 1966.

69. Harremoes P. AIRPE Conference sur 1'Aeration. 19-22/9/78, Amsterdam, 1978.

70. Hellwing L.R., Driessen R.P., Schuman S.C., Slingstad C.E. Oil and Gas J., v. 60, n. 119, 1962.

71. Hoehn R.C., Ray A.D. Effects of thickness on bacterial film. J. Water Pollution Control Federation,45, 2302, 1973.

72. Kolbel H., Hammer H., Meisl U. Proc. 3rd European Symp. Chem. React. Eng., Oxford, 1965, p. 115. 38.

73. La Motta. Internal diffusion and reaction in biological films. Env. Sci. and Technol. 10, 8, 765, 1976.

74. Lee J.C. Proc. 3rd European Symp. Chem. React. Eng., Oxford, 1965, p.211.j

75. Lee J.C. Proc. 4 European Symp. Chem. React. Eng., Oxford, 1969, p.211.

76. Lovett D.A. et al. Effect of sludge and substate composition on the settling and devatering characteristics of activated sludge. Water Recearch, 1983, vol. 17,N 11,p. 1511-1515.

77. Massimilla L., Majuri N., Signorini P. Ric.Sci. 29, 1934, 1959. 40.79.

78. Massimilla L., Solimando A., Squillace e. Brit. Chem. Eng., 6, 632,1961.

79. McKinney R.E. Biological flocculation. Biological treatment of sewage and industrial wastes. 1965, vol. 1.

80. OstegraardK. Chem. Eng. Sci. 20, 165, 1965.

81. Ostegraard K. Fluidisation, 1964.

82. Ostegraard K. Proc. Intern. Symp. On Fluidization, Amsterdam, 1967.

83. Ostegraard K. Studies of Gas-Liquid Fluidization. Copenhagen, 1969.

84. Osterdaard K., Michelsen M.L. Chem. Eng. Progr. Symp. Seris, 1968.

85. Ostergaard K. Advances in Chemical Engineering. London, v. 7, 1968.

86. Ostergaard K., Suchozebrski W. 4rd European Symp. Chem. React. Eng., Oxford, 1969, p. 211.

87. Ostergaard K., Theisen P.L. Chem. Eng. Sci. 21,413, 1966.

88. Ostergraard K. Chem. Eng. Sci. 21, 470, 1966.

89. Palm J.C. et al. Relationship between organic loading, dissolved oxygen, concentration and sludge settledbility in the completelymixed activated sludge process. Jour. WPCF, 1980, vol. 52, N 10, p. 2484-2506.

90. Richardson J.F., Zaki W.N. Trans Inst. Chem. Eng. 32, 35, 1954.

91. Riemer N., Harremoes P. Multicomponent in denitrifying biofilm. Prog. In Water Technolog. 10, 149, 1978.

92. Rodrigues A., Gramick A., Elmaleh S. Modeling of biofilm reactors. Chem. Eng. J., 27, n. 2, 1983.

93. Schugerl K. Proc. Symp. On Fluidization. Amsterdam, 1967.

94. Sherwood Т.К., Farkas E.J. Chem. Eng. Sci. 21, 573, 1966.

95. Shroeder E.D. Water and Wastewater treatments. Londod, 1977.

96. Sjobberg A. Chalmers Tekniska Hogskola, n. 39, 1967.

97. Steward P.S.B., Davidson J.F. Chem. Eng. Sci. 19, 319, 1964.

98. Tezuka Y.A. Zoogloea bacterium with gelatinous mucopolysacharide matrix. Jour. WPCF, 1973, vol. 45, N 3, p. 531-536.

99. Tuntoolavest M. et al. Factors affeccting the clarification performance of activated sludge final settlers. Jour. WPCF, 1983, vol. 55, N 3, p. 234-248.

100. Turner R. Fluidization, London, 1964.

101. Valentin F.H. Absorbtion in Gas-Liquid Dispersion.London, 1967.

102. Van Driesen R.P., StrewartN.C. Oil and Gas J., v. 62, n. 20, 110, 1964.

103. Volpicelli G., Massimilla L. Pulp. Paper Mag. Cfn., 66, T512, 1965.

104. Weisz. Diffusion and chemical transformation: an interdisciplinary excusion. Science, 179, 433, 1973.