ЕФЕКТИВНІ СИСТЕМИ АЕРАЦІЇ ВОД » ДНН.су Дослідження Нової Науки - наукові роботи, дисертації, монографії, статті, реферати та автореферати українською мовою

Навігація

Друзья

Пошук

ЕФЕКТИВНІ СИСТЕМИ АЕРАЦІЇ ВОД

15 вересня 2009

Увага! У вас немає прав для перегляду схованого тексту.

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

МЕШЕНГІССЕР ЮРІЙ МИХАЙЛОВИЧ

УДК 628.543.564:681

ЕФЕКТИВНІ СИСТЕМИ АЕРАЦІЇ ПРИРОДНИХ ТА СТІЧНИХ ВОД

05.23.04 – водопостачання, каналізація

АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня доктора
технічних наук

Харків – 2001

Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Харківському державному технічному університеті будівництва та архіте-ктури Міністерства освіти і науки України
Науковий консультант:
Доктор технічних наук, професор Пантелят Гаррі Семенович, Харківський державний тех-нічний університет будівництва та архітектури, професор кафедри "Водопостачання, каналізації і гідравліки"
Офіційні опоненти:
Доктор технічних наук, професор Таварткіладзе Іусуф Мухамедович, Київський національ-ний університет будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України, професор кафедри "Гідравліка та водовідведення"
Доктор технічних наук, професор Стольберг Фелікс Володимирович, Харківська державна академія міського господарства Міністерства освіти і науки України, завідуючий кафедрою "Інженерна екологія міст"
Доктор технічних наук, професор Гіроль Микола Миколаєвич, Рівненський державний тех-нічний університет Міністерства освіти і науки України, завідуючий кафедрою "Охорона праці і екологія в будівництві"

Провідна установа: Інститут гідротехніки та меліорації Української академії аграрних наук, відділ водопостачання і водовідведення

Захист відбудеться 7 лютого 2001 року об 11 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.056.03 при Харківському державному технічному університеті будівництва та архітек-тури за адресою: 61002, м. Харків, вул. Сумська, 40.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського державного технічного універ-ситету будівництва та архітектури за адресою: 61002, м. Харків, вул. Сумська, 40.
Автореферат розісланий 4 січня 2001 року.

Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Колотило М.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Підвищення ефективності очистки і доочистки стічних вод є однією з найбільш актуальних задач у напрямку поліпшення якості природної води, тобто захисту водних об?єктів від прогресуючого забруднення. Чимале значення у рішенні вказа-них задач належить інтенсифікації біохімічних процесів, які протікають у воді.
До останнього часу пристрої і системи, що використовувалися для аерації рідини, мали суттєві недоліки, які утруднюють експлуатацію, монтаж і демонтаж цих систем, потребують збільшених енергетичних витрат і, головне, не дозволяють забезпечити високий та стабільний ефект очистки стічних вод.
Вказане свідчить про актуальність і необхідність розробки нових, високоефективних та надійних у експлуатації пристроїв для аерації рідини в процесі біохімічної очистки стічних вод, аерації води у природних водоймах, при очистці стічних вод флотаційними методами та в інших випадках.
Роботу виконано в межах міжрегіональної програми "Екологічне оздоровлення басейну ріки Сіверський Донець", а також згідно з Державною програмою України по енергозбере-женню.
Мета і задачі дослідження
Мета дисертаційної роботи. Інтенсифікація процесу біохімічного окислення природних та стічних вод за допомогою ефективних і надійних у експлуатації систем аерації.
Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні основні задачі:
1. Проаналізувати і узагальнити досвід застосування аераторів і систем аерації для біохімічного окислення органічних речовин, що знаходяться у природних і стічних во-дах.
2. Узагальнити теоретичні уявлення щодо аерації рідини, і на цій основі розробити необ-хідні фізичні і динамічні моделі, а також розрахункові залежності, які характеризують процеси утворення і спливання бульбашок повітря, розподілу напорів у трубчастих аера-торах з проміжною повітряною камерою.
3. Визначити швидкості спливання бульбашок повітря, розрахувати їх питому поверхню, визначити газовміст. Розрахувати величини коефіцієнтів масопередачі, як функції пара-метрів аераторів.
4. Здійснити експериментальне дослідження гідравлічних і масообмінних характеристик аераторів.
5. Здійснити конструювання і розрахунок, а також розробити технологію виготовлення но-вих полімерних трубчастих аераційних систем.
6. Узагальнити досвід експлуатації створених аераційних елементів і систем.
7. Виконати техніко-економічний аналіз і обгрунтування використання нових аераційних елементів та систем.
Обєкт дослідження. Процес біохімічного окислення природних і стічних вод.
Предмет дослідження. Аератори та аераційні системи для очистки стічних вод.
Методи дослідження. Розроблено методику експериментальних досліджень характерис-тик пневматичних аераторів, і створені нові прилади для визначення газовмісту і розміру бу-льбашок у водоповітряній суміші. Встановлено гідравлічнi і масообмінні характеристики трубчастих аераторів розроблених конструкцій, а також вплив структури пористого шару диспергуючої оболонки на розмір утворених бульбашок повітря.
Наукова новизна одержаних результатів
1. На підставі аналізу і теоретичного узагальнення розроблена динамічна модель зро-стання газових бульбашок при аерації рідини дрібнопористими диспергаторами. Отримана нова система диференціальних рівнянь, рішення якої визначає взає-мозв?язок діаметра бульбашок, що створюються, з характеристиками диспергуючого шару і технологічними параметрами процесу.
2. Теоретично обгрунтовані і експериментально підтверджені залежності швидкості спливання бульбашок газу для полідисперсних газорідинних потоків.
3. На підставі аналізу рівнянь двофазної гідромеханіки і дисипації енергії висхідного га-зового потоку застосовані залежності, які визначають структуру водоповітряного по-току і швидкості висхідних і низхідних потоків рідини. Отримані напівемпіричні за-лежності газовмісту у газорідинному потоці від технологічних параметрів процесу і схеми розташування аераторів.
4. На підставі отриманих залежностей розроблена з застосуванням математичного паке-ту MathCAD програма розрахунку швидкості переносу кисню з повітря у воду при пневматичній аерації. Результати розрахунків згідно програми, що запропонована, дозволяють прогнозувати ефективність різноманітних за конструкцією і властивостя-ми аераторів вже на стадії їх розробки та проектування.
5. Доведена можливість створення системи аерації з низькими гідравлічними опорами і високою рівномірністю розподілу газового потоку на експериментальних стендах і в промислових умовах.
6. Запропоновано нову концепцію створення аераторів, на підставі якої розроблено нові конструкції трубчастих полімерних аераторів, які об?єднують повітропровід для роз-поділу повітря по дну аеротенка і диспергатор, що забезпечує дрібнобульбашкову ае-рацію.
7. Розроблено методику експериментальних досліджень характеристик пневматичних аераторів, і створені нові прилади для визначення газовмісту і розміру бульбашок у водоповітряній суміші.
Практичне значення одержаних результатів
1. Розроблено і впроваджено нові конструкції аераційних пристроїв і систем для біологічної очистки міських і промислових стічних вод, а також для аерації води у природних водних об?єктах. Впровадження здійснено більш ніж на 200 об?єктах в Україні, Росії та інших країнах СНД, а також у багатьох країнах далекого зарубіжжя.
2. Розроблено і освоєно технологію промислового виробництва аераційних пристроїв, конструкції яких створено у процесі виконання дисертаційної роботи.
3. Введені в експлуатацію промислові потужності по виробництву аераційних пристро-їв, що повністю забезпечують потребу станцій очистки стічних вод підприємств і міст України.
4. Розроблену аераційну продукцію сертифіковано, затверджено ДСТУ, що створило основу для її використання при проектуванні очисних споруд. Вказані розробки використані шістьма проектними установами.
5. Втілення розроблених аераційних систем увійшло до Державної програми України по енергозбереженню і дозволило суттєво скоротити витрати електроенергії на очистку стічних вод. Загальна економія електроенергії склала більше 50 млн. квт-год. на рік, а у розрахунку на одну станцію очистки стічних вод середньою продуктивністю 70 тис. м3/добу економія електроенергії склала – 250 тис. квт-год. на рік.
6. Втілення розроблених аераційних систем дозволило підвищити ефективність очистки стічних вод від органічних забруднень по БПК і сполуках групи азоту приблизно на 20-30%, що дозволило довести якість очищених стічних вод до вимог скиду у рибого-сподарські водні об?єкти.
Особистий внесок здобувача
1. Виконано критичний аналіз існуючих методів і обладнання для диспергування повіт-ря при очистці і аерації стічних і природних вод, а також відомих методів розрахунку аераторів різноманітних типів.
2. Виконано теоретичне узагальнення закономірностей масопередачі кисню з повітря у воду для пневматичних аераторів різноманітних конструкцій, і на цій підставі отри-мані нові залежності, що дозволяють визначити вплив структури водоповітряного по-току і схеми розташування аераторів на ефективність переносу кисню.
3. Розроблено нові конструкції аераторів і аераційних систем, що забезпечують ефек-тивну очистку стічних вод міст і промислових підприємств, а також аерацію води у природних водних об?єктах.
4. Розроблено концепцію створення аераторів нового покоління, на підставі якої сконст-руйовано ряд трубчастих аераторів.
5. Під науковим керівництвом і при безпосередній участі автора здійснено:
- розробка і освоєння технології промислового виробництва аераційних пристроїв но-вих конструкцій;
- великомасштабне втілення розроблених систем на об?єктах водного господарства міст і промислових підприємств України, Росії, інших країн СНД і країн далекого зарубіжжя;
- сертифікація розробленої аераційної продукції і випуск Державного Стандарту України на системи аерації;
- втілення розроблених систем для аерації води в річці Лопань при ліквідації наслідків аварії на комплексі споруд каналізації "Диканівський" (м. Харків).
Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи і головні положення дисертації доповідалися автором на III Міжнародній науково-практичній конференції "Экс-плуатация систем водоснабжения и водоотведения" 20.11.96 р. в м. Новокузнецьк, на Міжнародному Конгресі "ЭКВАТЕК-96", м. Москва, 1996 р., на III Міжнародному Конгресі "Вода, Экология, Технология" "ЭКВАТЕК-98", м. Москва, 1998 р., на Міжнародному Конгресі "ЕТЕВК-97", м. Ялта, 1997 р., на IV Міжнародній науково-технічній конференції "Питьевая вода-98", м. Одеса, 1998 р., на Міжнародному Конгресі "ЕТЕВК-99", м. Ялта, 1999 р., на IV Міжнародному Конгресі "Вода, Экология, Технология" "ЭКВАТЕК-2000", м. Моск-ва, 2000 р.
Публікації. За результатами дисертаційної роботи опубліковано 55 наукових робіт в різних виданнях України і Росії, у тому числі отримано 20 патентiв на винахіди, 27 робiт опубліковано у виданнях, які входять до переліку ВАК України, з яких 11 без співавторів.
Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, семи розділів, загаль-них висновків, списку літератури із 284 найменувань, 12 додатків і вміщує 277 сторінок ос-новного тексту, 29 таблиць, 109 рисунків, усього 340 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету й задачі дисертаційно-го дослідження, визначено об?єкт і предмет дослідження, наукову новизну і практичну цін-ність.
У першому розділі дисертації наведено аналіз cтану питання розробки, досліджень і експлуатації систем аерації природних і стічних вод.
Виконаний аналіз дозволив зробити висновок, що пристрої і системи для аерації рідини, які використовувалися до останнього часу, мають суттєві недоліки. Ці недоліки затруднюють експлуатацію, монтаж і демонтаж цих систем, потребують підвищених енергетичних витрат і, головне, не дозволяють забезпечити високий та стійкий ефект очистки стічних вод.
Це переконало, що необхідні розробки нових технічних рішень, спрямованих на вдоско-налення систем аерації природних і стічних вод, які забезпечують надійність роботи і високу ефективність процесів біохімічного окислення органічних забруднень при зниженні енерге-тичних витрат. Актуальність останнього підтверджується тим, що аерація стічних вод є од-ним з найбільш енергоємних процесів, який потребує більш ніж 50% від всіх витрат електро-енергії на потреби очистки стічних вод (не враховуючи витрат на обробку осадів).
Крім того, аерація є найбільш відповідальним процесом завдяки тому, що вміст розчине-ного кисню в воді і ефективність змішування (циркуляції) стічної рідини в аеротенку в знач-ній мірі визначають ступінь окислення органічних забруднень.
Це дозволило обгрунтовано сформулювати мету та основні завдання роботи.
Показано, що перспективним напрямком є дослідження процесів масопереносу при ае-рації стічної рідини за допомогою аераторів, виготовлених з поліетилену, і створення на цій основі нових конструкцій аераторів і аераційних систем.
Окремим, не менш актуальним питанням, є дослідження можливості підвищення ефективності очистки стічних вод від сполук групи азоту при використанні пристроїв, що розробляються.
У другому розділі викладено результати теоретичного дослідження процесу масопере-дачі при аерації води.
<…> Як видно з рівняння (1), задача розрахунку ефективності насичення газом рідини трансформується в задачі визначення діаметра бульбашок, швидкості їх спливання і питомої поверхні міжфазового контакту.
Слід відзначити, що виконаний у розділі 1 огляд свідчить, що теоретичні дослідження процесу створення бульбашок з мінімальною кількостю спрощених припущень у теперішній час виконано тільки для квазістатичного режиму.
<…> Очевидно, що одержане диференціальне рівняння описує рух бульбашки повітря під час її формування і зростання, але не дозволяє визначити момент її відриву від сопла.
Експериментальні дані цілого ряду авторів вказують на те, що у момент відриву довжина шийки складає ? від діаметра бульбашки. Це і характеризує граничне розтягування плівки рідини на межі розподілу фаз "вода-повітря".
<…>
Таким чином, модель, що пропонується, дозволяє визначити діаметр бульбашки повітря у момент її відриву від сопла при різних параметрах процесу.
Наведені залежності дійсні для випадку, коли краї пори (сопла) розташовані горизон-тально. Показано, що для трубчастих, пористих аераторів більше підходить випадок, коли пори на поверхні аератора розташовані під кутом до горизонту і на різній глибині занурення. Останнє особливо важливо у зв?язку з тим, що пори між собою пневматично пов?язані і вит-рати газу через пори, що розташовані на різній глибині, будуть відрізнятися одні від інших.
<…>
Показано, що за рахунок нахилу пор на циліндричній поверхні останній член рівняння (3), що характеризує сили поверхневого натягу, повинен бути врахований у вигляді .
Результати розрахунків по уточненій моделі для трубчастих аераторів представлені на рис. 3.
Зроблено висновок, що при порівнянні трубчастого аератора і такого ж за властивостя-ми, але плоского, середній діаметр бульбашок, що утворюються, у трубчастого аератора менше, ніж у плоского.
<…>
Рівняння (7) добре описує швидкість спливання тільки для бульбашок повітря, які мають розмір менше 1мм.
Мендельсоном на підставі моделі формування бульбашок повітря як гравітаційно-капілярної хвилі отримана залежність для швидкості спливання бульбашок несферичної фо-рми:
Але залежність (8) дає добрий збіг з експериментальними даними тільки для бульбашок діаметром більше 6мм.
У звязку з викладеним, автором була сформульована задача розробки універсальної за-лежності для швидкості спливання бульбашок у широкому діапазоні – розміром від 0,1мм до 10мм, яка враховує взаємний вплив швидкостей при масовому спливанні бульбашок.
З врахуванням цих вимог автором була отримана наступна формула (9):

Обробка масиву експериментальних даних цілого ряду дослідників дозволила уточнити значення коефіцієнтів А і В:
- для дистильованої води А=0,865, а для водопровідної – 0,765.
- коефіцієнт B для монодисперсних бульбашок – 1,15.
В роботі зроблено припущення, що для полідисперсних бульбашок коефіцієнт В пови-нен знаходитися в інтервалі 1,17-1,25.
Але, в звязку з тим, що літературні дані по швидкості спливання полідисперсних буль-башок досить суперечливі, для уточнення коефіцієнту В необхідно виконати самостійні ек-спериментальні дослідження.
Міжфазна поверхня розраховується, виходячи з середнього діаметра бульбашок і газов-місту згідно з залежністю:
<…>
Газовміст у водоповітряному факелі розраховується по формулі:
<…>
Наведене рівняння (12) справедливе лише для рідини, що знаходиться у спокої, та для дуже малих витрат газу. Такий підхід не приймає до уваги двофазну гідромеханіку, яка враховує, що висхідний потік повітря тягне за собою рідину.
<…>
Для третьої зони можливо викориcтання залежності (12), але при цьому швидкість спли-вання бульбашок необхідно збільшити на величину швидкості висхідного потоку рідини:
<…>
Швидкість висхідного потоку рідини можна визначити, виходячи з енергетичного балан-су циркуляційної комірки, зробивши припущення, що енергія газу (яка вноситься) еквівалентна кінетичній енергії рідини і втратам, пов?язаним з тертям і поворотами потоку в циркуляційній комірці.
Рівняння для швидкості висхідного потоку:
<…> (14)
Таким чином, за допомогою отриманих залежностей можливо розрахувати питому міжфазну поверхню по зонах газорідинного факела. Проте, для уточнення геометричних параметрів 1 и 2 зон необхідно додатково провести експериментальні дослідження і встано-вити кореляційні залежності.
Загально відомим критерієм для порівняння і розрахунку систем аерації є стандартна ефективність переносу кисню з бульбашок повітря у воду (Standard Oxygen Transfer Effi-ciency – SOTE).
<…>
Величини, що входять у рівняння (15), розраховуються по розробленій математичній моделі.
В якості приклада були виконані розрахунки згідно математичній моделі, що пропону-ється, для трьох видів диспергаторів: жорстка перфорована мембрана, еластична перфорова-на мембрана, пористий полімерний диспергатор.
<…>
Третій розділ містить основні положення концепції створення нового типу аераторів і систем аерації.
В основу розробки цієї концепції положені теоретичні уявлення про протікання процесів насичення води киснем, а також багаторічний досвід спостережень за роботою діючих сис-тем на багатьох станціях очистки стічних вод.
Незважаючи на велику кількість дослідницьких робіт, присвячених пневматичним аера-торам, і різноманітність технічних рішень, до теперішнього часу не знайшло вирішення пи-тання щодо раціональної конструкції диспергатора.
Це пов?язано з відсутністю чітких уявлень про те, що таке раціональний (оптимальний) аератор. При простоті конструкції аератор повинен відповідати ряду протилежних, а в бага-тьох випадках і взаємовиключаючих вимог. Теоретичні уявлення і розрахунки показали, що з точки зору насичення води киснем трубчасті аератори більш ефективні, ніж плоскі аератори при інших рівних умовах.
Концепція, що пропонується, дозволила сформулювати основні принципи створення нової групи аераторів:
1. Аератор з?єднує в єдину конструкцію повітропровід і диспергатор.
2. Аератор має трубчасту конструкцію.
3. Конструкція аераторів передбачає наявність каналів між опорним каркасом і диспер-гуючим покриттям.
4. Для виготовлення диспергуючого покриття використовуються пористі полімерні матеріали.
5. Структура диспергуючого покриття характеризується полідиспер-сним складом пор.
6. Аератори характеризуються високою продуктивністю і працюють в широкому діапазоні витрат повітря.
Реалізація вказаної концепції здійснилася шляхом створення ряду нових конструкцій аераторів. Перша конструкція такого аератора розроблена і запатентована в 1990 році (рис. 7) і має торгову марку АКВА-ПРО.
<…>
Крок рядів радіальних отворів (3) поздовж каркаса складає 160-210 мм. На зовнішню по-верхню каркаса нанесено диспергуюче покриття, яке разом з ребрами і поглибленнями утворює канали. Диспергуюче покриття нанесено двошарово.
Внутрішній шар (5) покриття виконано з волокнистого матеріалу у вигляді фібролітової ниті, яка щільно, без зазорів навита на каркас. Щільність навивки – 1,1-2,0кг/м2. Вказана щільність цього шару дозволяє отримати необхідну ступінь диспергування повітря і рівномі-рного розподілу бульбашок повітря вздовж усього диспергатора. Зовнішній диспергуючий шар (4) представляє собою пористу оболонку товщиною 5-8мм, що має хаотично покладені волокна діаметром 60-210мкм, які сплавлені у місцях перетину. Сплавлення волокон забез-печує задану міцність зовнішнього шару, збільшує ступінь диспергування повітря і підвищує термін експлуатації аераторів.
Між собою аератори з?єднуються за допомогою різьбових муфт (2), що спрощує монтаж і дозволяє створювати аераційні системи практично будь-якої конфігурації.
Аератори виробляються у відповідності з ТУ 4859-001-1042219-94. Аератори мають суттєві переваги перед стандартними трубами з отворами завдяки меншим енергозатратам і підвищеній жорсткості, міцності і надійності.
Друга конструкція аератора, яка створена на основі розробленої концепції, розроблена і запатентована у 1993 році (рис. 8) і має торгову марку АКВА-ЛАЙН.
<…>
каркаса коаксиально з зазором 5-7мм. Диспергатор з?єднано з каркасом поліетиленовими муфтами (1,4) за допомогою їх запресовки у спеціальне поглиблення. Одна муфта має внут-рішню, друга – зовнішню різьби. Таке рішення у значній мірі спрощує роботи по з?єднанню аераторів у ланцюги при монтажі аераційних систем аеротенків. Необхідна жорсткість аера-тора забезпечується завдяки не тільки жорсткості каркаса, а і диспергуючого елемента, який виготовляється з композиції двох марок поліетилену і завдяки цьому здатен витримати знач-ні напруги на згин. Аератори виробляються згідно ТУУ 14067723.002-96.
В залежності від особливостей дна аеротенка елементи кріплення аераторів встановлю-ються на бетонних привантаженнях, або на дюбель-шпильках.
Таким чином, на підставі запропонованої концепції створення аераторів розроблені нові конструкції трубчастих полімерних аераторів, які об?єднують повітропровід для розподілу повітря (по дну аеротенка) і диспергатор, що забезпечує дрібнобульбашкову аерацію.
У четвертому розділі викладено результати експериментальних досліджень гідравлічних і масообмінних характеристик розроблених конструкцій аераторів.
Для проведення досліджень виготовлено випробувальнi стенди. Основним елементом стенда дослідження масообмінних характеристик є реактор у вигляді колони діаметром 0,8м і висотою 4,0м. Основні вимірювання на стенді здійснювали за допомогою сучасного облад-нання. Основним елементом другого стенда є прямокутний реактор довжиною 2,5м, шири-ною 0,6м і висотою 1,0м.
На експериментальних стендах виконано дослідження основних гідравлічних характери-стик аераторів, вимірювання газовмісту у газорідинних системах, здійснено розробку методу і приладів для визначення розмірів бульбашок у газорідинних потоках, виконано експериме-нтальне дослідження масообмінних характеристик трубчастих аераторів, досліджена струк-тура водоповітряного факела, швидкість спливання повітряних бульбашок, тощо. Здійснено перевірку адекватності розробленої динамічної моделі.
Основний масив досліджень гідравлічних характеристик аераторів виконано на стенді другого типу, тому що він дозволяє досліджувати аератори довжиною до 2,0м. При цьому дослідження були спрямовані на вимірювання втрат тиску в основних елементах аераторів, визначення інших параметрів роботи аераторів.
Експериментально доведено, що наявність порожнин між каркасом і диспергатором до-зволяє вирішити проблему рівномірного розподілу повітря без підвищення гідравлічного опору системи.
Для визначення газовмісту у газорідинних системах розроблено прилад, датчик якого використовує кондуктометричний метод. Принцип дії цього датчика полягає у зміні електоп-ровідності рідини в залежності від газовмісту. Багаточисельні експерименти, які виконано за допомогою розробленого приладу, дозволили спостерігати структуру і надали змогу визна-чити геометричні параметри водоповітряного факела.
Виконано порівняння експериментальних результатів з залежностями, що відомі з літе-ратури. Математична обробка результатів показала, що в зонах 1 і 2 найкращі результати дає формула Хагмарка:
<…>
Газовміст в зоні 3 більш вірогідно описується залежностями (13), (14). Таким чином, отримані експериментальні дані дозволили виявити адекватні теоретичні залежності для ви-значення газовмісту в рамках розробленої математичної моделі.
При аерації води за допомогою пористих аераторів створюються бульбашки різних діаметрів, розподіл яких наближається до нормального або логнормального. Це обумовлює необхідність експериментального дослідження швидкостей спливання бульбашок у реальних багатодисперсних системах.
Метою досліджень в цьому напрямку є визначення коефіцієнта В полідисперсності газо-вої фази, що входить до залежності (9) для розрахунку швидкості спливання бульбашок пові-тря.
Дослідження виконано на установці, в якій використано метод фотографування. Розміри бульбашок, відстань, яку вони пройшли, і час проходження заданих рівнів реєструється фо-тоелектронним методом з використанням масштабної шкали.
<…> Таким чином, з урахуванням значень коефіцієнтів А і В рівняння (9) дозволяє опи-сати будь-які експериментальні дані по швидкостях спливання бульбашок повітря у воді.
Виконана перевірка адекватності розробленої динамічної моделі. Для співставлення тео-ретичних і експериментальних даних нами було зібрано значний масив даних, отриманих на різних за геометрією та масштабністю установках.
<…>
П?ятий розділ присвячено короткому опису технології виготовлення полімерних труб-частих аераторів.
Основним елементом аератора, який визначає ефективність його використання, є зовні-шній диспергуючий шар, що формується засобом пневмоекструзії. Засіб полягає в тому, що полімерний матеріал розплавлюється в екструзері і подається у розпилюючий пристрій – пневматичну форсунку, де розплав диспергується на окремі волокна, які у в?язкотекучому стані переміщуються потоком повітря, а потім нашаровуються на формоутворювач. При цьому волокна приварюються один до одного у місцях контакту і створюють пористе сере-довище.
У дисертації надано короткі відомості щодо обладнання і технологічних режимів диспе-ргування розплаву термопластів, наведено оцінку впливу технологічних режимів отримання фільтруючих матеріалів на їх фізико-механічні властивості, результати дослідження власти-востей пористо-волокнистих матеріалів, дана характеристика обладнання для виготовлення окремих елементів аераторів. Наприкінці розділу вказано напрямки подальшого поліпшення якості диспергуючих оболонок.
Шостий розділ містить результати узагальнення досвіду експлуатації створених аера-ційних систем. Проаналізовано роботу великої кількості (більш ніж 300) станцій біологічної очистки міських стічних вод за основними показниками води до і після очистки: БПК5, амо-нійний азот, нітрити, нітрати, а також за таким важливим показником, що характеризує ро-боту очисних споруд, як окислювальна спроможність аеротенків. Встановлено дійсну карти-ну роботи діючих очисних споруд каналізації, яка свідчить про низьку ефективність відді-лення забруднюючих домішок по БПК5, амонійному азоту і окислювальній спроможності аеротенків. Це свідчить про низьку ефективність діючих систем аерації, які не дозволяють забезпечити необхідну потребу у кисні відповідно ступеню забруднення стічної води.
Після впровадження розроблених аераторів на переважній більшості станцій аерації ефе-ктивність очистки стічних вод по БПК5 зросла на 4,5% і по амонійному азоту – на 22,6%. Найбільш універсальною і представницькою є оцінка ефективності систем аерації по кілько-сті кисню, який приходиться на одиницю витраченої електроенергії – О2 / кВт?год. За цим показником розроблені в рамках роботи аератори мають суттєві переваги перед існуючими системами. Так, ефективність систем аерації пiсля впровадження систем АКВА-ПРО i АКВА-ЛАЙН пiдвищилась на 42%. Статистичний аналіз показав, що різниця середніх зна-чень між вихідним станом і станом після втілення нових систем аерації є достовірною з рів-нем значущості р?0,05 по t-критерію Стьюдента.
Практична реалізація роботи здійснена на багатьох станціях очистки стічних вод, най-більш відомі з яких Безлюдівська і Диканівська станції аерації м. Харкова, Бортничеська м. Київа, Лівобережна м. Дніпропетровська, Кур?янівська м. Москви та інші.
Розроблено інженерну методику розрахунку і проектування систем пневматичної аера-ції. Ця методика дозволяє визначити оптимальну кількість і розташування аераторів, необ-хідну витрату повітря і ефективність очистки по БПК і сполуках азоту. Крім того, ця залеж-ність дозволяє врахувати обмеження по мінімальній інтенсивності аэрації, виходячи з умов змішування активного мулу і щільності укладки аераторів.
Одним з перспективних напрямків використання розроблених у межах дисертаційної ро-боти технічних рішень є аерація води у водних об?єктах з метою інтенсифікації процесів са-моочищення і управління якістю води. Це, насамперед, стосується аерації води у річках Ло-пань і Уди в період аварії на комплексі біологічної очистки КБОД (м.Харків). Для цього було розроблено, виготовлено і впроваджено у експлуатацію п?ять тимчасових водоочисних спо-руд, які були розташовані безпосередньо на вказаних річках. Дві з них обладнані аераторами системи АКВА-ЛАЙН. Аналізи, які були проведені фахівцями Українського наукового центру охорони вод, показали, що вжиті заходи дозволили уникнути катастрофічних змін у біоценозі Харківських річок, а також у воді нижче за їх течією.
Другим прикладом у вказаному напрямку є втілення аераторів АКВА-ЛАЙН компанією "Ecosystems Consulting Service" для аерації водоймища Culver Lake (Branchville, New Jersey). Особливістю установок, що проектує, виготовляє і впроваджує компанія "Ecosystems Con-sulting Service", є те, що вони не порушують природню стратифікацію водоймищ. Установка дозволяє наситити киснем воду певного шару рідини і вернути її у той самий шар з мініма-льним змішуванням з іншими шарами. Експериментальні дослідження, які виконано компа-нією "Ecosystems Consulting Service", показали, що установка, яка обладнана аераторами АКВА-ЛАЙН, має окислювальну спроможність 237 кг О2/доб., значення стандартної ефекти-вності аерації складає 25,5%.
Сьомий розділ містить результати виконаного економічного аналізу втілення нових си-стем аераціі. Виконані розрахунки показали, що тільки за рахунок заощадження електроене-ргії вартість систем аерації і їх монтажу можливо окупити за 1,5-2,7 роки. Наведені форми договірних відношень, які дозволяють підприємствам-споживачам отримувати прибутки від втілення енергозбережуючих систем очистки стічних вод.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Складено баланс сил, діючих на бульбашку повітря, на стадії її зростання, отримано диференціальне рівняння, яке описує рух бульбашки на цій стадії. Для знаходження діаметра бульбашки повітря в момент її відриву від краю пори складено систему рівнянь, вирішення якої дозволяє розрахувати цей параметр в широкому діапазоні швидкості витоку повітря і для різних діаметрів пор. Відзначено значний вплив діаметра пор і швидкості витоку повітря на процеси утворення бульбашок в барботажному режимі.
2. Отримано залежності для розрахунку розмірів бульбашок повітря, які утворюються на криволінійній поверхні трубчастих аераторів, коли пори на поверхні аератора розташовані під кутом до горизонту і на різній глибині занурення.
3. Отримано залежністі для визначення швидкості спливання бульбашок повітря в широ-кому діапазоні значень діаметра бульбашок. Розрахунки за запропонованими залежностями дають добру узгодженість з експериментальними даними різних авторів, що дозволяє вико-ристати отримані залежності при розробці математичної моделі процесу аерації води.
4. Доведені залежності для розрахунку питомої міжфазової поверхні, яка враховує, що висхідний потік повітря тягне за собою певну кількість рідини. Швидкість висхідного потоку рідини визначена, виходячи з енергетичного балансу, припускаючи, що привнесена енергія газу еквівалентна кінетичній енергії рідини і втратам напору на густинне тертя. Показано, що за допомогою отриманих залежностей розрахунок питомої міжфазної поверхні краще вести по зонах газорідинного факела.
5. Результати розрахунків по запропонованій динамічній моделі з урахуванням отрима-них залежностей дозволяють прогнозувати ефективність різних за конструкціями і властиво-стями аераторів вже на стадії їх розробки і проектування.
6. На підставі критичного аналізу досвіду експлуатації відомих аераторів, а також теоре-тичних розрахунків по розробленій динамічній моделі диспергування повітря запропонована концепція створення аераторів і систем аерації. Розроблено декілька конструкцій аераторів, які втілюють вказану концепцію.
7. Створено випробувальні стенди, і розроблена методика дослідження масообмінних і гідравлічних характеристик аераторів. Розроблено прилади і способи вимірювання газовміс-ту і розподілу бульбашок за розмірами в водоповітряній суміші. Експериментальні дані, отримані за допомогою вказаних приладів, дозволили запропонувати адекватні теоретичні залежності для визначення газовмісту в рамках розробленоі математичної моделі.
8. Експериментально доведено, що наявність порожнин між каркасом і диспергатором дозволяє вирішити проблему рівномірного розподілу повітря без підвищення гідравлічного опору системи.
9. Співставлення теоретично розрахованих і експериментально отриманих даних показа-ло, що відхилення розрахункових даних від експериментальних по швидкості переносу кис-ню складає не більше 8%, що не виходить за межі похибки дослідів по масопередачі. Це свідчить про те, що теоретично розроблена і експериментально уточнена динамічна модель насичення води киснем шляхом аерації з достатньо високою ступінню вірогідності підтверджується експериментальними даними і може бути використана при розробці інженерних методів розрахунку систем аерації.
10. Підібрано обладнання і розроблено технологічний регламент виробництва полімерних трубчастих аераторів АКВА-ПРО и АКВА-ЛАЙН.
11. Виконано аналіз роботи очисних споруд після заміни систем аерації на розроблені полімерні трубчасті аератори, який показав, що втілення нових систем аерації дозволяє в се-редньому на 4,5% підвищити ефект очистки по БПК5 і на 22,6% – ефект очистки по амоній-ному азоту, а також на 46,4% ефективність аерації.
12. Розроблена інженерна методика розрахунку систем аерації для реконструювання споруд та тих, що заново споруджуються.
13. Приклади практичної реалізації втілення нових розроблених систем аерації свідчать, що поліпшення якості очистки і зменшення витрати електроенергії стає відчутним вже після реконструкції більш 40% очисної споруди. Розроблені конструкції систем аерації знайшли також використання при аерації природних водних об?єктів.
14. Виконаний економічний аналіз показав, що втілення нових систем аерації окупається за 1,5-2,7 роки.
<…>

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Мешенгиссер Ю.М. Исследование процесса диспергирования воздуха в воду // Науковий вісник будівництва. - Харків: Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури: ХОТВ АБУ, 1999. - Вип. 6. - С.132-137.
2. Мешенгиссер Ю.М. Характеристика эксплуатационных параметров полимерных трубча-тых аэраторов // Науковий вісник будівництва. - Харків: Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, ХОТВ АБУ. - 1999. - Вип. 7. - С.96-100.
3. Мешенгиссер Ю.М. Скорость всплытия воздушных пузырей в воде // Сб. науч. трудов "Гидравлика и гидротехника". - Киев, 2000. - Вип.1. - № 60. - С.57-63.
4. Мешенгиссер Ю.М. Закономерности диспергирования воздуха пористыми трубчатыми аэраторами // Коммунальное хозяйство городов / Респ. Межв. Научн.-техн. сб. - К.: Техника, 2000. - Вып. 22. - С. 108 - 111.
5. Мешенгиссер Ю.М. Динамическая модель барботажного режима аэрации воды // Комму-нальное хозяйство городов / Респ. Межв. Научн.-техн. сб. - К.: Техника, 2000. - № 21. - С.82-87.
6. Мешенгиссер Ю.М. Высокоэффективные пневматические аэраторы (конструкция и тех-нология изготовления) // Вестник Харьковского государственного политехнического универ-ситета. - ХГПУ, 1998. - Вып. № 25. - С.55-58.
7. Мешенгиссер Ю.М. Системы аэрации естественных водоемов и особенности их эксплуа-тации // Зб. наук. праць Рівненського державного технічного університету. - Рівне, 2000. - Вип. 2 (4). - С.121-125.
8. Мешенгиссер Ю.М. Опыт эксплуатации систем аэрации водоемов // Вестник Харьковско-го государственного политехнического университета. - ХГПУ, 1999. - Вып. 80. - С.2-3.
9. Мешенгиссер Ю.М. Расчет межфазной поверхности "газ-жидкость" при аэрации воды // Вестник Харьковского Государственного Политехнического Университета. - ХГПУ, 2000. - Вып. № 82. - С.4-5.
10. Мешенгиссер Ю.М. Моделирование барботажного режима всплытия воздушных пузырей в воде // Вестник Харьковского государственного автодорожного технического университе-та. - 1999. - Вып. 10. - С.84-86.
11. Мешенгиссер Ю.М. Система аерації // Патент № 21324 А Украина от 02.12.97: Приоритет от 15.07.97 НПФ "Экополимер".
12. Мешенгиссер Ю.М., Щетинин А.И. Методика расчета аэрационных систем // Водоснаб-жение и санитарная техника. - 1998. - № 12. – С.19-21.
13. Мешенгиссер Ю.М., Марченко Ю.Г., Лось В.Ю. Исследование газосодержания при аэра-ции воды трубчатыми мелкопузырчатыми аэраторами // Вісник Донбаської державної акаде-мії будівництва і архітектури / Збірник наукових праць. Інженерні системи та техногенна безпека у будівництві. - Макіївка. -2000. - № 3. - С.22-25.
14. Мешенгиссер Ю.М., Галич Р.А., Щетинин А.И. Аэратор "Экополимер"// Водоснабжение и санитарная техника. - 1995. - № 12. - С.4-6.
15. Мешенгиссер Ю.М., Марченко Ю.Г. Структурные характеристики трубчатых полимер-ных аэраторов // Коммунальное хозяйство городов / Респ. Межв. Научн.-техн. сб. - К.: Тех-ника, 1998. - Вып.15. - С.108-111.
16. Мешенгиссер Ю.М., Дорошев В.Д. Кондукторометрический измеритель объемного газо-содержания в системах биологической очистки сточных вод // Экотехнология и ресурсосбе-режение. - 2000. - № 2. - С.65-69.
17. Мешенгиссер Ю.М., Есин А.М. Использование аэраторов конструкции "Экополимер" для улучшения работы аэротенков // Науковий вісник будівництва. - Харків: Харківський держа-вний технічний університет будівництва та архітектури, ХОТВ АБУ, 2000. - Вип. 9. - С.70-72.
18. Дорошев В.Д., Марченко Ю.Г., Мешенгиссер Ю.М. Определение локальных гидродина-мических параметров газожидкостных потоков // Збірник наукових праць Рівненського дер-жавного технічного університету. - Рівне, 2000. - Вип. 1 (3). - С.153-160.
19. Мешенгиссер Ю.М., Марченко Ю.Г. Моделирование процесса массопередачи при аэра-ции воды // Водоснабжение и санитарная техника. - 2000. - № 6. - С.20-21.
20. Мешенгиссер Ю.М., Вербицкий Г.П., Курнилович О.Б. Технология удаления азота амо-нийного из сточных вод в аэротенках при использовании мелкопузырчатых полиэтиленовых аэраторов // Водоснабжение и санитарная техника. - 2000. - № 7. - С.4-6.
21. Мешенгиссер Ю.М., Марченко Ю.Г., Смирнов Н.С., Ганзий И.С. Гидравлические харак-теристики трубчатых пневматических аэраторов // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. - ХГПУ, 2000. - Вып. 81. - С.45-46.
22. Мешенгиссер Ю.М., Марченко Ю.Г., Лось В.Ю. Определение массообменных характери-стик пневматических аэраторов // Коммунальное хозяйство городов / Респ. Межв. Научн.- техн. сб. - К.: Техника, 2000. - Вып. 23. - С.124-127.
23. Мешенгиссер Ю.М., Галич Р.А. НПФ "Экополимер" – признанный лидер в разработке, производстве и реконструкции современных аэрационных систем // Вода: Ежемесячный жу-рнал Белорусской республиканской водной ассоциации. - Минск, 1997. - № 4 (12). - С.10-11.
24. Мешенгиссер Ю.М., Галич Р.А. Комплекс оборудования и услуг НПФ "Экополимер" для повышения технического уровня очистных сооружений // Водоснабжение и санитарная тех-ника, 2000. - № 4. - С.30-31.
25. Мешенгиссер Ю.М., Галич Р.А. Аэрационные системы "Экополимер": в чем причина ус-пеха? // Вода. Ежемесячный журнал Белорусской республиканской водной ассоциации. - Минск, 2000. - № 6 (45). - С.4-5.
26. Мешенгиссер Ю.М., Марченко Ю.Г., Дорошев В.Д. Спосіб вимірювання об'ємного вмісту газу // Решение о выдаче патента по заявке № 99010004 Украина от 04.01.99 г. НПФ "Экопо-лимер".
27. Мешенгиссер Ю.М., Галич Р.А., Коннов В.Н. Трубчастий аератор // Патент № 5390 Ук-раина от 13.04.93: Приоритет 9.07.90.
28. Мешенгиссер Ю.М. Математическая модель формирования пузырьков воздуха при аэра-ции // Химия и технология воды. - 1999. - № 2, том 21. - С.122-130.
29. Мешенгиссер Ю.М., Марченко Ю.Г. Гидравлические характеристики пневматических аэраторов // Коммунальное хозяйство городов / Респ. Межв. Научн.-техн. сб. - К.: Техника, 1998. - Вып. 15. - С.98-101.
30. Мешенгиссер Ю.М., Марченко Ю.Г., Галич Р.А., Щетинин А.И. Аэрационные и дренаж-но-распределительные системы "Экополимер" // Тезисы докладов на 3 Международной на-учно-практической конференции "Эксплуатация систем водоснабжения и водоотведения". - Новокузнецк, 20.11.1996. - С.52.
31. Мешенгиссер Ю.М., Галич Р.А. Аэрационные системы и дренажно-распределительные устройства // Тезисы докладов на Международном конгрессе "ЭКВАТЕК-96". - Москва, 1996. - С.242-243.
32. Мешенгиссер Ю.М., Галич Р.А., Щетинин А.И., Марченко Ю.Г. Особенности расчета системы аэрации "Экополимер"// Сб. докладов на Международный Конгресс "ЕТЕВК-97". - Ялта, 1997. - С.75.
33. Мешенгиссер Ю.М., Марченко Ю.Г., Галич Р.А. Проблемы выбора аэраторов для систем биологической очистки сточных вод // Тезисы докладов на 3 Международном конгрессе "Вода,Экология, Технология" "ЭКВАТЕК-98". - Москва, 1998. - С.384-385.
34. Мешенгиссер Ю.М., Лихштейн А., Кравцов М.А. Опыт эксплуатации аэрационной сис-темы "Экополимер" на региональных очистных сооружениях штата Огайо (США) // Тезисы докладов на 3 Международном конгрессе "Вода, Экология, Технология" "ЭКВАТЕК-98". - Москва, 1998. - С.428.
35. Мешенгиссер Ю.М. Новые разработки НПФ "Экополимер" в технологии очистки сточ-ных вод // III Международный Конгресс "Вода, Экология, Технология" "ЭКВАТЕК-98". - Москва, 1998. - С.428.
36. Мешенгиссер Ю.М., Галич Р.А., Марченко Ю.Г. О выборе аэраторов для сооружений биологической очистки сточных вод // Сб. материалов IV Международной научно-технической конференции "Питьевая вода-98". - Одесса, 1998. - С.70-73.
37. Мешенгиссер Ю.М. Моделирование параметров газожидкостной смеси на основе поло-жений волновой гидродинамики // Сб. докладов на Международный Конгресс "ЕТЕВК-99". - Ялта, 1999. - С.131-133.
38. Мешенгиссер Ю.М. Характеристика эксплуатационных параметров полимерных трубча-тых аэраторов // IV Международный Конгресс "Вода, Экология, Технология" "ЭКВАТЕК-2000". - Москва, 2000 .- С.549-550.
39. Мешенгиссер Ю.М., Марченко Ю.Г. Технические характеристики новых аэраторов "Эко-полимер" // IV Международный Конгресс "Вода, Экология, Технология" "ЭКВАТЕК-2000". - Москва, 2000 .- С.548-549.
40. Мешенгиссер Ю.М., Галич Р.А., Коннов В.Н. Трубчатый аэратор// Патент № 1803391 Россия от 30.07.93: Приоритет 9.07.90 НПФ "Экополимер" по лиценз. дог. до 20.10.2002.
41. Мешенгиссер Ю.М., Галич Р.А. Аэрирующее устройство // Патент № 2067084 Россия от 27.09.96: Приоритет 12.05.95 ТОО "Экополимер".
42. Мешенгиссер Ю.М., Галич Р.А. Аераційний пристрій // Патент № 14783 А Украина от 11.02.97: Приоритет 12.05.95 ТОО "Экополимер".
43. Мешенгиссер Ю.М., Галич Р.А. Aerating device // Патент US № 5,560,875 США от 1.10.96: Приоритет 12.03.95 Рос. ТОО "Экополимер".
44. Мешенгиссер Ю.М., Галич Р.А., Марченко Ю.Г., Чернуха В.А. Аэрирующее устройство // Евразийский патент № 0003 от 23.06.97: Приоритет 12.03.96 Рос. ТОО "Экополимер".
45. Мешенгиссер Ю.М., Галич Р.А., Марченко Ю.Г., Чернуха В.А. Aerating device // Патент США US № 5,868,972 от 9.02.99: Приоритет 13.02.97 Рос. ТОО "Экополимер".
46. Мешенгиссер Ю.М., Галич Р.А., Марченко Ю.Г., Чернуха В.А. Аераційний пристрій // Патент № 22653 А Украина от 07.04.98: Приоритет от 26.06.97 НПФ "Экополимер".
47. Мешенгиссер Ю.М., Чернуха В.А., Коринько И.В., Есин А.М. Секція аерації // Патент № 21321 А Украина от 02.12.97: Приоритет от 17.09.97 НПФ "Экополимер".
48. Мешенгиссер Ю.М. Система аэрации // Патент № 2138450 РФ от 27.09.99 по заявке № 97121052: Приоритет от 15.07.97 ООО НПФ "Экополимер".
49. Мешенгиссер Ю.М., Щетинин А.И., Березин, Васин. Аэротенк // Патент № 21617 А Ук-раина от 06.01.98: Приоритет от 15.07.97 НПФ "Экополимер".
50. Мешенгиссер Ю.М., Щетинин А.И., Белотелов С.Е., Реготун А.А. Секція аеротенку // Ук-раина, Решение о выдаче патента по заявке № 98052784(1) от 29.05.98 НПФ "Экополимер".
51. Мешенгиссер Ю.М., Щетинин А.И., Белотелов С.Е., Реготун А.А. Секція аеротенку // Ук-раина, Решение о выдаче патента по заявке № 98052785(2) от 29.05.98 НПФ "Экополимер".
52. Мешенгиссер Ю.М., Щетинин А.И., Белотелов С.Е., Реготун А.А. Секція аеротенку // Ук-раина, Решение о выдаче патента по заявке № 98052786(3) от 29.05.98 НПФ "Экополимер".
53. Мешенгиссер Ю.М., Галич Р.А., Марченко Ю.Г., Чернуха В.А. Aerating device // Патент № 5,888,391 США от 30.03.99: Приоритет от 15.09.98 ООО НПФ "Экополимер".
54. Мешенгиссер Ю.М. Дорошев В.Д. Кондуктометричний датчик // Украина, Решение о вы-даче патента по заявке № 9901003 от 04.01.99 НПФ "Экополимер".
55. Мешенгиссер Ю.М., Галич Р.А., Марченко Ю.Г., Чернуха В.А. Аэрирующее устройство // Патент № 2134662 РФ от 20.08.99 по заявке № 98116576: Приоритет от 8.09.98 ООО НПФ "Экополимер".

АНОТАЦІЯ

Мешенгіссер Ю.М. Ефективні системи аерації природних та стічних вод. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.23.04. – водопостачання, каналізація. – Харківський державний технічний університет бу-дівництва та архітектури, м. Харків, 2001.
Дисертаційну роботу присвячено вирішенню актуальної задачі інтенсифікації процесу біохімічного окислення природних і стічних вод за допомогою ефективних і надійних в екс-плуатації систем аерації, розроблених на підставі: теоретичного узагальнення закономірнос-тей масопередачі кисню з повітря у воду, створення нових конструкцій аераторів і аерацій-них систем, що забезпечують ефективну очистку стічних вод міст і промислових підпри-ємств, а також аерацію води у природних водних об?єктах, розробки концепції створення ае-раторів нового покоління, освоєння технології промислового виробництва аераційних при-строїв нових конструкцій, великомасштабного втілення розроблених систем на об?єктах вод-ного господарства міст і промислових підприємств України, Росії, інших країн СНД і країн далекого зарубіжжя, сертифікації розробленої аераційної продукції і випуску Державного Стандарту України на системи аерації.
Ключові слова: системи аерації, трубчасті диспергатори, масопередача кисню, ефект очистки, швидкість спливання бульбашок повітря, окислювальна спроможність.

АННОТАЦИЯ

Мешенгиссер Ю.М. Эффективные системы аэрации природных и сточных вод. – Руко-пись.
Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.23.04. – водоснабжение, канализация. – Харьковский государственный технический уни-верситет строительства и архитектуры, г. Харьков, 2001.
Диссертация посвящена решению актуальной задачи – интенсификации процесса био-химического окисления природных и сточных вод с помощью эффективных и надежных в эксплуатации аэраторов и систем аэрации. Эти устройства и системы разработаны на основе теоретического обобщения закономерностей массопередачи кислорода из воздуха в воду, создания новых конструкций аэраторов и аэрационных систем, которые обеспечивают эффе-ктивную очистку сточных вод городов и промышленных предприятий, а также аэрацию во-ды в естественных водных объектах.
При разработке математической модели в данной работе использовался поход, в соот-ветствии с которым диаметр пузырька воздуха в момент отрыва от поры (сопла) определяет-ся исходя из баланса выталкивающих и удерживающих сил, с учетом скорости роста пузы-рьков, сил инерции и сопротивления, действующих на пузырек. Для определения диаметра пузырька в момент его отрыва от края поры составлена система уравнений, решение которой позволяет рассчитать этот параметр в широком диапазоне скорости истечения воздуха и для разных диаметров пор. Отмечено значительное влияние диаметра пор и скорости истечения воздуха на процессы образования пузырьков в барботажном режиме. Получены зависимости для расчета размеров пузырьков воздуха, образующихся на криволинейной поверхности трубчатых аэраторов, когда поры на поверхности аэратора расположены под углом к гори-зонту и на разной глубине погружения. Получена универсальная зависимость для определе-ния скорости всплытия пузырьков воздуха в широком диапазоне значений критериев Re, We и диаметра пузырьков. В соответствии с предложенными зависимостями, расчеты скорости всплытия пузырьков позволяют получить хорошую сходимость с экспериментальними дан-ными других авторов, что позволило использовать полученные зависимости при разработке математической модели процесса аэрации воды. Выполнен анализ зависимостей для расчета удельной межфазной поверхности, которые учитывают, что восходящий поток воздуха увле-кает за собой определенное количество жидкости. Cкорость восходящего потока жидкости определена, исходя из энергетического баланса, допуская, что вносимая энергия газа эквива-лентна кинетической энергии жидкости и потерям напора на вязкое трение. Сопоставление теоретически рассчитанных и экспериментально полученных данных показало, что отклоне-ние рассчитанных данных от экспериментальных по скорости переноса кислорода составляет не более 8%, что не выходит за пределы погрешности опытов по массопередаче. Это свиде-тельствует о том, что теоретически разработанная и экспериментально уточненная динами-ческая модель насыщения воды кислородом путем аэрации с достаточно высокой степенью достоверности подтверждается экспериментальными данными и может быть использована при разработке инженерных методов расчета систем аэрации. Выполнен анализ работы очи-стных сооружений после замены систем аэрации на разработанные полимерные трубчатые аэраторы, который показал, что внедрение новых систем аэрации позволяет в среднем на 4,5% повысить эффект очистки по БПК5 и на 22,6% – эффект очистки по аммонийному азо-ту, а также на 46,4% эффективность аэрации. Разработана инженерная методика расчета сис-тем аэрации для вновь строящихся и реконструируемых сооружений. Примеры практической реализации внедрения новых разработанных систем аэрации свидетельствуют, что улучше-ние качества очищенной воды и сокращение расхода электроэнергии будет ощущаться уже после реконструкции более 40% аэротенков на очистных сооружениях. Разработанные кон-струкции систем аэрации нашли также использование при аэрации природных водных объ-ектов.
Разработана концепция создания аэраторов нового поколения, освоена технология их промышленного производства. Крупномасштабное внедрение разработанных систем на объ-ектах водного хозяйства городов и промышленных предприятий Украины, России, других стран подтвердило высокую эффективность и надежность разработанных систем.
Выполнен экономический анализ, который показал, что внедрение новых систем аэрации окупается за 1,5-2,7 года.
Ключевые слова: системы аэрации, трубчатые диспергаторы, массопередача кислорода, эффективность очистки, скорость всплытия пузырьков воздуха, окислительная способность.

RESUME

Meshengisser Y.M. Efficient Systems for Aeration of Natural Water and Wastewater. – Manu-script.
The dissertation is submitted for Doctor of Sciences degree in Technology in the specialty 05.23.04. – Water Supply, Sewerage. – Kharkiv State Technical University of Construction and Ar-chitecture, Kharkiv, 2001.
This dissertation is dedicated to solving a topical problem of intensification of natural water and wastewater biological oxidation with the help of efficient and reliable in operation aeration sys-tems developed on the basis of: theoretical generalization of the mechanisms of oxygen mass trans-fer from air into water, invention of the new design of aerators and aeration systems that ensure ef-ficient municipal and industrial wastewater treatment, as well as aeration of water in natural water bodies, development of creation concept for the new generation of aerators, mastering industrial production technology of the new design of aeration devices, large-scale application of produced systems at municipal and industrial water facilities of Ukraine, Russia, many other foreign coun-tries, certification of invented aeration products and issuing of the State Standard of Ukraine for aeration systems.
Key words: aeration systems, tubular dispersers, oxygen mass transfer, treatment efficiency, air bubble rise velocity, oxidation power.