astАрхитектура, строительство, транспортArchitecture, Construction, Transport2782-232X2713-0770Industrial University of Tyumen10.31660/2782-232X-2023-4-55-63ast-58Research ArticleСТРОИТЕЛЬСТВОCONSTRUCTIONОсобенности расчета величины фактора обновления поверхности пузырьков воздухаPeculiarities of calculating the value of the air bubble surface renewal coefficientАндреевС. Ю.AndreevS. Yu.

Андреев Сергей Юрьевич, д-р техн. наук, профессор, профессор кафедры водоснабжения, водоотведения и гидротехники

Sergey Yu. Andreev, D. Sc. in Engineering, Professor, Professor at the Department of Water Supply, Water Dump and Hydraulic Engineering

БеловаЛ. В.BelovaL. V.

Белова Лариса Владимировна, канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры инженерных систем и сооружений, заведующая кафедрой начертательной геометрии и графики

Larisa V. Belova, Cand. Sc. In Engineering, Associate Professor, Associate Professor at the Department of Engineering Systems and Structures, Head of the Department of Descriptive Geometry and Graphics

Пензенский государственный университет архитектуры и строительстваРоссияPenza State University of Architecture and ConstructionRussian FederationТюменский индустриальный университетРоссияIndustrial University of TyumenRussian Federation202328122023045563Copyright © Андреев С.Ю., Белова Л.В., 20232023Андреев С.Ю., Белова Л.В.Andreev S.Y., Belova L.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ast.tyuiu.ru/jour/article/view/58

Ресурсоемкость биологической очистки сточных вод снижается при повышении энергоэффективности применяемых в аэротенке систем пневматической аэрации. Модернизация процесса аэрации возможна при разработке адекватной математической модели, описывающей процесс массопередачи кислорода из пузырька воздуха в воду, необходимого для биологического окисления загрязнений сточных вод. Анализ существующих теоретических моделей, описывающих процесс массопередачи кислорода воздуха в воду, а именно – двухпленочной теории Льюиса – Уитмена, теории пенетрации Хигби, теории обновления деформированной поверхности пузырька П. В. Данквертса, – показал особенности их применения для газожидкостных систем. Большое значение для описания процессов массопередачи кислорода воздуха в воду при использовании пневматической системы аэрации в аэротенках имеет фактор обновления деформированной поверхности пузырьков воздуха. В турбулентном потоке при непрерывном обновлении межфазной поверхности, создаваемой пузырьками воздуха, происходит интенсификация процесса массопередачи за счет турбулентной диффузии, что отражается в расчетных математических зависимостях. Использование математических зависимостей, определяющих скорость массопередачи кислорода воздуха в воду через деформируемую поверхность пузырьков, формирующихся в аэрационном объеме аэротенка, позволит учесть изменение их формы, что повысит точность определения значений технологических характеристик систем пневматической аэрации. 

The resource intensity of biological wastewater treatment is reduced by increasing the energy efficiency of the pneumatic aeration systems used in the aeration tank. Modernisation of the aeration process is possible with the development of an adequate mathematical model describing the process of mass transfer from air bubble to water the oxygen required for biological oxidation of wastewater pollutants. The analysis of the LewisWhitman two-film theory, Higbee's penetration theory, and P. W. Dankwerts' theory of deformed bubble surface renewal describing the process of mass transfer of air oxygen into water showed the peculiarities of their application to gas-liquid systems. The factor of renewal of deformed surface of air bubbles is of great importance for describing the processes of mass transfer of air oxygen to water when using pneumatic aeration system in aeration tanks. In turbulent flow at continuous renewal of interfacial surface created by air bubbles, there is intensification of mass transfer process due to turbulent diffusion, which is reflected in calculated mathematical dependences. The use of mathematical dependences determining the rate of mass transfer of air oxygen to water through the deformable surface of bubbles formed in the aeration volume of the aeration tank will make it possible to take into account the change in their shape. This will increase the accuracy of determining the values of technological characteristics of pneumatic aeration systems.

массопередача кислородарежим всплываниякоэффициент формыкоэффициент дисперсностифактор обновления поверхностиoxygen mass transfersurfacing modeshape factordispersibility factorsurface renewal factorReferencesFick, A. On liquid diffusion / A. Fick. – London : Taylor & Francis, 1855. – 39 p. – Текст : непосредственный.Fick, A. (1855). On Liquid Diffusion. London, Publ. Taylor & Francis, 39 p. (In English).Noyes, A. A. The rate of solution of solid substances in their own solutions / A. A. Noyes, W. R. Whitney. – DOI 10.1021/ja02086a003. – Текст : непосредственный // Journal of the American Chemical Society. – 1897. – Vol. 19, No. 12. – P. 930–934.Noyes, A. A., & Whitney, W. R. (1897). The rate of solution of solid substances in their own solutions. Journal of the American Chemical Society, 19(12), pp. 930-934. (In English). DOI 10.1021/ja02086a003.Nernst, W. Theorie der Reaktionsgeschwindigkeit in heterogenen Systemen / W. Nernst. – DOI 10.1515/zpch1904-4704. – Текст : непосредственный // Zeitschrift für Physikalische Chemie. – 1904. – Vol. 47U, No. 1. – P. 52–55.Nernst, W. (1904). Theory of reaction rates in heterogeneous systems [Theorie der Reaktionsgeschwindigkeit in heterogenen Systemen]. Zeitschrift für Physikalische Chemie, 47U(1), pp. 52-55. (In German). DOI 10.1515/zpch1904-4704.Lewis, W. K. Principles of Gas Absorption / W. K. Lewis, W. G. Whitman. – DOI 10.1021/ie50180a002. – Текст : непосредственный // Industrial & Engineering Chemistry. – 1924. – Vol. 16, No. 12. – P. 1215–1220.Lewis, W. K., & Whitman, W. G. (1924). Principles of Gas Absorption. Industrial & Engineering Chemistry, 16(12), 1215-1220. (In English). DOI 10.1021/ie50180a002.Higbie, R. The rate of absorption of a pure gas into a still liquid during short periods of exposure / R. Higbie. – Текст : непосредственный // AIChE Journal. – 1935. – Vol. 31. – P. 365–389.Higbie, R. (1935). The Rate of Absorption of a Pure Gas into a Still Liquid during Short Periods of Exposure. AIChE Journal, 31, 365-389. (In English).Попкович, Г. С. Системы аэрации сточных вод / Г. С. Попкович, Б. Н. Репин. – Москва : Стройиздат, 1986. – 133 с. – Текст : непосредственный.Popkovich, G. S., & Repin, B. N. (1986). Sistemy aeratsii stochnykh vod. Moscow, Stroyizdat Publ., 133 p. (In Russian).Pan, Yu. A new approach to estimating oxygen off-gas fraction and dynamic alpha factor in aeration systems using hybrid machine learning and mechanistic models / Yu. Pan, M. Dagnew. – DOI 10.1016/j.jwpe.2022.102924. – Текст : электронный // Journal of Water Process Engineering. – 2022. – No. 48, 102924. – URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214714422003683 (дата обращения: 23.10.2023).Pan, Yu., & Dagnew, M. (2022). A new approach to estimating oxygen off-gas fraction and dynamic alpha factor in aeration systems using hybrid machine learning and mechanistic models. Journal of Water Process Engineering, 48:102924. (In English). DOI 10.1016/j.jwpe.2022.102924. Available at: https://www.sciencedirect.com/science/ article/pii/S2214714422003683 (accessed 23.10.2023).Modelling oxygen transfer using dynamic alpha factors / L.-M. Jiang, M. Garrido-Baserba, D. Nolasco [et al.]. – DOI 10.1016/j.watres.2017.07.032. – Текст : электронный // Water Research. – 2017. – No. 124. – Р. 139–148. – URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S004313541730605X (дата обращения: 23.10.2023).Jiang, L.-M., Garrido-Baserba, M., Nolasco, D., Al-Omari, A., DeClippeleir, H., Murthy, S., & Rosso, D. (2017). Modelling oxygen transfer using dynamic alpha factors. Water Research, (124), pp. 139-148. (In English). DOI 10.1016/j. watres.2017.07.032. Available at: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S004313541730605X (accessed 23.10.2023).Danckwerts, P. V. Significance of liquid-film coefficients in gas absorption / P. V. Danckwerts. – Текст : непосредственный // Industrial & Engineering Chemistry. – 1951. – Vol. 43, No. 6. – P. 1460–1467.Danckwerts, P. V. (1951). Significance of liquid-film coefficients in gas absorption. Industrial & Engineering Chemistry, 43(6), pp. 1460-1467. (In English).Кишиневский, М. Х. Исследование теплои массообмена / М. Х. Кишиневский, Т. С. Корниенко. – Кишинев : Картя молдовеняскэ, 1967. – 16 c. – Текст : непосредственный.Kishinevskiy, M. Kh., & Kornienko, T. S. (1967). Issledovanie teploi massoobmena. Kishinev, Kartya moldovenyaske Publ., 16 p. (In Russian).Andreev, S. Y. Evaluating the patterns of air bubble rise in water-air mixtures used in natural and waste water treatment processes / S. Y. Andreev, I. A. Garkina, M. I. Yakhkind. – DOI 10.1088/1757-899X/687/6/066054. – Текст : электронный // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering : International Conference on Construction, Architecture and Technosphere Safety. – Chelyabinsk : Institute of Physics Publishing, 2019. – Vol. 687, 6. – P. 066054.Andreev, S. Y., Garkina, I. A., & Yakhkind, M. I. (2019). Evaluating the patterns of air bubble rise in water-air mixtures used in natural and waste water treatment processes. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering: International Conference on Construction, Architecture and Technosphere Safety. Chelyabinsk, Institute of Physics Publ., 687(6), P. 066054. (In English). DOI 10.1088/1757-899X/687/6/066054.Deryagin, B. V. Kinetic theory of the flotation of small particles / B. V. Deryagin, S. S. Dukhin, N. N. Rulev. – DOI 10.1070/RC1982V051N01ABEH002791. – Текст : непосредственный // Russian Chemical Reviews. – 1982. – No. 51. – P. 92–118.Deryagin, B. V., Dukhin, S. S., & Rulev, N. N. (1982). Kinetic theory of the flotation of small particles. Russian Chemical Reviews, (51), pp. 92-118. (In English). DOI 10.1070/RC1982V051N01ABEH002791.Okazaki, S. The velocity of ascending air bubbles in aqueous solution of a surface active substance and the life of the bubble on the same solution / S. Okazaki. – Текст : непосредственный // Bulletin of the Chemical Society of Japan. – 1964. – No. 37. – P. 144–150.Okazaki, S. (1964). The velocity of ascending air bubbles in aqueous solution of a surface active substance and the life of the bubble on the same solution. Bulletin of the Chemical Society of Japan, (37), pp. 144-150. (In English).Мешенгиссер, Ю. М. Теоретическое обоснование и разработка новых полимерных аэраторов для биологической очистки сточных вод : специальность 05.23.04 «Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов» : автореферат диссертации на соискание доктора технических наук / Ю. М. Мешенгиссер. – Москва : НИИ ВОДГЕО, 2005. – 48 с. – Текст : непосредственный.Meshengisser, Yu. M. (2005). Teoreticheskoe obosnovanie i razrabotka novykh polimernykh aeratorov dlya biologicheskoy ochistki stochnykh vod. Avtoref. diss. … dokt. tekhn. nauk. Moscow, NII VODGEO, 48 p. (In Russian).Худенко, Б. М. Аэраторы для очистки сточных вод / Б. М. Худенко, Е. А. Шпирт. – Москва : Стройиздат, 1973. – 112 с. – Текст : непосредственный.Khudenko, B. M., & Shpirt, E. A. (1973). Aeratory dlya ochistki stochnykh vod. Moscow, Stroyizdat Publ., 112 p. (In Russian).Брагинский, Л. Н. Моделирование аэрационных сооружений для очистки сточных вод / Л. Н. Брагинский, М. А. Евилевич, В. И. Бегачев. – Ленинград : Химия, 1980. – 144 с. – Текст : непосредственный.Braginskiy, L. N., Evilevich, M. A., & Begachev, V. I. (1980). Modelirovanie aeratsionnykh sooruzheniy dlya ochistki stochnykh vod. Leningrad, Khimiya Publ., 144 p. (In Russian).Караичев, И. Е. Совершенствование методов расчета аэрации водных объектов : специальность 05.23.16 «Гидравлика и инженерная гидрология» : автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук / И. Е. Караичев. – Москва, 2019. – 23 с.Karaichev, I. E. (2019). Sovershenstvovanie metodov rascheta aeratsii vodnykh ob"ektov. Avtoref. diss. … kand. tekhn. nauk. Moscow, 23 p. (In Russian).Horvath, I. R. A surface renewal model for unsteady-state mass transfer using the generalized Danckwerts age distribution function / I. R. Horvath, S. G. Chatterjee. – DOI 10.1098/rsos.172423. – Текст : электронный // The Royal Society Publishing. – 2018. – No. 5. – URL: https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsos.172423 (дата обращения: 23.10.2023).Horvath, I. R., & Chatterjee, S. G. (2018). A surface renewal model for unsteady-state mass transfer using the generalized Danckwerts age distribution function. The Royal Society Publishing, (5). (In English). DOI 10.1098/ rsos.172423. Available at: https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsos.172423 (accessed 23.10.2023).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.