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
