Napowietrzanie w procesie oczyszczania ścieków z zastosowaniem osadu czynnego jest bardzo istotne w procesie nitryfikacji oraz częściowo usuwania związków węgla organicznego. Wyboru można dokonać pomiędzy urządzeniami do napowietrzania powierzchniowego, urządzeniami do napowietrzania sprężonym powietrzem lub napowietrzania wgłębnego z mieszaniem mechanicznym. Decyzja o zastosowaniu wybranego wariantu systemu napowietrzania powinna być podjęta na podstawie szczegółowej analizy techniczno-ekonomicznej obejmującej nie tylko niezbędnie nakłady inwestycyjne, lecz także koszty zużycia energii elektrycznej [5].
1. Wprowadzenie
Biorąc pod uwagę, że największe zapotrzebowanie na energię elektryczną w oczyszczalni ścieków wymagane jest przede wszystkim do procesów biologicznego oczyszczania, przy czym zużycie energii elektrycznej do napowietrzania bioreaktorów kształtuje się na poziomie blisko 50% [11], to problematyka wyboru systemu napowietrzania w aspekcie energochłonności instalacji na etapie budowy bądź modernizacji oczyszczalni ścieków jest jak najbardziej aktualna.
W reaktorach porcjowych można stosować takie same sposoby napowietrzania jak w przypadku bioreaktorów przepływowych, tj. wgłębne lub powierzchniowe. Nie mniej jednak, powierzchniowe urządzenia do napowietrzania wymagają elementów pływających, co wynika ze zmienności poziomu ścieków. W przypadku reaktorów SBR z ciągłym dopływem ścieków i stałym zwierciadłem ścieków, możliwe jest stosowanie aeratorów powierzchniowych podwieszonych do pomostu. W reaktorach porcjowych mogą znajdować zastosowanie m.in. systemy dyfuzorowe, czy też systemy napowietrzania mechanicznego [8].
W pracy przedstawiono zagadnienia związane z możliwością zastosowania aeratorów strumienicowych w sekwencyjnych reaktorach porcjowych.
2. Zasada działania aeratora strumienicowego
Strumienice (pompy strumienicowe) służą do przenoszenia gazów, cieczy lub ciał sypkich. Są urządzeniami działającymi na zasadzie zjawiska Venturiego, polegającego na tym, że przepływający przez dysze z przewężeniem czynnik roboczy powoduje powstawanie podciśnienia w miejscu przewężenia, wskutek czego z przestrzeni ssawnej zasysany jest czynnik przetłaczany.
Strumienice można podzielić na eżektory przenoszące czynnik do obszaru o ciśnieniu nie wyższym od ciśnienia atmosferycznego oraz inżektory, które przenoszą czynnik do obszaru o ciśnieniu wyższym od ciśnienia atmosferycznego.
W technologii ścieków aeratory strumienicowe stanowią strumienice cieczowo-gazowe, eżektorowe. Zasada działania aeratora strumienicowego, zwanego potocznie strumienicą napowietrzającą, polega na wykorzystaniu spadku ciśnienia strumienia cieczy związanego ze wzrostem prędkości spowodowanym przepływem przez zwężkę (kryzę), zgodnie z prawem Bernoulliego. Aeratory strumienicowe składają się z korpusu (komora Venturiego), który połączony jest z pompą napędzaną silnikiem elektrycznym. Do korpusu doprowadzona jest rura napowietrzająca (czerpnia powietrza) oraz dysza odprowadzająca napowietrzone ścieki.
Mieszanie ścieków z powietrzem odbywa się w komorze mieszania. Prędkość z jaką wypływają ścieki jest regulowana poprzez zamontowaną w korpusie kryzę. W komorze wylotowej zachodzi bardzo intensywne wymieszanie powietrza i cieczy. Mieszanina wypływa w postaci pienistego strumienia, którego duża prędkość powoduje dodatkowo wymieszanie i cyrkulację cieczy w zbiorniku. Strumień wypływający z komory mieszania sięga warstw cieczy położonych w pobliżu dna zbiornika. Większe pęcherzyki powietrza unoszą się następnie ku powierzchni, gdzie są uwalniane do atmosfery w odległości od 1 do nawet 10 m od wylotu z komory mieszania.
Szerokość obszaru uwalniania waha się od 1 do 3 metrów. Ruch mieszaniny powietrza i ścieków w kierunku dna, a następnie wypływanie pęcherzyków powietrza na powierzchnię, powoduje dwukrotne wydłużenie drogi i czasu kontaktu powietrza z cieczą. Czas przebywania drobnych pęcherzyków pod powierzchnią cieczy jest znacznie dłuższy i ma decydujący wpływ na proces dyfuzji tlenu do ścieków i efektywność natleniania. Duża prędkość strumienia wypływającego z urządzenia bardzo dobrze wpływa na wymieszanie zawartości reaktora, co zwiększa efektywność natlenienia (rys. 1).
Aeratory strumienicowe, wytwarzając silny strumień mieszaniny ścieków i pęcherzyków powietrza, stwarzają szczególnie dogodne warunki transferu tlenu oraz przeciwdziałają sedymentacji osadu czynnego. Technika napowietrzania z wykorzystaniem strumienic eżekcyjnych umożliwia uzyskiwanie wysokich efektywnych wskaźników transferu tlenu, nieosiągalnych dla innych metod natleniania. Dzieje się tak wskutek występowania szczególnych procesów przezwyciężania naturalnego oporu transferu tlenu na granicy dwóch faz: cieczy i powietrza.
W procesie napowietrzania strumienicą eżektorową ciecz przekształcana jest w strumień o dużej energii, który dynamicznie ulega wymieszaniu z zassanym powietrzem, tworząc wodno-powietrzną pianę opuszczającą dyfuzor z dużą prędkością. Występujący duży gradient prędkości na granicy faz gazowo-cieczowych, w połączeniu z dużą turbulencją strumienia i otaczającego medium, stwarzają szczególnie korzystne warunki przechodzenia tlenu do otaczającego medium. Strumienice napowietrzające łączą w sobie zalety urządzenia natleniającego, jak i mieszającego [9].
3. Rodzaje aeratorów strumienicowych
W zależności od ilości dysz wychodzących z korpusu, aeratory strumienicowe można podzielić na dyszowe klasyczne (jedno-, dwu-, trzy- i czterodyszowe) (rys. 2), magistralne (fot. 1, rys. 3) oraz odśrodkowe (radialne) (rys. 4).
W strumienicy magistralnej pompa tłoczy ciecz przez przewód magistralny, na którym umieszczone są dysze zaopatrzone w otwory zasysające powietrze z przewodu powietrznego, a mieszanina wodno-powietrzna opuszcza dyszę w dużą prędkością (rys. 3).
W analogiczny sposób działa strumienica odśrodkowa, przy czym pompa tłoczy ciecz do korpusu zaopatrzonego w kilka lub kilkanaście dysz rozłożonych promieniście, a korpus połączony jes z przewodem napowietrzającym.
Aeratory strumienicowe dyszowe klasyczne mogą występować z prostą dyszą w osi tłoczenia pompy, z prostą dyszą podniesioną w stosunku do osi tłoczenia pompy oraz ze skośną dyszą podniesioną w stosunku do osi tłoczenia pompy (rys. 5). Forma umieszczenia dyszy determinuje rozkład strumienia wypływającego z aeratora.
Strumienice dyszowe mogą być instalowane zarówno na dnie reaktora (wolnostjące strumienice denne z natlenianiem wgłębnym), jak również mogą być umieszczone na konstrukcji podwieszanej lub pływającej (strumienice pływające z natlnianiem podpowierzchniowym). Strumienice pływające posiadają skośne dysze o kącie pochylenia od 15 do 45° w stosunku do poziomu zwierciadła ścieków (rys. 6).
Aeratory strumienicowe magistralne i radialne posiadają od kilku do kilkunastu dysz rozprowadzających mieszaninę ścieków oraz powietrza i umieszczane są na dnie reaktora, aczkolwiek znane są rozwiązania, w których konstrukcja aeratora podwieszana jest do pomostu, a wypływ mieszaniny ścieków i powietrza jest podpowierzchniowy.
4. Efektywność aeratorów strumienicowych w technologii ścieków
Jedno z pierwszych doświadczeń nad wykorzystaniem strumienic w technologii osadu czynnego przeprowadził Gomółka [4]. Wykazał on możliwość efektywnego oczyszczania ścieków przy obciążeniu komory napowietrzania ładunkiem zanieczyszczeń na poziomie 3,6 kg BZT5/(m3 d) i przy stężeniu osadu czynnego na poziomie od 6,0 do 9,4 kg/m3 [4, 14].
Pierwsze zastosowanie strumienic w oczyszczalni ścieków miało miejsce w latach sześćdziesiątych w RFN. Efektywność natleniania wynosiła wówczas 2,9 kg O2/kWh. Przeprowadzone wówczas badania porównawcze strumienic z aeratorami powierzchniowymi wykazały wiele zalet, w tym dobre efekty wymieszania komory i dużą elastyczność ruchową [14].
W celu uzyskania wypływu drobnopęcherzykowego z aeratora strumienicowego niezbędne są duże prędkości wypływu, a więc małe średnice dysz. Przy większych średnicach dysz uzyskuje się napowietrzanie średnio lub grubopęcherzykowe, lecz wówczas aeratory strumienicowe mają bardzo dobrą zdolność mieszania cieczy w komorze napowietrzania, a ekonomia napowietrzania może dochodzić do 2,2 kg O2/kWh [6].
Celowość zastosowania aeratorów strumienicowych w technologii osadu czynnego wynika z ich właściwości. Wraz ze wzrostem głębokości zanurzenia dyszy strumienicy wzrasta długość drogi pęcherzyków powietrza w ściekach, zwiększając sprawność transferu tlenu (rys. 7).
Dlatego też, efektywność natleniania osadu czynnego za pomocą strumienic dennych jest wyższa aniżeli strumienic podpowierzchniowych umieszczonych na platformie pływającej. Jednocześnie ze wzrostem głębokości zwiększa się przeciwciśnienie, które zmniejsza ilość dostarczonego powietrza, obniżając efektywność natleniania (rys. 8).
Zawarte w kartach katalogowych charakterystyki dla aeratorów strumienicowych przedstawiają ilość dostarczonego tlenu oraz spodziewany transfer tlenu w warunkach standardowych (SOTR – Standard Oxygen Transfer Rate) dla wody o temperaturze 20°C i zerowym nasyceniu tlenem.
Wykresy transferu tlenu są sporządzane dla przeciętnych warunków pracy przy założeniu empirycznego współczynnika sprawności transferu tlenu wynoszącego 5% na każdy metr głębokości czynnej zbiornika.
Z uwagi na to, że sprawność transferu tlenu do ścieków jest niższa niż dla czystej wody, dla warunków procesowych zaleca się przyjmować przeciętnie współczynnik zmniejszający o wartości 0,7÷0,9. Wielkość transferu tlenu dla aeratorów strumienicowych zależy m.in. od stężenia osadu czynnego, rozmieszczenia strumienic, kształtu komory osadu czynnego, a także od intensywności mieszania charakteryzowanej ogólnie przez gęstości energii (ang. power density), wyrażonej jako stosunek mocy zainstalowanej strumienic do objętości czynnej zbiornika. Odpowiednia intensywność mieszania w całej objętości czynnej zbiornika konieczna jest w celu utrzymania osadu czynnego w zawieszeniu. Dla uzyskania właściwego wymieszania w całej objętości zaleca się, by gęstość energii wynosiła nie mniej niż 25÷40 W/m3 dla zbiorników okrągłych lub owalnych i odpowiednio 35÷60 W/m3 dla zbiorników prostokątnych.
W przypadku, gdy wynikająca z zapotrzebowania tlenu moc zainstalowanej strumienicy nie zapewnia podanych wyżej wskaźników gęstości energii, zaleca się zastosowanie dodatkowych mieszadeł mechanicznych [9].
5. Aeratory strumienicowe w reaktorach SBR
Kształt oraz głębokość sekwencyjnego reaktora porcjowego warunkuje rodzaj, typ i ilość aeratorów strumienicowych. Klasyczne aeratory strumienicowe o wysokiej sile wyrzutu mogą być stosowane w reaktorach porcjowych o dowolnych wymiarach i kształtach. W przypadku zastosowania klasycznych strumienic dyszowych, konieczne jest przede wszystkim określenie lokalizacji w celu wyeliminowania potencjalnych stref martwych. Przyjmuje się, że struga mieszaniny powietrzno-ściekowej rozpręża się pod kątem około 20°. Na drodze strumienia opuszczającego dyszę nie powinny znajdować się przeszkody, które wytłumiałyby jego energię, a rozmieszczenie strumienic powinno uwzględniać najbardziej korzystny obieg cyrkulacyjny cieczy w reaktorze SBR. Rozmieszczenie strumienic klasycznych należy zintegrować z lokalizacją dekantera oraz mieszadeł mechanicznych. Rys. 9 przedstawia ogólne założenia lokalizacji aeratora strumienicowego jednodyszowego w reaktorze porcjowym.
W zbiorniku o przekroju kołowym uzyskuje się optymalną prędkość, gdy strumień wypływu z dyszy strumienicy jest kierowany na ½R (30° od osi reaktora). W reaktorach porcjowych o przekroju prostokątnym dysza aeratora powinna być skierowana w kierunku ¼ szerokości w połowie jego długości (L/2). Uwagę należy zwrócić w przypadku, gdy równocześnie w reaktorze porcjowym instalowany jest aerator strumienicowy i mieszadło mechaniczne.
W reaktorze SBR o przekroju kołowym mieszadło mechaniczne powinno być umieszczone pod kątem 40° od osi i 20o od aeratora strumienicowego. Aby zintensyfikować przepływ masowy w reaktorze porcjowym o przekroju prostokątnym, mieszadło mechaniczne powinno być skierowane w kierunku 3/8 szerokości, a aerator strumienicowy w kierunku 1/8 szerokości od osi zbiornika.
Ważna jest także odległość strumienicy od ściany bocznej. Odległość dyszy aeratora strumienicowego od ściany bocznej powinna wynosić minimum 0,6 m [13].
Wolnostojące aeratory strumienicowe mogą być również rozmieszczane na obwodzie reaktora porcjowego (fot. 2).
W przypadku strumienic kilkudyszowych ważne jest aby określić zasięg wypływu strugi z poszczególnej dyszy.
Ciekawym przykładem zastosowania aeratorów strumienicowych jest oczyszczalnia ścieków z produkcji ciastek, o przepustowości Qd śr = 110 m3/d w Meksyku (Meksyk). Układ oczyszczalni składa się z 3 reaktorów SBR, w których zainstalowano po 2 klasyczne aeratory strumienicowe jednodyszowe o mocy 5,5 kW każdy. Mimo dużego ładunku zanieczyszczeń organicznych dopływającego do reaktora SBR w czasie każdego cyklu (średnio 51,8 kg O2/cykl), aeratory sprawdzają się przy natlenianiu całej zawartości reaktorów [15].
Strumienice wolnostojące denne lub strumienice pływające mogą być wykorzystywane w technologii SBR również jako urządzenia zastępcze podczas okresowych przerw w pracy urządzeń będących w naprawie lub w konserwacji. Mogą więc być instalowane bez konieczności opróżniania reaktora porcjowego.
Aeratory strumienicowe magistralne są zasilane z jednego centralnego przewodu, na którym umieszczone są dysze, w których następuje mieszanie się osadu czynnego z powietrzem oraz z których następuje wypływ mieszaniny do reaktora. Umiejscowienie strumienicy magistralnej uzależnione jest od kształtu reaktora porcjowego, przy czym możliwe jest usytuowanie przewodu centralnego w osi zbiornika (osiowo), przy ścianie zbiornika (przyściennie), lub w sposób krzyżowy (krzyżowo). Na fot. 3-7 przedstawiono przykładowe rozmieszczenia aeratora magistralnego w reaktorach porcjowych.
Niezależnie od sposobu rozmieszczenia, uzyskuje się natlenienie i pełne wymieszanie reaktora porcjowego, co zobrazowano na schematach (rys. 10).
W reaktorach SBR mogą być też z powodzeniem stosowane aeratory strumienicowe radialne. W reaktorze może zostać umieszczona jedna lub więcej strumienic radialnych, w taki sposób, by zapewnić natlenienie i wymieszanie całej zawartości zbiornika. Strumienica radialna może być zasilana pompą zintegrowaną z korpusem aeratora lub pompą zewnętrzną umieszczoną poza reaktorem. W prezentowanym na rysunku 11 rozwiązaniu pompa recyrkulacyjna zlokalizowana jest poza reaktorem porcjowym, z kolei wewnątrz reaktora znajduje się smok ssawny oraz 8-dyszowa strumienica.
Czerpnia powietrza atmosferycznego znajduje ponad zwierciadłem osadu czynnego reaktora. Wylot mieszaniny osadu czynnego i powietrza odbywa się odśrodkowo ze strumienicy. Zaletą takiego rozwiązania jest łatwy dostęp do konserwacji pompy znajdującej się poza reaktorem porcjowym (fot. 8).
W przypadku reaktorów SBR o znacznych objętościach można zastosować kilka strumienic odśrodkowych, rozmieszczonych równomiernie na całej powierzchni zbiornika (fot. 9).
Analiza tematu wskazuje, że znane jest połączenie strumienicy magistralnej i odśrodkowej w jednym systemie (fot. 10).
Takie rozwiązanie może znaleźć zastosowanie w przypadku zbiornika o nietypowym kształcie.
Ze względu na szeroki wybór rozwiązań technicznych i konstrukcyjnych, aeratory strumienicowe z łatwością mogą być wykorzystywane do napowietrzania osadu czynnego w reaktorach porcjowych. Wybór optymalnego aeratora strumienicowego powinien być poprzedzony szczegółową analizą doboru urządzenia z uwzględnieniem lokalizacji i warunków hydraulicznych panujących w reaktorze. Aeratory strumienicowe zastosowane w reaktorach porcjowych pozwalają na wysoefektywne natlenianie i mieszanie całej objętości zbiornika, wobec czego konieczna jest znajomość cyklogramu pracy reak-tora SBR, by w optymalny sposób zaprojektować czas pracy urządzeń w odniesieniu do uzyskania wymaganych parametrów jakościowych ścieków.
Efektywność natleniania za pomocą aeratorów strumienicowych zależy od ich lokalizacji i położenia względem zwierciadła ścieków w reaktorze porcjowym oraz prędkości obrotowej wirnika pompy, która zasysa powietrze atmosferyczne.
Z uwagi na lokalizację i transfer tlenu, efektywność natleniania osadu czynnego za pomocą strumienic dennych jest wyższa aniżeli strumienic podpowierzchniowych umieszczonych na platformie pływającej. Wydajność napowietrzania może być w łatwy sposób regulowana poprzez zmianę prędkości silnika za pomocą przetwornika częstotliwości.
Analiza tematu pozwoliła określić zarówno zalety, jak i wady stosowania aeratorów strumienicowych w technologii SBR. Do zalet należą przede wszystkim:
- możliwość równoczesnego napowietrzania i mieszania osadu czynnego;
- duża sprawność natleniania przy małej energochłonności;
- brak emisji bioaerozoli podczas pracy urządzenia, niski poziom hałasu;
- ponadto, pompa wolnoobrotowa stosowana w strumienicach nie rozbija kłaczków osadu czynnego, a sam wirnik pompy jest jedyną częścią ruchomą w urządzeniu;
- dodatkowo, aeratory strumienicowe mogą być instalowane jako urządzenie zastępcze w sytuacji awaryjnej, bądź podczas prac konserwacyjnych urządzeń zasadniczych. Mogą więc być instalowane bez konieczności opróżniania reaktora porcjowego;
- aeratory strumienicowe charakteryzują się łatwą zmianą ustawienia oraz szybkim montażem (dotyczy strumienic wolnostojących i pływających).
Do wad aeratorów strumienicowych należą:
- wychładzanie ścieków w okresie zimowym;
- możliwość powstawania martwych stref z uwagi na kierunkowość strumienia;
- awaryjność pomp;
- konieczność doprowadzenia energii elektrycznej do wnętrza reaktora SBR (w przypadku aeratorów wolnostojących).
Nie mniej jednak, mając na uwadze zarówno zalety jak i wady aeratorów strumienicowych, warto zastanowić się nad ich wykorzystaniem w reaktorach SBR w aspekcie ekonomicznym i funkcjonalnym.
7. Literatura
[1] BIOX Zakład Urządzeń Natleniających, Polska. Materiały informacyjne (www.biox.pl).
[2] Bioxica, USA. Materiały informacyjne (https://bioxica.com).
[3] Fluidyne Corp., USA. Materiały informacyjne (http://www.fluidynecorp.com).
[4] Gomółka E., Banasiak K., 1968. Badania nad zdolnością natleniania urządzenia strumienicowego z pochyłym ustawieniem rury tłocznej zasilanej powietrzem o niskim sprężu. XI Konferencja Naukowo-Techniczna, Katowice.
[5] Heidrich Z., Witkowski A., 2006. Wybór systemu napowietrzania w procesie oczyszczania ścieków metodą osadu czynnego. Inżynieria Ekologiczna, 14, 12-16.
[6] Hupa B., Rduch J., 1995. Badania porównawcze aeratorów zatapialnych typu AZ-50. Zeszyty naukowe Politechniki Śląskiej. Seria: Energetyka. Z. 126, 327-341.
[7] Körting Hannover AG, Niemcy. Materiały informacyjne (https:// www.koerting.de).
[9] Metalchem-Warszawa S.A., Polska. Materiały informacyjne (http://www.metalchemsa.com.pl).
[10] Mixing Systems Inc. Stany Zjednoczone. Materiały informacyjne (https://mixing.com/).
[11] Orchowski M., Masłoń A., Heidrich Z. 2018. Energochłonność oczyszczalni ścieków w Sandomierzu. Gaz, Woda i Technika Sanitarna, 2, 68-73.
[12] Parkson Corporation. Materiały informacyjne (www.parkson. com).
[13] Sulzer, Szwajcaria. Materiały informacyjne (www.sulzer.com). [14] Suschka J., Zieliński J., Glajcar E., 1979. Urządzenia do natleniania ścieków. Wyd. Arkady Warszawa.
[15] Tsurumi GmbH, Niemcy. Materiały informacyjne (www. tsurumi.eu).
[16] Xylem Water Solution. Materiały informacyjne (http://www. xylemwatersolutions.com).
Adam Masłoń
Politechnika Rzeszowska, Zakład Inżynierii i Chemii Środowiska
…
Źródło: Forum Eksploatatora 1/2019
…
Polecamy publikacje uzupełniające artykuł
