Biologiczne oczyszczanie ścieków. Sztuka napowietrzania

zobacz artykuł w formie pdf   zobacz pdfa  zobacz pdfa  zobacz pdfa

W artykule o osadnikach wstępnych („MI” 8/2013 – przyp. red.) zakończyliśmy omawianie podstawowych urządzeń i procesów mechanicznego oczyszczania ścieków. Po usunięciu ze ścieków zanieczyszczeń stałych i zawiesin – czas na oczyszczanie biologiczne. O jego wynikach decyduje napowietrzanie.

Biologiczne oczyszczanie ścieków opiera się na naturalnych procesach samooczyszczania, które zachodzą w każdym zbiorniku wodnym oraz w glebie, głównie dzięki aktywności wszechobecnych drobnoustrojów. Jednak ładunki zanieczyszczeń w ściekach dopływających do oczyszczalni są tak duże, że trzeba użyć metod specjalnych, żeby wesprzeć te zwykłe procesy oczyszczania.
Do najważniejszych działań należy odpowiednie zagęszczenie bakterii rozkładających zanieczyszczenia (tzw. osad czynny) oraz mieszanie i napowietrzanie ścieków.
Wszystkie te procesy odbywają się w odpowiednio skonstruowanych i wyposażonych zbiornikach, zwanych reaktorami biologicznymi.

Obliczenia i rzeczywistość
Wielkość, rodzaj i wyposażenie reaktorów ustalane są na podstawie dość skomplikowanych obliczeń technologicznych. Właściwe określenie zapotrzebowania na powietrze do procesów zachodzących w reaktorach biologicznych jest jednym z najbardziej istotnych zagadnień projektowych. Prawidłowy dobór wydajności urządzeń napowietrzających wpływa na eksploatację i utrzymanie zakładanych parametrów na odpływie z oczyszczalni.
Stosowanie kroków obliczeniowych opisanych w dostępnych wytycznych, np. [1, 2, 3], musi być podparte szczegółową i wielowariantową analizą technologiczną, bazującą na rzetelnych danych wejściowych [5]. Zostawiając obliczeniowe rozwiązanie tego zadania technologom, skupmy się na aspektach technicznych realizacji tego elementu.
Powszechnie wiadomo, że zużycie energii na napowietrzanie ścieków wynosi zazwyczaj od 50 do 80% całej energii zużywanej przez oczyszczalnię. Widać tu wyraźnie, jak ważnym elementem jest prawidłowy dobór systemu napowietrzania i optymalizacja pracy jego elementów, tj. dmuchaw, rurociągów prowadzących sprężone powietrze, armatury zaporowo-regulacyjnej i dyfuzorów. Szczególnym zadaniem jest również sposób sterowania całym procesem napowietrzania. Tylko wtedy, gdy wszystkie powyższe elementy są zoptymalizowane, można osiągnąć wysoką efektywność i ekonomiczność natleniania.

Sposoby na bąbelki
Podręcznikowo rozróżniane są trzy zasadnicze sposoby napowietrzania ścieków: powierzchniowe i sprężonym powietrzem z mechanicznym mieszaniem lub bez mieszania. Napowietrzanie powierzchniowe, np. szczotkami Kessenera lub aeratorami wirnikowymi, było bardzo powszechne do lat 80. włącznie [1]. Obecnie takie rozwiązania można spotkać przy modernizacji oczyszczalni, które posiadają płytkie zbiorniki (głębokość poniżej 3,5 m) albo rowy cyrkulacyjne.
Aktualnie, dzięki powszechnej dostępności wydajnych i bezawaryjnych dmuchaw, dominują systemy napowietrzania sprężonym powietrzem. Sprężone w dmuchawach powietrze przesyłane jest rurociągami do dyfuzorów, czyli do elementów wprowadzających powietrze do ścieków, umieszczonych zazwyczaj nad dnem reaktora biologicznego.
W tym momencie wielkość zaczyna grać rolę – od średnicy pęcherzyka powietrza zależy, ile tlenu dostanie się do ścieków, przez które pęcherzyk przemieszcza się ku ich powierzchni. Im mniejszy jest pęcherzyk powietrza wydostający się z dyfuzora, tym wolniej będzie się wynurzać, tym dłużej zostanie w ściekach, czyli będzie miał więcej czasu na oddanie tlenu, więc odda go ściekom więcej.
Dlatego w komunalnych oczyszczalniach ścieków standardem jest obecnie stosowanie dyfuzorów drobnopęcherzykowych (pęcherzyki < 3 mm). W szczególnych przypadkach stosowane są również dyfuzory średnio- i grubopęcherzykowe, np. przy tlenowej stabilizacji osadów, w piaskownikach, przy konieczności napowietrzania przepompowni, itp. Rurą czy talerzem?
Ograniczając się do produkcji bąbelków w reaktorach biologicznych, mamy do wyboru wiele wersji konstrukcyjnych i materiałowych dyfuzorów. Odpowiedni wybór jest decyzją ważką, gdyż zapchane lub zniszczone dyfuzory nie tak łatwo wymienić. Zazwyczaj dyfuzory zamocowane są na dnie zbiorników wypełnionych ściekami. W razie awarii konieczne jest całkowite opróżnienie reaktora, a po jej usunięciu napełnienie i biologiczne wpracowanie (rozruch technologiczny). Alternatywą jest zatrudnienie nurka, który pracuje w ciężkich warunkach zerowej widoczności, lub zatroszczenie się na etapie projektowym o możliwość wyjmowania poszczególnych części systemu ponad zwierciadło ścieków.
Najczęściej stosowanym obecnie typem dyfuzora drobnopęcherzykowego jest dyfuzor rurowy. Jest to nic innego jak specjalna rurka, obciągnięta membraną, z odpowiednio naciętymi otworkami lub szczelinami. Pojedyncze dyfuzory mogą występować w różnych długościach (0,5 do 1 m) i są mocowane za pomocą uszczelnianych łączników do profili stalowych lub tworzywowych, tzw. rusztów. Materiał membrany dobierany jest w zależności od składu ścieków, które mają być napowietrzane. Najpopularniejsze obecnie membrany z EPDM (etylo-propylenowe-dienowe-monomery) to rodzaj odpornej mechanicznie i chemicznie gumy.

Odporność mechaniczna konieczna jest ze względu na zmienne warunki napowietrzania i/lub jego cykliczność. W trakcie dopływu powietrza membrana się rozciąga, a otwory w niej zamykają się lub otwierają odpowiednio do ilości przepływającego powietrza. Przy odcięciu dopływu powietrza otwory membrany zamykają się, co nie pozwala na dostanie się ścieków do ich wnętrza i do rusztu.
Jest bardzo dużo mieszanek EPDM, które w zależności od składu wykazują się różnymi właściwościami. Starsze generacje EPDM zawierały w mieszance sporo ulatniających się plastyfikatorów, co prowadziło do przyspieszonego starzenia się, a nawet pękania wykonanych z nich membran. Membrany dla ścieków innych niż komunalne mogą być wykonane np. z silikonu (duża odporność chemiczna) lub poliuretanu (bardzo wytrzymały, ale zwiększony opór), pokryte warstwą teflonu (gładka powierzchnia zapobiega obrastaniu).
Tam, gdzie technologia zaleca napowietrzanie ciągłe i nie występuje ryzyko zaistnienia przerwy w dostawie sprężonego powietrza, warto rozważyć zastosowanie dyfuzorów ceramicznych. Składają się one z porowatego materiału będącego mieszaniną naturalnie okrągłych ziaren kwarcu i żywicy syntetycznej. Jakkolwiek przy przerwach w napowietrzaniu wzrasta zagrożenie zatkaniem, to przy właściwej eksploatacji charakteryzują się one przedłużoną żywotnością w stosunku do membranowych krewniaków, oraz niższymi stratami ciśnienia. To wpływa na niższe zużycie energii do napowietrzania ścieków i obniża koszty eksploatacyjne oczyszczalni.
Inną formą napowietrzaczy są dyfuzory talerzowe (dyskowe). Są one nakręcane bezpośrednio na końcówki gwintowane rozmieszczone na ruszcie stalowym, przez które powietrze doprowadzane jest centrycznie między szkielet dyfuzora z tworzywa sztucznego a przeponę, tworząc poduszkę powietrzną. Rozciągnięcie przepony powoduje otwarcie otworków rozmieszczonych równomiernie na całej jej powierzchni i powietrze w kształcie drobnych pęcherzyków wydostaje się do ścieków. Po ustaniu dopływu powietrza przepona wraca do swego pierwotnego położenia, a otworki zamykają się. Podobnie jak w wyżej opisanych dyfuzorach rurowych i tu membrany talerzy występują w wielu wersjach materiałowych oraz jako ceramiczne. Ze względu na swoją konstrukcję i sposób montażu w przypadku zastosowania talerzy napowietrzane są wyłącznie ścieki nad nimi. Oznacza to w praktyce wyeliminowanie 20-30 cm głębokości reaktora z objętości czynnej. Dyfuzory rurowe mają możliwość napowietrzania „na około” siebie, co nieco poprawia wymieszanie ścieków bezpośrednio nad dnem zbiornika.

Uważne planowanie to spokojna eksploatacja
W gąszczu ofert producentów napowietrzaczy o różnej konstrukcji i wykonaniu materiałowym nie da się wskazać jedynie słusznego fabrykatu w oderwaniu od warunków technologicznych danej oczyszczalni. Po raz kolejny zachęcam do rozszerzonych analiz na etapie koncepcyjnym. Konieczne jest rozpoznanie obciążenia hydraulicznego i ładunku danej oczyszczalni, oraz zmienności tych wielkości oraz warunków pogodowych, zarówno krótko- (w skali doby, tygodnia), jak i długoterminowych (zima/lato). Uzgodnienie technologii oczyszczania biologicznego powinno uwzględniać różne warianty obciążenia. Pobieżne traktowanie obliczeń zapotrzebowania na powietrze może skutkować problemami eksploatacyjnymi w reaktorach biologicznych, które będą bardzo trudne do usunięcia.
Dobrane elementy systemu napowietrzania w idealnym przypadku powinny być wytrzymałe mechanicznie, nie zatykać się ani od strony powietrza, ani od strony ścieków i nie ulegać korozji. Obrastanie dyfuzorów od wewnątrz jest wprawdzie rzadkie, ale zdarza się najczęściej, gdy niewłaściwie dobrana membrana pęknie i jest nieszczelna, wtedy konieczna jest wymiana. To najszybszy i najłatwiejszy sposób ratunku, ale równolegle koniecznie trzeba zdefiniować przyczynę, żeby problem nie powtórzył się z nowymi membranami. Zatykaniu samej perforacji membran można w dużej mierze zapobiec dzięki odpowiedniej filtracji tłoczonego powietrza (filtr dobrej jakości) i utrzymywaniu rurociągów w czystości, bez rdzy itp. [5].
Większość problemów z dyfuzorami wcześnie zdiagnozowana jest rozwiązywalna bez ich wymiany, np. przez przepłukanie roztworem kwasu mrówkowego lub octowego, przez krótkotrwałe zwiększenie wydatku powietrza na dyfuzor, mechaniczne lub chemiczne oczyszczanie samych membran. Narzędzia diagnostyczne są w tym przypadku dość proste.
Regularny pomiar różnicy ciśnień pomiędzy wybranymi punktami systemu napowietrzania może wskazać na rosnące straty ciśnienia i pozwolić na szybką reakcję. Dość powszechne mierniki ciśnienia atmosferycznego i manometry dmuchaw powinny być uzupełnione o punkty pomiarowe np. na rurociągu powietrza przed rozdzieleniem na ruszty i na samych rusztach (np. na przewodzie odwadniającym ruszt). Przenośny miernik o dokładności 1 hPa, regularnie stosowany przy ustalonym strumieniu powietrza i przy tej samej głębokości ścieków, pozwoli wykryć wzrost różnicy ciśnień [6].

…i duże oszczędności
Jak wspomniano na początku, zużycie energii na oczyszczalni to przede wszystkim kwestia napowietrzania ścieków. Troskliwe pochylenie się nad tym tematem może przynieść oszczędności rzędu kilkudziesięciu do kilkuset tysięcy złotych rocznie [7].
dr inż. Renata Woźniak-Vecchié

Literatura:
[1] Łomotowski J.; Szpindor A. (1999): Nowoczesne systemy oczyszczania ścieków, Arkady, Warszawa 1999.
[2] Heidrich Z., Witkowski, A. (2005): Urządzenia do oczyszczania ścieków: projektowanie, przykłady obliczeń, Wydawnictwo Seidel-Przywecki, Warszawa 2005.
[3] Kayser R. (2001): Komentarz ATV – DVWK do A131P i do A210P. Wymiarowanie jednostopniowych oczyszczalni ścieków z osadem czynnym oraz sekwencyjnych reaktorów porcjowych SBR, Wydawnictwo Seidel-Przywecki, Warszawa 2001.
[4] Ratajczak P. (2011): Obliczanie zapotrzebowania na powietrze do procesów biologicznych w oczyszczalniach ścieków – przegląd sposobów obliczeniowych. Forum Eksploatatora, wrzesień /październik 2011.
[5] Frey W. (2009): Maßnahmen zum Erhalt der Leistungsfähigkeit von Belüftern. DWA Fachtagung Energieeffizienz bei Belüftern und bei der Homogenisierung, Neuhausen-Fildern 2009.
[6] Frey W. (2002): Betriebserfahrungen mit Belüftungssytemen, www.aabfrey.com.
[7] Fot. Stalbudom Sp. z o.o. oraz www.stalbudom.pl.

Fot. 1. Test systemu napowietrzania (źródło: [7]).
Fot. 2. Ruszty napowietrzające z rurowymi dyfuzorami ceramicznymi.

Prenumerata Magazynu Instalatora

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij