Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Обоснование параметров устройства для аэрации вод, включая сточные, на основе виброструйного эффекта

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Обоснование параметров устройства для аэрации вод, включая сточные, на основе виброструйного эффекта"

На правах рукописи

V

Багнюк Виталий Викторович

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ УСТРОЙСТВА ДЛЯ АЭРАЦИИ ВОД, ВКЛЮЧАЯ СТОЧНЫЕ, НА ОСНОВЕ ВИБРОСТРУЙНОГО ЭФФЕКТА

Специальность 03.00.16 - «Экология»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Йошкар-Ола - 2003

Работа выполнена на кафедре транспортных и бытовых машин Марийского государственного технического университета

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Поздеев Анатолий Геннадьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

Канищев Александр Николаевич

кандидат технических наук, Толстухин Андрей Иванович

Ведущая организация: Департамент природных ресурсов и экологической безопасности Республики Марий Эл

Защита состоится 2 июля 2003 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.115.01 в Марийском государственном техническом университете по адресу: 424000, Республика Марий Эл, г. Йошкар-Ола, пл. Ленина 3, ауд.253.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Марийского государственного технического университета.

Автореферат разослан мая 2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Охрана окружающей природной среды и рациональное использование природных ресурсов приобретают в наши дни исключительно важное значение.

Развитие промышленности вызывает рост объемов производственных сточных вод, значительная часть которых поступает в водоемы и загрязняет их. Сброс бытовых и особенно производственных сточных вод, содержащих различные токсичные вещества, в открытые водоемы значительно изменяет их биоценоз. В охране водоемов от загрязнения важная роль принадлежит очистке сточных вод биохимическим способом.

Для нормального хода процесса биохимической очистки сточных вод необходимо обеспечение кислородом смеси сточных вод с активным илом и интенсивное ее перемешивание. Эти функции выполняют системы аэрации. Применяемые в настоящее время пневматическая и пневмомеханическая системы аэрации с воздуходувными станциями отличаются высокой стоимостью. Механическая система аэрации вызывает дробление хлопьев активного ила, ухудшение их оседания и вынос с очищенной сточной водой. Струйная система аэрации имеет малое время контакта между воздухом и жидкостью.

Создание принципиально новых устройств с улучшенными энергосиловыми и технологическими показателями, в том числе, основанных на виброструйном эффекте, для интенсификации процесса биохимической очистки сточных вод, постоянного обеспечения кислородом их смеси с активным илом, интенсивного перемешивания с целью равномерного распределения растворенного кислорода и предупреждения осаждения активного ила является актуальной задачей представляющей научный и практический интерес.

Цель и задачи работы. Целью является анализ.физических процессов аэрации и перемешивания вод, включая сточные, для разработки методик расчета и обоснования технических параметров и технологических характеристик устройства на основе виброструйного эффекта.

Для реализации поставленной цели потребовалось решить следующие основные задачи: разработать методику теоретического расчета устройства на основе виброструйного эффекта, которая позволяет определить параметры входящих в него элементов; создать экспериментальную установку и произвести комплекс лабораторных исследований виброструйного эффекта при аэрации вод, включая сточные; проверить адекватность разработанных методик расчета "ца^аме^ОВ^^^^^^йства

| БИБЛИОТЕКА ! С.Петербург /.„л

путем сопоставления полученных теоретических и экспериментальных результатов; оценить эффективность аэрации вод, включая сточные, при технологическом использовании устройства на основе виброструйного эффекта; оценить экономический эффект от внедрения в систему очистки сточных вод предлагаемого устройства.

Научная новизна работы. Произведен морфологический анализ сооружений применяемых в системе аэрации вод, включая сточные; разработаны аналитический и автоматизированный варианты теоретического расчета устройства на основе виброструйного эффекта; разработан динамический способ аэрации вод, включая сточные, на основе виброструйного эффекта; экспериментальным путем оценены и установлены зависимости между показателями, определяющими эффективность аэрации вод, включая сточные и геометрическими параметрами устройства на основе виброструйного эффекта; разработана методика расчета устройства на основе виброструйного эффекта для аэрации вод, включая сточные.

Предмет и объекты исследований. Объектами исследования являлись воды, включая сточные, конструкции систем аэрации, энергосиловые и технологические показатели процесса взаимодействия устройства с водной средой. Предметом исследования являлся виброструйный эффект, возникающий при работе устройства с рабочими органами в виде двух соосных сплошных конических поверхностей; энергосиловые параметры процесса взаимодействия устройства с водами, включая сточные; изменение состояния водной среды под действием быстро изменяющихся внешних вибрационных воздействий, распространяющихся во внутреннем объеме жидкости.

Методы исследований. В основу исследований положены методы морфологического анализа технических и технологических объектов, гидродинамики, теории подобия и планирования эксперимента. В процессе решения теоретических задач и обработки результатов экспериментов применялись прикладные программные пакеты Statistica 5.0, MathCad, Microsoft Exel. Программа экспериментов выполнена в лабораторных и производственных условиях.

Степень обоснованности научных положений, выводов и рекомендаций. Полученные автором теоретические положения подтверждается результатами экспериментальных исследований, которые выполнены на основе современных методов и оборудования. Результаты исследований, изложенные в работе, не противоречат известным положениям теории массопередачи, базируются на доказанных законах процесса диффузии газа в жидкость и согласуются с известным опытом

создания устройств для аэрации и перемешивания вод, включая сточные.

Ошибка измерения в результате метрологически обеспеченных экспериментальных исследований находится в пределах 5%, что является допустимым значением для результатов подобного рода опытов.

Достоверность выводов и обоснованность рекомендаций подтверждается результатами производственных испытаний разработанного устройства.

Научная и практическая ценность работы заключается в том, что результаты выполненных исследований позволяют выявить особенности работы устройства на основе виброструйного эффекта и осуществить разработку и конструирование технических средств для аэрации и перемешивания вод, включая сточные. Предлагаемые технические решения позволяют существенно уменьшить металлоемкость существующих конструкций и принять более экономичные решения для вновь проектируемых сооружений рассмотренного типа. Испытанный образец устройства на основе виброструйного эффекта может служить основой для серийного производства технических средств аэрации вод, включая сточные.

На защиту выносятся следующие положения:

1) классификация и результаты морфологического анализа способов и устройств для механической аэрации вод, включая сточные;

2) способ аэрации и перемешивания жидкостей, основанный на виброструйном эффекте;

3) методика определения геометрических и энергосиловых параметров виброструйного устройства;

4) устройство для насыщения вод, включая сточные, кислородом на основе виброструйного эффекта и результаты его лабораторных исследований.

Апробация. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и были одобрены на научных конференциях МарГТУ (Йошкар-Ола, 1999-2003 г.г.).

Реализация результатов работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы в процессе проектировании устройства на основе виброструйного эффекта для аэрации сточных вод, включенного в систему очистных сооружений и приняты к внедрению в производство.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ и получен патент на изобретение № 2193534 РФ от 27 ноября 2002 г.

Личный вклад автора заключается в разработке классификационной схемы способов аэрации вод, включая сточные, а так же устройств для их осуществления; в результатах морфологического анализа устройств для механической аэрации вод, включая сточные; в анализе способа аэрации и перемешивания жидкости, основанном на виброструйном эффекте; в обосновании методики определения геометрических и энергосиловых параметров вйброструйного устройства для аэрации жидкости; в разработке устройства для насыщения жидкости кислородом на основе виброструйного эффекта; в получении экспериментальных результатов лабораторных исследований предложенного устройства.

Состав и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, отражающих ее содержание, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников и приложений. Работа изложена на 159 страницах машинописного текста и содержит 47 рисунков, 68 таблиц. Приложение содержит 53 страницы, 11 рисунков и 24 таблицы.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы задачи теоретических и экспериментальных исследований, излагаются положения, выносимые на защиту, научная новизна, научная и практическая ценность работы.

Развитие методов расчета вибрационных устройств стало возможным в результате фундаментальных работ C.B. Бретшнайдера, М.П. Ящака, В.Г. Пасюка, А.Д. Лесина, И.И. Блехшона, Г.Ю. Джанелидзе, И.И. Быховского, Ю.В. Грилькова, И.Ф. Гонгаревича, Р.Д. Искович-Лотоцкого, В.Б. Яковенко, В.И. Бабицкого и других ученых.

В первом разделе произведен анализ существующих систем и уст' ройств аэрации жидкости, выявлены их преимущества и недостатки. В результате анализа выявлено, что механические системы аэрации обладают достаточно высокой эффективностью и имеют преимущества перед аэраторами других типов. Для оценки соответствия конструкций механических аэраторов тенденциям развития технических и технологических решений в области аэрации вод, включая сточные применялся морфологический анализ, включающий следующие классификационные признаки: расположение оси вращения ротора, конструкции рабочего органа, способ подачи воздуха, заглубление ротора, способ установки, мобильность, характер и скорость движения рабочего органа, продолжительность аэрации, виды привода рабочего органа и воздействия на

процесс отстаивания активного ила. Дана оценка соответствия проектируемого объекта этой тенденции. Установлено преимущество использования устройства на основе виброструйного эффекта перед другими системами механической аэрации вод, включая сточные.

Вопросами аэрации вод, включая сточные занимались известные отечественные ученые С.Н. Строганов, H.A. Базякина, JI.H. Брагинский, М.А. Евилевич, Л.И. Брызгалов, А.И. Василенко, А.И. Жуков, Я.А. Карелин, С.К. Колобанов, C.B. Яковлев, В.В. Кафаров, В.И. Костюк, С.С. Кутателадзе, A.M. Ландау, А.Г. Немченко и другие. Их исследования показали, что существенное влияние на процессы, происходящие в газожидкостной среде, оказывают состав раствора, степень его гетерогенности, концентрация и свойства примесей, геометрические характеристики системы, а также гидродинамические и кинематические показатели.

В практике аэрации жидкости скорость массопередачи выражают в единицах концентрации по зависимости

^ = kLa(cs-C), (1)

где (cs - С) - разность концентраций насыщения жидкости газом Cs и растворенного в жидкости газа С, кг/м 3',kLa- объемный коэффициент

массопередачи, 1/ч.

Вопрос о влиянии физических свойств гетерогенной среды аэротен-ка, содержащей взвесь активного ила, на растворимость кислорода весьма мало освещен в литературе. Влияние загрязнений на процесс диффузии, как правило, учитывается коэффициентом качества воды, характеризующим отношение объемного коэффициента массопередачи в сточной воде к объемному коэффициенту массопередачи в чистой водопроводной воде, взятых при одних и тех же условиях (т.е. для одной и той же системы аэрации):

h

лLacm воды

а = --. (2)

*Laeodonp воды

В связи с недостаточной изученностью влияния отдельных ингредиентов загрязнений, содержащихся в воде, и их различных комбинаций на абсорбцию кислорода из-за большого разнообразия и состава сточных вод, изучение процессов абсорбции кислорода должно вестись на основе комплексных характеристик, которые учитывают абсорбционные свойства жидкости. Такой характеристикой является объемный коэффициент массопередачи, максимальное значение которого достигается при диаметре пузырька 0,22 - 0,25 см. К сожалению,ввиду отсутствия

достоверных теоретических положений скорости процесса диффузии кислорода, содержащегося в воздухе, единственным надежным методом является экспериментальный, основанный на измерении объемного коэффициента массопередачи.

Во втором разделе рассмотрены принципы построения методики расчета устройства для аэрации жидкости. В результате анализа работы устройства при различных значениях угла конусности рабочего органа Р, установлено, что при угле близким к 90° устройство приобретает характеристики поршневого кривошипного насоса, отличаясь тем, что вместо жидкости всасывается воздух. При меньших углах устройство создает виброструйные потоки жидкости при движении конуса. Для оценки влияния погружения рабочего органа на состояние водной среды рассмотрены режимы равномерного погружения, погружения с переменной скоростью и случай переходного режима.

При равномерном погружении сила лобового сопротивления внедрению рабочего органа в жидкость определится как

Р = 4роЯ"

(

1-

4 + 7££ 8

+ 1п-

(3)

-V

где р - плотность жидкости, кг/м ; и - скорость движения рабочего органа вдоль нормали, м/с; Л - радиус верхнего основания рабочего органа, м; р - угол конусности, град.

Сила лобового сопротивления внедрению рабочего органа при погружении в жидкость в случае переходного режима определится зависимостью

Я

(4)

где Я/

и

- переходная функция зависящая от скорости движения

рабочего органа вдоль нормали и, м/с, времени погружения рабочего органа г, сек., и радиуса верхнего основания рабочего органа Я, м; с(/3) - коэффициент сопротивления конуса, зависящий от угла конусности рабочего органа р.

При переменном погружении сила лобового сопротивления внедрению рабочего органа в жидкость запишется

Р =

,2

р-н -И + />•А •А -\l-~cosP

1

Г(Р)

(5)

где И - линейное перемещение рабочего органа, м; Л - скорость движения рабочего органа, м/с; И - ускорение рабочего органа, м/с;

/0*Н

1-Ш1

4 + л , 4

-+ /«-

8 Щр

\\

- функция, зависящая от

угла конусности.

В третьем разделе приведены результаты экспериментальных исследований устройства для аэрации вод, включая сточные.

С целью проверки адекватности разработанных теоретических положений и разработки инженерных методов расчета величины динамических нагрузок на рабочие органы устройства аэрации и перемешивания сточных вод, а так же для определения работоспособности и эффективности аэрации проектируемого устройства проведены экспериментальные исследования на модели устройства в геометрическом масштабе 1:8,85. Схема экспериментальной модельной установки приведена на рисунке (рис. 1). Принцип работы устройства аэрации и перемешивания вод, включая сточные на основе виброструйного эффекта следующий. От электродвигателя 8 через редуктор 7 приводится в движение кривошип 4, под действием которого происходит поступательное движение шатуна, соединенного шарнирно с верхним сплошным полым колеблющемся усеченным конусом 2 к верхней мертвой точки кривошипа. Между верхним сплошным полым колеблющемся усеченным конусом 2 и сплошным нижним неподвижным усеченным конусом 3 возникает разряжение, вследствие чего происходит подсос воздуха по трубопроводу 6 в пространство, образующееся между верхним сплошным полым колеблющемся усеченным конусом 2 и сплошным нижним неподвижным усеченным конусом 3, при движении сплошного верхнего колеблющегося усеченного конуса 2. При достижении верхней мертвой точки кривошипа поток воздуха по трубопроводу 6 прекращается, обратный клапан 5 закрывается, шатун, с шарнирно присоединенном к нему сплошным полым колеблющемся усеченным конусом 2 начинает двигаться вниз, происходит выброс насыщенной кислородом жидкости в объем резервуара.

Рабочие органы установки, создающие вибрационные брызговые струи представляют собой сплошные полые усеченные конуса с дном изготовленные из жести толщиной 0,8 мм, причем верхний сплошной полый колеблющийся усеченный конус имеет те же геометрические размеры, что и сплошной неподвижный нижний усеченный конус. Для изучения характера работы устройства были изготовлены шесть пар

сплошных усеченных конусов с углами конусности 30, 45, 60, 70, 75, 80 градусов. Вернее и нижнее основание сплошных полых усеченных конусов оставались без изменений и имели размеры соответственно 0,105 и 0,065 м. Амплитуда движения верхнего подвижного рабочего органа принимала постоянное значение 0,002 м.

1 - цилиндрический резервуар; 2 - подвижный усеченный конус; 3 - неподвижный усеченный конус; 4 - кривошип; 5-обратный клапан тарельчатого типа, 6 - трубопровод для подачи воздуха; 7 - редуктор; 8 - электродвигатель

При обосновании критерия подобия процесса аэрации жидкости были проанализированы условия моделирования по Рейнольдсу (Яе), Ве-беру (1Уе), Фруду (Рг) и Струхалю (Бг). Так как скорость движения рабочего органа и его ускорение достаточно велики, а коэффициент поверхностного натяжения жидкости незначителен, то в качестве главного критерия моделирования был выбран критерий Фруда (^гr„=Fr),=co«í(^. Критерий Струхаля (57,) при моделировании по критерию Фруда (17г) выполняется автоматически.

Выбор измерительной аппаратуры и воспринимающих элементов-датчиков производился на основании методики экспериментальных исследований и характера процесса аэрации и перемешивания вод, включая сточные. Электрическая схема для измерения динамических нагрузок, возникающих при работе устройства, включала магнитоэлектрический осциллограф марки Н117/1 и воспринимающие элементы - тензо-метрические датчики. Для усиления сигналов, поступающих на вход осциллографа, использовался усилитель 8АНЧ-7МТО. Датчики устанавливались на упругий элемент тензопреобразователя в форме кольца. Тарировка датчиков выполнялась непосредственно на экспериментальном стенде, на котором с помощью образцового динамометра сжатия и грузов проводилось измерение упругих сжимающих и растягивающих деформаций вдоль оси поступательного движения рабочих органов. Вызванный разбаланс моста после усиления подавался на шлейф магнито-

электрического осциллографа и записывался на фотопленку регистратора. Температура воды измерялась термометром, встроенным в анализатор концентрации растворенного кислорода (КРК) МАРК-201, с ценой деления 0,1 °С. Предел допускаемой абсолютной погрешности показаний анализатора для измерения температуры воды при температуре окружающего воздуха 20±5 С составлял не более ±0,3°С. Контроль концентрации растворенного кислорода в воде производился анализатором КРК МАРК-201 с ценой деления 0,1%. Пределы допускаемой приведенной погрешности анализатора при измерении в диапазоне рабочих температур от 0 до 50°С составляли не более ±1%. Солесодержание в водопроводной воде определялось кондуктометром МАРК-601 № 0230100. Пределы допускаемой погрешности показаний кондуктометра при измерении солесодержания в пределах диапазона температур от 0 до 50°С не превышали ±0,75%. Величина вакуума, образующегося при всасывании воздуха, определялась вакуумметром ОБВ-1-160 № 2966509, класс точности 1,5. Количество оборотов кривошипного вала определялось механическим тахометром типа ГЧ № 17126. Напряжение и сила тока определялись с помощью ампервольтметра Ц 4342 - М1, класс точности 1,5.

Работоспособность устройства оценивалась двумя основными техническими параметрами: окислительной способностью, определяющей количество переданного в жидкость кислорода в единицу времени и эффективностью аэрации, оценивающей количество электроэнергии затрачиваемой на растворение единицы массы кислорода. Для проверки фактической производительности разработанного устройства, окислительную способность определяли экспериментально по методике переменного дефицита кислорода, так как он получил наиболее широкое распространение ввиду простоты его проведения.

Резервуар заполняли водопроводной водой, имеющей температуру 18°С до установленного уровня 15 литров. В связи с тем, что в водопроводной воде содержится растворенный кислород, перед началом эксперимента производили его удаление. Для этой цели использовали сульфит натрия (№2803) из расчета 20 г на 1 г растворенного в водопроводной воде кислорода, который потреблял растворенный в воде кислород, окисляясь до сульфата (Ыа2804). В целях ускорения реакции окисления вводился катализатор (хлорид кобальта) в количестве 1 мг/л. Количество растворенного кислорода в водопроводной воде измерялось анализатором концентрации растворенного кислорода МАРК-201, датчик которого устанавливался в донной части на периферии резервуара. Сульфит вводился в растворенном виде при плавном перемешивании объема во-

ды в резервуаре в течение 10-20 минут. После введения в воду сульфита натрия и хлорида кобальта устанавливали датчик анализатора растворенного кислорода на донном периметре резервуара и производили замер содержания растворенного кислорода в начале опыта, после чего включали электродвигатель и приводили устройство в действие. Для исследования влияния геометрических параметров и частоты вибрации рабочих органов на окислительную способность и эффективность аэрации устройства опыты проводились при различных их значениях. При определенных геометрических параметрах рабочего органа проводилось удаление растворенного в воде кислорода, указанным выше методом, после чего включался электродвигатель и снимались показания вольтметра, амперметра, секундомера и тахометра. При неработающем устройстве поступление кислорода из атмосферного воздуха не наблюдалось. По концентрации растворенного кислорода в жидкости определяли объемный коэффициент массопередачи по формуле

_ 303 (Ы С,-С,)- 1§( Сд - С 2 ))60 кь--- - , (о;

•2 - Ч

где СЛ - концентрация насыщения воды кислородом, для данной температуры, мг/л; С] - концентрация кислорода в начале опыта, мг/л; С2 -концентрация кислорода в конце опыта, мг/л; соответственно

время начала и конца опыта, мин.

При определении объемного коэффициента массопередачи учитывали, что концентрация насыщения кислорода (или его растворимость) зависит от температуры, а также от давления и солесодержания. Для чистой воды при давлении 760 мм. рт. ст. растворимость кислорода определялась по эмпирической зависимости

£75-2^ 33,5 + Т

где 5 - солесодержание, г/л; Т - температура, °С.

При отклонении атмосферного давления от нормального растворимость кислорода уточнялась по уравнению:

где ра - атмосферное давление в мм.рт.ст; р - давление насыщенного пара при некоторой температуре воды.

Окислительная способность аэратора определялась по формуле

ОС = к1а-С3-У, г/ч, (9)

где V - объем резервуара, л.

Эффективность аэрации определялась по формуле

Эа=-^,Втч/г, (10)

где Аа - энергия, затраченная на работу аэратора, Втч.

По формулам (9) и (10) определялись основные параметры работы установки. Результаты расчета заносились в таблицу, по значениям которой строился график (рис. 2.), по оси абсцисс которого откладывались значения числа оборотов кривошипа, а по оси ординат - значение исследуемых параметров.

Рис 2. График зависимости окислительной способности устройства от числа оборотов кривошипа при угле конусности рабочего органа 75"

Анализ экспериментальных данных показал, что для эффективного процесса аэрации и перемешивания вод, включая сточные необходимо использовать рабочие органы с углом конусности 75°. При этом угле конусности рабочего органа и числе оборотов 95 об/мин установка показала следующие результаты: объемный коэффициент массопередачи -4,21 1/ч, окислительная способность - 543,4 г/ч, коэффициент использования кислорода -3,31%, эффективность аэрации - 0,022 Вт-ч/г. Регрессионные уравнения, описывающие технические параметры работы устройства для аэрации вод, включая сточные, на основе виброструйного эффекта в зависимости от числа оборотов кривошипа п для рабочего органа с углом конусности р=75° приведены в таблице (табл. 1).

Используя правила пересчета при переходе от модельной установки к натурной для сходных параметров, были переведены результаты экспериментальных исследований в натурные величины (табл. 2).

Массовый расход кислорода, прошедшего через аэратор в натурной установке определяем по зависимости:

Мо2(н) = Яо2(н) ■Ро2 , кг/с, (11)

г&еЯо2(н) " объемный расход кислорода через аэратор в натурной ус-

тановке, м3/с; Ро2 = 1,43 - плотность кислорода, кг/м3

Таблица 1

Регрессионные уравнения, описывающие технические параметры работы устройства

Параметр Уравнение регрессии Коэффициент корреляции

Объемный коэффициент массопередачи, К, 1/ч 0,001-п"12 0,99

Коэффициент использования кислорода, Кщ, % 0,86 п"31 0,96

Окислительная способность, ОС, г/ч 0,15-п'8 0,99

Эффективность аэрации, Эа, Вт ч/г 21,67-п"'-52 0,97

Окислительную способность натурной установки определяем по зависимости:

ОС = Мг

К,

02

кг/с,

(12)

'о2(*Ут

где К0} - коэффициент использования кислорода, определенный экспериментальным путем, %.

Эффективность аэрации определяем по формуле

Аи

° ~ " , кВт-ч/кг,

(13)

" 3600-0с(н)

где Ан - энергия затраченная на работу установки в натурных условиях, кВтч.

Таблица 2

Параметр Значение параметра

Модель Натура

Мощность привода аэратора, кВт 0,01213 25

Расход кислорода через аэратор, м7с 0,0033 0,769

Масса кислорода, содержащегося в воздухе, прошедшем через аэратор в единицу времени, кг/с 0,0047 1,09

Коэффициент использования кислорода, % 3,31 3,31

Окислительная способность аэратора, кг/с 0,00015 0,036

Эффективность аэрации, кВт ч/кг 0,022 0,20

Достоверность пересчета моделируемых параметров устройства для аэрации жидкости на основе виброструйного эффекта определялась сходимостью измеренной величины эффективности аэрации с известными параметрами для аэраторов других типов (рис. 3). Как видно из диаграммы, предлагаемое устройство на основе виброструйного эффекта имеет в 2,1 раза лучшие показатели по сравнению с наиболее эффективных из существующих типов аэраторов - аэраторов с вертикальной осью вращения. Необходимо учесть, что экспериментальные исследования проводились при температуре жидкости в 1,8 раза больше по сравнению с температурой воды, при которой были получены данные из технической литературы (рис.3.), что существенно влияет на массооб-менные процессы в газожидкостной системе и приводит к уменьшению растворимости кислорода.

1 2 3 4 5 6

Тип аэратора

Рис. 3 Эффективность аэраторов различных типов: 1 - аэрация тонкодиспергированным воздухом; 2 - низконапорная аэрация; 3 - аэраторы с горизонтальной осью вращения; 4 - аэраторы с вертикальной осью вращения; 5 - комбинированная (турбинный аэратор), 6 - аэратор на основе виброструйного эффекта

Для приближенной оценки силы лобового сопротивления, возникающей при работе устройства с учетом присоединенной массы жидкости можно использовать зависимость

РсЖ.=4!+х)-{^-г, (14)

где п - число оборотов кривошипа, об/мин; т -масса элементов, участвующих в движении (масса рабочего органа, масса жидкости, находящийся в полости рабочего органа и масса элементов крепежа рабочего органа к кривошипу), кг; х - экспериментальное значение коэффициента присоединенной массы, определяемое по рисунку (рис. 4.); г - радиус кривошипа, м.

Е « 60

Я X X X

IВ

I §

40

20

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Число оборотов кривошипа, об/мик

Рис 4 График зависимости экспериментальных значений коэффициента присоединенной массы для рабочего органа с углом конусности 75" от числа оборотов кривошипного вала

В четвертом разделе выполнен расчет условного годового экономического эффекта от внедрения предлагаемого устройства на основе сравнения с базовым объектом - пневматической системой аэрации сточных вод на станции биологической очистки города Йошкар-Олы. При определении условного экономического эффекта обеспечивалась сопоставимость предлагаемого технического решения и базового объекта по объему очищаемой воды, качественным и мощностным характеристикам. Капитальные вложения на строительство установки определялись на основе средневзвешенной цены конструкции на 1 кг массы по категориям сложности изготовления узлов и конструктивно-технологических признаков устройства. Условный годовой экономический эффект от внедрения предлагаемого устройства в систему аэрации сточных вод г. Йошкар-Ола составит 70022 у.е. (1у.е. = 1 рубль в ценах до 1991 года.)

Основные выводы

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили получить научно-обоснованные выводы и рекомендации, направленные на создание устройства для аэрации вод, включая сточные, на основе виброструйного эффекта.

1. Предложенная классификационная схема способов аэрации вод, включая сточные, а так же устройств для их осуществления позволяет создавать и проектировать новые технические решения в области очистки сточных вод.

2. Технологическая схема улучшения качества воды с применением разработанного устройства на основе виброструйного эффекта для насыщения жидкости кислородом является принципиально возможной.

3. Схема с использованием аэратора на основе виброструйного эффекта обеспечивает концентрацию растворенного кислорода в жидкости в пределах требований технологических норм, составляющих 2-4 мг/л.

4. Обоснованы технические параметры устройства для аэрации вод включая сточные, на основе виброструйного эффекта для процесса биохимической очистки сточных вод.

5. Показано, что предлагаемое устройство для аэрации жидкости на основе виброструйного эффекта снижает удельные затраты энергии в 3,7 раза по сравнению с пневматической системой аэрации и в 2,1 раза по сравнению с устройствами механической аэрации жидкости.

6. Выявлены факторы, влияющие на эффективность аэрации жидкости устройством на основе виброструйного эффекта.

7. Выявлен основной фактор, влияющий на эффективность аэрации жидкости устройством на основе виброструйного эффекта - угол конусности рабочего органа, оптимальное значение которого составляет 75° при эффективности аэрации 0,20 кВт ч/кг.

8. Эффективность аэрации предлагаемого устройства увеличивается при повышении числа оборотов кривошипа.

9. На основе теории подобия составлена методика пересчета параметров модельной установки в натурную для определения эксплуатационных характеристик натурного устройства.

10.Получены регрессионные уравнения объемного коэффициента массопередачи, окислительной способности, эффективности аэрации, коэффициента использования кислорода и мощности электропривода позволяющие определить технические параметры устройства аэрации вод, включая сточные.

11. На основе сравнения технико-экономических показателей устройства аэрации вод, включая сточные, на основе виброструйного эффекта с базовым объектом - пневматической системой аэрации установлено, что условный годовой экономический эффект составит 70022 у.е.

Рекомендации

Проведенные исследования дают возможность сделать следующие рекомендации.

1. Результаты произведенного морфологического анализа рекомендуется использовать для выбора перспективных технических решений в

области проектирования устройств для биохимической очистки сточных вод.

2. Для получения максимальной окислительной способности проектируемого устройства в системе аэрации сточных вод при их биологической очистки рекомендуется применять рабочие органы с углом конусности 75°. Рекомендуемое число оборотов кривошипа 90-100 об/мин.

3. Разработанное устройство рекомендуется применять в следующих областях:

- в рыбном хозяйстве для аэрации водоемов с целью предотвращения замора рыбы;

- в химической промышленности для ускорения процессов протекающих в жидких несущих средах на граничных поверхностях различных фаз, включая смеси типа суспензий, эмульсий и потоков пузырьков газа в жидкости;

- в коммунальном хозяйстве в качестве вибродинамического насоса.

4. Предложенную классификацию существующих конструкций механических аэраторов рекомендуется использовать для анализа конструкций аэраторов и технологических решений в области биохимической очистки сточных вод.

Основные положения диссертации отражены в следующих работах:

1. Багнюк, В.В. Анализ работы пневматических аэраторов в системе аэрации бытовых и производственных сточных вод и возможные пути повышения их эффективности/ В.В. Багнюк// Матер. 53-й межвуз. студ. науч. - техн. конференции, Йошкар-Ола, 11-21 марта 2000г. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2000. - Ч. 2. - С.З - 4.

2. Багнюк, В.В. Вибрационно-динамические средства механической очистки сточных вод/ В.В. Багнюк, А.Г. Поздеев// Труды науч. конф. по итогам научно-исследовательских работ МарГТУ. Секция «Инженерная защита окружающей среды и рациональное пользование природными ресурсами», Йошкар - Ола, 19-23 марта 2002г. Марийск. гос. техн. ун-т.-Йошкар-Ола, 2002. - С.9-11. - Деп. в ВИНИТИ 06.02.2002; №253-В2002.

3. Багнюк, В.В. Морфологический анализ аэротенков, применяемых для биологической очистки сточных вод/ В.В. Багнюк// Всероссийская науч. - практ. конф. "Рациональное использование водных ресурсов в системе управления регионом", Йошкар-Ола, 15-16 марта 2001г. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2001. - С. 153-156.

4. Багнюк, B.B. Морфологический экспресс-анализ очистных сооружений/ В.В. Багнюк, А.Г. Поздеев; Марийск. гос. техн. ун-т. -Йошкар-Ола. 1999. - 14с. - Деп. в ВИНИТИ 29.03.99; № 946-В99.

5. Багнюк, В.В. Применение виброструйного эффекта в процессе аэрации сточных вод/В.В. Багнюк // Республиканский молодежный семинар "Экологические аспекты рационального природопользования", Йошкар-Ола, 14 апр. 2000 г. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2000. - С.20-21.

6. Багнюк, В.В. Проблема эксплуатации очистных сооружений малых населенных пунктов и возможные пути ее решения/В.В. Багнюк, A.A. Иванов // Республиканский молодежный семинар "Экологические аспекты рационального природопользования", Йошкар-Ола, 26 апр. 1999г. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 1999. -С.35-37.

7. Багнюк, В.В. Экологически ответственные решения при проектировании очистных сооружений/ В.В. Багнюк, A.A. Иванов// Республиканский молодежный семинар "Экологические аспекты рационального природопользования", Йошкар-Ола, 26 апр. 1999г. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 1999. - С.44 - 45.

8. Багнюк, В.В. Модель установки для аэрации сточных вод/ В.В. Багнюк/ Юбилейный сб. ст. студентов, аспирантов и докторантов по итогам науч. - техн. конф. МарГТУ в 2002г. - Йошкар-ола: МарГТУ, 2003.-С.227-231.

9. Багнюк, В.В. Формирование течений в установках аэрации воды при вибрационно - ударном возбуждении/ В.В. Багнюк/ Юбилейный сб. ст. студентов, аспирантов и докторантов по итогам науч. - техн. конф. МарГТУ в 2002г. - Йошкар-ола: МарГТУ, 2003. - С.232-236.

10.Пат.2193534 РФ, МПК 7 С02 F 7/00. Вибрационный аэратор для объемов жидкости со свободной поверхностью/ В.В. Багнюк, А.Г. Поздеев. РФ. -№2001100976/12; Заявлено 09.01.2001; Опубл. 27.11.2002, Бюл. №33. - 1с.

18 1 0 9 4 8

Просим принять участие в работе диссертационного совета Д 212.115.01. в Марийском государственном техническом университете или прислать Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах по адресу: 424000, г. Йошкар-Ола, пл. Ленина, 3; факс: (8362) 11-08-72.

ПЛД№ 2018 от 06.10.99 Усл.печ.л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ №2593

ООП Мар ГТУ. 424006 Йошкар-Ола, ул. Панфилова, 17

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Багнюк, Виталий Викторович

Введение.

1. Состояние вопроса и задачи исследования.

1.1. Классификация устройств для механической аэрации жидкости.

1.2. Анализ изучения процесса диффузии кислорода в жидкость.

Задачи исследования.

2. Принципы построения методики расчета устройства для аэрации жидкости.

2.1. Формирование струйных течений при ударном возбуждении движения жидкости.

2.1.1. Погружение в жидкость конуса с переменной скоростью.

2.1.2. Равномерное погружение конуса в жидкость.

2.1.3. Погружение конуса в жидкость в случае переходного режима.

2.2. Определение вакуума, возникающего при работе устройства для аэрации жидкости.

2.3. Давление, создаваемое устройством для аэрации жидкости, при формировании струи.

3. Экспериментальное исследование аэрации жидкости устройством на основе виброструйного эффекта.

3.1. Цели и задачи экспериментальных исследований.

3.2. Предмет и объект экспериментального исследования.

3.3. Обоснование критерия подобия процесса аэрации сточных вод.

3.4. Методика планирования эксперимента.

3.5. Описание регистрирующей аппаратуры.

3.6. Факторы, влияющие на эффективность аэрации жидкости.

3.7. Факторы, варьируемые в процессе эксперимента.

3.8. Характеристика аэрируемой среды.

3.9. Описание экспериментальной установки.

3.10. Методика проведения эксперимента.

3.11. Результаты экспериментальных исследований.

3.12. Оценка экспериментальных значений параметров аэратора 4. Расчет условного годового экономического эффекта от внедрения предла гаемого устройства.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Обоснование параметров устройства для аэрации вод, включая сточные, на основе виброструйного эффекта"

Актуальность темы. Охрана окружающей природной среды и рациональное использование природных ресурсов приобретают в наши дни исключительно важное значение. Санитарное состояние водоемов является одним из аспектов социально-экономического развития различных регионов нашего государства [10, 11, 12, 15, 17, 25,75, 111].

В последние годы для очистки водоемов от загрязнений широкое распространение получил биохимический метод. Биохимические методы очистки водоемов основаны на жизнедеятельности микроорганизмов, которые способствуют окислению или восстановлению органических веществ, находящихся в водоемах в растворенном виде и в виде взвешенных и коллоидных частиц. Эти загрязнения являются для микроорганизмов источником питания, в результате чего происходит очистка сточных вод [8, 13, 16, 25, 54, 67, 68, 89, 95, 104, 111, 114].

Аэробный биохимический распад веществ происходит под действием организмов, потребляющих свободный кислород из воздуха или растворенный в воде в специальных сооружениях - аэротенках. Аэротенки представляют собой гибкие в технологическом отношении сооружения и применяются для очистки загрязненных вод в широком диапазоне концентраций. Для нормального хода процесса биохимической очистки вод в аэротенках необходимо постоянное снабжение кислородом смеси загрязненных вод с активным илом и интенсивное их перемешивание для равномерного распределения растворенного кислорода и предупреждения осаждения активного ила [23, 27, 41, 54, 70, 74, 75, 85, 86, 87, 116].

Большая часть очистных станций в России и за рубежом оборудована пневматическими системами аэрации. Степень использования кислорода воздуха в аэротенках, снабженных пневматическими аэраторами, редко приближается к величине 10%, рекомендованной СниП, и обычно находится на уровне 4-6% [85, 105].

Анализ работы систем пневматической аэрации показал, что основными причинами низкой эффективности их работы являются [10, 15, 17, 18, 74, 75, 85]:

- низкое качество исполнения фильтросных каналов и заделки фильтрос-ных пластин;

- значительная неравномерность аэрации по длине аэротенка, обусловленная неоднородной воздухопроницаемостью пластин и. плохой регулировкой системы воздуховодов;

- недостаточная ширина аэрационной полосы, что приводит к образованию струйного режима истечения воздуха через диспергаторы;

- подача избыточного объема воздуха в аэротенки при малой нагрузке по загрязнениям; i

- повышенная засоренность пор пылью, продуктами коррозии и биологическими отложениями, вызывающая перерасход электроэнергии на преодоление возросших сопротивлений.

Учитывая затраты на замену устройств и электроэнергию для подачи воздуха, применение пневматических аэраторов является не рациональным.

Повышение степени биологической очистки загрязненных вод в аэротенках снабженных пневматической системой аэрации, неизбежно ведет к возрастанию мощности воздушно-насосной станции и, следовательно, к увеличению стоимости строительства и эксплуатации системы очистных сооружений

В связи с появлением новых загрязняющих веществ, увеличением их концентрации и расходов загрязненных вод необходима разработка новых конструктивных решений, имеющих более высокую эффективность и производительность. Увеличение эффекта очистки сточных вод и снижение материальных затрат на строительство очистных сооружений приводит к улучшению качества окружающей среды и рациональному использованию природных ресурсов [14].

Анализируя работы различных ученых в области вибрационной техники (Бретшнайдер С.В., Ящак М.П., Пасюк В.Г. [24], Лесин А.Д. [60], Блехшон

И.И., Джанелидзе Г.Ю. [22], Быховский И.И. [26], Грильков Ю.В. [36], Гонга-ревич И.Ф. [33], Искович-Лотоцкий Р.Д. [46], Яковенко В.Б. [122], Бабицкий В.И. [9] и др.) можно отметить, что:

- вибрационные воздействия позволяют ускорять процессы, протекающие в жидкой несущей среде на граничных поверхностях различных фаз, включая смеси типа суспензий, эмульсий и потоков пузырьков газа в жидкости;

- возможно создание вибрационного возбуждения множества затопленных турбулентных струй в объеме жидкости, находящейся в камере аппарата;

- струи вызывают интенсивное вибрационное перемешивание содержимого камеры. Интенсивное вибрационное перемешивание представляет собой наиболее эффективный способ ускорения технологических процессов в жидких средах невысокой вязкости.

Полнота протекания процесса очистки загрязненных вод и большая скорость их перемешивания способствуют эффективному применению вибрационных устройств в очистных сооружениях [23, 26, 29].

В технической практике известен ряд устройств и аппаратов для решения технологических задач, построенных на основе принципа вибротехники [30, 81, 82].

Несмотря на многообразие аппаратов, применяемых в вибрационной технике, теоретические вопросы обоснования параметров их элементов недостаточно изучены, так как зачастую не учитываются все геометрические характеристики рабочих органов. В связи с этим применение существующих методик не позволяет полностью рассчитать и запроектировать новое устройство, что вызывает необходимость уточнения геометрических и кинематических параметров и их взаимосвязи с энергосиловыми параметрами.

Недостаточная теоретическая база и отсутствие экспериментальных данных для обоснования конструкций и режимов работы устройств для аэрации жидкости, основанных на виброструйном эффекте, препятствуют определению их оптимальных параметров.

Создание эффективных систем для аэрации жидкости, основанных на подаче содержащегося в воздухе кислорода и способствующих его интенсивной диффузии в жидкость, дает ряд технико-экономических преимуществ по сравнению с традиционными системами аэрации.

Поэтому создание принципиально новых устройств для аэрации вод с улучшенными энергосиловыми показателями, в том числе устройств, основанных на виброструйном эффекте, представляют научный и практический интерес.

Цель и задачи. Целью является анализ физических процессов аэрации и перемешивания вод, включая сточные для разработки методик расчета и обоснования технических параметров и технологических характеристик устройств на основе виброструйного эффекта.

Для реализации поставленной цели потребовалось решить следующие основные задачи:

- разработать методику теоретического расчета устройства на основе виброструйного эффекта, которая позволяет определить параметры входящих в него элементов;

- создать экспериментальную установку и произвести комплекс лабораторных исследований виброструйного эффекта при аэрации вод, включая сточные;

- проверить адекватность разработанных методик расчета параметров устройства путем сопоставления полученных теоретических и экспериментальных результатов;

- оценить эффективность аэрации вод, включая сточные, при технологическом использовании устройства на основе виброструйного эффекта;

- оценить экономический эффект от внедрения в систему очистки сточных предлагаемого устройства.

Научная новизна работы. Произведен морфологический анализ сооружений, применяемых в системе аэрации вод, включая сточные; разработаны аналитический и автоматизированный варианты расчета устройства на основе виброструйного эффекта; разработан динамический способ аэрации вод, включая сточные на основе виброструйного эффекта; экспериментальным путем оценены и установлены зависимости между показателями, определяющими эффективность аэрации вод, включая сточные и геометрическими параметрами устройства на основе виброструйного эффекта; разработана методика расчета устройства на основе виброструйного эффекта для процесса аэрации вод, включая сточные.

Объекты исследований. Объектами исследования являются воды, включая сточные, конструкции систем аэрации сточных вод, энергосиловые и технологические показатели процесса взаимодействия устройства с водами, включая сточные.

Методы исследований. В основу исследований положены методы морфологического анализа технических и технологических объектов, гидродинамики, теории подобия и планирования эксперимента.

В процессе решения теоретических задач и обработки результатов экспериментов применялись прикладные программные пакеты Statistica 5.0, MathCad, Microsoft Excel.

Программа экспериментов выполнена в лабораторных и в производственных условиях.

Степень обоснованности научных положений, выводов и рекомендаций. Полученные автором теоретические положения подтверждаются результатами экспериментальных исследований, которые выполнены на основе современных методов и оборудования. Результаты исследований, изложенные в работе, не противоречат известным положениям теории массопередачи, базируются на доказанных законах процесса диффузии газа в жидкость и согласуются с известным опытом создания устройств для аэрации и перемешивания вод, включая сточные. Ошибка измерения в результате метрологически обеспеченных экспериментальных исследований находится в пределах 5%, что является допустимым значением для результатов подобного рода опытов.

Достоверность выводов и обоснованность рекомендаций подтверждается результатами производственных испытаний разработанного устройства.

Научная и практическая ценность работы заключается в том, что результаты выполненных исследований позволяют выявить особенности работы устройства на основе виброструйного эффекта и осуществить разработку и конструирование технических средств для аэрации и перемешивания вод, включая сточные. Предлагаемые технические решения позволяют существенно уменьшить металлоемкость существующих конструкций и принять более экономичные решения для вновь проектируемых сооружений рассмотренного типа. Испытанный опытный образец устройства на основе виброструйного эффекта может служить основой для серийного производства технических средств аэрации вод, включая сточные.

На защиту выносятся следующие положения:

1) классификация и результаты морфологического анализа способов и устройств для механической аэрации вод, включая сточные;

2) способ аэрации и перемешивания жидкостей, основанный на виброструйном эффекте;

3) методика определения геометрических и энергосиловых параметров виброструйного устройства;

4) устройство для насыщения вод, включая сточные, кислородом на основе виброструйного эффекта и результаты его лабораторных исследований.

Апробация. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и были одобрены на научных конференциях МарГТУ (Йошкар-Ола, 1999-2003г.г.)

Реализация результатов работы. Результаты исследований использованы при проектировании устройства на основе виброструйного эффекта в процессе аэрации сточных вод, включенного в систему очистных сооружений, и приняты к внедрению в производство.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ и получен патент на изобретение № 2193534 РФ от 27 ноября 2002 г.

Личный вклад автора заключается в разработке классификационной схемы способов аэрации вод, включая сточные, а так же устройств для их осуществления; в результатах морфологического анализа устройств для механической аэрации вод, включая сточные; в анализе способа аэрации и перемешивания жидкости, основанном на виброструйном эффекте; в обосновании методики определения геометрических, энергосиловых и динамических параметров виброструйного устройства для аэрации жидкости; в разработке устройства для насыщения жидкости кислородом на основе виброструйного эффекта; в получении экспериментальных результатов лабораторных исследований предложенного устройства.

Состав и объем работы: Диссертация состоит из введения, четырех разделов, отражающих ее содержание, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников и приложений. Работа изложена на 159 страницах машинописного текста и содержит 47 рисунков, 68 таблиц. Приложение содержит 53 страницы, 11 рисунков и 24 таблицы.

Заключение Диссертация по теме "Экология", Багнюк, Виталий Викторович

Основные выводы и рекомендации

В настоящее время биологическая очистка сточных вод сохраняет свое значение в составе системы очистных сооружений. Повышение степени очистки загрязненных вод и снижение материальных затрат на строительство очистных сооружений является важным показателем предотвращения загрязнения водоемов сточными водами. Однако эффективность биологической очистки загрязненных вод напрямую зависит от жизнедеятельности микроорганизмов, способствующих окислению органических веществ. Одним из условий поддержания оптимального режима жизнедеятельности микроорганизмов является подача кислорода и интенсивное его перемешивание с активным илом для равномерного его распределения и предупреждения осаждения активного ила [74, 75]. Объединение процессов перемешивания и окисления потребовало разработки нового устройства для аэрации жидкости на основе виброструйного эффекта.

Анализ предмета исследования позволил обосновать ряд научных положений и сформулировать следующие выводы.

1. Технологическая схема улучшения качества воды с применением аэратора на основе виброструйного эффекта для насыщения воды кислородом являются принципиально возможной. Проверка работоспособности предлагаемого устройства показала пригодность его использования для целей перемешивания и насыщения жидкости кислородом;

2. Схема с использованием аэратора на основе виброструйного эффекта обеспечивает концентрацию растворенного кислорода в жидкости в пределах требований технологических норм, составляющих 2-4 мг/л;

3. Обоснованы параметры устройства для аэрации жидкости на основе виброструйного эффекта для процессов очистки сточных вод.

4. Показано, что предлагаемое устройство для аэрации жидкости на основе виброструйного эффекта снижает удельные затраты энергии в 3,7 раза по сравнению с пневматической системой аэрации и в 2,1 раза по сравнению с устройствами механической аэрации жидкости за счет вращательного движения рабочего органа.

5. Выявлены факторы, влияющие на эффективность аэрации жидкости устройством на основе виброструйного эффекта.

6. Выявлен основной фактор, влияющий на эффективность аэрации жидкости устройством на основе виброструйного эффекта — угол конусности рабочего органа, оптимальное значение которого составляет 75 градусов при эффективности аэрации 0,20 кВт- ч/кг.

7. Определены окислительная способность и эффективность аэрации проектируемого устройства, сила лобового сопротивления жидкости при формировании виброструй, а также сила, возникающая в штоке при всасывании воздуха и мощностные характеристики привода установки.

8. На основе теории подобия составлена методика для пересчета параметров модельной установки в натурную при определения эксплуатационных характеристик натурного устройства аэрации жидкости.

9. Получены регрессионные уравнения объемного коэффициента массопередачи, окислительной способности, эффективности аэрации, коэффициента использования кислорода, мощности электропривода для определения параметров устройства аэрации жидкости.

10. На основании сравнения технико-экономических показателей устройства аэрации жидкости с базовым объектом - пневматическим аэратором установлено, что условный годовой экономический эффект составляет 70022 у.е.

11. Установлено преимущество использования устройства аэрации жидкости на основе виброструйного эффекта перед другими техническими решениями.

12. Предложена классификация устройств для механической аэрации жидкости, позволяющая создавать и проектировать новые технические решения.

Проведенные исследования позволяют сделать следующие рекомендации.

1. Для получения максимальной окислительной способности проектируемого устройства в системе аэрации сточных вод при их биологической очистки рекомендуется применять рабочие органы с углом конусности значение которого составляет 75 градусов.

2. Эффективность аэрации предлагаемого устройства увеличивается при повышении числа оборотов кривошипа. Рекомендуемое число оборотов составляет 90-100 об/мин.

3. Разработанное устройство рекомендуется применять в следующих областях:

- в рыбном хозяйстве для аэрации водоемов с целью предотвращения замора рыбы;

- в химической промышленности для ускорения процессов протекающих в жидких несущих средах на граничных поверхностях различных фаз, включая смеси типа суспензий, эмульсий и потоков пузырьков газа в жидкости;

- в коммунальном хозяйстве в качестве вибродинамического насоса.

4. Предложенная классификация существующих конструкций механических аэраторов может использоваться для анализа конструкций аэраторов и технологических решений в области очистки сточных вод.

5. Произведенный морфологический анализ рекомендуется использовать для выбора перспективных технических решений в области проектирования очистных сооружений.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата технических наук, Багнюк, Виталий Викторович, Йошкар-Ола

1. А.с. 2024437 СССР, МПК 5C02F 3/16. Кавитационный аэратор Шеремета П.З./ П.З. Шеремет (СССР). № 4921440/26; Заявлено 25.02.91; Опубл. 15.12.94, Бюл. №23.- 1 с.

2. А.с. 93053665/26 СССР, МПК 6C02F 7/00. Вибрационный аэратор для открытых водоемов./ B.JI Арефьев., В.А. Арефьев (СССР). № 93053665/26; За* явлено 30.11.93; Опубл. 27.06.96, Бюл. № 18. - 1 с.

3. Альтшуль, А.Д. Гидравлика и аэродинамика/ А.Д. Альтшуль, П.Г Киселев. -2-е изд., перераб. и доп. М.: Стройиздат, 1975.- 323с.

4. Арсеньев, Ю.Д. Теория подобия в инженерных экономических расчетах/ Ю.Д. Арсеньев. М.: Высш. шк., 1967. - 247 с.

5. Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник/ Э.В. Кравчик, М.М. Шлаф, В.И. Афонин, Е.А. Соболенская. М.: Энергоиздат, 1982. - 503с.

6. Аэротенк с механической аэрацией./ С.Н. Строганов, Е.Ф. Кононова., Я. И. 4> Лахтуров, Н. Г.Захаров — Л.: ОНТИ, 1938. 87 с.

7. Бабицкий, В. И. Теория виброударных систем/ В.И. Бабицкий. — М.: Наука, 1978.-352 с.

8. Багнюк, В.В. Морфологический экспресс-анализ очистных сооружений/ В.В. Багнюк, А.Г. Поздеев; Марийск. гос. техн. ун-т. -Йошкар-Ола. 1999. -14с. Деп. в ВИНИТИ 29.03.99; №946-В99.

9. Багнюк, В.В. Применение виброструйного эффекта в процессе аэрации сточных вод/В.В. Багнюк// Республиканский молодежный семинар "Экологические аспекты рационального природопользования", Йошкар-Ола, 14 апр. 2000г.- Йошкар-Ола: МарГТУ, 2000. С. 20 -21.

10. Багнкж, В.В. Модель установки для аэрации сточных вод/ В.В. Багнюк/ Юбилейный сб. ст. студентов, аспирантов и докторантов по итогам науч. техн. конф. МарГТУ в 2002г. - Йошкар-ола: МарГТУ, 2003. - С.227 - 231.

11. Багнюк, В.В. Формирование течений в установках аэрации воды при вибра-ционно-ударном возбуждении/ В.В. Багнюк/ Юбилейный сб. ст. студентов, аспирантов и докторантов по итогам науч. техн. конф. МарГТУ в 2002г. - Йошкар-ола: МарГТУ, 2003. - С.232 - 236.

12. Базякина, Н. А. Очистка концентрированных промышленных сточных вод/ Н. А. Базякина. М.: Госстройиздат, 1958. - 137 с.

13. Бауманн, Э. Измерение сил электрическими методами/ Э. Бауманн. -М.: Мир, 1978.-430 с.

14. Берг, Т. Поршневые, крыльчатые и ротационные насосы: Теория поршневых насосов/ Т. Берг.- Л.: ОНТИ, 1933.-254 с.

15. Блехшон, И.И. Вибрационное перемещение/ И.И. Блехшон, Г.Ю. Джанелидзе. М.: Наука, 1964. - 153 с.

16. Брагинский, JI. Н. Моделирование аэрационных сооружений для очистки сточных вод/Л. Н. Брагинский, М.А. Евилевич. Л.: Химия, 1980. - 143с.

17. Бретшнайдер, С.В. Интенсификация некоторых процессов химической промышленности путем вибрации/ С.В. Бретшнайдер, М.П. Яшак, В.Г. Пасюк// Хим. пром-сть. 1963. - №3. - С. 51 - 97.

18. Брызгалов, Л.И. Очистка сточных вод/ Л.И. Брызгалов. М.: Лесн. пром-сть, 1972.- 123с.

19. Быховский, И.И. Основы теории вибрационной техники/ И.И Быховский/ -М.: Машиностроение, 1969. 162 с.

20. Василенко, А. И. Очистка малых количеств производственных сточных вод/ А.И. Василенко, А.А. Василенко. Киев: Будивельник, 1966. - 193 с.

21. Веденяпин, Г. В. Общая методика экспериментального исследования и обработки опытных данных/ Г. В. Веденяпин. М.: Колос, 1973. - 199 с.

22. Вибрации в технике: Справочник. В 6 т./ Под ред. Э. Э. Лавендела. -М.: Машиностроение, 1981. Т. 4: Вибрационные процессы и машины. - 508с.

23. Вибрационные преобразователи движения/ Р.Я. Банивичкос, А.И. Бублуис, Р.А. Волченкова, Р.Э. Кутриль.- JL: Машиностроение, 1984. 108 с.

24. Вострокнутов, Н. Г. Электрические измерения/ Н. Г. Вострокнутов- М.: Высшая школа, 1966. 156 с.

25. Глаговский, Б.А. Электротензометры сопротивления/ Б.А. Глаговский, И.Д. Пивен. 2-е изд., перераб. и доп. -Л.: Энергия, 1972. - 217с.

26. Гонгаревич, И.Ф. Теория вибрационной техники и технологии/ И.Ф. Гонга-ревич. М.: Наука, 1981. - 114 с.

27. Грановский, В.А. Методы обработки экспериментальных данных при измерениях/ В.А. Грановский, Т.Н. Сирая. Л.: Энергоатомиздат, 1990. - 116с.

28. Грановский, Р.А. Динамическое измерение/ Р.А. Грановский. Л.: Энергоатомиздат, 1984. - 220 с.

29. Грильков, Ю.В. Вибрационные технологические процессы, колебания и виброзащиты машин/ Ю.В. Грильков. Ростов: РИСХМ, 1986. - 83 с.

30. Гухман, А.А. Введение в теорию подобия/ А.А. Гухман. М.: Высш. шк., 1973.-295с.

31. Гухман, А.А. Теория подобия, анализ размерностей, характеристические масштабы/А.А. Гухман, А.А. Зайцев М.: МГОУ, 1993. - 311 с.

32. Двухфазные моно и полидисперсные течения газа с частицами/ Л.Е. Стер-нин, Б.Н. Маслов, А.А. Шрайбер, A.M. Подвысоцкий. - М.: Машиностроения, 1980.- 176 с.

33. Дмитриев, Ю.Я. Математическое моделирование экологических систем: Учебное пособие/ Ю.Я. Дмитриев, А.Г. Поздеев. Йошкар-Ола: МарГТУ, 1997. - 208 с.

34. Евилевич, М.А. Оптимизация биохимической очистки сточных вод/ М.А. Евилевич, Л.Н. Брагинский. Л.: Стройиздат, 1979. - 87 с.

35. Езекиел, И. Методы анализа корреляций и регрессий/ И. Езекиел, К.А. Фокс.- М.: Статистика, 1966. 170 с.

36. Елин, В.И. Насосы и компрессоры/ В.И. Елин, К.Н. Солдатов. М.: Гостоп-техиздат, 1960. - 398 с.44.3айдень, А.Н. Погрешности измерений физических величин/ А.Н. Зайдень. — Л.: Наука, 1985.- 147 с.

37. Илюнин, К.К. Справочник по электроизмерительным приборам / К. К. Илюнин, Д. И. Леонтьев, Л. И. Набевина. -3-е изд. — Л.: Энергоатомиздат, 1983.- 783 с.

38. Искович Лотоцкий, Р.Д. Машины вибрационного и виброударного действия / Р.Д. Искович - Лотоцкий, И.Б. Матвеев, В.А. Крот. - Киев.: Техника, 1982.- 140 с.

39. Канализация / А.И. Жуков, Я.А. Карелин, С.К. Колобанов, С.В. Яковлев. 4-е изд. - М.: Стройиздат, 1969. - 315 с.

40. Канализация промышленных предприятий/ А.И. Жуков., Л.Г. Демидов, И.Д. Монгайт Родзиллер. М., Стройиздат, 1970. - 370 с.

41. Кафаров, В.В. Основы массопередачи/ В.В. Кафаров. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1979. - 439 с.

42. Кафаров, В.В. Процессы перемешивания в жидких средах/ В.В. Кафаров. -Л.: Госхимиздат, 1949. 108 с.

43. Клюкова, Н.П. Тензодатчики для экспериментальных.исследований/ Н.П. Клюкова. М.: Машиностроение, 1972. - 210 с.

44. Клюкова, Н.П. Тензорезисторы/ Н.П. Клюкова. М.: Машиностроение, 1990.-221 с.

45. Кондратьева, Т.Ф. Клапаны поршневых компрессоров/Т.Ф. Кондратьева, В.П. Исаков-Л.: Машиностроение, 1973, 158 с.

46. Костюк, В.И. Очистка сточных вод машиностроительных предприятий/ В.И. Костюк, Г.С. Каркаух. Киев: Техника, 1990. - 118 с.

47. Кравчик, А.Э. Выбор и применение асинхронных двигателей/ А.Э.Кравчик, Э.К. Стрельбицкий, М.М. Шлеф. — М.: Энергоатомиздат, 1987. 94с.

48. Краузе, Г.Н. Редукторы: Справочное пособие/ Г.Н. Краузе. 2-е изд., доп. и перераб.- JL: Машиностроение, 1972.- 144с.

49. Кутателадзе С.С. Гидродинамика газожидкостных систем/ С.С. Кутателадзе., М.А. Стырикович. М.: Энергия, 1976. - 112 с.

50. Ландау, A.M. Выбор оптимальных параметров системы пневматической аэрации для установок биохимической очистки сточных вод / A.M. Ландау, А.Г. Немченко // Водоснабжение и сан.техника. 1978. -№ 5. - С. 10-11.

51. Левич, В.Г. Физико-химическая гидродинамика/ В.Г. Левич. 2-е изд. - М.: Физматгиз, 1959. - 247 с.

52. Лесин, А.Д. Вибрационные машины в химической технологии/ А.Д. Лесин. -М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1968. 209 с.

53. Логвинович, Г.В. Гидродинамика течений со свободными границами/ Г.В. Логвинович. Киев: Наукова думка, 1969. - 209 с.

54. Лойценский, Л.Г. Механика жидкости и газа: Учеб. пособие для ун-тов и втузов/ Л.Г. Лойценский. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Наука. 1970. - 904 с.

55. Луньев, В.А. Планирование и обработка технического эксперимента. Учеб. пособие. Л.: ЛПИ, 1982. - 84 с.

56. Львовский, Е.Н. Статистические методы построения эмпирических формул: Учеб. пособие для втузов/ Е.Н. Львовский. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш.шк., 1988.-239 с.

57. Маликов, Г.Д. Расчеты упругих тензометрических элементов/ Г.Д. Маликов. — М.: Машиностроение, 1964. 182 с.

58. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов и их отбору для финансирования: Утв. Госстроем России, М-вом экономики РФ, М-вом финансов РФ/ Госкомпром России. М.: Информэлектро, 1994.-94 с.

59. Мильдер, Х.А. Малогабаритные канализационные очистные установки/ Х.А. Мильдер, JLJL Пааль М.: Стройиздат, 1987. - 135 с.

60. Найденко, В.В. Оптимизация процессов очистки природных и сточных вод/ В.В. Найденко, А.П. Кулакова, И.А. Шеренков. М.: Стройиздат, 1984. - 94 с.

61. Орловский, З.А. Очистка сточных вод в аэротенках/ З.А. Орловский. М.: М - во коммун, хоз - ва РСФСР, 1960. - 142 с.

62. Орловский, З.А. Очистка сточных вод за рубежом/ З.А. Орловский. М.: Стройиздат, 1974. - 106 с.

63. Основы научных исследований: Учеб. для техн. вузов/В.И. Крутов, И.М. Грушко, В.В. Попов и др. Под ред. В.И. Крутова, В.В. Попова.- М.: Высш.шк., 1989.-400 е.: ил.

64. Панасенко, А.Д. Водяные насосы/ А.Д. Панасенко. М.: Лесн. пром-сть, 1964.- 147 с.

65. Пат. 2193534 РФ, МПК 7 С 02 F 7/00. Вибрационный аэратор для объемов жидкости со свободной поверхностью/ В.В. Багнюк, А.Г. Поздеев. РФ. № 2001100976/12; Заявлено 09.01.2001; Опубл. 27.11.2002, Бюл. №33. -1 с.

66. Пижурин, А.А. Методика планирования экспериментов и обработки их результатов при исследовании технологических процессов в лесной и деревообрабатывающей промышленности: Учеб. пособие для ФПКП и аспирантов.Ч.1/ А.А. Пижурин.- М.: Моск. ЛТИ, 1972. -56с.

67. Поздеев, А. Г. Экономическое моделирование процессов освоения ресурсов/ А.Г. Поздеев. Йошкар-Ола: МарГТУ, 1998. - 81 с. - Деп. в ВИНИТИ 26.02.99; № 612-В99.

68. Поздеев, А.Г. Комплексное использование водных ресурсов и перспективы его прогресса / А.Г. Поздеев // Охрана и рациональное использование водных ресурсов.- Йошкар-Ола: МарГТУ, 1998. С. 28-33.

69. Поздеев, А.Г. Методы расчета виброструйных устройств для комплексного использования водных ресурсов/ А.Г. Поздеев. Йошкар-Ола: МарГТУ, 1998. -101 с. - Деп. в ВИНИТИ 14.01.98; № 60-В98.

70. Поздеев, А.Г. Теория и расчет устройств для создания виброструйного эффекта / А.Г. Поздеев // Материалы науч. конф. проф.-преп.состава, докт., асп., сотр. МарГТУ, посвящ. Дню ун-та и 65-летию вуза. Йошкар-Ола, 1997.- Вып. 5, 4.4.-С. 186- 187.

71. Попкович, Г. С. Распределение и регулирование подачи воздуха в аэротенки/ Г. С. Попкович.-М.: Изд-во МКХ РСФСР, 1951.- 106 с.

72. Попкович, Г.С. Системы аэрации сточных вод/Г.С. Попкович, Б.Н. Репин. — М.: Стройиздат , 1968. -136 е.: ил.

73. Попкович, Г.С. Технологическое моделирование процессов барботажного растворения кислорода в жидкости/ Г.С. Попкович, Б.Н. Репин// Журн. прикл. химии. АН СССР. 1983. - Вып. 56, № 8. - С.1803 - 1808.

74. Постников, И. С. Очистка сточных вод в аэротенках-отстойниках/И. С. Постников.- М.: Изд-во МКХ РСФСР, 1969. 83 с.

75. Проектирование сооружений для очистки сточных вод/ ВНИИводгео Госстроя СССР. М.: Стройиздат, 1990. - 190 с.

76. Разумовский, Э.С. Очистка и обеззараживание сточных вод малых населенных пунктов / Э.С. Разумовский, Г.Л. Медриш, В.А. Казарин. 2-е изд., пере-раб. и доп. — М.: Стройиздат, 1986. - 172 с.

77. Рамм, В.М. Абсорбция газов/ В.М. Рамм. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Химия, 1976. — 655 с.

78. Рекомендации по расчету экономической эффективности научно — технических мероприятий в области очистки природных и сточных вод. / ВНИИ водоснабжения, канализации, гидротех. сооружений и инж. гидрогеологии. — М.: ВНИИводгео, 1979. 306 с.

79. Репин, Б.Н. Исследование работы высокойагружаемого аэротенка с механическим аэратором в промышленных условиях / Б.Н Репин., А.Г. Пчелкин// Сб. науч.тр./ЦНИИЭП инж.оборуд.-1976. Вып. 1. - С. 37-48.

80. Репин, Б.Н. Научно-методические принципы расчета и конструирования поверхностных механических аэраторов/ Б.Н Репин, В.Г. Клинцов // Сб. науч.тр. / ЦНИИЭП инж.оборуд. 1979. - Вып. 1. - С. 3-17.

81. Рождественский, А.В. Статистические методы в гидрологии/ А.В. Рождественский, А.И. Чеботарев. Л.: Гидрометеоиздат, 1974. - 422 с.

82. Роговская, Ц.И. Биохимический метод очистки производственных сточных вод/ Ц.И. Роговская. М.: Стройиздат, 1967. - 167 с.

83. Рябов, А.К. Искусственная аэрация природных вод/ А.К. Рябов, Л.А. Сирен-ко. Киев: Наукова думка, 1982. - 202 с.

84. Сахарный, Н. Ф. Курс теоретической механики/ Н.Ф. Сахарный М.: Высш. шк., 1964.-844 с.

85. Сборник задач по машиностроительной гидравлике: Учеб.пособие для машиностроительных вузов/Д.А. Бутаев, З.А. Калмыкова, Л.Г. Подвидз и др. 4-е изд., перераб. -М: Машиностроение, 1981. - 464 с.

86. Седов, Л. И. Методы подобия и размерности в механике/ Л. И. Седов. М.: Наука, 1977.-439 с.

87. ЮО.Сивак, В.М., Янушевский Н.Е. Аэраторы для очистки природных и сточных вод/ В.М. Сивак, Н.Е. Янушевский. Львов: Вища школа, 1984. - 124 с.

88. Соболев, Д.А. Практикум по технике физического эксперимента/ Д.А. Соболев, С.Н. Сергиев. М.: МГУ, 1992. - 43 с.

89. Соколов, П.А. Вариационная статистика/ П.А. Соколов, В.Л. ^Черных. -Йошкар-Ола: МарПИ, 1990. 104 с.

90. ЮЗ.Стренк, Ф. Перемешивание и аппараты с мешалками/ Ф. Стренк. Л.: Химия, 1975.-384 с.

91. Строганов, С.Н. Биологическая очистка сточных вод/ С.Н. Строганов, К.Н. Корольков. М.: Госстройиздат, 134. - 93 с.

92. Строительные нормы и правила. Наружные сети и сооружения водоснабжения и канализации: СниП 3.05.04. 85*: Утв. Госстроем СССР 31.05.85: Взамен СниП 3 - 30.74: Срок введения в действие 01.07.86. - Изд. офиц. - М.: Госстрой России, 1997. - 48 с.

93. Юб.Тегузин, Л.Е. Пузыри/ Л.Е. Тегузин. М.: Наука, 1985. - 173 с.

94. Тейл, Г. Прикладное экономическое прогнозирование/ Г. Тейл. М.: Прогресс, 1970. - 508 с.

95. Тетерюков, В.И. Ротационные вакуумные насосы и компрессоры с жидкостным поршнем/ В.И. Тетерюков. М.: Машгиз, 1960. - 251 с.

96. Тиль, Р. Электрические измерения неэлектрических величин/ Р. Тиль. М.: Энергоатомиздат, 1987. - 191 с.

97. ПО.Турицин, A.M. Электрические измерения неэлектрических величин/ A.M. Турицин. — 4-е изд., перераб. М.: Энергия, 1966. —132 с.

98. Ш.Турский, Б. И. Очистка производственных сточных вод/ Б. И. Турский, В. И. Филиппов. -М.: Химия, 1967. 113 с.

99. Феликсон, Г. И. Упругие элементы силоизмерительных приборов/ Г. И. Феликсон. М.: Машиностроение, 1977. - 161 с.

100. П.Филиппов, В.В. Процессы впуска и выпуска в поршневых компрессорах/ В.В. Филиппов. М.: Машгиз. 1960. - 142 с.

101. Форстер К.Ф. Экологическая биотехнология / К.Ф. Форстер, Д.В. Джон-стон, Д.Н. Барнес. JL: Химия. Ленинг. отд-ние, 1990. - 382 с.

102. Френкель, М.И. Поршневые компрессоры. Теория, конструкции и основы проектирования/ М.И. Френкель. 3-е изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение, 1969. — 655 с.

103. Пб.Худенко, Б.Н. Аэраторы для очистки сточных вод/ Б.Н. Худенко, Е.А. Шпирт. М.: Стройиздат, 1973. - 112 с.

104. Чаленко, П. С. Методы и средства измерения силы/ П. С. Чаленко. М.: Изд-во стандартов, 1991.- 171 с.

105. Чиняев, И.А. Поршневые насосы в теплоэнергетике/ И.А. Чиняев. М.: Энергия, 1977.-80 с.

106. Чиняев, И.А. Поршневые насосы/ И.А. Чиняев. Л.: Машиностроение, 1966.- 188 с.

107. Штербачек, 3. Перемешивание в жидких средах/ 3. Штербачек, П. Тауск. -Л.: ГНТИХЛ, 1963. 526 с.

108. Штеренлихт, Д.В. Гидравлика: Учебник для вузов/Д.В. Штеренлихт. — М.: Энергоатоииздат, 1984. 640 с.

109. Яковенко, В.Б. Моделирование и расчет вибрационных систем/ В.Б. Яко-венко. Киев: УМК ВО, 1988. - 232 с.

110. Яковлев, С. В. Искусственные биологические окислители и методы их расчета/ С. В. Яковлев. М.: Госстройиздат, 1959. - 87 с.

111. Яковлев, С.В. Биологическая очистка производственных сточных вод: Процессы, аппараты и сооружения/ С.В. Яковлев, И.В. Скирдов. М.: Стройиздат, 1985. - 208 с.

112. Яковлев, С.В. Биологические процессы в очистке сточных вод/ С.В. Яковлев, Т.А. Карюхина М.: Стройиздат, 1980. — 200 с.

113. Dankwerts, P. V. Significance of Liquid-film Coefficients in gas absorption/ P.V. Dankwerts// Industrial and Engineering Chemistry. 1951, № 6, v. 43.

114. Mc Keogh, E. Air entrainment rate and diffusion pattern of plunging liquid jets / E. Mc Keogh, D. Ervine // Chem.Eng.Sci. -1981.-V.36.-P.1161-1172.

115. Ray, M.S. Comparison of the operation and performance the oxygenation and aeration systems / M.S. Ray // Effluent and Water Treatment. 1983. -V. 23, № 9. -P. 365-367.

116. Weston, R. F. Fundamentals of operation of entrainment aerators/ R.F. Weston, V.T. Stack// Air and Water Pollution. International Journal. 1963. - №2—4, v. 5.