Stigebrandt Oxygenator

R
Stigebrandt Oxygenator
för syresättning och omblandning av bassänger
’Stigebrandt oxygenator installerad för biologisk vattenrening vid oljeindustri. Stora bilden visar pumpsystem med två parallella linjer, lilla bilden visar
tillopps och returvattenrör från en reaktorcell.
Med Stigebrandt Oxygenator förenklas och effektiviseras syresättning och omblandning av
bassänger för biologiska processer.
Med oxygenatorn tillsätts bara den mängd syrgas som behövs för processen. Ingen syrgas avgår i form
av luftbubblor tillbaka till atmosfären.
››
››
››
››
››
››
››
››
››
››
Energisnål process
Mycket hög verkningsgrad
Mycket driftsäker, få komponenter i systemet
Oxygenatorn är tyst
Lika effektivt i grunda som i djupa bassänger
Enkelt att optimera den biologiska processen
Systemet är lätt att installera
Låga kostnader för installation, drift och underhåll
Befintliga tankar och bassänger kan utnyttjas
Platseffektivt med enkel rördragning
Bakgrund
Vi har utvecklat Stigebrandt Oxygenator mot bakgrunden av att de flesta biologiska processer vid rening
av avloppsvatten och processvatten är storslukare av energi. Vi vill gärna förändra detta förhållande.
En stor del av den luft som tillsätts de biologiska processerna försvinner ur bassängen innan syrgasen har
tagits upp av vattnet och mikroorganismerna.
Vi har tagit fasta på några fysikaliska förhållanden som gör att dessa processer kan effektiviseras.
Fysikaliska förutsättningar för vår process
»
Vatten är mer energieffektivt att pumpa än luft.
»
Syre som är löst i vatten under dess mättnadsvärde, förbrukas bara genom en biologisk aktivitet.
»
Syre som tillförts upp till vattnets mättnadsgräns kan således tillgodogöras till 100 % för biologisk
aktivitet
»
Genom att blanda en volym vatten som är övermättat med syre i en annan vattenvolym som är undermättad med syre, kan man avväga ett blandningsförhållande, så att all tillsatt syrgas behålls
i vattenmassan och blir tillgänglig för biologisk aktivitet.
Med utgångspunkt från dessa förutsättningar har vi utvecklat Stigebrandt Oxygenator.
Schematisk funktion
→
→
Returslam
→
Oxygenator
Slamseparation
←
Utlopp
←
Biobassäng
←
←
→
←
←
←
←
←
←
←
←
←
O2-sond
←
←
←
←
←
Överskottsslam
→
→
→
Inlopp
Dysor för inblandning av syresatt vatten,
normalt spädning 1-10.
Teknisk lösning för oxygenatorn
I Oxygenatorn övermättar vi bassängens vatten med syrgas från luften. Övermättningen sker utanför bassängen i ett rörsystem som står under tryck. Efter övermättningen återför vi vattnet till bassängen och för att
inte få någon avgång av syrgas till den fria luften blandar vi det övermättade vattnet med bassängvatten som
är undermättat på syrgas i en sådan proportion, så att syrgasmängden i det blandade vattnet underskrider
mättnadsvärdet.
Genom att mäta aktuell syrgasnivå i bassängen kan processen styras, så att bara den mängd syrgas tillförs
som processen behöver vid varje tillfälle. Pumpenergin från syresättningen används för omblandning i bassängen.
Med denna metod kan grunda bassänger användas för bioloiska processer lika väl som djupa.
Exempel
Vi syresätter en bassäng genom att cirkulera vattnet genom ett trycksystem.
Vi höjer trycket till 4 bar i systemet. Vi antar att temperaturen är 15 grader C. Vattnet tar då upp 40 gram syre
per kubikmeter.
Vattnet återförs till bassängen och blandas in. Vi antar att syrgashalten i bassängen är 2 mg/liter. Genom att
blanda 1 kubikmeter trycksatt vatten med 9 kubikmeter av det som ligger i bassängen höjs syrehalten i denna
volym med 4 mg/liter, från 2 till 6 mg/liter, dvs. långt under vattnets mättningsvärde.
Systemets uppenbara fördelar
» Uppemot 100% av det tillförda syret överfört till vattnet
» Inga bubblor, inga aerosoler, inget stänk
» Enkel och billig installation eller eftermontering
» Kontroll på befintlig syrenivå och nytillförsel
» Omrörning av vattenvolymen
» Låga kontrollerade kostnader
» Låg ljudnivå
Stigebrandt Oxygenerator är internationellt patentsökt.
Energiförbrukning för Stigebrandt Oxygenator
Stigebrandt oxygenator syresätter vatten genom att först övermätta en del av vattnet i bassängen i ett trycksatt
cirkulationssystem och därefter blanda det övermättade vattnet med vatten i bassängen som har lågt syreinnehåll. Därvid höjs syrgashalten i hela bassängen till ett önskat syreinnehåll för att upprätthålla en biologisk
process eller annat.
Vattnet i bassängen kommer alltid att vara undermättat med avseende på syre, varför inget syre kommer att
försvinna från bassängen på annat sätt än genom den biologiska processen.
För installationen krävs endast ett sugrör från bassängen till oxygenatorn och tilloppsrör med vätskeejektor
för det syresatta vattnet för återtransport av det syresatta vattnet till bassängen.
Systemet fungerar lika bra i grunda som djupa bassänger,
eftersom det inte sker några syreförluster från tillförseln av
syrgas till vattnet.
Teknisk information:
1 m3 luft innehåller 252 gram syre vid atmosfärstryck
och 20 grader C (Nm3).
För att lösa 1000 gram O2 behöver 3,968 Nm3 luft tillföras
vatten som är syrefritt.
Vattnets förmåga att lösa syre är beroende av främst tryck
och temperatur, vilket visas i tabell 1.
Tabell 1: Löslighet av syre i vatten i g m3
Tryck
(bar abs) 1
2
3
4
O
Temp. C
0
14,6
29,2 43,8 58,4
5
12,8
25,5 38,1 51,0
10
11,3
22,6 33,9 45,1
15
10,1
20,2 30,3 40,3
20
9,1
18,2 27,3 36,4
25
8,3
16,5 24,8 33,1
30
7,6
15,2 22,8 30,3
35
7,0
14,0 21,0 27,9
40
6,5
12,9 19,4 25,9
Tabell 2 visar den mängd vatten som behövs för att lösa 1000 g av syre i vatten vid 4 bar absolut tryck och vid
olika temperaturer
Vattentemperatur grader C
Mängd vatten m3
0
5
10
15
20
25
30
35
40
17,1219,6022,1724,8127,4730,2133,0035,8438,61
Exempel 1. Kommunalt reningsverk med belastning 1000 pe
Vattentemperatur 15oC
Bod-belastning = 70 gram/pe
Specifik vatten förbrukning = 250 l/pe
Utsläppskrav = 10 mg/l
Reduktionsbehov = 67,5 gram/pe
Mängd BOD att reducera är 67,5 gram/pe = 67500 gram Mängd syre som skall tillföras = 67500g
Mängd tillförd luft (Nm3) = 67500/252 = 268 Ytan på en bassäng med Stigebrandt Oxygenator . Den
infällda bilden visar ytan av en bassäng med konventioMängd luft som skall tillföras i liter/minut =186 nellt modernt luftningssystem med nedsänkta membran.
Notera skillnaden i luftbubblor !
Eftersom allt syre som tillsätts till vattnet blandas in på ett sådant sätt att vattnet i bassängen alltid är undermättat, så avgår inte något syre till atmosfären, utan allt syre som tillförs vattnet kommer att tillgodogöras
den biologiska processen.
På grund av cirkulation i bassängen och det faktum att vattnet i bassängen alltid är under sin mättnadspunkt
för syre , sker också en naturligt transport av syre från atmosfären till vattenmassan. Denna mängd är dock
en så liten del av den totala mängden syre som krävs för den biologiska processen, att vi bortser från den i vår
beräkning.
Tabell 3 visar cirkulationsmängd, luftmängd och effektbehovet för leverans av 1000 g av syre till vatten vid olika
temperatur , vilket är de samma tal som att minska 1000 gram BOD , samt effektbehov för att reducera 1 pe.
Vattentemperatur grader C 0 5 1015202530
Cirkulationsmängd /timma
48,455,162,470,375,985,293,7
Mängd tillförd luft (Nm3)/timma
11,211,211,211,211,211,211,2
Installerad effekt för cirkulation kW 1) 55,5
6788,5
9
Installerad effekt för luftkompressor kW 2)
1,51,51,51,51,51,51,5
Summa installerad effekt kW
6,5
7
7,5
8,5
9,5
10
10,5
Installerad effekt kWh / tillfört kg O2
2,312,492,673,023,383,563,73
Sannolik förbrukad energi kWh / kg BOD3) 1,85 1,99 2,13 2,42 2,70 2,84 2,98
Installerad effekt kW / pe
0,160,170,190,210,240,250,26
Sannolik förbrukad energi kWh / pe 3) 0,130,140,150,170,190,200,21
1)
Baserat på en normpump med lämplig flödeskurva
2)
Baserat på industriellt standard kompressorblock
3)
Räknat på drifteffekt = 80% av installerad effekt och 1 pe = 70 gram BOD
Överföring av syre till vatten
I vatten som har kontakt med luft kommer syre att överföras till vattnet och vattnet strävar efter att mättas
med syre. I ett vatten som innehåller organsikt material sker en biologisk aktivitet som både tillför och förbrukar syre. I naturligt vatten alstrar den biologiska aktiviteten syre genom fotosyntesen, medan nedbrytning
av det organiska materialet är en process som förbrukar syre. I alla naturliga system strävar naturen efter att
hålla en syremättnad på 100%. Förutom fotosyntesen så tillförs vattnet syre från luften genom diffusion i
vattenytan.
I vatten som innehåller biologiskt nedbrytbart material pågår en nedbrytningsprocess som består av att
mikroorganismer bryter ner det organiska materialet , vilket omsätts till biomassa. För mikroorganismernas
metabolism behövs syre. Det syre som är löst i vattnet är tillgängligt för mikroorganismerna. En process som
utnyttjar syre som är löst i vatten kallas aerob.
Om
syret tar slut uppstår en annan mikrokultur, som utnyttjar det syre som finns inbyggt i nedbrytnings.
materialets molekyler för sin metabolism. Denna process kallas anaerob. I en anaerob process frigörs en
mängd giftiga gaser som går under samlingsmanet ”avloppsgaser”.
Den aeroba processen är normalt snabbare än den anaeroba och den är enklare att styra. Den avger inte heller några giftiga gaser.
Till en högt belastad aerob process måste syre tillföras på teknisk väg för att upprätthålla den aeroba processen.
Tillförsel av syre till vatten - aerob process.
Den naturliga processen genom diffusion genom vattenytan förslår inte i en högre belastad reningsanläggning, utan syre måste tillföras vattnet på mekanisk väg.
För att upprätthålla syremängden för den aeroba processen används i regel luft med dess innehåll av syre,
som är c:a 21%. Luften tillförs till det vatten där processen föregår. Detta kan ske på olika tekniska sätt, där
man skapar ytor mellan vatten och luft. Den förhärskande metoden är att luft trycks ner i vattnet via en kompressor, eller på annat sätt, varvid luften fördelas som bubblor i vattnet.
Syretillsättningen till vattnet sker genom att syrgas från luften i bubblan diffunderar in i vattnet genom gränsskiktet mellan luft och vatten. För en luftbubbla
gäller bl.a följande fysikaliska förhållanden:
Luftbubblan kan betraktas som en sfär. För en sfär gäller att förhållandet mellan dess volym och yta är linjärt stigande, dvs ytan minskar i förhållande till
volymen när sfärens diameter ökar.
Volym/yta
Luftbubblan stiger mot vattnets
yta. Under förutsättning av
vattnet är undermättat på syre,
så sker en diffusion av syre till
vattnet genom bubblans gränsyta mot vattnet.
Figuren visar kvoten av sfärens
volym och yta med ökande
diameter.
Diameter
För att uppnå en effektiv överföring av syre till vattnet skall en bestämd volym
luft därför delas upp i så många små bubblor som möjligt för att få en maximerad yta där diffusionen sker.
För luftbubblan gäller den allmänna gaslagen, dvs trycket multiplicerat med volymen är konstant.
Detta betyder att en stigande luftbubbla i vatten ökar i volym ju närmare vatten ytan den kommer.
Den praktiska konsekvensen är att en stigande bubbla minskar den relativa förmågan att överföra syre ju
högre den stiger i en vattenpelare, eftersom dess volym ökar och därmed minskar dess relativa yta. (Den
innehållna gasmängden är nästan konstant, den minskar med mängden avgivet syre och ökar med eventuella
gaser som vandrar motsatt väg.)
tryck =1
volym=4
tryck =2
volym=2
tryck =3
volym=1,33
tryck =4
volym=1
LUFT →
→
→
→
Figuren visar en bubblas relativa volym i förhållande
till tryck (vattendjup)
Förutsättningar för optimering av överföring av luftens syre till vatten.
För att optimera överföring av syre från luft till vatten behöver följande krav vara uppfyllda:
1. Luftbubblorna skall vara så små som möjligt.
2. Trycket i bubblorna skall bibehållas under lång tid så att de inte expanderar utan att de töms på syre.
I Stigebrandt oxygenator är dessa krav uppfyllda.
I oxygenatorn blandas luft och vatten på ett sådant sätt att luften fördelas i vattnet som mikrobubblor.
I oxygenatorn behålles samma tryck på luftbubblorna under en lång tid, vilket innebär att bubblornas volym
är konstant. Detta ger förutsättning för att en maximal mängd syrgas diffunderar från luftbubblorna till
vattnet.
I oxygenatorn hålls ett övertryck. Detta innebär att vattnets förmåga att absorbera syre jämfört med vid
atmosfärstryck är avsevärt förhöjd, dvs. vattnet övermättas med syre. Övermättningen medför att den totala
mängden syre som överförs till vattnet är mycket hög, jämfört med vad som är praktiskt möjligt att överföra
till en öppen bassäng vid inblåsning av luft. Syremängden styrs av det invändiga trycket i oxygenatorn.
Omrörning i biobassängen sker genom en cirkulation genom oxygenatorn, där allt vatten förr eller senare
utsätts för en direkt syresättning under tryck varvid det övermättas.
I oxygenatorn erhålles en intensiv omblandning av vattnet och luft/syrgas. Detta medför en intensiv kontakt
mellan materialet som skall brytas ner, organismer och syre vilket skapar det bästa förutsättningar för processen.
Det övermättade vattnet från oxygenatorn blandas med undermättat vatten i bassängen för den biologiska
processen, varvid det blandade vattnet ges en syrehalt efter önskan.
Stigebrandt Hydroteknik AB
Rattgatan 23
44240 Kungälv
Tel:+46 (0)303 60136
e-mail: [email protected]
www.stigebrandt.se