Plumbing. Heating. Conditioning. Energy Efficiency.

Improving the efficiency of wastewater treatment plants

(0) (8889)
Опубликовано в журнале СОК №7 | 2012

This article describes how to improve energy and environmental efficiency of the removal of water vapor and vapors of harmful gases evaporating from the surface of treated water in the bathrooms of wastewater treatment plants. Increasing requirements for air quality required the building construction to place the bathrooms where the most contaminated with soluble noxious gases waste water treatment is fulfilled.

На первые ступени очистки сточная вода поступает с большой концентрацией растворенных газов, вредных для здоровья людей. В методике [1] в приложении 2 приведена концентрация загрязняющих веществ (ЗВ) в испаряющихся насыщенных парах. В качестве первой ступени по приложению 2 принимаем «Песколовка аэрируемая».
Приводятся следующие массовые (измеряемые в мг/м3) концентрации газов в поступающей в нее на очистку сточной воде: сероводород 0,0014; аммиак 0,014; этилмеркаптан 0,0000013; метил- меркаптан 0,0000027; углерод 0,065; диоксид азота 0,0038; метан 0,1. По методике [1] проводится расчет массовых количеств выделяющихся ЗВ при расположении очистных ванн на открытой местности и движением над поверхностью воды в ваннах очистки атмосферного воздуха.
В рассматриваемой в статье системе вентиляции очистные ванны располагаются в помещении, и приготовленный атмосферный воздух принудительно подается вентилятором приточного агрегата. Поэтому принятая в [1] методика расчета испарения ЗВ по возможной в ограниченном низком значении скорости воздуха не отвечает рассматриваемым схемам вентиляции. Принципиальным отличием является удаление с вытяжным воздухом испарившихся ЗВ, концентрация которых определяется условиями процессов испарения воды и концентрацией растворенных в воде газов.
Системы вентиляции у ванн с выделением с поверхности воды водяных паров и паров растворенных в воде газов устраиваются по схеме местной вентиляции для улавливания выделяющихся вредностей и притока в помещение наружного воздуха в количествах, компенсирующих количество вытяжного воздуха.
Наиболее полное удаление образующихся выделений с поверхности водяных ванн может быть достигнуто при расположении над водной поверхностью приемного устройства, которое традиционно выполняется в форме зонта по принципиальной схеме, показанной на рис. 1 и взятой из рекомендаций [2].
Расчет системы вентиляции с наличием зонтов проводится по определению требуемого расхода вытяжного воздуха Lу [м3/ч] для восприятия выделяющихся вредностей. В рекомендациях по проектированию систем вентиляции [2] в гл. 29 «местные вытяжные устройства» количество удаляемого местными вытяжными устройствами воздуха для случаев отсутствия источников выделения теплоизбытков рекомендуется определять по выражению (29.15):



где F — входное сечение зонта, м2; V — скорость воздуха в зонт, принимается от 0,8 до 1 м/с; Кт — коэффициент токсичности вредных веществ, удаляемых вытяжным устройством, принимается по табл. 26 [2].
При отсутствии тепловыделений размеры сечения зонта АхВ должны быть больше размеров источника вредных выделений на величину D = 0,Ыэ.
Эквивалентный диаметр зонта вычисляется по формуле (29.8) [м]:


По этой методике из рекомендаций [2] проведем расчет режима работы вытяжного зонта над ванной «Песколовка аэрируемая» с размером открытого сечения а = 15 м и b = 1,8 м. В режиме аэрации в толщу воды в ванной подается сжатый воздух в количестве 36 м3/ч. В качестве определяющей вредности принимаем аммиак и по табл. 26 [2] находим Кт = 0,5. По формуле (2) вычисляем [м]:

 

Применительно к технологической схеме расположения в помещении с последовательным перетоком очищаемой воды рекомендуемое в [2] увеличение размеров сечения зонта по сравнению с сечением ванны с очищаемой водой выполнить крайне затруднительно. Как правило, размер сечения зонта принимается менее размера сечения ванны.

:: Рис. 1. Традиционная схема местной вентиляции с применением вытяжного зонта (1 — вытяжной зонт; 2 — источник вредных выделений; 3 — зона вредных выделений; VB — скорость воздуха в рабочей зоне помещения, м/с; V3 — скорость входа вытяжного воздуха в зонт, м/с; A-B — размеры входного сечения зонта, м; a-б — размеры сечения зоны вредных выделений, м)


Из анализа расчетной формулы (1) и рекомендаций к ней [2] можно сделать вывод, что требуемый расход вытяжного воздуха Lу не зависит от интенсивности процессов испарения воды и вредных газов с поверхности ванн, наполненных водой с растворенными в ней газами. Поэтому для нахождения оптимальной по энергозатратам производительности вентиляционных систем для помещений станций очистки сточных вод необходимо разработать принципиально новые методы расчета систем вентиляции. Применительно к ванне очистки «Песколовка аэрируемая» требуемый расход вытяжного воздуха от зонта по формуле (1) будет:


Lу = 3600 х 48,1 х 1 х 0,5 = 86580 м3/ч.

Для создания энергосберегающих систем вентиляции помещений станций очистки сточных вод предлагается применить энергосберегающий принцип вытесняющей вентиляции [3]. Определение требуемого расхода вытяжного воздуха Lу производится с учетом интенсивности процессов образования паров воды и газов при их испарении с водной поверхности ванны, которая для рассматриваемой ступени очистки равна Fван = Fис = 15 х 1,8 = 27 м2.
В учебнике проф. П.Н. Каменева [4] приведен анализ методов расчета режимов испарения воды и обобщенная формула для вычисления количеств испаряющейся воды со свободной поверхности Wис [кг/ч]:

где Fис - поверхность испарения, м2; Pw — давление насыщения водяных паров при температуре воды в ванне очистки, мм рт. ст.; Рп — парциальное давление паров в воздухе, поступающем к поверхности испарения, мм рт. ст.; Рбар — замеряемое барометрическое давление атмосферного воздуха, мм рт. ст. Коэффициент испарения Сис численно определяется по опытной формуле:
Сис = 22,9 + 17,4 Vв (4)
[кг/(м2-ч-мм рт. ст.)].
Скорость воздуха Vв [м/с] у поверхности воды определяется условиями поступления приточного наружного воздуха. Для реализации схемы вытесняющей вентиляции по энергосберегающему режиму необходимо обеспечить подачу приточного наружного воздуха непосредственно к поверхности воды, что принципиально отличается от схемы вентиляции по рис. 1.
В схеме вентиляции по рис. 1 приточный наружный воздух поступает в помещение, а из объема помещения — к поверхности воды в ванной.
Рассмотрим условия протекания процессов испарения в теплый период года при поступлении приточного воздуха к поверхности воды.
В климате Москвы расчетные параметры воздуха: tн = 26,3 °C; dн = 12,1 г/кг; Рп = 14,1 мм рт. ст. Расчетные параметры воды: tw = 25 °C; Pw = 23,8 мм рт. ст.; атмосферное давление Рбар = 745 мм рт. ст. Скорость воздуха у поверхности воды: Ув = 0,2 м/с. По формуле (4) коэффициент испарения численно равен:
Сис = 22,9 + 17,4 х 0,2 = 26,38 кг/(м2-ч-мм рт. ст.).
Наружный приточный воздух поступает к поверхности воды с Рп = 14,1 мм рт. ст. По формуле (3) вычисляем количество испаренной воды с поверхности Fис = 27 м2 в ванной очистки «Песколовка аэрируемая» в режиме отсутствия подачи сжатого воздуха на аэрацию воды [кг/ч]:


Влагосодержание приточного наружного воздуха dп = 12,1 г/кг. Для нахождения влагосодержания удаляемого вытяжного воздуха dу из верхней части зонта применим показатель эффективности использования начального перепада влагосодержаний между влагосодержанием насыщенного воздуха dw = 20 г/кг при температуре поверхности воды tw = 25 °С и влагосодержанием поступающего к поверхности воды наружного воздуха dп = 12,1 г/кг. Предлагаемый показатель эффективности вычисляется по формуле:

Преобразуем выражение (6) для нахождения влагосодержания удаляемого воздуха следующим образом:

Для вычисления dy по формуле (7) необходимо располагать величинами показателя Qd. В настоящее время при-менительно к ваннам очистки сточных вод схема вытесняющей вентиляции отсутствует, и нет опыта подобных исследований. В работе [3] приведены данные о работе вытесняющих систем вентиляции в плавательных бассейнах, и для них получен показатель Qd = 0,5.
По нашей оценке, для предлагаемой системы вытесняющей вентиляции ванн очистки сточных вод, представленной на рис. 2, показатель Qd будет больше 0,5. Это объясняется более полным использованием начального потенциала массообмена (dw - dH) в схеме по рис. 2 по сравнению со схемами вентиляции бассейнов, представленных в работе [3].

 

Рис. 2. Схема вентиляции ванны очистки сточной воды при вытесняющей вентиляции (1 —
приточно-вытяжной зонт; 2 — ванна очистки сточной воды; 3 — поверхность очищаемой воды; 4 — вытяжной воздуховод; 5 — вытяжной агрегат; 6 — сорбционный воздушный фильтр; 7 — вытяжной вентилятор; 8 — воздухораспределители приточного воздуха; 9 — приточные воздуховоды; 10 — приточный агрегат; 11 — приточная насадка; 12 — направляющий приточный патрубок)

Принципиально новым в предложенной авторами схеме вытесняющей вентиляции по рис. 2 является направление приточного наружного воздуха непосредственно к поверхности воды через приточные насадки 11 с направляющими поворотными створками 12. Приточный наружный воздух Lпн к ванне 2 подается от приточного агрегата 10 и по приточным воздуховодам 9 распределяется по воздухораспределителям 8, располагаемым по периметру ванны. Зонт имеет размеры сечения AхB менее размера открытого сечения ванны axb, равной 27 м .
Из верхней зоны зонта через воздуховод 4 от работы вытяжного вентилятора 7 в вытяжном агрегате 5 забирается воздух, загрязненный очищаемой сточной воде. Для охраны от загрязнений атмосферного воздуха вытяжной воздух Lу проходит через сорбционный материл фильтра 6. Это обеспечивает удержание в сорбционном материале фильтра 6 вредных газов перед выбросом вытяжного воздуха Lу в атмосферу.
Примем величину показателя Qd = 0,5, как это установлено для схемы вытесняющей вентиляции в помещении плавательных бассейнов [3]. По формуле (4) вычисляем влагосодержание удаляемого из верхней части зонта 1 (рис. 2) вытяжного воздуха:
dy = 12,1 + 0,5 х (20 - 12,1) = 16,05 г/кг. Начальный перепад температур между приточным воздухом и водой:
(26,3 - 25,0) = 1,3 °C.
Процесс испарения воды требует подвода тепла, и часть его будет взята от охлаждения воздуха в процессе испарения. Поэтому процесс поглощения испарившихся паров воздухом будет протекать с небольшим понижением температуры вытяжного воздуха, которую примем tу = 26 °С.
диаграмме влажного воздуха расчетного режима работы приточно-вытяжной системы вентиляции ванны очистки сточной воды при организации возду¬хообмена по схеме вытесняющей вен¬тиляции по рис. 2. Для сохранения воздушного баланса количество вытяжного удаляемого воздуха Lу должно быть равно Lпн.
По формуле (5) вычисляем требуе¬мый расход приточного наружного воздуха в зону поверхности испарения воды в ванной очистки для поглощения испа¬ряющихся паров воды [м /ч]:

Применение схемы приточно-вытяжной вентиляции ванны очистки сточных вод по схеме, показанной на рис. 2, по сравнению с традиционной схемой местной вентиляции по рекомендациям [2] по схеме на рис. 1 позволяет сократить требуемый расход вытяжного воздуха в 57 раз (!):

Соответственно, значительно сократится расход электроэнергии на работу вентиляторов в приточных и вытяжных агрегатах. Очистная ванна «Песколовка аэрируемая» периодически работает в режиме подачи сжатого воздуха в нижнюю часть объема воды в ванной (режим аэрации воды). Для рассматриваемой конструкции очистной ванны расход сжатого воздуха на аэрацию очищаемой воды оговорен в 36 м3/ч. Режим аэрации оказывает значительное влияние на режимы испарения с водной поверхности ванны. В исследованиях финских специалистов [5] по системам вентиляции плавательных бассейнов дается рекомендация о возможном возрастании количества испаряющейся воды, подсчитанной по формуле (3), в зависимости от режимов использования воды в ванной плавательного бассейна.

Рекомендуется же следующая величина коэффициента возрастания расхода испаряющейся воды: при спокойной воде K =1; при активном оздоровительном плавании с полным заполнением водяной ванны купающимися K = 2.

 

:: Рис. 3. Построение на i-d-диаграмме влажного воздуха расчетного режима в теплый период года в климате Москвы по энергосберегающей схеме работы приточно-вытяжных систем у ван¬ны очистки сточных вод (режим изменения параметров: Н-У — поглощение паров воды и газов в режиме их испарения с поверхности воды в очистной ванне; W-Н — начальный потенциал мас- сообмена между параметрами насыщенного воздуха у поверхности очищаемой воды и параметра-ми приточного наружного воздуха).

Авторы не нашли в литературных источниках описаний, исследований и рекомендаций по расчету интенсивности испарения воды с поверхности воды в аэрируемых ваннах. Натурные наблюдения показали, что при подаче сжатого воздуха у днища ванны очистки сточных вод к поверхности воды поднимаются потоки воздушных пузырьков. Выходящие через водяную поверхность воздушные пузырьки создают многочисленные места выбросов, что напоминает водную поверхность кипящей воды. В монографии академика М.А. Михеева [6] описан режим кипения воды с образованием поднимающихся из объема нагреваемой воды потока пузырьков пара. Этот режим кипения назван «пузырько¬вое кипение». Многочисленные иссле¬дования этих режимов показали значительное возрастание процессов теплообмена в режимах пузырькового кипения.

По аналогии, режим аэрации воды с образованием потоков поднимающихся к поверхности пузырьков воздуха можно назвать «пузырьковые режимы испарения воды и растворенных в воде газов». Авторы экспериментальных исследований процессов массообмена в режимах аэрации воды.
Для ориентировочной оценки влияния режима водяной аэрации на интентификацию процессов испарения количество испаряющейся воды, определенное расчетом по формуле (3) в 7,65 кг/ч, увеличиваем с использованием коэффициента: K=2: Wис.аэр+7,05x2,0=14,1кг/ч
По формуле (5) вычисляем требуемый расход приточного наружного воздуха для компенсации удаляемого вытяжного воздуха:

Для обеспечения энергосберегающих  режимов работы приточного 10 и вытяжного 5 агрегатов (рис. 2) рекомендуется применять приводные электродвигатели у вентиляторов с регулировкой на две скорости вращения. Это позволит обеспечить работу приточно- вытяжных систем при минимальном неизбежном потреблении энергии как в режимах аэрации при величине параметра

Lпн.аэр = Lу.аэр = 3061 м3/ч, так и в режиме отключения аэрации при Lпн = Lу = 1513 м3/ч.

___________________________________________________________________________________________________________

Авторы: О.Я. КОКОРИН, д.т.н., МГСУ;
В.В. ВОЛКОВ, заместитель начальника отдела «ВС» ОАО ЦНИИЭП инженерного оборудования

 

 

>>> Также читайте по теме Очистка сточных вод в журнале СОК 2010 №6
(0) (8889)
Comments
  • В этой теме еще нет комментариев
Add a comment

Your name *

Your e-mail *

Your message