Napowietrzanie tlenem zanieczyszczonych zbiorników wodnych

NAPOWIETRZANIE TLENEM ZANIECZYSZCZONYCH ZBIORNIKOW WODNYCH


Mimo, że na ziemi mamy dużo wody, jej dystrybucja nie jest równomierna. Często ludzie toczą prawdziwe bitwy, aby pozyskać to bezcenne dobro. Problemy wody na świecie łączą się w dużej mierze z warunkami geograficznymi występującymi na danym terenie. Ludzie wydostają wodę z głębi ziemi, budują zbiorniki retencyjne, żeby zgromadzić odpowiednie zasoby, budują kanały, odwracają biegi rzek, aby doprowadzić wodę do miejsc, gdzie jej najbardziej brakuje. Oprócz walki o dostęp do wody, zauważa się również bitwy „przeciwko wodzie”. Od wieków ludzie z jednej strony walczą o dostęp do wody, a z drugiej – bronią się przed powodziami.

Nadmierny pobór wody w okresach niżówek przynosi środowisku niepowetowane szkody. Aby dostarczyć bieżącą wodę do ciągle rozrastających się miast, retencjonować pod potrzeby rolnictwa i rekreacji, należy wdrażać nowe technologie oczyszczania wód zanieczyszczonych w akwenach wodnych (ścieków).
Napowietrzanie wód zanieczyszczonych znajdujących się w zbiornikach otwartych (akwenach wodnych, oczyszczalniach ścieków) stanowi niezmiernie istotny proces. Siłą napędową pobory tlenu przez zanieczyszczoną wodę jest deficyt tlenowy tj. różnica pomiędzy zawartością tlenu w stanie nasycenia a obecną zawartością tlenu. Zawartość tlenu w stanie nasycenia zależy od temperatury, ciśnienia cząstkowego tlenu nad roztworem i od substancji rozpuszczalnych w wodzie. Polepszenie kinetyki napowietrzania może nastąpić przez wprowadzenie ulepszonych urządzeń napowietrzających bądź zwiększenie stężenia tlenu w stanie gazowym. Regularne rozpuszczanie tlenu zapobiega wytwarzaniu siarkowodoru. Napowietrzanie sprowadza się do czysto chemicznego procesu utleniania.
Istnieją 3 dominujące sposoby napowietrzania wód:
1. Podpowierzchniowe rozpraszanie pęcherzyków powietrza za pośrednictwem porowatego materiału filtracyjnego z użyciem dmuchaw napowietrzających
2. napowietrzanie strumieniowe za pomocą pomp strumieniowych oraz zwężek typu Venturiego
3. aeratory powierzchniowe, używające obracających się łopatek lub szczotek na linii stylu wody i powietrza
Dziś liczne instalacje biologiczne z powodzeniem używają tlenu dodatkowego (zbiornikiem z ciekłym tlenem) z generatorami opartymi na adsorpcji zmiennociśnieniowej (PSA – pressure swing adsorption) zmienno próżniowej (VSA – vacuum swing adsorption) oraz kriogenicznych instalacji do separacji składników powietrza (ASU – air separation units).
Jednym z najlepszych sposobów napowietrzania atmosferycznego zachowując minimalne koszty, które może być wykorzystywane w zarówno w mniejszych oczyszczalniach komunalnych jak i przemysłowych jest urządzenie nowej technologii adsorpcji zmiennopróżniowej, opartej na pojedynczym złożu filtracyjnym z oszczędnymi urządzeniami mieszającymi (jednoczesne mieszanie wody i rozpuszczanie tlenu).


Adsorpcja zmiennopróżniowa (VSA)

Podstawowym składnikiem technologii VSA są stałe cząstki granulatu glinki o nazwie zeolit, nazywane również sitem cząsteczkowym. Różne typy granulatu charakteryzują się istotną cechą: pochłaniają jeden lub kilka wybranych gazów.
W przypadku technologii VSA stosowana postać zeolitu pochłania (adsorbuje) wyłącznie azot z powietrza dostarczanego do instalacji napowietrzającej (im wyższe ciśnienie tym więcej azotu ulega absorpcji).
W odróżnieniu od konwencjonalnych systemów opartych na technologii VSA wyposażonych w dwa, a niekiedy nawet trzy złoża zeolitowe, system S3 VSA firmy Air Products (rys.1) ma jedno złoże filtracyjne, pojedynczą dmuchawę oraz jeden zawór automatyczny.
Dmuchawa napowietrzająca (1) wdmuchuje strumień powietrza do instalacji poprzez moduł filtra/tłumika (2) oraz zawór czterodrogowy (3). Po przejściu przez promiennik chłodzący (niewidoczny na rysunku) powietrze zostaje przekierowane przez zawór zbiornika ze złożem (4). Powietrze wpływające do złoża w zbiorniku nieznacznie podnosi jego ciśnienie. Azot ulega adsorpcji, pozostawiając powietrze bogate w tlen., które następnie trafia do zbiornika buforowego (5). Po upływie zaprogramowanego czasu, zawór czterodrogowy (3) zaczyna się otwierać tak, że dotychczasowa dmuchawa (1) działa teraz jak pompa próżniowa, odsysając gaz ze złoża. W następstwie odessania w zbiorniku ze złożem powstaje próżnia, która powoduje, że większość azotu ulega adsorpcji z sita cząsteczkowego. W momencie osiągnięcia wystarczającej próżni zawór kontaktowy CV1 (6) otwiera się umożliwiając wpłynięcie strumieniowi tlenu ze zbiornika buforowego (5) z powrotem do złoża, w celu wypłukania pozostałości azotu. Następnie złoże ulega regeneracji, a cały cykl powtarza się od początku.

Adsorpcja zmiennociśnieniowa PSA

Najpopularniejsze obecnie systemem jest adsorpcja zmiennociśnieniowa PSA (rys.2). Zasady działania tej technologii nie różnią się zasadniczo od wyżek opisanej. ]
Złoże zeolitowe również podlega wahaniom ciśnienia, tj. pomiędzy wartościami wysokimi (zwykle około 8 bar) a ciśnieniem atmosferycznym. W większości przypadków w technologii PSA stosuje się dwa złoża zeolitowe.
Działanie systemu rozpoczyna się w momencie zwiększenia ciśnienia jednego ze złóż w wyniku przepuszczenia przez nie strumienia powietrza pod ciśnieniem (azot ulega pochłonięciu, zaś czysty tlen zostaje wpompowany do zbiornika buforowego). W chwili nasycenia pierwszego złoża, strumień sprężonego powietrza zostaje skierowany na drugi pokład zeolitu. W międzyczasie pierwsze złoże zostaje odpowietrzone do atmosfery, w następstwie czego obniża się ciśnienie, a co za tym idzie – wystąpi desorpcja i uwolnienie bogatego w azot gazu wtórnego. Technologia PSA wymaga ciągłego dostarczania strumienia czystego sprężonego powietrza., a w skutek tego występuje wysoki pobór energii. To wysokie zapotrzebowanie na energię wynika z faktu, że tlen zostaje odzyskany z powietrza wlotowego i zamieniony na strumień gazu napowietrzającego.
W przypadku gdy ciśnienie powietrza dopływającego wynosi 8 bar przed jego zużyciem, strata energii będzie dużo większa niż w przypadku powietrza o ciśnieniu 0,5 bar. Stąd dużo niższe zużycie energii w przypadku systemów VSA w porównaniu z PSA.
Jeżeli istnieje konieczność zastosowania tlenu napowietrzającego o wyższym ciśnieniu, można z powodzeniem skorzystać z niewielkich sprężarek, które doskonale nadają się do obsługi z systemami typu VSA, wyposażonych w kilka złóż zeolitowych jedynie w przypadku, gdy zapotrzebowanie na tlen przekracza 20 ton dziennie.


Tlen i aeratory

Mieszalniki i aeratory dostępne na rynku zostały zaprojektowane z przeznaczeniem do korzystania z powietrza atmosferycznego. Można tych urządzeń z powodzeniem używać, dostarczając do nich tlen z miejscowego generatora typu VSA. Konstrukcja takich urządzeń jest zwykle oparta na pompach odśrodkowych lub mieszalnikach śmigłowych.
Przy korzystaniu z tlenu ilość gazu, która trafia do zbiornika ściekowego zmniejsza się około 30-krotnie. Znaczącym parametrem związanym z napowietrzaniem jest stopień rozproszenia wpompowanego gazu, niezależnie od tego czy pojawia się on w postaci pęcherzyków powietrza czy strumienia o wysokiej zawartości tlenu. Firma Air Products stosuje zmodyfikowaną wersję mieszalnika śmigłowego. (rys.3).
Urządzenie to działa na zasadzie pola niskiego ciśnienia, zlokalizowanego za śmigłem (1), w wyniku przepływu wody ponad zamkniętą czaszą. Dysza gazowa (3) połączona ze źródłem tlenu za pomocą elastycznego przewodu rurowego (2) umieszczona jest w polu niskiego ciśnienia. Mieszalnik napowietrzający powoduje powstanie strugi wodnej poruszającej się z dużą prędkością, która wypycha tlen (zarówno rozpuszczony jak i będący w trakcie rozpuszczenia) do zbiornika wodnego.

Ilość przesyłanego tlenu

Maksymalna osiągalna wydajność dla instalacji o 85-proc. Efektywności przesyłania tlenu mierzona na podstawie ilości rozpuszczonego tlenu w zbiorniku z osadem aktywnym zawiera się w przedziale 0,8-1,1 kg/kWh. Na bazie tego wyniku można powiedzieć, że dolną granicę wydajności osiągają konwencjonalne technologie napowietrzania, oparte na napowietrzaniu drobnopęcherzykowym.
W odniesieniu do systemów opartych na powietrzu używa się współczynnika pomiaru standardowych ilości przesyłanego tlenu (SOTR – standard oxygen transfer rate) tzn. współczynnika podającego wydajność przesyłową tlenu w czystej wodzie w temperaturze 200C poczynając od zera.
Standardowe równanie służące do otrzymania poprawnych wartości w odniesieniu do wód zanieczyszczonych. (rys.4)

Względy ekonomiczne i bezpieczeństwa

Systemy typu VSA cechuje znaczne bezpieczeństwo w porównaniu z generatorami ciekłego tlenu czy innymi systemami produkcji tlenu na miejscu. Systemy oparte na tlenie ciekłym wymagają przestrzegania szczególnych przepisów bezpieczeństwa. Dodatkowo zbiorniki te muszą zostać umieszczone na betonowym fundamencie z zachowaniem swobodnego dostępu do tlenu z cysterny dostawcy. Tlen ciekły choć sam w sobie niepalny, znacznie wspomaga jednak zapłon innych materiałów.
Względy bezpieczeństwa dotyczące generatorów typu VSA znacznie różnią się od opisanych wcześniej. Urządzenie to oddziela tlen z powietrza w miarę potrzebom a przechowywana ilość tlenu gazowego pozostaje względnie niewielka. Ze względu na wymóg obniżenia poziomu hałasu dmuchawy należy umieścić w specjalnie izolowanej obudowie. Generatory typy VSA nie wymagają tak ostrożnego wyboru lokalizacji jak inne urządzenia.
Zastosowanie generatorów typu S3 VSA umożliwia uzyskania zadowalających wyników w dziedzinie oczyszczania ścieków oraz napowietrzania fazy wodnej przy jednoczesnym obniżeniu kosztów eksploatacyjnych. Najlepsze modele generatorów VSA wyposażone w kilka złóż zeolitowych są zdolne wyprodukować 3,5 kg tlenu/kWh. W strumieniu gazu zwykle o czystości 90 %. Natomiast wydajność mikrogeneratorów VSA zwykle wynosi od 1,1 do 1,8 kg tlenu.kWh (od 263 do 4500 kg tlenu dziennie).

MARCIN SZYPA