エアレーションのパルス: ファインバブルシステムにおける動的湿潤圧力 (DWP) の詳細

I. はじめに: 「サイレント」効率キラーの定義

廃水処理の世界では、 ブロワールーム 多くの場合、最大のエネルギー消費者を占めます。 工場の総電力使用量の 60% 。オペレータはバクテリアを満足させるために溶存酸素 (DO) レベルの監視に多くの時間を費やしていますが、その酸素が手頃な価格で提供されているか、それとも大幅な損失を伴いながら提供されているかを判断する「静かな」指標があります。 動的湿潤圧力 (DWP)。

定義: DWP 対 スタティック ヘッド

DWP を理解するには、まず送風機で測定された全圧力と DWP を区別する必要があります。空気がブロワーから曝気タンクの底に移動するとき、次の 2 つの主な障害に直面します。

1. スタティックヘッド (): これはディフューザーの上にある水柱の物理的重量です。タンクの深さが 15 フィートの場合、ブロワーは底に到達するだけで少なくとも 6.5 psi を供給する必要があります。これは一定であり、水位のみに依存します。
2. 動的湿潤圧力 (DWP): これがディフューザー自体の「抵抗」です。これは、ゴム膜を水中に浸した状態でゴム膜を伸ばし、精密にカットされたスリットに空気を送り込むのに必要なエネルギー量です。

数学的には、この関係は次のように表されます。

(どこで P _摩擦損失 は配管自体内の抵抗です）。

(どこで is the resistance within the piping itself).

類推: 血管抵抗

エアレーション システムは人間の循環システムのようなものだと考えてください。の ブロワー 心です、 パイプ は動脈、そして ディフューザー 毛細血管です。

「毛細血管」 (ディフューザーのスリット) が狭くなったり硬くなったりすると、同じ量の酸素を含んだ「血液」 (空気) をシステム内に移動させるために、「心臓」 (送風機) がかなり激しくポンプを送り出す必要があります。これは本質的に植物にとって「高血圧」です。目標の DO レベルはまだ達成しているかもしれませんが、機器には多大なストレスがかかっており、光熱費は急増しています。

経済的影響: 目に見えない税金

DWP が固定の数値になることはほとんどありません。膜はエラストマー (EPDM やシリコンなど) でできているため、時間の経過とともに変化します。柔軟性を失ったり、ミネラルや「バイオスライム」が詰まったりすると、DWP は上昇していきます。

• 1-PSI ルール: 典型的なプラントでは、 1psi (水柱約 27 インチ) DWP では、ブロワーの消費電力が増加する可能性があります。 8%～10% .
• ライフサイクルコスト: 12 インチの DWP で始まり 40 インチで終わるディフューザーは、10 年間で自治体に数十万ドルの「無駄な」電力コストをもたらす可能性があります。この電力は、水を処理するのではなく、単にゴム膜との戦いに費やされるエネルギーです。

II.膜抵抗の物理学

ディフューザーの DWP は静的な数値ではありません。それは空気圧と流体力学に対する動的応答です。 「スリットの物理学」を理解すると、一部のディフューザーがお金を節約できる一方、他のディフューザーが予算を浪費する理由が説明されます。

1. 開口圧力: 弾性を克服する

ディフューザー膜は本質的にはハイテク逆止弁です。送風機を停止すると、水圧とエラストマー（ゴム）の自然張力によりスリットがしっかりと閉じられます。配管内へのスラッジの侵入を防ぎます。

エアレーションを開始するには、ブロワーが次の 2 つの力に打ち勝つのに十分な内圧を生成する必要があります。

• フープストレス: 伸縮に対するゴムの物理的抵抗。
• 表面張力: スリットの出口に新しい空気と水の界面（気泡）を生成するのに必要なエネルギー。

2. スリット形状と気泡の形成

膜に穴を開ける方法は、エンジニアリングの微妙なバランスによって決まります。

• スリット密度: 高品質のディスクには、レーザーカットまたは精密パンチによる微細なスリットが何千もあります。スリットが多いほど、空気がより広い範囲に分散されることを意味します。 DWPを下げる それぞれのスリットは、空気を通すためにそこまで「伸ばす」必要がないからです。
• 厚さと抵抗: 膜が厚いほど耐久性は高くなりますが、耐久性も高くなります (DWP が高くなります)。最新のデザインでは、強度を高めるために端では厚く、「たわみ」を容易にするために穴の開いた領域では薄くするなど、さまざまな厚さを使用しています。

3. オリフィス効果

空気流量が増加すると、DWP も増加します。これはとして知られています オリフィス効果 。空気流が低い場合、スリットはほとんど開きません。送風機の回転数を「上げる」と、スリットがさらに広がる必要があります。

• ディフューザーがその設計限界 (高光束) を超えると、DWP は指数関数的に急増します。
• エンジニアリングのヒント: 多くの場合、よりエネルギー効率が高くなります。 もっと見る ディフューザーはより低い気流で動作します 少ない 特にこの DWP 曲線により、ディフューザーは高気流で動作します。

Ⅲ． DWP プロファイル: ディスク ディフューザーとチューブ ディフューザー

どちらも同様の膜材料を使用していますが、その形状は圧力プロファイルに大きな影響を与えます。

なぜ形状が重要なのか

の ディスクディフューザー 一般に、DWP の安定性の「ゴールド スタンダード」とみなされます。メンブレンは周囲のみで保持されているため、ドラムヘッドのように自由に曲がります。の チューブディフューザー ただし、パイプの上に張られています。これにより、より多くの初期張力 (プリロード) が発生し、多くの場合、同じ材質のディスクと比較して開始時の DWP がわずかに高くなります。

IV. DWP エスカレーション (「クリープ」) につながる要因

完璧な世界では、DWP は一定のままになります。しかし、排水タンクという過酷な環境では、必然的にDWPが上昇し始めます。エンジニアは、この徐々に増加することを「圧力クリープ」と呼んでいます。ディフューザーがいつ限界点に達するかを予測するには、このクリープの 3 つの主な原因を理解することが不可欠です。

1. 生物的汚れ (「生物接着剤」)

廃水はバクテリアの増殖を目的とした栄養豊富なスープです。残念ながら、これらの細菌は浮遊状態に留まるだけではありません。彼らは表面に付着するのが大好きです。

• EPS生産: 細菌の分泌物 細胞外高分子物質 (EPS) —粘着性のある、甘い接着剤。このスライム層は膜を覆い、微細なスリットを満たします。
• 影響: の blower must now push not only through the rubber but also through a dense biological mat. This can double the DWP in a matter of months if the wastewater has high grease or sugar content.

2. 無機スケール（「ハードクラスト」）

これは生物学的なプロセスではなく、化学的なプロセスです。これは、「硬水」の地域、またはリン除去に塩化第二鉄などの化学薬品を使用する工場で最も一般的です。

• の Mechanism: 空気が膜を通過すると、スリット界面で局所的な変化が発生します。これにより、次のようなミネラルが発生します。 炭酸カルシウム または ストルバイト 水から沈殿し、スリットの上に硬い岩のような地殻を形成します。
• の Result: 柔らかい生物付着とは異なり、スケーリングは硬いです。これにより膜の伸びが妨げられ、DWP が大幅に上昇し、圧力によりゴムが裂けることがよくあります。

3. 材料の老化と可塑剤の損失

たとえきれいな水であっても、膜自体の化学的性質により、DWP は最終的に上昇します。

• 化学浸出: EPDM 膜には、ゴムの伸縮性を保つ「可塑剤」（オイル）が含まれています。時間の経過とともに、これらの油は廃水中に浸出します。
• クリープと硬化: 油がなくなるとゴムはもろくなり、硬くなります。これは増加として知られています ショアA硬度 。膜が硬いほど、より多くの「開口圧力」が必要になりますが、これは DWP の永久的かつ不可逆的な増加として現れます。

V. リアルタイムでの DWP の測定と監視

測定しないものは管理できません。送風機が故障し始めるまで、長年にわたり DWP は無視されました。現在、スマート プラントではプロアクティブな監視アプローチが採用されています。

の Calculation Method

水中ディフューザー内に圧力センサーを簡単に取り付けることはできないため、 「トップサイド」の計算 :

1. ゲージを読み取ります。 エアドロップパイプの圧力を測定します ( P _合計 ）。
2. 静的ヘッドを計算する: ... (1 フィートの水 = 0.433 psi または 2.98 kPa)。
3. 減算: DWP = P _合計 - P _静的 - P _{パイプ_摩擦}

の Air Flow Step Test

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

• エアフローを段階的に増やします (例: ディスクあたり 1CFM、2CFM、3CFM)。
• 各ステップで DWP を記録します。
• 健全なシステム: の curve should be a gentle slope.
• 汚れたシステム: の curve will be much steeper, showing that the diffusers are “choking” as you try to push more air.

VI. DWP 管理の戦略

DWP が上昇し始めると、オペレータは機器の損傷や予算超過を引き起こす前に圧力を「リセット」するためのツールをいくつか用意しています。これらの方法は、単純な運用変更から化学的介入まで多岐にわたります。

1.「バンピング」または圧力による屈曲

これは生物学的ファウリングに対する防御の第一線です。

• の Process: の air flow rate is briefly increased to the maximum allowable limit (the “burst” flow) for 15–30 minutes.
• の Result: の membrane stretches beyond its normal operating diameter. This mechanical expansion “cracks” the brittle bio-slime or thin mineral crust, allowing the air to blow the debris off the surface.
• 頻度: 多くの工場では、DWP が足がかりを築くのを防ぐために、これを週に 1 回、場合によっては 1 日に 1 回実行するように自動化しています。

2. 現場酸洗浄 (液体または気体)

ミネラルスケール（カルシウムまたは鉄）が原因の場合、「衝突」だけでは十分ではありません。地殻を溶かす必要があります。

• 液体注入: 弱酸 (酢酸、クエン酸、ギ酸など) がエア ヘッダー パイプに直接注入されます。空気は酸をディフューザーに運び、そこで酸は細孔内に留まり、スケールを溶解します。
• ガス注入 (ギ酸): 一部のハイエンド システムでは、無水ギ酸蒸気を使用します。これは小さなスリットを貫通するのに非常に効果的ですが、特殊な安全装置が必要です。
• の Benefit: これはタンクを空にすることなく実行できるため、何千人もの労働力とダウンタイムが節約されます。

3.手動高圧洗浄

他のメンテナンスのためにタンクの水を抜く場合は、手動での洗浄が最も一般的です。

• 注意: 高圧ノズルをメンブレンに近づけすぎないでください (少なくとも 12 インチ離してください)。圧力が強すぎると、EPDM やドライブの砂が切れる可能性があります に スリットにより、DWP が永続的に増加します。

VII.数学的付録: エネルギーと圧力の関係

ディフューザーの清掃または交換のコストを正当化するには、エンジニアは翻訳する必要があります DWP (水柱インチ) に お金 (キロワット) .

の Power Calculation

の power required by a blower is directly proportional to the total discharge pressure. A simplified formula for the change in power (P) relative to a change in pressure ( Δp ) は次のとおりです。

シナリオ:

• プラントのシステム総圧力は次のとおりです。 10 psi .
• 汚れにより、DWP は増加します。 1 psi (水深約27インチ)。
• この 1 psi の増加は、 エネルギー消費量が 10% 増加 同じ体積の空気に対して。

工場が曝気電力に年間 20 万ドルを費やしている場合、その 1 psi の「クリープ」によってコストがかかっていることになります。 年間20,000ドル 無駄な力で。

著者: Michael Knudson Stenstrom - ResearchGate

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

結論: プロアクティブな道

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