Αερισμός υπό κενό για Επεξεργασία Λυμάτων

Ο αερισμός είναι ο μοναδικός μεγαλύτερος καταναλωτής ενέργειας στις περισσότερες εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων. Αντιπροσωπεύει το 50 έως 70 τοις εκατό του συνολικού λογαριασμού ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτό από μόνο του εξηγεί γιατί οι μηχανικοί συνεχίζουν να αναζητούν καλύτερους τρόπους διάλυσης οξυγόνου στο νερό – και γιατί οι προσεγγίσεις που βασίζονται στο κενό επανεξετάζονται μετά από χρόνια που επισκιάζονταν από τον αερισμό με διάχυση αέρα και τον αερισμό επιφανείας.

Αυτό το άρθρο δεν αφορά τις γνωστές μεθόδους. Αφορά τον αερισμό υπό κενό – πώς λειτουργεί, πού ταιριάζει και τι προσφέρει πραγματικά σε πραγματικές εγκαταστάσεις.

Το πρόβλημα με τον συμβατικό αερισμό

Τα συστήματα διάχυσης αέρα ωθούν πεπιεσμένο αέρα μέσω μεμβρανών ή διάτρητων σωλήνων στο κάτω μέρος μιας δεξαμενής. Οι φυσαλίδες ανεβαίνουν, το οξυγόνο μεταφέρεται στο νερό και το υπόλοιπο διαφεύγει στην ατμόσφαιρα. Η διαδικασία λειτουργεί, αλλά είναι εγγενώς αναποτελεσματική. Η τυπική απόδοση μεταφοράς οξυγόνου κυμαίνεται από 15 έως 35 τοις εκατό για συστήματα λεπτών φυσαλίδων. Το υπόλοιπο της ενέργειας που χρησιμοποιείται για τη συμπίεση αυτού του αέρα σπαταλάται.

Οι αεριστήρες επιφανείας αναδεύουν το νερό για να προωθήσουν την ανταλλαγή αερίων. Είναι απλοί και αξιόπιστοι, αλλά είναι ακόμη λιγότερο αποδοτικοί σε βαθιές δεξαμενές και δημιουργούν αερολύματα που μπορούν να μεταφέρουν παθογόνους μικροοργανισμούς.

Και οι δύο μέθοδοι μοιράζονται έναν θεμελιώδη περιορισμό: βασίζονται σε θετική πίεση για να ωθήσουν τον αέρα στο νερό. Αυτό σημαίνει συμπιεστές, φυσητήρες και κινητήρες υψηλής ισχύος που λειτουργούν συνεχώς. Όταν οι τιμές της ενέργειας αυξάνονται – ή όταν μια εγκατάσταση χρειάζεται να επεκταθεί χωρίς να προσθέσει νέους φυσητήρες – τα οικονομικά αρχίζουν να πονάνε.

Τι κάνει διαφορετικό τον αερισμό υπό κενό

Ο αερισμός υπό κενό αντιστρέφει την αρχή. Αντί να ωθεί τον αέρα στο νερό υπό πίεση, τραβάει νερό σε ένα περιβάλλον χαμηλής πίεσης όπου η μεταφορά οξυγόνου γίνεται πιο αποτελεσματικά.

Υπάρχουν δύο κοινές διαμορφώσεις. Στην πρώτη, το νερό αντλείται σε ένα δοχείο κενού όπου απομακρύνονται διαλυμένα αέρια – συμπεριλαμβανομένου του διοξειδίου του άνθρακα και του αζώτου. Στη συνέχεια, το νερό περνά μέσα από μια ζώνη εμπλουτισμένη με οξυγόνο όπου το φρέσκο οξυγόνο διαλύεται εύκολα επειδή το νερό βρίσκεται υπό κενό και έχει μεγαλύτερη συγγένεια για απορρόφηση αερίων. Στη δεύτερη διαμόρφωση, χρησιμοποιείται κενό για να τραβηχτεί αέρας ή καθαρό οξυγόνο μέσω ενός διαχυτή λεπτών φυσαλίδων ή ενός ελεγκτή μεμβράνης σε χαμηλή απόλυτη πίεση, μειώνοντας την ενέργεια που απαιτείται για την επίτευξη του ίδιου επιπέδου διαλυμένου οξυγόνου.

Η βασική ιδέα είναι ότι το κενό μειώνει τη μερική πίεση των ανεπιθύμητων αερίων, καθιστώντας ευκολότερο για το οξυγόνο να πάρει τη θέση τους. Αυτή είναι η ίδια αρχή πίσω από την απαέρωση υπό κενό, αλλά εφαρμόζεται αντίστροφα – αφαιρώντας αυτό που δεν θέλετε για να προσθέσετε αυτό που θέλετε.

Πού ταιριάζει ο αερισμός υπό κενό

Ο αερισμός υπό κενό δεν είναι μια καθολική αντικατάσταση για τον αερισμό με διάχυση αέρα. Έχει το μεγαλύτερο νόημα σε συγκεκριμένες καταστάσεις.

Βιομηχανικά λύματα υψηλής περιεκτικότηταςείναι μία από αυτές. Όταν το οργανικό φορτίο είναι υψηλό, η ζήτηση οξυγόνου είναι υψηλή και ο συμβατικός αερισμός δυσκολεύεται να ανταποκριθεί. Τα συστήματα κενού μπορούν να παραδώσουν περισσότερο οξυγόνο ανά κιλοβατώρα επειδή δεν χάνουν ενέργεια για τη συμπίεση αέρα που δεν διαλύεται ποτέ.

Οι εγκαταστάσεις με περιορισμένο χώροεπίσης επωφελούνται. Ο εξοπλισμός αερισμού υπό κενό είναι συχνά πιο συμπαγής από τα συμβατικά συστήματα φυσητήρων, καθιστώντας ευκολότερη την ανακατασκευή σε υπάρχουσες δεξαμενές ή σε στενούς χώρους.

Τα συστήματα που στοχεύουν σε καθαρό οξυγόνοθεωρούν τον αερισμό υπό κενό ιδιαίτερα ελκυστικό. Όταν το οξυγόνο παρέχεται από μια γεννήτρια επί τόπου ή παραδίδεται ως υγρό οξυγόνο, ένα σύστημα κενού μπορεί να το διαλύσει με λιγότερες απώλειες από έναν συμβατικό διαχυτή.

Οι εγκαταστάσεις με υψηλό κόστος ενέργειαςβλέπουν την ταχύτερη απόσβεση. Οι εξοικονομήσεις ενέργειας από τον αερισμό υπό κενό μπορούν να είναι 20 έως 40 τοις εκατό σε σύγκριση με τον αερισμό με διάχυση λεπτών φυσαλίδων, ανάλογα με την εφαρμογή.

Οι δημοτικές εγκαταστάσεις που αντιμετωπίζουν αυστηρότερα όρια θρεπτικών ουσιώναξιολογούν επίσης τον αερισμό υπό κενό επειδή μπορεί να συνδυαστεί με απαέρωση υπό κενό για την απομάκρυνση του διοξειδίου του άνθρακα και τη βελτίωση του ελέγχου του pH – και τα δύο βοηθούν στη βιολογική απομάκρυνση θρεπτικών ουσιών.

Πώς λειτουργεί ο αερισμός υπό κενό στην πράξη

Ένα τυπικό σύστημα αερισμού υπό κενό έχει τρεις κύριες ενότητες: το δοχείο κενού, το σύστημα παροχής οξυγόνου και τους ελέγχους.

Το νερό εισέρχεται στο δοχείο κενού μέσω μιας βαλβίδας ελέγχου. Εσωτερικά, η πίεση πέφτει σε 0,2 έως 0,5 bar απόλυτης πίεσης. Τα διαλυμένα αέρια – CO₂, N₂ και τυχόν υπολειμματική μεθάνιο ή υδρόθειο – βγαίνουν από τη λύση και εξαερίζονται. Το νερό, τώρα απαλλαγμένο από αυτά τα αέρια, μετακινείται σε μια θαλάμη επαφής οξυγόνου όπου εισάγεται οξυγόνο υπό κενό. Επειδή το νερό είναι ήδη εξαντλημένο από αέρια, απορροφά οξυγόνο γρήγορα και αποτελεσματικά.

Το κενό διατηρείται από μια αντλία επιλεγμένη για το συγκεκριμένο φορτίο αερίων και τις συνθήκες υδρατμών. Οι αντλίες υγρής δακτυλίου είναι κοινές επειδή ανέχονται την υγρασία και τη μεταφορά υλικού. Οι αντλίες ξηρού κοχλία χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο όπου η ενεργειακή απόδοση και η λειτουργία χωρίς λάδι είναι προτεραιότητες.

Οι έλεγχοι παρακολουθούν το διαλυμένο οξυγόνο, το επίπεδο κενού και τη ροή του νερού. Το σύστημα προσαρμόζεται αυτόματα για να ταιριάζει με τη βιολογική ζήτηση, η οποία ποικίλλει καθ' όλη τη διάρκεια της ημέρας και σε όλη τη διαδικασία επεξεργασίας.

Πραγματικά πλεονεκτήματα, πραγματικοί περιορισμοί

Ο αερισμός υπό κενό δεν είναι χωρίς συμβιβασμούς.

Πλεονεκτήματα:

• Υψηλότερη απόδοση μεταφοράς οξυγόνου, ειδικά σε βάθος

• Χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας σε σύγκριση με τους συμβατικούς φυσητήρες

• Συμπαγής χώρος

• Μειωμένη παραγωγή αερολυμάτων σε σύγκριση με τον αερισμό επιφανείας

• Συμβατό με καθαρό οξυγόνο και εμπλουτισμένα ρεύματα αερίων

• Μπορεί να συνδυαστεί με απαέρωση για έλεγχο pH και διάβρωσης

Περιορισμοί:

• Υψηλότερο κεφαλαιουχικό κόστος από τον συμβατικό αερισμό με διάχυση αέρα

• Απαιτεί πιο εξελιγμένους ελέγχους

• Δεν είναι κατάλληλο για κάθε γεωμετρία δεξαμενής

• Τα δοχεία κενού και οι σωληνώσεις χρειάζονται προσεκτικό σχεδιασμό για να αποφευχθεί η μεταφορά νερού

• Το προσωπικό συντήρησης χρειάζεται εκπαίδευση σε συστήματα κενού

Θέματα συντήρησης

Τα συστήματα αερισμού υπό κενό έχουν διαφορετικές ανάγκες συντήρησης από τους συμβατικούς φυσητήρες.

Η αντλία κενού είναι το κρίσιμο εξάρτημα. Οι αντλίες υγρής δακτυλίου απαιτούν διαχείριση νερού σφράγισης – η ποιότητα του νερού, η θερμοκρασία και η ροή επηρεάζουν όλες την απόδοση. Οι αντλίες ξηρού κοχλία χρειάζονται φιλτράρισμα εισόδου και περιοδική συντήρηση ρουλεμάν, αλλά όχι αλλαγές λαδιού.

Το ίδιο το δοχείο κενού απαιτεί χαμηλή συντήρηση, αλλά εσωτερικά εξαρτήματα όπως ακροφύσια ψεκασμού ή συσκευασία μπορεί να φράξουν με τον καιρό. Συνιστάται επιθεώρηση κατά τη διάρκεια προγραμματισμένων διακοπών λειτουργίας.

Οι αισθητήρες διαλυμένου οξυγόνου και οι αισθητήρες κενού χρειάζονται βαθμονόμηση. Η ρύπανση των αισθητήρων DO είναι μια κοινή αιτία κακού ελέγχου και σπατάλης ενέργειας.

Ο εντοπισμός διαρροών είναι σημαντικός. Η διαρροή αέρα σε ένα σύστημα κενού αυξάνει την απόλυτη πίεση και μειώνει την απόδοση. Μια τακτική έρευνα διαρροών θα πρέπει να αποτελεί μέρος του προγράμματος συντήρησης.

Σύνοψη

Ο αερισμός υπό κενό δεν είναι μια περιθωριακή ιδέα. Είναι μια αποδεδειγμένη προσέγγιση για τη μεταφορά οξυγόνου που προσφέρει μετρήσιμη εξοικονόμηση ενέργειας και οφέλη διεργασιών στις σωστές εφαρμογές. Δεν είναι μια άμεση αντικατάσταση για κάθε σύστημα αερισμού με διάχυση αέρα, αλλά για λύματα υψηλής περιεκτικότητας, εγκαταστάσεις με περιορισμένο χώρο και εγκαταστάσεις με υψηλό κόστος ενέργειας, αξίζει σοβαρής αξιολόγησης.

Η τεχνολογία είναι ώριμη. Οι αντλίες είναι αξιόπιστες. Οι έλεγχοι είναι καλά κατανοητοί. Αυτό που έχει αλλάξει είναι τα οικονομικά – και αυτό είναι που κάνει τον αερισμό υπό κενό να αξίζει μια πιο προσεκτική ματιά σήμερα.

Τεχνικές Συχνές Ερωτήσεις

Ε: Πώς διαφέρει ο αερισμός υπό κενό από την απαέρωση υπό κενό;Α: Η απαέρωση υπό κενό απομακρύνει διαλυμένα αέρια από το νερό. Ο αερισμός υπό κενό απομακρύνει ανεπιθύμητα αέρια και στη συνέχεια προσθέτει οξυγόνο υπό κενό για να βελτιώσει τη βιολογική επεξεργασία. Είναι συμπληρωματικές διεργασίες και μπορούν να συνδυαστούν σε ένα ενιαίο σύστημα.

Ε: Τι απόδοση μεταφοράς οξυγόνου μπορεί να επιτύχει ο αερισμός υπό κενό;Α: Ανάλογα με τον σχεδιασμό και το βάθος του νερού, ο αερισμός υπό κενό μπορεί να επιτύχει απόδοση μεταφοράς οξυγόνου 40 έως 60 τοις εκατό, σε σύγκριση με 15 έως 35 τοις εκατό για τους συμβατικούς διαχυτές λεπτών φυσαλίδων.

Ε: Τι επίπεδο κενού χρησιμοποιείται στον αερισμό;Α: Τα τυπικά επίπεδα κενού κυμαίνονται από 0,2 έως 0,5 bar απόλυτης πίεσης. Το ακριβές επίπεδο εξαρτάται από την πηγή οξυγόνου, τη θερμοκρασία του νερού και τους στόχους επεξεργασίας.

Ε: Μπορεί ο αερισμός υπό κενό να χρησιμοποιήσει καθαρό οξυγόνο;Α: Ναι. Ο αερισμός υπό κενό είναι ιδιαίτερα κατάλληλος για καθαρό οξυγόνο επειδή το περιβάλλον κενού επιτρέπει στο οξυγόνο να διαλυθεί αποτελεσματικά χωρίς τις απώλειες που σχετίζονται με τους συμβατικούς διαχυτές.

Ε: Τι συντήρηση απαιτεί ένα σύστημα αερισμού υπό κενό;Α: Συντήρηση αντλίας κενού (νερό σφράγισης για υγρό δακτύλιο, φιλτράρισμα εισόδου για ξηρούς κοχλίες), βαθμονόμηση αισθητήρων DO, έρευνες διαρροών κενού και περιοδική επιθεώρηση εσωτερικών εξαρτημάτων δοχείου.

Ε: Είναι ο αερισμός υπό κενό κατάλληλος για δημοτικές εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων;Α: Ναι, ειδικά όπου η απομάκρυνση θρεπτικών ουσιών, η ενεργειακή απόδοση ή οι περιορισμοί χώρου είναι προτεραιότητες. Μπορεί να ανακατασκευαστεί σε υπάρχουσες δεξαμενές με προσεκτικό σχεδιασμό.