Membrane diffusori in gomma contro diffusori in ceramica

By: Tom Frankel
Post Date: Agosto 21st 2023

La fornitura di ossigeno per i processi di trattamento dell’aerazione è il più grande consumo di energia in qualsiasi impianto di trattamento delle acque reflue. In genere, secondo l’EPA, la fornitura di ossigeno per l’aerazione costituisce dal 50% al 90% del fabbisogno energetico di un impianto di trattamento delle acque reflue.

Per questo motivo, la scelta del giusto tipo di diffusori è fondamentale. Sono disponibili diverse opzioni di diffusori per i sistemi di aerazione delle acque reflue. Due opzioni popolari sono i diffusori in ceramica, che hanno una storia di utilizzo più lunga, e le relativamente nuove membrane dei diffusori in gomma. Di seguito delineeremo alcuni pro e contro dei diffusori in ceramica e delle membrane dei diffusori in gomma.

Membrane diffusori in gomma

Le membrane dei diffusori in gomma sono in uso negli impianti di trattamento delle acque reflue da circa 40 anni e la loro tecnologia è notevolmente migliorata in quel periodo. Le membrane perforate del diffusore, in particolare, sono state sviluppate negli ultimi 10 o 15 anni.

Le membrane diffusori in gomma sono disponibili in due tipi principali: diffusori a tubo e diffusori a disco. Ogni disco o tubo è perforato con dozzine di minuscoli pori.

Le membrane tubolari sono disponibili in una varietà di lunghezze, da 20 pollici a 1 metro. Le membrane del disco variano da 7 a 20 pollici di diametro. Tuttavia, con diametri maggiori, è comune una maggiore sollecitazione sul centro della membrana e sulla tenuta attorno al bordo della membrana, pertanto sono spesso consigliati diffusori a membrana a disco più piccoli.

Come funzionano le membrane del diffusore in gomma

Le membrane del diffusore in gomma si espandono quando l’aria scorre attraverso di esse. Ogni minuscola perforazione sui diffusori è un orifizio variabile che si espande per far entrare una bolla d’aria nel liquido delle acque reflue. Queste bolle d’aria salgono attraverso la colonna d’acqua e trasferiscono l’ossigeno nel liquido per favorire i processi di aerazione. Le bolle più grandi possono anche aiutare nel processo di miscelazione. Quando il flusso d’aria viene disattivato, le perforazioni si chiudono e impediscono il riflusso del liquido nel sistema di aerazione.

Diversi diffusori hanno diversi modelli di perforazione. Disc diffusers can be punched in a circular pattern all the way around, and this punching pattern allows for low headloss and high oxygen transfer efficiency, or OTE. Massimizza anche il numero di perforazioni, ma mette a dura prova la membrana. È anche comune perforare una membrana del disco in sezioni perpendicolari discrete. Sebbene questo modello di punzonatura aumenti la perdita di carico e abbassi l’OTE, mette meno stress sulla membrana.

La maggior parte delle membrane dei diffusori a disco sono perforate con perforazioni di 1 millimetro. I fori più piccoli di 1 millimetro forniscono un OTE più elevato ma aumentano anche la perdita di carico. Al contrario, fori più grandi riducono la perdita di carico ma diminuiscono l’OTE. In Europa, anche le membrane dei diffusori a tubo sono perforate con perforazioni di 1 millimetro, ma in Nord America sono generalmente perforate con perforazioni di 2 millimetri.

Materiali nelle membrane diffusori in gomma

Le membrane del diffusore in gomma sono più comunemente realizzate in gomma EPDM, sebbene i materiali della membrana del diffusore possano includere anche poliuretano o silicone.

Ci sono vari vantaggi delle membrane diffusori in silicone rispetto ai diffusori in ceramica. I pro e i contro delle membrane diffusori in silicone includono quanto segue. Le membrane in silicone offrono una resistenza chimica superiore e permeabilità all’ossigeno. Pertanto, si comportano eccezionalmente bene con grassi, grassi e oli. La composizione morbida di queste membrane, tuttavia, significa che sono molto flessibili e possono facilmente strapparsi.

I diffusori in poliuretano si comportano bene anche con grassi, grassi e oli. Questi diffusori spesso funzionano con cellulosa, carta e prodotti di scarto alimentare. Ma non si comportano bene come le membrane EPDM alle alte temperature e sono difficili da punzonare e sigillare.

Sostanze come ceneri, nerofumo, perossidi, plastificanti e additivi organici sono spesso incluse nella composizione delle membrane dei diffusori in gomma per migliorarne le prestazioni. L’aggiunta di perossido a una membrana EPDM, ad esempio, ne aumenta la tolleranza alle alte temperature, ma riduce anche la resistenza della membrana e può causarne la lacerazione. L’aggiunta di nerofumo o altri stabilizzanti UV organici fornisce protezione dai raggi UV.

Membrane diffusori in gomma stampate a iniezione vs. stampate a compressione

Le membrane diffusori in gomma possono essere stampate ad iniezione o stampate a compressione. Per creare membrane stampate a iniezione, i produttori versano la gomma fusa in uno stampo e la lasciano raffreddare. Per realizzare membrane stampate a compressione, i produttori tagliano un rotolo a forma di disco.

Le membrane stampate a iniezione contengono in genere un contenuto di plastificante più elevato, generalmente dal 30% al 35%. Le membrane stampate a compressione, invece, di solito contengono solo il 15% di plastificante. Questo contenuto inferiore di plastificante aiuta a evitare molti dei problemi associati a volumi elevati di plastificante. A volumi elevati, il plastificante spesso fuoriesce e questa perdita provoca restringimento, scorrimento, indurimento, screpolature e OTE inferiore.

Le membrane stampate a compressione offrono anche un vantaggio in termini di uniformità. Le membrane stampate a iniezione in genere raggiungono solo il 75% di uniformità del materiale, mentre le membrane stampate a compressione in genere raggiungono il 95% di uniformità. Questa composizione uniforme è importante per il corretto funzionamento della membrana.

Vantaggi delle membrane diffusori in gomma

Le membrane diffusori in gomma offrono numerosi vantaggi agli impianti di trattamento delle acque reflue.

1. Resistono alle incrostazioni. In particolare se trattate con rivestimenti protettivi come i rivestimenti PTFE e EPDM brevettati da SSI, le membrane del diffusore in gomma resistono all’accumulo di morchie indesiderate sulle loro superfici e sui loro pori.
2. Sono meno costosi da produrre e installare.
3. Sostengono minori costi operativi e di manutenzione. La loro resistenza alle incrostazioni significa che avranno bisogno di pulizia e sostituzione meno frequenti.
4. Hanno una durata di vita più lunga a causa della riduzione delle incrostazioni.
5. Possono gestire carichi elevati, un’elevata concentrazione di solidi e acque dure. Possono anche mantenere una contropressione costante e un OTE elevato anche in queste condizioni.
6. I loro orifizi variabili offrono valvole di ritegno per impedire all’acqua e ai precipitati di entrare nei tubi quando i diffusori sono spenti.
7. Possono essere disattivati. Questo perché impediscono il riflusso delle acque reflue che ne ostruirebbero i pori e la struttura interna. Per questo motivo, funzionano bene per le piante che devono accendere e spegnere regolarmente i loro diffusori, sono soggette a interruzioni di corrente o vogliono evitare che i loro diffusori si sporchino durante la nitrificazione e la denitrificazione.
8. Sono ad alta efficienza energetica. Poiché gli impianti di trattamento dei diffusori delle acque reflue possono spegnere questi diffusori quando necessario, gli impianti possono risparmiare sui costi energetici. Poiché non sporcano e aumentano la contropressione, mettono anche meno a dura prova le soffianti, portando di nuovo a una riduzione dei costi energetici.
9. They are ideal for waste where high concentrations of biosolids exist because they will not increase backpressure or reduce OTE in this situation.
10. Consentono un maggiore turndown, in modo che le piante possano ottenere una migliore efficienza quando operano a basso flusso d’aria.

Contro delle membrane del diffusore in gomma

Anche le membrane dei diffusori in gomma possono presentare diversi inconvenienti, sebbene la maggior parte di questi inconvenienti sia facile da neutralizzare.

1. Sono inclini a restringersi, strisciare e screpolarsi. Storicamente, questo era vero. Il plastificante nelle membrane del diffusore in gomma può fuoriuscire e causare l’indurimento e la rottura della membrana in gomma. I nuovi progressi tecnologici, tuttavia, come guarnizioni e rivestimenti protettivi, riducono al minimo questi problemi.
2. Quando sono nuovi, funzionano con una maggiore perdita di carico rispetto alle membrane diffusori in gomma. Questa perdita di carico può essere controllata, tuttavia, sperimentando la dimensione e la spaziatura degli orifizi.
3. Hanno una durata media di 7-10 anni, che è inferiore alla durata di un diffusore in ceramica ben mantenuto. Spesso, tuttavia, i diffusori in ceramica non vengono mantenuti a un livello tale da rendere la loro durata significativamente più lunga di quella delle membrane dei diffusori in gomma.
4. Le membrane diffusori in gomma di base non rivestite non sono ideali per l’uso con grassi, grassi e oli o con temperature superiori a 80 gradi Fahrenheit. Tuttavia, le piante possono ridurre questi problemi utilizzando membrane in gomma EPDM con rivestimento speciale come PTFE o FEPDM. Queste formule brevettate rivestono il substrato EPDM in una guaina protettiva per resistere all’accumulo di fanghi, oli e grassi indesiderati. I rivestimenti in PTFE e FEPDM aumentano la durata e l’efficacia delle membrane dei diffusori in gomma in tutti i tipi di acque reflue pesanti di un fattore da cinque a dieci. Con la loro ridotta formazione di incrostazioni e incrostazioni, i rivestimenti in PTFE sono ideali per le acque reflue industriali provenienti da impianti municipali, impianti di produzione alimentare, raffinerie di petrolio e gas e cartiere, mentre i rivestimenti in FEPDM offrono un’ulteriore resistenza chimica migliorata.
5. Quando sono nuovi, hanno un OTE inferiore rispetto alla media dei nuovi diffusori in ceramica. Tuttavia, uno studio recente ha rilevato che dopo sei mesi di funzionamento in condizioni comparabili, i nuovi diffusori in ceramica si erano sporcati al punto da avere lo stesso OTE dei nuovi diffusori a membrana. Nello studio, i diffusori a membrana non si erano sporcati affatto dopo sei mesi e non erano diminuiti in OTE.

Diffusori in ceramica

I diffusori in ceramica sono la forma più antica di diffusori porosi sul mercato. Sono stati ampiamente utilizzati nel settore del trattamento delle acque reflue per molti anni, ma ultimamente si sono scontrati con prodotti più sofisticati.

Come le membrane dei diffusori in gomma, i diffusori in ceramica hanno molti piccoli fori attraverso i quali scorre l’aria per aerare il liquido delle acque reflue. A differenza delle perforazioni nelle membrane dei diffusori in gomma, i piccoli fori nei diffusori in ceramica sono orifizi fissi, nel senso che non possono aprirsi e chiudersi.

Materiale dei diffusori in ceramica

Più comunemente, i diffusori in ceramica sono realizzati in allumina. L’allumina, o ossido di alluminio, un tipo di ceramica avanzata, è formata da bauxite e silicato vetroso. Le vecchie generazioni di diffusori in ceramica di solito contenevano biossido di silicio, un materiale non così resistente come l’allumina.

I diffusori in ceramica possono avere forme a disco, tubo, piatto e cupola, anche se le forme a disco sono le più comuni. In genere, i diffusori a disco in ceramica hanno un diametro di 9 pollici, sebbene possano variare da 7 a 20 pollici di diametro. Possono essere sottili quanto 3/4 di pollice o spessi quanto 7 1/2 pollici.

Vantaggi dei diffusori in ceramica

Alcuni dei vantaggi dei diffusori in ceramica come segue:

1. Quando sono nuove, funzionano con meno perdite di carico rispetto alle membrane diffusori in gomma.
2. Non si restringono, non strisciano o si crepa perché sono realizzati in ceramica fissa piuttosto che in gomma e plastificante.
3. Funzionano meglio con grassi, grassi e oli e con calore superiore a 80 gradi Fahrenheit
4. Quando sono nuovi, hanno un OTE leggermente superiore rispetto alla media dei nuovi diffusori a membrana in gomma. Tuttavia, una maggiore suscettibilità alle incrostazioni può annullare rapidamente questo vantaggio.
5. Dureranno più a lungo dei diffusori a membrana di gomma se sono ben mantenuti e non si sporcano. Questo è un punto accademico, tuttavia, perché la stragrande maggioranza dei diffusori in ceramica si sporca.

Contro dei diffusori in ceramica

Tuttavia, i diffusori in ceramica presentano anche diversi svantaggi.

1. Si intasano e si sporcano. I loro orifizi fissi ammettono il fango e mancano dei rivestimenti protettivi delle membrane del diffusore in gomma.
2. They incur more maintenance costs because of their increased susceptibility to fouling, which means they require more frequent cleaning.
3. Sono meno efficienti dal punto di vista energetico. I diffusori intasati e sporchi portano a una maggiore contropressione, che aumenta la domanda sui soffianti, che a sua volta porta a maggiori requisiti di potenza e costi. Anche un aumento del 10% della sollecitazione sulle soffianti può portare a costi energetici dell’impianto superiori dal 5% al 9%.
4. Sono più costosi da produrre e installare.
5. Hanno una durata di vita più breve a causa della maggiore suscettibilità alle incrostazioni.
6. Si comportano meglio in condizioni incontaminate. I diffusori ceramici danno il loro meglio in vasche di aerazione con bassi carichi, bassa concentrazione di solidi e acqua dolce. Questo ambiente ideale raramente esiste. I diffusori in ceramica fanno fatica a mantenere una contropressione costante e un OTE elevato in condizioni non ottimali.
7. Non devono essere spenti perché i loro orifizi fissi si ostruiranno in assenza di flusso d’aria. Pertanto, non sono ideali per le piante che accendono e spengono regolarmente i loro diffusori per risparmiare energia o durante la nitrificazione e la denitrificazione.
8. Non sono ideali per i rifiuti industriali dove alte concentrazioni di biosolidi aumenterebbero la contropressione e ridurrebbero l’OTE.
9. Consentono un minore turndown, quindi le piante ottengono una minore efficienza quando funzionano a basso flusso d’aria
10. Sono più costosi da pulire.

Pulizia di un sistema di diffusori in ceramica

A causa della loro suscettibilità alle incrostazioni, i diffusori in ceramica sono spesso venduti con sistemi di pulizia del gas confezionati che i sistemi a membrana del diffusore in gomma non richiedono. Anche l’acido cloridrico e la candeggina puliscono efficacemente i diffusori in ceramica. L’EPA ha rilevato che la pulizia media riporta i diffusori in ceramica solo all’80-90% delle loro prestazioni originali. Inoltre, una volta che un poro del diffusore in ceramica si ostruisce completamente, è probabile che rimanga tale nonostante le successive pulizie.

L’ultimo studio sul costo della pulizia dei diffusori in ceramica viene dall’EPA nel 1994. L’EPA ha utilizzato i dati della Southern Methodist University, che ha svolto ricerche sulla pulizia di tali diffusori. Lo studio ha rilevato che il costo per rimuovere un sistema di diffusori in ceramica e pulirlo ex situ utilizzando tubi a pressione e lavaggi con acido in genere supera i $ 3700.

La pulizia in situ di un sistema di diffusori in ceramica comporta attrezzature specializzate e costi di licenza. Lo stesso studio ha rilevato che il costo per pulire un diffusore in ceramica che elaborava 25 milioni di galloni al giorno era di $ 5000. Questa cifra è bassa: il fornitore di servizi di pulizia si trovava relativamente vicino all’impianto di trattamento, a solo un’ora di distanza. Il prezzo sarebbe stato più alto se il fornitore del servizio fosse stato più lontano.

Se un impianto che lavora 25 milioni di galloni al giorno utilizzasse 15.000 diffusori in ceramica e se quell’impianto pulisse i suoi diffusori una volta al mese, pagherebbe circa $ 76.000 in costi di pulizia annuali. Le membrane dei diffusori in gomma richiedono molta meno pulizia e comportano meno spese.

Come aggiornare un sistema di aerazione esistente

Negli ultimi anni, i produttori di diffusori a membrana hanno prodotto membrane diffusori in gomma in dimensioni standardizzate. In pratica, questa standardizzazione significa che si possono montare nuove membrane su un vecchio sistema senza difficoltà. Soprattutto con le membrane diffusori in gomma di SSI, disponibili in un’ampia varietà di dimensioni, è probabile che troverai membrane diffusori di alta qualità che si adattano alle tue esigenze.

SSI fornisce anche kit di retrofit che contengono tutte le apparecchiature necessarie per trasformare un sistema di diffusori in ceramica esistente in un sistema di diffusori a membrana. Così i gestori degli impianti possono stare tranquilli sapendo che nulla verrà trascurato. Per aggiornare il tuo sistema ceramico esistente, SSI esaminerebbe l’infrastruttura esistente utilizzando una lista di controllo approfondita. I tecnici segnalano eventuali problemi e discutono le soluzioni e collaborano con gli appaltatori e il personale per addestrarli sulle tecniche di installazione e sulle procedure di manutenzione adeguate.

Per aggiornare il vecchio sistema, i tecnici avrebbero prosciugato e pulito il serbatoio e rimosso i vecchi diffusori. Installerebbero i diffusori a membrana e le nuove tubazioni, se necessario. Inoltre, sostituirebbero o aggiornerebbero il sistema di filtraggio dell’aria secondo necessità.

Spesso i soffiatori esistenti possono funzionare con il nuovo sistema. Un impianto dovrebbe considerare l’attuale installazione delle tubazioni e pensare all’installazione di nuove tubazioni per massimizzare l’efficienza dei nuovi diffusori a membrana in gomma. A volte i nuovi tubi possono essere installati allo stesso livello dei vecchi tubi. Altre volte, possono essere installati più in alto rispetto al pavimento per compensare la maggiore perdita di carico che può accompagnare le nuove membrane diffusori in gomma.

Le città di Phoenix e Los Angeles hanno recentemente adattato i loro sistemi esistenti per sostituire i diffusori in ceramica con diffusori a membrana in gomma. Queste operazioni di successo dimostrano che il retrofit con diffusori a membrana in gomma può essere un’opzione eccellente per modernizzare un sistema di aerazione delle acque reflue.

Aggiorna il tuo sistema di aerazione con l’aerazione SSI

La rete di assistenza globale di SSI è pronta ad assistervi nell’ammodernamento del vostro sistema di aerazione esistente con membrane diffusori in gomma per prestazioni superiori. Contattaci oggi stesso.

Tom Frankel

Mr. Frankel co-founded SSI in 1995 with experience in design and distribution of engineered systems. He is in charge of sales, marketing and operations in the company. Mr. Frankel holds multiple US patents related to diffusers. He is a graduate of Washington University in St. Louis.