AERACE A MÍCHÁNÍ AKTIVAČNÍCH NÁDRŽÍ Základní úkoly aeračního zařízení: dodávka kyslíku a míchání Spotřeba kyslíku - množství kyslíku, které se skutečně spotřebuje, a které vyplývá ze stechiometrie.
AERACE A MÍCHÁNÍ AKTIVAČNÍCH NÁDRŽÍ Ing. Iveta Růžičková, Ph.D.
Tyto studijní materiály umístěné na interních webových stránkách VŠCHT Praha jsou určeny k osobní potřebě studentů předmětu N217006 Základy čištění odpadních vod. Jejich kopírování, šíření, distribuce a zveřejňování na veřejně dostupných serverech bez souhlasu autora/ů je porušením autorského zákona č. 121/2000 Sb.
Rovnice spotřeby kyslíku r = Y´· ΔBV + kr · Xorg
[kg.m-3.h-1]
r – objemová rychlost spotřeby kyslíku v nádrži [M.L-3.T-1] Y´- koeficient udávající minimální hmotnost kyslíku potřebnou na oxidaci 1 kg odstraněných organických látek [M.M-1] ΔBV - výkonnost aktivační nádrže [M.L-3.T-1] kr – rychlostní koeficient endogenní respirace sušiny kalu [M.M-1.T-1] Xorg – koncentrace organické sušiny kalu [M.L-3] Y´obs = Y´+ kr/ΔBX Y´obs = r / ΔBV je pozorovaná spotřeba kyslíku na 1 kg odstraněných organických látek
Potřeba kyslíku - celkové množství kyslíku (nebo vzduchu), které musíme dodat s přihlédnutím k procentu jeho využití (ne všechen dodaný kyslík je využit). Procesy probíhající v oxické nádrži: oxidace organického znečištění (CHSK, BSK) syntéza buněčného materiálu autooxidace buněčného materiálu (rozklad) nitrifikace akumulace fosforu
Přestup kyslíku do vody – bez současné spotřeby Kinetika absorpce kyslíku jako plynu ve vodě rozpustného může být popsána rovnicí:
dc/dt = KL · A/V · (cs-c) KL - koeficient prostupu hmoty fázovým rozhraním (m/h) A - plocha fázového rozhraní (m2) V - objem kapalné fáze (m3) cs – saturační koncentrace, rozpustnost kyslíku za daných podmínek (g/m3), pro kyslík při 20 °C a 0,1 MPa je cS = 9,01 mg/l c - aktuální koncentrace kyslíku (g/m3) t - čas
Y´ = 0,5 kg.kg-1 (O2, BSK5) kr = 0,1 kg.kg-1.d-1 (O2, X)
Výraz A/V představuje plochu fázového rozhraní připadající na jednotku objemu. Určení plochy fázového rozhraní je prakticky nemožné. Plocha závisí na velikosti a počtu vzduchových bublin, což je obojí prakticky neměřitelné (např. velikost bublin, a tedy i jejich plocha se v aerační nádrži mění s výškou vodního sloupce). Za výraz A/V se dosazuje veličina a, což je mezifázový povrch připadající na jednotku objemu a spojujeme ji s konstantou KL v jediný koeficient.
dc/dt = KLa · (cs-c)
Přestup kyslíku do vody – za současné spotřeby (v důsledku právě probíhající chemické nebo biochemické reakce)
dc/dt = (KLa)´ · (cs´- c) – r r – objemová rychlost spotřeby kyslíku v nádrži [M.L-3.T-1] V rovnovážném stavu: dc/dt = 0, c = c+ rovnovážná koncentrace
r = (KLa)´· (cs´- c+)
KLa - celkový objemový koeficient přestupu kyslíku (h-1), nelze teoreticky vypočítat, stanovení experimentálně.
1
Oxygenační kapacita aeračního zařízení (OC) uzanční veličina, která byla zavedena proto, aby bylo možno vyjádřit okysličovací schopnost aeračního zařízení a aby bylo možno porovnávat různé typy aeračních zařízení. = hmotnostní množství kyslíku, které je zařízení schopno dodat za jednotku času do objemové jednotky dané nádrže při jeho nulové koncentraci v nádrži.
(OC) = KLa · cs
g/(m3.h) nebo kg/(m3.d)
Oxygenační kapacita stanovená za provozních podmínek je pak dána vztahem:
Objemová intenzita aerace (IV) = množství vzduchu přepočtené na standardní podmínky (0 °C, 0,1 MPa), které se přivádí na 1 m3 nádrže za 1 h
IV= OC´/ 3 E
[m3.m-3.h-1]
E = množství využitého kyslíku ze vzduchu v % OC´v g.m-3.h-1
IV= 13,9 (OC´/ E) OC´v kg.m-3.d-1
Vzorce vycházejí ze skutečnosti, že 1 m3 vzduchu má za standardních podmínek hmotnost 1,293 kg a obsahuje 23 hmotnostních % kyslíku.
(OC)´= (KLa)´· cs´
Výtěžek (E+) porovnání ekonomického hlediska aerátorů
E+
= OC / W
[kg.kWh-1]
W = specifická spotřeba elektrické energie v kWh.m-3.d-1
AERACE AKTIVAČNÍCH NÁDRŽÍ Způsoby aerace: pneumatická – stlačeným vzduchem mechanická – mechanickými aerátory hydropneumatická - „speciální“, ejektory nebo injektory
Běžně 1 – 2 kg.kWh-1.
PNEUMATICKÁ AERACE Princip – rozvod tlakového vzduchu (v extrémních případech i kyslíku) do aktivační směsi trubním systémem zakončeným aeračními elementy. - zdroj tlakového vzduchu - přívodní potrubí - rozvodné potrubí aeračních elementů
Rozdělení pneumatické aerace Hrubobublinná > 10 mm dodávka vzduchu: většinou ventilátory aerační elementy: děrované trubky dnes minimální použití
- aerační elementy
2
Jemnobublinná 1 – 4 mm
Středobublinná 4 – 10 mm dodávka vzduchu: čerpadla, turbodmychadla aerační elementy: aerační rošt s otvory vespod hloubka nádrží 2,5 – 4 m materiál: nerez, plast
1) Aerátory s keramickými nebo plastovými porézními deskami Konstrukční uspořádání: princip „frity“ Nevýhody: ucpávání – částicemi prachu, vyžaduje dokonalou filtraci vzduchu (papírové filtry, olejové filtry), nutnost nekorozivního materiálu zarůstání – na povrchu se vytváří mikrobiální biofilm nebo se tvoří inkrusty; do vzduchu je třeba přidávat kyselinu mravenčí
2) Aerátory s pružnými membránami Materiál: pryž + polyethylen + polypropylen Konstrukční uspořádání: hadice (trubkové), diskové elementy různých tvarů, velkoplošné elementy (deskové) Dodávka vzduchu: dmychadla, pro větší hloubky pístový kompresor Nevýhoda: možnost prasknutí membrány, nutnost kontroly všech elementů po cca 5 letech
Faktory, které nejvíce ovlivňují oxygenační kapacitu při pneumatické aeraci: • velikost vzduchových bublin • výška vodního sloupce • zatížení aeračního elementu • intenzita aerace Příklady řešení aerace v aktivační nádrži
• obsah organických látek ve vodě (PAL) α = (KLa)´/ (KLa) - 0,5 – 0,9, typ aerátoru, geometrie reaktoru, složení směsi β = cs´/ cS - splaškové OV 0,9 – 0,95, vliv minerálních látek Všechny tyto faktory ovlivňují rovněž využití kyslíku ze vzduchu, které se u nyní používaných aeračních elementů a při výškách vodního sloupce 4 – 6 m pohybuje: • u středobublinné aerace v rozmezí 1 – 3 % • u jemnobublinné do 20 – 25 %
3
Kombinace jemnobublinné aerace a míchání
MECHANICKÁ AERACE Princip – mechanické rozstřikování aktivační směsi odstředivou silou nebo intenzivní povrchové promíchávání (přestup vzduchu do aktivační směsi hladinou) • aerátory s vodorovnou hřídelí (Kessenerovy kartáče)
• aerátory se svislou hřídelí (aerační turbíny)
Aerátory se svislou hřídelí (aerační turbíny)
Nevýhody mechanické aerace: - poruchovost převodovek - tvorba aerosolů - nižší hloubka aktivačních nádrží » větší záběr plochy - silné prochlazování aktivační směsi - mechanické namáhání a rozbíjení vloček aktivovaného kalu
Faktory, které nejvíce ovlivňují oxygenační kapacitu mechanických aerátorů: • hloubka ponoru • počet otáček
MÍCHÁNÍ AKTIVAČNÍCH NÁDRŽÍ
• především anoxických a anaerobních nádrží Možnosti • ponořené čerpadlo – provizorní řešení • míchadlo zavěšené na hřídeli • ponořené vrtulové míchadlo s vodorovnou hřídelí • ponořené míchadlo se svislou hřídelí
• obsah organických látek ve vodě (PAL)
HYDROPNEUMATICKÁ AERACE např. přisávání vzduchu do místa proudění kapaliny s podtlakem Ejektor - energetická náročnost - náhrada výše uvedených systémů po dobu jejich nefunkčnosti
4
Hyperboloidická míchadla
5
