Математическое моделирование работы биофильтра, использующего кислород электролиза воды

А.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.