Xung của sục khí: Đi sâu vào áp suất ướt động (DWP) trong các hệ thống bong bóng mịn

I. Giới thiệu: Xác định kẻ giết người hiệu quả “im lặng”

Trong thế giới xử lý nước thải, Phòng thổi gió thường là nơi tiêu thụ năng lượng lớn nhất, chiếm tới 60% tổng lượng điện sử dụng của nhà máy . Trong khi người vận hành dành nhiều thời gian theo dõi mức Oxy hòa tan (DO) để giữ cho vi khuẩn hoạt động tốt, thì có một số liệu “im lặng” xác định xem lượng oxy đó được cung cấp ở mức hợp lý hay bị thất thoát lớn: Áp suất ướt động (DWP).

Định nghĩa: DWP so với Đầu tĩnh

Để hiểu DWP, trước tiên chúng ta phải phân biệt nó với tổng áp suất đo được ở quạt gió. Khi không khí di chuyển từ máy thổi đến đáy bể sục khí, nó phải đối mặt với hai trở ngại chính:

1. Đầu tĩnh (): Đây là trọng lượng vật lý của cột nước nằm phía trên bộ khuếch tán. Nếu bể của bạn sâu 15 feet, máy thổi phải cung cấp ít nhất 6,5 psi mới chạm tới đáy. Điều này là không đổi và chỉ phụ thuộc vào mực nước.
2. Áp suất ướt động (DWP): Đây chính là “điện trở” của chính bộ khuếch tán. Đó là lượng năng lượng cần thiết để kéo căng màng cao su và ép không khí đi qua các khe được cắt chính xác khi màng chìm trong nước.

Về mặt toán học, mối quan hệ được thể hiện như sau:

(Ở đâu P _{ma sát_mất mát} là điện trở bên trong đường ống).

(Ở đâu is the resistance within the piping itself).

Sự tương tự: Sức cản mạch máu

Hãy nghĩ về hệ thống sục khí giống như hệ thống tuần hoàn của con người. các Máy thổi là trái tim, là Ống là các động mạch và Máy khuếch tán là các mao mạch.

Nếu “mao mạch” (khe khuếch tán) của bạn trở nên hẹp hoặc cứng, thì “trái tim” (máy thổi) của bạn phải bơm mạnh hơn đáng kể để di chuyển cùng một lượng “máu” (không khí) được oxy hóa qua hệ thống. Đây thực chất là “huyết áp cao” đối với cây của bạn. Bạn vẫn có thể đạt được mức DO mục tiêu, nhưng thiết bị của bạn đang phải chịu áp lực rất lớn và hóa đơn năng lượng của bạn đang tăng vọt.

Tác động kinh tế: Thuế vô hình

DWP hiếm khi là một con số cố định. Vì màng được làm từ chất đàn hồi (như EPDM hoặc Silicone) nên chúng thay đổi theo thời gian. Khi chúng mất đi tính linh hoạt hoặc bị tắc nghẽn bởi các khoáng chất và “chất nhờn sinh học”, DWP sẽ tăng lên.

• Quy tắc 1-PSI: Trong một nhà máy điển hình, sự gia tăng chỉ 1 psi (khoảng 27 inch nước) trong DWP có thể tăng mức tiêu thụ điện năng của máy thổi bằng cách 8% đến 10% .
• Chi phí vòng đời: Trong khoảng thời gian 10 năm, một bộ khuếch tán bắt đầu với DWP là 12" và kết thúc bằng 40" có thể khiến chính quyền thành phố tiêu tốn hàng trăm nghìn đô la tiền điện “lãng phí”—năng lượng chỉ được dùng để chống lại màng cao su thay vì xử lý nước.

II. Vật lý của sức cản màng

DWP của bộ khuếch tán không phải là số tĩnh; nó là một phản ứng năng động đối với áp suất không khí và cơ học chất lỏng. Hiểu “tính chất vật lý của khe” giải thích tại sao một số bộ khuếch tán tiết kiệm tiền trong khi những bộ khác lại tiêu tốn ngân sách.

1. Áp lực mở cửa: Vượt qua độ co giãn

Màng khuếch tán về cơ bản là một van kiểm tra công nghệ cao. Khi quạt gió tắt, áp lực nước và sức căng tự nhiên của chất đàn hồi (cao su) giữ cho các khe đóng chặt. Điều này ngăn chặn bùn xâm nhập vào đường ống.

Để bắt đầu sục khí, máy thổi phải tạo ra áp suất bên trong đủ lớn để thắng hai lực:

• Căng thẳng vòng: Sức cản vật lý của cao su khi bị kéo giãn.
• Sức căng bề mặt: Năng lượng cần thiết để tạo ra bề mặt tiếp xúc không khí-nước mới (bong bóng) tại điểm thoát của khe.

2. Hình học khe và sự hình thành bong bóng

Cách màng được đục lỗ là sự cân bằng kỹ thuật tinh tế.

• Mật độ khe: Đĩa chất lượng cao có hàng nghìn khe cực nhỏ, được cắt bằng laser hoặc được đục lỗ chính xác. Nhiều khe hở hơn có nghĩa là không khí được phân phối trên một diện tích lớn hơn, điều này giảm DWP bởi vì mỗi khe riêng lẻ không cần phải “kéo dài” ra xa để không khí đi qua.
• Độ dày so với sức đề kháng: Màng dày hơn sẽ bền hơn nhưng có điện trở cao hơn (DWP cao hơn). Các thiết kế hiện đại sử dụng độ dày có thể thay đổi—dày hơn ở các cạnh để tăng độ bền và mỏng hơn ở khu vực đục lỗ để cho phép “uốn cong” dễ dàng hơn.

3. Hiệu ứng lỗ

Khi lưu lượng không khí tăng lên, DWP cũng tăng lên. Đây được gọi là Hiệu ứng lỗ . Ở mức luồng khí thấp, các khe hầu như không mở. Khi bạn “mở” quạt gió lên, các khe phải mở rộng hơn nữa.

• Nếu bộ khuếch tán bị đẩy vượt quá giới hạn thiết kế của nó (thông lượng cao), DWP sẽ tăng theo cấp số nhân.
• Mẹo kỹ thuật: Thường sẽ tiết kiệm năng lượng hơn nếu có hơn thế nữa bộ khuếch tán chạy ở luồng không khí thấp hơn ít hơn bộ khuếch tán chạy ở luồng không khí cao, đặc biệt là do đường cong DWP này.

III. Cấu hình DWP: Bộ khuếch tán đĩa và ống

Mặc dù cả hai đều sử dụng vật liệu màng tương tự nhau nhưng hình dạng của chúng tác động đáng kể đến đặc tính áp suất của chúng.

Tại sao hình dạng lại quan trọng

các Bộ khuếch tán đĩa thường được coi là “tiêu chuẩn vàng” cho sự ổn định của DWP. Vì màng chỉ được giữ ở chu vi nên nó có thể uốn cong tự do giống như mặt trống. các Máy khuếch tán ống tuy nhiên, bị kéo căng trên một đường ống; điều này tạo ra lực căng ban đầu nhiều hơn (tải trước), điều này thường dẫn đến DWP ban đầu cao hơn một chút so với đĩa có cùng chất liệu.

IV. Các yếu tố dẫn đến sự gia tăng DWP (“The Creep”)

Trong một thế giới hoàn hảo, DWP sẽ không đổi. Tuy nhiên, trong môi trường khắc nghiệt của bể chứa nước thải, DWP chắc chắn bắt đầu tăng lên. Các kỹ sư gọi sự gia tăng dần dần này là “Áp suất leo thang”. Hiểu ba nguyên nhân chính gây ra hiện tượng này là điều cần thiết để dự đoán khi nào bộ khuếch tán của bạn sẽ đạt đến điểm giới hạn.

1. Chất bẩn sinh học (“Keo sinh học”)

Nước thải là một loại súp giàu chất dinh dưỡng được thiết kế để phát triển vi khuẩn. Thật không may, những vi khuẩn này không chỉ ở trạng thái lơ lửng; họ thích gắn vào các bề mặt.

• Sản xuất EPS: Vi khuẩn tiết ra Các chất đa bào ngoại bào (EPS) —một loại keo dính có đường. Lớp chất nhờn này bao phủ màng và lấp đầy các khe cực nhỏ.
• Tác động: các blower must now push not only through the rubber but also through a dense biological mat. This can double the DWP in a matter of months if the wastewater has high grease or sugar content.

2. Tỉ lệ vô cơ (“Lớp vỏ cứng”)

Đây là một quá trình hóa học chứ không phải là một quá trình sinh học. Nó phổ biến nhất ở những vùng có “nước cứng” hoặc trong các nhà máy sử dụng các hóa chất như Ferric Chlhoặcide để loại bỏ phốt pho.

• các Mechanism: Khi không khí đi qua màng, một sự thay đổi cục bộ xảy ra tại bề mặt tiếp xúc giữa các khe. Điều này gây ra các khoáng chất như Canxi cacbonat or struvit kết tủa ra khỏi nước và tạo thành lớp vỏ cứng giống như đá trên các khe.
• các Result: Không giống như cặn sinh học vốn mềm, cặn lại cứng. Nó ngăn màng bị giãn ra, dẫn đến DWP tăng đột biến và thường khiến cao su bị rách dưới áp lực.

3. Lão hóa vật liệu và mất chất dẻo

Ngay cả trong nước sạch, DWP cuối cùng sẽ tăng lên do tính chất hóa học của màng.

• Lọc hóa chất: Màng EPDM chứa “chất làm dẻo” (dầu) giúp giữ cho cao su co giãn. Theo thời gian, những loại dầu này thấm vào nước thải.
• Leo & cứng lại: Khi dầu biến mất, cao su trở nên giòn và cứng. Điều này được biết đến như là sự gia tăng Độ cứng Shore A . Màng cứng hơn đòi hỏi nhiều “Áp suất mở” hơn, biểu hiện dưới dạng sự gia tăng vĩnh viễn, không thể đảo ngược của DWP.

V. Đo lường và giám sát DWP trong thời gian thực

Bạn không thể quản lý những gì bạn không đo lường được. Trong nhiều năm, DWP bị bỏ qua cho đến khi máy thổi bắt đầu hỏng. Ngày nay, các nhà máy thông minh sử dụng phương pháp giám sát chủ động.

các Calculation Method

Vì bạn không thể dễ dàng đặt cảm biến áp suất bên trong bộ khuếch tán chìm nên chúng tôi sử dụng Tính toán “phía trên” :

1. Đọc thước đo: Lấy số đo áp suất tại ống dẫn khí ( P _{tổng cộng} ).
2. Tính cột áp tĩnh: ... (1 foot nước = 0,433 psi hoặc 2,98 kPa).
3. Trừ: DWP = P _{tổng cộng} - P _tĩnh - P _{ma sát ống}

các Air Flow Step Test

các most accurate way to “diagnose” your diffusers is a Step Test.

• Tăng luồng khí theo từng mức (ví dụ: 1CFM 2CFM 3CFM mỗi đĩa).
• Ghi lại DWP ở mỗi bước.
• Hệ thống khỏe mạnh: các curve should be a gentle slope.
• Hệ thống bị lỗi: các curve will be much steeper, showing that the diffusers are “choking” as you try to push more air.

VI. Chiến lược quản lý DWP

Khi DWP bắt đầu tăng, người vận hành có sẵn một số công cụ để “đặt lại” áp suất trước khi nó gây hư hỏng thiết bị hoặc vượt ngân sách. Những phương pháp này bao gồm từ những ca vận hành đơn giản đến can thiệp bằng hóa chất.

1. “Đập” hoặc uốn áp lực

Đây là tuyến phòng thủ đầu tiên chống lại sự ô nhiễm sinh học.

• các Process: các air flow rate is briefly increased to the maximum allowable limit (the “burst” flow) for 15–30 minutes.
• các Result: các membrane stretches beyond its normal operating diameter. This mechanical expansion “cracks” the brittle bio-slime or thin mineral crust, allowing the air to blow the debris off the surface.
• Tần số: Nhiều nhà máy tự động hóa việc này xảy ra mỗi tuần một lần hoặc thậm chí một lần một ngày để ngăn DWP giành được chỗ đứng.

2. Làm sạch bằng axit tại chỗ (dạng lỏng hoặc khí)

Nếu cặn khoáng chất (canxi hoặc sắt) là thủ phạm thì “va chạm” là chưa đủ. Bạn cần phải hòa tan lớp vỏ.

• Tiêm chất lỏng: Một loại axit nhẹ (như axit axetic, citric hoặc formic) được bơm trực tiếp vào ống dẫn khí. Không khí mang axit đến các bộ khuếch tán, nơi nó nằm trong các lỗ chân lông và làm tan cặn.
• Phun khí (Axit Formic): Một số hệ thống cao cấp sử dụng hơi axit formic khan. Điều này có hiệu quả cao trong việc xuyên qua các khe hở nhỏ nhưng cần có thiết bị an toàn chuyên dụng.
• các Benefit: Điều này có thể được thực hiện mà không cần xả nước khỏi bể, tiết kiệm hàng nghìn nhân công và thời gian ngừng hoạt động.

3. Rửa áp lực thủ công

Nếu bể được xả nước để bảo trì, làm sạch thủ công là tiêu chuẩn vàng.

• Thận trọng: Không bao giờ sử dụng vòi phun áp suất cao quá gần màng (giữ cách xa ít nhất 12 inch). Quá nhiều áp lực có thể cắt EPDM hoặc mài mòn ổ đĩa vào các khe, làm tăng vĩnh viễn DWP.

VII. Phụ lục toán học: Mối quan hệ năng lượng-áp suất

Để biện minh cho chi phí làm sạch hoặc thay thế bộ khuếch tán, các kỹ sư phải dịch DWP (inch nước) vào Tiền (Kilôwatt) .

các Power Calculation

các power required by a blower is directly proportional to the total discharge pressure. A simplified formula for the change in power (P) relative to a change in pressure ( ∆p ) là:

kịch bản:

• Một nhà máy có tổng áp suất hệ thống là 10 psi .
• Do bị bám bẩn, DWP tăng thêm 1 psi (khoảng 27 inch nước).
• Mức tăng 1 psi này thể hiện mức tiêu thụ năng lượng tăng 10% đối với cùng một thể tích không khí.

Nếu nhà máy chi 200.000 USD mỗi năm cho điện sục khí thì 1 psi “leo” đó sẽ khiến họ phải trả giá. 20.000 USD một năm trong tình trạng lãng phí năng lượng.

Bởi: Michael Knudson Stenstrom - ResearchGate

https://www.researchgate.net/figure/Standard-Aeration-Efficiency-In-Clean-SAE-and-Process-aFSAE-Water-for-FinePore-and_fig3_304071740

Kết luận: Con đường chủ động

các most efficient wastewater plants in the world do not wait for a blower to trip or a membrane to tear. They monitor DWP as a “Live Health Metric.” By tracking the trend line of DWP, operators can schedule cleanings exactly when the energy savings will pay for the labor, ensuring the plant runs at the lowest possible carbon footprint.