ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ 53 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4. Μέοδοι επεξεργασίας των υγρών αποβλήτων τύποι αντιδραστήρων 4. Μέοδοι επεξεργασίας των υγρών αποβλήτων Ο βαμός επεξεργασίας ενός αποβλήτου προκύπτει από τη σύγκριση των χαρακτηριστικών του αποβλήτου στην είσοδο της μονάδας επεξεργασίας και των χαρακτηριστικών εξόδου που επιβάλλει η εκάστοτε νομοεσία. Έτσι αναλύονται πολλές εναλλακτικές μέοδοι επεξεργασίας, διάεσης και επαναχρησιμοποίησης και επιλέγονται οι καλύτερες. Οι ρύποι των αποβλήτων απομακρύνονται με φυσικές, χημικές και βιολογικές μεόδους. Διεργασίες φυσικής επεξεργασίας Οι μέοδοι επεξεργασίας στις οποίες επικρατούν οι φυσικές δυνάμεις είναι γνωστές σαν μονάδες φυσικής επεξεργασίας. Επειδή αυτές οι μέοδοι προέρχονται απ ευείας από τις παρατηρήσεις του ανρώπου από τη φύση, είναι και οι πρώτες που χρησιμοποιήηκαν στην επεξεργασία των υγρών αποβλήτων. Ο εσχαρισμός, η ανάμειξη, η συσσωμάτωση, η ιζηματοποίηση, η επίπλευση, η διήηση και η μεταφορά αερίων είναι τυπικές διεργασίες φυσικής επεξεργασίας. Διεργασίες χημικής επεξεργασίας Μέοδοι επεξεργασίας στις οποίες η απομάκρυνση ή ο μετασχηματισμός των ρύπων πραγματοποιείται με την προσήκη χημικών ή με άλλες χημικές αντιδράσεις είναι γνωστές σαν διεργασίες χημικής επεξεργασίας. Η κατακρήμνιση, η προσρόφηση και η απολύμανση είναι τα πιο κοινά παραδείγματα που χρησιμοποιούνται στην επεξεργασία των υγρών αποβλήτων. Διεργασίες βιολογικής επεξεργασίας Μέοδοι επεξεργασίας στις οποίες η απομάκρυνση των ρύπων πραγματοποιείται με βιολογική δραστηριότητα είναι γνωστές σαν διεργασίες βιολογικής επεξεργασίας. Η βιολογική επεξεργασία χρησιμοποιείται κυρίως για την απομάκρυνση των βιοαποδομήσιμων οργανικών συστατικών (κολλοειδή ή διαλυτά) από τα υγρά απόβλητα. Βασικά, αυτά τα συστατικά μετατρέπονται σε αέρια που διαφεύγουν στην ατμόσφαιρα και μέσα στα βιολογικά κύτταρα όπου απομακρύνονται με καίζηση. Η βιολογική επεξεργασία χρησιμοποιείται επίσης για την απομάκρυνση ρεπτικών (αζώτου και φωσφόρου) από τα υγρά απόβλητα. Με κατάλληλο χειρισμό τα απόβλητα μπορούν να υποστούν βιολογική επεξεργασία στις περισσότερες περιπτώσεις. Γι αυτό το λόγο οι μηχανικοί πρέπει να παρέχουν το κατάλληλο περιβάλλον ώστε οι διεργασίες να λειτουργούν αποτελεσματικά.
54 ΤΥΠΟΙ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΩΝ 4. Εφαρμογές των μεόδων επεξεργασίας Προεπεξεργασία υγρών αποβλήτων Ο όρος προεπεξεργασία υγρών αποβλήτων αναφέρεται στην απομάκρυνση από τα υγρά απόβλητα στοιχείων που μπορεί να προκαλέσουν προβλήματα λειτουργικά ή συντήρησης στις διεργασίες επεξεργασίας και στα βοηητικά συστήματα. Παραδείγματα προεπεξεργασίας είναι ο εσχαρισμός και η κονιορτοποίηση μπαζών και σκουπιδιών, η απομάκρυνση της άμμου για τον περιορισμό της αιώρησης της χοντρόκκοκης ύλης που μπορεί να προκαλέσει φράξιμο του εξοπλισμού και επίπλευση για την απομάκρυνση μεγάλων ποσοτήτων λιπών. Η προεπεξεργασία των αστικών αποβλήτων διαχωρίζεται από την προεπεξεργασία των βιομηχανικών αποβλήτων, όπου τα συστατικά υφίστανται επεξεργασία στην πηγή τους πριν διατεούν στους υπονόμους. Πρωτοβάμια επεξεργασία υγρών αποβλήτων Στην πρωτοβάμια επεξεργασία, απομακρύνεται ένα κλάσμα των αιωρούμενων στερεών και οργανική ύλη από το απόβλητο. Αυτή η απομάκρυνση συνήως πραγματοποιείται με φυσικές διεργασίες όπως εσχαρισμός και ιζηματοποίηση. Η έξοδος από την πρωτοβάμια επεξεργασία κατά κανόνα περιέχει σημαντική οργανική ύλη με σχετικά υψηλή τιμή BOD. Η πρωτοβάμια επεξεργασία αποτελεί τον πρόδρομο της δευτεροβάμιας επεξεργασίας. Συμβατική δευτεροβάμια επεξεργασία υγρών αποβλήτων Η δευτεροβάμια επεξεργασία στοχεύει κατευείαν στην απομάκρυνση βιοαποδομήσιμων οργανικών και αιωρούμενων στερεών. Η απολύμανση περιλαμβάνεται συχνά στον ορισμό της συμβατικής δευτεροβάμιας επεξεργασίας. Η συμβατική δευτεροβάμια επεξεργασία ορίζεται ως ο συνδυασμός διεργασιών που χρησιμοποιούνται για την απομάκρυνση των προαναφερέντων συστατικών και περιλαμβάνει βιολογική επεξεργασία με δραστική λάσπη, αντιδραστήρες σταεροποιημένου βιοφίλμ ή συστήματα λιμνοάλασσας και ιζηματοποίησης. Απομάκρυνση ρεπτικών Η απομάκρυνση ή ο έλεγχος των ρεπτικών από τα υγρά απόβλητα είναι σημαντική για αρκετούς λόγους: () απορρίψεις σε κλειστά υδατικά συστήματα προκαλούν ή επιταχύνουν τον ευτροφισμό, () απορρίψεις σε υγρά ρεύματα όπου η νιτροποίηση μπορεί να εξαντλήσει τα αποέματα οξυγόνου ή όπου αναπτύσσονται υδατικά φυτά με ρίζες, (3) επαναφόρτωση υπόγειων υδάτων που χρησιμοποιούνται έμμεσα σαν αποέματα πόσιμου νερού. Τα ρεπτικά με ιδιαίτερο ενδιαφέρον είναι το άζωτο και ο φωσφόρος και μπορεί να απομακρυνούν βιολογικά, χημικά ή με συνδυασμό διεργασιών. Σε πολλές περιπτώσεις η απομάκρυνση ρεπτικών συνδυάζεται με τη δευτεροβάμια επεξεργασία. Για παράδειγμα, άλατα μετάλλων προστίενται στη δεξαμενή αερισμού για την κατακρήμνιση του φωσφόρου στις τελικές δεξαμενές
ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ 55 κατακρήμνισης, ή βιολογική απονιτροποίηση μπορεί να ακολουεί τη διεργασία δραστικής λάσπης όπου πραγματοποιείται νιτροποίηση. Προχωρημένη επεξεργασία υγρών αποβλήτων / Ανάκτηση υγρών αποβλήτων Η προχωρημένη επεξεργασία των υγρών αποβλήτων είναι ένας όρος που επιδέχεται πολλούς ορισμούς. Στο μάημά μας, με τον όρο προχωρημένη επεξεργασία υγρών αποβλήτων ορίζουμε το επίπεδο επεξεργασίας που απαιτείται πέρα από τη συμβατική δευτεροβάμια επεξεργασία για την απομάκρυνση συστατικών με ιδιαίτερο ενδιαφέρων όπως ρεπτικά, τοξικά συστατικά και αυξημένες συγκεντρώσεις οργανικής ύλης και αιωρούμενων στερεών. Εκτός από την απομάκρυνση των ρεπτικών άλλες διεργασίες που λαμβάνουν χώρα στην προχωρημένη επεξεργασία των υγρών αποβλήτων είναι η χημική ρόμβωση, η συσσωμάτωση και η κατακρήμνιση ακολουούμενη από διήηση και ενεργό άνρακα. Λιγότερο χρησιμοποιούμενες διεργασίες είναι η αντίστροφη όσμωση και η ιονανταλλαγή για την ελάττωση των αιωρούμενων στερεών ή για την απομάκρυνση συγκεκριμένων ιόντων. Η προχωρημένη επεξεργασία υγρών αποβλήτων χρησιμοποιείται επίσης σε ένα εύρος εφαρμογών επανακυκλοφορίας όπου απαιτείται νερό υψηλής ποιότητας, όπως για βιομηχανικό νερό ψύξης και για επαναφόρτωση υπόγειων ταμιευτήρων. Επεξεργασία τοξικών αποβλήτων / Απομάκρυνση συγκεκριμένων ρύπων Η απομάκρυνση τοξικών και συγκεκριμένων ρύπων είναι ένα πολύπλοκο πρόβλημα. Για εκροές βιομηχανικών αποβλήτων σε συστήματα συλλογής και επεξεργασίας αστικών αποβλήτων, οι συγκεντρώσεις των τοξικών ρύπων ελέγχονται συνήως με προεπεξεργασία πριν τη διάεση στα αστικά συστήματα. Σε μερικές περιπτώσεις η απομάκρυνση των τοξικών ρύπων γίνεται στις μονάδες επεξεργασίας αστικών αποβλήτων. Πολλά τοξικά συστατικά όπως βαρέα μέταλλα ελαττώνονται με κάποια μορφή φυσικοχημικής επεξεργασίας όπως χημική ιζηματοποίηση, συσσωμάτωση, κατακρήμνιση και διήηση. Κάποιος βαμός επεξεργασίας πραγματοποιείται επίσης από τη συμβατική δευτεροβάμια επεξεργασία. Απόβλητα που περιέχουν πτητικές οργανικές ενώσεις υφίστανται επεξεργασία με απαερίωση ή με προσρόφηση σε άνρακα. Μικρές ποσότητες συγκεκριμένων ρύπων απομακρύνονται με ιονανταλλαγή. Επεξεργασία υπερχειλίσεων συνδυασμένων υπονόμων Οι υπερχειλίσεις συνδυασμένων υπονόμων αποτελούνται από μεγάλες, διακοπτόμενες εκροές αποβλήτων που προκύπτουν από την ανάμειξη αποβλήτων με όμβρια νερά. Εκτός από το αρχικό «ξέπλυμα», οι συγκεντρώσεις των ρύπων που μας ενδιαφέρουν είναι σχετικά αραιές συγκρινόμενες με τις συγκεντρώσεις από τα αστικά ή τα βιομηχανικά απόβλητα. Τα συστήματα επεξεργασίας που απαιτούνται για την επεξεργασία συνδυασμένων υπερχειλίσεων συνήως στοχεύουν στην απομάκρυνση αιωρούμενων στερεών και παογόνων.
56 ΤΥΠΟΙ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΩΝ 4.3 Τύποι αντιδραστήρων Δοχεία ή δεξαμενές στα οποία λαμβάνουν χώρα χημικές ή βιολογικές αντιδράσεις καλούνται αντιδραστήρες. Οι βασικοί τύποι αντιδραστήρων που χρησιμοποιούνται για την επεξεργασία των υγρών αποβλήτων είναι:. αντιδραστήρας διαλείποντος έργου (batch reactor). αυλωτός αντιδραστήρας (plug-flow or tubular-flow reactor) 3. αντιδραστήρας πλήρους ανάδευσης (cstr, continuous-flow stirred-tan reactor) 4. αντιδραστήρες πλήρους ανάδευσης σε σειρά 5. αντιδραστήρας ενδιάμεσου τύπου (arbitary-flow reactor) 6. αντιδραστήρας σταερής κλίνης (paced-bed reactor) 7. αντιδραστήρας ρευστοποιημένης κλίνης (fluidized-bed reactor) Η ταξινόμηση των πέντε πρώτων αντιδραστήρων γίνεται με βάση τα υδραυλικά τους χαρακτηριστικά. Οι ομογενείς αντιδράσεις λαμβάνουν χώρα σε αυτού του τύπου τους αντιδραστήρες. Οι ετερογενείς αντιδράσεις λαμβάνουν χώρα στους δύο τελευταίους τύπους αντιδραστήρων. Λειτουργικοί παράγοντες που πρέπει να ληφούν υπόψη για την επιλογή του τύπου του αντιδραστήρα ή των αντιδραστήρων για την επεξεργασία των υγρών αποβλήτων περιλαμβάνουν:. τη φύση του υγρού απόβλητου που α υποστεί επεξεργασία. την κινητική των αντιδράσεων που επικρατούν στις διεργασίες επεξεργασίας 3. τις απαιτήσεις των διεργασιών και 4. τις τοπικές περιβαλλοντικές συνήκες Στην πράξη, το πάγιο, το λειτουργικό αλλά και το κόστος συντήρησης επηρεάζουν την επιλογή του αντιδραστήρα. διαλείποντος έργου Δεν υπάρχει ροή από ή προς τον αντιδραστήρα. Το υγρό περιεχόμενο αναμιγνύεται πλήρως. Για παράδειγμα το BOD τεστ πραγματοποιείται σε αντιδραστήρα διαλείποντος έργου.
ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ 57 Αυλωτός αντιδραστήρας Σωματίδια ρευστού περνούν μέσα από τον αντιδραστήρα και εξέρχονται με την ίδια σειρά που εισέρχονται. Τα σωματίδια διατηρούν την ταυτότητά τους και παραμένουν στον αντιδραστήρα για χρόνο ίσο με τον εωρητικό χρόνο παραμονής. Αυτός ο τύπος ροής προσεγγίζεται στις μακριές δεξαμενές με υψηλό λόγο μήκους προς πλάτος όπου η διαμήκης διασπορά είναι αμελητέα. συνεχούς ροής με ανάδευση Η πλήρης ανάμειξη συμβαίνει όταν τα σωματίδια εισέρχονται στη δεξαμενή και διασπείρονται αμέσως σε όλο τον αντιδραστήρα. Τα σωματίδια αφήνουν τον αντιδραστήρα σε αναλογία με τον στατιστικό πληυσμό τους. Πλήρης ανάμειξη μπορεί να επιτευχεί σε στρογγυλές ή τετράγωνες δεξαμενές όταν το περιεχόμενο των δεξαμενών αναδιανέμεται ομοιόμορφα και συνεχώς. ενδιάμεσου τύπου Ενδιάμεση ροή είναι οποιοσδήποτε βαμός μερικής ανάμειξης μεταξύ εμβολικής ροής και πλήρους ανάμειξης.
58 ΤΥΠΟΙ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΩΝ Αντιδραστήρες συνεχούς λειτουργίας και πλήρους ανάδευσης σε σειρά Το μοντέλο ροής σε αντιδραστήρες πλήρους ανάμειξης σε σειρά χρησιμοποιείται για τη μοντελοποίηση ροών που ανταποκρίνονται σε αντιδραστήρες πλήρους ανάδευσης και αυλωτούς. Εάν η σειρά αποτελείται από ένα αντιδραστήρα, επικρατεί το μοντέλο της πλήρους ανάδευσης. Εάν η σειρά αποτελείται από άπειρο αριμό αντιδραστήρων τότε επικρατεί το μοντέλο της εμβολικής ροής. σταερής κλίνης Οι αντιδραστήρες σταερής κλίνης γεμίζονται με κάποιο πληρωτικό υλικό, όπως χαλίκια, πλαστικά, κεραμικά. Ανάλογα με τη ροή μπορεί να είναι τελείως γεμάτοι (αναερόβιο φίλτρο) ή μισογεμάτοι ( χαλικοδιυλιστήριο). Πληρωτικό υλικό ρευστοποιημένης κλίνης Ρευστοποιημένο πληρωτικό υλικό Ο αντιδραστήρας ρευστοποιημένης κλίνης είναι παρόμοιος με τον αντιδραστήρα σταερής κλίνης μόνο που το πληρωτικό υλικό αιωρείται από το ρεύμα ανοδικής ροής (αέρα ή νερού) μέσα από την κλίνη. Το πορώδες της κλίνης μεταβάλλεται ελέγχοντας τη ροή του ρευστού.
ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ 59 4.3. Συστήματα ροής αντιδραστήρων και συνδυασμοί αντιδραστήρων Μερικά από τα πιο συνηισμένα συστήματα ροής και συνδυασμοί αντιδραστήρων δίνονται στα ακόλουα σχήματα. Το σύστημα ροής του Σχήματος (α) χρησιμοποιείται για να επιτευχούν ενδιάμεσης στάμης επεξεργασίες με την ανάμειξη διαφόρων ποσοτήτων επεξεργασμένων και ανεπεξέργαστων αποβλήτων. Είσοδος (α) Πα ράκαμψη Το σύστημα ροής του Σχήματος (β) χρησιμοποιείται για να επιτευχεί καλύτερος έλεγχος της διεργασίας. Είσοδος Ανακυκλοφορία Η ανακυκλοφορία μπορεί να πραγματοποιηεί πριν ή μετά από μια άλλη διεργασία επεξεργασίας (β) Τα συστήματα ροής των Σχημάτων (γ) και (δ) χρησιμοποιούνται για να μειώσουν τη φόρτιση που εφαρμόζεται στην κεφαλή ενός αυλωτού αντιδραστήρα. Είσοδος Ανακυκλοφορία Η ανακυκλοφορία μπορεί να πραγματοποιηεί πριν ή μετά από μια άλλη διεργασία επεξεργασίας (γ)
6 ΤΥΠΟΙ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΩΝ Είσοδος Ανακυκλοφορία Η να ανακυκλοφορία μπορεί πραγματοποιηεί πριν ή μετά από μια άλλη διεργασία επεξεργασίας (δ) 4.4 Εφαρμογή ανάλυσης ισοζυγίου μάζας Ένα ισοζύγιο μάζας παρέχει έναν εύκολο τρόπο ορισμού του τι συμβαίνει μέσα στις μονάδες επεξεργασίας σα συνάρτηση του χρόνου. Για να εξηγήσουμε τις βασικές αρχές που εμπεριέχονται, α γίνει μια ανάλυση ισοζυγίου μάζας στο περιεχόμενο του αντιδραστήρα που φαίνεται σχηματικά στο ακόλουο διάγραμμα: Όρια συστήματος Αναδευτήρας Q, o Q,, Πρώτα απ όλα πρέπει να καοριστούν τα όρια του συστήματος (όγκος ελέγχου) έτσι ώστε να ταυτοποιηούν όλες οι ροές μάζας μέσα και έξω από το σύστημα. Ο όγκος ελέγχου ορίζεται με τη διακεκομμένη γραμμή. Η σωστή επιλογή του όγκου ελέγχου είναι ιδιαίτερα σημαντική γιατί, σε πολλές περιπτώσεις, μπορούν να απλοποιηούν οι υπολογισμοί των ισοζυγίων μάζας. Για να εφαρμοστεί ανάλυση ισοζυγίων μάζας για τον αντιδραστήρα συνεχούς ροής με ανάδευση του παραπάνω Σχήματος, γίνονται οι ακόλουες παραδοχές: η ογκομετρική παροχή μέσα και έξω από τον αντιδραστήρα είναι σταερή
ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ 6 το υγρό μέσα στον αντιδραστήρα δεν υπόκειται σε εξάτμιση (ισοερμοκρασιακές συνήκες) το υγρό μέσα στον αντιδραστήρα αναμιγνύεται πλήρως μέσα στον αντιδραστήρα λαμβάνει χώρα χημική αντίδραση του συστατικού και η μεταβολή της συγκέντρωσης του συστατικού μέσα στον αντιδραστήρα ακολουεί κινητική πρώτης τάξης (r -) Για τις παραπάνω παραδοχές, το ισοζύγιο μάζας γράφεται ως εξής: Γενική έκφραση: Ρυμός συσσώρευσης του συστατικού στον όγκο ελέγχου Ρυμός εισόδου του συστατικού στον όγκο ελέγχου - Ρυμός εξόδου του συστατικού από τον όγκο ελέγχου Ρυμός παραγωγής (κατανάλωσης) του συστατικού στον όγκο ελέγχου Απλοποιημένη έκφραση: Συσσώρευση Είσοδος Έξοδος Παραγωγή Συμβολική αναπαράσταση: d Q - Q ( ρυμός αντίδρασης, r ) (4.) d Q - Q ( - ) (4.) όπου όγκος αντιδραστήρα, L 3 d/ ρυμός μεταβολής της συγκέντρωσης του συστατικού μέσα στον αντιδραστήρα, ML -3 T - Q ογκομετρική παροχή εισόδου και εξόδου στον αντιδραστήρα, L 3 T - συγκέντρωση συστατικού στην είσοδο του αντιδραστήρα, ML -3 συγκέντρωση συστατικού στον αντιδραστήρα και την έξοδο, ML -3 K σταερά κινητικής πρώτης τάξης,t - Πριν από την αντικατάσταση αριμητικών τιμών σε οποιοδήποτε ισοζύγιο μάζας, πρέπει να γίνεται πάντοτε έλεγχος των μονάδων σε κάε ανεξάρτητο όρο. 4.4. Ισοζύγιο μάζας για αντιδραστήρα διαλείποντος έργου Σε αυτό το σημείο είναι σκόπιμο να διερευνήσουμε τη διαφορά μεταξύ του όρου μεταβολής του ρυμού που εμφανίζεται σαν μέρος του ρυμού συσσώρευσης και του όρου ρυμού παραγωγής ή κατανάλωσης. Γενικά, αυτοί οι δύο όροι δεν είναι ίσοι, εκτός από την ειδική περίπτωση που δεν υπάρχει ροή εισόδου ή εξόδου στον αντιδραστήρα. Αυτός ο αντιδραστήρας είναι γνωστός σαν αντιδραστήρας
6 ΤΥΠΟΙ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΩΝ διαλείποντος έργου. Σε αυτή την περίπτωση Q και η προηγούμενη εξίσωση παίρνει την ακόλουη μορφή: d ( ρυμός κατανάλωσης, r, ή ρυμός πα ) u ραγωγής, r g (4.3) Όταν δεν υπάρχει ροή, η συγκέντρωση ανά μονάδα όγκου μεταβάλλεται σύμφωνα με το ρυμό αντίδρασης. Όταν υπάρχει ροή, η συγκέντρωση μεταβάλλεται και με την είσοδο και έξοδο από τον αντιδραστήρα. d r (4.4) r n (4.5) για t και για tt d t t n t t (4.6) Για κινητική πρώτης τάξης: r t e (4.7) 4.4. Ισοζύγιο μάζας για αντιδραστήρα συνεχούς ροής με ανάδευση d (4.8) Q-Q r r - (4.9) d Q Q (4.) ' Q β (4.) d/, βq/ (4.) ' ( β ) β t Q β t e e (4.3)
ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ 63 β t ' β t Q β t e βe e β t ' ( ) (4.4) Q β t e e (4.5) β t Q β t e e (4.6) β t Q β t e e K (4.7) β Q β t K e β (4.8) όταν t και, τότε: Q Κ (4.9) β όταν t β t β t ( e ) e Q (4.) β Q (4.) β ( / Q) Απλοποίηση μόνιμης κατάστασης Στις πιο πολλές εφαρμογές στην επεξεργασία των υγρών αποβλήτων, το ισοζύγιο μάζας μπορεί να απλοποιηεί γιατί μας ενδιαφέρει η μακρόχρονη συγκέντρωση του κάε συστατικού (σε μόνιμη κατάσταση). Σε μόνιμη κατάσταση: d και το αρχικό ισοζύγιο μάζας γίνεται: (4.) Q Q (4.3) (4.4) Q
64 ΤΥΠΟΙ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΩΝ 4.4.3 Αυλωτός αντιδραστήρας Το ισοζύγιο μάζας για το συστατικό, σε ένα διαφορικό όγκο ελέγχου, σε έναν αυλωτό αντιδραστήρα είναι: Δ Q x Q x Δ x r Δ (4.5) t Δ Δ Q Q Δx rδ t Δx Δ AΔ x Q Δx rδ t Δx (4.6) (4.7) t Q Δ A Δx r (4.8) όταν Δx Q r (4.9) t A x Για συνήκες μόνιμης κατάστασης και για κινητική n r μεταξύ των ορίων, και, καώς και x και xl, δίνει:, ολοκλήρωση L d A AL dx n Q Q Q H (4.3) όπου Η είναι ο υδραυλικός χρόνος παραμονής.
ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ 65 4.5 Λυμένες ασκήσεις Άσκηση Μια κατοικημένη περιοχή με πληυσμό 5. σκοπεύει να επεκτείνει την μονάδα επεξεργασίας αποβλήτων της. Σε χρόνια ο πληυσμός υπολογίζεται να αυξηεί σε 5. και επίσης ότι φοιτητές την ημέρα α παρευρίσκονται στη περιοχή λόγω λειτουργίας νέου κολεγίου. Επίσης μια νέα βιομηχανία α μεταφερεί στη περιοχή και α συμβάλει με μια μέση παροχή. Mgal/day και μια μέγιστη παροχή.33 Mgal/day για 4h/d λειτουργίας. Η παρούσα μέση ημερήσια παροχή αποβλήτων είναι.6 Mgal/day με εισροές αμελητέες. Οι εισροές έχουν εκτιμηεί πως είναι 5 gal/capita day σε μια μέση ροή και 37.5 gal/capita day στη μέγιστη ροή. Το νερό που α χρησιμοποιείται στα νέα σπίτια αναμένεται να είναι % λιγότερο από αυτό που χρησιμοποιείται στα ήδη υπάρχοντα, λόγο εγκατάστασης μηχανημάτων ελάττωσης κατανάλωσης νερού. Υπολογίστε τη νέα μέση, μέγιστη και ελάχιστη σχεδιασμένες παροχές. Για την εύρεση των συντελεστών αιχμής χρησιμοποιούμε το παρακάτω διάγραμμα. Υποέτουμε πως η μέγιστη βιομηχανική ροή αποβλήτων λαμβάνει χώρα στις ημερήσιες βάρδιες και όχι στη βραδινή. Για τον υπολογισμό των ελαχίστων σχεδιασμένων παροχών υποέτουμε πως ο λόγος της ελάχιστης μέσης παροχής είναι.35 της μέσης παρούσας ροής που παρέχει η κοινότητα. Ωριαίοι συντελεστές αιχμής για παροχές αστικών λυμάτων. Συντελεστής αιχμής είναι ο λόγος της μέγιστης ωριαίας παροχής προς τη μέση παροχή. (Mgal/d x.4383 m 3 /s). Λύση. Υπολογίζουμε τις παρούσες και τις μελλοντικές παροχές ανά κάτοικο. α) Μέση οικιακή ροή αποβλήτων εκτός εισροής - υπολογισμός εισροής: Εισροή 5. 5g / capita day 375.gal / d - υπολογισμός παροχής οικιακών λυμάτων
66 ΤΥΠΟΙ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΩΝ παροχή οικιακών λυμάτων ολική μέση ροή- εισροή.6. 375..5.gal / d β) Υπολογίζουμε την παρούσα ανά κάτοικο παροχή διαιρώντας την υπάρχουσα ροή οικιακών λυμάτων με τον πληυσμό..5.gal / d Παροχή ανά κάτοικο 8.7gal / capita day 5.persons γ) Για μελλοντικές συνήκες υπάρχει μείωση % οπότε η νέα ροή : Νέα παροχή ανά κάτοικο 8.7.9 73.5gal / capita day. Υπολογισμός μελλοντικής μέσης ροής. α) Κάτοικοι που ήδη υπάρχουν.5. gal / d β) Μελλοντικοί κάτοικοι. 73.5gal / capita day 735. gal / d γ) Μαητές ανά ημέρα (από τον πίνακα.4 έχουμε ότι τυπική κατανάλωση για σχολείο 5, gal / capita d gal 3. 7854 L ). 5gal / capita d 5.gal / d Μερικό σύνολο.975.gal / d δ) Συνολική ροή οικιακών λυμάτων (Mgal/d).975 ε) Βιομηχανική ροή (Mgal/d). ζ) Infiltration (Mgal/d) 5. 5gal / capita day.65 6 Συνολική μελλοντική μέση παροχή (Mgal/d).8 3. Υπολογισμός μέγιστων παροχών α) Μέγιστη οικιακή ροή (από τον παραπάνω πίνακα) Ο συντελεστής αιχμής για.975(mgal/d) είναι περίπου 3 Η μέγιστη ωριαία ροή είναι.975(mgal/d) 3. 5.95Mgal / d β) Μέγιστη βιομηχανική παροχή.33mgal / d γ) Εισροή (Mgal/d) 5. 37.5gal / capita day.94mgal / d Συνολική μέγιστη μελλοντική παροχή 7.Mgal / d 6 4. Υπολογισμός ελάχιστης ροής α) Ελάχιστη ροή οικιακών λυμάτων.35. 6.56Mgal / d β) Ελάχιστη ροή βιομηχανικών λυμάτων.mgal / d Συνολική ελάχιστη παροχή.56mgal / d
ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ 67 Άσκηση Υπολογίστε τα χαρακτηριστικά ανά κάτοικο για το BOD και SS, εάν είναι εγκατεστημένοι σκουπιδοφάγοι σε μια στην κοινότητα. Υποέστε ότι μέση ροή ανά κάτοικο είναι gal/d (38L/d). Πως α μπορούσαν τα απόβλητα να ταξινομηούν; Λύση Υπολογίζουμε ανά κάτοικο τις συνεισφορές του BOD και SS Από τους πίνακες του βιβλίου μια τυπική μέση συνεισφορά ανά κάτοικο, για οικιακά απόνερα με νερά κουζίνας είναι: BOD.lbs / capita day SS.6lbs / capita day Όπου mg / L 8.34lb / Mgal οπότε.lb / capita day gal / Mgal BODmg / L lb / Mgal gal / capita day 6 64 mg / L 6.6lb / capita day gal / Mgal SSmg / L 6lb / Mgal 3mg / L gal / capita d Παρατηρούμε πως τα απόνερα μπορούν να ταξινομηούν μεταξύ ενδιάμεσης και ισχυρής κατηγορίας. Άσκηση 3 Για κινητική απομάκρυνσης πρώτης τάξης, αποδείξτε πως η μέγιστη απόδοση για μια σειρά από καλά αναμεμειγμένους αντιδραστήρες επιτυγχάνεται όταν όλοι οι αντιδραστήρες έχουν το ίδιο μέγεος. Λύση Γράφουμε ένα ισοζύγιο μάζας για τον αντιδραστήρα χρησιμοποιώντας κινητική πρώτης τάξης. d Q Q ( ) Για μόνιμη κατάσταση: ( ) Q Q λύνουμε ως προς και έχουμε
ΤΥΠΟΙ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΩΝ 68 Q Q έτω σαν Q οπότε Θεωρώ δύο αντιδραστήρες STR σε σειρά και υπολογίζω το όπου είναι η συγκέντρωση στην έξοδο του δεύτερου αντιδραστήρα. Γενικά ισχύει n n n Για n ( ) ( ) ( ) ( ) Για να γίνει μέγιστη η απόδοση πρέπει η παράγωγος του να γίνει ίση με το. Οπότε ( ) ( [ ] ) t t ( ) ( ) t t ( ) ( ) Για σταερές παροχές