Διαδικασία απαέρωσης στην επεξεργασία λυμάτων

Η απαέρωση και ο αερισμός είναι δύο κοινές διαδικασίες μεταφοράς μάζας στην επεξεργασία του νερού. Το πρώτο είναι για την αφαίρεση του αερίου που είναι διαλυμένο στο νερό, ενώ το δεύτερο είναι για τη διάλυση του αερίου (αέρα) στο νερό.

Η διαδικασία απαέρωσης ανήκει στη διαδικασία διαχωρισμού μεταφοράς φάσης αερίου-υγρού, δηλαδή το αέριο (φέρον αέριο) εισάγεται στα λύματα για να τα φέρει σε πλήρη επαφή μεταξύ τους, έτσι ώστε το διαλυμένο αέριο και οι πτητικές διαλυμένες ουσίες στα λύματα να περνούν τη διεπαφή αερίου-υγρού και μεταφορά στην αέρια φάση, επιτυγχάνοντας έτσι τον σκοπό της απομάκρυνσης των ρύπων. Ως εκ τούτου, η διαδικασία απαέρωσης ονομάζεται συχνά "απογύμνωση".

Το νερό και τα λύματα περιέχουν συχνά διαλυμένα αέρια και το φυσικό νερό περιέχει μια ποικιλία αερίων. Δεδομένου ότι το οξυγόνο και το άζωτο είναι τα κύρια συστατικά της ατμόσφαιρας, το επιφανειακό νερό περιέχει κυρίως αυτά τα δύο αέρια. Το διοξείδιο του άνθρακα είναι ένα άλλο κοινό ατμοσφαιρικό συστατικό και η συγκέντρωσή του ποικίλλει από τόπο σε τόπο, σε μεγάλο βαθμό ανάλογα με τη βιομηχανική παραγωγή και τις συνθήκες ανθρώπινης εγκατάστασης στην περιοχή.

Επομένως, το διοξείδιο του άνθρακα είναι επίσης ένα κοινό αέριο στο νερό. Για παράδειγμα, μια μεγάλη ποσότητα CO2 παράγεται όταν τα λύματα που περιέχουν θειικό οξύ εξουδετερώνονται με ασβεστόλιθο και μια μεγάλη ποσότητα CO2 παράγεται επίσης όταν το νερό διέρχεται από έναν εναλλάκτη ιόντων υδρογόνου κατά τη διαδικασία αποσκλήρυνσης και αφαλάτωσης.

Οι ιδιότητες του αζώτου και του οξυγόνου είναι αρκετά διαφορετικές από αυτές του διοξειδίου του άνθρακα. Τα δύο πρώτα δεν θα ιονιστούν στο νερό, έτσι αυτά τα μόρια θα παράγουν πίεση αερίου στο διάλυμα. Το διοξείδιο του άνθρακα παράγει ιονιζόμενο ανθρακικό οξύ στο νερό, επομένως μόνο εκείνα τα μέρη που δεν έχουν ακόμη αντιδράσει θα παράγουν πίεση αερίου. Όταν η τιμή του pH είναι χαμηλότερη από 4,5, όλο το διοξείδιο του άνθρακα που είναι διαλυμένο στο νερό υπάρχει σε μορφή αερίου. όταν η τιμή του pH είναι υψηλότερη από 8,5, όλο το διοξείδιο του άνθρακα ιονίζεται.

Άλλα κοινά ιονίσιμα αέρια περιλαμβάνουν τα H2S, HCN και NH3.

Η αναπνοή των οργανισμών επηρεάζει τη σύνθεση των αερίων στο νερό. Τα βακτήρια του εδάφους μπορούν να παράγουν μεγάλη ποσότητα διοξειδίου του άνθρακα στο νερό των πηγαδιών. Δεν υπάρχει οξυγόνο στα βαθιά νερά των πηγαδιών, επειδή ορισμένα βακτήρια έχουν καταναλώσει οξυγόνο από το διεισδυμένο επιφανειακό νερό. Τα οργανικά υπολείμματα στον πυθμένα των ελών και των ρηχών λιμνών παράγουν γενικά H2S και CH4 μετά από αναερόβια αποσύνθεση και το μεθάνιο βρίσκεται μερικές φορές στο νερό των πηγαδιών.

Τα παραπάνω αέρια μπορεί να διαβρώσουν το σύστημα ή να είναι επιβλαβή από μόνα τους ή να είναι επιζήμια για την επακόλουθη επεξεργασία, επομένως πρέπει να διαχωριστούν και να αφαιρεθούν.

Ο κύριος σκοπός της απαέρωσης είναι η απομάκρυνση διαφόρων επιβλαβών αερίων από το νερό, ενώ ο κύριος σκοπός του αερισμού είναι η οξυγόνωση του νερού. Η διαδικασία απαέρωσης είναι κυρίως μια διαδικασία μεταφοράς φυσικής φάσης, ενώ ο αερισμός είναι πιο περίπλοκος. Μαζί με το οξυγόνο του αέρα που εισέρχεται στο νερό, θα συμβούν ταυτόχρονα και κάποιες αντιδράσεις οξείδωσης. Είναι λοιπόν μια φυσικοχημική και μάλιστα βιοχημική διαδικασία.

Καθώς οι βιοχημικές διεργασίες εισέρχονται στον τομέα της επεξεργασίας λυμάτων, η τεχνολογία αερισμού έχει επίσης λάβει την προσοχή. Για παράδειγμα, η τεχνολογία αεριούχου βιολογικού φίλτρου, η τεχνολογία SBR (αλληλουχία επεξεργασίας ενεργοποιημένης ιλύος κατά παρτίδες) κ.λπ.

Σύμφωνα με τη θεωρία της ισορροπίας της φάσης αερίου-υγρού και του ρυθμού μεταφοράς μάζας, σε ένα διφασικό σύστημα αερίου-υγρού, η μερική πίεση του αερίου διαλυμένης ουσίας στην αέρια φάση είναι ανάλογη της συγκέντρωσης του αερίου στην υγρή φάση.

Όταν η μερική πίεση αέριας φάσης του συστατικού είναι χαμηλότερη από τη μερική πίεση ισορροπίας αέριας φάσης που αντιστοιχεί στη συγκέντρωση του συστατικού στο διάλυμά του, θα συμβεί μεταφορά μάζας του συστατικού της διαλυμένης ουσίας από την υγρή φάση στην αέρια φάση. Ο ρυθμός μεταφοράς μάζας εξαρτάται από τη διαφορά μεταξύ της μερικής πίεσης ισορροπίας των συστατικών και της μερικής πίεσης της αέριας φάσης.

Η σχέση ισορροπίας φάσης αερίου-υγρού και ο ρυθμός μεταφοράς μάζας ποικίλλουν ανάλογα με το σύστημα υλικού, τη θερμοκρασία και τις συνθήκες επαφής των δύο φάσεων. Για ένα δεδομένο σύστημα υλικού, αυξάνοντας τη θερμοκρασία του νερού, χρησιμοποιώντας φρέσκο ​​αέρα ή λειτουργία αρνητικής πίεσης, αυξάνοντας την περιοχή και το χρόνο επαφής αερίου-υγρού και μειώνοντας την αντίσταση μεταφοράς μάζας, η συγκέντρωση του διαλύματος στο νερό μπορεί να μειωθεί και η μάζα ο ρυθμός μεταφοράς μπορεί να αυξηθεί.

Η διαλυτότητα ενός αερίου σε ένα υγρό είναι ανάλογη με τη μερική πίεση ισορροπίας του αερίου στην επιφάνεια του υγρού, που είναι ο νόμος του Henry. Ένας άλλος σημαντικός νόμος για τη διαλυτότητα των αερίων είναι ο νόμος του Dalton, ο οποίος δηλώνει ότι η ολική πίεση ενός μικτού αερίου είναι ίση με το άθροισμα των μερικών πιέσεων καθενός από αυτά τα αέρια, και αυτό σχετίζεται άμεσα με τη μοριακή τους αναλογία ή την αναλογία όγκου.

Για παράδειγμα, ο αέρας περιέχει γενικά 80% άζωτο και 20% οξυγόνο και η ατμοσφαιρική πίεση είναι συνήθως 101325 Pa (760 mmHg). Ο νόμος του Dalton αναφέρει ότι η μερική πίεση του O2 στον αέρα είναι 152 mmHg (0,20X760 mmHg), και η μερική πίεση του N2 είναι 608 mmHg (0,80×760 mmHg).

Η θερμοκρασία έχει μεγάλη επίδραση στη διαλυτότητα των αερίων. Όταν η θερμοκρασία αυξάνεται, η διαλυτότητα θα μειωθεί. Αυτό συμβαίνει επειδή η αύξηση της θερμοκρασίας προκαλεί την αύξηση της τάσης ατμών του ίδιου του νερού, έτσι ώστε τα μόρια του νερού που ξεχειλίζουν από τη διεπιφάνεια υγρού-αερίου να παρασύρουν άλλα μόρια αερίου.

Ένας άλλος παράγοντας που έχει σημαντική επίδραση στη διαλυτότητα των αερίων είναι η διάχυση των μορίων αερίου στο νερό. Όταν η θερμοκρασία αυξάνεται, η δραστηριότητα του αερίου επιταχύνεται, το ιξώδες του νερού μειώνεται και ο ρυθμός διάχυσης αυξάνεται.

1. Δεξαμενή απαερίωσης

Η δεξαμενή απαερίωσης είναι η απλούστερη και πιο αποτελεσματική εγκατάσταση απαερίωσης. Μπορεί να βασίζεται στην επαφή μεταξύ του υγρού και του αέρα στην επιφάνεια της πισίνας για την απομάκρυνση των διαλυμένων αερίων. Αυτή η δεξαμενή απαερίωσης ονομάζεται φυσική δεξαμενή απαέρωσης, η οποία είναι κατάλληλη για διαλυμένα αέρια που είναι πτητικά και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εκρόφηση ατμών όξινων συμπυκνωμάτων. Η θερμοκρασία του νερού είναι υψηλή, η ταχύτητα του ανέμου είναι υψηλή, υπάρχουν ανοιχτοί χώροι και δεν είναι εύκολο να παραχθεί δευτερογενής ρύπανση. Η απαέρωσή του σχετίζεται γενικά με το χρόνο αποθήκευσης, το βάθος του στρώματος νερού και την επιφάνεια του υγρού.

Για να ενισχυθεί το φαινόμενο απαέρωσης, ένας πλαστικός σωλήνας εξαερισμού με τρύπες μπορεί συνήθως να εγκατασταθεί στην πισίνα ή ένας σωλήνας ψεκασμού νερού μπορεί να εγκατασταθεί στην επιφάνεια του νερού, ο οποίος γίνεται μια ενισχυμένη πισίνα απαέρωσης. Το ύψος εγκατάστασης του σωλήνα ψεκασμού νερού πρέπει να είναι 1,2~1,5 m από την επιφάνεια του νερού. Για την αποφυγή απώλειας νερού, μπορούν να προστεθούν διαφράγματα ή παντζούρια.

Η πισίνα απαέρωσης μπορεί επίσης να σχεδιαστεί ως μια ορθογώνια πισίνα με διάφραγμα. Πολλά χωρίσματα προστίθενται συνειδητά στην πισίνα για να αυξηθεί ο βαθμός διαίρεσης του νερού και ένας πλαστικός σωλήνας με τρύπες τοποθετείται στο κάτω μέρος του νερού για αερισμό.

2. Πύργος απαερίωσης

Προκειμένου να βελτιωθεί η απόδοση της απαέρωσης, να ανακτηθούν χρήσιμα αέρια και να αποφευχθεί η δευτερογενής ρύπανση, συνήθως χρησιμοποιείται ένας πύργος απαερίωσης για την επίτευξη αυτού του σκοπού. Γενικά, οι πύργοι απαέρωσης είναι τύπου συσκευασίας ή τύπου πλάκας.

Ο πρώτος είναι ένας συσκευασμένος πύργος απαέρωσης, όπου προστίθεται νερό στην κορυφή του πύργου, μερικές φορές μέσω ενός σωλήνα εκτόξευσης, και το υγρό ρέει προς τα κάτω με τρόπο που μοιάζει με φιλμ μέσω της επιφάνειας του παρεμβύσματος (όπως οι δακτύλιοι Raschig) και διοχετεύεται αέρας από το κάτω μέρος του πύργου, σε συνεχή φάση, από κάτω προς τα πάνω, σε αντίρροπη επαφή με τα λύματα.

Ο αέρας χρησιμοποιείται γενικά ως αέριο εκρόφησης για την απομάκρυνση αδιάλυτων αερίων, όπως το διοξείδιο του άνθρακα, η αμμωνία, το υδρόθειο ή το μεθάνιο. Οι συσκευασμένοι πύργοι απαέρωσης χρησιμοποιούνται συχνά σε διυλιστήρια και χαρτοβιομηχανίες για την εκρόφηση ατμών όξινων συμπυκνωμάτων.

Ένας άλλος πύργος απαέρωσης είναι ένας τύπος πλάκας, το κύριο χαρακτηριστικό του οποίου είναι ότι ένας ορισμένος αριθμός πλακών εγκαθίσταται στον πύργο και τα λύματα ρέουν οριζόντια μέσα από τις πλάκες και ρέουν στην επόμενη πλάκα μέσω του καθοδικού σωλήνα. Ο αέρας διέρχεται μέσω του στρώματος νερού στην πλάκα με φυσαλίδες ή εκτόξευση και η σύνθεση της αέριας φάσης και της υδατικής φάσης στον πύργο αλλάζει σταδιακά κατά μήκος του ύψους του πύργου.

Το αέριο που εκτοξεύεται από τα λύματα μπορεί να χρησιμοποιηθεί μπρος-πίσω μέσω απορρόφησης. Για παράδειγμα, το διάλυμα NaOH χρησιμοποιείται για την απορρόφηση του απογυμνωμένου HCN για τη δημιουργία NaCN, και το H2S απορροφάται για τη δημιουργία Na2S και στη συνέχεια το κορεσμένο διάλυμα εξατμίζεται και κρυσταλλώνεται. Το H2S μπορεί επίσης να προσροφηθεί από ενεργό άνθρακα και αφού φτάσει σε κορεσμό, πλένεται με διάλυμα νιτρώδους θείου και το θείο μπορεί να ανακτηθεί μετά την εξάτμιση.