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 М О Д Е Л И Р О В А Н И Е 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 / Э Л Е К Т Р О Л И З А В О Д Ы

' Я 11111

Предложена конструкция биофильтра (БФ), в котором для дыхания микроорганизмов используются пу-зырьки кислорода, образующиеся при электролизе воды на аноде. Приведены алгоритм и результаты срав-нительных 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 ус-ловиях - биофильтрах и аэротенках - используется кислород воздуха для дыхания микроорганизмов ак-тивного ила или биопленки. Однако скорость по-требления микроорганизмами кислорода воздуха в этих установках невысокая, из-за чего уменьшается степень поглощения органических веществ, или для заданной степени очистки повышают размеры обо-рудования или необходимое число установок опре-деленной мощности [1, 2].

Значительно возрастает скорость окисления и ин-тенсивность 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 за-висит от запасов технического кислорода, и эта зави-симость существенно влияет на непрерывность и устойчивость работы окситенков.

Есть попытки использовать для дыхания микроор-ганизмов в установках для биологической очистки сточных вод кислород, образующийся при электроли-зе воды [3, 4]. Однако при этом образуется смесь пу-зырьков кислорода и водорода, значительно снижаю-щая окислительную способность процесса. Кроме того,

гремучая смесь кислорода и водорода, образующая-ся при электролизе воды, повышает требования к вентиляции воздуха и охране труда обслуживающего персонала. Разделение катода и анода токопрони-цаемой мембраной позволяет селективно использо-вать кислород для биоокисления сточной воды в зоне аэрации, а водород для флотации [5].

Однако необходимость установки ионопроницае-мой мембраны между анодом и катодом усложняет конструкцию аппарата и его эксплуатацию, связан-ную с очисткой, регенерацией или даже заменой мембраны.

В предлагаемой конструкции электробиофильтра по аналогии с электрофлотацией и электрокоагуля-цией [6, 7] в качестве газовой фазы используются пузырьки электролитических газов, при этом пу-зырьки кислорода поднимаются вверх в зону актив-ного ила или биопленки с микроорганизмами, а пу-зырьки водорода - вместе с очищенной водой уходят вниз под электродную систему в отстойники второй очереди.

Для селективного разделения пузырьков кисло-рода, образующихся на аноде и водорода, обра-зующихся 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

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Рис. 1. Схема ЭБФ для очистки сточных вод: 1 - корпус; 2- патрубок с распределителем очищаемой жидкости; 3 - патрубок для отвода очищаемой жидкости; 4 - сетка-анод,- 5 - сетка катод; 6 - выпрямитель тока; 7 - опорная решетка для насадки; 8 - насадка; 9 - диэлектрический изолятор; 10 - опора; 11 - диэлектрическая прокладка.

Скорость всплывания пузырьков кислорода должна быть больше скорости течения водь;, пода-ваемой сверху на насадку с иммобилизованным ак-тивным илом или биопленкой с микроорганизмами, а скорость всплывания пузырьков водорода должна быть меньше скорости течения воды

Вв < « С Д о - (1)

Согласно уравнению Стокса, неравенство (1) вы-полняется, если диаметр пузырьков водорода будет меньше диаметра пузырьков кислорода. Для биоло-гической очистки воды она должна иметь нейтраль-ную или слабощелочную реакции (рН 6,5...8,5).

В работе [8] экспериментально показано, что раз-меры пузырьков водорода и кислорода в значитель-ной степени зависят от толщины проволоки электро-дов. Так, если сетка анода выполнена из проволоки диаметром 0,2 мм, то средний размер пузырьков ки-слорода составляет 61 мкм, а водорода - 23 мкм. При этом самые крупные пузырьки водорода будут иметь величину 46 мкм с фракционной долей 1,5 %, а самые мелкие пузырьки кислорода - 38 мкм с фракционной долей 4 %. Таким образом, принимая действительную скорость очищаемой воды и соот-ветствующую скорость всплывания пузырьков газа диаметром 40 мкм

а фиктивную скорость воды с учетом пористости насадки

щ =ие„ = 910"4 0,4 = 3,6-10~"м/с,

где е„ =0,4 - порозность насадки. Получаем, что 96 % образующихся пузырьков ки-

слорода на проволоке анода диаметром 1 мм будут всплывать вверх со средней относительной скоро-стью, соответствующей среднему диаметру пузырь-ков кислорода 61 мкм

= 0,545-Ю6 = 2-10~3м/с, или со средней абсолютной скоростью

"о = 1,12-10~3м/с . Применение кислорода вместо воздуха позволяет

повысить эффективность использования кислорода с 8... 9 % до 90...96 %, т.е. более чем в 10 раз и увели-чить окислительную мощность в 5...6 раз [2].

Из закона Фарадея

к ш Л -

где А - атомная константа элемента; г - валентность; / л=26,8 А-ч - число Фарадея.

Получаем для кислорода электрохимический эк-вивалент

16 2-26,8

тогда объемный электрохимический эквивалент 0 . 3 - 2 2 , 4

• = 0,3 г/А • ч ,

Ро 32 М

г д е р 0 =-22,4 ( 9 ) -

•10л = 0,21-10~м7А • ч,

плотность электрохимического

газа (кислорода при 0 °С и р-1,033 атм.); М= 32 - мо-лекулярная масса кислорода, кг/моль.

Окончательно получаем связь между расходом кислорода и током в виде

9о = А' цУ = 2,1 1 1 0 " 4 У , м 3 / А ч . (10)

Алгоритм с р а в н и т е л ь н ы х расчетов БФ и ЭБФ

1. По интегральной кинетической кривой БФ (рис. 2, кривая 1) или на ЭВМ по табличным данным этой зависимости определяется необходимое время пребывания очищаемой воды в насадке.

2. По интегральной кинетической кривой ЭБФ (рис. 2, кривая 2) или на ЭВМ по табличным данным этой зависимости определяется БПК очищаемой во-ды на выходе их электробиофильтра.

3. По формуле (2) Стокса определяются скорости всплывания пузырьков воздуха и кислорода.

4. Определяются действительная и фиктивная скорости очищаемой воды в насадке и в свободном сечении аппарата

К

= 9-10~4м/с, 18ц

( 2 )

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

= т ~1 1 1 1 Г -г-1 1 Г т

2 000

1Г-1Г-Ч -Гг^1—I 1—1 3 ООО I, с

Рис. 2. Интегральные кинетические кривые зависимости БПК сточных вод от времени: 1 - д л я обычного БФ при расходе воздуха (3̂ = 1,15 м3/м3; 2 - для ЭБФ при удельном расходе кислорода р0=0,0288 м3/м3.

5. Определяется площадь сечения обоих аппара-тов по уравнению неразрывности

5=- Я 3600-гл

6. Определяется необходимый расход воздуха в БФ

'22 ,4 У 273 +1. яЛК-к) \ 273

Чь ю о о - р - л :

7. Определяется необходимый расход кислоро-да в ЭБФ

чАК-К,) ' 2 2 , 4 У 2 7 3 + г .

М,о 1о

[ ' о У

1 0 0 0 К п

273

8. Определяется общий ток электролиза

/ - А .

9. Определяется плотность тока на горизонталь-ных сетках-электродах

5 • 10. Стоимость электрической энергии, затрачи-

1 з ваемой при электролизе на очистку 1 м воды,

1 0 0 0 '

11. Длина и ширина аппарата (БФ и ЭБФ) опре-

деляется как

12. Длина и ширина электродного модуля с уче-том монтажного зазора

Ь=0,9 Ь. 13. Площадь вертикальных сеток-электродов

14. Общее число вертикальных сеток-электродов 1 0 0 0 1

15. Высота вертикальных сеток-электродов (пла-стин-анодов)

г — 2 Г -л , = ,

а - л , )

П, где число анодов и = —.

2 16. Скорость подъема пузырьков воздуха и ки-

слорода в стекающей вниз по насадке воде определя-ется в виде

« = 0 - 1 / „ .

17. Время подъема пузырьков воздуха и кислоро-да по насадке в биофильтре и электробиофильтре

18. Степень очистки по БПК в БФ и ЭБФ

Исходные и справочные данные и расчетные па-раметры систематизированы в таблице.

Л Как видно из расчетов, при одинаковых размерах биофильтра и электробиофильтра степень очистки по БПК увеличивается с 0,7 до 0,938 за счет увели-чения времени пребывания пузырьков кислорода в очищаемой воде по сравнению с пузырьками возду-ха в 5,4 раза и степени использования кислорода более чем в 10 раз. |Последнее объясняется более мелкими размерами пузырьков кислорода по срав-нению с пузырьками воздуха и непосредственным использованием микроорганизмами для дыхания молекул кислорода, без его поиска в пузырьках воздуха. В случае большой плотности тока на гори-зонтальных сетчатых электродах их можно заме-нить вертикальными сетками - электродами или даже использовать для анода пластины-электроды, на'которых образуются крупные пузырьки воздуха, а в качестве материала катода использовать ворсо-вые углеродные ткани, на тонких нитях которых образуются мелкие пузырьки водорода, уносимые вниз очищаемой водой [6].

Контактный телефон: (8442) 23-26-03 Е-таИ: реЪ§@у$1и.ги

и

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Идентификаторы для сравнительного расчета БФ и ЭБФ Параметр Обозначение Величина

И с х о д н ы е д а н н ы е Производительность по очищаемой воде, м3/ч 5 БПК очищаемой воды, подаваемой на очистку, г/м3 и 40 БПК воды после очистки в биофильтре (БФ), г/м3 и 12 Температура очищаемой воды, °С <г 20

С п р а в о ч н ы е д а н н ы е Средний диаметр пузырьков воздуха в БФ, мк А 113 Средний диаметр пузырьков кислорода в ЭБФ, мк 61 Высота насадки в БФ / (ЭБФ), м н 2/2 Плотность очищаемой воды, кг/м3

р 1000 Динамическая вязкость очищаемой воды. Па с Ц 0,001 Порозность насадки, м3/м3 Со 0,4 Коэффициент использования СЬ воздуха в БФ, доли К 0,085 Коэффициент использования кислорода в ЭБФ, доли Ко 0,9 Объемная доля кислорода в воздухе, м4/м3

Р 0,2 Молекулярный вес кислорода, кг/кмоль м„ 32 Электрохимический коэффициент кислорода при электролизе воды, м 3 / (Ач) к , 2.1Х10-4

Напряжение в промышленном ЭБФ, В ц 12 Стоимость 1 кВт-час электроэнергии, руб./кВт-ч с, 1,3 Интегральная зависимость БПК от времени обработки очищаемой жидкости в БФ в среде воздуха, г/м3

и Рис. 2 Интегральная зависимость БПК от времени обработки очищаемой жидкости в ЭБФ в среде СЬ, г/м3 и Рис. 2 Интервал разбиения по времени интегральных зависимостей БПК от времени, с м 200 Рекомендуемая плотность тока, А/м2 100 Число точек разбиения по времени интегральных зависимостей БПК от времени п 15 Рекомендуемый зазор между вертикально установленными электродами, обеспечивающими необходимую плотность тока и напряжение, м

6 10

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 22 1 8 / 2 2 18 БПК очищаемой воды на выходе из ЭБФ, г/м3

и 2,48 Скорость всплывания пузырьков воздуха в неподвижной воде, м/с VI, 6,96х10"2

Скорость всплывания пузырьков кислорода в неподвижной воде, м/с О» 2,03х10"2

Средняя скорость очищаемой воды, стекающей вниз по насадке, м/с И» 9х10"А

Фиктивная скорость стскания очищаемой воды (в свободном сечении аппарата), м/с и* 3,6х10"4

Площадь сечения БФ/ЭБФ, м2 5 3,85/3,85 Расход воздуха в БФ, м3/ч Чь 6,19 Расход кислорода в ЭБФ. м3/ч <ъ 0.156 Ток, необходимый для обеспечения электролиза воды с образованием рассчитанного расхода О;, А Л 745,7 Плотность тока на горизонтальных сетчатых электродах, установленных в нижней части ЭБФ, А/м и 193,6 Ширина и длина БФ и ЭБФ, м в 1,96 Стоимость электроэнергии, затрачиваемой на 1м3 очищаемой воды, руб./м3 с 2,33 Длина вертикальных электродов в модуле, обеспечивающих рекомендуемую плотность тока, м 1 1,76 Необходимая площадь поверхности сеток анода, обеспечивающих рекомендуемую плотность тока, м2 Р 7,45 Высота вертикальных сеток анода и катода, обеспечивающих рекомендуемую плотность тока, м п, 0,048 Общее число сеток анода и катода, обеспечивающих заданную плотность тока в ЭБФ П, 176 Скорость подъема пузырьков воздуха в стекающей вниз по насадке очищаемой воде, м/с иь 6,05х10"3

Скорость подъема пузырьков кислорода в стекающей вниз по насадке очищаемой воде, м/с "о 1,12х10"3

Время подъема пузырьков воздуха по насадке в биофильтре, с * » 330 Время подъема пузырьков кислорода по насадке в ЭБФ, с <о 1 775 Степень очистки по БПК в биофильтре Ъ 0,7 Степень очистки по БПК в ЭБФ Хо 0,938

С П И С О К Л И Т Е Р А Т У Р Ы

1. Биотехнология. С п р а в о ч н и к / 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.: В ы с ш а я 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.: Х и м и я , 1989.

3. Пат. С Ш А 3 9 1 4 1 6 4 , кл 2 0 4 - 1 4 9 . 1976 И. 4. АС С С С Р 8 6 5 8 4 2 , СО 2 Р 3/02. С п о с о б б и о л о г и ч е с к о й

очистки с т о ч н ы х вод. 1981. Бюл. № 35. 5. АС С С С Р 9 9 8 3 8 1 , СО 2 Р 3 /00 . У с т р о й с т в о для биоло-

гической очистки с т о ч н ы х вод. 1983. Бюл. № 7.

6. Голованчиков А. Б., Тябин Н.В., Дахина Г.Л. Э л е к т р о -ф л о т а ц и о н н ы е п р о ц е с с ы и а п п а р а т ы х и м и ч е с к о й тех-н о л о г и и : Уч. п о с о б и е . В о л г о г р а д : ПО « П о л и г р а -ф и с т » , 1989.

7. Матов Б.М. Э л е к т р о ф л о т а ц и я : К и ш и н е в : Картя молдо-веняскэ, 1971.

8. Мамаков А.А. С о в р е м е н н о е с о с т о я н и е и перспективы п р и м е н е н и я э л е к т р о л и т и ч е с к о й ф л о т а ц и и веществ. Ч. 1 ,2 . Кишинев: Ш т и н н и ц а , 1975.

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»