System napowietrzania

Aeratory ASD w całości wykonane są ze stali kwasoodpornej, nierdzewnej lub PVC. Ich konstrukcja nie posiada Ĺźadnych części ruchomych ani mogących się zuĹźywać w jakikolwiek inny sposób, co gwarantuje ich bezawaryjną pracę.

Wymiarem charakterystycznym dla kaĹźdego ASD jest średnica rury wznośnej "d" (Rys. 1). To tym wymiarem określamy wielkość aeratora. Dla oczyszczalni ścieków uĹźywamy najczęściej ASD 200 i ASD 300. Oznacza to, Ĺźe średnica d ma wymiar 200, bądĹş 300 mm. Pozostałe wymiary (oprócz wysokości H) pozostają z tamtym w ścisłej zaleĹźności 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:
H_min  = 2,90 m - rowy cyrkulacyjne - mleczarnia OSM Końskie, do:
H_max = 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 teĹź wymiar B.

Rys.1 Budowa ASD

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.

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 powyĹźszego wynika, Ĺźe ogólną wydajność systemu napowietrzania moĹźemy zwiększyć operując w obszarach zdefiniowanych punktem (b). Jak jest to realizowane w systemie ASD i drobnopęcherzykowym pokazujemy w poniĹźszej tabeli (Tabela 1):

Tabela 1

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 równieĹź sprawność w postaci ilości kg usuniętego BZT₅ w przeliczeniu na 1 kWh wykorzystanej energii.
Na podstawie kilkuletnich obserwacji stwierdzamy, Ĺźe stopień wykorzystania tlenu z powietrza, do procesów biologicznych (a nie czystej wody) wynosi nie mniej niĹź:

Tabela 2

W 1 Nm³ powietrza jest ok. 0,28 kg tlenu. Wobec tego, uwzględniając wartości z Tabeli 2, z kaĹźdego wtłoczonego do ścieków jednego metra sześciennego powietrza uzyskamy odpowiednio:

Tabela 3

Aby zasilić ASD powietrzem, naleĹźy uĹźyć dmuchawy o określonym sprężu i mocy silnika. W odróĹźnieniu od jakiegokolwiek systemu drobnopęcherzykowego, sama konstrukcja dyszy w ASD NIE STWARZA ĹťADNEGO OPORU TOWARZYSZĄCEGO WYDOSTAWANIU SIĘ I ROZDRABNIANIU POWIETRZA W CIECZY!

DLA ASD, DMUCHAWY DOBIERAMY NA SPRĘŝ 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).

Rys.1 Budowa ASD

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, niĹź poza aeratorem (gęstość = 1). Jest ono na tyle mniejsze od ciśnienia hydrostatycznego, Ĺźe nawet po uwzględnieniu oporów przepływu powietrza w rurociągu, manometry na dmuchawach pokazują ciśnienie mniejsze, niĹź ciśnienie hydrostatyczne słupa wody. Jest to, w stosunku do klasycznego napowietrzania drobnopęcherzykowego, około 2 m słupa wody róĹźnicy, na ciśnieniu, jakie musi wytworzyć dmuchawa, na niekorzyść dyfuzorów drobnopęcherzykowych. Taka róĹźnica ma bezpośrednie przełoĹźenie na moc wykorzystywaną do osiągnięcia takiego samego efektu napowietrzania. Ĺťeby przedstawić jak to wygląda w aspekcie energetycznym posłuĹźymy się przykładem.

PRZYKŁAD:
Głębokość czynna reaktora: 5,0 m. Dla łatwiejszego porównania, w poniĹźszym przykładzie załoĹźymy, Ĺźe 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.
      Pzainst. = 11 kW,
      Ppobierana = 8,5 kW

Dobór dmuchawy dla dyfuzorów drobnopęcherzykowych:
      Dmuchawa DR 113T-7.5
      Qp = 7,30 m³/min.
      Pzainst. = 15 kW,
      Ppobierana = 11,6 kW

Sprawność wyraĹźona 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 kWh

Sprawność ASD: 3,785 kg O₂/kWh
Sprawność dyfuzorów: 2,643 kg O₂/kWh
Stosunek sprawności ASD / dyfuzory: 1,43

Ze względu na to, Ĺźe rzeczywiste wykorzystanie tlenu w ASD jest (duĹźo) większe, niĹź przyjęte tutaj do obliczeń, w praktyce, stosunek ten jest równieĹź większy i nawet przekracza dwa. Co to oznacza? OtóĹź oznacza to, Ĺźe przy zastosowaniu systemu napowietrzania ASD zuĹźycie energii elektrycznej na samo napowietrzanie będzie około dwukrotnie niĹźsze, niĹź przy tradycyjnym napowietrzaniu drobnopęcherzykowym. Jak to jest moĹźliwe? Wynika to z czynników zestawionych w tabeli nr 4.

Tabela 4

PoniĹźej przedstawiamy róĹźnicę drogi kontaktu w dwóch porównywanych systemach, jak równieĹź strefę martwą pojedynczego dyfuzora w odróĹźnieniu od strefy odsysania osadów z dna podczas pracy ASD.

Rys. 2

AĹźeby wyliczyć OC (zdolność napowietrzania) kaĹźdego oddzielnego urządzenia, czy teĹź zespołu urządzeń, gdzie jako OC rozumiemy ilość kg O₂/1 kWh, wystarczy proste wyliczenie wynikające z poniĹźszej informacji.

Niezależnie od głębokości, 1 ASD możemy obciążyć pneumatycznie w granicach:

Tabela 5

* - 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, moĹźemy zoptymalizować dobór ASD dla danych warunków, tj. uwzględniając głębokość i wymiary komory w planie. Konkretne wartości "wydajności tlenowych" ASD 200 i ASD 300, dla róĹźnych obciążeń pneumatycznych, zestawiono w tabeli 6 i 7.
PoniĹźej podajemy sposób wyliczenia i wydatki hydrauliczne ASD. W obliczeniach przyjmujemy, Ĺźe minimalna prędkość przepływu w aeratorze ASD wynosi 2 m/s. Wydajność pompująca ASD wynosi:

Q = V x S - Qp

      gdzie:         
      Q   - wydajność pompująca ASD  [m³/s] 
      V   - prędkość przepływu w ASD (2 m/s) [m/s]
      S   - pole przekroju (ASD200: 0,0314 m2 ; ASD300: 0,0707 m²) [m²]
      Qp - obciążenie powietrzem [m³/s]

Przy średnim obciążeniu jednego ASD, Q wynosi:
ASD 200: Q200 = 191 m³/h
ASD 300: Q300 = 427 m³/h

Jeśli uzmysłowimy sobie, Ĺźe w komorze napowietrzania pracuje od kilku, do kilkudziesięciu ASD i skorelujemy to z objętością tej komory, to dla dowolnego przypadku wyjdzie, Ĺźe cała objętość komory jest przepompowywana przez ASD przewaĹźnie w kilkanaście minut. To równieĹź 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.

NaleĹźy ponadto pamiętać (jak zresztą wspomniano wcześniej), Ĺźe ASD nie tylko napowietrzają i mieszają ścieki w objętości komory, ale są równieĹź wydajnymi pompami (typu "mamut"). Wiadomo równieĹź, Ĺźe przemiany azotowe wymagają powtarzalności procesu (recyrkulacji). Recyrkulacja ta, dla róĹźnych warunków, waha się od 300 do nawet 600 procent.
W układach tradycyjnych (bez ASD) naleĹźy więc nawet sześciokrotnie przepompowywać całą dopływającą objętość ścieków na początek procesu. Oznacza to bardzo duĹźy 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 niezaleĹźnie od swojej wielkości (nawet w małych oczyszczalniach) osiąga dużą sprawność usuwania azotu opisaliśmy na naszej stronie internetowej.

Z tym, Ĺźe 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, Ĺźe ASD nie dopuszcza do niekorzystnej sedymentacji i zalegania osadów w komorze wynika głównie z działania odsysającego i lokalnej, pionowej składowej prędkości ścieków (patrz poniĹźsze 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).

V_komory = 6 x 3 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, Ĺźe 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 (duĹźo większa część) i wraz z chmurą bąbelków powietrza idzie do góry.
    
PoniĹźej tabele doboru ASD 200 i ASD 300.

Tabela 6

Tabela 7

W celu uzyskania najlepszej efektywności, sugerujemy uzgodnić projekt z autorami technologii.