Autorzy: Chris D. Thomas, Peter A. Barratt i Robert B. Holmes 

W dziedzinie  oczyszczania ściekow napowietrzanie oznacza celowe doprowadzanie  powietrza do ścieków w celu rozpuszczenia tlenu. Napowietrzanie stanowi niezmiernie  ważny proces w każdej oczyszczalni ścieków działającej w systemie aerobowym. Tego rodzaju  instalacje mogą występować w postaci celowo zbudowanych biologicznych oczyszczalni ścieków lub po prostu zbiorników czy też kanałów ściekowych, które wymagają regularnego rozpuszczania tlenu w celu zapobieżenia wytwarzaniu siarkowodoru. Napowietrzanie  sprowadza się do czysto chemicznego procesu utleniania. We wszystkich wymienionych przypadkach  napowietrzanie w celu dostarczenia właściwej ilości tlenu do fazy wodnej stało się akceptowaną normą. Tlenu, którego źródłem jest oczywiście powietrze atmosferyczne.

• podpowierzchniowe rozpraszanie pęcherzyków powietrza za pośrednictwem porowatego materiału filtracyjnego przy użyciu dmuchaw napowietrzających,
• napowietrzanie strumieniowe za pomocą pomp strumieniowych oraz zwężek typu Venturi,
• aeratory powierzchniowe, używające obracających się łopat lub szczotek na linii styku wody i powietrza.

Najtrudniejszą do pokonania trudnością podczas prób rozpuszczania tlenu pozyskiwanego z powietrza w  ściekach przy  temperaturze i ciśnieniu równym lub bliskim wartościom panującym w otoczeniu stanowi niskie stężenie (ciśnienie cząstkowe) tlenu w powietrzu(1). Duża część energii zużywanej podczas procesu napowietrzania przypada  na  wprowadzenie tlenu do wody, ale również  azot i inne gazy obecne w powietrzu zmniejszają rozpuszczanie się tlenu w wodzie. Częściowo właśnie dlatego mówi się, że proces napowietrzania  nie jest efektywny pod względem ilości rozpuszczonego tlenu i  szybkości jego rozpuszczania, co ogranicza możliwości przepompowywania tlenu zawartego  w powietrzu  do fazy wodnej.

• podwyższona temperatura powietrza i wody,
• nadmierne zużycie urządzeń napowietrzających (4),
• niski współczynnik porównawczy a (określany jako ilość tlenu rozpuszczonego w ściekach w porównaniu z wodą czystą).

Tlen dodatkowy 

  Przez wiele lat  tlen o wysokiej czystości uważano za doskonałe uzupełnienie  w przypadku oczyszczalni ścieków mających kłopoty  z niewystarczającą wydajnością systemów napowietrzających. Dziś liczne  instalacje biologiczne z powodzeniem używają tlenu dodatkowego pochodzącego ze zbiorników z ciekłym  tlenem umieszczanych  na terenie oczyszczalni, z których gaz trafia do instalacji napowietrzającej za pomocą odpowiednich urządzeń do jego przesyłania i rozpuszczania(1).

Sam pomysł produkowania tlenu na terenie oczyszczalni w celu wykorzystania  go do napowietrzania zbiorników uzdatniania biologicznego nie jest niczym nowym. Istnieją ogromne instalacje, w których do tych celów od dawna i ze znacznym powodzeniem używa się generatorów opartych na adsorpcji zmiennociśnieniowej (tzw. PSA - Pressure Swing Adsorption), zmiennopróżniowej (VSA - Vacuum Swing Adsorption), a nawet kriogenicznych instalacji do separacji składników powietrza (ASU - Air Separation Units). Jednak ich zastosowanie jest możliwe jedynie w większych  instalacjach (zapotrzebowanie na tlen na poziomie >10 ton dziennie), w których istnieją ściśle określone wymagania procesowe odnośnie dostaw tlenu. W przypadku wielkich oczyszczalni przemysłowych  zastosowanie tego rodzaju systemów nie zależy bowiem tak bardzo od opłacalności całego procesu jak od jego niezawodności i pewności działania.

Czy jednak istnieje sposób uzyskania korzyści związanych ze stosowaniem tlenu dodatkowego przy jednoczesnym zachowaniu kosztów ponoszonych przy zwykłym napowietrzaniu atmosferycznym zarówno w mniejszych oczyszczalniach komunalnych oraz przemysłowych jak i w instalacjach działających na wielką skalę? Odpowiedź kryje się w znalezieniu sprytnego połączenia nowej technologii adsorpcji zmiennopróżniowej opartej na pojedynczym złożu filtracyjnym z oszczędnymi urządzeniami mieszającymi, które zajęłyby się jednocześnie mieszaniem wody i rozpuszczaniem tlenu. Rozwiązanie to dotyczy jednak przedsięwzięć na mniejszą skalę (możliwość otrzymania 200 - 900 kg tlenu dziennie w każdym urządzeniu). Nowa instalacja bazująca na właśnie takim połączeniu to system OXY-DEP^TM VSA firmy Air Products.

Adsorpcja zmiennopróżniowa (VSA) - podstawy działania 

Serce technologii VSA stanowią stałe cząstki granulatu o nazwie zeolit (zeolite), znane również jako tzw. sito cząsteczkowe (molecular sieve). Zeolit stosowany w złożach  systemów typu VSA występuje w postaci niewielkich granulek glinki (zwykle o średnicy od 0,5 do 2 mm). Dostępne są różne typy granulatu, ale wszystkie one charakteryzują się niezmiernie ważną cechą: potrafią „inteligentnie" pochłaniać jeden lub kilka wybranych gazów. W przypadku technologii tlenowej typu VSA stosowana postać zeolitu pochłania wyłącznie azot z powietrza  dostarczanego do instalacji napowietrzającej.

Ilość azotu, jaką zeolit będzie w stanie pochłonąć, zależy od ciśnienia gazu. Im wyższe ciśnienie, tym więcej azotu ulegnie adsorpcji. Rysunek 1 pokazuje krzywą adsorpcji w zależności  od ciśnienia charakterystyczną dla tej postaci zeolitu.  

Podczas pracy ciśnienie w systemie VSA na przemian podnosi się i spada, co ma ścisły związek z ilością azotu, jaką w danym momencie pochłonie złoże zeolitowe. Powietrze trafia do instalacji pod wyższym ciśnieniem tak, aby możliwe było pochłonięcie maksymalnej ilości azotu, a co za tym idzie, przepompowanie dalej produktu w postaci tlenu o wysokiej czystości. Następnie ciśnienie ulega obniżeniu, a zeolit  zatrzymuje jedynie minimalną ilość azotu, zaś gaz który uległ desorpcji, można teraz wypłukać, co zapewnia właściwe oczyszczenie pokładu zeolitu i przygotowanie go do następnego cyklu filtracyjnego. 

Rodzina systemów Micro S3 VSA firmy Air Products została zaprojektowana w sposób zapewniający prostotę obsługi, łatwość utrzymania oraz minimalne koszty kapitałowe. W odróżnieniu od konwencjonalnych systemów opartych na technologii VSA, wyposażonych w 2 a niekiedy nawet 3 złoża zeolitowe, system S3 posiada jedno złoże filtracyjne, pojedynczą dmuchawę oraz jeden zawór automatyczny. Ponadto właśnie zawór i dmuchawa stanowią jedyne części ruchome w obrębie całej instalacji.

Podstawową zasadę działania systemu VSA pomoże wyjaśnić rysunek 2.

Dmuchawa napowietrzająca wdmuchuje strumień powietrza do instalacji poprzez moduł filtra/tłumika oraz zawór czterodrogowy. Po przejściu przez promiennik chłodzący (niewidoczny na rysunku), powietrze zostaje przekierowane przez zawór do  zbiornika ze złożem.

Powietrze wpływa do złoża  w zbiorniku i lekko podwyższa jego ciśnienie . Azot ulega adsorpcji, pozostawiając powietrze bogate w tlen (ze śladowymi ilościami argonu i niepochłoniętego azotu), które trafia następnie do zbiornika buforowego.

Po upływie wcześniej zadanego czasu , zawór czterodrogowy zaczyna obracać się tak, że dotychczasowa dmuchawa działa teraz w charakterze pompy próżniowej, która odsysa gaz ze złoża . W wyniku odessania w zbiorniku ze złożem  powstaje próżnia, która powoduje, że większość  azotu ulega desorpcji z sita cząsteczkowego.

W momencie osiągnięcia wystarczającej próżni zawór kontrolny CV1 (widoczny na Rysunku 2) otwiera się, pozwalając wpłynąć strumieniowi tlenu ze zbiornika buforowego z powrotem do złoża w celu „wypłukania" resztek azotu. Następnie złoże ulega regeneracji, a cały cykl powtarza się od początku.

Rysunek 3 pokazuje typową konstrukcję systemu opartego na technologii PSA.

Dwa czynniki, na które warto zwrócić uwagę, to zwiększony stopień skomplikowania instalacji oraz konieczność ciągłego dostarczania sprężonego powietrza.

Sekwencja działania  systemu rozpoczyna się w momencie zwiększenia ciśnienia jednego ze złóż w wyniku przepuszczenia przez nie strumienia powietrza pod ciśnieniem np 8 barg. Na tym etapie azot ulega pochłonięciu, zaś czysty tlen zostaje wpompowany do zbiornika buforowego. W momencie nasycenia pierwszego złoża, strumień sprężonego powietrza zostaje skierowany na drugi pokład zeolitu. W międzyczasie pierwsze złoże  zostaje odpowietrzone  do atmosfery, co powoduje  spadek ciśnienia, a co za tym idzie, desorpcję i uwolnienie bogatego w azot gazu wtórnego.

Główną wadę technologii PSA stanowi zarówno konieczność ciągłego dostarczania strumienia czystego sprężonego powietrza jak i wysoki pobór energii. Aby uniknąć skraplania się powietrza w fazie sprężania, musi ono być całkowicie suche. Nawet najmniejsza ilość wydzielanej wody grozi bowiem zanieczyszczeniem złoża oraz prawdopodobnie pojawieniem się korozji wewnątrz instalacji.

Znaczne zapotrzebowanie na energię, które cechuje systemy oparte na technologii PSA, wynika z faktu  że tlen zostaje odzyskany z powietrza wlotowego i zamieniony w strumień gazu napowietrzającego. Zarówno dla systemów VSA i PSA mechanizm ten charakteryzuje się wydajnością na poziomie około 50%, co oznacza, że w obu przypadkach do złoża zeolitowego trafia cały azot oraz połowa tlenu (co daje razem około 90% powietrza wlotowego), aby następnie ulec odpowietrzeniu do atmosfery. W wyniku takiego działania zachodzi główna strata energii w systemie, potrzebna na obróbkę 90% dostarczanego powietrza. Jasno więc widać, że jeżeli ciśnienie powietrza dopływowego wynosi 8 barg przed jego zużyciem, strata energii będzie dużo większa niż w przypadku powietrza o ciśnieniu np 0,5 barg. Stąd dużo niższe wymagania dotyczące poboru energii w przypadku systemów VSA w porównaniu z urządzeniami typu PSA. 

Jeżeli z jakiegoś powodu wynika potrzeba zastosowania tlenu napowietrzającego o wyższym ciśnieniu, można z powodzeniem skorzystać z niewielkich sprężarek, które doskonale nadają się do obsługi  z systemami typu VSA w celu otrzymania tlenu  o wysokim ciśnieniu. Chociaż zastosowanie rozwiązania tego rodzaju oznacza dodatkowe zapotrzebowanie na energię, to jest ono względnie niewielkie, ponieważ sprężaniu podlega jedynie gaz użyteczny dla procesu, tj. czysty tlen.

Kolejnym godnym uwagi rozwiązaniem może być system adsorpcji zmiennopróżniowej (VSA) wyposażony w kilka złóż zeolitowych. W porównaniu z opisanymi wyżej instalacjami opartymi na złożu pojedynczym, takie systemy VSA mogą okazać się znaczącym ulepszeniem w kwestii oszczędności energii. Korzyść ta jest możliwa, ponieważ złoża potrafią wspomagać się wzajemnie w różnych stadiach cyklu. Dla przykładu, po ich połączeniu możliwe staje się przekazywanie potrzebnego ciśnienia z jednego złoża na  drugie, zamiast ciągłego użytkowania powietrza dopływowego z dmuchaw(y). Z kolei wadą takiego systemu pozostaje fakt, iż charakteryzuje się on znacznym skomplikowaniem konstrukcyjnym oraz związanymi z tym wyższymi kosztami kapitałowymi. Z tego względu firma Air Products zaleca stosowanie systemów VSA wyposażonych w kilka złóż zeolitowych jedynie w przypadku, gdy zapotrzebowanie na tlen przekracza 20 ton dziennie. Instalacje  zużywające mniejsze ilości gazu poniosą bowiem koszty niewspółmierne do oczekiwanych oszczędności energii.

Tlen i aeratory

Pomimo, że niektóre mieszalniki oraz aeratory dostępne na rynku zostały zaprojektowane z przeznaczeniem na korzystanie z powietrza atmosferycznego, można ich z powodzeniem używać dostarczając do nich tlen z miejscowego generatora typu VSA. Konstrukcja takich urządzeń jest zwykle oparta na pompach odśrodkowych lub mieszalnikach śmigłowych. Jednak wiadomo, że skoro urządzenia te zostały opracowane do pompowania lub mieszania powietrza,  najważniejsza pozostaje ich podstawowa funkcja związana z maksymalizacją przepływu powietrza z pominięciem innych czynników. 

Przy korzystaniu z tlenu ilość gazu, która trafia do zbiornika ściekowego zmniejsza się prawie 30-krotnie, a istotną rolę zaczynają odgrywać czynniki inne niż objętość gazu. Czynnikiem mającym znaczny wpływ na całkowitą  wydajność procesu jest  na przykład siła poprzeczna. Wartość tej siły, z jaką spotyka się tlen przy wpompowywaniu do wody, warunkuje bowiem wielkość otrzymywanych pęcherzyków powietrza, a co za tym idzie, skuteczność fazy rozpuszczania. 

Urządzenie to działa na zasadzie wytwarzania pola niskiego ciśnienia położonego za śmigłem w wyniku przepływu wody ponad zamkniętą czaszą . Dysza gazowa umieszczona we wspomnianym polu niskiego ciśnienia posiada bezpośrednie połączenie ze źródłem tlenu. W przypadku tlenu otrzymywanego w technologii VSA, dysza zostaje po prostu przyłączona do wylotu urządzenia za pomocą elastycznego przewodu rurowego.

Ponieważ tlen wsysany do czaszy musi wcześniej przejść przez obracające się łopaty śmigła mieszalnika, podlega on działaniu znacznej siły poprzecznej. Ponadto mieszalnik napowietrzający w systemie OXY-DEP^TM VSA powoduje powstawanie strugi wodnej poruszającej się z dużą prędkością, która wpycha tlen (zarówno rozpuszczony jak i będący w trakcie rozpuszczania) do głównego zbiornika ściekowego.

Mieszalnik napowietrzający zostaje osadzony na pionowym maszcie umieszczonym obok zbiornika ściekowego. Takie położenie pozwala podnosić go i opuszczać ręcznie w bardzo prosty sposób dla potrzeb przeprowadzenia okresowych czynności obsługowych, a także na umieszczenie urządzenia zgodnie z pożądanym kierunkiem mieszania oraz rozpraszania tlenu w obrębie zbiornika. Wspomniana łatwość mocowania i obsługi oraz przeprowadzania prac konserwacyjnych stanowi doskonałe uzupełnienie podobnych cech  systemu VSA. W praktyce, po dostarczeniu elementów składowych systemu OXYDEP ^TM VSA na miejsce przeznaczenia, można go zmontować i uruchomić w przeciągu zaledwie dwóch godzin, oczywiście jeżeli na teren oczyszczalni dostarczona jest  energia elektryczna.

Urządzenie to działa na zasadzie wytwarzania pola niskiego ciśnienia położonego za śmigłem w wyniku przepływu wody ponad zamkniętą czaszą . Dysza gazowa umieszczona we wspomnianym polu niskiego ciśnienia posiada bezpośrednie połączenie ze źródłem tlenu. W przypadku tlenu otrzymywanego w technologii VSA, dysza zostaje po prostu przyłączona do wylotu urządzenia za pomocą elastycznego przewodu rurowego.

Ponieważ tlen wsysany do czaszy musi wcześniej przejść przez obracające się łopaty śmigła mieszalnika, podlega on działaniu znacznej siły poprzecznej. Ponadto mieszalnik napowietrzający w systemie OXY-DEP^TM VSA powoduje powstawanie strugi wodnej poruszającej się z dużą prędkością, która wpycha tlen (zarówno rozpuszczony jak i będący w trakcie rozpuszczania) do głównego zbiornika ściekowego.

Mieszalnik napowietrzający zostaje osadzony na pionowym maszcie umieszczonym obok zbiornika ściekowego. Takie położenie pozwala podnosić go i opuszczać ręcznie w bardzo prosty sposób dla potrzeb przeprowadzenia okresowych czynności obsługowych, a także na umieszczenie urządzenia zgodnie z pożądanym kierunkiem mieszania oraz rozpraszania tlenu w obrębie zbiornika. Wspomniana łatwość mocowania i obsługi oraz przeprowadzania prac konserwacyjnych stanowi doskonałe uzupełnienie podobnych cech  systemu VSA. W praktyce, po dostarczeniu elementów składowych systemu OXYDEP ^TM VSA na miejsce przeznaczenia, można go zmontować i uruchomić w przeciągu zaledwie dwóch godzin, oczywiście jeżeli na teren oczyszczalni dostarczona jest  energia elektryczna.

Powyższy system można łatwo skonfigurować w zależności od pożądanej ilości tlenu rozpuszczonego (DO). Sterowanie systemem polega na wysyłaniu sygnału zwrotnego z próbnika DO do tablicy kontrolnej w celu określenia, czy aktualnie przebiegający proces biologiczny wymaga dostarczenia tlenu z generatora VSA. W ten sposób poziom DO w zbiorniku podlega stałej kontroli  (np DO pomiędzy 1 mg/l oraz 4 mg/l) w uprzednio określonych odstępach czasu , zgodnie z optymalnymi warunkami danego procesu biologicznego przebiegającego w zbiorniku z osadem aktywnym. Dalsza konfiguracja systemu polegać może na ustawieniu ciągłego działania mieszalnika, podczas  gdy generator VSA zostaje automatycznie wyłączony.

Instalacja systemu przebiega w sposób pozwalający na maksymalne zminimalizowanie zakłóceń w pracy oczyszczalni, nawet bez przerywania procesu oczyszczania ścieków. Mieszalnik napowietrzający można prawie zawsze zainstalować bez wcześniejszego  opróżniania zbiornika ściekowego. Generator VSA doskonale nadaje się do wygodnego rozładunku na terenie oczyszczalni, a następnie przewiezienia do miejsca przeznaczenia za pomocą zwykłego podnośnika widłowego, zaś jedyne wymagania dotyczące miejsca jego docelowego umieszczenia to płaski  teren, wolny od innych urządzeń  i budynków, oraz   dostateczna twardość podłoża.

Jednym z powodów tak dużej popularności systemów typu VSA jest  cechujące je bezpieczeństwo w porównaniu z generatorami ciekłego tlenu czy innymi systemami  produkcji tlenu na miejscu. . Systemy oparte na tlenie ciekłym charakteryzują się wielokrotnie potwierdzonym, niezmiernie niskim stopniem ryzyka, głównie dlatego, że opracowuje się je, instaluje oraz konserwuje z wielką ostrożnością i poszanowaniem szczegółowych przepisów bezpieczeństwa. W skład tych drobiazgowych przepisów wchodzą między innymi ścisłe ograniczenia dotyczące miejsc, w których można umieszczać zbiorniki z ciekłym tlenem, szczególnie w odniesieniu do odległości od budynków, dostępności dla personelu technicznego oraz położenia w stosunku do składów materiałów łatwopalnych. Dodatkowo, zbiorniki te muszą zostać umieszczone na betonowym fundamencie o odpowiedniej nośności, a otaczający teren należy wylać grubą warstwą betonu, zapewniając przy tym swobodny dostęp do  zbiornika podczas przepompowywania tlenu z cysterny dostawczej. 

Wiele z cytowanych powyżej ograniczeń weszło w życie, ponieważ tlen, choć sam w sobie niepalny, znacznie wspomaga jednak zapłon innych materiałów. Podczas parowania  ciekły tlen ulega rozszerzeniu  około 700 razy, tak więc ze zbiornika zawierającego na przykład pięć ton tlenu w postaci płynnej można łatwo otrzymać 3500m³ tlenu gazowego. Właściwość ta znakomicie umożliwia przechowywanie znacznej ilości  ciekłego tlenu w pobliżu miejsca przeznaczenia. 

Względy bezpieczeństwa dotyczące generatorów typu VSA znacznie różnią się  od omawianych powyżej. Urządzenie działające w technologii adsorpcji zmiennopróżniowej oddziela tlen z powietrza w miarę potrzeb, a przechowywana ilość tlenu gazowego pozostaje względnie niewielka, stanowiąc jedynie wymaganą ilość do  przebiegu całego procesu. Oczywiście wciąż należy zachowywać ostrożność, ponieważ urządzenie w dalszym ciągu produkuje tlen, ale jego ilość w systemie przez cały czas pozostaje nieznaczna. Dla przykładu: generator zdolny wyprodukować pięć ton tlenu dziennie, w dowolnym stadium procesu oczyszczania będzie zawierać poniżej 10m³ tlenu w postaci gazowej. 

Głównie z tego powodu, oprócz oczywistych względów dotyczących obniżenia poziomu hałasu poprzez umieszczenie dmuchawy w specjalnie izolowanej obudowie, generatory typu VSA nie wymagają tak ostrożnego wyboru lokalizacji jak inne urządzenia .

Porównanie różnych warunków przebiegu procesu napowietrzania

Technologia adsorpcji zmiennopróżniowej (VSA), pomimo pojawienia się już jakiś czas temu, w ciągu kilku ostatnich miesięcy zanotowała gwałtowny rozwój pozwalający na wprowadzenie znaczących ulepszeń. Osiągnięcie kompromisu pomiędzy wysokim stopniem oddzielenia gazów a oszczędnością energii pociągnęło za sobą nieunikniony wzrost początkowych kosztów kapitałowych. Po wprowadzeniu do sprzedaży generatorów typu S3 VSA firmy Air Products pojawiły się nowe  możliwości  w dziedzinie oczyszczania ścieków oraz napowietrzania fazy wodnej  potwierdzone uzyskaniem  zadowalających wyników przy jednoczesnym obniżeniu kosztów użytkowania tych urządzeń.

Aby bliżej przyjrzeć się danym dotyczącym wydajności urządzeń, należy zauważyć, że najlepsze modele generatorów typu VSA są zdolne wyprodukować około 3,5 kg tlenu/kWh, co oznacza, że w czasie potrzebnym na zużycie 1kWh można uzyskać 3,5 kg  tlenu  (ilość czystego tlenu zawarta w strumieniu gazu , zwykle o czystości na poziomie 90%). Cytowane dane dotyczą jednak wyłącznie generatorów VSA wyposażonych w kilka złóż zeolitowych, oddzielne dmuchawy wlotowe i próżniowe oraz liczne zawory automatyczne. Generator VSA o takim stopniu skomplikowania,  o wydajności w granicach 0,25 tony dziennie  z pewnością okaże się bardziej kosztowny.

Z kolei wydajność rodziny mikrogeneratorów typu VSA zależy od wybranego modelu, ale zwykle plasuje się w przedziale od 1,1 kg tlenu/kWh w przypadku urządzeń o przepustowości 150 l/min (co daje 263 kg tlenu  dziennie), poprzez 1,4 kg/kWh dla generatorów o przepustowości na poziomie 500 l/min  (odpowiednio 875 kg tlenu  dziennie), aż po 1,8 kg/kWh przy przepustowości generatora wynoszącej 2500 l/min (możliwość uzyskania 4500 kg tlenu  dziennie).

Naturalnie wydajność generatorów typu VSA stanowi jedynie część istotnych danych, które należy wziąć pod uwagę chcąc użytkować te urządzenia dla potrzeb napowietrzania podczas biologicznego oczyszczania ścieków. Oprócz wydajności systemu należy również rozważyć  przepustowość węzła gazowo/ wodnego, która również stanowi istotną zmienną, ponieważ mieszalnik używany do tego celu musi podołać zarówno zadaniu rozpuszczania tlenu jak i mieszania zawartości zbiornika ściekowego. W przypadku zbiornika o małej pojemności albo o znacznym stopniu obciążenia, gdzie wymagania dotyczące mieszania są względnie niskie, ilość tlenu dostarczanego do mieszalnika osiąga w momentach szczytowych 5 kg/kWh. Powyżej tego poziomu wydajność rozpuszczania ulega znacznemu obniżeniu.

Zrozumienie danych na temat ilości przesyłanego tlenu

Jeżeli  uwzględnimy teraz powyższe dane dotyczące wydajności dla instalacji o 85 % efektywności przesyłania tlenu , szybko dojdziemy do przekonania, że maksymalna osiągalna wydajność mierzona w oparciu o ilość rozpuszczonego tlenu  w  zbiorniku zawiera się w przedziale pomiędzy 0,8 a 1,1 kg/kWh. W oparciu o ten wynik można powiedzieć, że dolną granicę   wydajności osiągają konwencjonalne technologie napowietrzania oparte na napowietrzaniu drobnopęcherzykowym  , dla których zwykle  wydajność wynosi około 2kg/kWh. Jednak w odniesieniu do systemów bazujących na powietrzu  używa się  współczynnika pomiaru standardowej ilości przesyłanego tlenu (SOTR - Standard Oxygen Transfer Rate), tzn współczynnika podającego wydajność przesyłową tlenu w czystej wodzie w temperaturze 20^°C poczynając od zera (0mg /l DO). Wcześniej cytowane dane na poziomie od 0,8 to 1,1 kg tlenu/kWh pochodzą natomiast z pomiarów dokonanych w  zbiornikach z osadem aktywnym.

Standardowe równanie służące otrzymaniu poprawnych wartości w odniesieniu do wód zanieczyszczonych  wygląda następująco:

Gdzie OTRf  - rzeczywista ilość przesyłanego tlenu w warunkach polowych w układzie
                         oddychającym mierzona w kgO₂/kWh

SOTR  -  ustalony  współczynnik pomiaru ilości przesyłanego tlenu w czystej wodzie w
                 temperaturze 20^°C przy  zerowym poziomie  tlenu rozpuszczonego mierzony
                 w kgO₂/kWh

CS - stężenie nasyconego tlenu w wodzie wodociągowej w warunkach polowych
            mierzone w mg/l

CW -  stężenie tlenu w ściekach  mierzone mg/l

CS20 - stężenie nasyconego tlenu w wodzie wodociągowej w temperaturze 20^°C
               mierzone w mg/l

a - współczynnik  korekcyjny  ze względu na intensywność mieszania/geometrię
         zbiornika

b -  współczynnik korekcyjny  ze względu na charakterystykę  ścieków 

q  -  współczynnik korekcyjny  ze względu na wahania q temperatury

Przeciętne wartości współczynników korekcyjnych  dostępne są w  literaturze poświęconej parametrom oraz projektowaniu procesu ⁽²⁾. w przypadku urządzeń do napowietrzania Współczynnik oznaczony jako  a dyfuzyjnego wynosi od 0,4 do 0,8. Współczynnik oznaczony symbolem b będzie się oczywiście różnić w zależności od badanego przypadku, ale zwyczajowo jego wartość podawana dla  ścieków wynosi 0,95. Wartość 1,024 to  typowa wielkość dla  dla wszystkich rodzai współczynnika oznaczonego jako q napowietrzania.

C_S20 = 9,3 mg/l przy ciśnieniu  1 atm.

Jeżeli przyjąć, że celem jest utrzymanie wydajności na poziomie 2 mg rozpuszczonego tlenu / litr ścieków, to po podstawieniu podanych wartości do powyższego równania, otrzymamy następujący zapis:

Porównania pomiędzy systemami napowietrzania bazującymi na powietrzu atmosferycznym należy przeprowadzać właśnie w oparciu o dane uzyskane w powyższy sposób, ponieważ bardzo niewielu producentów aeratorów podaje wyniki testów polowych oferowanych urządzeń. Jeżeli  porównanie będzie się przeprowadzać pomiędzy  podobnymi urządzeniami, np. pomiędzy dwoma systemami bazującymi na powietrzu, współczynnik SOTR posłuży jako pożyteczny parametr do ich oceny. Urządzenia korzystające z czystego tlenu wymykają się jednak temu porównaniu, ponieważ w ich przypadku istnieje z reguły zbyt mała różnica pomiędzy wartościami współczynników SOTR i OTR_f.

System OXY-DEP^TM VSA: zastosowanie praktyczne  

Rozwój tej nowej techniki napowietrzania spowodował wzrost ilości egzemplarzy systemu OXY-DEP VSA montowanych w oczyszczalniach ścieków. W większości przypadków technologii tej używa się do wsparcia nadmiernie przeładowanych procesów oczyszczania , dotychczas obsługiwanych za pomocą konwencjonalnych urządzeń i zresztą dla nich przeznaczonych. 

Zastosowanie pierwszego systemu  z rodziny OXY-DEP^TM VSA, wyposażonego w kilka generatorów VSA miało  miejsce w pojedynczym basenie ściekowym i stanowiło przykład  modularnego  unowocześniania oczyszczalni ścieków za pomocą nowej technologii. Tego rodzaju  system był  porównywany do napowietrzania podpowierzchniowego przeprowadzanego w niewielkim basenie, do którego trafiały zazwyczaj trudne do oczyszczenia ścieki  z wielu zakładów położonych w regionie. Okazało się, że używając systemu OXY-DEP^TM VSA osiągnięto znacznie wyższe parametry procesu w porównaniu z napowietrzaniem tradycyjnym (np. mniejsza ilość osadu  poprocesowego, większa redukcja  współczynnika ChZT oraz znacznie mniejsza skłonność do pęcznienia  osadu), przy  ponad 90 % redukcji współczynnika ChZT %  o  wartości początkowej blisko 13.000 mg/l. Jednostkowe  zużycie energii elektrycznej wynosiło  1,1 kg ChZT_usuniętego/kWh [3].

Dziś system OXY-DEP VSA znajduje zastosowanie w celu redukcji  ChZT, BZT oraz amoniaku zarówno w oczyszczalniach ścieków przemysłowych jak i komunalnych, oraz jako wartościowa alternatywa w stosunku do napowietrzania tradycyjnego w nowoczesnych  instalacjach, charakteryzujących się pracą w warunkach dużego obciążenia ChZT.

Pojawienie się technologiii urządzeń Oxydep VSA wyposażonych w pojedyncze złoże zeolitowe, jedną dmuchawę napowietrzającą oraz jeden zawór oznacza, że na rynku dostępne są  urządzeń do produkcji tlenu „na miejscu"  o wydajnościach w przedziale  pomiędzy <250kg a 4500kg/dziennie. Owa zmiana zapowiada coraz trwalsze zakorzenienie się nowoczesnej technologii napowietrzania opartej na czystym tlenie, która oferuje właścicielom oczyszczalni ścieków możliwość uzyskania  niespotykanej dotychczas elastyczności, szybkość reakcji na wymagany wzrost obciążenia oraz pewność działania  przy jednoczesnym zachowaniu niskiego poziomu kosztów znanego z systemów konwencjonalnych  . Niezależnie od tego , czy konieczna okaże się wymiana zużytego urządzenia dyfuzyjnego lub aeratora powierzchniowego w zbiorniku ściekowym, czy też zainstalowanie dodatkowego urządzenia podwyższającego wydajność instalacji  poprzez  dostarczenie dodatkowego czystego  tlenu  w momencie gdy obciążenie ChZT jest największe, można teraz rozważyć nową, unikalną i oszczędną opcję.

Od prostego unowocześnienia biologicznej oczyszczalni ścieków niezależnie od wielkości instalacji aż do zaprojektowania nowoczesnej biooczyszczalni opartej na napowietrzaniu czystym tlenem, w porównaniu do  innych technologii np bioreaktorów membranowych, system OXY-DEP^TM VSA stanowi  nowoczesne rozwiązanie, które z łatwością sprosta intensywnym i wymagającym procesom biologicznym niezależnie od prognozowanego zapotrzebowania na tlen.