-

1. А.Б. Голованчиков
д-р техн. наук, проф.
И.В. Владимцева
д-р биол. наук, проф.
Ю.С. Гермашева
Л.В. Потапова
И.В. Могилевская
(Волгоградский государственный
технический университет)
ГЖЧЕСЖОЕ
МОДЕЛИРОВАНИЕ РА
БИОФИЛЬТРА,
И С П О Л Ь З У Ю Щ Е Г О Щ /
ЭЛЕКТРОЛИЗА ВОДЫ
' Я 11111
Предложена конструкция биофильтра (БФ), в котором для дыхания микроорганизмов используются 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»

2. 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
= 2-10~3
м/с,
или со средней абсолютной скоростью
"о = 1,12-10~3
м/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' ц У = 2,1 1 10"4
У,м3
/Ач. (10)
Алгоритм сравнительных 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
= 9-10~4
м/с,
18ц
(2)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

3. = 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 (3^= 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,)
'22,4У273+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»

4. Идентификаторы для сравнительного расчета БФ и ЭБФ
Параметр Обозначение Величина
Исходные данные
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 данные
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, м3
/(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
Расчетные параметры
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. Справочник / П о д ред. Н . С . Е г о р о в а ,
Д . Д . С а м у и л о в а . М.: Высшая школа.1987. Т. 6.
2. Родионов А.И., Клушин В.Н., Торочешников Н.С. Техни-
ка защиты о к р у ж а ю щ е й среды. М.: Химия, 1989.
3. Пат. США 3 9 1 4 1 6 4 , кл 204-149. 1976 И.
4. АС СССР 865842, СО 2 Р 3/02. С п о с о б биологической
очистки сточных вод. 1981. Бюл. № 35.
5. АС СССР 998381, СО 2 Р 3/00. Устройство для биоло-
гической очистки сточных вод. 1983. Бюл. № 7.
6. Голованчиков А.Б., Тябин Н.В., Дахина Г.Л. Электро-
ф л о т а ц и о н н ы е п р о ц е с с ы и аппараты х и м и ч е с к о й тех-
нологии: Уч. п о с о б и е . В о л г о г р а д : ПО «Полигра-
фист», 1989.
7. Матов Б.М. Электрофлотация: Кишинев: Картя молдо-
веняскэ, 1971.
8. Мамаков А.А. Современное состояние и перспективы
применения электролитической флотации веществ.
Ч. 1,2. Кишинев: Штинница, 1975.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»