Куксова А.С., Архипов О.В. — Принцип действия струйных или эжекторных аэраторов

Аэрации является одним из важнейших этапов процесса очистки сточных вод. Задача процесса аэрации: насыщение очищаемой воды и рециркуляционного активного ила кислородом и поддержание активного ила во взвешенном состоянии. Аэрационные системы в основном классифицируют по конструктивным признакам, способу ввода энергии в систему и распределения кислорода в воде.

Струйные или эжекторные аппараты это устройства, в которых происходит смешение и обмен энергией двух имеющих разное давление потоков, один из которых является рабочим, с образованием смешанного потока с промежуточным давлением. Эжекторы широко применяются в системах теплоснабжения, а также используют для откачки жидкости из глубоких колодцев или скважин. Эжекторы в качестве аэраторов представляют значительный интерес при биохимической очистке относительно небольших расходов сточных вод ввиду простоты их устройства, возможности плавного регулирования производительности по кислороду и удобства эксплуатации.

Струйные аэраторы классифицируются по режиму истечения на аэраторы со свободным падением и аэраторы с напорным режимом.

Имеется много вариантов конструктивного оформления струйных аэраторов, но общая их особенность в том, что они имеют сопло для пропуска рабочей жидкости, патрубок или отверстие для вовлечение воздуха, камеру смешения и диффузор. Работают сифонные аэраторы таким образом: сточная вода, подаваемая насосной установкой, с большой скоростью вытекает из сопла в камеру смешения, создавая разрежение в приемной камере, что вызывает поступление через специальный патрубок атмосферного воздуха. Струя жидкости затем увлекает диспергируемый ее воздух из камеры смешения в диффузор. Так как время диспергирования в этих условиях очень мало, а скорость обновления поверхности контакта высока, то интенсивность массообмсна (вода - воздух) значительна. Попав в диффузор (зону расширения потока), водовоздушная смесь снижает свою скорость при одновременном повышении давления, что приводит к некоторому укрупнению пузырьков воздуха. При этом парциальное давление кислорода в пузырьках увеличивается и происходит дополнительное насыщение жидкости кислородом. Процесс переноса кислорода в жидкость продолжается с замедляющейся скоростью и за пределами диффузора в течение всего периода контакта двух фаз (вода — воздух). Применяется эта система аэрации для сравнительно небольших очистных сооружений, так как радиус действия рассматриваемого аэратора невелик.

Разновидностью струйных аэраторов являются аэраторы ударного действия, в которых встречная струя дробит воздух на мелкие пузырьки. Среди исследователей нет единого мнения о степени использования кислорода воздуха при работе эжекторных аэраторов. Известно, что для обеспечения степени использования кислорода воздуха более 5 % требуются скорости истечения рабочей жидкости через сопло эжектора 15 м/с и выше. Возникает вопрос, что лучше, повышать степень использования кислорода воздуха путем увеличения скорости истечения рабочей струи, что увеличивает затраты энергии на перекачку жидкости, или работать с низкой степенью использования кислорода воздуха и сравнительно небольшими скоростями истечения, что позволяет при небольшой потребляемой мощности перекачивать значительные объемы жидкости? Ответ на этот вопрос может быть получен в процессе практического использования эжекторных аэраторов.

Струйные аэраторы наиболее просты, в отличие от механических и пневматических аэраторов, так как в них отсутствуют механические устройства для перемешивания жидкости, не требуется подачи сжатого воздуха, что во многих случаях имеет решающее значение.

Влияние глубины погружения одноступенчатых эжекторов на скорость насыщения жидкости кислородом оказалось не столь существенным, как первоначально предполагалось.

Влияние скорости истечения жидкости через сопло на окислительную способность эжекторных аэраторов изучалось путем подачи рабочей жидкости через сопла диаметрами 20, 30 и 50 мм при постоянной глубине погружения, которая составляла 1 м. Наблюдения показали, что из исследованных одноступенчатых эжекторных аэраторов наибольшую окислительную способность (около 2 кг/ч) обеспечивает эжектор с диаметром среза сопла 30 мм со скоростью истечения рабочей жидкости на срезе сопла около 15 м/с при использовании кислорода эжекттируемого воздуха на 5,3 %.

По конструкции эжекторов аэраторы делятся на одноступенчатые и многоступенчатые. В двуступенчатых аэраторах увеличивается окислительная способность путем интенсификации массообмсна двухфазной среды (вода — воздух) дополнительной подачей воздуха без увеличения энергозатрат. Напорный коллектор таких двухступенчатых аэраторов работает на два коаксиально расположенных сопла разного диаметра. Рабочая жидкость проходит через сопло первой ступени и, частично смешиваясь с эжектированным воздухом, попадает в сопло второй ступени, проходя через которое, создает разрежение в приемной камере второй ступени. Под действием этого разрежения атмосферный воздух по воздухозаборному патрубку вовлекается в приемную камеру и далее в камеру смешения второй ступени. При этом образовавшаяся после первой ступени водовоздушная смесь пополняется новой порцией воздуха и поступает в расширенную хвостовую часть эжектора — диффузор. Сравнивая технологические параметры эжекторных аэраторов различных типов можно сделать вывод, что, несмотря на заметное увеличение объемного коэффициента эжекции воздуха в результате использования двухступенчатых эжекторов (2,14 — 4,59 против 1,02 — 3,14 для одноступенчатых аэраторов), их суммарная окислительная способность уступает окислительной способности лучших образцов исследованных одноступенчатых аэраторов.

Кроме того еще одной разновидностью струйных аэраторов являются аэраторы со свободным падением воды по типу шахтного водосброса или напорные (эжекционные). Предпочтительнее использовать напорные аэраторы.

Система струйной аэрации имеет ряд преимуществ перед механической и пневматической системами. Проведенные исследования и разработки позволяют рекомендовать эжекторные аэраторы в сооружениях небольшой пропускной способности как проточного, так и контактного типа ввиду простоты их устройства, удобства эксплуатации и способности к плавному регулированию, а также дают основание считать, что подача в эжекторы технического кислорода или обогащенного кислородом воздуха при соответствующем конструктивном исполнении позволит вскрыть дополнительные резервы эффективности данной системы аэрации и существенно расширить область ее практического применения.