Математическое моделирование работы биофильтра, использующего кислород электролиза воды
..pdfА.Б. Голованчиков
д-р техн. наук, проф. И.В. Владимцева д-р биол. наук, проф. Ю.С. Гермашева Л.В. Потапова И.В. Могилевская
(Волгоградский государственный технический университет)
ГЖЧЕСЖОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РА Б И О Ф И Л Ь Т Р А ,
И С П О Л Ь З У Ю Щ Е Г О Щ /
ЭЛЕКТРОЛИЗА ВОДЫ
' Я 11111
Предложена конструкция биофильтра (БФ), в котором для дыхания микроорганизмов используются пузырьки кислорода, образующиеся при электролизе воды на аноде. Приведены алгоритм и результаты сравнительных расчетов БФ и электробиофильтра (ЭБФ).
ТНе ЫоДЫег соп$(гисНоп и о$егей, м>Неге оху§еп ЪиЪЫев аге ихей/ог геврпаИоп о/ ткгоог^апитх. ТНехе ЬиЬЫев аге /огтей м ргосезв о/ м>а(ег е1ес(го1ут оп (Не апойе. ТНе ЬиЪЫе иге йерепДх оп (Не (Нккпехх о/ е1ес(гоАе$. ТНеге аге (Не ге$иШ о/ сотрагаИуе са1си1аЫот о/Ыо/Шег апА е1ес(гоЫо/Ы(ег.
В существующих аппаратах и установках для
биологической очистки сточных вод в аэробных условиях - биофильтрах и аэротенках - используется кислород воздуха для дыхания микроорганизмов активного ила или биопленки. Однако скорость потребления микроорганизмами кислорода воздуха в этих установках невысокая, из-за чего уменьшается степень поглощения органических веществ, или для заданной степени очистки повышают размеры оборудования или необходимое число установок определенной мощности [1, 2].
Значительно возрастает скорость окисления и интенсивность очистки сточных вод в так называемых окситенках - аппаратах для биологической очистки, в которых для дыхания микроорганизмов активного ила или биопленки подается технический кислород. Однако в этом случае технологический процесс зависит от запасов технического кислорода, и эта зависимость существенно влияет на непрерывность и устойчивость работы окситенков.
Есть попытки использовать для дыхания микроорганизмов в установках для биологической очистки сточных вод кислород, образующийся при электролизе воды [3, 4]. Однако при этом образуется смесь пузырьков кислорода и водорода, значительно снижающая окислительную способность процесса. Кроме того,
гремучая смесь кислорода и водорода, образующаяся при электролизе воды, повышает требования к вентиляции воздуха и охране труда обслуживающего персонала. Разделение катода и анода токопроницаемой мембраной позволяет селективно использовать кислород для биоокисления сточной воды в зоне аэрации, а водород для флотации [5].
Однако необходимость установки ионопроницаемой мембраны между анодом и катодом усложняет конструкцию аппарата и его эксплуатацию, связанную с очисткой, регенерацией или даже заменой мембраны.
В предлагаемой конструкции электробиофильтра по аналогии с электрофлотацией и электрокоагуляцией [6, 7] в качестве газовой фазы используются пузырьки электролитических газов, при этом пузырьки кислорода поднимаются вверх в зону активного ила или биопленки с микроорганизмами, а пузырьки водорода - вместе с очищенной водой уходят вниз под электродную систему в отстойники второй очереди.
Для селективного разделения пузырьков кислорода, образующихся на аноде и водорода, образующихся на катоде, их устанавливают в нижней части аппарата (рис. 1), причем анод над катодом с зазором 8.
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ПРИБОРЫ Но 12. 2006 г. 47
Идентификаторы для сравнительного расчета БФ и ЭБФ
|
|
Параметр |
|
|
Исходные д а н н ы е |
Производительность по очищаемой воде, м3/ч |
|
|
БПК очищаемой воды, подаваемой на очистку, |
г/м3 |
|
БПК воды после очистки в биофильтре (БФ), г/м3 |
||
Температура очищаемой воды, °С |
|
|
|
|
С п р а в о ч н ы е д а н н ы е |
Средний диаметр пузырьков воздуха в БФ, мк |
|
|
Средний диаметр пузырьков кислорода в ЭБФ, |
мк |
|
Высота насадки в БФ / (ЭБФ), |
м |
|
Плотность очищаемой воды, |
кг/м3 |
|
Динамическая вязкость очищаемой воды. Па с Порозность насадки, м3/м3 Коэффициент использования СЬ воздуха в БФ, доли
Коэффициент использования кислорода в ЭБФ, доли Объемная доля кислорода в воздухе, м4/м3 Молекулярный вес кислорода, кг/кмоль
Электрохимический коэффициент кислорода при электролизе воды, м3 /(Ач) Напряжение в промышленном ЭБФ, В Стоимость 1 кВт-час электроэнергии, руб./кВт-ч
Интегральная зависимость БПК от времени обработки очищаемой жидкости в БФ в среде воздуха, г/м3 Интегральная зависимость БПК от времени обработки очищаемой жидкости в ЭБФ в среде СЬ, г/м3 Интервал разбиения по времени интегральных зависимостей БПК от времени, с Рекомендуемая плотность тока, А/м2
Число точек разбиения |
по времени интегральных зависимостей БПК от времени |
|
Рекомендуемый зазор |
между вертикально установленными электродами, обеспечивающими |
|
необходимую плотность тока и напряжение, |
м |
|
|
|
Р а с ч е т н ы е п а р а м е т р ы |
Среднее время пребывания очищаемой воды |
в насадке с активным илом или биопленкой в БФ/ЭБФ, с |
|
БПК очищаемой воды |
на выходе из ЭБФ, г/м3 |
Скорость всплывания пузырьков воздуха в неподвижной воде, м/с Скорость всплывания пузырьков кислорода в неподвижной воде, м/с Средняя скорость очищаемой воды, стекающей вниз по насадке, м/с
Фиктивная скорость стскания очищаемой воды (в свободном сечении аппарата), м/с Площадь сечения БФ/ЭБФ, м2 Расход воздуха в БФ, м3/ч Расход кислорода в ЭБФ. м3/ч
Ток, необходимый для обеспечения электролиза воды с образованием рассчитанного расхода О;, А Плотность тока на горизонтальных сетчатых электродах, установленных в нижней части ЭБФ, А/м Ширина и длина БФ и ЭБФ, м Стоимость электроэнергии, затрачиваемой на 1м3 очищаемой воды, руб./м3
Длина вертикальных электродов в модуле, обеспечивающих рекомендуемую плотность тока, м Необходимая площадь поверхности сеток анода, обеспечивающих рекомендуемую плотность тока, м2 Высота вертикальных сеток анода и катода, обеспечивающих рекомендуемую плотность тока, м Общее число сеток анода и катода, обеспечивающих заданную плотность тока в ЭБФ Скорость подъема пузырьков воздуха в стекающей вниз по насадке очищаемой воде, м/с Скорость подъема пузырьков кислорода в стекающей вниз по насадке очищаемой воде, м/с Время подъема пузырьков воздуха по насадке в биофильтре, с Время подъема пузырьков кислорода по насадке в ЭБФ, с Степень очистки по БПК в биофильтре Степень очистки по БПК в ЭБФ
Обозначение |
Величина |
и |
5 |
40 |
|
и |
12 |
<г |
20 |
А113
61
н2/2
р1000
Ц0,001
Со |
0,4 |
К0,085
Ко |
0,9 |
Р0,2
м„ |
32 |
к , |
2.1Х10-4 |
ц12
с, |
1,3 |
иРис. 2
иРис. 2
м200
100
п15
6 |
10 |
22 1 8 / 2 2 18
и2,48
VI, |
6,96х10"2 |
О» |
2,03х10"2 |
И» |
9х10"А |
и* |
3,6х10"4 |
5 |
3,85/3,85 |
Чь |
6,19 |
<ъ |
0.156 |
Л745,7
и193,6
в1,96
с2,33
11,76
Р7,45
п, |
0,048 |
П, |
176 |
иь |
6,05х10"3 |
"о |
1,12х10"3 |
* » |
330 |
<о |
1 775 |
Ъ0,7
Хо |
0,938 |
С П И С О К Л И Т Е Р А Т У Р Ы |
|
|
|
|
|||||
1. |
Биотехнология. |
Справочник / |
П о д |
ред. Н . С . |
Е г о р о в а , |
||||
|
Д . Д . |
С а м у и л о в а . М.: Высшая |
школа.1987. Т. 6. |
||||||
2. |
Родионов |
А.И., |
Клушин |
В.Н., |
Торочешников |
Н.С. Техни- |
|||
|
ка защиты |
о к р у ж а ю щ е й |
среды. М.: Химия, |
1989. |
|||||
3. |
Пат. |
США |
3 9 1 4 1 6 4 , кл |
204 - 149 . |
1976 И. |
|
|||
4. |
АС СССР 865842, СО 2 Р 3/02. |
С п о с о б биологической |
|||||||
|
очистки |
сточных вод. 1981. |
Бюл. |
№ 35. |
|
5.АС СССР 998381, СО 2 Р 3/00. Устройство для биологической очистки сточных вод. 1983. Бюл. № 7.
6. Голованчиков |
А. Б., |
Тябин |
Н.В., Дахина |
Г.Л. |
Электро - |
|
ф л о т а ц и о н н ы е |
п р о ц е с с ы |
и аппараты |
х и м и ч е с к о й тех- |
|||
нологии: |
Уч. |
|
п о с о б и е . |
В о л г о г р а д : |
ПО |
«Полигра - |
фист», 1989. |
|
|
|
|
|
7.Матов Б.М. Электрофлотация: Кишинев: Картя молдовеняскэ, 1971.
8. Мамаков А.А. |
С о в р е м е н н о е |
состояние и перспективы |
|
применения |
электролитической флотации |
веществ. |
|
Ч. 1,2. Кишинев: Штинница, |
1975. |
|