ASD – nowa jakość w komorach napowietrzania
Poniżej przedstawiona została nowa generacja urządzeń służących do napowietrzania i transportu ścieków w komorach biologicznych. Urządzenie to zostało nazwane przez twórców ASD (aerator strumieniowy denny). ASD był chroniony wzorem przemysłowym w Urzędzie Patentowym RP pod numerem 16162. Poza wyżej wymienionym zastosowaniem w różnych odmianach konstrukcyjnych mogą służyć jako jeden z głównych elementów systemów rekultywacji wód powierzchniowych (link).
Możliwe do skonstruowania i stosowania rodzaje ASD pokazane są tutaj: System napowietrzania ASD (link) (wraz z animacją i filmami), natomiast do omówienia zasad konstrukcji i działania oraz zastosowania załączamy rysunki schematyczne z niezbędnym opisem.
Wymiarem charakterystycznym dla każdego ASD jest średnica rury wznośnej “d” (Rys. 1). To tym wymiarem określamy wielkość aeratora. Dla oczyszczalni ścieków używamy najczęściej ASD 200 i ASD 300. Oznacza to, że średnica d ma wymiar 200, bądź 300 mm. Pozostałe wymiary (oprócz wysokości H) pozostają z tamtym w ścisłej zależności i proporcji. Wysokość H z dokładnością do 5 cm musi równać się średniej głębokości ścieków w komorze napowietrzania (wymiar projektowany indywidualnie).
W dotychczasowej praktyce w oczyszczalniach ścieków zastosowaliśmy ASD na głębokościach od:
Hmin = 1,30 m – zmodernizowany rów cyrkulacyjny w oczyszczalni ścieków komunalnych w Czerwinie, do:
Hmax = 5,80 m – Oczyszczalnia ścieków komunalnych w Brzozowie.
Oraz inne głębokości pośrednie.
Nietrudno się domyślić, że wszystkie inne wymiary z grupy H zmieniają się wraz ze zmiana głębokości zbiornika, z tym, że ściśle zachowane są proporcje:
H : H1 oraz H : H3. Niewielkim zmianom ulega też wymiar B.
Można więc stwierdzić, że ASD zbudowany jest według pewnej ściśle określonej zasady, ale w zależności od głębokości zbiornika podlega projektowaniu indywidualnemu.
Zasady konstrukcji, dzięki którym osiągnięto prezentowany efekt pozostają tajemnicą firmy. Przedstawione natomiast zostaną sposób i te zasady działania, które mają wpływ na sprawność urządzenia.
Sprawność transferu tlenu z powietrza do ścieków (wody)
O sprawności tego transferu decydują czynniki, na które w danej sytuacji:
a) nie mamy wpływu, czyli:
– rodzaj cieczy (ścieków)
– temperatura cieczy
– lepkość
– głębokość zbiornika w sensie ciśnienia hydrostatycznego
b) mamy wpływ, czyli:
– wielkość powierzchni międzyfazowej (suma powierzchni pęcherzyków powietrza)
– turbulencję (odnawianie powierzchni międzyfazowych)
– drogę i czas kontaktu pomimo danej głębokości
Z powyższego wynika, że ogólną wydajność systemu napowietrzania możemy zwiększyć operując w obszarach zdefiniowanych punktem (b). Jak jest to realizowane w systemie ASD i drobnopęcherzykowym pokazujemy w poniżej tabeli:
Tabela 1
| Czynniki | Realizacja z ASD | Realizacja z dyfuzorami drobnopęcherzykowymi |
| wielkość powierzchni międzyfazowej (suma powierzchni pęcherzyków powietrza) | rozdrobnienie strugi powietrza uzyskiwane jest przy swobodnym wypływie z przewodu i wykorzystaniu siły wyporu, która powoduje rozdrobnienie powietrza na specjalnej konstrukcji dyszy usytuowanej powyżej. Jest to metoda bardzo energooszczędna | rozdrobnienie strugi powietrza przez przetłaczanie jej przez porowate struktury szklane, ceramiczne lub elastyczne membrany. Jest to metoda wysoce energochłonna |
| turbulencja (odnawianie powierzchni międzyfazowych) | duża turbulencja jest uzyskiwana automatycznie podczas pracy aeratorów. Nie jest potrzebny dodatkowy wydatek energetyczny, nie występuje miksowanie kłaczków osadu | do uzyskania turbulencji konieczne jest zastosowanie dodatkowych mieszadeł bocznych. Niezbędny dodatkowy wydatek energetyczny |
| droga i czas kontaktu dla konkretnej głębokości | stosując ASD uzyskujemy DWA RAZY dłuższą drogę kontaktu w stosunku do głębokości! Nie jest potrzebny dodatkowy wydatek energetyczny, nie występuje miksowanie kłaczków osadu | Drogę, a co za tym idzie, czas kontaktu przy pracujących dyfuzorach drobnopęcherzykowych można zwiększyć jedynie dodając poziomą składową ruchu bąbelków powietrza stosując mieszadła boczne. Niezbędny dodatkowy wydatek energetyczny |
| dodatkowe korzyści zastosowania ASD | pneumatyczny transport ścieków (wywołanie cyrkulacji wewnętrznej), | cyrkulacja wewnętrzna możliwa za pomocą pomp lub mieszadeł pompujących. Niezbędny dodatkowy wydatek energetyczny |
| dodatkowe korzyści zastosowania ASD | brak stref martwych przy dnie reaktora (odsysanie medium z dna), | Strefy martwe poniżej poziomu dyfuzorów Bez możliwości likwidacji. |
| dodatkowe korzyści zastosowania ASD | całkowite mieszanie komory reaktora (automatyczna cyrkulacja pionowa i pozioma), | Mieszanie komory jest możliwe tylko przy zastosowaniu dodatkowych mieszadeł. Niezbędny dodatkowy wydatek energetyczny |
Poniżej przedstawiono konkretne wartości liczbowe, wyliczenia demonstracyjne różnych zastosowań ASD oraz szkice i wyliczenia porównawcze z systemem drobnopęcherzykowym.
UWAGA! Nie porównujemy tutaj ASD do napowietrzania powierzchniowego, gdyż takowe jest o klasę mniej efektywne energetycznie od dowolnego napowietrzania wgłębnego.
W czasie praktyki stosowania tych urządzeń, dokonywaliśmy pomiarów we własnym zakresie mając do dyspozycji na miejscu, laboratoria – jak choćby w mleczarni, czy masarni, gdzie mogliśmy określić stopień wykorzystania tlenu z powietrza, ale również sprawność w postaci ilości kg usuniętego BZT5 w przeliczeniu na 1 kWh wykorzystanej energii.
Na podstawie kilkuletnich obserwacji stwierdzamy, że stopień wykorzystania tlenu z powietrza, do procesów biologicznych (a nie czystej wody) wynosi nie mniej niż:
Tabela 2
| Głębokość reaktora | Sprawność ASD |
| [m] | [%] |
| 3 | 12 |
| 4 | 20 |
| 5 | 25 |
| 6 | 30 |
W 1 Nm3 powietrza jest ok. 0,28 kg tlenu. Wobec tego, uwzględniając wartości z Tabeli 2, z każdego wtłoczonego do ścieków jednego metra sześciennego powietrza uzyskamy odpowiednio:
Tabela 3
| Głębokość reaktora | ilość uzyskanego tlenu rozpuszczonego |
| [m] | [g O2] |
| 3 | 33,6 |
| 4 | 56,0 |
| 5 | 70,0 |
| 6 | 84,0 |
Ażeby to powietrze podać, należy użyć dmuchawy o określonym sprężu i mocy silnika.
W odróżnieniu od jakiegokolwiek systemu drobnopęcherzykowego, sama konstrukcja dyszy w ASD NIE STWARZA ŻADNEGO OPORU TOWARZYSZĄCEGO WYDOSTAWANIU SIĘ I ROZDRABNIANIU POWIETRZA W CIECZY!
DLA ASD, DMUCHAWY DOBIERAMY NA SPRĘŻ RÓWNY GŁEBOKOŚCI HYDROSTATYCZNEJ.
Spręż ten i opory przepływu muszą być pokonane WYŁĄCZNIE w momencie startu systemu. Można zauważyć, że dmuchawa pracuje pod ciśnieniem panującym w rurze pionowej ASD o średnicy d (Rys. 1). W czasie pracy ASD, rura ta wypełniona jest mieszaniną powietrza i ścieków (gęstość < 1). W związku z tym ciśnienie panujące w ASD na głębokości dyszy powietrza jest mniejsze, niż poza aeratorem (gęstość = 1). Jest ono na tyle mniejsze od ciśnienia hydrostatycznego, że nawet po uwzględnieniu oporów przepływu powietrza w rurociągu, manometry na dmuchawach pokazują ciśnienie mniejsze, niż ciśnienie hydrostatyczne słupa wody.
Jest to, w stosunku do klasycznego napowietrzania drobnopęcherzykowego, około 2 m słupa wody różnicy, na ciśnieniu, jakie musi wytworzyć dmuchawa, na niekorzyść dyfuzorów drobnopęcherzykowych.
Taka różnica ma bezpośrednie przełożenie na moc wykorzystywaną do osiągnięcia takiego samego efektu napowietrzania.
Żeby przedstawić jak to wygląda w aspekcie energetycznym posłużymy się przykładem.
PRZYKŁAD:
Głębokość czynna reaktora: 5,0 m.
Dla łatwiejszego porównania, w poniższym przykładzie założymy, że stopień wykorzystania tlenu w dyfuzorach drobnopęcherzykowych jest taki sam, jak w ASD.
Zapotrzebowanie na powietrze: około 7,5 m3/min.
Bierzemy dmuchawy z katalogu SPOMAX, albowiem są tam bardzo dokładnie rozpisane ich parametry.
Dobór dmuchawy dla ASD:
Dmuchawa DR 113T-5.5
Qp = 7,66 m3/min.
P zainst. = 11 kW,
P pobierana = 8,5 kW
Dobór dmuchawy dla dyfuzorów drobnopęcherzykowych:
Dmuchawa DR 113T-7.5
Qp = 7,30 m3/min.
P zainst. = 15 kW,
P pobierana = 11,6 kW
Sprawność wyrażona w kg O2/1 kWh wyniesie dla tych dwóch przypadków:
ASD:
7,66 x 0,28 x 0,25 = 0,5362 kg O2/min = 32,172 kg O2/h
32,172 kg O2/h / 8,5 kWh = 3,785 kg O2/1 kWh
Dyfuzory drobnopęcherzykowe:
7,30 x 0,28 x 0,25 = 0,511 kg O2/min = 30,66 kg O2/h
30,66 kg O2/h / 11,6 kWh = 2,643 kg O2/1 kWhSprawność ASD: 3,785 kg O2/kWh
Sprawność dyfuzorów: 2,643 kg O2/kWh
Stosunek sprawności ASD / dyfuzory: 1,43
Ze względu na to, że rzeczywiste wykorzystanie tlenu w ASD jest (dużo) większe, niż przyjęte tutaj do obliczeń, w praktyce, stosunek ten jest również większy i nawet przekracza dwa. Co to oznacza? Otóż oznacza to, że przy zastosowaniu systemu napowietrzania ASD zużycie energii elektrycznej na samo napowietrzanie będzie około dwukrotnie niższe, niż przy tradycyjnym napowietrzaniu drobnopęcherzykowym. Jak to jest możliwe? Wynika to z czynników zestawionych w tabeli nr 1.
Poniżej przedstawiamy różnicę drogi kontaktu w dwóch porównywanych systemach, jak również strefę martwą pojedynczego dyfuzora w odróżnieniu od strefy odsysania osadów z dna podczas pracy ASD:
Ażeby wyliczyć OC (zdolność napowietrzania) każdego oddzielnego urządzenia, czy też zespołu urządzeń, gdzie jako OC rozumiemy ilość kg O2/1 kWh, wystarczy proste wyliczenie wynikające z poniższej informacji:
Niezależnie od głębokości, 1 ASD możemy obciążyć pneumatycznie w granicach:
Tabela 4
| Wielkość aeratora | obciążenie minimalne* [m3/h powietrza] | obciążenie maksymalne [m3/h powietrza] |
| ASD 200 | 20 | 50 |
| ASD 300 | 45 | 120 |
* – Obciążenie minimalne przyjmuje się ze względu na właściwe ssanie, mieszanie i turbulencję.
W związku z tym, uwzględniając zamieszczone powyżej wskaźniki procentowego wykorzystania tlenu dla danej głębokości i dobierając z katalogu dmuchawy o najkorzystniejszym stosunku mocy do wydajności przy tej samej głębokości, możemy zoptymalizować dobór ASD dla danych warunków, tj. uwzględniając głębokość i wymiary komory w planie. Konkretne wartości “wydajności tlenowych” ASD 200 i ASD 300, dla różnych obciążeń pneumatycznych, zestawiono w tabeli 5 i 6.
Poniżej podajemy sposób wyliczenia i wydatki hydrauliczne ASD. W obliczeniach przyjmujemy, że minimalna prędkość przepływu w aeratorze ASD wynosi 2 m/s. Wydajność pompująca ASD wynosi: Q = V x S – Qp
gdzie:
Q [ m3/s] – wydajność pompująca ASD
V [m/s] – prędkość przepływu w ASD (2 m/s)
S [ m2] – pole przekroju (ASD200: 0,0314 m2 ; ASD300: 0,0707 m2)
Qp [m3/s] – obciążenie powietrzem
Przy średnim obciążeniu jednego ASD, Q wynosi:
ASD 200: Q200 = 191 m3/h
ASD 300: Q300 = 427 m3/h
Jeśli uzmysłowimy sobie, że w komorze napowietrzania pracuje od kilku, do kilkudziesięciu ASD i skorelujemy to z objętością tej komory, to dla dowolnego przypadku wyjdzie, że cała objętość komory jest przepompowywana przez ASD przeważnie w kilkanaście minut. To również obrazuje dynamikę pracy układu w kontekście niedopuszczania do zalegania osadu oraz pozwala ustalić krotność cyrkulacji dla układów konstruowanych do zintegrowanego usuwania węgla, azotu i fosforu.
Należy ponadto pamiętać (jak zresztą wspomniano wcześniej), że ASD nie tylko napowietrzają i mieszają ścieki w objętości komory, ale są również wydajnymi pompami (typu “mamut”). Wiadomo również, że przemiany azotowe wymagają powtarzalności procesu (recyrkulacji). Recyrkulacja ta, dla różnych warunków, waha się od 300 do nawet 600 procent. W układach tradycyjnych (bez ASD) należy więc nawet sześciokrotnie przepompowywać całą dopływającą objętość ścieków na początek procesu. Oznacza to bardzo duży wydatek energetyczny. Natomiast wykorzystując aeratory ASD “przerzutowe” do napędzania cyrkulacji wewnętrznej uzyskujemy tę recyrkulację bezenergetycznie (bez konieczności wydatkowania dodatkowej energii na pompy lub mieszadła pompujące) i to w wielkości wprost proporcjonalnej do dopływającego ładunku (czyli tylko tyle, ile jest konieczne do prawidłowego procesu).
Zasadę działania reaktora, który niezależnie od swojej wielkości (nawet w małych oczyszczalniach) osiąga dużą sprawność usuwania azotu opisaliśmy tutaj: Charakterystyka reaktora biologicznego (link).
Z tym, że błędem jest próba wyliczania składowej poziomej prędkości przepływu w komorze, wywołanej przez ASD przerzutowe (cyrkulacyjne), jako odpowiedzialnej za niedopuszczenie do sedymentacji osadu (jak w rowach cyrkulacyjnych). Byłoby to jednoznaczne ze sprawdzeniem, czy taką prędkość wywoła praca pomp recyrkulacyjnych w innych układach. Fakt, że ASD nie dopuszcza do niekorzystnej sedymentacji i zalegania osadów w komorze wynika głównie z działania odsysającego i lokalnej, pionowej składowej prędkości ścieków (patrz powyższe szkice).
Poniżej przedstawiamy komorę napowietrzania o przykładowej kubaturze i głębokości w celu pokazania jak wygląda mieszanie komory tylko przy użyciu systemu napowietrzania ASD (bez dodatkowych mieszadeł).
Vkomory = 6 x 9 x 5 = 270 m3
Obliczenie czasu pełnego wymieszania (tj. przepompowania całej objętości zbiornika przez ASD) dla powyższej komory wyposażonej w ASD 200:
Ilość ASD – 6 szt.
Wydatek 1 ASD przy średnim obciążeniu – 191 m3/h
Wydatek łączny ASD – 6 x 191 = 1’146 m3/h
Czas pełnego wymieszania:Tw = 270 : 1’146 = 0,2356 godziny ≈ 14 minut.
Krotność mieszania:n = 60 : 14 ≈ 4 /godzinę
Wynika z tego, że co 14 minut (czyli ponad 4 razy na godzinę) przez aeratory przepływa CAŁA objętość komory, która jest zasysana z dna i w ruchu bardzo turbulentnym wyrzucana jest przy powierzchni (niewielka część) lub w środku zbiornika (dużo większa część) i wraz z chmurą bąbelków powietrza idzie do góry.
Poniżej tabele doboru ASD 200 i ASD 300.
Tabela 5
Tabela 6
