Аэротенки-вытеснители без регенераторов

2.5. Сооружения этого типа рекомендуется применять для очистки городских и близких к ним по составу производственных сточных вод с БПК_полн не более 150 мг/л, либо на второй ступени биологической очистки.

Пример расчета.

Исходные данные: расчетный расход сточных вод q_W = 4200 м³/ч, для городских сточных вод БПК_полн исходной воды L_en = 150 мг/л; БПК_полн очищенных вод L_ех = 15 мг/л; вынос ила из вторичных отстойников = 15 мг/л.

В начале определяется степень рециркуляции R_i, в которой величина илового индекса в первом приближении принимается J_i = 100 см³/г доза ила в аэротенке - устанавливается в результате технико-экономических расчетов. Ориентировочно = 3 мг/л. По формуле (52) СНиП 2.04.03-85

R_i = 0,25.

Для обеспечения нормального удаления ила из вторичных отстойников с илососами следует принимать R_i = 0,3.

БПК_полн воды, поступающей в начало аэротенка-вытеснителя L_mix с учетом разбавления циркуляционным илом рассчитывается по формуле (51) СНиП 2.04.03-85

L_mix = 119 мг/л.

Период аэрации определяется по уравнению (50) СНиП 2.04.03-85, в котором значения констант и коэффициентов для рассматриваемого примера по табл. 40 СНиП 2.04.03-85 имеют следующие значения: = 85 мг/(г×ч), K_i = 33 мг/л; K_O = 0,626 мг/л; = 0,07л/г; s = 0,3. При L_eх = 15 мг/л коэффициент K_p = 1,5. Концентрация кислорода определяется технико-экономическими расчетами с учетом типа аэраторов. Приближенно С_о = 2 мг/л.

Объем аэротенка и вытеснителя с учетом рециркуляционного расхода определяется по зависимости (58) СНиП 2.04.03-85.

W_at = t_atv(1+R_i)q_W = 2,96(1+0,3)4200 = 16162 м³.

Для расчета вторичного отстойника следует уточнить величину илового индекса по нагрузке на ил, которая рассчитывается по формуле (53) СНиП 2.04.03-85, где для аэротенка-вытеснителя без регенерации исходная величина БПК равна L_mix:

q_i = 421мг /(г^.сут).

По табл. 41 СНиП 2.04.03-85 при q_i = 421мг /(г^.сут) J_i = 83 см³/г.

При новом значении илового индекса степень рециркуляции уточняется по формуле (52) СНиП 8.04.03-85

R_i = 2/ = 0,199.

но для обеспечения нормального удаления ила следует принять R_i = 0,3, и, следовательно, дальнейший расчет в корректировке не нуждается.

Гидравлическая нагрузка q_ssa на вторичный отстойник определяется no формуле (67) СНиП 2.04.03-85, в котором величина илового индекса принимается после последней корректировки J_i = 83 см³/г. Для радиальных отстойников с K_ss = 0,4; H_set = 3 м;

q_ssa = 1,45 м³/(м^2.ч).

Системы аэрации

2.6. Аэраторы должны обеспечивать заданный кислородный режим и необходимую интенсивность перемешивания в аэротенках.

2.7. Пневматические аэраторы рассчитываются по зависимостям, приведенным в п. 6.157 СНиП 2.04.03-85. В конструкции мелкопузырчатых аэраторов могут применяться фильтросные пластины и трубы, синтетические ткани, пористые пластины и т. п.

При использовании пористых материалов удельный расход воздуха на единицу рабочей поверхности аэраторов J_a,d зависит от индивидуальных свойств этих материалов и назначается в пределах J_a,d = 30-100 м³/(м^2.ч); для фильтросных пластин - J_a,d = 60-80 м³/(м^2.ч), для фильтросных труб J_a,d = 70 - 100 м³/(м^2.ч), считая на площадь горизонтальной проекции трубы, для синтетических тканей (арт. 56007, арт. 56026) J_a,d = 50 - 80 м³/(м^2.ч). Потери напора в фильтросных материалах и тканях следует принимать 0,7-1 м. Скорость выхода воздуха из отверстий дырчатых труб - 50 м/с.

При использовании аэраторов из синтетических тканей или пористых пластмасс целесообразны конструкции в виде решеток шириной до 2 м, что позволяет увеличить площадь полосы аэрации (отношение f_az/f_at = 0,2-0,3), повысить эффективность использования и снизить удельный расход воздуха.

2.8. В аэротенках-смесителях пневматические аэраторы располагаются вдоль одной стены коридора равномерно по всей их длине. Количество фильтросных пластин или труб определяется с учетом необходимости интенсивности аэрации и рекомендуемых значений J_a,d. В регенераторах аэраторы размещаются неравномерно по длине: в первой половине в 2 раза больше, чем во второй.

2.9. В аэротенках-вытеснителях аэраторы располагаются неравномерно в соответствии со снижением концентрации загрязнений и скоростей биохимического окисления.

Пример расчета.

Исходные данные: вид сточных вод (например, городские); расход сточных вод q_W = 4200 м³/ч; солесодержание воды С_s = 3 г/л; БПК_полн исходной и очищенной воды L_en и L_вх - 150 в 15 мг/л, расчетная температура воды Т_W - 20°С.

Удельный расход воздуха q_аir, осуществляется по формуле (61) СНиП 2.04.03-85 для условий полной биологической очистки. В рассматриваемом примере удельный расход кислорода q_O = 1,1 и средняя концентрация кислорода в аэротенке С_O = 2 мг/л.

По данным расчета объем аэротенка W_atv = 16162 м³. Приняв по конструктивным соображениям длину коридора l = 60 м и рабочую глубину H_at = 4 м, общая ширина аэротенка будет равна:

.

Приняв ширину одного коридора b = 6 м, число коридоров будет равно:

n_k = B_at/b = = 11,17.

Следует принять n_k = 12 и соответственно изменить и длину коридора l

B_at = n_k b = 12^.6 = 72 м; l = W_atv/H_at B_at = =56 м.

В зависимости от температуры воды,ее солесодержания и глубины погружения аэратора растворимость кислорода определяется зависимостью

, (38)

где h_a = h_ai- h_ay; при h_aу = 0,3м; h_а = 4-0,3 = 3,7 м; T_W = 20°С; C_s = 3 г/л;

= 8,72 мг/л.

Приняв в первом приближении f_az/f_at = 0,1; по табл. 42 СНиП 2.04.03-85 К₁ = 1,47 для аэратора из фильтросных труб при h_a = 4м, по табл.43 СНиП 2.04.03-85 К₂ = 2,52. При 20 °С коэффициент К_T = 1.

Для городских сточных вод коэффициент K₃ = 0,85. Приведем значения коэффициентов K₃ для некоторых видов производственных сточных вод

Источники сточных вод K₃

Целлюлозно-бумажные комбинаты 0,7-0,8

Молочные заводы 0,8

Производства крафт-бумаги 0,7

Деревообрабатывающие производства 0,08

Бумажные фабрики 0,85

Картонажные фабрики 0,53-0,64

Фармацевтические заводы 0,8-1,6

Заводы синтетического волокна 1-1,8

Для определения интенсивности аэрации по длине аэротенка-вытеснителя строится график изменения БПК_полн во времени (рис. 13). Периоды аэрации для заданных промежуточных значений L_ex определяются расчетом по формуле (50) СНиП 2.04.03-85. Данные расчетов для условий рассматриваемого примера приведены в табл. 8.

Рис. 13. Зависимость L_ex от продолжительности пребывания в аэротенках-вытеснителях

Таблица 8

На графике (см. рис. 13) интервал времени, соответствующий продолжительности аэрации, при которой достигается L_ex = 15 мг/л, делится на равные части (по принятому числу ячеек аэротенка-вытеснителя), например на 6 частей. Для периодов аэрации в каждой ячейке с помощью полученной кривой (см. рис. 13) определяются значения БПК_полн на входе и выходе из ячеек. Эти данные приведены в табл. 9.

Таблица 9

Примечание. Под чертой указано принятое числорядовфильтросных труб.

На основе данных табл. 9 по формуле (39) определяется интенсивность аэрации в каждой ячейке

, (39)

где q¢_air - удельный расход воздуха для каждой ячейки определяется по формуле (61) СНиП 2.04.03-85.

Для рассматриваемого примера количествоячеек принято n_ja = 6, общая продолжительность аэрации в сооружении по табл. 8 t_aiv = 2,96 ч.

Количество рядов пневматических аэраторов (например, фильтросных труб) определяется по формуле

(40)

В рассматриваемом примере ширина коридора аэротенки принята b = 6 м, удельный расход воздуха на аэратор для фильтросных труб J_ad = 70 м³/(м²ч), площадь одного ряда аэратора на 1 м фильтросных труб d_y, = 300 мм; f¢_d = 0,3 м²/м. Расход воздуха Q¢_air, м³/ч, в каждой ячейке определяется по формуле

. (41)

Общий расход воздуха на аэротенкQ_air, равенсумме всех Q¢_air.

Для более точного регулирования подачи воздуха на воздуховодах каждой ячейки следует установить расходомеры с задвижками или вентилями.

2.10. В аэротенках-вытеснителях с регенераторами удельный расход воздуха определяется по формуле (61) СНиП 2.04.03-85. Количество аэраторов на первой половине длины аэротенков и регенераторов принимается вдвое больше, чем на остальной длине коридора.

Для условий рассмотренного примера в п. 2.9 удельный расход воздуха, рассчитанный по формуле (61) СНиП 2.04.03-85, составил

q_air = 12,22 м³/м³.

Общий расход воздуха Q_air = 12,22^.4200 = 51309 м³/ч.

Средняя интенсивность аэрации

J_a = (12,22^.4)/3,75 = 13,03 м³/(м²ч).

Интенсивность аэрации на первой половине аэротенка и регенератора J_a1 = 1,33J_a, на второй - J_a2 = 1,33J_a/2 = 0,67J_a.

При ширине коридора аэротенка b = 6 м, удельном расходе воздуха на аэратор в виде фильтросных труб J_ab = 90 м³/(м²ч) и площади одного ряда фильтросных труб d_y = 300 mm; f¢_d = 0,3 m²/m.

Количество рядов фильтросных труб в первой половине аэротенки вытеснителя составило

;

во второй половине: = 3,92/2 = 1,96.

В данном случае следует принять на первой половине аэротенка и регенератора число рядов фильтросных труб - 4, на второй половине - 2, соответственно распределив расходы воздуха.

2.11. С целью сокращения длины воздуховодов количество стояков для подвода воздуха к аэраторам следует ограничить минимально возможным числом, которое определяется из заданной неравномерности распределения воздуха вдоль коридора аэротенка.

Таблица 10

Число стояков зависит от длины обслуживаемого ими участка фильтросного канала, фильтросной или дырчатой трубы.

Параметры аэраторов из фильтросных труб приведены в табл. 10, из фильтросных пластин - в табл. 11, из дырчатых труб в табл.12.

Таблица 11

Таблица 12

Пример. Определить основные параметры аэратора (фильтросный канал) для обеспечения аэрации коридора аэротенка - смесителя длиной 100 м, шириной 9 м с интенсивностью аэрации 10 м³/(м²ч) при допускаемой неравномерности подачи воздуха 15%.

Интенсивность подачи воздуха на 1 м длины коридора

J¢¢_a = J¢_db = 10^.9 = 90 м³/(м²ч).

Указанная интенсивность при перепаде 1,5 кПа (новые пластины) может быть обеспечена установкой трех параллельных рядов фильтросных каналов. Для допустимой неравномерности 15 % при глубине канала 100 мм находим из табл. 11 максимальную длину аэратора на 1 стояк - 88 м. Стояк присоединен к середине обслуживаемогоим участка. Для коридора длиной 100 м потребуется таким образом 2 стояка. Полученное данным методом число стояков является минимально допустимым и может быть увеличено из конструктивных соображений.

Следует обратить внимание, что при этом должны быть предусмотрены упругие вставки на температурных швах резервуара аэротенка.

2.12. Эрлифтные аэраторы. При наличии и сточных водах значительных количеств карбонатных солей, смол, жиров, вязких нефтепродуктов и волокнистых веществ, способных вызвать быструю кольматацию пор в мелкопузырчатых пневматических аэраторах, целесообразно применение эрлифтных аэраторов. По эффективности они приближаются к механическим, но не имеют сложного привода и не подвержены засорениям.

Принцип действия эрлифтных аэраторов совмещают в себе среднепузырчатую аэрацию с помощью сжатого воздуха в эрлифте и дополнительную аэрацию при изливе струи через кромку водослива (рис. 14). Конструкция этих аэраторов разработана ВНИИ ВОДГЕО.

Рис.14. Схема эрлифтного аэратора: 1 - аэрационная решетка; 2 - нижний конус диффузора; 3 - труба диффузора: 4 - верхний конус диффузора с гребенчатым водосливом; 5 - лопатки; 6 - воздухопровод; 7 - опорные стойки

Ориентировочно производительность эрлифтного аэратора Q_m, кг/ч по кислороду определяется по уравнению

, (42)

где h_b - высота кромки водослива, рекомендуется принимать h_b = 0,45 - 0,5 м;

d_эp - диаметр трубы аэратора d_эp = (0,6-1) В_а;

Н_эp - глубина погружения аэратора Н_эp = 3,5 - 4 м.

Растворимость кислорода С_а определяется по формуле (38).

Пример расчета. Для подбора эрлифтных аэраторов приведен график (рис. 15). Оптимальный режим работы эрлифтных аэраторов наблюдается при J_a1 = 10-15м³/(м²ч) и d_эp = 0,3 - 1,2 м.

Рис. 15. Зависимость удельных энергозатрат и производительности по кислороду от диаметра эрлифтных аэраторов при различных значениях интенсивности аэрации

1 - J_a = 5; 2 - J_a = 10; 3 - J_a = 15м³/(м²ч)

Исходные данные: тип сооружения - аэротенк-смеситель первой ступени. БПК сточных вод L_en = 550 мг/л; L_ех = 137 мг/л; расчетный расход q_W = 40000 м^з/cyт = 1667 м³/ч; период аэрации t_aim = 3 ч; растворимость кислорода С_а = 9 мг/л; концентрация растворенного кислорода в аэротенке С_о = 2 мг/л; ширина коридора аэротенка b = 9 м.

В данном случаепринят d_эp = 0,1b, т. е. d_эp = 0,19 = 0,9 м, J_a1 = 15 м³/(м²×ч).

Объем аэротенка W_aim = q_Wt_aim = 1667^.3 = 4999 м³.

По рис. 15 при J_a1 = 15 м³/(м²×ч) производительность по кислороду этого типоразмера аэратора приближенно составит 65 кг/ч.

Для определения необходимого числа эрлифтных аэраторов может быть использована формула (65) СНиП 2.04.03-75

Следует принять N_ma = 18 ед. При общей длине коридоров аэротенка L_a = W_aim/H_atb = 4999/(4,5^.9) = 123 м.

Расстояние между аэраторами l₁ = 123/18 = 6,86 м. Расход воздуха Q_B1 на один аэратор при J_a1 = 15 м³/(м²×ч).

Q_B1. = J_a1 bl₁ = 15×9×6б86 = 926 м³/ч = 257 л/с.

Окситенки

2.13. Окситенки представляют собой комбинированные сооружения, в конструкции которых предусмотрены зоны окисления и илоотделения, сообщающиеся между собой с помощью циркуляционных окон и щелей. Зона окисления оборудуется механическим аэратором, системой автоматической подпитки кислорода и стабилизации кислородного режима (рис. 16). Окситенки работают в режиме реактора-смесителя. Они могут применяться для полной и неполной очистки городских и производственных сточных вод.

Рис. 16. Схема окситенка

1 - резервуар; 2 - полупогружная перегородка; 3 - корпус зоны реакции, 4 - кислородопровод. 5 - механический аэратор; 6 - стояк сброса газа; 7 - привод илоскреба, 8 - кислородный датчик; 9 - зона илоотделения; 10 - решетка илоскреба; 11 - водослив водосборного лотка; 12 - донная циркуляционная щель; 13 - подводящий дюкер; 14 - циркуляционные окна

Институт Союзводоканалпроект разработал проекты окситенков диаметром 10, 22 и 30 м, в которых зоны окисления и илоотделения равны между собой по объему.

2.14. При расчете окситенков определяются необходимые объемы зоны окисления и илоотделения, размеры турбины аэратора частота ее вращения и мощность привода при заданной эффективности использования кислорода.

2.15. Исходные данные для расчета окситенков аналогичны тем, которые необходимы при применении аэротенков. Для примера рассмотрим случай, при котором расход сточных вод q_W = 1667 м³/ч; БПК_полн исходной воды L_en = 400 мг/л: БПК_полн очищенной воды L_ех = 15 мг/л.

Сточная вода представляет собой смесь промышленной и бытовой и по составу близка к городской, поэтому кинетические константы могут быть взяты из табл. 40 СНиП 2.04.03-85 = 85 мг БПК_долн/(г×ч); K_l = 33 мг/л; K₀ = 0,625 мг/л; = 0,07 л/г.

Доза ила и концентрация кислорода определяются в результате технико-экономических расчетов. Для окситенков эти параметры находятся в следующих пределах: a_i = 5 - 12 г/л, С_o = 6 - 12 мг/л.

В данном случае в первом приближениипринято a_i = 6 г/л, С_o = 8 мг/л.

В начале определяется удельная скорость окисления по формуле (49) СНиП 2.04.03-85

= =18,25 мг^.БПК_полн/(г^.ч).

Период пребывания в зоне реакции определяется по формуле (48) СНиП 2.04.03-85

t_aim = = 5,02 ч.

Суммарный объем зон реакции окситенков, м³.

W_O = q_wt_aim = 1667^.5,02 = 8368 м³.

Приняв окситенки D_О = 22 м, глубиной Н_О = 4,5 м, с общим объемом, равным:

W_O1 = 0,785 Н_О^. = 0,785×22²×4,5 = 1708 м³

получим объем зоны реакции

W_a1 = W_O1/2 = =854 м³

Далее рассчитаем диаметр зоны реакциипо формуле, м:

. (43)

Затем количество окситенков

n_O = W_O/ W_a1 = 8368/854 = 9,718 ед.

Согласно расчетам принимаем n_O = 10 ед.

2.16. Для определения седиментационой характеристики ила по формуле (53) СНиП 2.04.03-85 рассчитываем нагрузку на ил

q_i = (400 - 15) 24/6×5,02(1 - 0,3) = 438 мг^.БПК_полн/(г^.сут).

По табл. 41 СНиП 2.04.03-85 при q_i = 438 величина илового индекса J_i = 85 см³/г. С учетом снижения его за счет кислорода J_i = 85/1,4 = 60,7 см³/г.

По табл. 45 СНиП 2.04.03-85 в зависимости от величины параметра (a_iJ_i) определяем допустимую гидравлическую нагрузку на илоотделитель; для a_iJ_i = 6^.60,7 = 364, при котором q_ms = 1,4 м³/(м²×ч).

Необходимая площадь илоотделителей окситенков

F_тs = q_w/ q_ms = = 1140 м².

Фактическая площадь илоотделителей

F_Oi = W_O1/2H_O = 1708/(2^.4,5) = 1900м²

что значительно превышает необходимую величину, поэтому дозу ила можно несколько увеличить.

2.17. Во втором приближении принимается доза ила a_i = 8 г/л, остальные параметры остаются неизменными и расчет повторяется в прежней последовательности. По формуле (49) СНиП 2.04 03-85

= 16,62 мг /(г^.ч).

По формуле. (48) СНиП 2.04.03-85

t_aim = (400-15)/[8(1-0,3)16,62] = 4,13 ч.

Объем зон реакции окситенков W_a = 1667^.4,13 = 6895 м³. Количество окситенков n_O = 6895/854 = 8,07 ед. Можно принять n_O = 8 ед.

По формуле (53) СНиП 2.04.03-85

q_i = (400-15)^.24/[8^.4,13 (1-0,3)] = 399,5 мг/(г^.сут)/

По табл. 41 СНиП 2.04.03-85 при q_i = 399,5 мг/(г^.сут), J_i = 80 см³/г, с учетом влияния кислорода J_i = 80/1,4 = 57 см³/г, величина a_iJ_i = 8^.57 = 456, при котором по табл.45 СНиП 2.04.03-85 q_ms = 1 м³/(м²×ч)

Необходимая площадь илоотделителей окситенков F_тs = 1667/1 = 1667 м²

Фактическая площадь илоотделителей F¢_тs = 6895/4,5 = 1532м²,что соответствует необходимой величине.

2.18. Производительность аэратора по кислороду Q_ma, кг/ч, при использовании технологического 95 %-ного кислорода определяется по формуле

, (44)

где С_а - концентрация насыщения воды кислородом, мг/л, в стандартных условиях по формуле (38) (в данном случае С_a = 10 мг/л);

К_т и K₃ - коэффициенты, учитывающие температуру и состав сточных вод, определяются по п. 6.157 СНиП 2.04.03-85.

Например, при температуре воды 12°С К_т = 1+0,02(12 - 20) = 0,84. Для смеси промышленных и городских вод K₃ = 0,7. Коэффициент использования кислорода в окситенке принимается в пределах = 0,85-0,95.

Концентрация растворенного кислорода в зоне реакции определяется технико-экономическим расчетом. Для окситенков оптимальные значения С_о = 6-12 мг/л. В данном случае С_о = 8 мг/л.

Скорость потребления кислорода рассчитывается с учетом БПК исходной и очищенной воды и производительность одного окситенка по формуле, кг/ч:

. (45)

Для данного случая

= (400 - 15) 1667/1000×8 = 80кг/ч.

Приняв = 0,9; C_o = 8 мг/л,

Q_ma = 10×80/1000×0,84×0,7[0,174(1-0,9)/0,9-8/1000] = 119 кг/ч.

Исходя из конструктивных соображений, принимается диаметр турбины механического аэратора d_а = 2м. Параметры механических аэраторов приведены в табл. 13.

Таблица 13

Для аэраторас d_a = 2 м, работающего на воздухе, производительность по кислороду составляет Q_m = 33,5 кг/ч, мощность (нетто) N_m = 11,8 кВт, частота вращения n_m = 38 мин^-1.

Поскольку Q_m аэратора недостаточна, следует повысить скорость его вращения и соответственно увеличить мощность привода.

Необходимая частота вращения n_O, мин^-1, определяется по формуле

n_O = n_{m ,} (46)

т. е.

n_O = = 72 мин^-1.

Мощность (нетто) на валу N_O, кВт, рассчитывается по формуле

N_O = , (47)

для рассматриваемого примера

N_O = 11,8^.72²/38² = 42,3.

Мощность привода аэратора (брутто) при его КПД = 0,7

N_Ob = No/ = 42,3/0,7 = 60,5 кВт.

Интенсивность перемешивания механического аэратора оценивается по величине донной скорости Jо, м/с, в наиболее удаленной точке зоны его действия, величина которой должна быть не менее 0,2 м/с и рассчитывается по формуле

,

где H_a и В_a - глубина и ширина зоны реактора.

Для рассматриваемого примера при В_a = D_r = 15,5 м; Н_а = 4,5 м, донная скорость будет равна:

J_о = = 0,7 м/с,

что значительно выше требуемой величины, и, следовательно, перемешивание будет обеспечено.

2.19. Расход кислорода определяется с учетом расхода сточных вод, БПК_полн исходной и очищенной воды и эффективности использования кислорода. Весовой расход кислорода рассчитывается по формуле

.

Для рассматриваемого примера

= 713 кг/ч.

Объемный расход

Q¢_o = Q_o / ,

где плотность 1 м³ кислорода при нормальном давлении = 1,43 кг/м³. Для условий примера Q¢_o = 713/1,43 = 498,7 м³/ч.

2.20. При подборе оборудования можно использовать технико-экономические показатели установок разделения воздуха (по данным Гипрокислорода) которые приведены в табл. 14.

2.21. Применение окситенков экономически целесообразно при получении кислорода по себестоимости от действующих кислородных цехов предприятий азотной, нефтехимической, коксохимической и других отраслей промышленности, а также при строительстве собственных кислородных установок в составе очистных сооружений.

Экономический эффект от применения окситенков с собственными кислородными установками по сравнению с аэротенками при очистке городских сточных вод возрастает с повышением производительности очистных сооружений.

Таблица 14

Примечание. Производительность и себестоимость даны при нормальном давлении кислорода при температуре 20 °С. Содержание кислорода не ниже 99,6 %.

Ориентировочные величины экономического эффекта для этих условий приведены в табл. 15.

Таблица 15