شناورسازی با هوای محلول در تصفیه فاضلاب – Flotation – IGF – DGF – DAF

شناورسازی با هوای محلول در تصفیه فاضلاب – Flotation – IGF – DGF – DAF
Autoflot®: Mechanical Induced Gas Flotation Separator

تصفیه فاضلاب با استفاده از شناورسازی با هوای محلول یا فشرده: در هر صنعت انواع مختلفی از فاضلاب ها با مشخصات و مشکلات منحصر به خود تولید می شوند و در نتیجه محصولات متنوعی برای حل این مسائل فرایندی و تصفیه فاضلاب مربوطه وجود دارد. یکی از این محصولات، دستگاه جداکننده و شناورساز ذرات آلودگی با استفاده از روش شناورسازی با هوای محلول است که برای تصفیه انواع فاضلاب ها شامل غذا و لبنیات، گوشت، ماهی، مرغداری، دامداری، صنایع نفت و پتروشیمی و روغنی برای حذف مواد جامد معلق، چربی ها، روغن ها و گریس استفاده می شود. راندمان فرایندی بالا و انعطاف پذیری عملیاتی از نکات قوت این تجهیزات می باشند. در این دستگاه، حذف آلاینده با استفاده از تزریق هوا در آب یا فاضلاب تحت فشار و سپس آزاد شدن هوا در فشار اتمسفر در مخزن انجام می شود. سیستم شناورساز هوای محلول، میکروحباب ها را به بخار تبدیل کرده که به مواد جامد متصل می شود و آنها را در سطح شناور می کند. پس از آن کف یا لجن تشکیل شده توسط پاروها از سطح مخزن روبیده می شوند. این محصول گاها در پکیج انعقاد و شناوری سازی الکتریکی یا پکیج تصفیه فاضلاب به عنوان روش کمکی پس تصفیه یا پیش تصفیه جهت بهبود راندمان حذف یا کاهش بار ذرات چربی و روغن به کار می رود.

شناور سازی با هوای محلول Dissolved Air Floatation

غالباً به آب یا فاضلاب ورودی به مخزن شناورسازی شناورسازی با هوای فشرده یا به بیانی دیگر شماروسازی با هوای محلول مواد منعقدکننده نظیر کلرید آهن یا سولفات آلومینیوم افزوده می شود تا ذرات کلوئیدی منعقد شده و به لخته های بزرگتری تبدیل شوند. بخشی از فاضلاب تصفیه شده خروجی از DAF به یک مخزن تحت فشار کوچک پمپاژ می شود و در این تانک هوای فشرده تزریق می شود. این موضوع منجر به اشباع سازی فاضلاب تحت فشار با هوا می شود. جریان اشباع شده با هوا به قسمت جلویی تانک شناورسازی بازگردانده می شود و از یک شیر فشارشکن عبور می کند در نتیجه هوای آزاد شده در فاضلاب به حالت حباب های ریز در می آید. حباب ها در محل هسته سازی در سطح ذرات جامد معلق به وجود آمده و به این سطوح می چسبند. با تشکیل هر چه بیشتر حباب ها، نیروی بالابرنده حباب ها بر نیروی گرانش غلبه کرده و باعث شناورسازی ذرات معلق بر سطح می شود که تولید یک لایه کف و لجن می کند. سپس این لایه توسط پارو (Skimmer) از سطح روبیده می شود. درنهایت آب بدون لجن از تانک شناورسازی خارج می شود. در برخی طراحی ها، صفحات پکینگ موازی (لاملا) برای ایجاد سطح جدایش بیشتر و بهبود راندمان واحد استفاده می شود. سیستم های شناورسازی با هوای محلول می توانند بصورت دایره ای (راندمان حذف بالاتر) یا مستطیلی (زمان ماند بیشتر) طراحی و ساخته شوند. در نوع دایره ای حرکات مارپیچی در جریان رخ می دهد و زمان ماند می تواند 3 دقیقه باشد در حالی که در نوع مستطیلی زمان ماند حداقل 20 تا 30 دقیقه است.

نکته کلیدی درتصفیه فاضلاب صنعتی به روش  شناورسازی با هوای محلول، گرانش و تولید میلیون ها حباب خیلی ریز است. براساس قانون استوکس، اندازه قطره روغن و دانسیته آن روی میزان شناور شدن آن روی سطح تأثیر دارد. قطرات بزرگتر و سبک تر با سرعت بیشتری به سمت سطح بالا می روند. چسبیدن یک حباب کوچک به یک قطره روغن چگالی قطره را کاهش داده و سرعت حرکت آن به سمت سطح مخزن را افزایش می دهد. بنابراین حباب های کوچک تر موجب تشکیل قطرات روغن شناور کوچکتری روی سطح می شوند. یک سیستم شناورسازی کارآمد نیازمند تولید مقدار کافی و ممکن حباب است که این عمل را موجب شود. اندازه حباب ها در این روش معمولاً در بازه 1 تا 50 میکرومتر است. تنها عیب فرایند شناورسازی با هوای محلول را می توان هزینه بالای اجرا و نگهداری و تعمیرات آن دانست؛ به عبارت دیگر در این روش هزینه اولیه و جاری بالا می باشد.

در صنایعی که مقدار چربی و روغن در فاضلاب آنها زیاد است مانند صنایع تولید روغن به جای هوای محلول از نیتروژن محلول استفاده می شود تا از خطر انفجار جلوگیری شود. این روش، شناورسازی با گاز محلول (Dissolved gas flotation)  نامیده می شود. پروانه پمپ در این نوع از فرایند شناورسازی به صورت دوطرفه طراحی می شود. یک سمت طوری طراحی می شود که مانند یک پمپ سانتریفیوژ معمولی جهت انتقال مایع عمل کند و طرف دیگر به گونه ای است که بخار را به پمپ رسانده و با مایع مخلوط کند و به این ترتیب مانند شناورسازی با هوای محلول حباب های ریز گاز در مایع رها می شود. علاوه بر این، یک نوع عایق بندی خاص نیز جهت افزایش طول عمر پمپ ها در پمپ های فرایند شناورسازی با گاز محلول اعمال می شود.

Veolia AutoFlot | Tundra

مزایای روش شناورسازی با هوای محلول:

  • سرعت شفاف شدن در DAF بیشتر از ته نشینی است که باعث کاهش ابعاد مخزن لخته سازی می شود.
  • لجن تشکیل شده در DAF غلیظ تر و فشرده تر از ته نشینی است.
  • مقدار منعقدکننده و کمک منعقدکننده مصرفی در این روش کم است.
  • اثرات اکسیدکنندگی موجود در DAF باعث کاهش بو می شود.
  • در این روش ذرات ریز و جلبک ها نیز حذف می شوند که این موضوع از گرفتگی لوله ها و فیلترها جلوگیری می کند.

شناورسازی با گاز القا شده (IGF)

شناورسازی با گاز القاشده (Induced Gas Flotation) فرایندی مشابه شناورسازی با هوای محلول جهت حذف مواد معلق مانند روغن و جامدات معلق است. در این روش نیز حذف توسط تزریق حباب های گاز به آب یا فاضلاب در یک مخزن شناورسازی انجام می شود. در این فرآیند به منظور تولید حباب در مخزن شناورسازی، گاز به داخل مخزن کشیده می شود که برای انجام این امر دو روش وجود دارد:
1)هیدرولیکی: در این روش، بخشی از فاضلاب تصفیه شده  از مخزن شناورسازی خارج شده سپس به وسیله پمپ دوباره به مخزن بازمی گردد و پیش از ورود به مخزن در لوله با گاز مخلوط می شود تا حباب ها در مخزن شناورسازی ایجاد شوند.
2)مکانیکی: در این روش، یک پروانه چرخشی درون مخزن شناورسازی تعبیه می شود و توسط تشکیل گرداب، گاز را به داخل مخزن کشیده و با فاضلاب مخلوط می کند تا حباب داخل مخزن شناورسازی ایجاد شود. گاز داخل این سلول بطور مداوم در حال سیرکوله شدن است.
روش هیدرولیکی معمولا ارزان تر است، هزینه های عملیاتی کمتری دارد و نیاز به نگهداری کمتری نسبت به نوع مکانیکی دارد. فرایند شناورسازی با استفاده از گاز القاشده به طور گسترده ای برای تصفیه فاضلاب از تاسیسات تولید نفت و گاز دریایی استفاده می شود زیرا در این تاسیسات، گاز خام بطور طبیعی تولید می شود که از آن به عنوان گاز القاشده می توان استفاده کرد. در این روش نیز مانند شناورسازی با هوای محلول در صورت لزوم از مواد منعقدکننده جهت جداسازی بهتر استفاده می شود و وجود اسکیمر روی سطح مخزن نیز امری ضروری است.

حذف آمونیاک

حذف آمونیاک

Ammonia Stripping Systems for Leachate

حذف آمونیاک

آمونیاک ترکیبی بسیار خطرناک است زیرا موجب اختلال در تنفس آبزیان می شود. این ترکیب به راحتی داخل سلول ها نفوذ کرده و موجب افزایش pH و اختلال در عوامل حیاتی می گردد. یون آمونیوم منشأ نیتروژنی برای گیاهان آبی است بنابراین موجب افزایش رشد جلبک ها می گردد.

آمونیاک را می‌توان بوسیله روش‌های فیزیکی، شیمیایی یا بیولوژیکی از سیستم حذف نمود.

حذف فیزیکی:

واحدهای عملیاتی فیزیکی که برای حذف آمونیاک از فاضلاب‌ها کاربرد دارند عبارتند از برج‌های عریان سازی و حوض‌های پاششی. در عریان سازی آمونیاک از فاضلاب باید آمونیاک به شکل گاز محلول (NH3) باشد که مستلزم pH مساوی یا بالاتر از 10.8 می باشد.

برج‌های عریان‌سازی(Stripping):

این برج ها شامل یک بسته حاوی پرانه جهت برقراری تماس تنگاتنگ آب و هوا، یک سینی یا سیستم توزیع یکنواخت مایع بر بستر، یک صفحه مشبک جهت محافظت بستر و توزیع هوای ورودی، یک سیستم جداکننده جهت جمع آوری قطرات مایع در هوای خروجی و ساختمان برج است. با گذشت زمان پوسته‌های کربنات کلسیم توسعه یافتند اما در این سیستم‌ها هیچگونه مکانیسمی برای تمیز کردن تعبیه نشده بود . اغلب اوقات مشکل گرفتگی و انسداد داشتند. برای حل این مشکل پوسته پرانه از جنس پلاستیک طراحی شد که دریچه‌های دسترسی جهت تمیز شدن در محل تعبیه شده است. همچنین بصورت مدونی ساخته می‌شوند که بتوان آن را در صورت نیاز از بستر خارج نمود. وقتی حلالیت آمونیاک، فشار اتمسفری و فشار جزیی در حال تعادل مشخص باشد امکان تعیین مختصات منحنی تعادل غلظتهای در حال تعادل آمونیاک در آب و هوا وجود دارد. از آنجا که فشار جزیی آمونیاک در هوا تقریباً صفر است، عریان سازی آمونیاک در pH خنثی اتفاق می‌افتد، گرچه بهره برداری از این سیستم راندمان پایینی دارد.، چون اکثر آمونیاک به شکل یون آمونیوم می‌باشد.

 

افزایش pH به حدود 10.8 موجب تبدیل بخش مهمی از آمونیاک به شکل مولکولهای گاز می‌شود، بدین طریق عمل عریان سازی به سرعت انجام شده و برج های عریان‌سازی راندمان بالایی خوهند داشت. دمای فاضلاب و هوا به علت داشتن دو اثر مهم در بهره برداری برج حائز اهمیت است. اولین اثر آن این است که اگر دمای Wet bulb به صفر درجه تنزل پیدا کند، حالت یخ زدگی در برج پیش می‌آید و متوسط دمای آب خروجی نزدیک متوسط درجه حرارت هوای خروجی آزاد است. دومین اثر آن این است که چون حلالیت آمونیاک با کاهش دما افزایش می‌یابد، در مواقعی که دمای هوا پایین می‌آید، هوای بیشتری برای عریان‌سازی مورد نیاز است. بنابراین شرایط بهره‌برداری از برج بایستی در درجه حرارتهای ملایم شود. در مناطق سرد بهتر است از برج عریان‌سازی در ماه‌های گرم سال استفاده و در ماههای سرد از استخرهای پاششی استفاده گردد.

استخرها:

تعدادی از پارامترهای موثر بر بهره‌برداری از این استخرها شامل آب، دمای هوا، غلظت گاز محلول در ورودی و خروجی آب استخر، غلظت گاز محلول در هوا، حرکت هوا، pH ، زمان ماند، عمق استخر، سطح استخر، زمان هوادهی (ارتفاع اسپری)، اندازه قطرات آب، فاصله بین نازلهای اسپری، طرز قرار گیری نازلها و تعداد دورهای گردش آب می‌باشد. علیرغم اینکه این استخرها در مقایسه با برجهای عریان‌سازی برای حذف آمونیاک دارای بازدهی خوبی نیستند، اما در مناطق سردسیر که با یخ زدگی مواجه هستیم مناسب هستند. بر این اساس استخرهای پاششی با pH بالا بعنوان یک روش رایج برای حذف آمونیاک د رمناطق سردسیر کاربرد دارد.

 

حذف شیمیایی:

کلرزنی نقطه شکست (breakpoint) و تبادل یونی (ion exchange) دو فرآیندی هستند که براساس فرآیند شیمیایی آمونیاک را حذف می‌کنند.

 

کلرزنی نقطه شکست: کلرزنی بوسیله گاز کلر یا نمکهای هیپوکلریت باعث اکسیداسیون آمونیاک و تشکیل فرآورده میانی کلرآمین و در نهایت گاز نیتروژن و اسید هیدروکلریک می‌شود. اسید هیپوکلریت در فاضلاب با آمونیاک واکنش داده و مونوکلروآمین،دی  کلروآمین و تری کلروآمین را تشکیل می‌دهد.

این واکنش ها به pH، دما، زمان واکنش و نسبت اولیه کلر به آمونیاک بستگی دارد. مونوکلرآمین و دی کلرآمین از

pH= 4.5 -8.5 تشکیل می‌شود. در pHهای بالاتر از 8.5 شکل عمده مونوکلرآمین و در pHهای پائینتر از 4.5 شکل تری کلرآمین غالب است. اگر مقدار کلر اضافه شده بیش از حد مورد نیاز برای رسیدن به نقطه شکست بوده و pH حدود 7 تا 8 باشد، فرآورده میانی مونوکلرآمین اکسید شده و گاز نیتروژن حاصله از سیستم متصاعد می‌شود. تحقیقات نشان داده که برای فاضلابهای شهری خام، خروجی‌های ثانویه و حاصل زلال سازی توسط آهک و فیلتر شده، میزان کلر موردنیاز به ازای هر کیلوگرم نیتروژن آمونیاکی به ترتیب برابر 1 به 10، 1 به 9، 1 به 8 می باشد. مقدار کلر مورنیاز از دمای 4.4 تا 37.8 درجه سلسیوس مستقل از دما بوده و 95 تا 99 درصد آمونیاک به گاز نیتروژن اکسید خواهد شد که می تواند سبب تولید دی کلرآمین، تری کلرآمین و یونهای نیترات گردد. در عین حال اگر pH در محدوده 7 تا 8 نگهداری شود میزان واکنش های جانبی به حداقل خواهد رسید. اگر قلیائیت برای نگهداری این محدوده pH کافی نباشد ماده قلیایی مانند NaOH جهت خنثی کرردن اسید هیدروکلریک تشکیل شده اضافه می‌گردد. از معایب روش نامناسب کلرزنی نقطه شکست این است که جامدات محلول آب افزایش یافته و این فرآیند دو برابر روش عریان سازی آمونیاک هزینه بر است. همچنین ترکیبات کلرآمین تشکیل شده در حین کلرزنی دارای آثار سوئی بر سلامتی انسانها می می باشد و به همین دلیل امکان دارد که در آینده دیگر از این روش برای حذف آمونیاک استفاده نگردد.

تبادل یونی: تبادل کاتیونی توسط زئولیت طبیعی نیز قادر به حذف آمونیاک می‌باشد. در این فرآیند خروجی ثانویه بوسیله فیلتراسیون چند بستری، ستون جاذب کربن و سپس تبادل یونی بستر ثابت حاوی Clinoptilolite انجام می‌گردد. ستون

Clinoptilolite بوسیله محلول آب نمک 2درصد که بوسیله الکترولیز احیاء می‌شود. مایع حاصل از تماس آب نمک و بستر

Clinoptilolite حاوی یونهای 2+Mg+2 ،Na+ ،Cl ،NH+ ،Ca است. قبل از الکترولیز،Na2CO3 و NaOH  به سیستم اضافه می‌شود تا آنقدر که مقدوراست CaCO3 و 2(Mg(OH رسوب کند. ماده احیاکننده از میان سلولهای الکترولیز عبورکرده و گاز Cl2 در آند و Hدر کاتد تولید می‌شود. کلر با آمونیاک واکنش داده و گاز نیتروژن را تولید می‌کند و گازهای Nو H2 بعنوان گازهای خروجی از سیستم خارج می‌شود، پس از تصفیه بوسیله الکترولیز مواد احیاکننده جهت استفاده مجدد، بازیافت شده است.

 

 

حذف بیولوژیکی:

برای حذف آمونیاک (یا بطور کلی نیتروژن) توسط فرآیندهای بیولوژیکی نیتروژن باید به شکل آمونیاک آمونیوم یا نیترات باشد تا نهایتاً بصورت گاز نیتروژن از جریان فاضلاب متصاعد شود. حذف نیتروژن به روش فیزیکی شیمیایی مشروح ایجاب می‌کند که فاضلاب دارای غلظت بالایی از نیتروژن آمونیاکی باشد. بدین طریق در فرآیندهای فیزیکی شیمیایی قبل از حذف نهایی نیتروژن و متصاعد شدن گاز نیتروژن، نیترات سازی نباید صورت گیرد در فرآیند بیولوژیکی حذف نیتروژن فاضلاب باید حاوی غلظت بالایی از نیتروژن نیتراتی باشد. بنابراین باید به طریقی از فرآیندهای بیولوژیکی بهره برداری کرد که نیترات سازی تقویت شود. تبدیل نیتروژن به فرم مناسب برای فرآیند حذف نیتروژن انتخاب شده از طریق چندین واکنش بیوشیمیایی کنترل می‌شود. فرآیندهای بیوشیمیایی هوازی نیتروژن کربنی و آلی را به آمونیاک (NH3) یا یون آمونیوم (NH+4) تبدیل می کنند. شکل نیتروژن به pH محیط بستگی دارد. در فرآیندهای بیوشیمیایی هوازی نیتریفیکاسیون آمونیاک یا آمونیوم به نیتریت و نیترات تبدیل می شود. در فرآیندهای بیوشیمیایی در غیاب اکسیژن (دی نیتریفیکاسیون) نیترات و نیتریت به گاز نیتروژن تبدیل می‌شود. نیتریفیکاسیون عمدتاً توسط دو سری از باکتریهای اتوتروف هوازی به نامهای نیتروزوموناس و نیتروباکتر انجام میگیرد.نیتروزوموناس یونهای آمونیوم را به یون نیتریت تبدیل می‌کند در حالیکه نیتروباکتر عمل تبدیل یون نیتریت به نیترات را انجام می‌دهد. میزان اکسیژن موردنیاز برای نیتریفیکاسیون قابل توجه است. دی نیتریفیکاسیون فرآیند تبدیل بیوشیمیایی یون نیترات به گاز نیتروژن است که توسط یک سری از باکتری های هتروتروف اختیاری انجام می‌شود. حذف نهایی نیتروژن از طریق این فرآیندها به یک منبع کربن مانند متانول نیاز دارد که جهت انجام واکنش دی نیتریفیکاسیون به محیط اضافه گردد.

 

Abstract

It is noteworthy to highlight that ammonia nitrogen contamination in wastewater has been reported to pose a great threat to the environment. This conventional method of remediating ammonia nitrogen contamination in wastewater applies the packed bed tower technology. Nevertheless, this technology appears to pose several application issues. Over the years, researchers have tested various types of ammonia stripping process to overcome the shortcomings of the conventional ammonia stripping technology. Along this line, the present study highlights the recent development of ammonia stripping process for industrial wastewater treatment. In addition, this study reviews ammonia stripping application for varied types of industrial wastewater and several significant operating parameters. Furthermore, this paper discusses some issues related to the conventional ammonia stripper for industrial treatment application. Finally, this study explicates the future prospects of the ammonia stripping method. This review, hence, contributes by enhancing the ammonia stripping treatment efficiency and its application for industrial wastewater treatment.

1. Introduction

Human activities appear to be the major contributor to water pollution, for instance, agricultural, industrial, and municipal activities. Nitrogen surplus released into the environment has been proven to cause negative impacts on water qualities, human health, and ecosystems [1]. Nonetheless, a wide range of technologies is available to reduce the release of ammonia nitrogen into the environment, such as ammonia stripping [2], breakpoint chlorination [3], ion exchange [4], electrodialysis [5], and biological nitrification [6]. The ammonia stripping method has several plus points as it is a relatively simple process and cost-effective to remove ammonia in wastewater [7]. Besides, the valuable ammonia stripped from wastewater can be recovered from the stripping process. Due to the stability of this process, the ammonia stripping process has been deemed as an appropriate method in remediating wastewater that contains high concentration of ammonia and toxic compounds [8]. Consequently, ammonia stripping has emerged as a strong interest research area among researchers and industrial community. As such, numerous lab-scale and pilot-scale studies have been performed, especially for the wide range of industrial wastewater that demands cost-effective remediation.

This paper looks into several emerging issues pertaining to remediating ammonia nitrogen by using the ammonia stripper technique, along with some significant operating parameters. In addition, this paper reviews the recent progress in ammonia stripping method with advanced gas-liquid contactors, as conducted by some researchers. Next, a comparison was made between the advanced liquid contactors and the conventional packed tower. Finally, this paper explores the future prospects of this ammonia stripping process.

2. Ammonia Stripping Process

The ammonia stripping process is based on the principle of mass transfer. It is a process, by which wastewater is contacted with air to strip the ammonia gas present in the wastewater. The presence of ammonia in wastewater can be found in two forms, namely, ammonium ions and ammonia gas. The relative concentrations of ammonia gas and ammonium ions are subjected to the pH and the temperature of wastewater [9]. The formation of ammonia gas is favored by increasing the pH, which shifts the chemical equilibrium to the right, thus inducing the formation of ammonia gas. Since high pH is required for effective ammonia stripping, lime is used to increase the pH values of wastewater prior to ammonia stripping [9]. In fact, various types of configurations for ammonia stripping process have been applied to remediate the varied types of wastewater containing ammonia nitrogen. For instance, O’Farell et al. conducted a study on nitrogen removal by stripping on a secondary effluent of a municipal wastewater treatment plant [10]. Figure 1 illustrates a schematic diagram of lime precipitation process and ammonia stripping process. Lime is incorporated to hike the pH of the influent prior to stripping, and this is followed by a recarbonation process for neutralization. Aside from raising the wastewater pH, calcium oxide (lime) generates calcium carbonate in the wastewater and serves as a coagulant for hard and particulate matters. Additionally, O’Farell et al. discovered that the ammonia stripping method could remove as much as 90% of ammonia from the secondary effluent [10].

Meanwhile, Raboni et al. investigated the efficiency of the ammonia stripping technique for remediation of groundwater polluted with leachate [11] (Figure 2). In the study, polyelectrolyte, sodium hydroxide, and iron (iii) chloride were added for the coagulation-flocculation and sedimentation processes at pH higher than 11 [11]. The system also comprised of a heater to heat the wastewater at 38°C and ammonia recovery via absorption with sulphuric acid. Lastly, the effluent was neutralized after adding sulphuric acid. As a result, they found that the ammonia stripping system for groundwater polluted with leachate displayed removal efficiency of 95.4% with initial ammonia concentration at 199.0 mg/L.

Next, Saracco and Genon investigated the performance of air-stripping system to treat ammonia nitrogen from industrial effluent (Figure 3) [12]. They suggested this route as feasible only if the industrial effluent was characterized by relatively high temperature and ammonia concentration. The stripping process was followed by absorption and crystallization processes. Saracco and Genon concluded that the ammonia stripping and the recovery system, along with its internal air recycle, had been technically feasible and easy to control [12].

3. Ammonia Stripping Application in Industrial Wastewater Treatment

To date, ammonia stripping pilot-plants have been employed to treat various types of wastewater containing high concentrations of ammonia and toxic compounds, such as that derived from secondary effluent of municipal wastewater treatment plant [10], animal manure [13], and landfill leachate [14]. Most recently, ammonia stripping was applied to anaerobic-digested effluent as this method offers both economic and environmental advantages. The biogas produced in the anaerobic digestion was used for ammonia removal to prevent inhibition of methanogenesis in the anaerobic reactor [15–17]. Meanwhile, Bonmati and Flotats revealed that no pH modification was required for stripping of ammonia from pig slurry [18]. On the other hand, Limoli et al. investigated ammonia removal from raw manure digestate by employing the turbulent mixing stripping process. They found that the ammonia stripping process via turbulent mixing was indeed feasible for raw manure digestate [19].

Table 1 shows that the ammonia stripping technique is indeed highly efficient in treating wastewater that contains ammonia nitrogen with toxic compounds. Besides, ammonia stripping combined with anaerobic digestion seemed to enhance the performance of anaerobic digestion process, apart from being cost-effective for ammonia removal. Nonetheless, Serna-Maza et al. revealed that in-situ ammonia stripping in mesophilic condition was unlikely to have any commercial application for wastes with intermediate total ammonia nitrogen concentrations as only high total ammonia nitrogen concentration stripping had managed to reduce the total ammonia nitrogen concentration below the higher inhibition threshold of approximately 8 g·N·L−1 [29]. Thus, stripping coupled with dilution may offer the best means of controlling total ammoniacal nitrogen concentrations. Next, Collivignarelli et al. found that ammonia stripping without dosage of basificant had been feasible when the initial alkalinity of the leachate was equal to or greater than the acidity of ammonium ions for removal [30]. Notably, this can potentially minimize chemical usage and slash operational cost in removing ammonia nitrogen from leachate. Ammonia stripping also appears to be effective and suitable in agriculture due to its simple process and cost-effectiveness in removing ammonia efficiently.

4. Process Condition

Numerous studies have highlighted the impacts of varying operational parameters upon the performance of ammonia stripping process. Some important parameters that have been reported to influence the performance of ammonia stripping are temperature, pH, and air to water ratio.

4.1. Temperature

Temperature has been proven to have a significant impact on the performance of ammonia stripper. This is because the solubility of ammonia in water is governed by Henry’s law. In Henry’s law, the constant of gas relies on solute, solvent, and temperature [31]. For example, Campos et al. discovered that the removal of ammonia from landfill leachate at 60°C was relatively significant over a period of 7 hours than at 25°C [32]. Generally, higher efficiency ammonia removal can be obtained at higher temperature. Saracco and Genon also found that the capital cost of ammonia stripper at a stripping temperature of 80°C was less by half than that at 40°C. Nevertheless, from the economic stance, increment in temperature may lead to a hike in the cost of preheating [12].

4.2. pH

Ammonia nitrogen in water exists in equilibrium between the molecular (NH3) and ionic form (NH4+) according to the following reaction:

The distribution between molecular ammonia and ammonium ions in water can be defined by (2) [16] and (3) [18]:

 

where is the molecular ammonia concentration, is the total ammonia concentration, is the hydrogen ion concentration, and is the acid ionization constant. Besides that, can be expressed in terms of temperature as shown in (3). Higher pH favors the formation of ammonia gas whereas lower pH favors the formation of ammonium ions. Hence, raising the pH level of the wastewater prior ammonia stripping is crucial to favor the formation of molecular ammonia nitrogen for stripping. However, according to Hidalgo et al., excessive rise of pH poses extra cost of lime that is nonfeasible in terms of cost. Hence, an optimum pH is required to strike a balance between process efficiency and economic cost. They found that when the pH exceeded 10.5, the removal efficiency was insignificant because pH no longer the affected the ionization balance between molecular ammonia and ionic ammonium but the cost incurred rose significantly due to the additional lime consumption required to increase the pH levels [33]. Meanwhile, Markou et al. revealed insignificant effect for the types of alkali (potassium hydroxide, sodium hydroxide, and calcium hydroxide) used on the ammonia removal efficiency [34]. However, calcium alkali was preferable due to reduction of solids, heavy metal concentrations, and color of wastewater [35].

4.3. Air to Water Ratio

Air to water ratio is an important parameter that has an impact on the removal rates of ammonia in water. Mass transfer of ammonia into the air is affected by the variance between ammonia concentration level in liquid form and air phase [18]. Lei et al. discovered that the ammonia stripping efficiency of anaerobic effluent was influenced by air/water ratios. The study found that higher ammonia removal rate was achieved after 12 h at an airflow rate of 10 L/min, in comparison to airflow rates at 3 L/min and 5 L/min [16]. Nevertheless, from the engineering stance, Lei et al. concluded that 5 L/min for 1 L of anaerobic effluent should be feasible due to the expensive method of using an airflow rate of 10 L/min for 1 L of wastewater with only 5% increment in removal efficiencies, as compared to airflow rates from 5 L/min until 10 L/min [16]. Next, Campos et al. revealed that the influence of air to water ratio on ammonia stripping performance at higher temperature was less significant as it resulted in ammonia removal greater than 91% at 60°C with an airflow rate between 73 L/h and 120 L/h [32].

The ammonia stripping process has been successfully employed for many types of high-strength ammonia wastewater (Table 1). The method refers to one that is controlled and unaltered by toxic compounds. Nevertheless, the ammonia stripping process has several drawbacks. Among the issues involving the implementation of ammonia stripper to remove ammonia nitrogen in wastewater are fouling problems, sludge production, and release of ammonia gas.

5.1. Fouling Problems

The fouling problems in an ammonia stripper tower are caused by the formation of calcium carbonate scale on the surface of the packing materials. Scale builds up on the packing materials, thus leading to lower stripping performance [32]. Viotti and Gavasci found that the progressive scaling of the packing reduced stripper efficiency from 98% to 80% after 6 months of operation. The formation of calcium carbonate scale on the packing material is due to the absorption of carbon dioxide from the air stream used for stripping. Moreover, the nature of calcium carbonate varies from soft to hard. Viotti and Gavasci, thus, suggested chemical cleaning to attain higher removal of ammonia from wastewater [36]. The high operation and maintenance cost for air stripping can be attributed to the formation of calcium carbonate scale [37].

5.2. Sludge Production

The stripped effluent of ammonia stripping often fails in meeting the discharge standards. High sludge production and high alkalinity effluent associated with ammonia stripping generate additional treatment cost to this process. However, the calcium carbonate from the ammonia stripper sludge can be recovered. Maree and Zvinowanda, for example, used the flotation technique to recover calcium carbonate from wastewater treatment sludge [38]. As a result, they discovered that floatation technique can potentially recover commercial grade limestone from wastewater sludge [38]. Meanwhile, He et al. assessed the feasibility and performance enhancement for treatment of alkaline-stripped effluent in aerated constructed wetlands [39]. The constructed wetland was relatively simple and was empowered with eco-friendly technology so that it can withstand extreme pH wastewater. He et al. also found that the remediation of alkaline effluent was feasible due to the high buffering capacity of the wetlands [39].

5.3. Ammonia Gas

The ammonia stripping process results in ammonia release into the environment, thus causing additional environmental issues. Ammonia recovery by absorption is generally employed to prevent ammonia gas from being directly released into the environment. Ferraz et al. used sulphuric acid to recover the stripped ammonia from landfill leachate and revealed that 87% of the stripped ammonia was recovered [22]. Next, Zhu et al. discovered that under optimal condition of pH 12, airflow rate of 0.50 m3/h, temperature of 60°C, and stripping time of 120 min; 0.2 mol/L of sulphuric acid can absorb approximately 93% of the ammonia stripped per volume of the acetylene purification wastewater [25]. Meanwhile, Laureni et al. concluded that ammonia stripping coupled with absorption proved to be a feasible option for valorization of nitrogen found in pig slurry. The by-product of this process was ammonium sulphate, which is a marketable product in the agriculture arena as fertilizers [15].

6. Advances in Ammonia Stripping Process

Research on ammonia stripping enhancement has continued unabated. Recent development of ammonia removal by ammonia stripping fall into the following: ammonia stripping reactor modifications, membrane contactor, membrane distillation, ion exchange-stripping loop, and microwave-assisted ammonia stripping.

6.1. Ammonia Stripping Reactor Modifications

The construction of a particular ammonia stripping reactor is crucial as it has a strong impact on the whole treatment efficiency and the capital cost. The conventional ammonia stripper reactor employs the packed column technology, in which the packing materials are used to enhance mass transfer between the two phases. The countercurrent-packed tower draws air through its openings at the bottom as the wastewater is pumped to the top of the packed tower. Nonetheless, this process generates carbonate scales on the surface of the packing materials, which can affect ammonia removal efficiencies over time. Apart from that, the average depth of the packed bed tower can range from 6.1 until 7.6 meters, hence consuming a considerably large amount of space. Therefore, some researchers have suggested the use of innovative ammonia stripper reactors as a solution for efficient removal of ammonia. Among the innovative ammonia stripping reactors proposed were rotating packed bed [40], water-sparged aerocyclone reactor [41], and semibatch jet loop reactor [42].

6.1.1. Semibatch Jet Loop Reactor

Removal of ammonia via air stripping in a semibatch jet loop reactor was initiated by Degermenci et al., in which ammonia is removed by a jet loop reactor so as to reduce the construction and operational costs of the conventional ammonia stripping process. It also has a higher mass transfer coefficient and easier adaption from the pilot scale to the industrial-scale [42]. The jet loop reactor was conventionally applied for chemical or biochemical catalyzed reactions [43]. The jet loop reactor offers exceptional mixing performance at relatively low energy consumption for application that involves mass transfer [44].

An overall overview of the jet loop reactor is illustrated in Figure 4. In general, the jet loop reactors were constructed in many designs in terms of apparatus, nozzle dimensions, draft tube, and entry position of the jet stream [45]. The principle of the jet loop reactor is the utilization of the kinetic energy of high-velocity liquid jet to entrain the gas phase, besides producing fine dispersion between the gas and the liquid phases [46].

Degermenci et al. have developed (4) to model the rate of ammonia removal via air-stripping technique in a jet loop reactor [42].

 

As a result, the temperature and the gas flow rate exhibited significant impacts on the ammonia removal rate by using the jet loop reactor. Besides, the jet loop appeared to be more effective than the conventional ammonia stripper packed tower. The jet loop reactors can also be used for the conversion processes in treating biochemical wastewater. Farizoglu et al. studied the treatment of cheese whey in a jet loop membrane reactor and achieved 84–94% of chemical oxygen demand removal, which possessed the capability to operate at high biomass concentrations [47]. Next, Eusebio et al. investigated the treatment of winery wastewater by using jet loop reactor and found that 80% of COD removal efficiencies had been achieved within 24 hours [48].

6.1.2. Water-Sparged Aerocyclone Reactor

Removal of ammonia via water-sparged aerocyclone reactor was first designed by Quan et al. The basic motivation for the innovation was to increase the mass transfer rate and its applicability to treat wastewater with suspended solids [41]. The water-sparged aerocyclone gas-liquid contactor can be used to address two major drawbacks of the conventional packed tower, which are the process performance and the fouling problems in long operations.

The water-sparged aerocyclone reactor is illustrated schematically in Figure 5. The water-sparged reactor is comprised of two concentric right-vertical tubes and a cyclone header on the upper section. Wastewater is pumped into the porous section of the inner tube and sprayed into the centerline of the water-sparged aerocyclone reactor. After that, air is drawn into the aerocyclone at the top header of the inner tube.

Quan et al. adopted (5) developed by Matter-Muller et al. to model the ammonia removal rate via air-stripping technique using the water-sparged aerocyclone [49].

 

It was found that the water-sparged aerocyclone removed ammoniacal nitrogen, total phosphorus, and COD from wastewater at 91.0%, 99.2%, and 52.0%, respectively. Due to the promising ammonia removal efficiency by the water-sparged aerocyclone reactor, the structure of the water-sparged aerocylone reactor was improvised by Quan et al. to maximize the mass transfer efficiency of the reactor [50]. Quan et al. also investigated the arrangement and the diameter of the jet holes in water-sparged aerocyclone reactor, thus concluding that the spray holes should be arranged in a square mode with 1.28

of optimum distance between two adjacent spray holes [50].

6.1.3. Rotating Packed Bed Reactors

Ammonia removal via air-stripping technique in the rotating packed bed reactor was conducted by Yuan et al. to enhance the high volumetric gas-liquid mass transfer coefficients, as well as to reduce the fouling problem, the equipment size, and the cost incurred, as an attempt to overcome the shortcomings detected in the conventional ammonia stripping technique. The rotating packed bed reactor appeared to be highly efficient in process intensification as it maximized the gas-liquid mass transfer efficiency via strong centrifugal acceleration [51].

In fact, this particular method have been employed in a number of industrial applications, namely, absorption [52], synthesis of biodiesel [53], hydrogen sulfide removal [54], and synthesis of nanoparticles [55].

The rotating packed bed is illustrated schematically in Figure 6. The rotating packed bed consists of a rotating packed bed, gas and influent controls, effluent analyzer, and effluent gas neutralizer [40].

Yuan et al. used (6) to model the ammonia removal rate via air stripping using the rotating packed bed reactor [40]:

 

It was found that the rotating packed bed displayed higher mass transfer efficiency (12.3–18.41/h), when compared to other conventional and advanced gas-liquid contactors. Nonetheless, information concerning economic feasibility of the operating conditions seemed scarce for packed bed reactors in industrial wastewater treatment [40].

6.2. Membrane Contactors

Ammonia stripping by using membrane contactor is another alternative that has lower tendency to fouling and requires no post effluent treatment [56]. Relatively, ammonia stripping by membrane contactor has a higher rate of mass transfer than the conventional ammonia stripping due to its large contact surface area between the wastewater and stripping solution [57]. Semmens et al. have derived (7) to model the ammonia removal rate by ammonia stripping by using membrane contactor [56]:

 

Ahn et al. have founded that the highest mass transfer coefficient by using PTFE membrane was at 11 × 10−3 m/h at the operating condition of 1000 mg/L of ammonia initial concentration with no suspended solids and temperature difference [57]. Hasanoglu et al. investigated the ammonia removal by using flat sheet and hollow fiber membrane contactors and founded that the circulation configuration solution has a strong impact on the efficiency of the process [58]. Tan et al. studied the ammonia removal by using polyvinylidene fluoride (PVDF) hollow membranes and founded that mass transfer rate is higher at higher feed velocity, but only up to 0.59 m/s [59]. The ammonia stripping by using membrane contactor is illustrated schematically in Figure 7.

6.3. Membrane Distillation

In recent years, there has been an increasing research on ammonia removal using membrane distillation. Membrane distillation is driven by the temperature difference across the permeable membrane. It offers prospective recycling and reuse of industrial wastewater and higher process efficiency. Membrane distillation can be grouped into four basic configurations, namely, direct contact membrane distillation [60], vacuum membrane distillation [61], air gap membrane distillation [62], and sweep gas membrane distillation [63]. Liu et al. reported that direct contact membrane distillation process ammonia removal rate was more than 85% at ammonia concentration higher than 400 mg/L, but the removal rate decreased as the ammonia concentration was above 1200 mg/L [60]. El-Bourawi et al. addressed that the most important operating parameters that affect the ammonia removal efficiency of the vacuum membrane distillation are feed temperature, feed flow velocity, and downstream pressure. They reported that ammonia removal efficiencies higher than 90% were achieved by using vacuum distillation [61]. Eykens et al. conducted a lab scale and pilot scale on ammonia stripping by direct contact and air gap membrane distillation. It was founded that air gap membrane distillation has better performance and lower energy requirement than direct contact membrane distillation for larger scale applications [62]. Xie et al. investigated the ammonia removal by sweep gas membrane distillation. The efficiency of the process was affected by the feed temperature, feed flow rate, and gas flow rate. It was founded that sweep gas membrane distillation showed promising result with regards to high-efficiency industrial process water recycling [63]. The removal efficiency of the sweep gas membrane distillation was reported to be up to 97%. Liu et al. reported that the asymmetric PVDF membrane possesses excellent antifouling and sustainable flux in relative with the commercial PTFE (polytetrafluoroethylene) membrane [64]. It was founded that the PVDF membrane has less than 8% flux decline in 15 hours continuous operation [64].

6.4. Ion Exchange Loop Stripping

Due to the problems associated with operating and maintenance costs of air stripping [65] and the economic viability of the resins used for ion exchange [66], ion exchange and air stripping are combined and called ion exchange loop-stripping. The ion exchange loop stripping offers relatively lower operating and investment cost due to the reduced energy demands and equipment size reductions [67]. The ion exchange loop stripping is illustrated schematically in Figure 8. Ion exchange loop stripping is made up of the zeolite bed, stripping column, and a scrubber.

Ellersdorfer suggested that sodium hydroxide solution may be an alternative to sodium chloride to reduce chemical consumption [27]. Ellersdorfer has investigated the technical feasibility of ammonium recovery by using ion exchange loop stripping for sludge liquor from municipal wastewater treatment plants and founded that it can be a feasible option for recovering ammonium from sludge liquor wastewater treatment plants at above 900 mg/L [27].

6.5. Microwave-Assisted Air Stripping

Reports on microwave radiation that could be used to reduce ammonia nitrogen in wastewater have opened the door for research in the field of ammonia stripping by microwave radiation. Li Lin et al. implemented a pilot-scale study of ammonia removal by using microwave radiation and founded that 80% ammonia removal from coke-plant wastewater can be achieved [26]. Ata et al. carried out studies on optimization of ammonia removal microwave-assisted air stripping and founded that the optimum conditions were at 1800 mg/L of initial concentrations, 7.5 L·min−1 of airflow rate, 60°C of temperature, 500 rpm of stirring speed, and 200 W microwave output with 60 minutes of radiation. The removal efficiency of microwave-assisted ammonia stripping was able to achieve 94.2% under optimized conditions [68]. La et al. evaluated the efficiencies of microwave-assisted ammonia removal from swine wastewater. The highest removal efficiency was obtained at 83.1%. Ammonia removal by microwave radiation offers high ammonia removal rate and lower reaction time [28]. However, more research is needed for optimizing the power consumption of this wastewater treatment system.

7. Comparisons between Different Ammonia Stripping Processes

A comparison of various parameters related to the different ammonia stripping processes based on literature was tabulated in Table 2.

Table 2 shows that among the processes evaluated, the packed tower displayed a higher tendency towards fouling, which decreased its efficiency and increased the operational cost of the whole process. Besides, the packed tower also required higher air consumption, when compared to the other ammonia stripper processes. Besides that, the packed tower also requires higher air consumption in relation with other ammonia stripper processes. However, the newer ammonia stripping processes such as, the semibatch jet loop reactor, water-sparged aerocyclone reactor, and rotating packed bed reactor, have lower tendency towards fouling problems. Since the rotating packed bed reactor operates in continuous flow, Yuan et al. suggested that larger rotating packed bed reactor has to be used to ensure higher process efficiency [40]. The water-sparged aerocyclone also offered simultaneous removal of other contaminants, such as total phosphorus and COD. In addition, the conventional packed tower displayed lower tolerance to total suspended solids. Hence, this technique is limited to applications with lower suspended solids present in wastewater. In this case, the ammonia stripping processes via semibatch jet loop reactor, water-sparged aerocyclone reactor, and rotating packed bed reactor are deemed suitable for wastewater that contains higher total suspended solids. It can also be seen that the implementation membrane technologies in ammonia stripping process have been receiving considerable attention in recent years. Separation technologies using membrane incorporated into the ammonia stripping has higher process efficiency and offers prospective wastewater reclamation and reuse [72]. However, the membrane technologies are subjected to membrane fouling which results in a substantial increase in hydraulic resistance [73]. Hence, future research should emphasize on the membrane fouling control and the performance on a larger scale. The microwave-assisted ammonia stripping also showed higher process efficiency at 94.2%. Nonetheless, higher power consumption and running costs posed a serious challenge for the microwave-assisted ammonia stripping process [69].

8. Summary of Review and Future Research Perspectives

This review paper has revealed the inherent benefits of the ammonia stripping process, in comparison to the conventional packed tower. Nevertheless, pilot-scale investigation and economic evaluations are required before applying full scale of the ammonia stripping process. Moreover, future researches can specifically focus on the following three aspects.

First, the structure optimization for the each of the ammonia stripping process reactors deserves further research. Since most of the new advanced ammonia stripping reactors were first designed for various types of applications, it is important that these reactors are tailor-made for ammonia stripping processes. One of the most important aspects of ammonia stripping reactor’s development refers to the higher air-stripping efficiency at a lower operational cost. Hence, structure optimization can illustrate a detailed design guide for optimized gas-liquid contactors.

Second, more studies are needed to evaluate the capital and operational costs for advanced liquid-gas contactors in ammonia stripping. Since studies regarding these important aspects are in scarcity, and such information is vital to engineers and decision-makers in-charge of devising new technologies, more evaluations are required to look into the full cost analysis of the advanced gas-liquid contactors so as to determine its economic feasibility for specific wastewater treatment scenario. Additionally, a detailed pilot study on the advanced gas-liquid contactors is also crucial to identify potential hiccups and allay investor concerns.

Third, two of the advanced gas-liquid contactors (rotating packed bed and water-sparged aerocyclone) utilize vortex to induce gas-liquid mass transfer. Hence, there is a possibility of harvesting energy from these water vortexes. As such, it has been proposed that the advanced gas-liquid contactors have to be integrated with water vortex generator. This may be a possible strategy to promote energy self-sufficient ammonia stripping process. Nishi and Inagaki investigated the vortex-type water turbine to generate electricity and discovered its ability in generating electricity by using a low head and a low flow rate using a simple structure [74]. This ammonia stripping reactor liquid, coupled with water vortex generator, seems to be a promising technology for energy self-sufficient wastewater treatment and demands further research.

9. Conclusion

Ammonia stripping process is suitable for treating wastewater that contains high concentration of ammonia and toxic compounds with the merits of simpler operation, high efficiency, and excellent treatment stability, thus displaying an exceptional application potential for industrial wastewater treatment. The success of an ammonia stripping process is greatly dependent on temperature, pH, and air to water ratio. As such, the selection of optimized operating parameter is vital for the ammonia stripper to achieve higher efficiency. The different types of ammonia stripping reactors for ammonia stripping are presented in this review article. Its outstanding mass transfer performance and higher total suspended solids tolerance discriminate the conventional packed tower for ammonia stripping method. The following directions are proposed for further research. First, the structure optimization should be done for each of the ammonia stripping processes for higher air-stripping efficiency at a lower operational cost. Secondly, full cost analysis of the advanced ammonia stripper processes is needed to evaluate its economic feasibility for specific wastewater treatment scenario. Lastly, the integration of advanced gas-liquid contactors with vortex power generator for an energy self-sufficient wastewater treatment is proposed.

Conflicts of Interest

The authors declare that they have no conflicts of interest regarding the publication of this paper.

References

  1. S. R. M. Kutty, S. N. I. Ngatenah, M. H. Isa, and A. Malakahmad, “Nutrients removal from municipal wastewater treatment plant effluent using Eichhornia crassipes,” Engineering and Technology, vol. 3, no. 12, pp. 826–831, 2009. View at: Google Scholar
  2. V. D. Leite, S. Prasad, W. S. Lopes, J. T. Sousa, and A. J. M. Barros, “Study on ammonia stripping process of leachate from the packed tower,” Journal of Urban and Environmental, vol. 7, no. 2, pp. 21–222, 2013. View at: Publisher Site | Google Scholar
  3. T. A. Pressley, D. F. Bishop, A. P. Pinto, and A. F. Cassel, “Ammonia-nitrogen removal by breakpoint chlorination,” 1973, https://nepis.epa.gov/Exe/ZyPDF.cgi/91020N8G.PDF?Dockey=91020N8G.PDF. View at: Google Scholar
  4. Batelle–Northwest Richland, “Wastewater ammonia removal by ion exchange,” 1971, https://nepis.epa.gov/Exe/tiff2png.cgi/9100GI2R.PNG?-r+75+g+7+D%3A%5CZYFILES%5CINDEX%20DATA%5C70THRU75%5CTIFF%5C00001708%5C9100GI2R.TIF. View at: Google Scholar
  5. M. Mondor, L. Masse, D. Ippersiel, F. Lamarche, and D. I. Masse, “Use of electrodialysis and reverse osmosis for the recovery and concentration of ammonia from swine manure,” Bioresource Technology, vol. 99, no. 15, pp. 7363–7368, 2008. View at: Publisher Site | Google Scholar
  6. R. G. Rice, C. M. Robson, G. W. G. Miller, J. C. Clark, and W. Kohn, “Biological processes in the treatment of municipal water supplies,” 1982, https://nepis.epa.gov/Exe/ZyPDF.cgi/9100LYD1.PDF?Dockey=9100LYD1.PDF. View at: Google Scholar
  7. I. Ozturk, M. Altinbas, I. Koyuncu, and Y. C. Gomec, “Advanced physico-chemical treatment experiences on young municipal landfill leachates,” Waste Management, vol. 23, no. 5, pp. 441–446, 2003. View at: Publisher Site | Google Scholar
  8. USEPA, “Wastewater technology fact sheet: ammonia stripping,” 2000, https://nepis.epa.gov/Exe/ZyPDF.cgi/P10099PH.PDF?Dockey=P10099PH.PDF. View at: Google Scholar
  9. L. K. Wang, Y.-T. Hung, and N. K. Shammas, Advanced Physicochemical Treatment Processes: Handbook of Environmental Engineering, vol. 4, The Humana Press Inc., Totowa, NJ, USA, 2006.

 

 

 

 

نرم افزارهای تصفیه آب

نرم افزارهای تصفیه آب
نرم افزار های تصفیه آب
نیاز به آب ومحدودیت منابع آب شیرین در دسترس ، استفاده از آب شور را در راس نیاز های ما قرار می دهد. با توجه به همین مساله، انتخاب روش های بهینه جهت نمک زدایی از آب های شور یک امر بسیار مهم می باشد .رشد روزافزون استفاده از سیستم های اسمز معکوس یا روش RO و روش های از این دست، استفاده از نرم افزارهای تصفیه آب  جهت طراحی بهینه سیستم های تصفیه آب و فاضلاب را دارای اهمیت می کند.

نرم افزار ROSA

این نرم افزار ساخت کمپانی DOW برای طراحی سیستم های تصفیه آب به روش اسمز معکوس RO و نانوفیلتراسیون NF میباشد.
ROSA به شما کمک می کند تا یک سیستم اسمز معکوس را طراحی کنید . در این نرم افزار کافیست مشخصات آب مورد نظر خود را وارد کنید تا فرآیند تصفیه برای شما طراحی شود.
نرم افزار های تصفیه آب

نرم افزار CADIX

ساخت کمپانی DOW برای طراحی سیستم های تصفیه آب و فاضلاب به روش IX.
CADIX موجب صرفه جویی در وقت در مرحله طراحی می شود . همچنین کمک می کند تا نظارت کاملی بر سلامت سیستم های demineralization یا نرم کننده با استفاده از رزین های تبادل یونی داشته باشید.  این نرم افزار برای طراحی ستون های سختی گیر رزینی کاربرد دارد.
نرم افزار های تصفیه آب

نرم افزار WAVE

این نرم افزار ساخت کمپانی DOW برای طراحی سیستم های تصفیه آب فاضلاب یه روش RO  و UF وIX  می باشد.
به عبارت دیگر در این نرم افزار سه فن آوری در یک پکیج جمع آوری شده است.
تصفیه آب اغلب نیاز به بیش از یک فن آوری برای دستیابی به کیفیت آب مورد نظر برای یک برنامه خاص دارد.  جمع آوری ابزارهای طراحی سیستم های تصفیه آب با فناوری های مختلف ممکن است دشوار باشد. بهینه سازی سیستم های با تکنولوژی چندگانه برای تولید آب به طور قابل اعتماد و با کمترین هزینه به این موضوع وابسته می باشد. نرم افزار طراحی  WAVE  سه فناوری پیشرو در صنعت – اولترافیلتراسیون UF، اسمز معکوس ROو مبادله یونIX  – را به یک ابزار جامع با استفاده از یک رابط مشترک متصل می کند.همین امر  فرایند طراحی با تکنولوژی چندگانه را ساده کرده و در نهایت به کاهش زمان طراحی سیستم های تصفیه آب کمک می کند.
WAVE بهترین ویژگی های نرم افزارهای قدیمی کمپانی DOWE FILMTEC   مثل ، ROSA، UFLOW، IXCALC و CADIX را ارتقا داده. تکنولوژی های مختلف را با هم در یک رابط کاربری مشترک باعث شده تا این نرم افزار  به عنوان پر کاربرد ترین نرم افزار استفاده می شود.

WINFLOWS

ساخت کمپانی GE   آمریکا و به دو روش RO  و UF به تصفیه آب می پردازد
این نرم افزار طراحی سیستم اسمز معکوس و شبیه سازی پیشرفته روش RO را به یک سطح کاملا جدید ارائه می دهد. همچنین با یک شبیه سازی بصری و کاربر پسند ، باعث می شود از ساده ترین تا پیچیده ترین سیستم ها به راحتی طراحی شود. Winflows  اولین برنامه ای است که با ترکیب سایر بسته های شبیه سازی، می تواند مواد شیمیایی را  قبل ازتصفیه و میزان مصرف آنها را در صورت نیاز توصیه نماید.
از خصوصیات این برنامه می توان به موارد زیر اشاره کرد:
سیستم های ۳ گانه
نفوذ و تقسیم و بازیافت
تعیین دوز آنتی اسکالانت
دستگاه بازیابی انرژی
توانایی ترکیب مراحل
استفاده آسان
نرم افزار های تصفیه آب

INGE

این نرم افزار ساخت کمپانی آلمانی برای طراحی سیستم های تصفیه آب به روش UF  به صورت تخصصی    می باشد.
نرم افزار های تصفیه آب

IMS DESIGN

این نرم افزار ساخت کمپانی هایدروناتیک امریکا می باشد که برای طراحی سیستم های تصفیه آب و فاضلاب به روش RO  استفاده می شود.
HYDRAcap MAX  یک سیستم شبیه ساز غشایی فوق العاده تصفیه شده است.
 IMS DESIGN اولین برنامه مبتنی بر وب شرکت Hydranautics است که توسط صدها مشتری در سراسر جهان استفاده می شود. این بسیار مورد پسند کاربران است که با وارد کردن  فقط چند ورودی، شبیه سازی تمام پارامترهای سیستم HYDRAcap MAX انجام می شود. همچنین اجازه می دهد تا کاربر به راحتی طرح های خود را متناسب با شرایط مورد نیاز تغییر دهد.این موضوع نتایج دقیقی را در طراحی در اختیار کاربر قرار می دهد.
اما  بهترین ویژگی این نرم افزار شبیه ساز  این است که نمودار دنباله فرایند را طراحی می کند. این ویژگی موجب صرفه جویی زیادی در زمان کار یک مهندس فرایند می شود.
نرم افزار های تصفیه آب

HYD-RO-DOSE

نرم افزار مدل سازی هیدرو- دوز ، یک ابزار کاربردی برای مهندسان صنعت تصفیه آب و فاضلاب می باشد.
این نرم افزار به صورت مستقیم  یک مقیاس کامل از سختی نمونه های آب را در اختیار کاربر قرار می دهد.
همچنین یک ابزار مدل سازی قوی و مناسب برای طراحی سیستم های اسمز معکوس ارائه کرده است.
این نرم افزار از پارامتر های مختلف در ارزیابی کیفی آب در زمینه سختی سنجی پشتیبانی می کند.
همین امر باعث شده تا محدوده عملکرد آن در بیش از بیست مقیاس مختلف کارایی داشته باشد.
این گستردگی در تحلیل ، نرم افزار هیدرو-دوز را به یک ابزار مناسب برای طراحی سیستم های اسمز معکوس تبدیل کرده است.
نرم افزار های تصفیه آب

TORAY DESIGN

این نرم افزار ساخت کمپانی ژاپنی TORAY بوده که ازبزرگترین تولید کنندگان ممبران می باشند. هدف از توسعه این نرم افزار، طراحی سیستم های تصفیه آب و فاضلاب به روش RO  می باشد.
نرم افزار های تصفیه آب

مقایسه کلی نرم افزار های تصفیه آب در قالب جدول

ردیف نام نرم افزار کاربری توضیحات
۱ ROSA RO-NF ✓      اولین نرم افزار طراحی RO شرکت DOW✓      آنالیز اقتصادی

✓      User Friendly

–      عدم وجود پیش تصفیه و پس تصفیه شیمیایی

–      عدم طراحی فیلتر کارتریجی وUF

–      خروجی excel ندارد

 

۲ CADIX IX ✓      نرم افزار تخصصی تبادل یونی✓      وجود پارامترهای پیش فرض قوی

–      مشکل تأمین رزین های موجود در بازار

۳ WAVE RO-NF-UF ✓      نرم افزار بسیار قوی در زمینه RO، UF، NF✓      آخرین و کامل ترین نرم افزار شرکت DOW

✓      آنالیز اقتصادی

✓      طراحی UF به صورت کامل

✓      طراحی بسیار دقیق

–      سخت بودن خروجی گرفتن بدون warning

۴ WINFLOWS RO-UF ✓      آخرین و کامل ترین نرم افزار شرکت GE✓      طراحی کارتریج فیلتر

✓      پیش تصفیه و پس تصفیه قوی شامل تزریق آنتی اسکالانت و سختی گیر و دیگازور

–         طراحی UF ضعیف

۵ INGE UF ✓           طراحی UF با ممبران های شرکت Hydranautics
۶ IMS DESIGN RO ✓     طراحی RO با ممبران های شرکت Hydranautics
۷ TORAY DESIGN RO ✓     طراحی RO با ممبران های شرکت Toray
۸ PURE DESIGN IX ✓      نرم افزار تخصصی تبادل یونی برای رزین های برند Purolite– مشکل Register شدن نرم افزار

پمپ به عنوان توربین (Pump as Turbine(PAT))

پمپ به عنوان توربین (Pump as Turbine(PAT))

نیروگاه های برق آبی یکی از روش های تولید برق می باشد که این روش به عنوان منابع پاک و تجدیدپذیر انرژی، پتانسیل قابل توجهی در دنیا دارد و امروزه با روند افزایشی مصرف انرژی، بهره برداری از آن ها ضروری می­باشد. به‌منظور تولید برق از حجم عظیمی از آب در مسیری که آب‌های جاری از سطوح بالاتر به سطوح پایین‌تر حرکت می کنند از یک توربین استفاده می‌شود. آب ناشی از بارندگی در دریاچه‌های پشت سد، در ارتفاعات بلند جمع‌آوری می‌شوند. پس از تولید برق به درون رودخانه کشیده شده و به‌آرامی حرکت می‌کند تا بالاخره به دریا برسد. فشار آب پشت سد به صورت طبیعی ایجاد می شود اما هنگام پمپ کردن آب شهری نیز فشار مصنوعی تولید می شود که در نزدیکی مصرف کننده باید کاهش یابد. کاهش فشار در نزدیکی مصرف کننده به وسیله سیستم های فشار شکن اعمال می شود. یک نیروگاه برق آبی می تواند به عنوان یک فشار شکن نیز عمل کند و با کاهش فشار مصنوعی آب، برق تولید کند.

پمپ گریز از مرکز

پمپ گریز از مرکزوسیله ایست که برای انتقال مایعات از طریق افزایش فشار استفاده می‌شود. افزایش فشار در پمپ‌های گریز از مرکز بر اساس فرآیندهای هیدرولیکی بین پروانه و سیال به وقوع می‌پیوندد. این پمپ متشکل از تعدادی پره چرخان بوده که درون یک محفظه بسته قرارگرفته‌اند. سیال به سمت پروانه حرکت کرده و انرژی از پروانه به سیال انتقال می‌یابد. پمپ با صرف انرژی برق، اختلاف فشار در خروجی جریان ایجاد می کند. این فرایند می تواند به صورت معکوس استفاده شود و با داشتن اختلاف فشار، برق تولید شود که به ان پمپ معکوس یا پمپ به عنوان توربین گفته می شود.

پمپ گریز از مرکز برای پمپ به عنوان توربین (PAT)

پمپ گریز از مرکز برای پمپ به عنوان توربین (PAT)

پمپ به عنوان توربین

پمپ به عنوان توربین (Pump as Turbine(PAT)) یک نیروگاه برق آبی کوچک است که با تعویض خروجی و ورودی جریان پمپ، برق تولید می کند. پمپ  به عنوان توربین در کاربرد هایی با توان پایین (یک الی ۵۰۰ کیلووات) مورد استفاده قرار می گیرد وعمر کمتری دارد اما با توجه به ساختمان پیچیده توربین های هیدرولیکی، استفاده از پمپ به عنوان توربین توجیه پذیر است. ساخت و نگه داری پمپ با توجه به قطعات کمتر و ساده تر، مقرون به صرفه نیز می باشد. از این رو با توجه به هزینه های منابع تجدید پذیر دیگر در مقیاس کوچک بازگشت سرمایه بیشتری دارد.

پمپ به عنوان توربین (Pump As Turbine ) در یک نیروگاه کوچک برق آبی

پمپ به عنوان توربین (Pump As Turbine ) در یک نیروگاه کوچک برق آبی

مزایای پمپ به عنوان توربین

پمپ‌ها به علت تولید انبوه و در دسترس بودن مزایای زیادی نسبت به توربین‌ها دارند که مهم‌ترین آن‌ها عبارت‌اند از:

  • پمپ و موتور را می‌توان به‌راحتی جهت جایگزینی توربین و ژنراتور خریداری نمود. تولید انبوه و در دسترس بودن و درنتیجه قیمت ارزان این دو تجهیز خصوصاً در کشورهای درحال‌توسعه یکی از اصلی‌ترین مزایای استفاده از PAT می‌باشد. درحالی‌که توربین به‌صورت سفارشی خرید می‌گردد و قابل دسترسی آسان نیست.
  • پمپ‌ها برای دامنه مختلف ارتفاع و دامنه آب موجود مورداستفاده قرار می‌گیرند.
  • در اندازه‌های استاندارد متنوع در دسترس می‌باشند.
  • قیمت ارزان پمپ و نیروگاه پمپی تمام‌شده نسبت به نیروگاه توربینی (در حدود نصف) که در دامنه ظرفیت توان ۵ الی ۵۰۰ کیلووات هزینه مصرف‌شده حداکثر در مدت‌زمان کمتر از ۴ سال قابل بازگشت است.
  • سریعاً در دسترس بوده و بدون صرف زمان یا هزینه اضافی طراحی، ساخت و حتی حمل‌ونقل، قابل‌اجرا است.
  • قطعات یدکی پمپ مانند بلبرینگ، واشر، آب‌بند و غیره به‌ وفور و با قیمت ارزان در بازار یافت می‌شود.
  • نصب سریع با استفاده از اتصالات استاندارد موجود در بازار.
  • امکان بهره‌برداری توسط افراد عادی که در این صورت نیازی به استخدام فرد متخصص نیست.
  • یک پمپ خوب با انتخاب مناسب در دبی و ارتفاع مشخص، توربین خوبی خواهد بود. هرکدام از پمپ‌های موجود در بازار با توجه به پتانسیل آبی در دسترس (ارتفاع خالص و دبی آب موجود و توان خروجی لازم) می‌توانند توربین مناسبی باشند.
  • در مجموع پمپ معکوس به عنوان یکی از تکنولوژی های موجود برای استفاده در نیروگاه های آبی وارد فضای رقابتی که سال ها در اختیار توربین های کلاسیک بوده، شده است و با توجه به هزینه های پایین تر برای سرمایه گذاران این عرصه در توانهای تولیدی پایین دارای جذابیت است و روز به روز به گستره استفاده از آن افزوده می شود.
  • مطالعه موردی: نیروگاه برق آبی روی لوله آب شهری
  • استحصال انرژی در قالب بازیافت انرژی خط لوله آب شهری به عنوان راهکاری برای افزایش بهره‌وری بخش‌هایی از شبکه های لوله کشی خطوط توزیع آب که فشار اضافی آن بایستی توسط شیر فشار شکن (PRV) و یا مخازن شکست فشار (BPT) مدیریت شود.
    با بهره گیری از این تغییر رویکرد در استفاده از نیروگاه های برق آبی مقیاس کوچک روی خط لوله سامانه های فشار شکن متداول می تواند علاوه بر مدیریت فشار خطوط انتقال ضمن کاهش و یا حذف هزینه های نصب و بهره برداری از سامانه های متداول، درآمد قابل توجهی را به صندوق شرکت بهره بردار خطوط لوله برگرداند.

 

  • پمپ به عنوان توربین (Pump As Turbine ) در نیروگاه Leliefontein

    پمپ به عنوان توربین (Pump As Turbine ) در نیروگاه Leliefontein

 

دلایل بستن شیر فلکه خروجی پمپ و بعد باز کردن آهسته ان در زمان راه اندازی الکتروپمپ های سانتریفوژ

دلایل بستن شیر فلکه خروجی پمپ و بعد باز کردن آهسته ان در زمان راه اندازی الکتروپمپ های سانتریفوژ

آموزش طراحی ایستگاه پمپاژ و تاسیسات

یک از اقداماتی که برای راه اندازی الکتروپمپ های سانتریفوژ مطرح می شود بستن شیر فلکه خروجی پمپ و بعد باز کردن آهسته ان می باشد .( البته می بایست توجه داشت که در بعضی موارد که احتمال تبخیر اب وجود داشته باشد می توان شیر فلکه خروجی را بصورت کامل نبسته و اندکی باز بماند ) . شاید برای خیلی از مهندسین و اپراتورهای شاغل در مراکزی که کار آنها به نحوی مرتبط با پمپ می باشد این سوال ایجاد شود که علت اصرار بسته بودن شیر فلکه خروجی چیست؟ این امر دو دلیل اصلی داشته که در ذیل مورد بررسی قرار میگیرد.

1- جلوگیری از بوجود امدن ضربه قوچ

در مورد ضربه قوچ و تاثیر راه اندازی پمپ در ایجاد آن مقاله جداگانه ارایه خواهد گردید.

2- جلوگیری از آسیب دیدن الکتروموتور بخصوص در توان های بالا

الکتروموتورها با توجه به خصوصیات الکتریکال و ساخت خود ،منحنی گشتاور خاص خود را دارا می باشند . در زمان راه اندازی و در نواحی %80 دور نامی الکتروموتور ، گشتاور راه اندازی آن کاهش پیدا کرده و تقریبا به به گشتاور پمپ می رسد . در این حالت گشتاور شتاب دهنده که ناشی از اختلاف بین گشتاور راه اندازی الکتروموتور و پمپ می باشد نزدیک به صفر می شود. و موتور برای رسیدن به سرعت نامی خود جریان بیشتری می کشد که می تواند باعث سوختن و آسیب دیدن استاتور الکتروموتور شود.

در این حالت اگر شیر فلکه خروجی پمپ باز باشد و پمپ سیال را نیز پمپاژ نماید جریان مورد نیاز الکتروموتور افزایش می یابد و احتمال آسیب دیدن الکتروموتور افزایش می یابد . بنابراین برای کاهش ریسک آسیب به الکتروموتور ؛ شیر فلکه خروجی پمپ را بسته تا پمپ در نقطه دبی صفر کار کرده و نیاز به جریان کمتری داشته باشد. در تصاویر زیر می توان مقایسه جامعی بین جریان راه اندازی الکتروموتور در حالت های مختلف شروع به کار پمپ ارایه نمود.

استقرار ایستگاه پمپاژ آب ، Water pump station location

استقرار ایستگاه پمپاژ آب ، Water pump station location

محل استقرار پمپاژ آب برحسب شرائط محل متغير بوده و اغلب در محل برداشت آب (چاه ، چشمه ، رودخانه) مي باشد . از نظر كلي بايد محل استقرار پمپ را با درنظرگرفتن خطر طغيان رودخانه و يا خطر استغراق ، قرارداده و گذشته از آن بايد در مقابل خطرات ناشي از ريزش محل و رطوبت نامناسب و يخبندان محافظت نمود . در داخل محوطه ايستگاه پمپاژ و در كف ساختمان آن شيب 1% منظور نمود و براي هركدام از ماشين آلات موجود ، پي و پايه مجرائي درنظر گرفته مي شود.

با علم به اينكه ايستگاههاي پمپاژ معمولاً در گودترين نقاط شهر واقع مي شود ، بايد تدابيري براي جلوگيري از خرابي تلمبه خانه ها در اثر ورود آبهاي سطحي حاصل از بارندگي درنظر گرفت .

در موارديكه محل تلمبه خانه در داخل شهراست بايدساختمان آن از نظر وضع ظاهري ، نظير منازل مسكوني اطراف بوده و منظره ناخوشايندي ايجاد نگردد.

Related image

الف- محل ايستگاه پمپاژوقتي منبع تغذيه چشمه باشد :

درصورتيكه محل برداشت آب چشمه باشد چند حالت زير مطرح مي گردد :

1- در صورتيكه ارتفاع چشمه ها از ارتفاع مخزن ذخيره بيشتر باشد آب در اثر نيروي ثقل به منبع تغذيه هدايت شده و احتياجي به عمل پمپاژ نخوهد بود ، كه در اغلب روستاهاي داراي چشمه اين پديده در سهولت كار آبرساني آن محل كمك زيادي خواهد نمود .

2- در صورتيكه فاصله بين محل برداشت آب (چشمه چاه رودخانه و غيره) تامخزن تغذيه زياد نباشد ، يك حوضچه جنبي در محل برداشت آب درنظر گرفته و با ارتباط آب داخل چشمه و حوضچه فوق ميتوان دبي مورد نظر را از حوضچه ، برداشت نموده و از ورود ذرات ريز و گرد و غبار به داخل تأسيسات جلوگيري نموده كه بعداً آب با عمل پمپاژ به منبع توزيع ، انتقال داده خواهد شد . 

3- در صورتيكه فاصله بين محل برداشت آب تا مخزن ذخيره زياد باشد، براي جلوگيري از طولاني شدن بيمورد شبكه لوله كشي ، سعي مي شود بهترين شرايط را براي حمل استقرار پمپاژ تعيين نمود.

ب محل ايستگاه پمپاژ وقتي منبع تغذيه چاه باشد:

در صورتيكه برداشت آب از چاه باشد چند حالت زير مطرح خواهد بود :

1- درصورتيكه برداشت آب از يك چاه منفرد مورد نظر باشد ساختمان ايستگاه پمپاژ مستقيماً روي چاه واقع شده و عمق مكش (فاصله قائم سطح آزاد آب مورد برداشت تا محور پمپ) حداكثربايد 5/4 تا 6 متر باشد.

2- در صورتيكه عمق مكش از 5/4 تا 6 متر بيشتر باشد بعلت اشكالات ناشي از عمق زياد دو راه حل درنظر گرفته مي شود :

الف- موتور را روي چاه و پمپ را روي سطح آب چاه قرار داده و توسط ميله اي حركت محور موتور را به محور پمپ انتقال مي دهند .

ب موتور و پمپ را با هم در يك پوسته فلزي آب بندي شده در داخل چاه غوطه ور مي سازند.

3- در صورتيكه برداشت آب بجاي يك چاه منفرد از چند چاه صورت مي گيرد (كه در تاسيسات آبرساني شهرهاي بزرگ به اين مسئله برخورد مي گردد) دو راه حل زير نيز پيش بيني مي شود :

الف- ممكن است روي هر كدام از چاهها يك پمپ ، پيش بيني نمود كه خود مستقلاً مخزن اصلي را تغذيه نمايد كه در اين حالت براي رعايت مسائل اقتصادي ، تأسيسات مربوط به فشار قوي و فشار ضعيف و تابلوهاي كنترل و غيره را در يك ساختمان مشترك كه محل آن به رعايت تعادل افتهاي فشار در مركز ثقل نواحي مورد نظر باشد ، قرار مي دهد ، آنگاه لوله رانش هر پمپ را به يك محفظه مشترك بنام كلكتور هدايت نموده و از اين كلكتور جهت تغذيه مخزن واقع در ارتفاع مناسب استفاده مي شود.

ب- ممكن است تمام چاهها را تحت عملكردي پمپ قوي و يك ايستگاه واحد قرار داده و از قراردادن وسائل و ابزار آلات مكانيكي روي هر كدام از چاهها اجتناب ورزيد ، در اينصورت بايد مطابق شكل زير لوله مكش تمام چاهها را با يك كلكتور بهمديگر مرتبط ساخت .

در تمام اين موارد ذكر اين نكته ضروري است كه اختلاف ارتفاع بين سطح آزاد آب در منبع مكش و محور ماشين با درنظرگرفتن مجموع افتهاي مربوط به هر كدام از لوله اي ماشين نبايداز حد متعارف 5/4 الي 6 متر تجاوز نمايد .

مزايا و معايب :

بطور كلي در شرايطي كه ارتفاع سيال داخل منبع مكش تا محل پمپاژ كم باشد بين دو سيستم نامبرده بادر نظر گرفتن شرايط ذيربط و بررسي مزايا و معايب آن دو ، يكي از انتخاب و براي اينكار محاسن و معايب هر كدام سنجيده و مقايسه ميگردد.

1– خرج

در سيستم دوم اگر فواصل چاهها از همديگر زياد باشد پمپ بسيار قوي مورد نيازبوده و خرج آن بيشتر و متعلقاب مربوطه نيز زيادتر است .

2– از نقطه نظر برداشت

در سيستم دوم كه تمام چاهها تحت عملكرد يك پمپ قوي و يك دستگاه واحد قرار دارند و لوله مكش تمام چاهها با يك كلكتور بهم مرتبط است ممكن است دبي چاهها از يك محل ديگر تغيير نمايد كه در اينصورت براي تنظيم دبي براي هر كدام از چاهها ميتوان از شير فلكه كه در ابتداي لوله مكش كار گذاشته مي شود استفاده نمود، در صورتيكه در سيستم اول بايد در هر يك از چاهها يك پمپ ، مختص آن چاه در نظر گرفت كه اين خود ، تهيه وسائل را ايجاب نموده و از نقطه نظر برداشت آب توليد اشكال خواهد نمود.

 

3– از نقطه نظر راندمان كار

درصورتيكه در هر دو طريقه شرايط طوري فراهم گردد كه تاسيسات مربوطه با حداكثر دبي كار كند راندمان يك واحد بزرگ عمدتا بيشتر از راندمان كلي مجموعه واحدهاي كوچكتر است در نتيجه از نقطه نظر راندمان روش دوم مناسبتر است .

4– از نقطه نظر بهره برداري و سرعت راه اندازي

در روش دوم كه تمام چاهها تحت عملكرد يك پمپ قوي قرار دارند ، اگر لوله مكش طولاني باشد احتمال وجود خلاء در كلكتور در اوائل راه اندازي و يا راه اندازي بعد از يك توقف طولاني سبب بروز مشكلاتي شده و احتمالاً حركت مكانيزم را مختل خواهد نمود . از طرفي در روش اول انعطاف پذيري بيشتري موجود بوده و از واحدهاي كوچك ساده تر مي توان استفاده نمود .

بطور خلاصه براي پيش بيني يكي از دو سيستم فوق الذكر بايد شرايط مخصوص آن محل و چگونگي بهره برداري آنها و ساير عوامل كمي و كيفي مورد ارزيابي قرار گرفته و انتخاب احسن گردد.

 

ارتفاع مكش پمپ , pump suction head

ارتفاع مكش پمپ , pump suction head

Under Ground Irrigation water Pump Station | 3D Warehouse

 

ارتفاعي كه يك پمپ سانتريفوژ بتواند بالاتر از سطح آزاد آب قرار گيرد ارتفاع مكش ناميده مي شود .
ارتفاع مكش مناسب براي پمپهاي گريز از مركز بستگي به عوامل زيردارد :
1- سرعت گردش پمپ
2- دبي پمپ
3- ارتفاع مكانيك پمپ
4- افت فشار در داخل پمپ
5- درجه حرارت محل نصب پمپ
6- ارتفاع محل نصب پمپ نسبت به سطح دريا
كه عوامل فوق سبب افزايش و يا كاهش ارتفاع مكش مي گردد.

Related image
في المثل اگر سرعت گردش و ارتفاع مكانيكي پمپ ثابت باشد هر اندازه دبي پمپ بيشتر باشد عمل مكش كمتري احتياج است.و يا اگر دبي پمپ ثابت باشد هر اندازه ارتفاع مكانيكي پمپ زيادتر باشد عمل مكش كمتري سلامتي پمپ را تضمين خواهد نمود .و يا اگر دبي پمپ ثابت باشد، هر اندازه سرعت گردش پمپ بيشتر باشد عمق مكش را كمتر بايد انتخاب نمود. گذشته از آن اصولاً با كم شدن فشار هوا ، درجه حرارت لازم جهت تبخير آب در آن محيط كم مي گردد بطوريكه در فشار مطلق 2/0 تا 5/0 اتمسفر در لوله هاي مكش پديده تبخيري در آب رخ مي دهد و سبب قطع جريان آب در لوله مكش مي گردد .

ارتفاع مکش پمپ

بطور تئوري ارتفاع مكش پمپ برابر با يك اتمسفر (10 متر آب) مي باشد ليكن عوامل زير سبب كاهش ارتفاع مكش مي گردند:
1- ارتفاع نظير فشار بخار مايع hp
2- ارتفاع نظير فشار در اثر سرعت در لوله مكش. hv
3- ارتفاع نظير افت هاي لوله و زانوئي و سه راهي ديگر متعلقات مربوطه hr ارتفاع مكش باشد داريم :

hs = 10 – (hp + hv + hr)

عملاً ميزان دقيق hsبراي عملكرد سالم و مناسب پمپ حداكثربرابر 5/4 الي 6 مترمي باشد .

براي جلوگيري از اشكالات پمپ ، بايد حتي المقدورسعي نمود پمپ را در ارتفاع پايين تر ازسطح آزاد آب قرار داده و در فاصله بين لوله مكش كه به داخل آب فرورفته است و اتصال لوله به پمپ از اتصالاتي نظير زانوئي و شير يك طرفه و سه راهي ، شيرفلكه ، تبديلات و غيره جلوگيري نموده و براي كم شدن افت هاي فشار ، قطر لوله كمي بزرگتر از حد محاسبه بوده و ضريب اصطكاك داخل لوله (f) كم باشد ، قطر لوله مكش بايد در تمام مسير يکنواخت و در صورت امكان شيبي معادل 5 درهزار از منبع مكش به طرف پمپ داده شود.

لطفا مقالات مربوط به NPSH (NET POSITIVE SUCTION HEAD) زا نیز چک کنید.

محاسبات فنی سپتیک تانک

محاسبات فنی سپتیک تانک

قیمت سپتیک تانک - استعلام قیمت سپتیک آماده | پایپ گستر

سپتیک تانک معمولا مخزنی است که به صورت دو قسمت جدا از هم ساخته شده و حجم قسمت اول  سپتیک تانک تقریبا دو برابر قسمت دوم سپتیک تانک  است .

سپتیک تانک ساده ترین روش تصفیه فاضلاب می باشد که با تجزیه بیولوژیکی فاضلاب باعث تصفیه فاضلاب می گردد . راندمان تصفیه در سپتیک تانک در محدوده 10 تا 30 % می باشد و به عنوان یک روش پیش تصفیه فاضلاب شناخته می گردد .

طراحی سپتیک

عمق  فاضلاب در سپتیک تانک 1 تا 2 متر و متوسط 1.5 متر خواهد بود . نسبت طول به عرض در سپتیک تانک هم 3-2 به 1توصیه شده است .

ممکن است شیب سپتیک تانک مخصوصا قسمت اول آن شیبی حدود 1 به 4 داشته باشد ، ممکن است این شیب در تمام کف سپتیک تانک به میزان بسیار جزئی اعمال گردد .

سپتیک تانک پلی اتیلن

 محاسبه حجم سپتیک تانک

حجم سپتیک تانک را می توان از رابطه زیر محاسبه نمود :

(t= (1.3-0.3 log PQ

که در این فرمول

t : زمان ماند فاضلاب در سپتیک تانک

P : جمعیت که برای تصفیه فاضلاب ناشی از فعالیت آنها سپتیک ساخته می شود .

Q : فاضلاب سرانه  تولیدی به گالن در روز است .

اگر حجم سپتیک تانک بین 60-6 متر مکعب باشد حداقل حجم آن از فرمول زیر قابل محاسبه است .

V=4500+0.75 Q

در این فرمول Q فاضلاب ، کل بر حسب لیتر در روز است و V حجم سپتیک تانک بر حسب لیتر تعیین خواهد نمود .

 

باید توجه داشت که حجم سپتیک تانک برابر مقدار فاضلابی است که در زمان توقف داخل آن می شود و لجن هایی که در آن ته نشین می گردند .

طراحی سپتیک تانک

میزان لجن تولیدی سپتیک تانک

Fair Imhaf میزان لجن برای هر نفر در سپتیک تانک را 0.36 لیتر در روز تعیین نموده است و در برخی کتب دیگر مقدار لجن را 0.04-0.03 متر مکعب در سال نوشته اند . ولی در اغلب دنیا 0.04 متر مکعب را برای هر نفر در سال در نظر می گیرند .

تخلیه لجن سپتیک تانک

معمولا سپتیک تانک را وقتی 1.3 آن از لجن پر باشد تخلیه می کنند ، زمان تخلیه از فرمول زیر بدست می آید :

(حجم سپتیک تانک به متر مکعب )1.3

تعداد جمعیت * میزان لجن جمع شده در سپتیک تانک بر متر مکعب برای هر نفر در سال

 

چون حجم سپتیک تانک از رابطه زیر محاسبه خواهد شد :

3 روز زمان توقف * تعداد جمعیت * سرانه فاضلاب متر مکعب در روز

از ادغام دو فرمول فوق الذکر زمان تخلیه به این طریق محاسبه می گردد :

میزان جریان متر مکعب برای هر نفر در روز

                                            میزان لجن دائمی هر نفر به متر مکعب در سال
طرح سپتیک

دفع فاضلاب تصفیه شده سپتیک تانک

مهمترین روش های دفع فاضلاب تصفیه شده به وسیله سپتیک تانک یکی از سه روش زیر است :

1-  در زمین های با نفوذ پذیری زیاد با ایجاد ترانشه ای به عمق 45 سانتی متر فاضلاب تصفیه شده را در آن وارد می سازند ، این نحوه دفع فاضلاب را پخش به سطح زمین گویند

2- اگر قابلیت نفوذ در زمین کم باشد با حفر چاه فاضلاب را به مرو رزمان در زمین دفع می نمایند .

3- اگر قابلیت نفوذ در زمین خیلی مک باشد ولی در نزدیکی سپتیک تانک رودخانه یا جریان آبی موجود باشد از صافیهای شنی برای دفع فاضلاب تصفیه شده استفاده می کنند

محاسبات فنی چاه جاذب 

بنا به تعریف نفوذپذیری مدت زمانی است که طی آن سطح آب در داخل چاله ای به ابعاد 30 سانتی متر  و عمق 45 سانتی متر ، 2.5 سانتی متر پایین می رود . اگز زمان جذب معلوم باشد مقدار فاضلابی که در هر متر مربع می توان وارد ساخت از فرمول زیر محاسبه خواهد شد :

Q=1.3/t+7.5

در این فرمول Q مقدار فاضلاب جذب شده به متر مکعب در هر متر مربع از کف ترانشه و t زمان جذب به دقیقه است .

شیر فوران گیر، Blow Out Preventer

شیر فوران گیر، Blow Out Preventer

یکی از مشکلاتی که در صنعت نفت و گاز وجود دارد خطر فوران چاه نفت و گاز در هنگام حفاری چاه ها می باشد .فوران چاه  علاوه بر خطرات جانی که برای پرسنل دارد ، خطر زیست محیطی و ضرر و زیان مالی هم خواهد داشت که شیر فوران گیر این مشکل را جهت کنترل فوران برطرف کرده است.

5-1

شیر فوران گیر دارای یک بدنه اصلی و تعدادی شیر کنترل است .

بخش های مختلف شیر فوران گیر :

۱- شیر های ورودی و خروجی گل

۲-شیر ورودی سیمان

۳- SHEAR RAMS: این ابزار در چاه های مخازن گازی کاربرد بیشتری دارد. هرگاه چاه دچار فوران شود این ابزار دهانه چاه را به طور کامل می بندد.

۴- BLINDRAMS : هروقت سیالی از داخل لوله ها به خارج از چاه فوران کند ، BLINDRAMS دهانه آن لوله را مچاله میکند تا سیال از لوله حفاری خارج نشود.

۵-ANNULUS PREVENTOR

 

از شیرهای فوران گیر یا BOP همراه با دیگر تجهیزات و تکنیک ها برای بستن چاه استفاده می شود و این امکان را به خدمه می دهد که ضربه چاه را قبل از اینکه منجر به فوران و انفجار شود، کنترل نمایند. شیر های فوران گیر یا BOP و دیگر تجهیزات کنترلی چاه به وسیله خدمه ریگ پس از قرار دادن و سیمان کاری لوله جداری سطحی (Surface Casing) نصب می‌شوند. معمولا چند عدد شیر فوران گیر که اصطلاحا به آن دکل BOP یا BOP stack گفته می‌شود، در بالای چاه نصب می شود. این دکل معمولا از یک فوران گیر حلقوی (Annular BOP) در بالای آن و حداقل یک رم لوله ای (Pipe Ram) و یک رم برشی (Shear Ram) در زیر آن تشکیل شده است.

بطور کلی می توان گفت که شیرهای فوران گیر به منظور انجام موارد ذیل طراحی شده اند ؛

آب بند کردن و بستن چاه زمانیکه با طبقات زیر زمینی که حاوی سیالات با فشار بالاتر از فشار هیدرواستاتیکی اعمال شده بوسیله گل حفاری باشند، مواجه می شود.

فراهم کردن شرایط circulation، بطوریکه گل حفاری اصلاح شده و دانسیته آن مطابق با فشار طبقات تنظیم شود و سیالات طبقات که به حفره چاه وارد شده اند به بیرون منتقل شوند. این فرآیند ها تحت فشار صورت می گیرد.

فوران گیر حلقوی یا مدور (Annular BOP)

یک فوران گیر مدور دارای المان های آب بند لاستیکی می باشد که در هنگام فعال بودن، فضای مدور دور “Kelly “،لوله حفاری (drill pipe) یا طوقه های حفاری (Drill Collar) را آب بندی می کنند.
فوران گیر های مدور با استفاده از رینگی از لاستیک های مصنوعی که در هنگام عبور سیال فعال می شوند، جلوی خروج جریان را از چاه می گیرند. شکل مجموعه لاستیکی مطابق با شکل لوله داخل چاه می باشد. بیشتر فوران گیر های مدور در صورت نیاز می توانند یک چاه باز را نیز مسدود نمایند.
فوران گیرهای مدور برای فشار های کاری ۲۰۰۰، ۵۰۰۰ و ۱۰۰۰۰ psi موجود می باشند.
فوران گیرهای مدور طوری طراحی شده اند که به محض جمع شدن المان های لاستیکی روی استرینگ حفاری ، فشار چاه به بسته نگه داشتن فوران گیر کمک می کند.
اگر هیچ یک از اجزای ستون حفاری (Drill stem) در داخل چاه وجود نداشته باشد، فوران گیر مدور حفره چاه را به طور کامل می بندد.

فوران گیر

⤵شماتیک فوران گیر مدور در هنگام فعال شدن

?در تصویر زیر شماتیک یک فوران گیر مدور در هنگام فعال شدن را نشان می دهد که لوله حفاری (تصویر A) یا حفره چاه (تصویر B) را آب بندی می کند.

فوران گیر

 

⤵نمای برش خورده فوران گیر مدور

?در تصویر پایین نمای برش خورده یک فوران گیر مدور و اجزای تشکیل دهنده آن را مشاهده می کنید.

فوران گیر

 

فوران گیر رم لوله ای(Pipe Ram)

فوران گیرهای نوع رم، شیرهای فولادی بزرگ (رم ها) هستند که حاوی المان های آب بند می باشند. این نوع فوران گیر ها دارای دو المان مسدود کننده در دو طرف مقابل هم می باشند که بر اساس قطر لوله طراحی شده اند و در هنگام بسته شدن روی لوله را به طور کامل می پوشانند. از Pipe Ram ها برای آب بندی روی لوله حفاری استفاده می شود و نمی تواند یک چاه باز را آب بند نماید.

فوران گیر

فوران گیرهای Blind Ram

زمانی که هیچ لوله ای در چاه نباشد از رم تخت (Blind Ram) استفاده می شود. اگر این رم ها زمانی که استرینگ حفاری در داخل چاه است، بسته شوند، باعث می شوند که لوله حفاری تخت شود اما مانع جریان از چاه نمی شوند. ?فوران گیرهای رم برای فشارهای کاری ۲۰۰۰، ۵۰۰۰، ۱۰۰۰۰ و ۱۵۰۰۰ psi موجود می باشند.

فوران گیر

 

فوران گیرهای Blind Shear Ram

از رم های نوع تخت برشی (Blind Shear Ram) بیشتر در حفاری های دریایی استفاده می‌شود، که لوله حفاری را بطور کامل بریده و حفره چاه را آب بندی می نمایند.
در این حالت تجهیزات حفاری می توانند در مواقع اضطراری و وقوع طوفان های دریایی از محل دور شوند. در مواقع اضطراری خدمه ریگ، رم های نوع تخت برشی را می بندند که در نتیجه لوله حفاری را برش داده و حفره چاه را آب بندی می نمایند. از رم های برشی زمانی استفاده می شود که تمام رم های لوله ای و فوران گیرهای مدور از کار افتاده باشند.

فوران گیر

 

فوران گیرهای چرخشی Rotary Blow Out Preventer

علاوه بر انواع BOP های ذکر شده، از انواع دیگری از شیرهای فوران گیر، بسته به شرایط و در موقعیت های مختلف استفاده می شود که یکی از آن ها Rotary BOP ها می باشد. این نوع BOP ها این امکان را فراهم می کنند که استرینگ حفاری همراه با چرخش وارد یا خارج شود.این نوع فوران گیرها در بالای فوران گیرهای معمولی قرار داده شده و به منظور حفاری تحت فشار، زمانی که گل حفاری با دانسیته پایین مورد نیاز است (در مواقعی که افزایش دانسیته باعث افت سرکولاسیون می شود) استفاده می‌شوند. اساساً این نوع فوران گیرها بیشتر برای حفاری با هوا یا گاز به عنوان سیال حفاری استفاده می شوند.

فوران گیر

⤵شماتیک فوران گیر چرخشی

? شماتیک یک نوع BOP چرخشی و اجزای تشکیل دهنده آن را در تصویر پایین مشاهده می کنید.

فوران گیر

 

فوران گیرهای درونی Internal Blow Out Preventer

از دیگر شیرهای فوران گیر که بسته به شرایط و در موقعیت های مختلف استفاده می شود BOP های درونی می باشد. فوران گیرهای درونی شیری است که اگر چاه شروع به جریان در طول فرآیندهای stripping نماید، می تواند در استرینگ حفاری قرار داده شود. شیرهای توپی(ball valves) نیز می تواند به عنوان BOP درونی استفاده شوند. بعلاوه همچنین BOP های درونی نوع check valve) dart -type) نیز موجود می باشند.
این نوع BOP باید قبل از اینکه لوله حفاری در چاه stripped back شود در استرینگ حفاری قرار داده شود.زیرا این عمل این امکان را می دهد که گل حفاری پس از رسیدن به پایین چاه به سمت پایین استرینگ حفاری پمپاژ شود BOP های درونی در صورت نیاز با چرخاندن به درون یک استرینگ حفاری همراه با شیر یا dart در موقعیت باز نصب می‌شوند. وقتی که BOP نصب شد، شیر می تواند بسته شده یا dart آزاد شود.

فوران گیر

⤵تصویر شماتیک فوران گیر درونی از نوع dart

?در تصویر پایین شماتیک یک فوران گیر درونی از نوع check valve) dart -type) را مشاهده می کنید.

فوران گیر

تصویر شماتیک فوران گیر درونی نوع Ball Valve

?در تصویر پایین شماتیک یک فوران گیر درونی از نوع Ball Valve را مشاهده می کنید.

فوران گیر

 

تجهیزات سر چاهی

تجهیزات سر چاهی

سرچاه نفت - ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد

تجهیزات سرچاهی: به منظر کنترل و بهره برداری از چاه نسبت به موقعیت و احتیاجات پیش بینی شده وسایلی روی چاه تعبیه می گردد. بخشی از این وسایل به طر مستقیم بر روی چاه و بخش دیگر آن در کنار چاه و در اتصال با قسمت ال کار گذاشته می شود . این وسایل با توجه به نوع استفاده چاه، نحوه کامل شدن چاه ، گاز های اسیدی و فشار طراحی می شوند.

پس از حفاري و تكميل چاه به منظور كنترل آن و همچنين در جهت بهره برداري از چاه نسبت به موقعيت و احتياجات پيش بيني شده آن ، وسايلي بر روي چاه تعبيه مي گردند . قسمتي از اين وسايل مستقيماً بر روي خود چاه و بخشي از آن در مجاورت چاه و در اتصال با قسمت اول كار گذاشته مي شوند .
وسايل مذكور با توجه به مورد استفاده چاه ، نحوه تكميل آن ، فشار و وجود گازهاي اسيدي ، طراحي مي گردند.

وسایلی که در بالا ذکر شد بر روی چاه قرار می گیرد تاج چاه نام دارد که مدلهای مختلفی نیز دارد. با وجود اختلاف در بعضی از قسمتهای تاج چاههای مختلف، در خیلی از موارد هم با هم مشابه هستند و گاهی نوع وسیله استفاده شده در آن متفاوت می باشد در حالی که عمل مشابه انجام می دهد. بدین منظور به طور اختصاری وسایل مختلف موجد در تاج چاه خدمتتان ذکر می گردد.

WELLHEAD EQUIPMENT:

  • ANSON (انگلستان)
  • COOPER (CAMERON ,MCEVOY ,WKM ,CANADA WORKS )(فرانسه / سنگاپور)
  • FMC / ابزار برقی ایران (سنگاپور)
  • MSP /DRILEX ( چین)
  • VETCO –GRAY صنایع تجهیزات نفت / (سنگاپور)
  • AKER SOLUTION / پیشرو صنعت پارس پارت

 

 

وسایل موجود در تاج چاه از زمین به بالا:

  • سر لوله زیرین: این سر لوله بر روی بزرگترین جداره فلزی چاه که بیرن از زمین است نصب می باشد.
  • شیر های جانبی بر روی جدارهای مختلف چاه: بررسی ضعیت بین جداره ها از نظر نوع سیال و فشار از طریق این شیر ها انجام می گیرد.
  • شیر اصلی زیرین: این شیر معمولا از نوع دروازه ای است. مهمترین نقطه دسترسی به چاه همین شیر است که در صورت خرابی این شیر حضور دکل حفاری برای تعمییر یا تعویض الزامی است.
  • شیر اصلی فوقانی: مشخصات این شیر شبیه شیر اصلی زیرین استو محل قرار گیری آن در بالای شیر اصلی زیرین می باشد . که باز و بسته کردن چاه توسط این شیر انجام می گیرد.
  • شیر ایمنی سر چاه : محل قرار گیری این شیر بر روی شیر اصلی بالایی است. وضعیت بخصص این شیر جهت کنترل فشار چاه صورت می گیرد
  • شیر فوقانی سر چاه: مجرای ورود ابزار مختلف به چاه می باشد و روی قسمت بالایی سه راهه متصل می شود.

وسایل دیگر موجود در سر چاه که در رابطه با تولید از چاه می باشد به قرار زیر است:

  • تله سنگ : همانطور که از اسم آن پیداست این وسیله به صورت تله ای برای جلوگیری از عبور قطعات سنگ منحنی دار به کار می رود. شکل ظاهری تله سنگ به شکل لوله ای با ضخامت بیشتر از لوله های مجاور خود می باشد .
  • لوله تولید : این لوله بلافاصله بعد از شیر تولید شروع می شود که با تجه به موقعیت چاه به سمت نزدیکترین واحد بهره برداری به چاه کشیده می شود.
  • شیر روی لوله آتش: محل قرار گیری آن در انتهای تله سنگ می باشد. از این شیر برای باز و بسته کردن جریان چاه استفاده می گردد.
  • محل تعبیه کردن چوک: در کنترل مقدار دبی مورد استفاده قرار می گیرد.
  • لوله آتش: لوله آتش در حقیقت مسیر جریان چاه تا گود آتش خواهد بود.
  • محل نمونه گیری: از این محل برای نمونه گیری از سیال جاری در لوله آتش استفاده می گردد.
  • محل اندازه گیری فشار در لوله آتش: در حدود ۱۵۰ متری چاه و در امتداد لوله آتش محل اندازه گیری فشار تعبیه می گردد.
  • گودال آتش : گود یا گودال آتش در حقیقت درحقیقت محل سوزاندن سیال خروجی از چاه جهت تمیز کردن و یابرسی وضع چاه می باشد.
  • حصار چاه : در وازه ورودی حصار چاه دارای قفلهای بخصوصی می باشد که کلید های استاندارد دارد. این حصار ممکن است به صورت میله های آهنی و یا به صورت ورقه های آهنی بهم چسبیده تعبیه گردد.
error: Content is protected !!