Zastosowanie mieszadeł eżektorowych w sekwencyjnych reaktorach porcjowych

Mieszanie należy do zasadniczych operacji jednostkowych inżynierii procesowej. Proces mieszania jest realizowany w aparatach typu zbiornikowego, z wykorzystaniem mieszadeł, najczęściej mechanicznych. Przebiega on w sposób wymuszony i wymaga dostarczenia energii mechanicznej z zewnątrz. Celem mieszania jest wytworzenie mieszaniny o wymaganej jednorodności oraz utrzymanie jej w takim stanie, co prowadzi do intensyfikacji procesów wymiany masy i ciepła przebiegających w mieszanym ośrodku. Pod względem fazowym powstająca mieszanina może stanowić układ jednorodny lub niejednorodny. Intensyfikacja przebiegu procesów wymiany masy i ciepła następuje poprzez zwiększenie powierzchni międzyfazowej w wyniku rozproszenia jednej fazy w drugiej oraz poprzez wytworzenie w cieczy prądów konwekcyjnych [5].

1. Wprowadzenie

Parametrem określającym proces mieszania jest stopień mieszania, czyli iloraz wzajemnego rozprowadzania dwóch lub więcej substancji do momentu, w którym będą one idealnie rozprowadzone. Parametr ten określa jednorodność mieszaniny ilościowo, czyli efekt mieszania, natomiast zmiany mogą być użyte do określenia jak intensywnie zachodzi proces mieszania. Ważnymi pojęciami opisującymi mieszanie jest intensywność oraz efektywność mieszania. Intensywność mieszania określana jest poprzez kilka wielkości, tj. liczbę Reynoldsa, moc mieszania, obwodową prędkość na łopatkach mieszadła oraz częstotliwość obrotów mieszadła. Efektywność mieszania określa ilość energii, która jest potrzebna do uzyskania określonego celu technologicznego [5].

W przypadku cieczy niejednorodnych (zawiesin i emulsji) mających tendencję do grawitacyjnego rozwarstwienia, proces mieszania stwarza stan równowagi dynamicznej. Wówczas stężenie jest wyrównane, ale tylko tak długo, jak mieszana jest zawiesina. Mieszanie mechaniczne jest więc najpopularniejszą metodą zwiększania jednorodności układu. Obroty mieszadła mechanicznego powodują powstanie zawirowań, co z kolei prowadzi do przemieszczania się elementów cieczy, a tym samym do mieszania się układu, czyli zwiększenia jego jednorodności.

Odpowiednie wymieszanie ścieków z osadem czynnym jest podstawowym warunkiem dla właściwego przebiegu oczyszczania ścieków w systemach z osadem czynnym. Urządzenia do mieszania w sekwencyjnych reaktorach porcjowych mają na celu zapewnienie szybkiego rozproszenia doprowadzanego substratu w całej objętości komory podczas fazy napełniania i reakcji (ujednorodnienie składu zawartości reaktora SBR), utrzymanie w stałym zawieszeniu biomasy osadu czynnego celem kontaktu z substratem (ang.: blending and suspension) oraz utrzymanie w miarę jednorodnych warunków hydrodynamicznych w każdym punkcie reaktora [7, 10, 11].

W reaktorach porcjowych SBR stosowane są takie same sposoby mieszania jak w metodzie przepływowej. W warunkach tlenowych podczas fazy reakcji mieszanie osadu czynnego może być realizowane za pomocą urządzeń napowietrzających. Z kolei w warunkach beztlenowych i anoksycznych możliwe jest stosowanie mieszadeł mechanicznych zanurzalnych o osi poziomej lub pływających mieszadeł pionowych. Alternatywnymi rozwiązaniami względem klasycznych urządzeń mieszających osad czynny mogą być mieszadła eżektorowe, czyli tzw. hydroeżektory [10].

W pracy zaprezentowano zagadnienia związane z możliwością wykorzystania mieszadeł eżektorowych w sekwencyjnych reaktorach porcjowych jako alternatywnego rozwiązania względem konwencjonalnych mieszadeł mechanicznych.

2. Zasada działania mieszadła eżektorowego

Mieszadło eżektorowe, nazywane również mieszadłem strumienicowym, działa w oparciu o zasadę zwężki Venturiego z wykorzystaniem podstawowego i wtórnego przepływu cieczy. Wytwarzany przez pompę strumień podstawowy cieczy (Q₁) tłoczony jest poprzez dyszę do rury eżektora (hydroeżektora). Podczas przepływu strumienia cieczy przez dyszę wzrasta jej prędkość, powodując lokalne obniżenie ciśnienia, które powoduje zasysanie cieczy z zewnątrz i powstanie strumienia wtórnego (Q₂). Strumień podstawowy i wtórny łączą się w rurze eżektora powodując zwiększenie ciągu i prędkości oraz wytworzenie jednego strumienia (Q₁ + Q₂) o dużej mocy (rys. 1). Dla każdego strumienia podstawowego (Q₁), hydroeżektor odbiera 2- lub 3-częściowy strumień wtórny (Q₂). A zatem objętościowa wydajność mieszadła eżektorowego może wynosić od 3 · Q₁ do 4 · Q₁ (przy ciśnieniu różnicowym pompy od 1 do 6 bar).

Strumień wypływający z eżektora rozprzestrzenia się w formie stożkowej i wciąga więcej cieczy ze swego otoczenia. Ponadto, wyrzucany z eżektora strumień sprzyja dalszemu mieszaniu cieczy przez formowanie przepływu wirowego wewnątrz zbiornika (rys. 2).

Zastosowanie mieszadła eżektorowego (hydroeżektora) w komorze osadu czynnego sprowadza się do wytwarzania ruchu cyrkulacyjnego, dzięki czemu biomasa osadu czynnego znajduje się w stanie zawieszenia w całej objętości zbiornika. Mieszadło eżektorowe (strumieniowe) wytwarza silny strumień mieszaniny ścieków i osadu czynnego o dużej energii, efektem czego jest znacząca turbulencja mieszaniny w bioreaktorze.

3. Rodzaje mieszadeł eżektorowych

Klasyfikacja mieszadeł eżektorowych (strumienicowych) jest podobna do systematyki aeratorów strumienicowych, która została przedstawiona dokładnie w poprzednim numerze Forum Eksploatatora (1/2019) [9]. W zależności od konstrukcji i położenia w zbiorniku, mieszadła eżektorowe można podzielić na dyszowe klasyczne (jedno-, dwu- i wielodyszowe) (rys. 3), magistralne (fot. 1) oraz odśrodkowe (fot. 2).

Klasyczne mieszadła eżektorowe składają się z pompy, dyszy (zwężki Venturiego) oraz rury eżektora (rys. 4). Najczęściej zwężka Venturiego jest połączona z eżektorem, tworząc zintegrowany element nazywany hydroeżektorem (rys. 5).

Mieszadło eżektorowe magistralne (magistrale eżektorowe) składa się z kilku lub kilkunastu dysz (hydroeżektorów), nazywanych również głowicami, umieszczonych na przewodzie magistralnym (głównym), do którego tłoczony jest osad czynny za pomocą pompy recyrkulacyjnej umieszczonej poza reaktorem. Pompa zasysa osad czynny z wnętrza reaktora za pomocą wlotu dzwonowego (rys. 6).

Każdy hydroeżektor posiada otwór ssawny, przez który zasysany jest osad czynny z reaktora. Strumień mieszaniny z dużą prędkością wylotową wydostaje się z hydroeżektora na zewnątrz, wywołując ruch cyrkulacyjny w zbiorniku. Wykorzystywane w mieszadłach eżektorowych magistralnych głowice eżektorowe posiadają różny kształt i konstrukcję, co zobrazowano na rys. 7. Mogą być one trwale zespolone z przewodem magistralnym (poprzez spawanie) lub mogą być nakręcane.

Magistrale eżektorowe mogą być jedno- lub dwukierunkowe, tzn. głowice mogą być umieszczone po jednej lub po obu stronach przewodu głównego (fot. 3). W celu intensyfikacji mieszania możliwe jest również umieszczenie głowic eżektorowych pod różnym kątem (fot. 4). Liczba głowic eżektorowych oraz ich pozycja w zbiorniku jest określana na podstawie objętości zbiornika i właściwości transportowych, tak, aby uzyskać optymalną wydajność i efektywność mieszania.

Mieszadło eżektorowe odśrodkowe składa się z korpusu, do którego tłoczony jest osad czynny za pomocą pompy recyrkulacyjnej umiejscowionej poza reaktorem (rys. 8).

Korpus zaopatrzony jest w kilka lub kilkanaście dysz (głowic eżektorowych) rozłożonych promieniście, które zapewniają równomierny odpływ strumienia i ruch cyrkulacyjny w zbiorniku. Strumień podstawowy Q₁ dostarczany jest bezpośrednio do korpusu za pomocą pompy, z kolei strumień wtórny Q₂ osadu czynnego może być zasysany przewodem ssawnym (fot. 2a) lub może być samoczynnie zasysany poprzez otwory ssawne umieszczone w poszczególnych głowicach eżektorowych (fot. 2b).

W zależności od lokalizacji, mieszadła eżektorowe mogą być instalowane przy dnie reaktora (mieszadła wolnostojące denne) (rys. 3), jak również mogą być umieszczone na konstrukcji podwieszanej lub pływającej (rys. 9).

W przypadku zmiennego zwierciadła ścieków w reaktorach SBR mieszadła pływające mają większe uzasadnienie niż mieszadła podwieszane do pomostu. Podstawowymi elementami mieszadła eżektorowego pływającego jest pompa śmigłowa oraz króciec wylotowy (dysza). Pompa przetłacza osad czynny, który dostaje się do wnętrza urządzenia przez otwory znajdujące się pod kapturem wlotowym, chroniącym przed oblodzeniem i zasysaniem powietrza. Przetłaczany osad czynny wyrzucany jest z dużą prędkością w żądanym kierunku.

Kąt wylotu strumienia cieczy zależy od nachylenia króćca wylotowego oraz usytuowania mieszadła eżektorowego (rys. 10).

Króciec wylotowy może być nachylony w stosunku do poziomu pod kątem: 15, 30, 45 lub 90°. Po zamocowaniu mieszadła na stanowisku roboczym istnieje dodatkowo możliwość obrotu króćca wylotowego co 15° względem osi pionowej. Możliwość doboru mocy mieszadła oraz dowolnego kąta wylotu strumienia w kierunku pionowym i poziomym pozwala na optymalny dobór i wymieszanie osadu czynnego niemal we wszystkich kształtach reaktora SBR [2, 10]. Możliwa jest również pionowa cyrkulacja w reaktorze porcjowym z zastosowaniem tego typu mieszadła (rys. 11).

Na uwagę zasługuje także inne rozwiązanie mieszadła strumieniowego, które może być stosowane w reaktorach SBR. Mieszadło eżektorowe ma postać obrotowego słupa zamocowanego z jednej strony do dna reaktora, a z drugiej strony do górnej krawędzi wewnętrznej reaktora. Głowica mieszadła posiada złącze obrotowe umożliwiające swobodną zmianę położenia dysz w płaszczyźnie poziomej. Dysze osadzone są na zaworach trójdrożnych, które pozwalają na wybór pracy dowolnej dyszy lub wszystkich równocześnie. Wszystkie dysze osadzone są na przegubach kulistych, dzięki czemu możliwa jest zmiana kąta działania w płaszczyźnie pionowej o 30°. Pompa tłoczy osad czynny z reaktora do mieszadła eżektorowego. Mieszadło eżektorowe posiada sterowanie dźwigniami. Po podłączeniu do głowicy mieszadła rurociągu tłocznego pompy i jej uruchomieniu, osad czynny przepływa przez złącze obrotowe, rurę pionową mieszadła, otwarty w tym czasie jeden zawór trójdrożny, jego przegub kulowy i dyszę strumieniową, uzyskując prędkość wypływu ponad 10 m/s, co powoduje ruch cyrkulacyjny w całej objętości reaktora. Efektywność mieszania w reaktorze SBR znacznie poprawia możliwość kierowania strumieni w dowolne miejsce zbiornika (rys. 12) [8].

Ciekawe rozwiązanie konstrukcyjne mieszadła eżektorowego przedstawia rys. 13. Głowica hydroeżektora umieszczona jest centralnie w zbiorniku, przy czym posiada ona przedłużenie zakończone konfuzorem stanowiącym komorę rozprężną. Długi odcinek eżektora wydłuża czas mieszania osadu czynnego strumienia podstawowego Q₁ i strumienia wtórnego Q₂. Takie rozwiązanie może być stosowane w reaktorach SBR o znacznych głębokościach.

4. Efektywność mieszadeł eżektorowych

Efektywność mieszania w technologii osadu czynnego odnosi się do nakładu energetycznego, który zostaje wprowadzony do komory osadu czynnego w celu utrzymania biomasy w zawieszeniu w całej objętości reaktora. Zapotrzebowanie energii do mieszania osadu czynnego mieści się w zakresie 8÷13 W/m³ reaktora wg danych amerykańskich, oraz 3÷8 W/m³ reaktora wg danych niemieckich (DVGW) [3]. Mieszanie jest procesem bardzo energochłonnym, dlatego w sposób racjonalny należy dostosowywać do potrzeb typ mieszadła oraz intensywność mieszania. Badania wykazują, że eżektorowe systemy mieszania charakteryzują się niższym zużyciem energii elektrycznej w porównaniu do mieszania mechanicznego. Przykładowo, zmiana systemu mieszania z konwencjonalnych mieszadeł mechanicznych (zużycie energii elektrycznej na poziomie 10 W/m³) na magistralę eżektorową w komorze osadu czynnego o pojemności 5 983 m³ pozwoliła na zmniejszenie energochłonności procesu mieszania do poziomu 4 W/m³. Efektem wprowadzenia systemu eżektorowego była oszczędność energii elektrycznej na poziomie 314 484 kWh/rok [6]. Przegląd literatury donosi, że energochłonność mieszadeł eżektorowych nie przekracza 6 W/m³ komory.

Analiza tematu wskazuje, że mieszadło eżektorowe (pojedyncza głowica eżektorowa) może skutecznie mieszać zbiorniki głębokie o pojemności od 100 do 400 m³ oraz zbiorniki płytkie o pojemności od 5 do 100 m³. Na każdy 1 bar spadku ciśnienia na eżektorze wystąpi turbulencja na odległość do 5 m od głowicy eżektorowej [14].

Efektywność mieszania osadu czynnego w reaktorze SBR zależy od rodzaju zastosowanego mieszadła eżektorowego, kształtu zbiornika, jego lokalizacji w obrębie reaktora oraz od ilości tłoczonego osadu czynnego przez pompę recyrkulacyjną. Na efektywność mieszania osadu czynnego w reaktorze znaczny wpływ ma prędkość wylotowa strugi z hydroeżektora, która determinuje powstanie ruchu cyrkulacyjnego. Wydajność mieszadła eżektorowego może być w łatwy sposób regulowana poprzez zmianę prędkości silnika pompy za pomocą przetwornika częstotliwości. Na rys. 14 przedstawiono rozkład prędkości cieczy w zbiorniku w zależności od położenia głowicy eżektorowej.

5. Mieszadła eżektorowe w reaktorach SBR

Klasyczne mieszadła eżektorowe o wysokiej sile wyrzutu strumienia mogą być stosowane w reaktorach o dowolnych wymiarach, kształtach i głębokościach. Strumień opuszczający eżektor rozpręża się pod kątem około 20°, wobec czego na jego drodze nie powinny znajdować się przeszkody, które wytłumiałyby jego energię, a rozmieszczenie mieszadeł eżektorowych powinno uwzględniać najbardziej korzystny ruch cyrkulacyjny osadu czynnego w reaktorze SBR. Lokalizację klasycznych mieszadeł eżektorowych należy zintegrować z rozmieszczeniem dekantera i urządzeń napowietrzających. Podstawowe założenia lokalizacji klasycznego mieszadła eżektorowego w reaktorze SBR przedstawiono na rys. 15.

Pojedyncze hydroeżektory nie zajmują dużo miejsca, więc w łatwy sposób można je rozmieścić pomiędzy pozostałą armaturą reaktora porcjowego (fot. 5).

W przypadku stosowania mieszadeł eżektorowych magistralnych w celu uzyskania ruchu cyrkulacyjnego w reaktorze SBR konieczna jest nie tylko prawidłowa lokalizacja magistrali oraz smoka ssawnego dla pompy recyrkulacyjnej, lecz także ukierunkowanie głowic eżektorowych. Rozmieszczenie magistrali eżektorowej uzależnione jest od kształtu reaktora SBR, przy czym możliwe jest usytuowanie przewodu magistralnego w osi zbiornika (osiowo) (rys. 6), przy ścianie zbiornika (przyściennie) lub w sposób krzyżowy (krzyżowo) (fot. 6).

W celu optymalizacji mieszania w reaktorach magistrale mogą posiadać głowice eżektorowe umieszczone pod różnym kątem (rys. 16, fot. 7).

Po jednej stronie głowice eżektorowe rozmieszczone są pod katem 75-80°, natomiast po drugiej stronie pod kątem 5-10°. Taki układ głowic powoduje asymetryczny wypływ strumieni, a tym samym ich mieszanie się już w strefie przydennej. Dzięki tak umieszczonym głowicom z jednej strony eliminowana jest przydenna strefa martwa w reaktorze.

W sekwencyjnych reaktorach porcjowych możliwe jest także zastosowanie mieszadeł eżektorowych odśrodkowych. Wówczas w reaktorze może zostać umieszczony jeden (fot. 8) lub więcej korpusów eżektorowych (fot. 9), przy czym strumień wtórny może być zassany bezpośrednio przez korpus, lub poprzez otwory umieszczone w poszczególnych głowicach eżektorowych.

Pompa recyrkulacyjna umieszczona jest poza reaktorem i tłoczy osad czynny bezpośrednio do wszystkich korpusów eżektorowych. W głębokich zbiornikach można zastosować dwupoziomowe rozmieszczenie mieszadeł eżektorowych, co przedstawiono na rys. 17.

6. Podsumowanie

Mieszadła eżektorowe z powodzeniem mogą być wykorzystywane do mieszania osadu czynnego w sekwencyjnych reaktorach porcjowych. Nie mniej jednak, w świetle analizowanego materiału, wybór optymalnego mieszadła eżektorowego powinien być poprzedzony szczegółową analizą doboru urządzenia, z uwzględnieniem lokalizacji i warunków hydraulicznych panujących w zbiorniku. Systemy eżektorowe stosowane w reaktorach SBR umożliwiają wysoefektywne mieszanie całej objętości zbiornika w wyniku wytwarzania ruchu cyrkulacyjnego osadu czynnego. Efektywność mieszania za pomocą urządzeń eżektorowych zależy od kształtu zbiornika, rodzaju zastosowanego mieszadła eżektorowego i jego lokalizacji w obrębie reaktora oraz od ilości tłoczonego osadu czynnego przez pompę recyrkulacyjną. Na efektywność mieszania osadu czynnego w reaktorze znaczny wpływ ma prędkość wylotowa strugi z hydroeżektora, która determinuje powstanie ruchu cyrkulacyjnego. Wydajność systemu eżektorowego może być w łatwy sposób regulowana poprzez zmianę prędkości silnika pompy recyrkulacyjnej za pomocą przetwornika częstotliwości.

Stosowanie mieszadeł eżektorowych w reaktorach SBR posiada zarówno zalety, jak i wady. Do zalet należy zaliczyć: dużą efektywność mieszania przy małej energochłonności, brak elementów mechanicznych (w porównaniu do klasycznych mieszadeł mechanicznych), brak emisji bioaerozoli podczas pracy urządzenia, niski poziom hałasu, łatwy dostęp do konserwacji pompy umieszczonej poza reaktorem. Dodatkowo mieszadła eżektorowe mogą być instalowane jako urządzenie zastępcze w sytuacji awaryjnej, bądź podczas prac konserwacyjnych urządzeń zasadniczych (dotyczy urządzeń wolnostojących lub pływających). Mogą więc być instalowane bez konieczności opróżniania reaktora porcjowego. Mieszadła eżektorowe charakteryzują się łatwą zmianą ustawienia oraz szybkim montażem (dotyczy mieszadeł eżektorowych wolnostojących i pływających). Do wad mieszadeł eżektorowych należą: możliwość powstawania martwych stref z uwagi na kierunkowość strumienia, awaryjność pomp, konieczność doprowadzenia energii elektrycznej do wnętrza reaktora SBR (w przypadku aeratorów wolnostojących). Mając na uwadze zarówno zalety, jak i wady mieszadeł eżektorowych, ich wykorzystanie w reaktorach SBR jest atrakcyjne w aspekcie ekonomicznym i funkcjonalnym w odniesieniu do urządzeń konwencjonalnych.

7. Literatura

1. BETE Fog Nozzle, Inc. Stany Zjednoczone. Materiały informacyjne (www.bete.com).
2. BIOX Zakład Urządzeń Natleniających, Polska. Materiały informacyjne (www.biox.pl).
3. Dymaczewski Z., (2011). Poradnik eksploatatora oczyszczalni ścieków. Wyd. PZiTS, Poznań.
4. JLS International (Germany) Ltd. Materiały informacyjne (www.jls-europe.de).
5. Kamieński J., (2004). Mieszanie układów wielofazowych. WNT, Warszawa.
6. Körting Hannover AG, Niemcy. Materiały informacyjne (https://www.koerting.de).
7. Łomotowski J., Szpindor A., (2002). Nowoczesne systemy oczyszczania ścieków. Arkady, Warszawa.
8. Łukomet, Polska. Materiały informacyjne (www.lukomet.pl).
9. Masłoń A., (2019). Zastosowanie aeratorów strumienicowych w sekwencyjnych reaktorach porcjowych. Forum Eksploatatora 1(100), 40-47.
10. Masłoń A., Tomaszek J.A., (2017). Sekwencyjne reaktory porcjowe. Podstawy technologii, zasady projektowania i przykłady zastosowań. Wydawnictwo Seidel-Przywecki, Warszawa.
11. Miksch K., Sikora J., (2010). Biotechnologia ścieków. Wyd. PWN. Warszawa.
12. Mixing Systems Inc. Stany Zjednoczone. Materiały informacyjne (https://mixing.com).
13. Schutte & Koerting. Stany Zjednoczone. Materiały informacyjne (https://www.s-k.com).
14. Transvac Systems Ltd., Wielka Brytania. Materiały informacyjne (https://www.transvac.co.uk).
15. Xylem Water Solution. Materiały informacyjne (http://www.xylemwatersolutions.com).

dr inż. Adam Masłoń, Politechnika Rzeszowska,Zakład Inżynierii i Chemii Środowiska

Źródło: Forum Eksploatatora 2/2019

Polecamy publikacje uzupełniające artykuł