В журнале «НДТ» опубликована статья начальника технического отдела ООО «АкваКонтроль Самара» С.А. Гариповой, посвященная базовым подходам и параметрам расчета систем аэрации. Рассмотрена методология расчета основных параметров систем, а также факторы, влияющие на результат при определении расходов воздуха. Предложены критерии сравнения систем аэрации, позволяющие выбрать оптимальную систему, которая обеспечит кислородный режим и перемешивание в аэротенке, качество очистки сточных вод и энергоэффективность.
Автор отмечает, что даже если расчет системы аэрации и определение расходов воздуха выполнены с применением программных продуктов моделирования процесса биологической очистки, понимание основ расчета позволит более детально взглянуть на подбор системы на этапе, предшествующем работам по оптимизации раскладки аэраторов с целью повышения энергоэффективности. Это позволит оценить предложения разных производителей и предоставленные к сравнению результаты.
Редакция НДТ&VodaNew предлагает краткий обзор публикации.
С чего следует начать проектирование системы аэрации
Проектирование системы аэрации проходит несколько основных этапов.
- Определение потребности в кислороде в условиях сточной воды (AOR, кгО2/час):
- количество кислорода на окисление органических веществ и азота аммонийного;
- количество кислорода, поступающего в аэротенк в ходе процесса денитрификации.
- Уточнение факторов, влияющих на работу системы, и оценка условий работы системы аэрации:
- температура сточных вод (минимальная, средняя, максимальная);
- атмосферное давление в месте расположения объекта (высота над уровнем моря);
- температура воздуха окружающей среды (влияет на параметры воздуходувки);
- тип процесса (например, при использовании SBR-реакторов следует учитывать время, за которое необходимо обеспечить подачу требуемого количества кислорода);
- необходимые коэффициенты запаса (колебания нагрузок на очистных сооружения, старение аэраторов).
- Определение потребности в кислороде, приведенное к условиям чистой воды (SOR, кгО2/час).
- Определение расхода воздуха, необходимого для обеспечения потребности в кислороде (SOR) с учетом предполагаемой эффективности системы аэрации.
Для чего требуется пересчет потребности в кислороде из натурных (условий сточной воды) в условия чистой воды? Все производители систем аэрации проводят тестирование свой продукции в чистой воде, поскольку проведение испытаний на сточной воде для каждого проекта с определением факторов, влияющих на перенос кислорода, невозможно. Данная информация, как правило, присутствует в свободном доступе у производителя, указывается в технических паспортах, в иной технической документации.
Переход от условий сточной воды к условиям чистой воды
В основном используются два подхода к пересчету AOR в SOR, описанные в EPA/625/1-89/023/1989 и DWA М 229-1, идентичные по методологии, различающиеся формулами для расчета показателей факторов, снижающих эффективность переноса кислорода. Расхождение в расчетах по данным методиками составляет не более 5 %.
При расчете показателя SOR учитываются факторы, влияющие на эффективность массопереноса кислорода в каждом индивидуальном случае (в рамках рассматриваемого проекта). Очень важно, чтобы при проектировании системы аэрации данные факторы были приведены корректно и обоснованно.
При составлении технического задания на подбор системы аэрации и сравнении предложений разных производителей не допускается расхождение в показателях SOR. Если такое расхождение есть, то требуется запросить уточнения по значению коэффициентов, примененных для расчета. Сравнение систем аэрации разных производителей будет корректным только в случае одинакового значения SOR, принятого для выполнения дальнейших расчетов.
Факторы, снижающие эффективность переноса кислорода.
- Альфа-фактор и доза активного ила
Качество сточной воды, доза ила, возраст активного ила и состояние активного ила влияет на эффективность переноса кислорода.
- Соленость воды
Необходимость учета данного фактора обусловлена снижением скорости переноса кислорода в зависимости от содержания растворенных солей в воде. Влияние показателя солесодержания особенно заметно в проектах по очистке производственных стоков. Тем не менее, по опыту проектирования систем аэрации для очистки хозяйственно-бытовых сточных вод значение данного коэффициента принимается в диапазоне 0,95−0,98.
- Температура сточной воды
Температура сточной воды влияет на скорость растворения кислорода в воде.
- Атмосферное давление в месте расположения проекта
Атмосферное давление влияет на концентрацию кислорода в воздухе, забираемого воздуходувкой из окружающей среды для подачи в систему аэрации.
- Глубина погружения аэраторов
- Фактор старения, обрастания аэраторов (коэффициент остаточного ресурса)
Коэффициент запаса на старение/обрастание аэраторов является важным фактором, который обязательно необходимо учитывать при расчете системы аэрации. Все мембранные системы аэрации подвержены снижению пропускной способности ввиду старения или обрастания (потеря эластичности мембраны из-за разрушения пластификаторов со временем, появление отложений на мембране). Также значение данного фактора (коэффициента) зависит от типа мембранного элемента и конструкции аэраторов.
Например, мембранные элементы из чистого силикона, не содержащего пластификаторы, менее подвержены снижению пропускной способности ввиду «старения» элементов.
Запас на старение аэраторов может быть порекомендован проектировщиком и указан в техническом задании, либо производителем аэраторов, если определение основных показателей работы на протяжении всего срока службы аэраторов находится в зоне ответственности поставщика.
Определение расхода воздуха без учета факторов снижения эффективности переноса кислорода (без этапа пересчета AOR в SOR) приводит к критически заниженным значениям расхода воздуха, недостаточным для обеспечения биохимических процессов окисления органических веществ и соединений азота, и, как следствие, недостижению качества очищенной воды.
Эффективность переноса кислорода
Выбирая систему аэрации, следует рассматривать системы с наибольшей эффективностью массопередачи кислорода. Показателем такой эффективности является показатель SOTE, отражающий эффективность переноса кислорода в условиях чистой воды на глубине погружения аэратора при определенной нагрузке на аэратор (либо на 1 м2 мембранной площади, либо на 1 м погружения мембранной поверхности).
Показатель SOTE является определяющим при выполнении расчета расхода воздуха, необходимого для обеспечения качества очистки. Производители систем аэрации определяют данные параметры при специальном тестировании, результаты отображаются в виде графиков зависимости показателя SOTE от нагрузки на аэратор при указанной глубине погружения (рис. 4). Для удобства представления информации зачастую используют показатель sSOTE в % на м/погружения (SOTE/м погр.).
Пример графика зависимости эффективности переноса кислорода от нагрузки и глубины погружения
Показатель SOTE зависит от размера перфорации мембранного элемента, конструкции аэраторов, плотности раскладки, способа раскладки аэраторов (например: равномерное распределение по дну аэротенка, пристенная раскладка и прочее).
Плотность раскладки аэраторов
При изучении предоставленной производителем информации обязательно требуется уточнить, при какой плотности раскладки получены рассматриваемые графики SOTE. При одной и той же глубине погружения она влияет на показатели SOTE. Необходимо четко понимать, какие показатели SOTE соответствуют проектной плотности раскладки.
Если сравнение систем различных производителей будет проводиться по параметру sSOTE (%/м. погружения), то полученный результат SOTE нужно разделить на глубину погружения аэраторов.
Для проектирования системы с достаточной надежностью «золотым стандартом» показателя sSOTE являются значения в диапазоне 6-6,5 %/м погружения при равномерном распределении аэраторов по дну аэротенка.
При снижении плотности раскладки и/или при изменении способа раскладки аэраторов (переход от равномерной раскладки к пристенной) при одном и том же показателе SOR необходимо принимать во внимание, что показатель SOTE снижается, а расход воздуха увеличивается.
В статье приведены данные о влиянии параметров и факторов, значимых при расчете системы аэрации (при одном и том же проектном показателе SOR), на итоговые расходы воздуха.
Сравнение предложений по системам аэрации
При сравнении предложений от нескольких производителей систем аэрации обязательно нужно проверить соответствие исходных данных, использованных для расчета и раскладки системы аэрации. При существенных расхождениях в параметрах SOR и полученных расходах воздуха необходимо запросить уточнения по расчету и использованным коэффициентам. Для оценки предлагаемых систем аэрации производители должны предоставить характеристики аэраторов (SOTE/sSOTE в зависимости от плотности раскладки и нагрузки на аэраторы, информацию по потерям давления, рекомендуемые диапазоны нагрузок).
Для сравнения нескольких предложений в статье приведены основные критерии.
Дополнительно необходимо отметить, что проектные требования по SOTE могут быть достигнуты системами с различной формой аэрационных элементов (при корректном расчете) – дисковых, трубчатых и др. В одних случаях оптимальной будет дисковая система аэрации (большая площадь аэробной зоны и невысокие показатели SOR), в других случаях – трубчатая (при высокой потребности в кислороде в условиях ограниченной площади аэробной зоны). В статье приведены данные о влиянии принципа раскладки аэраторов по дну емкости на эффективность массопередачи кислорода.
Рекомендации
При выборе системы аэрации для проектирования очень важную роль играет составление технического задания (или запроса на систему аэрации). Автор перечисляет крайне важные для корректного расчета системы данные, которые должны быть предоставлены со стороны заказчика.
Также следует обращать внимание на предоставление гарантий поставщика/производителя системы аэрации по достижению концентрации кислорода в аэробных зонах. Однако нужно принимать во внимание, что достижение требований по концентрации кислорода для рассчитанной системы аэрации возможно только в случае соответствия исходных данных, обозначенных в ТЗ (нагрузка по загрязняющим веществам, температура сточных вод, доза ила и пр.), реальной ситуации.
Корректное и прозрачное сравнение систем аэрации по выделенным критериям позволит выбрать оптимальную систему, которая обеспечит кислородный режим и перемешивание в аэротенке, качество очистки сточных вод и энергоэффективность.
Как прочитать статью полностью см. здесь.