ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5. Μονάδες φυσικής επεξεργασίας

ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ 69 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5. Μονάδες φυσικής επεξεργασίας Οι διεργασίες που χρησιμοποιούνται για την επεξεργασία των υγρών αποβλήτων και στις οποίες οι αλλαγές συμβαίνουν με την εφαρμογή φυσικών δυνάμεων είναι γνωστές σαν φυσικές διεργασίες. Οι μέθοδοι αυτές ήταν και οι πρώτες που χρησιμοποιήθηκαν καθώς προέκυψαν από παρατηρήσεις του φυσικού κόσμου. Σήμερα, οι φυσικές διεργασίες αποτελούν τη βάση όλων των διαγραμμάτων ροής των μονάδων επεξεργασίας υγρών αποβλήτων. Οι φυσικές διεργασίες που χρησιμοποιούνται σήμερα για την επεξεργασία των υγρών αποβλήτων περιλαμβάνουν (1) μέτρηση παροχής, (2) εσχάρωση, (3) εξισορρόπηση παροχής, (4) ανάμειξη, (5) κατακρήμνιση, (6) καθίζηση επιταχυνόμενης βαρύτητας, (7) επίπλευση, (8) διήθηση, (9) μεταφορά αερίων και (10) εξαέρωση και απαερίωση. 5.1 Μέτρηση παροχής Η σωστή εφαρμογή, επιλογή και συντήρηση των συσκευών μέτρησης παροχής είναι κρίσιμη για την αποτελεσματική λειτουργία μιας μοντέρνας μονάδας επεξεργασίας υγρών αποβλήτων. Ένα πλήρες σύστημα μέτρησης παροχής αποτελείται από δύο στοιχεία: (1) ένα αισθητήρα ή ανιχνευτή και (2) ένα μετατροπέα σήματος. Ο αισθητήρας ή ανιχνευτής εκτίθεται ή επηρεάζεται από τη ροή, ενώ ο μετατροπέας είναι μια συσκευή που χρησιμοποιείται για τη μετάφραση του σήματος που διαβάζει ο αισθητήρας σε ένδειξη παροχής. Τύποι και εφαρμογές διατάξεων μέτρησης παροχής Ένας αριθμός διατάξεων και συσκευών είναι διαθέσιμος για την μέτρηση της παροχής σε ανοικτά κανάλια και κλειστά κυκλώματα. Ανοικτά κανάλια Σε ανοικτά κανάλια ή μερικώς γεμάτα κλειστά κυκλώματα, η κεφαλή δημιουργείται από μια παρεμπόδιση όπως αυλάκι ή ρυθμιστική θυρίδα ή από τη διατομή της διαβρεχόμενης επιφάνειας και οι αντίστοιχες ταχύτητες χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό της ογκομετρικής παροχής. Η πιο δημοφιλής συσκευή για την μέτρηση της παροχής σε ανοικτά κανάλια είναι το αυλάκι Parshall. Κλειστά κυκλώματα Τρεις τεχνικές χρησιμοποιούνται κυρίως για την μέτρηση της παροχής σε κλειστά κυκλώματα: (1) παρεμβολή μιας διαταραχής για τη δημιουργία γνωστής απώλειας υδροστατικής κεφαλής ή πτώσης πίεσης, (2) μέτρηση της επίδρασης του κινούμενου ρευστού (π.χ. μεταβολή της ορμής, αλλαγή μαγνητικού πεδίου,

ΜΟΝΑΔΕΣ 70 ΦΥΣΙΚΗΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ εκπομπή ηχητικών κυμάτων) και (3) μέτρηση προσαυξημένων μονάδων όγκου ρευστού. Σωλήνες, στόμια, διατάξεις μέτρησης δυναμικής πίεσης, ροόμετρα και σωλήνες venturi χρησιμοποιούνται για να παράγουν διαφορές πίεσης που μπορούν να μετατραπούν σε ενδείξεις παροχής. Στη δεύτερη κατηγορία υπάγονται συσκευές που καταγράφουν μαγνητικά πεδία, υπέρηχους και στροβιλισμούς. Στην τρίτη κατηγορία ανήκουν συσκευές που χρησιμοποιούν τουρμπίνες και προπέλες, όπου η ταχύτητα περιστροφής συσχετίζεται με την ταχύτητα και την ογκομετρική παροχή. Εικόνα 5.1 Αυλάκι Parshall στη μονάδα επεξεργασίας υγρών αποβλήτων του Δήμου Αγρινίου. 5.2 Εσχαρισμός Η πρώτη διεργασία που απαντάται στις μονάδες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων είναι ο εσχαρισμός. Η εσχάρα είναι μια διάταξη με ανοίγματα, συνήθως ομοιόμορφου μεγέθους, που χρησιμοποιείται για τη συγκράτηση ευμεγεθών στερεών που βρίσκονται στα υγρά απόβλητα. Η εσχάρα μπορεί να αποτελείται από παράλληλες μπάρες, βέργες ή σύρματα, δικτύωμα, συρμάτινο δικτύωμα ή διάτρητες πλάκες και τα ανοίγματα είναι συνήθως κυκλικά ή ορθογώνια. Οι εσχάρες καθαρίζονται είτε χειρωνακτικά είτε μηχανικά. Οι εσχάρες με μπάρες

ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ 71 έχουν ανοίγματα μεγαλύτερα από 15 mm ενώ οι εσχάρες με πλέγμα έχουν ανοίγματα μικρότερα από 15 mm. Εσχάρες με μπάρες: Στην επεξεργασία των υγρών αποβλήτων οι εσχάρες με μπάρες χρησιμοποιούνται για την προστασία αντλιών, βαλβίδων και σωληνώσεων από φράξιμο ή καταστροφή από μεγάλα αντικείμενα. Κόσκινα: Οι εφαρμογές των κόσκινων ποικίλουν από την πρωτοβάθμια επεξεργασία μέχρι την απομάκρυνση των υπολειπόμενων αιωρούμενων στερεών από τις βιολογικές διεργασίες επεξεργασίας. Εικόνα 5.2 Μηχανικές εσχάρες με μπάρες (Degremont) 5.3 Εξισορρόπηση παροχής Οι μεταβολές που παρατηρούνται στην παροχή εισόδου και στην ισχύ των αποβλήτων σε όλες σχεδόν τις μονάδες βιολογικού καθαρισμού συζητήθηκαν σε προηγούμενα κεφάλαια. Η εξισορρόπηση παροχής χρησιμοποιείται για να ξεπεραστούν τα λειτουργικά προβλήματα που προκαλούνται από διακυμάνσεις της παροχής, για να βελτιωθεί η απόδοση των διεργασιών και για να ελαττωθεί το μέγεθος και το κόστος των μονάδων επεξεργασίας.

ΜΟΝΑΔΕΣ 72 ΦΥΣΙΚΗΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ Η εξισορρόπηση της παροχής είναι απλά η απόσβεση των μεταβολών της παροχής έτσι ώστε να επιτυγχάνεται σταθερή ή σχεδόν σταθερή παροχή. Αυτή η τεχνική μπορεί να εφαρμοστεί με ένα αριθμό διαφορετικών περιπτώσεων, ανάλογα με τα χαρακτηριστικά του συστήματος συλλογής. Οι σημαντικότερες εφαρμογές είναι για την εξισορρόπηση των: παροχών ξηρού καιρού παροχών υγρού καιρού από διαφορετικούς υγειονομικούς υπονόμους συνδυασμένων παροχών όμβριων νερών και υγειονομικών αποβλήτων Τα βασικά πλεονεκτήματα από την εφαρμογή της εξισορρόπησης παροχής είναι: ενισχύεται η βιολογική επεξεργασία, γιατί εξαφανίζονται ή ελαχιστοποιούνται οι αιφνίδιες φορτίσεις, τα παρεμποδιστικά συστατικά αραιώνονται και το ph σταθεροποιείται, (2) η ποιότητα της εξόδου και η διεργασία πύκνωσης της λάσπης που ακολουθεί τη δευτεροβάθμια βιολογική επεξεργασία βελτιώνονται λόγω της σταθερής παροχής στερεών, (3) ελαττώνονται οι απαιτήσεις σε επιφάνεια για τα φίλτρα διήθησης, η λειτουργία των φίλτρων βελτιώνεται και οι κύκλοι αντίστροφης πλύσης γίνονται πιο ομοιόμορφοι και (4) στη χημική επεξεργασία, η απόσβεση της υδραυλικής φόρτισης βελτιώνει την τροφοδοσία των χημικών και την αξιοπιστία της μεθόδου. Εκτός όμως από την βελτίωση της λειτουργίας των μονάδων επεξεργασίας, η εξισορρόπηση παροχής είναι μια ελκυστική επιλογή για την αναβάθμιση της λειτουργίας υπερφορτωμένων μονάδων. 5.4 Ανάμειξη Η ανάμειξη είναι μια σημαντική διεργασία σε πολλά στάδια της επεξεργασίας των υγρών αποβλήτων. Η ανάμειξη περιλαμβάνει: (1) την πλήρη ανάμειξη ενός συστατικού με κάποιο άλλο, (2) την ανάμειξη υγρών αιωρημάτων, (3) το ανακάτεμα αναμίξιμων ρευστών, (4) την συσσωμάτωση και (5) τη μεταφορά θερμότητας. Στις διεργασίες δραστικής λάσπης, το περιεχόμενο της δεξαμενής αερισμού πρέπει να αναμιγνύεται και αέρας ή καθαρό οξυγόνο πρέπει να παρέχεται για να εφοδιάζει τους μικροοργανισμούς με το απαραίτητο γι αυτούς οξυγόνο. Διαχεόμενος αέρας χρησιμοποιείται συχνά για να ικανοποιήσει απαιτήσεις ανάμειξης αλλά και οξυγόνωσης. Εναλλακτικά, χρησιμοποιούνται μηχανικές τουρμπίνες ανάμειξης-αερισμού. Στην αναερόβια χώνευση, η ανάμειξη χρησιμοποιείται για να επιταχύνει τις διεργασίες βιολογικής μετατροπής και για να ζεσταίνει ομοιόμορφα το περιεχόμενο του αντιδραστήρα. Οι περισσότερες διεργασίες ανάμειξης στα υγρά απόβλητα διακρίνονται σε συνεχής γρήγορη ανάμειξη (30 s ή λιγότερο) και σε συνεχή ανάμειξη.

ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ 73 Συνεχής γρήγορη ανάμειξη. Η συνεχής γρήγορη ανάμειξη χρησιμοποιείται συνήθως για την ανάμειξη ενός συστατικού με κάποιο άλλο. Η γρήγορη ανάμειξη κυμαίνεται από μερικά κλάσματα του δευτερολέπτου μέχρι 30 s. Η γρήγορη ανάμειξη χημικών σε ένα ρευστό μπορεί να πραγματοποιηθεί με πολλούς τρόπους, όπως (1) με υδραυλικά άλματα σε ανοιχτά κανάλια, (2) σε αυλάκια Venturi, (3) σε σωληνώσεις, (4) με άντληση, (5) με στατικούς αναμείκτες και (6) με μηχανικούς αναμείκτες. Με τους τέσσερις πρώτους τρόπους, η ανάμειξη προκύπτει σαν αποτέλεσμα της τυρβότητας στην περιοχή ροής. Στους στατικούς αναμείκτες, η τυρβότητα εισάγεται με τη διασκόρπιση της ενέργειας. Στη μηχανική ανάμειξη, η τυρβότητα εισάγεται με την εισροή ενέργειας με περιστρεφόμενα πτερύγια όπως προπέλες, τουρμπίνες και κουπιά. Εικόνα 5.3 Σύστημα ανάμειξης πολυηλεκτολύτη στη μονάδα επεξεργασίας υγρών αποβλήτων του Δήμου Αγρινίου. Συνεχής ανάμειξη. Η συνεχής ανάμειξη χρησιμοποιείται όταν απαιτείται να διατηρηθεί υπό τη μορφή αιωρήματος και πλήρως αναμεμειγμένο το περιεχόμενο ενός αντιδραστήρα. Η συνεχής ανάμειξη πραγματοποιείται με διάφορους τρόπους όπως (1) μηχανικούς αναμείκτες, (2) πνευματικά, (3) με στατικούς αναμείκτες και (4) με άντληση. Στη μηχανική ανάδευση, όπως προαναφέρθηκε, η ενέργεια

ΜΟΝΑΔΕΣ 74 ΦΥΣΙΚΗΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ εισάγεται με περιστρεφόμενα πτερύγια. Στην πνευματική ανάμειξη πραγματοποιείται έγχυση αερίων. Εικόνα 5.4 Ανάμειξη-αερισμός δραστικής λάσπης (Degremont) 5.5 Ιζηματοποίηση Ιζηματοποίηση είναι ο διαχωρισμός των αιωρούμενων στερεών από το νερό. Ο διαχωρισμός αυτός πραγματοποιείται με δυνάμεις βαρύτητας όταν τα σωματίδια είναι βαρύτερα από το νερό. Η ιζηματοποίηση είναι η πλέον χρησιμοποιούμενη διεργασία στις μονάδες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων. Αντί για τον όρο ιζηματοποίηση χρησιμοποιείται και ο όρος καθίζηση. Η ιζηματοποίηση χρησιμοποιείται για την απομάκρυνση της άμμου, για την απομάκρυνση διακριτών πολύ μικρών σωματιδίων από τη δεξαμενή πρωτοβάθμιας καθίζησης, για την απομάκρυνση βιολογικών κροκίδων από τη δεξαμενή καθίζησης δραστικής λάσπης, και για την απομάκρυνση χημικών κροκίδων όταν λαμβάνει χώρα χημική συσσωμάτωση. Η ιζηματοποίηση χρησιμοποιείται επίσης για τη αύξηση της συγκέντρωσης των στερεών κατά την πύκνωση της λάσπης. Στις πιο πολλές περιπτώσεις ο στόχος είναι η διαυγής έξοδος αλλά εξίσου σημαντική είναι και η πύκνωση της λάσπης έτσι ώστε να γίνεται εύκολα η μεταφορά και ο χειρισμός της.

ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ 75 Με βάση τη συγκέντρωση και την τάση των σωματιδίων να αλληλεπιδρούν, διακρίνουμε 4 τύπους καθίζησης: διακεκριμένου σωματιδίου, συσσωμάτωσης, παρεμπόδισης (ή ζώνης) και συμπίεσης. Κατά τη διάρκεια της ιζηματοποίησης, είναι σύνηθες να λαμβάνουν χώρα περισσότεροι από ένας τύποι καθίζησης κάθε φορά, ενώ είναι δυνατό να συμβαίνουν και οι 4 τύποι ταυτόχρονα. Ανάλυση καθίζησης διακεκριμένου σωματιδίου Η καθίζηση διακεκριμένων σωματιδίων μπορεί να αναλυθεί με τους κλασσικούς νόμους για την καθίζηση των Newton και Stokes. Ο νόμος του Newton προσδιορίζει την τελική ταχύτητα του σωματιδίου εξισώνοντας τη βαρυτική δύναμη ενός σωματιδίου με την αντίσταση της τριβής ή οπισθέλκουσα. Η δύναμη βαρύτητας δίνεται από την ακόλουθη σχέση: Δύναμη ( ρ ρ) gv βαρύτητας = (5.1) s όπου ρ s = πυκνότητα σωματιδίου ρ= πυκνότητα του ρευστού g= επιτάχυνση της βαρύτητας V= όγκος σωματιδίου Η οπισθέλκουσα εξαρτάται από την ταχύτητα του σωματιδίου, την πυκνότητα του ρευστού, το ιξώδες του ρευστού, τη διάμετρο του σωματιδίου, το συντελεστή οπισθέλκουσας και ορίζεται από την ακόλουθη σχέση: CD Aρν Οπισθέλκουσα = 2 (5.2) όπου C D = συντελεστής οπισθέλκουσας A= επιφάνεια διατομής ή προβολής του σωματιδίου ν= ταχύτητα σωματιδίου Εξισώνοντας τη δύναμη της βαρύτητας με την οπισθέλκουσα για σφαιρικά σωματίδια προκύπτει ο νόμος του Newton: όπου V C = τελική ταχύτητα σωματιδίου d= διάμετρος σωματιδίου 2 1 4 g( ρs ρ) d 2 Vc = (5.3) 3 CD ρ Για το σχεδιασμό μιας δεξαμενής καθίζησης, η συνηθισμένη διαδικασία είναι η επιλογή ενός σωματιδίου με τελική ταχύτητα V C και ο σχεδιασμός της δεξαμενής έτσι ώστε όλα τα σωματίδια με τελική ταχύτητα ίση ή μεγαλύτερη από V C να απομακρύνονται. Ο ρυθμός με τον οποίο παράγεται το διαυγασμένο νερό:

ΜΟΝΑΔΕΣ 76 ΦΥΣΙΚΗΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ Εικόνα 5.5 Δεξαμενή πρωτοβάθμιας καθίζησης (Κέντρο Επεξεργασίας Λυμάτων Ψυττάλειας) Q = AV c (5.4) όπου Α είναι η επιφάνεια της δεξαμενής καθίζησης. Από την εξίσωση 5.4 προκύπτει σχέση 5.5: Q V c = (5.5) A η οποία δείχνει ότι η ταχύτητα υπερχείλισης ή επιφανειακή φόρτιση, μια συνηθισμένη σχεδιαστική παράμετρος, ισούται με την ταχύτητα καθίζησης. Για καθίζηση συνεχούς ροής, το μήκος της δεξαμενής και ο χρόνος παραμονής πρέπει να είναι υπολογίζονται έτσι ώστε τα σωματίδια με ταχύτητα σχεδιασμού V C να παραμένουν στον πυθμένα της δεξαμενής: βάθος V c = (5.6) χρόνος παραμονής Τα σωματίδια με ταχύτητα καθίζησης μικρότερη από V C θα απομακρυνθούν κατά το κλάσμα: Vp X r = (5.7) V c

ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ 77 όπου X r είναι το κλάσμα των σωματιδίων με ταχύτητα καθίζησης V p που απομακρύνεται. Το συνολικό κλάσμα των σωματιδίων που απομακρύνεται δινεται από την ακόλουθη σχέση: X c Vp Κλάσμα που απομακρύνεται = ( 1 Xc ) + dx (5.8) Vc 0 όπου: 1-Xc =κλάσμα σωματιδίων με ταχύτητα Vp μεγαλύτερη από Vc X c Vp dx =κλάσμα σωματιδίων που απομακρύνονται με Vp μικρότερη από Vc Vc 0 Εικόνα 5.6 Κυκλική δεξαμενή καθίζησης Παρίσι - Διάμετρος 52m, παροχή 300,000 m 3 /d. (Degremont) Καθίζηση επιταχυνόμενης βαρύτητας Η καθίζηση, όπως περιγράφηκε στην προηγούμενη παράγραφο, πραγματοποιείται κάτω από την επίδραση της βαρύτητας σε ένα πεδίο σταθερής επιτάχυνσης. Σκοπός αυτής της παραγράφου είναι να μας εισαγάγει στο διαχωρισμό στερεών με επιταχυνόμενη βαρύτητα. Ένας αριθμός συσκευών έχει αναπτυχθεί, που

ΜΟΝΑΔΕΣ 78 ΦΥΣΙΚΗΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ χρησιμοποιούν βαρύτητα και φυγόκεντρες δυνάμεις καθώς και επιβαλλόμενες ταχύτητες για την απομάκρυνση της άμμου από τα υγρά απόβλητα. 5.6 Επίπλευση Η επίπλευση είναι μια διεργασία που χρησιμοποιείται για το διαχωρισμό στερεών ή υγρών σωματιδίων από την υγρή φάση. Ο διαχωρισμός πραγματοποιείται με την εισαγωγή στη υγρή φάση, πολύ μικρών φυσαλίδων. Οι φυσαλίδες προσκολλούνται στην μικροσκοπική ύλη και η συνδυασμένη άνωση της φυσαλίδας και των σωματιδίων είναι αρκετή για να προκαλέσει την ανύψωση των σωματιδίων στην επιφάνεια. Με αυτό τον τρόπο μπορούν να ανυψωθούν ακόμη και σωματίδια που έχουν πυκνότητα μεγαλύτερη από του υγρού. Στην επεξεργασία των υγρών αποβλήτων, η επίπλευση χρησιμοποιείται κυρίως για την απομάκρυνση αιωρούμενης ύλης και για τη συγκέντρωση βιολογικής λάσπης. Το πλεονέκτημα της επίπλευσης έναντι της καθίζησης είναι ότι πολύ μικρά ή ελαφριά σωματίδια που καθιζάνουν πολύ αργά, μπορούν να απομακρυνθούν τελείως σε μικρότερο χρόνο. Όταν τα σωματίδια επιπλέουν στην επιφάνεια μπορούν να συλλεχθούν με διαδικασία ξαφρίσματος. Εικόνα 5.7 Σύστημα επίπλευσης στη μονάδα επεξεργασίας υγρών αποβλήτων του Δήμου Αγρινίου. Λεπτομέρειες από το εσωτερικό του συστήματος.

ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ 79 Εικόνα 5.8 Σύστημα επίπλευσης στη μονάδα επεξεργασίας υγρών αποβλήτων του Δήμου Αγρινίου. Λεπτομέρειες από τη λειτουργία του συστήματος. Η σύγχρονη πρακτική όπως εφαρμόζεται στην επεξεργασία των υγρών αποβλήτων περιορίζεται στη χρήση αέρα ως μέσου επίπλευσης. Οι φυσαλίδες αέρα προστίθενται ή δημιουργούνται με μία από τις ακόλουθες μεθόδους: Έγχυση αέρα ενώ το υγρό βρίσκεται υπό πίεση ακολουθούμενη από εκτόνωση του υγρού (επίπλευση διαλυμένου αέρα) Αερισμός υπό ατμοσφαιρική πίεση (επίπλευση με αέρα) Κορεσμός με αέρα υπό ατμοσφαιρική πίεση, ακολουθούμενη από εφαρμογή κενού στο υγρό (επίπλευση υπό κενό). 5.7 Διήθηση Αν και η διήθηση είναι μία από τις βασικές διεργασίες στην επεξεργασία του πόσιμου νερού, η διήθηση της εξόδου βιολογικών καθαρισμών είναι σχετικά πρόσφατη πρακτική. Η διήθηση χρησιμοποιείται σήμερα εκτεταμένα για την επίτευξη επιπλέον απομάκρυνσης αιωρούμενων στερεών (συμπεριλαμβανομένου και σωματιδιακού BOD) από τις εξόδους βιολογικών και χημικών μονάδων επεξεργασίας. Η διήθηση χρησιμοποιείται επίσης για την απομάκρυνση του χημικά κατακρημνισμένου φωσφόρου.

ΜΟΝΑΔΕΣ 80 ΦΥΣΙΚΗΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ Εικόνα 5.9 Χαλικοδιυλιστήρια στη μονάδα επεξεργασίας υγρών αποβλήτων του Δήμου Αγρινίου.

ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ 81 Η συνολική λειτουργία της διήθησης αποτελείται από δύο φάσεις: διήθηση και καθάρισμα ή αναγέννηση (αντίστροφη πλύση). Ενώ η περιγραφή των φαινομένων που λαμβάνουν χώρα κατά τη φάση της διήθησης είναι ουσιαστικά η ίδια για όλα τα φίλτρα που χρησιμοποιούνται για τη διήθηση των υγρών αποβλήτων, η αντίστροφη πλύση είναι διαφορετική και εξαρτάται από το αν η λειτουργία του φίλτρου είναι συνεχής ή ημισυνεχής. Στη συνεχή λειτουργία η διήθηση και η αντίστροφη πλύση συμβαίνουν ταυτόχρονα, ενώ στην ημισυνεχή λειτουργία η διήθηση και η αντίστροφη πλύση συμβαίνουν διαδοχικά. Ένας μεγάλος αριθμός ανεξάρτητων συστημάτων διήθησης έχουν προταθεί και κατασκευαστεί. Οι βασικότεροι τύποι φίλτρων κοκκώδους υλικού ταξινομούνται σύμφωνα με: (1) τον τύπο λειτουργίας, (2) τον τύπο του πληρωτικού υλικού, (3) την κατεύθυνση της ροής κατά τη φάση της διήθησης, (4) τη διεργασία αντίστροφης πλύσης και (5) τη μέθοδο ελέγχου της ροής. 5.8 Μεταφορά αερίων Η μεταφορά αερίων ορίζεται ως η διεργασία με την οποία αέριο μεταφέρεται από τη μία φάση στην άλλη, συνήθως από την αέρια στην υγρή φάση. Η μεταφορά αερίων είναι ζωτικής σημασίας για πολλές διεργασίες στην επεξεργασία υγρών αποβλήτων. Για παράδειγμα, η λειτουργία των αερόβιων διεργασιών όπως η βιολογική διήθηση της ενεργούς ιλύος και η αερόβια χώνευση, εξαρτώνται από τη διαθεσιμότητα ικανοποιητικών ποσοτήτων οξυγόνου. Το χλώριο, όταν χρησιμοποιείται σαν αέριο, πρέπει να μεταφέρεται σε διάλυση στο νερό για απολυμαντικούς λόγους. Επίσης οξυγόνο χρησιμοποιείται συχνά στην έξοδο μετά τη χλωρίωση. Μια διεργασία για την απομάκρυνση των συστατικών του αζώτου είναι η μετατροπή του αζώτου σε αμμωνία και η μεταφορά της αμμωνίας από το νερό στον αέρα. Λόγω της χαμηλής διαλυτότητας του οξυγόνου και κατά συνέπεια του χαμηλού ρυθμού μεταφοράς οξυγόνου, δεν υπεισέρχεται ικανοποιητική ποσότητα οξυγόνου στο νερό από τη διεπιφάνεια αέρα νερού. Για τη μεταφορά της απαιτούμενης ποσότητας οξυγόνου απαιτείται να δημιουργηθούν επιπλέον διεπιφάνειες. Έτσι, αέρας ή οξυγόνο μπορεί να προστεθούν στο υγρό ή το υγρό υπό τη μορφή σταγόνων μπορεί να εκτεθεί στην ατμόσφαιρα. Στην επεξεργασία των υγρών αποβλήτων, συνήθως χρησιμοποιούνται βυθιζόμενοι αεριστήρες, που παράγουν φυσαλίδες, σε βάθος μέχρι και 10 m. Οι συσκευές αερισμού περιλαμβάνουν πορώδεις δίσκους και σωλήνες, διάτρητους σωλήνες και πολλές διατάξεις μεταλλικών ή πλαστικών διαχυτήρων. Εναλλακτικά, για την εισαγωγή μεγάλων ποσοτήτων οξυγόνου στο υγρό, μπορούν να χρησιμοποιηθούν επιφανειακοί αεριστήρες που συνήθως αποτελούνται από τουρμπίνες χαμηλής ή υψηλής ταχύτητας. Επίσης, μπορεί να χρησιμοποιηθούν αεριστήρες που επιπλέουν και είναι μισοβυθισμένοι στο ρευστό. Οι διατάξεις

ΜΟΝΑΔΕΣ 82 ΦΥΣΙΚΗΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ αυτές είναι σχεδιασμένες για να αναμειγνύουν το ρευστό και για να το εκθέτουν στην ατμόσφαιρα υπό τη μορφή μικρών σταγόνων. Εικόνα 5.10 Μεταφορά οξυγόνου με σωληνώσεις και διάτρητους δίσκους (Degremont) 5.9 Εξαέρωση και απαερίωση Τα τελευταία χρόνια ανιχνεύεται ένας μεγάλος αριθμός πτητικών οργανικών ενώσεων (VOCs) όπως τριχλωρο-αιθυλένιο (TCE) και 1,2- διβρωμο- 3- χλωροπροπάνιο (DBCP), στα υγρά απόβλητα. Η ανεξέλεγκτη απελευθέρωση αυτών των συστατικών στα συστήματα συλλογής και στις μονάδες επεξεργασίας αποτελεί σήμερα ένα πολύ σημαντικό πρόβλημα. Οι βασικοί μηχανισμοί που καθορίζουν την απελευθέρωση των VOCs είναι (1) η εξαέρωση και (2) η απαερίωση. Εξαέρωση: Η απελευθέρωση των VOCs από την επιφάνεια των υγρών αποβλήτων στην ατμόσφαιρα καλείται εξαέρωση. Τα πτητικά οργανικά συστατικά απελευθερώνονται επειδή διαχωρίζονται μεταξύ της υγρής και της αέριας φάσης μέχρι να επιτευχθούν οι συγκεντρώσεις ισορροπίας. Η μεταφορά ενός συστατικού μεταξύ αυτών των δύο φάσεων είναι συνάρτηση της συγκέντρωσης του συστατικού σε κάθε φάση σε σχέση με τη συγκέντρωση ισορροπίας. Έτσι, η μεταφορά ενός συστατικού μεταξύ των δύο φάσεων είναι μεγαλύτερη όταν η συγκέντρωση σε μία από τις δύο φάσεις είναι μακριά από την ισορροπία. Επειδή η

ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ 83 συγκέντρωση των VOCs στην ατμόσφαιρα είναι πολύ χαμηλή, η μεταφορά των VOCs συνήθως συμβαίνει από τα υγρά απόβλητα προς την ατμόσφαιρα. Απαερίωση: Η απαερίωση των VOCs συμβαίνει όταν αέριο (συνήθως αέρας) εισέρχεται προσωρινά στο απόβλητο. Όταν ο αέρας εισέρχεται στο απόβλητο, τα VOCs μεταφέρονται από το υγρό απόβλητο στον αέρα. Οι δυνάμεις που καθορίζουν τη μεταφορά είναι αυτές που περιγράφτηκαν πιο πάνω. Για το λόγο αυτό η απαερίωση είναι πιο αποτελεσματική όταν το υγρό απόβλητο εκτίθεται σε καθαρό (χωρίς ρύπους) αέρα.

ΜΟΝΑΔΕΣ 84 ΦΥΣΙΚΗΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ 5.10 Λυμένες ασκήσεις Άσκηση 1 Μια κατανομή διακεκριμένου σωματιδίου έχει αποκτηθεί από ανάλυση με κόσκινα. Για καθένα από τα κλάσματα βάρους των σωματιδίων έχει υπολογιστεί μια μέση ταχύτητα σωματιδίων. Τα δεδομένα δίνονται από τον παρακάτω πίνακα. Ποιο είναι το συνολικό κλάσμα των σωματιδίων που απομακρύνονται για συνολική ροή 10 5 gal/ft 2 day (4075 m 3 /m 2 d); Ταχύτητα καθίζησης σωματιδίου ft/min Ταχύτητα καθίζησης σωματιδίου m/min Κλάσμα βάρους που απομένει 10.0 5.0 2.0 1.0 0.75 0.5 3.0 1.5 0.60 0.03 0.23 0.15 0.55 0.46 0.35 0.21 0.11 0.03 ΛΥΣΗ Σχεδιάζουμε το διάγραμμα του κλάσματος των σωματιδίων που απομένουν σε σχέση με τη ταχύτητα. Στη συνέχεια υπολογίζουμε την κρίσιμη ταχύτητα Vc των σωματιδίων όταν η ροή στον διαχωριστή είναι 10 5 gal/ft 3. 5 2 10 gal / ft day V c = = 9.3 ft / min (2.8 m/min) 3 7.48 gal / ft ( 24h / d)( 60 min)

ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ 85 Υπολογίζουμε το κλάσμα των σωματιδίων που απομακρύνεται από το τύπο Xc V Κλάσμα που απομακρύνεται = ( 1 X ) P c + dx 0 Vc 1 Xc κλάσμα σωματιδίων με ταχύτητα Vp μεγαλύτερη από Vc ( ) = X 0 c VP dx = κλάσμα σωματιδίων που απομακρύνονται με Vp μικρότερη από Vc Vc Παρατηρούμε πως το 0.55 των σωματιδίων έχουν ταχύτητα μικρότερη από 9.3 ft/min. Η γραφική ολοκλήρωση του δεύτερου όρου στο δεξί μέρος της παραπάνω εξίσωσης μπορεί να υπολογιστεί με το άθροισμα μιας σειράς ορθογωνίων. (Το Vc είναι σταθερό οπότε μπορεί να βγει έξω από το ολοκλήρωμα.) dx Vp Vp dx 0.05 0.4 0.020 0.13 0.8 0.104 0.1 1.1 0.110 0.09 1.7 0.153 0.07 2.8 0.196 0.07 5.2 0.364 0.04 8.3 0.332 0.05 1.297 X Xc V 0 V 1.297 9.3 Κλάσμα που απομακρύνεται = ( 1 c ) + dx = ( 1 0.55) + = 0. 588 P c Άσκηση 2 Υπολόγισε την ικανότητα απομάκρυνσης μιας δεξαμενής καθίζησης με κρίσιμη ταχύτητα V o =6.5 ft/h που χρησιμοποιείται για την επεξεργασία υγρών αποβλήτων. Οι ταχύτητες των σωματιδίων δίνονται στον παρακάτω πίνακα. Δημιούργησε ένα ιστόγραμμα που θα δείχνει την είσοδο και την έξοδο των σωματιδίων. Ταχύτητα ft/h Αριθμός σωματιδίων 0.0-1.5 20 1.5-3.0 40 3.0-4.5 80 4.5-6.0 120 6.0-7.5 100 7.5-9.0 70

ΜΟΝΑΔΕΣ 86 ΦΥΣΙΚΗΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ 9.0-10.5 20 10.5-12.0 10 Λύση Δημιουργούμε τον παρακάτω πίνακα: Αριθμ. σωμ. στην είσοδο Vavg ft/hr Vavg/Vc Αριθμ. σωμ. που απομακρύνονται Vavg/Vc Νο Αριθμ. σωμ. στην έξοδο 20 0.75 0.12 2.3 17.7 40 2.25 0.35 13.8 26.2 80 3.75 0.58 46.2 33.8 120 5.25 0.81 96.9 23.1 100 6.75 >1 100 0 70 8.25 >1 70 0 20 9.75 >1 20 0 10 11.25 >1 10 0 Σ 460 359.2 100.8 Στη συνέχεια υπολογίζουμε την ικανότητα απομάκρυνσης. 359. 2 R.E= 100% = 78. 1% 460 Το ιστόγραμμα δίνεται παρακάτω: 120 100 80 Influent Efluent 60 40 20 0 0-1.5 1.5-3 3-4.5 4-6.0 6-7.5 7.5-9 9-10.5 10.5-12 Άσκηση 3 Ο ρυθμός ροής ενός ιδανικού διαχωριστή είναι 2 Mgal/d με χρόνο παραμονής 1 ώρα και βάθος δεξαμενής 10 ft. Εάν ένας οριζόντιος μετακινούμενος δίσκος κατά μήκος όλης της δεξαμενής τοποθετείται σε ύψος 3 ft από την επιφάνεια του

ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ 87 νερού, υπολογίστε το ποσοστό απομάκρυνσης των σωματιδίων με μια μέση ταχύτητα σωματιδίων 3 ft/h. Θα μπορούσε η ικανότητα απομάκρυνσης από τον διαχωριστή να βελτιωθεί μετακινώντας το δίσκο; Εάν ναι, πως θα έπρεπε να τοποθετηθεί και ποια θα ήταν η μέγιστη απομάκρυνση; Ποια επίδραση θα είχε η μεταφορά του δίσκου εάν η μέση ταχύτητα των σωματιδίων ήταν 1ft/h; Λύση Υπολογίζουμε την ικανότητα απομάκρυνσης για τα σωματίδια με μια μέση ταχύτητα καθίζησης 3 ft/h και βάθος δίσκου 3ft. Το ποσοστό απομάκρυνσης για τα σωματίδια πάνω από το δίσκο είναι : P = Vsolids Vcritical 3ft 100 % = 100% = 100% 3ft Το ποσοστό απομάκρυνσης για τα σωματίδια κάτω από το δίσκο είναι: P = Vsolids Vcritical 3ft 100 % = 100% = 42.9% 7ft Η συνολική απομάκρυνση δίνεται από τον τύπο: 100% 3 + 42.95% 7 R. E = = 60% 10 Στη συνέχεια υπολογίζουμε την επίδραση της μεταφοράς του δίσκου. α) Για D 3 ft Το ποσοστό απομάκρυνσης για τα σωματίδια πάνω από το δίσκο είναι: P = Vsolids Vcritical 3ft 100 % = 100% = 100% V 3ft Το ποσοστό απομάκρυνσης για τα σωματίδια κάτω από το δίσκο είναι: P = Vsolids Vcritical 100% = 3 ft 300 ft 100% = % ft 10 ft D ( 10 D) Η συνολική απομάκρυνση δίνεται από τον τύπο: 300ft 100% D + % ( 10ft D) R. E = 10ft D = ( 10 D + 30)% 10

ΜΟΝΑΔΕΣ 88 ΦΥΣΙΚΗΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ β) Για 3 ft D 7 ft Το ποσοστό απομάκρυνσης για τα σωματίδια πάνω από το δίσκο είναι: Vsolids 3ft 300ft P = 100% = 100% = % Vcritical Dft D Το ποσοστό απομάκρυνσης για τα σωματίδια κάτω από το δίσκο είναι: P = Vsolids Vcritical 100% = 3 ft 300 ft 100% = % ft 10 ft D ( 10 D) Η συνολική απομάκρυνση δίνεται από τον τύπο: 300 300 ft % D + % ( 10 ft D) 10 300% + 300% R. E = D ft D = = 60% 10 10 γ) Για D 7 ft Το ποσοστό απομάκρυνσης για τα σωματίδια πάνω από το δίσκο είναι: Vsolids 3ft 300ft P = 100% = 100% = % Vcritical Dft D Το ποσοστό απομάκρυνσης για τα σωματίδια κάτω από το δίσκο είναι: P = Vsolids Vcritical 3 ft 100 % = 100% = 100% ft ( < 3) Η συνολική απομάκρυνση δίνεται από τον τύπο: 300 % D + 100% ( 10 ft D) 300% 100% ( 10 D). D + R E = = = ( 130 10D)% 10 10 Η λύση παρουσιάζεται στο παρακάτω διάγραμμα:

ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ 89 100 ΠΟΣΟΣΤΟ ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗΣ 80 60 40 20 0 0 2 4 6 8 10 ΥΨΟΣ ΔΙΣΚΟΥ Το πρόβλημα μπορεί να λυθεί με τον ίδιο τρόπο και για μέση ταχύτητα καθίζησης σωματιδίων 1ft/h. α) Για D = 1ft ( or 9ft ) Το ποσοστό απομάκρυνσης για τα σωματίδια πάνω από το δίσκο είναι: P = Vsolids Vcritical 1ft 100 % = 100% = 100% 1ft Το ποσοστό απομάκρυνσης για τα σωματίδια κάτω από το δίσκο είναι: P = Vsolids Vcritical 1 ft 100 % = 100% = 11.1% ft ( 10 1) Η συνολική απομάκρυνση δίνεται από τον τύπο: Για D = 0 ft ( or 10 ft ) ( 9 ft ) 100% (1 ft) + 111. % R.E = = 20% 10 ft P = Vsolids Vcritical 1ft 100 % = 100% = 10% 10ft

ΜΟΝΑΔΕΣ 90 ΦΥΣΙΚΗΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ Η λύση παρουσιάζεται στο παρακάτω διάγραμμα: 25 ΠΟΣΟΣΤΟ ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗΣ 20 15 10 0 2 4 6 8 10 ΥΨΟΣ ΔΙΣΚΟΥ