Ilmastuspulssi: syvä sukellus dynaamiseen märkäpaineeseen (DWP) hienokuplajärjestelmissä

I. Johdanto: "Hiljaisen" tehokkuuden tappajan määritteleminen

Jätevedenkäsittelyn maailmassa Tuuletinhuone on usein suurin energiankuluttaja, jonka osuus on jopa 60 % laitoksen sähkön kokonaiskulutuksesta . Vaikka käyttäjät käyttävät paljon aikaa tarkkailemaan liuenneen hapen (DO) tasoja pitääkseen bakteerit tyytyväisinä, on olemassa "hiljainen" mittari, joka määrittää, toimitetaanko happea edullisesti vai massiivisesti: Dynaaminen märkäpaine (DWP).

Määritelmä: DWP vs. Static Head

Ymmärtääksemme DWP:n meidän on ensin erotettava se puhaltimella mitatusta kokonaispaineesta. Kun ilma kulkee puhaltimesta ilmastussäiliön pohjalle, se kohtaa kaksi ensisijaista estettä:

1. Staattinen pää (): Tämä on diffuustaiin päällä olevan vesipatsaan fyysinen paino. Jos säiliösi on 15 jalkaa syvä, puhaltimen on painettava vähintään 6,5 psi päästäkseen pohjaan. Tämä on vakio ja riippuu vain veden tasosta.
2. Dynaaminen märkäpaine (DWP): Tämä on itse diffuusorin "vastus". Se on energiamäärä, joka tarvitaan kumikalvon venyttämiseen ja ilman pakottamiseksi sen tarkasti leikattujen rakojen läpi kalvon ollessa veden alla.

Matemaattisesti suhde ilmaistaan seuraavasti:

(Missä P _{kitka_häviö} on vastus itse putken sisällä).

(Missä is the resistance within the piping itself).

Analogia: Verisuonten vastus

Ajattele ilmastusjärjestelmää kuten ihmisen verenkiertojärjestelmää. The Puhallin on sydän, Putket ovat valtimot ja Hajottimet ovat kapillaarit.

Jos "kapillaareistasi" (hajotinraoista) tulee kapea tai jäykkä, "sydämen" (puhaltimen) on pumpattava huomattavasti kovemmin siirtääkseen saman määrän hapetettua "verta" (ilmaa) järjestelmän läpi. Tämä on pohjimmiltaan "korkeaa verenpainetta" kasvellesi. Saatat silti saavuttaa tavoitteesi DO-tasosi, mutta laitteesi on valtavan stressin alaisena ja energialaskusi nousevat pilviin.

Taloudellinen vaikutus: näkymätön vero

DWP on harvoin kiinteä numero. Koska kalvot on valmistettu elastomeereistä (kuten EPDM tai silikoni), ne muuttuvat ajan myötä. Kun ne menettävät joustavuuttaan tai tukkeutuvat mineraaleista ja "biolimasta", DWP hiipii ylöspäin.

• 1-PSI-sääntö: Tyypillisessä tehtaassa kasvu vain 1 psi (noin 27 tuumaa vettä) DWP:ssä voi lisätä puhallinsi virrankulutusta 8 % - 10 % .
• Elinkaarikustannukset: 10 vuoden aikana diffuusori, jonka DWP on 12" ja päättyy 40":een, voi maksaa kunnalle satoja tuhansia dollareita "hukkaan" menevää sähköä – energiaa, joka kuluu yksinkertaisesti kumikalvon torjumiseen veden käsittelyn sijaan.

II. Kalvonresistenssin fysiikka

Hajottimen DWP ei ole staattinen luku; se on dynaaminen vaste ilmanpaineeseen ja nestemekaniikkaan. "Raon fysiikan" ymmärtäminen selittää, miksi jotkut diffuusorit säästävät rahaa, kun taas toiset kuluttavat budjettia.

1. Avautumispaine: elastisuuden voittaminen

Hajotinkalvo on pohjimmiltaan korkean teknologian takaiskuventtiili. Kun puhallin on pois päältä, vedenpaine ja elastomeerin (kumin) luonnollinen jännitys pitävät raot tiiviisti suljettuina. Tämä estää lietteen pääsyn putkistoon.

Ilmastuksen aloittamiseksi puhaltimen on luotava tarpeeksi sisäistä painetta kahden voiman voittamiseksi:

• Hoop-stressi: Kumin fyysinen vastustuskyky venymiselle.
• Pintajännitys: Energia, joka tarvitaan uuden ilma-vesi-rajapinnan (kupla) luomiseen raon ulostulokohdassa.

2. Raon geometria ja kuplan muodostus

Tapa, jolla kalvo rei'itetään, on herkkä suunnittelun tasapaino.

• Raon tiheys: Laadukkaissa levyissä on tuhansia mikroskooppisia, laserleikattuja tai tarkasti rei'itettyjä rakoja. Enemmän rakoja tarkoittaa, että ilma jakautuu suuremmalle alueelle, mikä alentaa DWP:tä koska jokaisen yksittäisen raon ei tarvitse "venyä" niin pitkälle päästääkseen ilman läpi.
• Paksuus vs. vastus: Paksumpi kalvo on kestävämpi, mutta sillä on suurempi vastus (korkeampi DWP). Nykyaikaisissa malleissa käytetään vaihtelevaa paksuutta – paksuus reunoista lujuuden vuoksi ja ohuempi rei'itetyllä alueella helpottaakseen "joustamista".

3. Suutinefekti

Ilmavirran kasvaessa myös DWP kasvaa. Tämä tunnetaan nimellä Aukkovaikutus . Pienillä ilmavirroilla raot ovat tuskin auki. Kun "käännät" puhaltimia, rakojen on laajennettava edelleen.

• Jos diffuusori työnnetään yli sen suunnittelurajan (suuri vuo), DWP piikit eksponentiaalisesti.
• Tekninen vinkki: Se on usein energiatehokkaampaa lisää diffuusorit, jotka toimivat pienemmällä ilmavirralla kuin vähemmän diffuusorit, jotka toimivat suurella ilmavirralla, erityisesti tämän DWP-käyrän vuoksi.

III. DWP-profiilit: Levy vs. putkihajottimet

Vaikka molemmat käyttävät samanlaisia kalvomateriaaleja, niiden muoto vaikuttaa merkittävästi niiden paineprofiiliin.

Miksi muodolla on väliä

The Levyhajotin Sitä pidetään yleensä DWP:n vakauden "kultastandardina". Koska kalvoa pidetään vain kehällä, se voi taipua vapaasti kuin rumpupää. The Putkihajotin on kuitenkin venytetty putken päälle; tämä luo enemmän alkujännitystä (esikuormitus), mikä usein johtaa hieman korkeampaan käynnistysvaiheeseen verrattuna samasta materiaalista valmistettuun levyyn.

IV. Tekijät, jotka johtavat DWP:n eskalaatioon ("hiipuminen")

Täydellisessä maailmassa DWP pysyisi vakiona. Jätevesisäiliön ankarissa olosuhteissa DWP alkaa kuitenkin väistämättä nousta. Insinöörit kutsuvat tätä asteittaista nousua "paineen nousuksi". Tämän virumisen kolmen ensisijaisen syyn ymmärtäminen on välttämätöntä, jotta voidaan ennustaa, milloin diffuusorisi saavuttavat murtumispisteen.

1. Biologinen likaantuminen ("Bio-Glue")

Jätevesi on ravinteikas keitto, joka on suunniteltu kasvattamaan bakteereja. Valitettavasti nämä bakteerit eivät vain pysy suspensiossa; he rakastavat kiinnittämistä psisäänihin.

• EPS-tuotanto: Bakteerit erittävät Solunulkoiset polymeeriset aineet (EPS) - tahmea, sokerinen liima. Tämä limakerros peittää kalvon ja täyttää mikroskooppiset raot.
• Vaikutus: Puhaltimen tulee nyt työntyä kumin lisäksi myös tiiviin biologisen maton läpi. Tämä voi kaksinkertaistaa DWP:n muutamassa kuukaudessa, jos jäteveden rasva- tai sokeripitoisuus on korkea.

2. Epäorgaaninen hilseily ("kova kuori")

Tämä on kemiallinen prosessi pikemminkin kuin biologinen. Se on yleisin alueilla, joilla on "kova vesi" tai kasveissa, jotka käyttävät kemikaaleja, kuten rautakloridia fosforin poistamiseen.

• Mekanismi: Kun ilma kulkee kalvon läpi, raon rajapinnassa tapahtuu paikallinen muutos. Tämä aiheuttaa mineraaleja, kuten Kalsiumkarbonaatti or Struviitti saostumaan vedestä ja muodostamaan kovan, kalliomaisen kuoren rakojen päälle.
• Tulos: Toisin kuin biofouling, joka on pehmeää, hilseily on jäykkää. Se estää kalvoa venymästä, mikä johtaa massiiviseen DWP-piikkiin ja aiheuttaa usein kumin repeytymisen paineen alaisena.

3. Materiaalin ikääntyminen ja pehmittimen häviäminen

Jopa puhtaassa vedessä DWP nousee lopulta itse kalvon kemian vuoksi.

• Kemiallinen uutto: EPDM-kalvot sisältävät "pehmittimiä" (öljyjä), jotka pitävät kumin joustavana. Ajan myötä nämä öljyt huuhtoutuvat jäteveteen.
• Viruminen ja kovettuminen: Kun öljyt katoavat, kumista tulee hauras ja jäykkä. Tämä tunnetaan nousuna Shore A -kovuus . Jäykempi kalvo vaatii enemmän "avautumispainetta", mikä ilmenee pysyvänä, peruuttamattomana DWP:n nousuna.

V. DWP:n mittaus ja seuranta reaaliajassa

Et voi hallita sitä, mitä et mittaa. DWP jätettiin huomiotta useiden vuosien ajan, kunnes puhaltimet alkoivat pettää. Nykyään älykkäät kasvit käyttävät ennakoivaa seurantaa.

Laskentamenetelmä

Koska paineanturia ei voi helposti laittaa upotetun diffuusorin sisään, käytämme "Yläpuolen" laskelma :

1. Lue mittari: Ota painelukema ilmapudotusputkesta ( P _yhteensä ).
2. Laske staattinen pää: ... (1 jalka vettä = 0,433 psi tai 2,98 kPa).
3. Vähennä: DWP = P _yhteensä - P _staattinen - P _{putken kitka}

Ilmavirran vaihetesti

Tarkin tapa "diagnosoida" diffuusorisi on askeltesti.

• Lisää ilmavirtausta asteittain (esim. 1CFM 2CFM 3CFM levyä kohden).
• Tallenna DWP jokaisessa vaiheessa.
• Terve järjestelmä: Käyrän tulee olla loiva.
• Likaantunut järjestelmä: Käyrä on paljon jyrkempi, mikä osoittaa, että diffuusorit "tukkeutuvat", kun yrität työntää enemmän ilmaa.

VI. DWP-hallinnan strategiat

Kun DWP alkaa nousta, käyttäjillä on käytössään useita työkaluja paineen nollaamiseen ennen kuin se aiheuttaa laitevaurioita tai budjetin ylityksiä. Nämä menetelmät vaihtelevat yksinkertaisista operatiivisista muutoksista kemiallisiin toimenpiteisiin.

1. "Pysähdys" tai paineen taipuminen

Tämä on ensimmäinen puolustuslinja biologista likaantumista vastaan.

• Prosessi: Ilman virtausnopeus nostetaan hetkeksi suurin sallittuun rajaan ("purskevirtaus") 15-30 minuutiksi.
• Tulos: Kalvo venyy normaalin toimintahalkaisijansa yli. Tämä mekaaninen laajeneminen "halkeaa" hauraan bioliman tai ohuen mineraalikuoren, jolloin ilman puhaltaa roskat pois pinnalta.
• Taajuus: Monet tehtaat automatisoivat tämän tapahtumaan kerran viikossa tai jopa kerran päivässä estääkseen DWP:tä saamasta jalansijaa.

2. Paikalla tapahtuva happopuhdistus (neste tai kaasu)

Jos mineraalihilse (kalsium tai rauta) on syyllinen, "pomppaus" ei riitä. Sinun on liuotettava kuori.

• Nesteen ruiskutus: Mieto happo (kuten etikka-, sitruuna- tai muurahaishappo) ruiskutetaan suoraan ilmankokoojaputkiin. Ilma kuljettaa hapon diffuusoriin, jossa se istuu huokosissa ja liuottaa kalkkia.
• Kaasun ruiskutus (muurahaishappo): Jotkut huippuluokan järjestelmät käyttävät vedetöntä muurahaishappohöyryä. Tämä on erittäin tehokas tunkeutumaan pieniin rakoihin, mutta vaatii erityisiä turvalaitteita.
• Hyöty: Tämä voidaan tehdä tyhjentämättä säiliötä, mikä säästää tuhansia työvoimaa ja seisokkeja.

3. Manuaalinen painepesu

Jos säiliö tyhjennetään muuta huoltoa varten, manuaalinen puhdistus on kultainen standardi.

• Varoitus: Älä koskaan käytä korkeapainesuutinta liian lähellä kalvoa (pidä se vähintään 12 tuuman päässä). Liian suuri paine voi leikata EPDM:ää tai ajohiettä sisään rakoja, mikä lisää DWP:tä pysyvästi.

VII. Matemaattinen liite: Energian ja paineen suhde

Insinöörien on käännettävä hajoittimien puhdistus- tai vaihtokustannusten perustelemiseksi DWP (tuumaa vettä) into Rahaa (kilowatteja) .

Tehon laskenta

Puhaltimen vaatima teho on suoraan verrannollinen kokonaispurkauspaineeseen. Yksinkertaistettu kaava tehon muutokselle (P) suhteessa paineen muutokseen ( ∆p ) on:

skenaario:

• Laitoksen järjestelmän kokonaispaine on 10 psi .
• Likaantumisen vuoksi DWP kasvaa 1 psi (noin 27 tuumaa vettä).
• Tämä 1 psi:n lisäys edustaa a 10 % lisäys energiankulutuksessa samalle ilmamäärälle.

Jos laitos käyttää 200 000 dollaria vuodessa ilmastussähköön, 1 psi:n "viruminen" maksaa niille 20 000 dollaria vuodessa hukatussa voimassa.

Kirjoittaja: Michael Knudson Stenstrom - ResearchGate

https://www.researchgate.net/figure/Standard-Aeration-Efficiency-In-Clean-SAE-and-Process-aFSAE-Water-for-FinePore-and_fig3_304071740

Johtopäätös: Ennakoiva polku

Maailman tehokkaimmat jätevesilaitokset eivät odota puhaltimen laukeamista tai kalvon repeytymistä. He tarkkailevat DWP:tä "Live Health -mittarina". Seuraamalla DWP:n trendiä operaattorit voivat ajoittaa siivoukset tarkalleen silloin, kun energiansäästö maksaa työstä, mikä varmistaa, että laitos toimii mahdollisimman pienellä hiilijalanjäljellä.