Mieszanie osadów jest jedną z najważniejszych funkcji w komorze zamkniętej. Zapewnia stałą temperaturę w całej jej objętości, co jest podstawowym wymogiem prawidłowego procesu fermentacji z udziałem bakterii mezofilowych. Przyjmuje się, że przy prawidłowym mieszaniu zawartość komory powinna brać udział w cyrkulacji 3-5 razy na dobę. Mieszanie może się odbywać za pomocą:
- zewnętrznych zespołów pomp, przez recyrkulację osadu
- hydraulicznie, hydroelewatorem
- mechaniczne, mieszaczami zamocowanymi wewnątrz komory
- strumieniem sprężonego gazu
Mieszanie przy użyciu pomp zewnętrznych, to najczęściej mieszadła z rurą centralną. Możliwe są tutaj dwie opcje mieszania:
Cyrkulacja w kierunku od dna do góry komory – w tym rozwiązaniu cyrkulacji, osad jest podrywany z dna zbiornika komory fermentacyjnej i za pomocą rury centralnej doprowadzany do dysku rozprowadzającego, gdzie jest rozprowadzany po powierzchni osadu. Wierzchnia warstwa osadu w komorze jest nieprzerwanie wymieniana, nie powstaje kożuch ani żadna inna forma nie poruszającej się struktury na powierzchni.
Cyrkulacja w kierunku od góry do dna komory – w przypadku cyrkulacji w kierunku od góry do dna komory, piana i włókniny są zasysane z powierzchni osadu w komorze i rurą centralną wtłaczane w kierunku do dna zbiornika. Efektem jest skuteczne wymieszanie całej objętości zbiornika.
W tej metodzie mieszania stosowane są pompy odśrodkowe o małej liczbie obrotów lub pompy śrubowe. Mieszacze z rura pionową są szczególnie korzystne i popularnie stosowane w komorach WKF o kształcie jajowym i cylindrycznym. Na rys. poniżej budowa mieszacza firmy HALBERG i wykres wydajności.
Mieszacze Halberg przeznaczone są dla zbiorników o pojemności od 1000-25000 m3, dla osadu o zawartości s.m. od 2-8%. Pobór mocy waha się od 1,8-4,5 W/m3 komory, wydajność mieszania od 350-6200 m3/h, przy poborze mocy 6,8-58kW.
Mieszanie hydrauliczne – realizowane jest za pomocą tzw. hydroelewatora (strumienicy), zamontowanego wewnątrz komory w pionowej rurze. Osad pompowany jest w dół komory. Cieczą tłoczoną do hydroelewatora jest osad recyrkulowany, często po uprzednim podgrzaniu, dla zapewnienia jednoczesnego mieszania i wyrównania temperatury w komorze. Mieszanie hydrauliczne jest zwykle tańsze od pompowego, stosowane dla komór o pojemności do 1500m3 (J.B. Bień, K. Wystalska, Osady ściekowe – teoria i praktyka)
Rys. Komora gnilna z hydroelewatorem do mieszania osadu (źr. Kanalizacje, K. Wójcicki)
Współcześnie mieszadła hydroelewatorowe wykonywane są też w dolnej części komory fermentacyjnej. Pompa strumieniowa zamocowana jest w tym wypadku na zewnątrz zbiornika. Wewnątrz znajduje się sama strumienica i wlot recyrkulowanego osadu. Ponizęj na rys. rozwiązanie firmy FLYGT.
Rys. Mieszadło strumieniowe z pompą Flygt N.
Mieszanie strumieniem gazu – realizowane jest za pomocą kompresora, który okresowo, zwykle co 60-80 minut, wtłacza gaz pofermentacyjny do komory. Gaz wtłaczany jest do dolnej części komory, do jej środka (jednopunktowo), lub na obwodzie, wielopunktowo, powodując mieszanie osadów bez jednoczesnego rozbijania kłaczków. Doprowadzenie gazu powoduje przepływ osadów w górę komory w ilości równej objętości doprowadzanego gazu. Dla wywołania jednokrotnej cyrkulacji całej objętości komory, konieczne jest doprowadzenie gazu w ilości równej połowie jej objętości. Czas pracy kompresora nie powinien być krótszy niż 3 minuty. Jeśli osad świeży doprowadzany jest do komory w sposób ciągły, zaleca się stały dopływ gazu. Mieszanie strumieniem gazu nie jest zbyt popularne, niemniej poświęcę mu nieco więcej miejsca. Rozwiązania konstrukcyjne wyróżniają tutaj następujące systemy:
- mieszanie z wykorzystaniem lanc gazowych
- mieszanie gazem z wykorzystaniem rur eżektorowych
- system gaslifter
Mieszanie przy użyciu lanc gazowych – realizowane jest poprzez zamocowanie w stropie WKF-u szeregu pionowych rur (lanc) którymi wprowadzany jest pod ciśnieniem, za pomocą sprężarki gaz fermentacyjny zbierany w górnej części komory. System stosowany był w komorach WKF ze stropem pływającym. Ograniczenie w zużyciu energii uzyskiwano poprzez naprzemienny wtrysk gazu przez poszczególne lance, przy czym w danym momencie uruchamiana była tylko jedna lanca. System ten miał szereg wad, ruchomy strop powodował np. że przy zmiennym poziomie osadu w komorze gaz nie docierał do wszystkich jej stref.
Mieszanie przy użyciu rury lub rur eżektorowych – wymaga sprężarki większej mocy i tym samym większego zużycia energii. Gaz wtłaczany jest tutaj systemem rur zewnętrznych, poprowadzonych przez ściany komory WKF, do komory pęcherzykowej pionowego eżektora. Gromadzący się gaz tworzy duży bąbel gazowy, wypełniający przekrój poprzeczny rury, który działa jak podciśnienie zasysając osad z dna komory. Następnie, w wyniku ruchu pionowego i gwałtownego rozpadu, wstrzykuje osad do górnej części komory, wywołując tym jego cyrkulację.
System gaslifter
Stanowi połączenie lanc gazowych z systemem eżektorowym. Stosowany jest tutaj tylko jeden centralny eżektor, do którego gaz doprowadzany jest systemem perforowanych lanc pionowych, lub (opcjonalnie) kolektorem gazu umieszczonym w dolnej części rury eżektorowej. Zastosowanie lanc jest bardziej korzystne, bowiem gaz doprowadzany jest tutaj na stałej wysokości ponad dnem rzędu 12 stóp (około 3,6m). Pozwala to na użycie sprężarki o mniejszym sprężu. W obu przypadkach przepływ gazu w rurze eżektorowej wywołuje cyrkulację osadu w komorze.
Mieszanie mechaniczne – to najpopularniejsza obecnie metoda wyrównywania temperatury w wydzielonych komorach fermentacyjnych. Duża dostępność i różnorodność rozwiązań, pozwala dopasować je do każdego typu komory. Mieszadła mechaniczne zdecydowanie poprawiają przemieszczanie się gazu do górnej części komory, zapobiegając jednocześnie powstawaniu kożucha. Wykonywane są jako wolnoobrotowe, o osi pionowej lub poziomej. W zależności od konstrukcji mogą być mocowane w osi komory, na jej dnie, a także na określonej projektem wysokości na ścianie komory, w jednym lub kilku jej punktach.
Mieszadła pionowe, wykonywane są z jednym, dwoma a nawet trzema wirnikami, zamocowanymi na wspólnym wale, umieszczonym w osi komory fermentacyjnej. Na rys. obok znajduje się przykładowe mieszadło firmy REDOR z dwoma wirnikami. Jeden z wirników jest mniejszy, montowany blisko powierzchni cieczy dla likwidacji kożucha, drugi większe, montowany głęboko, do mieszania w centralnej i dolnej części komory i zapobiegania osadzaniu się zanieczyszczeń na dnie. Śmigła przetłaczają czynnik z góry ku dołowi. Wytwarzany przez nie strumień wymywa zanieczyszczenia z dna a następnie wymusza ruch wznoszący wzdłuż ścian zbiornika sprzyjający odgazowaniu osadu. Konstrukcja mieszadła umożliwia montaż, przy którym nie ma konieczności budowania wysokich rusztowań wewnątrz zbiornika.
Rys. Mieszadła o osi pionowej (FLYGT), poniżej szczegół budowy.
Rys. Budowa wirnika pionowego FLYGT 4850. Oznaczenia 1- silnik z przekładnią, 2- obudowa łożysk, 3- łącznik ze szpilkami prowadzącymi, łatwo przenoszący siły skręcające, 4- wał ze stali wysokostopowej, 5- wirnik flygt dwupłatowy, umożliwia stałą wysoką efektywność mieszania nawet przy wysokiej zawartości części włóknistych, 6- uchwyt dolny wału z łożyskami
Mieszadła pionowe należą do najbardziej ekonomicznych rozwiązań. Pobór mocy dla mieszadeł firmy REDOR nie przekracza 2W/m3 objętości komory. Dla mieszadeł firmy FLYGT wskaźnik ten zmienia sie w zależności od objętości komory i wynosi od 2W/m3 dla komór o pojemności do 2000m3 , do około 3-4W/m3 dla komór o pojemności 2000-5000m3.
Mieszadła o osi poziomej
Mieszadła tego typu zwane są częściej zanurzalnymi, instalowanymi na dnie komory lub na pewnej jej wysokości. W odróżnieniu do mieszadeł pionowych, o stałym położeniu, mieszadła poziome mają zwykle możliwość regulacji wysokości położenia, jak też kąta ustawienie względem komory. Parametry pracy mieszadeł poziomych są nieco inaczej podawane niż dla konstrukcji o osi pionowej. Najbardziej istotnym parametrem użytkowym jest siła osiowa w kN i ta wielkość podana jest w katalogu. Siłę osiową można łatwo przeliczyć na wartość efektywnego strumienia objętości cieczy (czyli na wydajność Q w m3/s), któremu nadana zostaje prędkość v. Przy mieszaniu ścieków przyjmuje się zwykle (dane firmy REDOR), że pożądana prędkość cieczy nie powinna być mniejsza niż v = 0,3 m/s.
Usytuowanie mieszadła w zbiorniku decyduje o jego efektywności. W zbiornikach o kształtach prostokątnym (bez przegrody) i kolistym stosuje się głównie mieszadła średnioobrotowe.
Ustawia się je skośnie do ścian zbiornika aby wykorzystać w jak największym stopniu odbicia strumienia cieczy od ścian. Wywołuje to w wielu miejscach zawirowania, które wspomagają proces mieszania. Z reguły stosuje się w zbiorniku jedno lub dwa mieszadła, na prowadnicach umożliwiających obrót mieszadła względem osi prowadnicy.
Przyjmuje się, że w zbiornikach kolistych kąt pomiędzy
osiami mieszadła i zbiornika powinien wynosić 10º÷20º. Rysunki poniżej.
Rys. Przykładowe rozmieszczenie mieszadeł o osi poziomej w komorach prostokątnych i okrągłych (źr. REDOR).
Sposób montażu
Wyróżnić tutaj można następujące systemy (na przykładzie mieszadeł firmy REDOR):
- konstrukcja nośna jednosłupowa obrotowa
- konstrukcja nośna jednosłupowa stała
- konstrukcja nośna dwusłupowa
Konstrukcja jednosłupowa obrotowa – charakteryzuje się tym, że sanie, na których osadzone jest mieszadło poruszają się po pojedynczej prowadnicy (słupie) o przekroju kwadratowym. Prowadnica zamocowana jest do dna lub ściany zbiornika i uchwytu górnego w sposób zapewniający jej obrót wraz z mieszadłem o kąt ±60°. Umożliwia to skierowanie strugi w wymaganym kierunku. Mieszadło w czasie pracy opiera się na wsporniku. W wykonaniu podstawowym mieszadło przez cały okres pracy w zanurzeniu jest podwieszone na linie żurawia
(opcja 1). Wymaga to zamówienia osobnego żurawia do każdego mieszadła. Jest możliwość zamówienia mieszadła zawieszonego na łańcuchu (opcja 2) mocowanym do konstrukcji nośnej, zaopatrzonego w dodatkową linkę pozwalającą na wyjęcie mieszadła przy pomocy żurawia. Umożliwia
to wyjęcie żurawia z kieszeni lub stopy i wykorzystanie go do obsługi innych mieszadeł. Jest to wariant nie zalecany
ze względów eksploatacyjnych, gdyż wiąże się z niedogodnością przenoszenia żurawia po pomostach
oczyszczalni ścieków.
Rys. (po prawej) mieszadło o osi pionowej zamocowane na konstrukcji jednosłupowej obrotowej z wykorzystaniem żurawia. Uwaga, uchwyt środkowy stosowany jest dla prowadnic o długości powyżej 6m.
Konstrukcja nośna jednosłupowa stała
Charakteryzuje się tym, że sanie, na których osadzone jest mieszadło poruszają się po pojedynczej prowadnicy (słupie) o przekroju kwadratowym. Prowadnica zamocowana jest do dna
zbiornika i uchwytu górnego. Mieszadło w czasie pracy opiera się na wsporniku. Kierunek ustawienia mieszadła ustalany jest w momencie montażu konstrukcji nośnej i nie ma możliwości jego zmiany w czasie pracy mieszadła. Konstrukcja ta jest przeznaczona dla ciężkich mieszadeł wolnoobrotowych. W wykonaniu podstawowym mieszadło przez cały okres pracy w zanurzeniu jest podwieszone na linie żurawia (opcja 1). Wymaga to zamówienia osobnego żurawia do każdego mieszadła. Jest możliwość zamówienia mieszadła zawieszonego na łańcuchu (opcja 2) mocowanym do konstrukcji nośnej, zaopatrzonego w dodatkową linkę pozwalającą na wyjęcie mieszadła przy pomocy żurawia. Umożliwia to wyjęcie żurawia z kieszeni lub stopy i wykorzystanie go do obsługi innych mieszadeł. Jest to wariant nie zalecany ze względów eksploatacyjnych, gdyż wiąże się z niedogodnością przenoszenia żurawia po pomostach
oczyszczalni ścieków.
Rys. (po lewej) Konstrukcja nośna mieszadła o osi poziomej wykonana jako stała jednosłupowa, z żurawiem i liną nośną (opcja 1)
Konstrukcja nośna dwusłupowa
Konstrukcja dwusłupowa charakteryzuje się tym, że sanie, na których osadzone jest mieszadło poruszają się po dwóch prowadnicach (słupach) o przekroju okrągłym. Prowadnice zamocowane są do dna zbiornika oraz pomostu. Zastosowanie dwóch prowadnic umożliwia pewne mocowanie ciężkich mieszadeł wolnoobrotowych.
W wykonaniu podstawowym mieszadło przez cały okres pracy w zanurzeniu jest podwieszone na linie żurawia
(opcja 1). Wymaga to zamówienia osobnego żurawia do każdego mieszadła.
Istnieje możliwość zamówienia mieszadła podwieszonego na łańcuchu (opcja 2) mocowanym do konstrukcji
nośnej, zaopatrzonego w dodatkową linkę pozwalającą na wyjęcie mieszadła przy pomocy żurawia. Umożliwia
to wyjęcie żurawia z kieszeni lub stopy i wykorzystanie go do obsługi innych mieszadeł. Jest to wariant nie zalecany
ze względów eksploatacyjnych, gdyż wiąże się z niedogodnością przenoszenia żurawia po pomostach
oczyszczalni ścieków. Rozwiązanie konstrukcji znajduje się na rys. po prawej stronie (źr. REDOR). U dołu przykład mieszadła z wirnikiem typu „banana” (FLYGT)
Same wirniki mieszadeł mogą mieć różne konstrukcje, w zależności od firmy, przeznaczenia, czy prędkości obrotowej (niskobieżne, średniobieżne, wysokobieżne). Przy niskich obrotach wirnika i dużych objętościach komór, oraz przy uwodnieniu osadu >98%, dość popularne są mieszadła z napędem pośrednim (przekładniowe) z wirnikami typu „banana”, o dużej średnicy śmigła, dochodzącej do 2,5 i więcej m. Samo śmigło może być wykonane tutaj ze stali nierdzewnej lub kompozytów. Dla mieszadeł pracujących w komorach o mniejszym uwodnieniu osadu, preferowane są mieszadła z napędem bezpośrednim, z wirnikami śmigłowymi dwu- lub trójpłatowymi.
Mieszacze wirnikowe są bardzo wydajne, ale dość skomplikowane w montażu. Wszystkie (lub większość) elementów systemu jest wewnątrz zbiornika, co utrudnia późniejszą konserwację. Śmigła wirników narażone są przy tym na niszczące działanie piasku. Problemów tych nie mają systemy mieszania zewnętrznego, z pompami śrubowymi. Poniżej przedstawiam rozwiązanie firmy Hidrostal o nazwie HidroMix. Osad ze zbiornika fermentacyjnego zasysany jest tutaj przez pompę śrubową i następnie tłoczony do drugiego punktu w zbiorniku, wymuszając w ten sposób jego cyrkulację. Cały system zamocowany jest poza ścianą zbiornika, wewnątrz komory WKF nie ma żadnych ruchomych elementów. Przy mniejszych zbiornikach stosowany jest jeden punkt wlotowy pompowanego osadu. Przy większych, możliwe jest zastosowanie dwóch punktów rozmieszczonych na różnych wysokościach, aby zoptymalizować mieszanie i wykluczyć strefy martwe w zbiorniku.
Rys. System mieszania Hydromix i możliwe konfiguracje.
Rys. Przekrój przez pompę śrubową oraz widok dyszy wlotowej do zbiornika (źr. Hidrostal).
Parametry pracy powyższego systemu, to:
- wysokość podnoszenia do 11m
- średnica wlotu dyszy od 100-300mm
- wydajność do 300 l/s przy poborze mocy od 2,2-37 kW
Inny przykład zastosowania pomp zewnętrznych z mieszaczem zasilanym silnikiem rewersyjnym pokazuję na rys. (po lewej). Mieszacz umieszczony w pionowej rurze łączącej przewód ssawny z tłocznym przewodem osadu, może pracować w obu kierunkach, pompując osad z dołu do góry, lub z góry na dół zbiornika. W zależności od wielkości zbiornika systemy takie mogą być mocowane z jednej lub z obu stron WKF-u. Opcjonalnie na rurze pionowej istnieje też możliwość zamocowania wymiennika ciepła do podgrzewania osadu.
Rys. Zewnętrzny system mieszania osadu w komorze WKF z mieszaczem o osi pionowej i opcjonalnym wymiennikiem ciepła na rurze pionowej. (źr. Current trends in digester mixing technologies; Becky Dogherty and Brian Hemphill)