Υπολογιστής ΥΚΚ - Υδραυλικός Χρόνος Κατακράτησης για Συστήματα Επεξεργασίας

Τι είναι ο υδραυλικός χρόνος παραμονής;

Ο υδραυλικός χρόνος παραμονής (HRT) είναι ο μέσος χρόνος κατά τον οποίο ένα ρευστό παραμένει μέσα σε δεξαμενή, λεκάνη ή αντιδραστήρα πριν εξέλθει. Οι μηχανικοί τον χρησιμοποιούν για τον σχεδιασμό και τον έλεγχο συστημάτων επεξεργασίας, όπως οι δεξαμενές καθίζησης λυμάτων, οι λεκάνες αερισμού και οι δεξαμενές καθίζησης πόσιμου νερού. Ο HRT ονομάζεται επίσης χρόνος κράτησης ή χρόνος παραμονής.

Μια δεξαμενή με μικρό HRT αδειάζει γρήγορα. Μια δεξαμενή με μεγάλο HRT συγκρατεί το νερό για μεγάλο χρονικό διάστημα. Οι περισσότερες διεργασίες επεξεργασίας, όπως η καθίζηση, η απολύμανση ή η βιολογική αποδόμηση των αποβλήτων, χρειάζονται έναν ελάχιστο χρόνο για να ολοκληρωθούν. Ο HRT δείχνει στον μηχανικό αν η δεξαμενή παρέχει στη διεργασία αρκετό χρόνο.

Τύπος του υδραυλικού χρόνου παραμονής

Ο HRT ισούται με τον όγκο της δεξαμενής διαιρεμένο με την παροχή μέσω αυτής.

$\text{HRT} = \frac{V}{Q}$

• HRT είναι ο υδραυλικός χρόνος παραμονής, συνήθως σε ώρες.
• V είναι ο όγκος της δεξαμενής ή του αντιδραστήρα, συνήθως σε κυβικά μέτρα (m³).
• Q είναι η παροχή μέσω της δεξαμενής, συνήθως σε κυβικά μέτρα ανά ώρα (m³/h).

Ο τύπος προϋποθέτει σταθερή παροχή και σταθερό όγκο δεξαμενής. Δίνει έναν θεωρητικό μέσο όρο. Δεν λαμβάνει υπόψη την ανομοιόμορφη ροή μέσα στη δεξαμενή, η οποία εξετάζεται παρακάτω.

Μονάδες

Αυτός ο υπολογιστής χρησιμοποιεί κυβικά μέτρα (m³) για τον όγκο, κυβικά μέτρα ανά ώρα (m³/h) για την παροχή και ώρες για το αποτέλεσμα. Στην πράξη χρησιμοποιούνται και άλλες μονάδες:

Πώς υπολογίζεται ο υδραυλικός χρόνος παραμονής

1. Βρείτε τον όγκο της δεξαμενής σε κυβικά μέτρα. Χρησιμοποιήστε τον όγκο που πραγματικά περιέχει νερό μεταξύ της εισόδου και της εξόδου, όχι τον όγκο έως το χείλος.
2. Βρείτε την παροχή μέσω της δεξαμενής σε κυβικά μέτρα ανά ώρα. Χρησιμοποιήστε τη μέση ή τη σχεδιαστική παροχή.
3. Διαιρέστε τον όγκο με την παροχή. Το αποτέλεσμα είναι ο υδραυλικός χρόνος παραμονής σε ώρες.

Και οι δύο αριθμοί πρέπει να είναι μεγαλύτεροι από το μηδέν. Μια δεξαμενή χωρίς όγκο ή ένα σύστημα χωρίς ροή δεν έχει ουσιαστικό χρόνο παραμονής.

Λυμένο παράδειγμα

Μια δεξαμενή περιέχει 100 m³ νερό. Το νερό ρέει μέσα από αυτήν με παροχή 10 m³ ανά ώρα.

$\text{HRT} = \frac{100 \text{ m}^3}{10 \text{ m}^3/\text{h}} = 10 \text{ ώρες}$

Το νερό παραμένει στη δεξαμενή κατά μέσο όρο για 10 ώρες πριν εξέλθει.

Δεύτερο παράδειγμα: μια δεξαμενή πρωτοβάθμιας καθίζησης περιέχει 200 m³ και δέχεται παροχή 100 m³/h.

$\text{HRT} = \frac{200 \text{ m}^3}{100 \text{ m}^3/\text{h}} = 2 \text{ ώρες}$

Οι δύο ώρες βρίσκονται μέσα στο εύρος από 1,5 έως 2,5 ώρες που δίνουν τα εγχειρίδια σχεδιασμού για μια δεξαμενή πρωτοβάθμιας καθίζησης.

Τυπικά εύρη HRT σε συστήματα επεξεργασίας

Τα εγχειρίδια σχεδιασμού δίνουν κατά προσέγγιση εύρη για τις συνήθεις διεργασίες. Οι πραγματικές τιμές εξαρτώνται από τα συγκεκριμένα λύματα ή την πηγή νερού, τους τοπικούς κανονισμούς και τον εξοπλισμό.

Ένας μικρός HRT μπορεί να αφήσει μια διεργασία ημιτελή, όπως στην περίπτωση στερεών που δεν έχουν καθιζήσει ή βακτηρίων που δεν έχουν αποδομήσει τα απόβλητα. Ο μεγάλος HRT δεν είναι πάντα καλύτερος. Απαιτεί μεγαλύτερη και ακριβότερη δεξαμενή και, σε ορισμένες βιολογικές διεργασίες, μπορεί να στερήσει από τους μικροοργανισμούς τη σταθερή παροχή αποβλήτων που χρειάζονται ως τροφή.

Γιατί ο πραγματικός χρόνος παραμονής διαφέρει από την υπολογισμένη τιμή

Ο τύπος HRT = V/Q δίνει έναν θεωρητικό μέσο όρο, με την υπόθεση ότι το νερό κινείται ομοιόμορφα μέσα στη δεξαμενή. Οι πραγματικές δεξαμενές σπάνια λειτουργούν με αυτόν τον τρόπο. Συνήθως δύο φαινόμενα απομακρύνουν τον πραγματικό χρόνο παραμονής από τον υπολογισμένο.

Η βραχυκύκλωση συμβαίνει όταν ένα μέρος του νερού βρίσκει άμεση διαδρομή από την είσοδο προς την έξοδο και εξέρχεται πολύ γρηγορότερα από τον μέσο όρο. Η κακή τοποθέτηση της εισόδου και της εξόδου είναι η συνηθέστερη αιτία.

Οι νεκρές ζώνες είναι γωνίες ή περιοχές μικρής ροής όπου το νερό παγιδεύεται και κινείται ελάχιστα. Το νερό αυτό συνυπολογίζεται στον όγκο της δεξαμενής, αλλά επιτελεί ελάχιστο χρήσιμο έργο.

Μαζί, αυτά τα φαινόμενα σημαίνουν ότι ο πραγματικός μέσος χρόνος παραμονής σε μια κακώς σχεδιασμένη δεξαμενή μπορεί να είναι πολύ μικρότερος από τον υπολογισμένο HRT. Οι μηχανικοί διορθώνουν αυτό το πρόβλημα με διαφράγματα που αναγκάζουν το νερό να ακολουθεί μακρύτερη διαδρομή ή μετρούν τον πραγματικό χρόνο παραμονής με μελέτη ιχνηθέτη: στην είσοδο προστίθεται ιχνηθέτης, όπως χρωστική ή άλας, και η συγκέντρωσή του μετράται στην έξοδο με την πάροδο του χρόνου, ώστε να χαρτογραφηθεί πόσο παραμένει πραγματικά το νερό.

Συχνές ερωτήσεις

Τι είναι ο υδραυλικός χρόνος παραμονής με απλά λόγια; Είναι ο μέσος χρόνος κατά τον οποίο το νερό ή τα λύματα παραμένουν μέσα σε μια δεξαμενή πριν εξέλθουν, υπολογιζόμενος ως ο όγκος της δεξαμενής διαιρεμένος με την παροχή.

Ποια είναι η διαφορά μεταξύ HRT και SRT; Ο HRT μετρά για πόσο παραμένει το υγρό σε μια δεξαμενή. Ο χρόνος παραμονής στερεών (SRT), που ονομάζεται επίσης ηλικία ιλύος, μετρά για πόσο παραμένουν στο σύστημα τα στερεά σωματίδια ή οι μικροοργανισμοί. Σε μια μονάδα ενεργού ιλύος, οι δύο χρόνοι μπορεί να διαφέρουν σημαντικά, επειδή τα στερεά συχνά ανακυκλοφορούν στη δεξαμενή, ενώ το υγρό συνεχίζει να διέρχεται από αυτήν.

Τι συμβαίνει αν ο HRT είναι πολύ μικρός; Η διεργασία που εκτελείται μέσα στη δεξαμενή μπορεί να μην ολοκληρωθεί. Σε μια δεξαμενή καθίζησης, τα στερεά μπορεί να μην προλάβουν να καθιζήσουν πριν εξέλθει το νερό. Σε μια βιολογική δεξαμενή, οι μικροοργανισμοί μπορεί να μην έχουν αρκετό χρόνο για να αποδομήσουν τα απόβλητα και τα βραδέως αναπτυσσόμενα βακτήρια μπορεί να απομακρύνονται με την εκροή ταχύτερα από όσο αναπαράγονται.

Μπορεί ο υδραυλικός χρόνος παραμονής να είναι υπερβολικά μεγάλος; Ναι. Μια δεξαμενή πολύ μεγαλύτερη από όσο χρειάζεται κοστίζει περισσότερο στην κατασκευή και, στα αεριζόμενα συστήματα, απαιτεί περισσότερη ενέργεια για τη λειτουργία της. Σε ορισμένες βιολογικές διεργασίες, ένας πολύ μεγάλος HRT μπορεί επίσης να μειώσει την απόδοση όταν οι οργανισμοί εξαντλήσουν την τροφή τους.

Η θερμοκρασία μεταβάλλει τον υδραυλικό χρόνο παραμονής; Η θερμοκρασία δεν μεταβάλλει τον υπολογισμένο HRT, καθώς αυτός εξαρτάται μόνο από τον όγκο και την παροχή. Μεταβάλλει όμως το αποτέλεσμα που επιτυγχάνεται σε δεδομένο χρόνο παραμονής, επειδή οι βιολογικές και χημικές αντιδράσεις γενικά επιβραδύνονται σε ψυχρότερο νερό.

Πώς μετράται ο πραγματικός χρόνος παραμονής σε υφιστάμενη δεξαμενή; Οι μηχανικοί πραγματοποιούν μελέτη ιχνηθέτη. Μια γνωστή ποσότητα ιχνηθέτη, όπως χρωστική ή άλας, προστίθεται στην είσοδο και η συγκέντρωσή του στην έξοδο παρακολουθείται με την πάροδο του χρόνου. Η καμπύλη που προκύπτει δείχνει την πραγματική κατανομή του χρόνου παραμονής του νερού που διέρχεται από τη δεξαμενή και μπορεί να αποκαλύψει βραχυκύκλωση ή νεκρές ζώνες που ο απλός τύπος δεν εντοπίζει.

Παραπομπές

• Metcalf & Eddy, Inc. Wastewater Engineering: Treatment and Resource Recovery, 5η έκδοση. McGraw-Hill Education, 2014.
• U.S. Environmental Protection Agency. Primer for Municipal Wastewater Treatment Systems, EPA 832-R-04-001, 2004.
• Crittenden, J. C., et al. MWH's Water Treatment: Principles and Design, 3η έκδοση. John Wiley & Sons, 2012.