TEHNOLOGIE DE EPURARE BIOLOGIC CU TUBURI POROASE I TUBURI CU MEMBRAN ELASTIC PERFORAT I DIMENSIONAREA

INSTALAIILOR DE AERARE

Marius Florinel RADU, Valeriu Nicolae PANAITESCU

TECHNOLOGY FOR WASTE WATER TREATMENT WITH POROUS TUBE AERATORS AND ELASTIC PERFORATED

MEMBRANE TUBES OF THE BIOLOGICAL WASTE WATER TREATMENT

The paper is to review and assess existing design procedures and provide

in-depth design information on critical features of the aeration process using Tube aerators porous and elastic membrane tubes and key parameters affecting its operation and performance that is typically available to the engineering community. Since past decade, the old works started to be replaced with new technologies such as those using tube aerators porous and elastic membrane tubes, especially for industrial and municipal waste water treatment plants. This paper discusses the theory, performance, design procedures, calculation and dimensioning of the aeration using Tube aerators porous and elastic membrane tubes.

Keywords: aeration, porous tubes, tubes with elastic membrane, aeration

plants, wastewater, and wastewater treatment schemes Cuvinte cheie: aerare, tuburi poroase, tuburi cu membrana elastic, instalaii

de aerare, ape uzate, scheme de epurare

1. Introducere Transferul de oxigen n procesul de aerare al apelor uzate constituie

unul dintre elementele fundamentale ale proceselor biologice i de aceea

83

modalitatea de introducere a oxigenului n apa uzat confer eficien ntregului proces al epurrii biologice. Oxigenul transferat n apa uzat trebuie s satisfac consumul biochimic de oxigen al substanelor organice, s asigure respiraia endogen a organismelor din nmol, s asigure un amestec adecvat i s menin o concentraie minim a oxigenului dizolvat, de 12 mg/l n bazinul de aerare.

Aeratoarele cu tuburi poroase i tuburile cu membran elastic perforat sunt dispozitive formate din mai multe tuburi asamblate ntr-un bloc de aerare sau modul de aerare (vezi figura 1). Tuburile pot fi din material poros sau din material plastic mbrcat ntr-o membran elastic perforat. Porii membranei au dimensiuni de ordinul a 0,1...0,2 mm.

Lungimea tuburilor situate de o parte i de alta a unui distribuitor (tronson de conduct servind pentru distribuia aerului n tuburile de aerare) variaz de la 0,50 m la 1,25 m. Numrul de tuburi de pe o singur parte a distribuitorului aferent unui modul de aerare, variaz ntre 4 i 10. Suprafaa ocupat n plan de un modul de aerare este exprimat n m2 unde lx i ly sunt limea, respectiv lungimea modulului (figura 1, c). n unele soluii de echipare cu module de aerare cu tuburi, acestea se amplaseaz lng un perete al bazinului (sau culoarului) de aerare, la distana de circa 25-30 cm de radier.

2. Descrierea facilitilor tehnologice de testare

Instalaia de alimentare cu aer a unui modul poate fi conceput

astfel nct prin intermediul unei articulaii speciale, blocul s poat fi ridicat, prin rotire, la suprafa, pentru revizie sau reparaii (figura 1).

Parametrii de proiectare a tuburilor sunt: debitul specific de aer (aferent unui metru liniar de tub),

tubmaer/h,mN8...2 31 =q ; capacitatea specific nominal de oxigenare n ap curat 0c

(g O2/m3 aer, m ad. de insuflare); densitatea tuburilor:

0An

D tt = (tuburi/m2) (1)

indicele energetic iE (kg O2/kWh); pierderea de sarcin local prin tub, h1 (cm); randamentul specific de transfer al oxigenului, m (%/m); distana dintre tuburi, d0 = 300...500 mm; capacitatea specific de oxigenare aferent unui tub de

lungime l, situat la adncimea de insuflare Hi, rezult din relaia:

84

a)

b)

c)

Fig. 1 Bazine cu nmol activat Sistem de aerare cu tuburi cu membran elastic perforat

a) Insuflarea simetric i asimetric a aerului prin tuburi cu membran elastic perforat; b) Modul (sau bloc) de aerare din tuburi prevzut cu articulaie; c)

Dispunerea modulelor (blocurilor) de aerare cu tuburi

85

l01 = it Hcqc (g O2/h) (2) dac lungimea tubului este 1,0 m, atunci ct devine:

it Hcqc = 01 (g O2/h, m de tub) (3) Numrul nt de tuburi de lungime l, respectiv nt cu l = 1 m, se pot

obine cu relaiile:

=

t

necht c

COn

310 i

=

'

310

t

necht c

COn (4)

Lungimea total necesar a tuburilor, rezult:

=t

nech

cCO

L310

(m) (5)

n care ct i ct au fost definite mai sus, iar nechCO definit anterior, se introduce n relaia (5) n kg O2/h.

Coeficientul = 0,70...90 permite trecerea de la condiiile de oxigenare n ap curat, la condiiile de oxigenare n ap uzat.

Numrul de module (blocuri) de aerare rezult din expresia:

{ }Znn

ntm

tM = (6)

unde: nt numrul total de tuburi cu lungimea l, determinat conform relaiei

(4); ntm numrul de tuburi cu lungimea l aferent unui modul de aerare.

Numrul de tuburi amplasate de o singur parte a distribuitorului blocului este tbn / 2.

3. Evoluia tehnologiilor de testare

3.1 Metoda i tehnologiile aplicate

a) Metoda de testare presupune calculul principalilor parametri de

proiectare ai furtunurilor din membran elastic perforat i ai panourilor de aerare cu membran elastic perforat.

Dispozitivul de aerare const dintr-o conduct de alimentare cu aer (2) a dou tuburi distribuitoare (3) amplasate perpendicular pe conducta de alimentare, la capetele acesteia (figura 2).

86

Fig. 2 Panou cu furtunuri elastice perforate

1 - punct de alimentare cu aer a panoului; 2 - conduct de alimentare cu aer; 3 - distribuitor; 4 - furtun elastic; 5 - distanier

Panourile de aerare cu membran elastic perforat sunt dispozitive

de insuflare a aerului formate dintr-un panou suport din tabl de inox peste care se amplaseaz o membran elastic perforat din polietilen sau polipropilen.

Aerul este insuflat ntre panoul suport i membran i prin deformarea (umflarea) acesteia deschide porii membranei i permite ieirea aerului sub form de bule fine n masa de ap.

Se realizeaz sub forma unor panouri dreptunghiulare, cu limi b = 150, 300, 500, 1000 mm, lungimi variabile (dup necesitate) l = 1000, 1500, 2000, ..., 4500 mm i cu grosimea de circa 20 mm. Panourile se monteaz direct pe radierul bazinului de aerare,

fixndu-se prin intermediul unor uruburi (figura 3). b) Tehnologia aplicat presupune utilizarea distribuitoarelor care

sunt legate ntre ele prin furtunuri din material plastic (polietilen, polipropilen .a.) perforate, amplasate cte 1-3 buci de fiecare parte a conductei de alimentare i paralele cu aceasta.

Pentru a evita o deformare exagerat a furtunurilor n momentul insuflrii de aer, furtunurile sunt trecute prin orificiile unor distaniere solidare cu conducta de alimentare.

Alimentarea cu aer a panourilor se face individual printr-un furtun de polietilen, debitul de aer putnd fi controlat i reglat cu ajutorul unui robinet sferic.

Furtunurile sunt alimentate cu aer dintr-o conduct secundar, amplasat deasupra apei i pozat de obicei pe pasarele, n lungul bazinului de aerare. Cnd este cazul (la limi mari de bazin, de exemplu) se prevd dispozitive de distribuie a aerului la mai multe panouri, amplasate pe radierul bazinului, ntre panouri.

87

Dispozitivul de distribuie este alimentat la rndul lui cu un furtun din polietilen de la conducta secundar pozat n lungul bazinului.

Detaliu amplasare dispozitive de insuflare a aerului

3.2 Dimensionarea furtunurilor din membran elastic perforat i a panourilor

Parametrii de proiectare a furtunurilor din membran elastic

perforat sunt: debit specific de aer: qd = 2...6 N m3 aer/h, m furtun; capacitatea specific nominal de oxigenare,

0c (g O2/m3 aer, m ad. de insuflare);

distana dintre furtunuri, d0 = 150, 300, 600 i 900 mm; numrul de furtunuri pentru un panou, ntp = 2...6 furtunuri;

Fig. 3 Bazine cu nmol activat.

Sistem de insuflare a aerului

cu panouri cu membran elastic

perforat

1 - conduct secundar de

alimentare cu aer; 2 - panou de aerare

cu membran elastic perforat;

3 - robinet de izolare

88

indicele energetic iE (kg O2/kWh); pierderea de sarcin local prin furtunurile perforate,

h1 = 30 ... 80 (cm); randamentul specific de transfer al oxigenului, m (% / m).

Parametri de proiectare a panourilor cu membran elastic perforat, sunt:

debitul specific de aer: qp =5...50 N m3 aer/h. m2 de panou; capacitatea specific nominal de oxigenare n ap curat:

0c (g O2/m3 aer, m ad. de insuflare);

factorul de acoperire cu panouri a radierului:

100=radier

panouria A

Af (%) (7)

Acest factor poate varia, funcie de capacitatea de oxigenare orar necesar ntre 10 i 100 %.

indicele energetic iE (kg O2/kWh); pierderea de sarcin local prin panourile cu membran elastic

perforat, h1 = 30...60 (cm); randamentul specific de transfer al oxigenului, m (% / m); tipul de panou utilizat pentru aerarea apelor uzate oreneti:

s = 15 cm, lp = 1,0...4,50 m i chiar mai lungi (conform necesitilor);

aria unui panou: p1 lsA p = (m

2/panou) (8) debitul de aer aferent unui panou, n condiii normale, admind un

debit specific de aer qp (N m3 aer/h, m2 de panou) este: ppp qAq = 11 (N m

3 aer/h, m2 de panou) (9)

capacitatea de oxigenare corespunztoare unui panou, se calculeaz cu relaia:

pip qHcc 10 = (g O2 /h, panou) (10)

aria total necesar a panourilor:

p

Npnec q

QA

1= (m2) (11)

numrul total necesar al panourilor se poate determina cu una din relaiile urmtoare:

p

nechp c

COn = (panouri) (12)

89

pnecpp A

An

1= (panouri) (13)

p

Np q

Qn

1= (panouri) (14)

n relaiile de mai sus, QN reprezint debitul de aer necesar n condiii normale (standard), determinat cu relaia

i

nechN Hc

COQ

=0

310 (N m3 aer/h) (15)

unde: nechCO (kg O2/h) capacitatea de oxigenare orar necesar sistemului;

0c c (g O2/N m3 aer, m ad. de insuflare) capacitatea specific

nominal de oxigenare caracteristic dispozitivului de insuflare adoptat;

Hi (m) adncimea de insuflare.

Expresia (15) permite calculul debitului de aer necesar n condiii normale (standard), adic pentru:

temperatura aerului 10= N C; presiunea atmosferic Np = 760 mm Hg.

iar nechCO . , capacitatea orar necesar, determinat cu relaiile:

pKK

ccc

OCOTBSA

Snnec

7601 10

= (kg O2/zi) (16)

Cantitatea de oxigen necesar, se poate determina i cu relaia: VOO nsn = (kg O2/zi) (17)

n care: nsO este oxigenul necesar specific i reprezint cantitatea zilnic de

oxigen necesar microorganismelor dintr-un m3 de volum util al bazinului de aerare pentru sintez i pentru mineralizarea substanelor organice biodegradabile. Se msoar n

redCBOkgOkg

5

2 i are valorile n funcie de tipul epurrii

(convenionale, cu nitrificare etc.).

V

OO nns = (18)

90

V este volumul util total al bazinului de aerare. n care: On conform relaiei (17), n zi/Okg 2 ;

cs concentraia de saturaie a oxigenului dizolvat n ap curat, n condiii normale (standard) i anume: tempera-tura T (C) i presiunea atmosferic 760 mm col. Hg. Valorile cs sunt indicate n tabelul 1 n funcie de temperatur;

cSA concentraia de saturaie a oxigenului dizolvat n amestecul ap-nmol din bazinul de aerare la temperatura de lucru T (n calcule se poate considera T = 12...20 C).

Valorile cSA sunt indicate, de asemenea, n tabelul 1. Tabelul 1

T (C) 0 5 10 15 20 25 30

0 1 2 3 4 5 6 7 cs (mg O2/dm3) 11,6 12,8 11,3 10,2 9,2 8,4 7,6

cSA (mg O2/dm3) 11,3 10,0 9,0 8,1 7,4 6,7 6,1 cB concentraia efectiv a oxigenului dizolvat din amestecul de ap-nmol

din bazinul de aerare la temperatura de lucru T.

Valoarea concentraiei cB poate fi considerat n calcule 1... 3 mg O2/dm3.

n procedeul de aerare cu panouri cu membran elastic perforat, sistemul de conducte pentru transportul i distribuia aerului este mult simplificat.

El const din conducte secundare de transport a aerului, montate n lungul bazinelor pe pasarele de acces, la care se braneaz furtunuri din polietilen pentru alimentarea cu aer a panourilor.

Astfel, se elimin reeaua de conducte de pe radierul bazinelor care era necesar n cazul procedeului de aerare cu difuzoare.

4. Rezultate experimentale i concluzii

Experimentele au furnizat rezultate bune, n condiii stabile, pe mai mult de un an de operare a instalaiei, rezultnd urmtoarele avantaje:

elasticitatea n funcionare a sistemului de aerare, putndu-se urmri ct mai fidel ncrcarea cu substane organice a bazinului; posibilitatea realizrii unui amestec ct mai omogen al apei, aerului i nmolului din bazinul de aerare i evitarea depunerilor printr-o circulaie adecvat a lichidului din bazin i prin realizarea unor viteze minime necesare meninerii n suspensie a nmolului activat;

91

posibilitatea de a proiecta lucrrile de retehnologizare i de extindere, dar trebuind s se in seama de tipul i capacitatea instalaiilor de epurare existente, utilizndu-le pe ct posibil la maximum, cu modificri constructive minime; nu necesit o filtrare avansat a aerului, montarea lor nu necesit amenajri complicate i reelele de distribuie sunt reduse; costuri de investiie minime, instalare simpl i rapid, consumul de energie electric este redus, rezultnd un cost sczut de epurare a apelor uzate; posibilitate de extindere a capacitii, eficien i calitate.

Rezultatele sunt i de data aceasta pozitive, cu un plus pentru aerarea cu tuburi poroase i tuburi cu membran elastic perforat, recomandnd folosirea lor pentru staii de epurare care necesit retehnologizarea i mbuntirea calitii apei epurate. BIBLIOGRAFIE

[1] Arden, E., Lockett, W.T., Experiments on the oxidation of sewage without the aid of filters, J. Chem. Soc. Ind., 1914, 33 (10). [2] Asgher, M., Bhatti, H.N., Ashraf, M., Legge, R.L., Recent developments in biodegradation of industrial pollutants by white rot fungi and their enzyme system, Biodegradation, 19, 2008, 771-783. [3] Baeza, J.A., Ferreira, E.C., Laufuente, J., Knowledgebased supervision and control of waste-water treatment plant: A real-time application, Water Science and Technology, 41, 2000, 129 137. [4] Bucur, T., Tehnologii ecologice de protecia mediului, Editura Mira Design, Sibiu, 2003. [5] Wang, L.K. et al., Handbook of Environmental Engineering, Volume 8: Biological Treatment Process, The Humana Press, Totowa, 2010, NJ. [6] * * * Design Manual, Fine Pore Aeration Systems, US Eenvironmental Protection Agency, Office for research and Development, 1989 Cincinnati, Ohio.

Drd. Ing. Marius Florinel RADU consilier, Ministerul Dezvoltrii Regionale i Administraiei Publice

e-mail: radu.marius@gmail.com Prof.univ.em.Dr.Ing. Valeriu Nicolae PANAITESCU

Departamentul de Mecanica fluidelor, Maini hidraulice i Ingineria mediului, Universitatea Politehnic Bucureti, membru AGIR

e-mail: valeriu.panaitescu@yahoo.com

92