Poszukując jak najlepszego rozwiązania rozpatrywanego tu problemu, warto na wstępie usytuować go na szerszym tle.
Zasadniczą grupę obiektów, którymi zajmuje się hydromechanika, stanowią sys-temy przepływowe. Stosując bardzo ogólne kryteria dokonać można następującego ich podziału [48]:
• systemy kubaturowe (zbiorniki i reaktory),
• systemy tranzytowe (koryta otwarte, rurociągi, strumienie swobodne),
• maszyny hydrauliczne (pompy, wentylatory, dmuchawy, turbiny, ..)
• łączniki i regulatory (armatura),
• urządzenia pomiarowe.
Obiektem zainteresowania niniejszej pracy jest układ należący do pierwszej z wymienionych kategorii, obejmującej zbiorniki i reaktory. Przez system kubaturowy rozumie się każdy układ hydrauliczny, którego zadaniem jest zgromadzenie pewnej ilości płynu. Gdy rozważany system ma na celu jedynie zmagazynowanie masy pły-nu, bez zwracania uwagi na jego skład fizykochemiczny, mówimy o zbiorniku. Jeżeli natomiast jego głównym zadaniem jest umożliwienie przebiegu pewnych reakcji, procesów lub przemian (chemicznych, biologicznych czy też fizycznych), nazywamy go reaktorem.
Wśród reaktorów można wyróżnić obiekty działające jako:
• okresowe (gdy wprowadzona do nich zawartość zostaje zatrzymana na pewien czas bez możliwości dopływu czy też odpływu cieczy),
• przepływowe (gdy dostarczanie/dopływ masy płynu mającego podlegać prze-mianom i odprowadzanie/odpływ odpowiednio przekształconego płynu od-bywa się w nich w systemie ciągłym).
Zatem każda oczyszczalnia ścieków czy też stacja uzdatniania wody jest szere-gowym i/lub równoległym układem reaktorów okresowych oraz przepływowych.
Niezależnie od powyższych klasyfikacji, warto podzielić systemy kubaturowe na dwie dodatkowe grupy:
• o przepływie prostym (gdy układ jest zasilany przez jeden przekrój wlotowy, zaś płyn opuszcza go przez jeden przekrój wylotowy – rys. 2.1a);
• o przepływie wielostrumieniowym (gdy układ zasilany jest przez więcej niż jeden przekrój wlotowy oraz/albo posiada więcej niż jeden przekrój wylotowy – rys. 2.1b).
Rys.2.1. Rodzaje systemów kubaturowych
Ten drugi typ systemów kubaturowych jest szczególnie interesujący w przypadku reaktorów, dla których łączenie oraz/albo rozdział poszczególnych strumieni płynu jest często podstawowym warunkiem ich właściwego funkcjonowania.
Układy takie występują w bardzo różnych dziedzinach techniki, a w literaturze omawiane są raczej w ujęciu utylitarnym. Dlatego trudno byłoby przedstawić syste-matyczną i wyczerpującą klasyfikację istniejących obiektów.
Tym niemniej celowe jest tu wyróżnienie istotnej kategorii przepływów zwrot-nych, a wśród nich:
• przepływów mieszających,
• przepływów cyrkulacyjnych,
• przepływów recyrkulacyjnych.
W dalszym ciągu tej pracy rozważane będą reaktory stosowane w inżynierii sani-tarnej. Stanowią one bardzo specyficzną grupę obiektów, wyraźnie różną od reakto-rów stosowanych w przemyśle. Pod tym więc kątem podawane będą komentarze i przykłady praktyczne.
Generalnie rzecz biorąc, przepływy zwrotne wywołuje się w reaktorze albo z po-wodów dynamicznych, albo z popo-wodów technologicznych.
Pierwsza z wcześniej wymienionych kategorii, przepływy mieszające, ma na celu homogenizację zawartości reaktora, czyli utrzymanie możliwie wyrównanego stęże-nia wszystkich składników rozważanego procesu. Jako przykłady odpowiednich urządzeń można podać mieszacze reagentów (np. przy koagulacji wody), lub kla-syczne komory napowietrzania w metodzie osadu czynnego [37].
Mianem przepływów cyrkulacyjnych określono tutaj ten typ ruchu cieczy, którego zasadniczą cechą jest istnienie uporządkowanego krążenia płynu wewnątrz reaktora.
Typowym przykładem mogą tu być piaskowniki napowietrzane [26].
Z kolei o przepływach recyrkulacyjnych mówimy wtedy, gdy część zawartości re-aktora zostaje odprowadzona z układu i ponownie do niego wprowadzona, w innym
reaktorów, gdzie przemiany są już bardzo zaawansowane, a tym samym płyn zawiera znaczną ilość produktów reakcji. Celem recyrkulacji jest w takich sytuacjach najczę-ściej wzbogacenie płynu w strefie początkowej w produkty („zaszczepienie” substra-tów produktami). Typowym przykładem jest tu recyrkulacja bogatego w mikroorga-nizmy osadu nadmiernego w obiektach do oczyszczania ścieków metodą osadu czyn-nego.
Drugim ważnym zadaniem, jakie niekiedy spełnia recyrkulacja, jest utrzymanie niezbędnej intensywności przepływu przez reaktor. Potrzeba taka pojawia się na przykład wtedy, gdy wydatek ścieków surowych staje się bardzo niewielki.
Rozważając procesy recyrkulacji wyróżnić można dwie sytuacje:
• recyrkulację wewnętrzną,
• recyrkulację zewnętrzną.
W pierwszym przypadku recyrkulat jest pobierany i zawracany do tego samego reaktora, jak na przykład przy zawracaniu części osadu z komór nitryfikacji ponownie do komór denitryfikacji, we wstępnej fazie denitryfikacji ścieków [37]. Z recyrkula-cją zewnętrzną mamy natomiast do czynienia, gdy recyrkulat pobierany jest z innego reaktora niż ten, do którego jest zawracany. Przykładem jest tu proces recyrkulacji osadu czynnego, czyli jego powrót po sedymentacji w osadniku wtórnym do komory reakcji biologicznych. Stanowi to niezbędny element technologiczny pracy większo-ści oczyszczalni większo-ścieków. Umożliwia on utrzymanie stałego stężenia kłaczków osadu czynnego w komorze, w której następuje biologiczny rozkład substancji organicz-nych. Recyrkulacja zewnętrzna jest więc ważnym czynnikiem wpływającym na pracę układu biologicznego oczyszczania ścieków.
Przepływy recyrkulacyjne należą do najsłabiej omawianych w literaturze hydrau-licznych aspektów urządzeń do oczyszczania wody i ścieków, zaś w praktyce pomija się całkowicie wpływ tego czynnika na dynamikę układu [27, 41].
Przyczyną takiego stanu rzeczy jest prawdopodobnie fakt, iż jeszcze kilka-dziesiąt lat temu, mianowicie w latach 60-tych ubiegłego stulecia, zalecany i sto-sowany typowy stopień recyrkulacji zewnętrznej (patrz rozdz. 3.2), przyjmował dość niską wartość od 25 do 40% objętości oczyszczanych ścieków [19]. Przy te-go rzędu wielkości recyrkulacji ścieków jej wpływ na parametry hydrauliczne reaktora (osadnika wtórnego), skąd dokonywany jest pobór, mógł być trakto-wany marginalnie czyli w praktyce pomijany.
Na przestrzeni ostatnich dziesięcioleci sytuacja uległa znacznej zmianie. Sto-sowany obecnie stopień recyrkulacji, w wielu przypadkach utrzymywany jest na zdecydowanie wyższym poziomie niż zalecany 75% ÷ 100% [45] i wynosi 150% ÷ 200%, a czasami nawet więcej. Takie zwiększenie stopnia recyrkulacji pociąga za sobą zmiany rozkładu hydraulicznych parametrów osadnika, a tym samym zmienia charakterystykę jego pracy.
W praktyce technicznej szczególnie ważny wpływ na pracę układu wywiera po-bór recyrkulatu, bowiem w każdym przypadku odbija się on na polu prędkości cieczy w reaktorze, a tym samym na jego efektywności. Strumień powrotny odgrywa ważną rolę dynamiczną wtedy, gdy jest wprowadzany do układu niezależnie od strumienia substratów (w tym przypadku – ścieków surowych). Wpływ ten jest mniej istotny, je-żeli mieszanie substratów i recyrkulatu odbywa się przed wlotem do reaktora.
Z tego względu warto rozróżnić dwa etapy procesu recyrkulacji – pobór płynu i jego ponowne wprowadzenie do układu.
Niniejsza praca poświęcona jest dynamicznej charakterystyce reaktorów re-cyrkulacyjnych, z których pobierany jest płyn (zawracany następnie do obiegu), stanowiący recyrkulat.
Wspomnianym już i przywoływanym w całej niniejszej pracy przykładem obiektu należącego do tej kategorii, reprezentującym praktyczny przykład omawianego w niej typu reaktorów, jest osadnik wtórny w układzie metody osadu czynnego. Z tego względu kolejny rozdział poświęcono omówieniu specyfiki tego obiektu oraz przed-stawiono w nim zestaw podstawowych parametrów warunkujących skuteczne działa-nie osadnika wtórnego.
3. Osadniki wtórne jako przykład reaktorów przepływowych