Kilka przydatnych artykułów dot. napowietrzania komór osadu

Kilka przydatnych artykułów dot. napowietrzania komór osadu czynnego
Żródło: Strona internetowa firmy AKWATECH
Efektywność procesu napowietrzania
Wiele technologii życia codziennego, a w szczególności biologiczne oczyszczanie ścieków
wiąże się ściśle z procesem aeracji (napowietrzania). Jest to sztucznie wywołany proces
wprowadzania tlenu do cieczy, którego efektywność zależy od szeregu czynników.
Znajomość tychże czynników jest niezbędna w celu uzyskania jak największej wydajności
tego procesu. W poniższym artykule pokrótce omówię co i w jaki sposób wpływa na
efektywność napowietrzania. Przedstawione poniżej rozważania mają głównie zastosowanie
przy projektowaniu napowietrzania w oczyszczalniach ścieków, jednak w większości
przypadków dotyczą także wody.
Efektywność i szybkość przenikania tlenu do cieczy zależy od:
1. Temperatury
2. Wielkości pęcherzyków powietrza
3. Zawartych związków powierzchniowo czynnych
4. Mieszania
5. Głębokości czynnej
6. Procesu dyfuzji
7. Rozmieszczenia i zdolności natleniania dyfuzorów
1. Wpływ temperatury na proces napowietrzania
Temperatura cieczy ma ogromny wpływ na proces napowietrzania. Oddziałuje ona w dużym
stopniu na wartość stężenia tlenu. Wzrost temperatury powoduje spadek rozpuszczalności
tlenu w cieczy i tym samym obniża prędkość przenikania tlenu do cieczy.
Upraszczając można powiedzieć, że podwyższenie temperatury
zmniejszenie zdolności do natleniania urządzeń napowietrzających.
cieczy
powoduje
2. Wpływ wielkości pęcherzyków powietrza na efektywność napowietrzania
Skuteczność natleniania zależy również od wielkości pęcherzyków powietrza. W przeszłości
stosowano powszechnie napowietrzanie grubo- i średniopęcherzykowe. Obecnie do komór
osadu czynnego stosuje się wyłącznie napowietrzanie drobnopęcherzykowe. Udowodniono,
że im mniejsze pęcherzyki, tym bardziej rozwinięta powierzchnia kontaktu ze ściekami i
lepsze wykorzystanie tlenu. Wielkość pęcherzyków powietrza zależy od wielkości otworów
(tzw. perforacji) w dyfuzorze, natężenia przepływającego powietrza, od napięcia
powierzchniowego oraz lepkości cieczy. Zaczęto więc powszechnie stosować tzw.
drobnopęcherzykowe napowietrzanie ścieków, które sprawdziło się w praktyce jako
najbardziej skuteczna metoda wprowadzania powietrza do ścieków i wody.
3. Wpływ związków powierzchniowo czynnych na proces napowietrzania
Woda i ścieki bardzo często są zanieczyszczone różnymi substancjami organicznymi.
Jednymi z nich są związki powierzchniowo czynne, które adsorbują się na ich powierzchni.
Taki proces z jednej strony zmniejsza pęcherzyk, jednak z drugiej strony dyfuzja jest
utrudniona. Detergenty w komorze osadu czynnego powodują zmianę warunków
napowietrzania. Spada procentowa zdolność natleniania dyfuzorów, co powoduje wzrost
zapotrzebowania powietrza. Rozwiązaniem technologicznym dla układów charakteryzujących
się dużą nierównością ładunku detergentów jest tlenowy selektor biologiczny lub
wymiarowanie systemu napowietrzania ze względu na dodatkowe zapotrzebowanie
powietrza. Przebieg zmian zdolności natleniania w funkcji intensywności napowietrzania
mieszaniny ścieków i osadu czynnego zmienia się istotnie, w zależności od stężenia
związków powierzchniowo czynnych w reaktorze. Bardzo rzadko się zdarza, że obecność
substancji poprawia efektywność natleniania.
4. Wpływ mieszania na proces napowietrzania
Proces mieszania, naturalny lub wywołany sztucznie, bardzo korzystnie wpływa na
napowietrzanie. Po pierwsze proces ten zmniejsza grubość błonki wodnej, co powoduje
zwiększenie szybkości przenikania tlenu do cieczy. Po drugie zastosowanie intensywnych
mieszadeł wywołuje ruch wody i ścieków, co wymusza dłuższą drogę pęcherzyka powietrza,
daje lepsze efekty natleniania i zapobiega powstawaniu “martwych” miejsc.
Rys. 1. Wydłużenie drogi pęcherzyka powietrza przez zastosowanie mieszadeł
5. Wpływ głębokości czynnej komory na proces napowietrzania
Odwrotnie niż przy natlenianiu powierzchniowym, ekonomia natleniania wzrasta wraz ze
wzrostem głębokości komory.Wszystko ma swoje “+” i “-”. Teoretycznie im większa
głębokość komory tym efektywność natleniania jest wyższa (przedłuża się czas przebywania
pęcherzyka w ściekach, a tym samym jest więcej czasu na przeniknięcie tlenu do ścieków).
Jednakże z praktycznego punktu widzenia większa głębokość wymaga wyższego nadciśnienia
powietrza wytwarzanego przez dmuchawę (każdy metr słupa wody to wymagane nadciśnienie
100 mbar), co staje się ekonomicznie niekorzystne.
Podsumowując można stwierdzić, że zdolność natleniania jest wyższa przy głębszej komorze.
Głębsza komora wymusza jednak zakup droższej dmuchawy o wyższym sprężu. Dlatego też
uznaje się, że optymalna głębokość komór napowietrzania to około 4,0 m.
6. Proces dyfuzji - Kinetyka procesu napowietrzania
Wielu naukowców tj.: Adeney, Becker, Whipple, Fair, Whitmann, Lewis, Baylios, Dobbins,
Danckwerts Camp było zainteresowanych zjawiskiem przenikania gazów do cieczy.
Wprowadzanie powietrza do wody jest zjawiskiem dyfuzji między fazą ciekłą a gazową, z
reakcjami chemicznymi w obydwóch.
Tlen przenika do cieczy na skutek procesu dyfuzji, która w komorach napowietrzania
zachodzi w obszarach cechujących się dość znaczną turbulencją. Dyfuzję można określić jako
proces bezładnego ruchu elementów układu prowadzący do ustalenia się równowagi
koncentracji, czyli przenoszenia cząsteczek z miejsc o większym stężeniu do miejsc o
mniejszym stężeniu. Proces ten zależy: od gradientu stężenia dc/dx i wielkości powierzchni A
(przez którą następuje dyfuzja), a także właściwości gazu i cieczy. Podstawowym równaniem
opisującym transport masy jest równanie Ficka:
Proces dyfuzji gazu do cieczy opisuje dwuwarstewkowa teoria Whitmanna. Opisuje ona
model fizyczny w której przy powierzchni międzyfazowej powstają dwie błonki o skończonej
grubości ? wodna po stronie cieczy i gazowa po stronie fazy gazowej. Błonki stawiają opór
dyfundującemu tlenowi , a opór warstewki po stronie gazu jest mniejszy od oporu, który
stawia warstewka po stronie cieczy. Zakładając, że grubość błonki wodnej wynosi L ,
prędkość przenikania tlenu można opisać równaniem:
gdzie :
Dc/dt - szybkość dyfuzji tlenu [kg/s]
D - współczynnik dyfuzji [m2/s]
A - powierzchnia międzyfazowa [m2]
ci - stężenie tlenu na granicy faz [kg/m3]
cL - stężenie tlenu w cieczy [kg/m3]
L - grubość warstewki cieczy [m]
KL - współczynnik przenikania tlenu [m/s]
Po przekształceniach daje nam równanie na całkowity współczynnik natleniania wody KLa w
warunkach T = 10°C i p = 760 mm Hg.
Powyższe równanie można stosować tylko dla wody czystej. Jednak w czasie biologicznego
oczyszczania ścieków wprowadzany tlen jest zużywany na procesy biochemiczne, dlatego
powyższe równania należy przekształcić uwzględniając pobór tlenu i stężenie osadu
czynnego.
7. Wpływ rozmieszczenia i zdolności natleniania dyfuzorów na efektywność
napowietrzania
Osiągnięcie wysokiej efektywności napowietrzania osiąga się również poprzez równe
doprowadzenie powietrza do wszystkich dyfuzorów oraz równomierne rozłożenie ich na
całym dnie komory. Konstrukcja rusztów musi być dostosowana do kształtów komory, dzięki
czemu dyfuzory zostaną umieszczone tak, aby nie występowały "martwe miejsca".
Każdy wąż zasilający poszczególne segmenty rusztu, powinien być zakończony zaworem
kulowym. To rozwiązanie daje możliwość regulowania przepływem powietrza tak, aby
wszystkie dyfuzory pracowały z równomiernym wydatkiem, a dodatkowo pozwala na
"samooczyszczanie" membran dyfuzorów pokrytych błoną biologiczną (odcinając 50%
segmentów na 10 minut, spowodujemy, że pozostałe dyfuzory będą pracowały z 200%
wydatkiem i w ten sposób przeczyścimy system).
Przy montażu rusztów na dnie komory należy zwrócić uwagę na dokładne wypoziomowanie
rusztów.
Równie istotną cechą przy projektowaniu systemu napowietrzania jest dobór odpowiedniego
typu dyfuzora. Ma to ogromne znaczenie, ponieważ każdy dyfuzor ma inną zdolność
natleniania. Wynika to z:
•
•
•
konstrukcji dyfuzora
zastosowanego materiału na membranę
powierzchni czynnej membrany
•
sposobu perforacji
Przykładowo gwarancja natlenienia dyfuzorów dyskowych wynosi od 15 - 18g O2/(m3 x
głębokość w [m] )*, a dyfuzorów rurowych 16-20g O2/(m3 x głębokość w [m] )*.
Przy doborze tych urządzeń musimy również pamiętać, że mają one różne zakresy pracy (od 0
- 10 m³/h - dla dyfuzorów dyskowych i od 1 - 12 m³/h - dla dyfuzorów rurowych)*.
Odpowiednie obciążenie dyfuzora powietrzem ma wpływ na prawidłową hydraulikę i
wymieszanie ścieków w komorze.
PODSUMOWANIE
Omówione powyżej punkty dowodzą, że efektywności procesu napowietrzania nie da się
określić jednym wzorem, odpowiednim dla wszystkich obiektów, gdyż zależy od wielu
czynników. Przy projektowaniu i doborze systemu odpowiedniego dla danej oczyszczalni
należy wziąć pod uwagę wszystkie z nich. Istotna jest również analiza specyfiki obiektu
mi.in. wielkości oczyszczalni, zastosowanej technologii, rodzaju dopływających ścieków itd.
* Podane wartości - na przykładzie dyfuzorów firmy AKWATECH
Bibliografia:
•
•
•
•
•
Prof. dr hab. inż. Wojciech Zbigniew Adamski "Wpływ stężenia detergentów na
zapotrzebowanie powietrza dla mineralizacji związków węgla w reaktorze z osadem
czynnym" Politechnika Wrocławska
Politechnika Poznańska - Instytut inżynierii środowiska "Wyznaczanie podstawowych
parametrów procesu osadu czynnego". Ćwiczenia laboratoryjne z technologii
oczyszczania ścieków
Konferencje 4, "Urządzenia do natleniania wody i ścieków - konstrukcje, badania i
produkcja" Wrocław 1974
mgr inż. Michalina Górska, "Zastosowanie procesu napowietrzania w technologii
wody i ścieków". Praca podyplomowa wykonana pod kierunkiem Pana dr inż.
Tymoteusza Jaroszyńskiego, Politechnika Poznańska 2007
mgr inż. Ewa Kowalska, “Przenoszenie tlenu w procesach napowietrzania”
Politechnika Gdańska Wydział Chemiczny
5 rodzajów komór napowietrzania
Komory napowietrzania osadu czynnego spełniają wiele istotnych funkcji. Muszą zapewniać
właściwy czas przepływu ścieków, odpowiednią intensywność napowietrzania i co za tym
idzie - mieszanie osadu i ścieków (powodujące zawieszenie kłaczków i niedopuszczenie do
ich osiadania na dnie).
Powyższe wymagania mogą być spełnione tylko przez projektowanie zbiorników o
odpowiednich kształtach i gabarytach oraz właściwe zamontowanie urządzeń
napowietrzających.
Spośród rozmaitych istniejących typów komór napowietrzania najczęściej są stosowane
następujące, które zostały opisane w dalszej części artykułu.
1. Komory przedmuchiwane powietrzem sprężonym
Powietrze sprężone doprowadza się przez porowate płyty (tzw. filtrosy lub dyfuzory),
umieszczone w bruzdach równomiernie na całej powierzchni dna bądź wbudowane po jednej
stronie dna długiej i wąskiej komory (komora Hurda lub manchesterska), lub też powietrze
doprowadza się filtrosami w kształcie rur umieszczonymi powyżej dna. Zawartość komory
wiruje wówczas spiralnie.
System napowietrzania sprężonym powietrzem za pomocą dyfuzorów dyskowych.
Komora cyrkulacyjna Hurda
Innym przykładem jest wprowadzona przez Fischerströma i Gullströma komora Inka, w
której powietrze doprowadza się przez ruszt rurowy z małymi otworami, zanurzony 0,8 m
poniżej poziomu ścieków.
Zbiornik z osadem czynnym napowietrzany systemem Inka
1. dopływ ścieków
2. ruszt napowietrzający
3. kanał doprowadzający powietrze
4,5. przegrody cyrkulacyjne
2. Koryta obiegowe wykonane pierwotnie przez Hawortha w Scheffield jako labirynt
wydłużonych, wężowato ukształtowanych koryt. Mieszaninę ścieków i osadów napędzały (i
napowietrzały) koła z łopatkami. Do dalszych rozwiązań należą "rów utleniający” oraz koryta
"Carrousel”. W rowie utleniającym do napowietrzania oraz utrzymania masy ścieków w
ruchu służą walce z osadzonymi prętami, które umieszczone są poziomo nad zwierciadłem
ścieków albo też wirniki mamutowe. Napowietrzanie i ruch okrężny w rowach Carrousel
powodują jeden lub kilka pionowych wirników napowietrzających . W innych przypadkach
ruch okrężny wywołują podwodne śmigła. Powietrze wdmuchiwane jest oddzielnie przy dnie.
Schemat rowu cyrkulacyjnego
1. dopływ
2. szczotka
3. odprowadzenie nadmiernego osadu
4. odpływ ścieków oczyszczonych
3. Komory z wirnikami
W komorach z wirnikami Bolton lub Simplex zastosowano centralną rurę z wirnikiem, który
podnosi mieszaninę osadu czynnego ze ściekami z dna komory i rozbryzguje ją na
powierzchnię. Czas mieszania w komorze przy dobrej sprawności rozbryzgowej wirnika
można ograniczyć do 2h. Czas wymieszania zawartości zbiornika wynosi 5 min.
Schemat ruchu ścieków w zbiorniku z osadem czynnym napowietrzanym wg systemu Simplex
4. Komora Kessenera
Ścieki miesza się i napowietrza za pomocą szczotek walcowych umieszczonych przy
powierzchni ścieków wzdłuż podłużnej ściany komory. Usprawnieniem procesu są osłony
Pasveera. Dalszym usprawnieniem wirników szczotkowych są wirniki z płaskowników i
wirniki mamutowe. Przy tym ostatnim można uzyskać 7kg O2 /m wirnika (przy jego średnicy
lm/godzinę). Jednak optimum eksploatacyjne jest przy niższych sprawnościach.
Nowoczesny kształt zbiornika Kessenera (przekrój pop.) oraz schemat konstrukcji klasycznej
szczotki Kessenera
5. Komory z mieszadłem i dodatkowym napowietrzaniem
Wydłużona komora zaopatrzona jest w mieszadło osadzone na podłużnej osi. Powietrze
wtłacza się wzdłuż jednej ściany komory. Ten rodzaj konstrukcji może być brany pod uwagę,
jeżeli doprowadzana ilość powietrza sprężonego nie wystarcza do mieszania i cyrkulowania
zawartości komory. Mieszadło obraca się w kierunku przeciwnym do ruchu cieczy
wywołanego powietrzem.
Wyżej wymieniony podział komór jest ogólny i obrazuje tylko te najczęściej stosowane.
Powyżej wymienione rodzaje komór obrazują, że na efekt napowietrzania i mieszania mają
wpływ nie tylko same urządzenia napowietrzające, ale również kształt i wielkość zbiornika
oraz sposób i miejsce wmontowania tych urządzeń.
Źródła:
Na podstawie książki "Kanalizacja miast i oczyszczanie ścieków" Karl i Klaus R. Imhoff
Bydgoszcz 1996 r.
Rysunki:
Ignacy Piotrowski, Marek Roman; “Urządzenia do oczyszczania wody i ścieków”; PWN
Warszawa 1964
“Kanalizacja miast i oczyszczanie ścieków” Karl i Klaus R. Imhoff; Bydgoszcz 1996r.
Niewątpliwe korzyści ze stosowania systemów drobnopęcherzykowego
napowietrzania ścieków
W branży ściekowej, podobnie jak w życiu, każdy system, każde rozwiązanie ma swoje
wady i zalety. Istnieje wiele sposobów na wprowadzenie tlenu do ścieków - jedne są
lepsze, drugie gorsze. Jest to jednak pojęcie względne, a wybór metody napowietrzania zależy
od wielu czynników i specyfiki oczyszczalni.
Wśród wielu technik napowietrzania dominującą rolę odgrywa napowietrzanie
drobnopęcherzykowe. Wynika to z doskonałych parametrów eksploatacyjnych, które
postaramy się przedstawić poniżej w odniesieniu do metod tradycyjnych.
Przedstawione systemy charakteryzują się:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
małą awaryjnością
oszczędnością energii *)
przy projektowaniu pozwalają na zmniejszenie gabarytów komory napowietrzania
wysoką efektywnością natleniania
likwidacją mechanicznego rozprysku ścieków
zmniejszeniem stref oddziaływania na środowisko
w okresach zimowych nie pozwalają na obniżenie temperatury ścieku w komorze
nie powodują mechanicznego rozrywania kłaczków osadu
nie ulegają korozji (wykonane są z materiałów nierdzewnych)
eliminują konieczność zewnętrznego ocieplania wyniesionych zbiorników
segmentowa konstrukcja rusztu sprawia, że np. przypadkowe, mechaniczne
uszkodzenie jednego dyfuzora nie powoduje zatrzymania pracy całego systemu, a
jedynie jednego segmentu
*) Oszczędność energii na przykładzie oczyszczalni typu BIOBLOK
Dane: Zakład Technologii Oczyszczania Ścieków - Poznań mgr inż. Adam Terlecki
System drobnopęcherzykowego napowietrzania składa się z:
źródła powietrza - dmuchawy
rurociągów powietrznych
rusztu napowietrzania wyposażonego w dyfuzory ułożonego na dnie komory
napowietrzania
Elementy rusztu napowietrzającego:
rury powietrzne PCV lub ze stali kwasoodpornej umieszczone na dnie komory, na których
montowane są dyfuzory
dyfuzory dyskowe lub rurowe z membraną z EPDM (lub silikon)
elementy montażowe: łączniki stalowe, opaski montażowe PP, lub łączniki EPDM
Zalety stosowania metody drobnopęcherzykowego napowietrzania ścieków:
•
•
•
•
•
konstrukcja rusztów może być dostosowana do kształtów komory dzięki czemu
dyfuzory zostają umieszczone tak, aby nie występowały “martwe miejsca”
zapewniają hydraulikę w całej objętości komory
osad czynny pozostaje w ciągłym zawieszeniu
natlenianie jest efektywniejsze i równomierne
kłaczki osadu czynnego nie ulegają rozrywaniu
Opory przepływu powietrza przez dyfuzor i ruszt napowietrzający wynoszą od 20 - 60 cm
słupa wody (w zależności od rodzaju dyfuzora i warunków i eksploatacji - patrz karty
katalogowe dyfuzorów) i wzrastają w miarę upływu czasu najwyżej do 100 cm słupa wody w
zależności od warunków eksploatacji dyfuzorów.
Zagęszczenie dyfuzorów dyskowych zależy od wielu czynników i wynosi minimum 1 szt/m²,
maksimum - 9 szt/m² (uwarunkowane gabarytem dyfuzorów).
Napowietrzanie (niezależnie od sposobu) wpływa dodatnio na każdy rodzaj ścieków. Jednak
to właśnie napowietrzanie drobnopęcherzykowe ma najwięcej zalet. Dowodem tego są
korzyści ujęte powyżej jak i fakt, że wykorzystanie tego procesu wzrosło znacznie w
ostatnich 50 latach. Świadczą o tym liczne publikacje i patenty, a zwłaszcza liczba
projektowanych i budowanych systemów.