Produkty

Rozwiązania

Baza wiedzy

Dyfuzja tlenu w wodzieWiele technologii życia codziennego, a w szczególności biologiczne oczyszczanie ścieków wiąże się ściśle z procesem aeracji (napowietrzania). Jest to sztucznie wywołany proces wprowadzania tlenu do cieczy, którego efektywność zależy od szeregu czynników. Znajomość tychże czynników jest niezbędna w celu uzyskania jak największej wydajności tego procesu.

W poniższym artykule pokrótce omówię co i w jaki sposób wpływa na efektywność napowietrzania. Przedstawione poniżej rozważania mają głównie zastosowanie przy projektowaniu napowietrzania w oczyszczalniach ścieków, jednak w większości przypadków dotyczą także wody.

Efektywność i szybkość przenikania tlenu do cieczy zależy od:

1. Temperatury

Temperatura cieczy ma ogromny wpływ na proces napowietrzania. Oddziałuje ona w dużym stopniu na wartość stężenia tlenu. Wzrost temperatury powoduje spadek rozpuszczalności tlenu w cieczy i tym samym obniża prędkość przenikania tlenu do cieczy.

Upraszczając można powiedzieć, że podwyższenie temperatury cieczy powoduje zmniejszenie zdolności do natleniania urządzeń napowietrzających.

rozpuszczalność tlenu w cieczy

2. Wielkości pęcherzyków powietrza

Skuteczność natleniania zależy również od wielkości pęcherzyków powietrza. W przeszłości stosowano powszechnie napowietrzanie grubo- i średniopęcherzykowe. Obecnie do komór osadu czynnego stosuje się wyłącznie napowietrzanie drobnopęcherzykowe. Udowodniono, że im mniejsze pęcherzyki, tym bardziej rozwinięta powierzchnia kontaktu ze ściekami i lepsze wykorzystanie tlenu. Wielkość pęcherzyków powietrza zależy od wielkości otworów (tzw. perforacji) w dyfuzorze, natężenia przepływającego powietrza, od napięcia powierzchniowego oraz lepkości cieczy. Zaczęto więc powszechnie stosować tzw. drobnopęcherzykowe napowietrzanie ścieków, które sprawdziło się w praktyce jako najbardziej skuteczna metoda wprowadzania powietrza do ścieków i wody.

3. Związków powierzchniowo czynnych

Woda i ścieki bardzo często są zanieczyszczone różnymi substancjami organicznymi. Jednymi z nich są związki powierzchniowo czynne, które adsorbują się na ich powierzchni. Taki proces z jednej strony zmniejsza pęcherzyk, jednak z drugiej strony dyfuzja jest utrudniona. Detergenty w komorze osadu czynnego powodują zmianę warunków napowietrzania. Spada procentowa zdolność natleniania dyfuzorów, co powoduje wzrost zapotrzebowania powietrza. Rozwiązaniem technologicznym dla układów charakteryzujących się dużą nierównością ładunku detergentów jest tlenowy selektor biologiczny lub wymiarowanie systemu napowietrzania ze względu na dodatkowe zapotrzebowanie powietrza. Przebieg zmian zdolności natleniania w funkcji intensywności napowietrzania mieszaniny ścieków i osadu czynnego zmienia się istotnie, w zależności od stężenia związków powierzchniowo czynnych w reaktorze. Bardzo rzadko się zdarza, że obecność substancji poprawia efektywność natleniania.

4. Mieszania

Proces mieszania, naturalny lub wywołany sztucznie, bardzo korzystnie wpływa na napowietrzanie. Po pierwsze proces ten zmniejsza grubość błonki wodnej, co powoduje zwiększenie szybkości przenikania tlenu do cieczy. Po drugie zastosowanie intensywnych mieszadeł wywołuje ruch wody i ścieków, co wymusza dłuższą drogę pęcherzyka powietrza, daje lepsze efekty natleniania i zapobiega powstawaniu “martwych” miejsc.

wydłużenie drogi pęcherzyka

Rys. 1. Wydłużenie drogi pęcherzyka powietrza przez zastosowanie mieszadeł

5. Głębokości czynnej komory

Odwrotnie niż przy natlenianiu powierzchniowym, ekonomia natleniania wzrasta wraz ze wzrostem głębokości komory.Wszystko ma swoje “+” i “-”. Teoretycznie im większa głębokość komory tym efektywność natleniania jest wyższa (przedłuża się czas przebywania pęcherzyka w ściekach, a tym samym jest więcej czasu na przeniknięcie tlenu do ścieków).

 Jednakże z praktycznego punktu widzenia większa głębokość wymaga wyższego nadciśnienia powietrza wytwarzanego przez dmuchawę (każdy metr słupa wody to wymagane nadciśnienie 100 mbar), co staje się ekonomicznie niekorzystne.

wady i zalety płytkich komór napowietrzania

 Podsumowując można stwierdzić, że zdolność natleniania jest wyższa przy głębszej komorze. Głębsza komora wymusza jednak zakup droższej dmuchawy o wyższym sprężu. Dlatego też uznaje się, że optymalna głębokość komór napowietrzania to około 4,0 m.

6. Proces dyfuzji - Kinetyka procesu napowietrzania

Wielu naukowców tj.: Adeney, Becker, Whipple, Fair, Whitmann, Lewis, Baylios, Dobbins, Danckwerts Camp było zainteresowanych zjawiskiem przenikania gazów do cieczy. Wprowadzanie powietrza do wody jest zjawiskiem dyfuzji między fazą ciekłą a gazową, z reakcjami chemicznymi w obydwóch.

Tlen przenika do cieczy na skutek procesu dyfuzji, która w komorach napowietrzania zachodzi w obszarach cechujących się dość znaczną turbulencją. Dyfuzję można określić jako proces bezładnego ruchu elementów układu prowadzący do ustalenia się równowagi koncentracji, czyli przenoszenia cząsteczek z miejsc o większym stężeniu do miejsc o mniejszym stężeniu. Proces ten zależy: od gradientu stężenia dc/dx i wielkości powierzchni A (przez którą następuje dyfuzja), a także właściwości gazu i cieczy. Podstawowym równaniem opisującym transport masy jest równanie Ficka:

wzór Ficka

Proces dyfuzji gazu do cieczy opisuje dwuwarstewkowa teoria Whitmanna. Opisuje ona model fizyczny w której przy powierzchni międzyfazowej powstają dwie błonki o skończonej grubości: wodna po stronie cieczy i gazowa po stronie fazy gazowej. Błonki stawiają opór dyfundującemu tlenowi , a opór warstewki po stronie gazu jest mniejszy od oporu, który stawia warstewka po stronie cieczy. Zakładając, że grubość błonki wodnej wynosi L , prędkość przenikania tlenu można opisać równaniem:

prędkość przenikania tlenu

gdzie :

Dc/dt - szybkość dyfuzji tlenu [kg/s]

D - współczynnik dyfuzji [m2/s]

A - powierzchnia międzyfazowa [m2]

ci - stężenie tlenu na granicy faz [kg/m3]

cL - stężenie tlenu w cieczy [kg/m3]

L - grubość warstewki cieczy [m]

KL - współczynnik przenikania tlenu [m/s]

Po przekształceniach daje nam równanie na całkowity współczynnik natleniania wody KLa w warunkach T = 10°C i p = 760 mm Hg.

równanie na współczynnik natlenienia

Powyższe równanie można stosować tylko dla wody czystej. Jednak w czasie biologicznego oczyszczania ścieków wprowadzany tlen jest zużywany na procesy biochemiczne, dlatego powyższe równania należy przekształcić uwzględniając pobór tlenu i stężenie osadu czynnego.

7. Rozmieszczenia i zdolności natleniania dyfuzorów

Osiągnięcie wysokiej efektywności napowietrzania osiąga się również poprzez równe doprowadzenie powietrza do wszystkich dyfuzorów oraz równomierne rozłożenie ich na całym dnie komory. Konstrukcja rusztów musi być dostosowana do kształtów komory, dzięki czemu dyfuzory zostaną umieszczone tak, aby nie występowały "martwe miejsca".

Każdy wąż zasilający poszczególne segmenty rusztu, powinien być zakończony zaworem kulowym. To rozwiązanie daje możliwość regulowania przepływem powietrza tak, aby wszystkie dyfuzory pracowały z równomiernym wydatkiem, a dodatkowo pozwala na ?samooczyszczanie? membran dyfuzorów pokrytych błoną biologiczną (odcinając 50% segmentów na 10 minut, spowodujemy, że pozostałe dyfuzory będą pracowały z 200% wydatkiem i w ten sposób przeczyścimy system).

Przy montażu rusztów na dnie komory należy zwrócić uwagę na dokładne wypoziomowanie rusztów.

Równie istotną cechą przy projektowaniu systemu napowietrzania jest dobór odpowiedniego typu dyfuzora. Ma to ogromne znaczenie, ponieważ każdy dyfuzor ma inną zdolność natleniania. Wynika to z:

  • konstrukcji dyfuzora
  • zastosowanego materiału na membranę
  • powierzchni czynnej membrany
  • sposobu perforacji

Przykładowo gwarancja natlenienia dyfuzorów dyskowych wynosi od 15 - 18g O2/(m3 x głębokość w [m] )*, a dyfuzorów rurowych 16-20g O2/(m3 x głębokość w [m] )*.

Przy doborze tych urządzeń musimy również pamiętać, że mają one różne zakresy pracy (od 0 - 10 m3/h - dla dyfuzorów dyskowych i od 1 ?-12 m3/h - dla dyfuzorów rurowych)*. Odpowiednie obciążenie dyfuzora powietrzem ma wpływ na prawidłową hydraulikę i wymieszanie ścieków w komorze.

Podsumowanie

Omówione powyżej punkty dowodzą, że efektywności procesu napowietrzania nie da się określić jednym wzorem, odpowiednim dla wszystkich obiektów, gdyż zależy od wielu czynników. Przy projektowaniu i doborze systemu odpowiedniego dla danej oczyszczalni należy wziąć pod uwagę wszystkie z nich. Istotna jest również analiza specyfiki obiektu mi.in. wielkości oczyszczalni, zastosowanej technologii, rodzaju dopływających ścieków itd.

* Podane wartości - na przykładzie dyfuzorów firmy AKWATECH.

Bibliografia:

  1. Prof. dr hab. inż. Wojciech Zbigniew Adamski "Wpływ stężenia detergentów na zapotrzebowanie powietrza dla mineralizacji związków węgla w reaktorze z osadem czynnym"Politechnika Wrocławska
  2. Politechnika Poznańska - Instytut inżynierii środowiska "Wyznaczanie podstawowych parametrów procesu osadu czynnego". Ćwiczenia laboratoryjne z technologii oczyszczania ścieków
  3. Konferencje 4, "Urządzenia do natleniania wody i ścieków - konstrukcje, badania i produkcja" Wrocław 1974
  4. mgr inż. Michalina Górska, "Zastosowanie procesu napowietrzania w technologii wody i ścieków" Praca podyplomowa wykonana pod kierunkiem Pana dr inż. Tymoteusza Jaroszyńskiego, Politechnika Poznańska 2007
  5. mgr inż. Ewa Kowalska, “Przenoszenie tlenu w procesach napowietrzania” Politechnika Gdańska Wydział Chemiczny

Szybki kontakt

AKWATECH SYSTEMY Sp. z o.o. Sp.K.

ul. Serbska 4
61-696 Poznań
tel. +48 61 8202011
e-mail: Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie w przeglądarce obsługi JavaScript.

Galeria zdjęć

Newsletter

Subskrybuj

Przeczytanie naszego newslettera zajmie Ci zaledwie kilka minut, dzięki którym będziesz na bieżąco. Wybierz grupy tematyczne, które mogą Cię zainteresować:
I agree with the Zgadzam się na przetwarzanie danych osobowych (kliknij szczegóły).

Współpraca

     Sklep z gotowymi rozwiązaniami do napowietrzania stawów i oczek wodnych.