Proces odplynenia pri čistení odpadových vôd

Odplyňovanie a prevzdušňovanie sú dva bežné procesy prenosu hmoty pri úprave vody. Prvý má odstrániť plyn rozpustený vo vode, zatiaľ čo druhý má rozpustiť plyn (vzduch) do vody.

Proces odplynenia patrí k procesu separácie fázového prenosu plyn-kvapalina, to znamená, že plyn (nosný plyn) sa zavádza do odpadovej vody, aby sa úplne dostali do vzájomného kontaktu, takže rozpustený plyn a prchavé látky v odpadovej vode prechádzajú cez rozhranie plyn-kvapalina a prechod do plynnej fázy, čím sa dosiahne účel odstránenia znečisťujúcich látok. Preto sa proces odplynenia často nazýva "stripovanie".

Voda a odpadová voda často obsahujú rozpustené plyny a prírodná voda obsahuje rôzne plyny. Keďže kyslík a dusík sú hlavnými zložkami atmosféry, povrchová voda obsahuje hlavne tieto dva plyny. Oxid uhličitý je ďalšou bežnou zložkou atmosféry a jeho koncentrácia sa líši od miesta k miestu, do značnej miery v závislosti od priemyselnej výroby a podmienok ľudského osídlenia v danej oblasti.

Preto je oxid uhličitý tiež bežným plynom vo vode. Napríklad veľké množstvo CO2 vzniká pri neutralizácii odpadovej vody s obsahom kyseliny sírovej vápencom a veľké množstvo CO2 vzniká aj pri prechode vody cez vodíkový iónovýmen počas procesu zmäkčovania a odsoľovania.

Vlastnosti dusíka a kyslíka sú úplne odlišné od vlastností oxidu uhličitého. Prvé dve nebudú ionizovať vo vode, takže tieto molekuly budú produkovať tlak plynu v roztoku; oxid uhličitý produkuje vo vode ionizovateľnú kyselinu uhličitú, takže tlak plynu vytvoria iba tie časti, ktoré ešte nezreagovali. Keď je hodnota pH nižšia ako 4,5, všetok oxid uhličitý rozpustený vo vode existuje vo forme plynu; keď je hodnota pH vyššia ako 8,5, všetok oxid uhličitý sa ionizuje.

Iné bežné ionizovateľné plyny zahŕňajú H2S, HCN a NH3.

Dýchanie organizmov ovplyvňuje zloženie plynov vo vode. Pôdne baktérie môžu produkovať veľké množstvo oxidu uhličitého v studničnej vode; vo vode z hlbokých studní nie je kyslík, pretože niektoré baktérie spotrebovali kyslík z infiltrovanej povrchovej vody. Organický odpad na dne močiarov a plytkých jazier vo všeobecnosti produkuje H2S a CH4 po anaeróbnom rozklade a metán sa niekedy nachádza v studničnej vode.

Vyššie uvedené plyny môžu korodovať systém alebo môžu byť samy osebe škodlivé, alebo môžu byť škodlivé pre následné spracovanie, preto ich treba oddeliť a odstrániť.

Hlavným účelom odplynenia je odstránenie rôznych škodlivých plynov z vody, pričom hlavným účelom prevzdušňovania je okysličenie vody. Proces odplynenia je hlavne procesom fyzického prenosu fáz, zatiaľ čo prevzdušňovanie je komplikovanejšie. Spolu s kyslíkom vo vzduchu vstupujúcim do vody súčasne prebehnú niektoré oxidačné reakcie. Ide teda o fyzikálno-chemický a dokonca biochemický proces.

Keďže biochemické procesy vstupujú do oblasti čistenia odpadových vôd, pozornosť sa venuje aj technológii prevzdušňovania. Napríklad technológia prevzdušňovaného biologického filtra, technológia SBR (sekvenčné dávkové spracovanie aktivovaného kalu) atď.

Podľa teórie o rovnováhe plyn-kvapalina a rýchlosti prenosu hmoty v dvojfázovom systéme plyn-kvapalina je parciálny tlak rozpusteného plynu v plynnej fáze úmerný koncentrácii plynu v kvapalnej fáze.

Keď je parciálny tlak plynnej fázy zložky nižší ako rovnovážny parciálny tlak plynnej fázy zodpovedajúci koncentrácii zložky v jej roztoku, dôjde k presunu hmoty rozpustenej zložky z kvapalnej fázy do plynnej fázy. Rýchlosť prenosu hmoty závisí od rozdielu medzi rovnovážnym parciálnym tlakom zložiek a parciálnym tlakom plynnej fázy.

Rovnovážny vzťah plyn-kvapalina a rýchlosť prenosu hmoty sa menia v závislosti od materiálového systému, teploty a podmienok kontaktu dvoch fáz. Pre daný materiálový systém zvýšením teploty vody, použitím čerstvého vzduchu alebo podtlaku, zvýšením kontaktnej plochy a času plynu a kvapaliny a znížením odporu prenosu hmoty možno znížiť koncentráciu roztoku vo vode a hmotnosť prenosová rýchlosť môže byť zvýšená.

Rozpustnosť plynu v kvapaline je úmerná rovnovážnemu parciálnemu tlaku plynu na povrchu kvapaliny, čo je Henryho zákon. Ďalším dôležitým zákonom o rozpustnosti plynov je Daltonov zákon, ktorý hovorí, že celkový tlak zmesového plynu sa rovná súčtu parciálnych tlakov každého z týchto plynov, a to priamo súvisí s ich molárnym pomerom alebo objemovým pomerom.

Napríklad vzduch vo všeobecnosti obsahuje 80 % dusíka a 20 % kyslíka a atmosférický tlak je zvyčajne 101325Pa (760 mmHg). Daltonov zákon hovorí, že parciálny tlak O2 vo vzduchu je 152 mmHg (0,20x760 mmHg) a parciálny tlak N2 je 608 mmHg (0,80x760 mmHg).

Teplota má veľký vplyv na rozpustnosť plynov. Keď teplota stúpne, rozpustnosť sa zníži. Zvýšenie teploty totiž spôsobuje zvýšenie tlaku pár samotnej vody, takže molekuly vody pretekajúce z rozhrania kvapalina-plyn odnášajú ďalšie molekuly plynu.

Ďalším faktorom, ktorý má významný vplyv na rozpustnosť plynu, je difúzia molekúl plynu vo vode. Keď teplota stúpa, aktivita plynu sa zrýchľuje, viskozita vody klesá a rýchlosť difúzie sa zvyšuje.

1. Odplyňovacia nádrž

Odplyňovacia nádrž je najjednoduchšie a najefektívnejšie odplyňovacie zariadenie. Pri odstraňovaní rozpustených plynov sa môže spoľahnúť na kontakt medzi kvapalinou a vzduchom na povrchu bazéna. Táto odplyňovacia nádrž sa nazýva prírodná odplyňovacia nádrž, ktorá je vhodná pre rozpustené plyny, ktoré sú prchavé a možno ich použiť na parnú desorpciu kyslých kondenzátov. Teplota vody je vysoká, rýchlosť vetra vysoká, otvorené priestranstvá a nie je ľahké produkovať sekundárne znečistenie. Jeho odplyňovací účinok vo všeobecnosti súvisí s časom skladovania, hĺbkou vodnej vrstvy a povrchom kvapaliny.

Na zvýšenie odplyňovacieho efektu je možné do bazéna zvyčajne inštalovať plastovú odvzdušňovaciu rúrku s otvormi alebo na vodnú hladinu inštalovať vodnú striekaciu rúrku, ktorá sa stáva vylepšeným odplyňovacím bazénom. Inštalačná výška potrubia na rozprašovanie vody by mala byť 1,2 ~ 1,5 m od hladiny vody. Aby sa predišlo strate vody, okolo môžu byť pridané priehradky alebo uzávery.

Odplyňovací bazén môže byť navrhnutý aj ako obdĺžnikový bazén s prepážkami. K bazénu je vedome pridaných niekoľko prepážok na zvýšenie stupňa delenia vody a na dno vody je inštalované plastové potrubie s otvormi na prevzdušňovanie.

2. Odplyňovacia veža

Aby sa zlepšila účinnosť odplyňovania, regenerovali sa užitočné plyny a zabránilo sa sekundárnemu znečisteniu, na dosiahnutie tohto účelu sa zvyčajne používa odplyňovacia veža. Vo všeobecnosti sú odplyňovacie veže plniaceho alebo doskového typu.

Prvým je naplnená odplyňovacia veža, kde sa voda pridáva do hornej časti veže, niekedy cez tryskové potrubie, a kvapalina steká smerom nadol filmovým spôsobom cez povrch výplne (ako sú Raschigove krúžky) a vzduch je vháňaný zo spodnej časti veže v kontinuálnej fáze zdola nahor v protiprúdovom kontakte s odpadovou vodou.

Vzduch sa vo všeobecnosti používa ako desorpčný plyn na odstránenie nerozpustených plynov, ako je oxid uhličitý, amoniak, sírovodík alebo metán. Plnené odplyňovacie veže sa často používajú v rafinériách a papierňach na parnú desorpciu kyslých kondenzátov.

Ďalšia odplyňovacia veža je doskového typu, ktorej hlavnou črtou je, že vo veži je inštalovaný určitý počet dosiek a odpadová voda preteká vodorovne cez dosky a cez zvodič prúdi do ďalšej dosky. Vzduch prechádza cez vodnú vrstvu na platni prebublávaním alebo tryskaním a zloženie plynnej fázy a vodnej fázy vo veži sa mení v krokoch pozdĺž výšky veže.

Plyn vyfukovaný z odpadovej vody sa môže použiť tam a späť prostredníctvom absorpcie. Napríklad roztok NaOH sa používa na absorpciu stripovaného HCN na generovanie NaCN a H2S sa absorbuje na generovanie Na2S a potom sa nasýtený roztok odparuje a kryštalizuje. H2S môže byť tiež adsorbovaný aktívnym uhlím a po dosiahnutí nasýtenia sa premyje roztokom sírnika a po odparení sa môže získať síra.