Kombinovaný systém míchání a aerace a bodová rychlost proudění

Abstrakt

Kombinované systémy míchání a aerace jsou využívány především v aktivačních nádržích na čistírnách odpadních vod. Představují alternativu k aeračním roštům a míchadlům. Jejich výhodou je, že jsou schopny zajišťovat oba tyto procesy.

Za účelem získání více informací o provozu těchto systémů byl proveden monitoring v reálných podmínkách. Při spuštěném kombinovaném systému byla měřena bodová rychlost proudění v několika místech a hloubkách nádrže. Toto měření proběhlo pro dva stejné systémy s odlišným výkonem. V tomto příspěvku jsou shrnuty základní informace o průběhu měření, výsledky a vzájemné porovnání systémů.

1 Úvod

Aktivační nádrže představují na většině čistíren odpadních vod jeden ze dvou hlavních stupňů čištění. V těchto nádržích se nachází aktivovaný kal, a proto je důležitá homogenizace objemu nádrže. V opačném případě by došlo k separaci aktivovaného kalu. Pevné složky by klesaly ke dnu a tvořily by se nánosy v tzv. hluchých místech nádrže (místa, kde dochází k usazování vloček kalu vlivem nedostatečné rychlosti proudění), případně by mohlo dojít až k ucpání aeračních elementů na dně nádrže. Dodržení potřebné rychlosti pro udržení aktivovaného kalu ve vznosu je tedy velmi důležité.

Při konvenčním způsobu biologického čištění je homogenizace aktivačních nádržích ve fázi provzdušňování zajišťována především dodávaným vzduchem. Při denitrifikační fázi jsou za tímto účelem do nádrží osazována míchadla. Alternativou k aeračním roštům a míchadlům jsou kombinované systémy míchání a aerace, které jsou schopny zajistit oba tyto procesy najednou, případně zvlášť pouze míchání. Těchto systémů je na trhu několik typů a značně se liší. Provozních zkušeností s těmito systémy je méně a v odborné literatuře a dalších dokumentech jsou zmiňovány naprosto minimálně.

Cílem tohoto příspěvku je rozšíření povědomí o těchto systémech a zveřejnění výsledků monitoringu bodové rychlosti proudění. Obsah příspěvku poskytuje větší představu o rozložení rychlostí v obdélníkové nádrži s konkrétním kombinovaným systémem.

2 Podmínky měření

Toto výzkumné měření bylo provedeno v reálných podmínkách (venkovní prostředí, velikost zařízení i nádrže). Během měření bylo kromě bodové rychlosti proudění zaznamenáváno více veličin, jako například spotřeba elektrické energie, rychlost přestupu kyslíku do vody, průtok vzduchu a další. [1] Měření proběhlo za spolupráce se společností ZEMSKÝ Rohatec, s.r.o. a VaK Hodonín, a.s.

2.1 Použitá zařízení

Pro tento monitoring byl vybrán kombinovaný systém míchání a aerace Triton 5 HP a Triton 10 HP, které lze vidět na Obrázku 1 a 2. Jedná se o dva stejné systémy, které se liší svým výkonem. Charakteristika systémů je následující:

• Triton 10 HP (7,5 kW) a bokosací dmychadlo K04 MS (1,5 kW),
• Triton 5 HP (3,7 kW) a bokosací dmychadlo K04 MS (1,1 kW).

V nádržích obdélníkového půdorysu jsou umísťovány do rohů. Dutá hřídel vedoucí vzduch z bokosacího dmychadla je částečně ponořena pod hladinu. Na jejím konci je speciální vrtule. Důležitý je úhel nasměrování vzhledem ke stěnám nádrže, ale i úhel, který svírá hřídel s hladinou vody.

Pro měření bodové rychlosti bylo využito ultrazvukové zařízení NIVUS PDM PV a teleskopická tyč Delta Plus 8m s pěti segmenty LV400. Na tuto tyč bylo zařízení upevněno a spouštěno do požadované hloubky ve vybraných bodech. Zařízení je viditelné na Obrázku 3.

2.2 Prostředí

Pro výzkumné měření byla vybrána betonová nádrž s hloubkou cca 6,6 m, obdélníkového půdorysu o rozměrech 8,7 m × 4,2 m (viz Obrázek 4). Tato nádrž se nachází na menší čistírně odpadních vod a dříve byla využívána jako kalojem. Před měřením byla řádně vyčištěna a proběhl její nátěr. Pomocí dočasné lávky k ní byl umožněn přístup ze všech stran. Nádrž byla napuštěna pitnou vodou o objemu 237 m³. [1] Jemnobublinný aerační systém viditelný na Obrázku 4 na dně nádrže nebyl při měření nijak používán.

Obě měření trvaly asi 1,5 hodiny. Měření se systémem Triton 5 HP proběhlo při venkovní teplotě 29,5 °C, tlaku vzduchu 993 kPa a relativní vlhkosti 35 %. Průměrná teplota vody byla 18,0 °C. Měření se systémem Triton 10 HP proběhlo o pět dní později při venkovní teplotě 23,1 °C, tlaku vzduchu 985 kPa a relativní vlhkosti 71 %. Průměrná teplota vody 20,0 °C.

2.3 Průběh měření

Vytipování měřicích bodů proběhlo ještě před samotným měřením. Body byly zvoleny tak, aby zaznamenaly hodnoty v místech s potenciálně nejvyšší i nejnižší bodovou rychlostí. Nejvyšší rychlosti byly předpokládány v hlavním proudu směsi vody a vzduchových bublin naproti kombinovanému systému (viz bod 3 na Obrázku 5), nejnižší naopak v druhém rohu u kombinovaného systému (viz bod 1 na Obrázku 5). Výběr bodů (celkem 5) byl konzultován společně s dodavatelem kombinovaného systému a také s provozovatelem, který tyto systémy hojně využívá. Vycházelo se především z viditelného směru proudění a z dřívějších zkušeností se vznikem hluchých míst.

Do měřicích bodů byl postupně ponořován přístroj pro měření bodové rychlosti. Upevněním přístroje na teleskopické tyči bylo umožněno bodovou rychlost měřit ve více hloubkách (2 m, 3 m, 4 m), což je viditelné i z Tabulky 1. Měření rychlosti probíhalo ve více směrech (směr A, B, C), vždy kolmo ke stěnám nádrže. Směry jsou znázorněny šipkami na Obrázku 5.

Nejprve bylo uskutečněno měření se systémem Triton 5 HP a poté se systémem Triton 10 HP. Celé měření (ve všech bodech) proběhlo v obou případech pouze jednou a kombinovaný systém zajišťoval zároveň míchání i provzdušňování. V každém místě bylo naměřeno přibližně 12 hodnot aktuální bodové rychlosti. Z těchto hodnot byly následně stanoveny mediány bodových rychlostí, které jsou v tomto případě oproti aritmetickým průměrům lépe vypovídající.

3 Výsledky měření a diskuse

Uvedené hodnoty v Tabulce 1 odpovídají mediánu hodnot naměřených v každém bodě v konkrétní hloubce a směru. V souvislosti s konkrétní polohou některých bodů nebylo měření uskutečněno ve všech směrech (chybějící hodnoty v Tabulce 1).

Mediány bodových rychlostí v Tabulce 1 se pohybují v rozmezí 0,041 m.s⁻¹ až 0,372 m.s⁻¹ (viz extrémy v Tabulce 2). U dna oběhových aktivací se v normě ČSN 75 6401 doporučuje rychlost 0,2 m.s⁻¹ až 0,3 m.s⁻¹ [2]. Pro čtvercové a obdélníkové (směšovací) aktivační nádrže zde optimální rychlost uvedená není. Nelze tedy jednoduše říct nebo porovnat, jaké hodnoty rychlosti jsou pro konkrétní systém v konkrétní nádrži dostačující.

Hodnoty mediánů rychlostí naměřené při osazeném Tritonu 10 HP jsou ve všech měřených místech vyšší. V deseti případech je to více než dvojnásobně, převážně v hloubce 3 m. Nejvyšší rozdíl je viditelný v bodě 1, 3 m, směr A i B a v bodě 2, 3 m, směr B a C. Nejnižší naopak v bodě2, hloubka 4 m, směr B a v bodě 3, hloubka 4 m.

Pokud by mělo být provedeno alespoň nějaké porovnání, tak naměřené hodnoty z Tabulky 1 spadají do výše uvedeného doporučeného rozmezí ve třinácti místech (převážně pro Triton 10 HP), v jednom místě byla dokonce hodnota vyšší (odpovídá extrému z Tabulky 2). Zbytek hodnot (celkem 37) bylo pod tímto rozmezí. Je ale znovu podstatné zdůraznit, že se jedná o úplně jiný tvar nádrže, než pro které je toto rozmezí doporučováno. Pozitivní je také fakt, že ve všech místech měření byla naměřena nenulová rychlost.

Extrémy mediánů hodnot byly odhadovány na bod 1 a 3, což se měřením potvrdilo u obou systémů. Podrobný popis místa a konkrétní hodnoty jsou přehledně uvedené v Tabulce 2. V těchto místech byly extrémy předpokládány z důvodu jejich umístění v nádrži i vzhledem k nasměrování kombinovaného systému.

Jelikož měření probíhalo jen v kolmých směrech a v některých hloubkách, je možné, že místa s reálně nejvyšší bodovou rychlostí proudu nebyly zaznamenány. Maximální naměřená hodnota bodové rychlosti pro Triton 5 HP byla zaznamenána v bodě 5, v hloubce 3 m, směr C (0,377 m.s⁻¹). Naopak v bodě 1, hloubka 4 m, ve směru A byla naměřena minimální hodnota bodové rychlosti (0,021 m.s⁻¹). U Tritonu 10 HP byla nejvyšší hodnota naměřena v bodě 2, v hloubce 3 m, ve směru B (0,666 m.s⁻¹), nejnižší naopak v bodě 1, hloubka 4 m, směr A (0,028 m.s⁻¹).

4 Závěr

Směšovací nádrže mají oproti oběhovým aktivacím tu nevýhodu, že není jasně viditelný směr proudění. Ten závisí především na typu provzdušňovacího (případně i míchacího) zařízení a na místě jejich osazení. Přestup bublin vzduchu pouze v jednom místě nádrže a tvar směšovacích nádrží podporuje vzniku více proudů v různých místech nádrže. To je zřejmě důvodem chybějící doporučené hodnoty rychlosti pro tento tvar nádrží v dokumentech a normách.

Při dotazování provozovatelů čistíren odpadních vod bylo zjištěno, že rychlost proudění na čistírnách odpadních vod v aktivačních nádržích není běžně měřena. Ze zkušeností je známo, že pokud je tento kombinovaný systém správně osazen a nasměrován, pak je schopen zajistit dokonalé promísení směšovacích i oběhových aktivací.

Důležité je také zmínit, že i když je v jakékoli nádrži dosaženo výše uvedených doporučených rychlostí, není to vždy zárukou zabránění vzniku hluchých míst v rozích nebo jiných částech nádrže (i oběhové). Tato místa je možné najít především po vypuštění nádrže, což se obvykle provádí při náhlých událostech nebo při plánovaném čištění. Při běžném provozu je lze jen těžko objevit.

Toto měření bylo provedeno za účelem větší charakteristiky konkrétního kombinovaného systému a také pro zjištění hodnot bodových rychlostí v obdélníkové nádrži. V budoucnu by bylo vhodné provést porovnání naměřených hodnot i s jinými provzdušňovacími a míchacími zařízeními ve stejné nádrži. Pro přesnější výsledky a lepší představu rozložení rychlostního pole by bylo možné vytvořit i 3D model proudění.

5 Poděkování

Článek byl vytvořen v rámci standardního projektu Specifického výzkumu č. FAST-S-22-7990 „Vybrané problémy vodního hospodářství měst a obcí“. Poděkování dále patří společnostem ZEMSKÝ Rohatec, s.r.o. a VaK Hodonín, a.s.

6 Literatura

1. Singrová V.; Hluštík P. (2021). Průběh měření pro stanovení oxygenační kapacity kombinovaného systému. MĚSTSKÉ VODY 2021. Brno: ARDEC s.r.o., s. 204–210. ISBN: 978-80-86020-92-1.
2. Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví (2014). ČSN 75 6401 Čistírny odpadních vod pro ekvivalentní počet obyvatel (EO) větší než 500. Praha.