Definition of the operating mode of ejection flotator for the wastewater treatment

Full Text

Введение Флотационная очистка сточных вод в настоящее время широко распространена. Сущность метода состоит в следующем: сточная вода насыщается пузырьками воздуха, к которым прилипают гидрофобные загрязнения, и образованный флотокомплекс всплывает, формируя пенный слой на поверхности жидкости [1; 2]. Эффективность флотации зависит от различных параметров: размера и формы пузырьков воздуха, интенсивности перемешивания, температуры воды, присутствия растворенных веществ [3-5]. Для высокой эффективности требуется получение мелких пузырьков воздуха размерами в десятки микрометров, имеющих равномерное распределение по камере аэрации. Флотация классифицируется по способу аэрации воды. Наиболее распространенные типы флотации: механическая (пузырьки воздуха достигают размеров 700-1500 мкм), пневматическая (1000-5000 мкм), напорная (30-70 мкм) и электрофлотация (20-40 мкм). Основными недостатками этих способов являются высокие энергозатраты (электрофлотация, механическая, напорная), невысокая эффективность очистки из-за крупных пузырьков (механическая, пневматическая), сложности эксплуатации, связанные с использованием резервуара, работающего под давлением нескольких атмосфер (напорная). В [4] отмечено, что 50-90 % электроэнергии, потребляемой системой очистки, приходится на систему аэрации, а затраты на неё могут составить 15-49 % от общих затрат. Альтернативным и менее энергозатратным способом является флотация с эжекционной системой аэрации. Применение такого способа аэрации позволяет получить такой же объем воздуха, как и в предыдущих способах, но пузырьки будут меньшего размера в большем количестве [6; 7]. Эжектор - это струйный аппарат, предназначенный для перемещения одной среды другой высокоскоростной средой. Конструкция эжектора простая и надежная, а его использование позволяет исключить из схемы дополнительные устройства (компрессоры, устройства подачи реагента). Эжектор может быть использован в аэротенках, сооружениях биологической очистки, флотационных установках [8]. Однако применение простейших конструкций эжекторов позволяет генерировать пузырьки размерам более 1 мм, что не может обеспечить высокую эффективность очистки. Добиться более эффективных параметров системы аэрации можно различными способами, например, за счет добавления химических веществ - пенообразователей [9], установки специальных диспергирующих устройств после эжектора [10; 11], изменения конструкции эжекторов [12; 13], изменения коэффициента эжекции и скорости истечения из сопла [14]. Для обеспечения высокой интенсивности аэрации необходимо получить максимальную степень эжекции (отношение расхода подсасываемого воздуха к расходу воды). Однако в работе [14] отмечено, что снижение степени эжекции позволяет добиться уменьшения среднего размера воздушных пузырьков. Таким образом, если при высоком значении степени эжекции происходит генерирование крупнодисперсных пузырьков, то высокая интенсивность аэрации наблюдается локально рядом с эжектором. В работе [7] приведено сравнение сопла круглого и кольцевого сечений. Применение кольцевого сечения позволило повысить степень эжекции. Увеличение скорости потока (повышение расхода воды) на выходе из сопла с круглым поперечным сечением приводит к возрастанию степени эжекции, причем чем диаметр меньше, тем выше степень эжекции. Проведение эксперимента при одинаковых расходах воды снижает степень эжекции. Для обеспечения более равномерного распределения пузырьков по камере в работах [12; 13] предложены эжектор с дополнительными наклонными соплами и использование небольших выходных патрубков на выходе водовоздушной смеси из эжектора. Уменьшение размера пузырьков и их равномерное распределение позволяют повысить эффективность аэрации. Исследуя перечисленные параметры, можно установить режим работы, обеспечивающий более качественную очистку. В данной работе предложено использование эжекционной системы аэрации с диспергатором, принцип действия которой заключается в том, что вода насыщается пузырьками воздуха в эжекторе, а затем их дробление происходит при истечении из аэратора на высокой скорости и последующем контакте с ребристой поверхностью вращающегося цилиндрического диспергатора. Вращение осуществляется за счет тангенциального подвода струи. Цель исследования - определение режима работы, обеспечивающего наилучшие характеристики водовоздушной смеси для обеспечения эффективной флотационной очистки сточных вод. Материалы и методы Экспериментальные исследования проведены на лабораторной установке, представленной на рис. 1. Установка работает следующим образом: камера аэрации 1 и резервуар воды 2 предварительно заполняются водопроводной водой. Насос 3 откачивает воду из резервуара 2 и подает в камеру аэрации 1. Проходя через сужение эжектора 7, вода насыщается пузырьками за счет подсасывания воздуха из окружающей среды при возникновении разрежения. Для дробления пузырьков воздуха на более мелкие устанавливаются аэратор 8 и диспергатор 11. В качестве диспергатора использовалось цилиндрическое рифленое тело диаметром 40 мм и длиной 40 мм. В камеру аэрации поступает водовоздушная смесь. Расход воды и воздуха измеряется водосчетчиком 6 и ротаметром 10 соответственно. Камера аэрации разделена на две части тонкослойными перегородками. Для определения параметров системы аэрации описанная установка была дополнена прямоугольной емкостью с измерительной шкалой 12, USB-микроскопом 13, компьютером 14 и источником света 15. В ходе работы была проведена серия опытов с применением диспергатора и без его применения для определения характеристик при различных значениях скорости истечения. Были использованы два сопла круглого сечения с диаметрами d = 4 мм и d = 6 мм, а также аэратор кольцевого сечения с внутренним диаметром dв = 4 мм и наружным диаметром dн = 6 мм. Рис. 1. Схема лабораторной установки: 1 - камера аэрации; 2 - резервуар воды; 3 - насос; 4 - обратный клапан; 5 - регулирующий вентиль, 6 - водосчетчик; 7 - эжектор; 8 - аэратор; 9 - шаровой кран; 10 - ротаметр; 11 - диспергатор; 12 - прямоугольная емкость с измерительной шкалой; 13 - USB-микроскоп; 14 - компьютер; 15 - источник света; ①, ② - точки отбора проб Источник: составлено Е.С. Антоновой, В.О. Карпиковой. Figure 1. Scheme of laboratory set up: 1 - aeration chamber; 2 - water reservoir; 3 - pump; 4 - check valve; 5 - control valve; 6 - water meter; 7 - ejector; 8 - aerator; 9 - ball valve; 10 - rotameter; 11 - disperser; 12 - rectangular container with a measuring scale; 13 - USB microscope; 14 - computer; 15 - light source; ①, ② - sampling points Source: compiled by E.S. Antonova, V.O. Karpikova. Эксперимент проводился при постоянном расходе воды. В ходе эксперимента проведено измерение размеров пузырьков и интенсивности аэрации в двух частях камеры аэрации (точки отбора проб 1 и 2). В камеру аэрации была установлена прямоугольная емкость. В каждом опыте была произведена видеосъемка пузырьков на установленный USB-микроскоп с использованием источника света. Полученные видео были разбиты на кадры (рис. 2), на каждом из которых с учетом масштаба проведены измерения размеров пузырьков. Измерение интенсивности аэрации осуществлялось по методике, описанной в [15]. Для измерения засекалось время, за которое уровень воды в емкостях с мерной шкалой, установленных в точках замера, опустится на фиксированное расстояние (5 мм). 200 mi-crons Рис. 2. Снимок воздушных пузырьков Источник: фото Е.С. Антоновой, В.О. Карпиковой. Figure 2. Photo of air bubbles Source: Photo of by E.S. Antonova, V.O. Karpikova. Результаты и их обсуждение Было исследовано три режима работы установки, параметры которых представлены в табл. 1. Расход воды составлял 750 л/ч. Таблица 1. Параметры режимов работы установки Аэратор Скорость истечения из аэратора Расход воздуха Степень эжекции Частота вращения диспергатора Интенсивность аэрации точка 1 точка 2 - м/с л/ч - об/мин м3/(м2∙с) м3/(м2∙с) Сопло d = 4 мм 16,6 15 0,020 без диспергатора 2,8∙10-6 5,2∙10-7 966 <10-8 <10-8 Кольцевой аэратор dв = 4 мм, dн = 6 мм 13,0 42,8 0,057 без диспергатора 2,0∙10-5 5,5∙10-7 648 4,5∙10-6 8,3∙10-7 Сопло D = 6 мм 7,4 42,8 0,057 без диспергатора 8,8∙10-6 - 588 1,4∙10-6 1,0∙10-6 Примечание. Прочерк (-) означает, что пузырьки не зафиксированы. Источник: составлено Е.С. Антоновой, В.О. Карпиковой. Table 1. Operating modes parameters Aerator Exit nozzle velocity Air flowrate Air-water ratio Dispersant rotation frequency Superficial gas velocity point 1 point 2 - m/s l/h - rpm m3/(m2∙s) m3/(m2∙s) Nozzle d = 4 mm 16.6 15 0.020 without disperser 2.8∙10-6 5.2∙10-7 966 <10-8 <10-8 Annular aerator di = 4 mm, do = 6 mm 13.0 42.8 0.057 without disperser 2.0∙10-5 5.5∙10-7 648 4.5∙10-6 8.3∙10-7 Nozzle d = 6 mm 7.4 42.8 0.057 without disperser 8.8∙10-6 - 588 1.4∙10-6 1.0∙10-6 Note. - no bubbles were fixed. Source: compiled by E.S. Antonova, V.O. Karpikova. Скорость истечения при уменьшении диаметра возрастает. Уменьшение диаметра аэратора приводит к снижению степени эжекции, что согласуется с результатами [7]. При использовании сопла с диаметром 6 мм в опыте без диспергатора получаются очень крупные воздушные пузырьки, которые выделяются непосредственно над диспергатором (точка 1) и не распространяются дальше. В опыте с соплом диаметром 4 мм и диспергатором получаются очень мелкие пузырьки воздуха, но при этом интенсивность аэрации минимальна. Диспергатор позволяет повысить равномерность распределения и уменьшить размеры получаемых пузырьков. При статистической обработке данных, согласно [16], были получены функции плотностей распределения пузырьков (ФПР) по размерам. На рис. 3 представлены ФПР при использовании аэратора кольцевого сечения с диспергатором. Распределение является полидисперсным, и из него может быть выделено несколько групп пузырьков, описываемых функцией нормального распределения (на графиках показана линией). Точками обозначены экспериментальные данные. Функции плотностей распределения пузырьков при тех же условиях без диспергатора для сравнения приведены на рис. 4. а б Рис. 3. Функции плотностей распределения пузырьков при работе установки с аэратором кольцевого сечения с диспергатором: а - точка 1; б - точка 2 Источник: составлено Е.С. Антоновой, В.О. Карпиковой. a b Figure 3. Distribution density function of bubbles during operation of the unit with annular aerator with disperser: a - point 1, b - point 2 Source: compiled by E.S. Antonova, V.O. Karpikova. а б в Рис. 4. Функции плотностей распределения пузырьков при работе установки с аэратором кольцевого сечения без диспергатора: а - мелкодисперсные пузырьки в точке 1, б - крупнодисперсные пузырьки в точке 1, в - точка 2 Источник: составлено Е.С. Антоновой, В.О. Карпиковой. a b с Figure 4. Distribution density function of bubbles during operation of the unit with annular aerator without disperser: a - small bubbles in point 1, b - large bubbles in point 1, c - point 2 Source: compiled by E.S. Antonova, V.O. Karpikova. Аналогичная обработка данных проведена для каждого эксперимента. Размеры получаемых пузырьков со среднеквадратическими отклонениями (с.к.о.) и их доля представлены в табл. 2. Использование сопла с диаметром 6 мм показало худший результат. В опыте без диспергатора не было получено распределение во второй точке, так как все пузырьки всплывали непосредственно над выходом из аэратора из-за своего размера (более 50 % пузырьков имели размеры свыше 1 мм). Использование диспергатора позволило уменьшить размеры получаемых пузырьков до десятков мкм, однако крупные пузырьки все равно присутствовали. В виде крупных пузырьков выделялось более 90 % воздуха. При сопле с диаметром 4 мм генерировались самые мелкие пузырьки, но появилась проблема иного характера: на этом режиме эжектор имел низкую степень эжекции Э = 0,02. Крупнодисперсных пузырьков не наблюдалось. Аэратор кольцевого сечения обеспечил генерирование мелкодисперсных пузырьков со средними размерами 75-115 мкм и их наиболее равномерное распределение в камере аэрации. Таблица 2. Распределение пузырьков по размерам Аэратор Точка № группы Средний размер, мкм Доля пузырьков с.к.о., мкм Без диспергатора Сопло d = 4 мм 1 1 35 0,18 10,58 2 70 0,22 11,23 3 105 0,17 16,16 4 1000 0,43 308,74 2 1 35 0,27 7,57 2 65 0,35 10,51 3 85 0,39 13,79 Кольцевой аэратор dв = 4 мм, dн = 6 мм 1 1 50 0,34 13,40 2 80 0,25 20,60 3 1600 0,41 450,77 2 1 65 0,51 16,21 2 110 0,49 10,57 Сопло d = 6 мм 1 1 50 0,31 17,34 2 102,5 0,10 14,50 3 1000 0,40 328,87 4 1900 0,10 268,68 5 2200 0,09 209,92 С диспергатором Сопло d = 4 мм 1 1 12,5 0,34 3,51 2 32,5 0,48 5,64 3 55 0,18 7,43 2 1 12,5 0,30 4,39 2 32,5 0,34 6,62 3 52,5 0,35 5,77 Кольцевой аэратор dв = 4 мм, dн = 6 мм 1 1 75 0,49 14,72 2 115 0,51 18,45 2 1 95 1,00 17,70 Сопло d = 6 мм 1 1 65 0,71 21,55 2 215 0,29 57,11 2 1 65 0,89 22,30 2 290 0,11 22,30 Источник: составлено Е.С. Антоновой, В.О. Карпиковой. Table 2. Bubble size distribution Aerator Point Group number Average size, µm Proportion Standard deviation, µm Without disperser Nozzle d = 4 mm 1 1 35 0.18 10.58 2 70 0.22 11.23 3 105 0.17 16.16 4 1000 0.43 308.74 2 1 35 0.27 7.57 2 65 0.35 10.51 3 85 0.39 13.79 Annular aerator di = 4 mm, do = 6 mm 1 1 50 0.34 13.40 2 80 0.25 20.60 3 1600 0.41 450.77 2 1 65 0.51 16.21 2 110 0.49 10.57 Nozzle d = 6 mm 1 1 50 0.31 17.34 2 102.5 0.10 14.50 3 1000 0.40 328.87 4 1900 0.10 268.68 5 2200 0.09 209.92 With disperser Nozzle d = 4 mm 1 1 12.5 0.34 3.51 2 32.5 0.48 5.64 3 55 0.18 7.43 2 1 12.5 0.30 4.39 2 32.5 0.34 6.62 3 52.5 0.35 5.77 Annular aerator di = 4 mm, do = 6 mm 1 1 75 0.49 14.72 2 115 0.51 18.45 2 1 95 1.00 17.70 Nozzle d = 6 mm 1 1 65 0.71 21.55 2 215 0.29 57.11 2 1 65 0.89 22.30 2 290 0.11 22.30 Source: compiled by E.S. Antonova, V.O. Karpikova. Сравнивая аэраторы по интенсивности аэрации и распределению пузырьков, установлено, что аэратор кольцевого сечения является наиболее эффективным. Установлено, что повышение скорости выхода водовоздушной смеси из аэратора приводит к уменьшению размера формирующихся пузырьков воздуха и увеличению их количества. Для использованного в работе эжектора по результатам проведенного эксперимента был определен наилучший режим работы при расходе воды 750 л/ч, расходе воздуха 42,8 л/ч. Повышение скорости (более 13 м/с) обуславливает снижение эффективности работы эжектора. Соответственно, дальнейшее повышение скорости неэффективно. Заключение На основе анализа литературных источников установлено, что эффективность эжекционной флотации зависит от ряда параметров, таких как геометрические параметры эжектора, скорость выхода водовоздушной смеси из аппарата, геометрия выходного сопла аэратора. Как и другие способы флотации, эжекционная флотация эффективна при ограниченном диапазоне размеров воздушных пузырьков. В результате проведенных экспериментальных исследований подобран наилучший режим работы, исходя из условий формирования мелкодисперсных пузырьков, равномерного их распределения в камере аэрации и высокой интенсивности аэрации. Наиболее эффективным вариантом оказалось использование аэратора кольцевого сечения (dв = 4 мм, dн = 6 мм) при скорости истечения 13 м/с совместно с диспергатором.

About the authors

Ekaterina S. Antonova

Bauman Moscow State Technical University

Author for correspondence.
Email: e.s.antonova@bmstu.ru
ORCID iD: 0000-0003-4632-7984
SPIN-code: 4540-2715

PhD in Technical Sciences, Associate Professor

5, bldg 1, 2nd Baumanskaya St, Moscow, 105005, Russian Federation

Veronika O. Karpikova

Bauman Moscow State Technical University

Email: karpikova01@mail.ru
student 5, bldg 1, 2nd Baumanskaya St, Moscow, 105005, Russian Federation

References

Supplementary files