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 Inlopp Oxygenator Returslam Utlopp Slamseparation Biobassäng O2-sond Överskottsslam 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 m 3 luft innehåller 252 gram syre vid atmosfärstryck och 20 grader C (Nm 3 ). För att lösa 1000 gram O 2 behöver 3,968 Nm 3 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 m 3 Tryck (bar abs) 1 2 3 4 Temp. O 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 Exempel 1. Vattentemperatur grader C 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Mängd vatten m 3 17,12 19,60 22,17 24,81 27,47 30,21 33,00 35,84 38,61 Kommunalt reningsverk med belastning 1000 pe Vattentemperatur 15 o C 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 Mängd luft som skall tillföras i liter/minut =186 Ytan på en bassäng med Stigebrandt Oxygenator. Den infällda bilden visar ytan av en bassäng med konventionellt 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 10 15 20 25 30 Cirkulationsmängd /timma 48,4 55,1 62,4 70,3 75,9 85,2 93,7 Mängd tillförd luft (Nm 3 )/timma 11,2 11,2 11,2 11,2 11,2 11,2 11,2 Installerad effekt för cirkulation kw 1) 5 5,5 6 7 8 8,5 9 Installerad effekt för luftkompressor kw 2) 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 Summa installerad effekt kw 6,5 7 7,5 8,5 9,5 10 10,5 Installerad effekt kwh / tillfört kg O 2 2,31 2,49 2,67 3,02 3,38 3,56 3,73 Sannolik förbrukad energi kwh / kg BOD 3) 1,85 1,99 2,13 2,42 2,70 2,84 2,98 Installerad effekt kw / pe 0,16 0,17 0,19 0,21 0,24 0,25 0,26 Sannolik förbrukad energi kwh / pe 3) 0,13 0,14 0,15 0,17 0,19 0,20 0,21 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 nedbrytningsmaterialets 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. Diameter Figuren visar kvoten av sfärens volym och yta med ökande 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: info@stigebrandt.se www.stigebrandt.se