autoreferat pracy doktorskiej pt. · 2018-06-25 · przerzucana do zbiornika głównego (9) w celu...
TRANSCRIPT
U N I W E R S Y T E T Z I E L O N O G Ó R S K I
Wydział Budownictwa, Architektury
i Inżynierii Środowiska
Autoreferat pracy doktorskiej pt.:
Wpływ warunków hydraulicznych w reaktorach barbotażowych ze złożem
ruchomym na efektywność oczyszczania ścieków
wykonanej pod kierunkiem:
Promotor:
dr hab. inż. Małgorzata Makowska
Promotor pomocniczy:
dr inż. Radosław Matz
Recenzenci:
dr hab. inż. Krzysztof Chmielewski
Uniwersytet Rolniczy im. Hugona Kołłątaja w Krakowie, Wydział Inżynierii Środowiska i
Geodezji
dr hab. Agata Rosińska prof. PCz
Politechnika Częstochowska, Wydział Infrastruktury i Środowiska
mgr inż. Sebastian Kujawiak
Poznań, 2018
Wpływ warunków hydraulicznych w reaktorach barbotażowych ze złożem ruchomym na efektywność oczyszczania ścieków
2 mgr inż. Sebastian Kujawiak - autoreferat
Spis treści
1. Wstęp .......................................................................................................... 3
2. Cel i zakres badań ..................................................................................... 4
3. Metodyka badań ........................................................................................ 5
3.1 Część I – badania na instalacji laboratoryjnej ...................................... 5
3.2 Część II – badania na instalacji terenowej ............................................ 9
3.3 Analiza statystyczna wyników badań i opracowanie modelu
matematycznego .................................................................................... 13
4. Wyniki badań i ich dyskusja .................................................................. 14
5. Podsumowanie ......................................................................................... 25
6. Wnioski .................................................................................................... 30
7. Bibliografia .............................................................................................. 31
Wpływ warunków hydraulicznych w reaktorach barbotażowych ze złożem ruchomym na efektywność oczyszczania ścieków
3 mgr inż. Sebastian Kujawiak - autoreferat
1. Wstęp
Reaktory barbotażowe, w których wykorzystywany jest przepływ cieczy i gazu zajmują
stałe miejsce w zastosowaniach przemysłowych i bioinżynierii. Prosta i niezawodna
konstrukcja reaktorów ułatwia ich modyfikowanie w celu dopasowania do wymagań danego
procesu. Z powodu szerokiego zastosowania przepływów dwufazowych w licznych aplikacjach
przemysłowych wiele dziedzin naukowych, w tym m. in. inżynieria środowiska i inżynieria
chemiczna, zajmuje się badaniem tego zjawiska. Jednym z zastosowań tego typu przepływów
są podnośniki powietrzne, które służą do transportu i podnoszenia cieczy na nieduże wysokości
Grzywacz (2012).
Wspólny przepływ wody i powietrza w rurociągach czy reaktorach, gdzie następuje
wzajemne mieszanie obu faz sprzyja napowietrzaniu cieczy. Wykorzystywane jest to między
innymi w procesie uzdatniania wody oraz w procesie oczyszczania ścieków oraz innych
rozwiązaniach z zakresu inżynierii środowiska. W biologicznym procesie oczyszczania
ścieków, dzięki dostarczeniu powietrza, zachodzi rozkład związków organicznych
i nitryfikacja Kalenik i Przybylski (2011). Dodatkowo natlenianiu ścieków towarzyszy ich
mieszanie, które odbywa się dzięki dostarczeniu do komory napowietrzania strumienia
sprężonego powietrza. W ostatnich latach popularne stało się zastosowanie złoża ruchomego
w procesie biologicznego oczyszczania ścieków i uzdatniania wody. Złoże to stanowi dobre
podłoże do rozwoju mikroorganizmów i zwiększa ilość biomasy w bioreaktorze, co
w rezultacie podnosi skuteczność oczyszczania ścieków; może mieć również wpływ na
efektywność natleniania cieczy i wykorzystanie tlenu oraz dłuższy czas kontaktu powietrza
z wodą Matsumura i in. (1997), Garrido – Ferrnandez i in. (2000), Zhou i in. (2005), Paul
i in. (2007), Jianchang i in. (2010), Borkar (2013).
Oczyszczanie i transport ścieków pochodzących z gospodarstw domowych i zakładów
przemysłowych to problem aktualny i wciąż do końca nie rozwiązany. Modernizacja
zbiorczych systemów kanalizacyjnych i zbiorczych małych oczyszczalni ścieków jest bardzo
kosztochłonna i stanowi duże obciążenie finansowe dla małych gmin. Małe ilości ścieków
w tradycyjnych systemach kanalizacji grawitacyjnej, bardzo często ulegają zagniwaniu, co
powoduje pogorszenie ich jakości. Zwiększa to koszty ich oczyszczania i niekorzystnie wpływa
na infrastrukturę kanalizacyjną. Ścieki oczyszczone w niewłaściwym stopniu stanowią bardzo
poważne zagrożenie dla jakości wód powierzchniowych jak i podziemnych oraz dla całej
zlewni.
Wpływ warunków hydraulicznych w reaktorach barbotażowych ze złożem ruchomym na efektywność oczyszczania ścieków
4 mgr inż. Sebastian Kujawiak - autoreferat
Częstym problemem podczas transportu małych ilości ścieków w systemie kanalizacji
grawitacyjnej, jest uzyskanie w kanałach naprężeń stycznych umożliwiających transport
osadów. Projektowanie odpowiednich spadków kolektorów sanitarnych, w płaskim terenie,
prowadzi do zagłębiania kolektorów i nieracjonalnego wzrostu nakładów inwestycyjnych.
Klasycznym rozwiązaniem pozwalającym zmniejszyć głębokości ułożenia kanałów są
pompownie ścieków, które jednak zwiększają koszty eksploatacyjne, wydłużają czas
przebywania ścieków w systemie przez co zagniwają. Takie niekorzystne warunki wymuszają
niekonwencjonalne rozwiązania procesów oczyszczania małych ilości ścieków, które nie
powinny albo nie mogą być pomniejszoną kopią tych stosowanych w dużych oczyszczalniach
komunalnych. Rozwiązanie podnośnika powietrznego może być zastosowane do transportu
małych ilości ścieków, przy równoczesnym natlenieniu ścieków.
W ramach niniejszej pracy doktorskiej określono wpływ warunków hydraulicznych
i wypełnienia złożem ruchomym w reaktorach barbotażowych na hydrodynamikę, efektywność
procesu napowietrzania i usuwania zanieczyszczeń. Przeanalizowano procesy podnoszenia
i transportu, napowietrzania oraz oczyszczania małych ilości ścieków, pochodzących
z kanalizacji odciążonej i miejskiej, w prototypowym bioreaktorze biologicznym. Wykonano
opis matematyczny napowietrzania reaktora, optymalizację dwukryterialną w sensie Pareto
pracy reaktora, model przepływu mieszaniny dwufazowej w podnośniku oraz analizę
statystyczną wyników badań.
2. Cel i zakres badan
Cel naukowy
Celem naukowym pracy doktorskiej była analiza warunków hydraulicznych pracy
podnośników powietrznych i reaktorów barbotażowych, warunków tlenowych w reaktorze
barbotażowym bez wypełnienia i z wypełnieniem złożem ruchomym oraz ich wpływu na
efektywność usuwania zanieczyszczeń ze ścieków.
Sformułowano trzy hipotezy badawcze:
Hipoteza I
Zainstalowanie dodatkowego króćca w podnośniku wodno - powietrznym wpływa na
cyrkulację cieczy, zdolność natleniania i stężenie tlenu w reaktorze oraz wysokość podnoszenia
cieczy.
Hipoteza II
Wypełnienie reaktora kształtkami o powierzchni właściwej 350 m2/m3 wpłynie korzystnie na
czas zatrzymania tlenu w reaktorze, a zarazem poprawi zdolność natleniania
i efektywność natleniania cieczy w reaktorze barbotażowym.
Wpływ warunków hydraulicznych w reaktorach barbotażowych ze złożem ruchomym na efektywność oczyszczania ścieków
5 mgr inż. Sebastian Kujawiak - autoreferat
Hipoteza III
Skuteczność napowietrzania i usuwania zanieczyszczeń ze ścieków zależy od warunków
hydraulicznych i tlenowych w reaktorze, wynikających z jego konstrukcji (położenie króćca
i wypełnienie złożem ruchomym).
Cel praktyczny (utylitarny)
Dla pracy doktorskiej oprócz celów i hipotez naukowych został również sformułowany cel
praktyczny którym było podczyszczenie ścieków poprzez redukcję zanieczyszczeń
organicznych i biogennych przy stężeniu tlenu rozpuszczonego min. 1 mg O2/dm3 dla
najkorzystniejszego wariantu konstrukcji reaktora.
3. Metodyka badań
Badania reaktora barbotażowego przeprowadzono w dwóch częściach: laboratoryjnej
i terenowej. Część pierwsza to badania hydrauliczne i technologiczne podnośnika
powietrznego, na modelu fizycznym w laboratorium. Część druga to badania technologiczne
reaktora wykonanego w skali półtechnicznej w terenowej stacji badawczej.
3.1 Część I – badania na instalacji laboratoryjnej
Opis stanowiska badawczego w skali labolatoryjnej
Badania hydrauliczne i technologiczne na modelu fizycznym zostały wykonane na
instalacji laboratoryjnej w Laboratorium Wodnym Katedry Inżynierii Wodnej i Sanitarnej
Uniwersytetu Przyrodniczego w Poznaniu. Na ryc.1. przedstawiono schemat ideowy
urządzenia do transportu i cyrkulacji cieczy.
Ryc.1. Schemat stanowiska pomiarowego: 1- dmuchawa powietrza, 2 – zawór regulacyjny,,
zainstalowanego 3 – zawór upustowy, 4 – rotametr, 5 – podziałka, 6 – dyfuzor, mieszacz
wodno - powietrzny, 7 – pompa wirowa, 8 – zbiornik recyrkulacji, 9 – zbiornik główny, 10 –
podnośnik z króćcem, 11 – sonda poziomu cieczy w zbiorniku
Wpływ warunków hydraulicznych w reaktorach barbotażowych ze złożem ruchomym na efektywność oczyszczania ścieków
6 mgr inż. Sebastian Kujawiak - autoreferat
Podstawowym elementem modelu fizycznego był podnośnik powietrzny zainstalowany
w zbiorniku głównym (9). Zbiornik (9) miał kształt walca o średnicy 100 cm i wysokości 150
cm. W osi zbiornika został zainstalowany podnośnik powietrzny (10) z króćcem do cyrkulacji
i napowietrzania wody. Głównym elementem podnośnika był dyfuzor, czyli mieszacz wody
z powietrzem. Ze względu na „swobodny” napływ wody do podnośnika, wlot zainstalowany
został 22 cm od dna zbiornika. Podnośnik zasilany był przez dwie dmuchawy membranowe (1)
połączone szeregowo, wyposażone w zawór upustowy (3) i zawór do regulacji natężenia
powietrza doprowadzanego do instalacji (2). Ilość doprowadzanego powietrza była mierzona
za pomocą rotametru pływakowego (4) i ustalana na wymaganym poziomie za pomocą
zaworów (2 i 3). Poziom wody w zbiorniku mierzony był za pomocą analogowej łaty
pomiarowej oraz hydrostatycznej sondy poziomu cieczy połączonej z mikrokontrolerem.
W trakcie wykonywania pomiarów woda odpływała do zbiornika do recyrkulacji (8). Po
przeprowadzeniu każdej serii pomiarowej, woda ze zbiornika (8) za pomocą pompy (7) była
przerzucana do zbiornika głównego (9) w celu jego ponownego napełnienia.
Badania przeprowadzone na modelu laboratoryjnym zakładały następujące warianty pracy
modelu (ryc.2):
średnica Dp podnośnika zastosowanego do badań 50 i 75
mm,
położenie króćca do cyrkulacji i napowietrzania H od 34
cm do 144 cm (co 10 cm),
wydajność dmuchawy Qp 0,5-5 m3/h (skok co 0,5 m3/h),
głębokość zatopienia bełkotki Hs 50 - 150 cm (skok co
10 cm),
wypełnienie reaktora złożem ruchomym W wyniosło
0%, 20%, 40% jego objętości.
Ryc.2. Schemat reaktora barbotażowego
Wpływ warunków hydraulicznych w reaktorach barbotażowych ze złożem ruchomym na efektywność oczyszczania ścieków
7 mgr inż. Sebastian Kujawiak - autoreferat
Przebieg badań laboratoryjnych
Ryc.3. Zakres badań laboratoryjnych (część I)
Badania hydrauliczne
W części pierwszej badań laboratoryjnych zaplanowano wykonanie doświadczeń, które
podzielono na trzy etapy, z czego etap 1 i 2 stanowiły badania hydrauliczne, a etap 3 badania
technologiczne . W 1 i 2 etapie badań wykonano dwie serie badawcze i jedną analizę wyników
(ryc.3):
Etap L1
Seria I - określenie wydajność podnośnika powietrznego w zależności od natężenia
doprowadzanego powietrza Qp i wysokości podnoszenia podnośnika Ht
Seria II - określenie wpływu położenia króćca do recyrkulacji i napowietrzania w reaktorze
barbotażowym na jego wydatek Qw i wysokość podnoszenia Ht
Analiza I - wybór najkorzystniejszego wariantu konstrukcji podnośnika powietrznego
metodą przeglądu zupełnego
Etap L2
Seria III - określenie wpływu wypełnienia reaktora barbotażowego złożem ruchomym na
hydraulikę pracy różnej konstrukcji podnośnika powietrznego
Część I
Badania hydrauliczne
Etap L1
Seria I
Seria II
Analiza I
Etap L2
Seria III
Seria IV
Analiza II
Badania technologiczne
H= 34 cmW=0, 20,
40%
H= 84 cmW=0, 20,
40%
Parametry opisujące proces napowietrzania
Wpływ warunków hydraulicznych w reaktorach barbotażowych ze złożem ruchomym na efektywność oczyszczania ścieków
8 mgr inż. Sebastian Kujawiak - autoreferat
Seria IV – określenie natężenia przepływu powietrza w instalacji reaktora, w zależności
od położenia króćca H i wypełnienia złożem ruchomym W
Analiza II – wyznaczenie parametrów mieszaniny dwufazowej: struktura, prędkości dla
wybranego wariantu konstrukcji
Badania technologiczne
Badania technologiczne reaktora barbotażowego (Etap L3) przeprowadzono dla położenia
króćca napowietrzającego w wersji H34 i H84, z wykorzystaniem złoża ruchomego w ilości
0, 20 i 40% objętości rektora (ryc.3).
W ramach badań technologicznych wykonano eksperymenty które pozwoliły na:
a) określenie wpływu położenia króćca H do cyrkulacji i napowietrzania na warunki
tlenowe w reaktorze,
b) określenie wpływu wypełnienia reaktora złożem W na warunki tlenowe.
Zbiornik napełniano świeżą wodą wodociągową do ustalonego poziomu (dla wariantu
konstrukcji H34 było to 84 cm; dla wariantu H84 było to 124 cm). Woda została poddana 30
minutowej aeracji w celu odpędzenia z niej chloru. Wykonano pomiar zasolenia za pomocą
solomierza następnie odtleniono wodę siarczynem sodu (według instrukcji ASCE) Na2SO3,
dawką 100g/1000 dm3 dla świeżej wody wodociągowej wymieszano przenośną pompą wirową
zatopioną w zbiorniku (7). Pomiary stężenia tlenu wykonywano na głębokościach P co 20 cm
rozpoczynając od zwierciadła wody jako poziomu „0”. Sonda pomiarowa została zainstalowana
w osi reaktora. Wykonano pomiar stężenia tlenu rozpuszczonego w wodzie w 1 minutowych
interwałach czasowych, do chwili osiągnięcia ok. 90% stężenia saturacji przy aktualnej
temperaturze wody. Dla każdej głębokości wykonano trzy powtórzenia pomiarów
z zachowaniem powyższej metodyki. Wyniki pomiarów zostały uśrednione.
Obliczeń parametrów opisujących proces napowietrzania
Na podstawie wytycznych przedstawionych przez Suschkę i in. (1979), ASCE
Standard (1992), Dziubińskiego i Prywera (2009) obliczono parametry opisujące proces
napowietrzania:
zdolność natleniania OC, g O2/m3·h,
współczynnik wnikania tlenu SOTR 20 (Standard Oxygen Transfer Rate), g O2/h,
efektywność wykorzystania tlenu SOTE (Standard Oxygen Transfer Efficiency), %,
efektywność natleniania EN (ekonomia natleniania), kg O2/kWh.
Wpływ warunków hydraulicznych w reaktorach barbotażowych ze złożem ruchomym na efektywność oczyszczania ścieków
9 mgr inż. Sebastian Kujawiak - autoreferat
3.2 Cześć II – badania na instalacji terenowej
Opis stanowiska badawczego w skali półtechnicznej
Ryc. 4. Schemat modelu terenowego. : 1– dyfuzor, mieszacz wodno - powietrzny - dmuchawa
powietrza, 2 – sonda poziomu cieczy w zbiorniku, 3 – króciec do cyrkulacji i napowietrzania,
4 – czujnik pomiaru temperatury, 5 – podnośnik z króćcem, 6 – sonda tlenowa LDO, 7 –
pokrywa reaktora, 8 – punkt poboru ścieków odpływających z reaktora, 9 – pokrywa osadnika
wtórnego, 10 – punkt poboru ścieków odpływających z osadnika wtórnego, 11-
odpowietrznik
Instalacja modelu terenowego była analogiczna do reaktora zainstalowanego
w laboratorium. Króciec (3) zamontowany był na dwóch wysokościach H = 34 i 84 cm. Ścieki
doprowadzane były do reaktora w systemie ciągłym z wydatkiem Qs = 0,7 dm3/min oraz
porcjowym (porcja raz na 1 godzinę), za pomocą pompy (ryc.4), dla H =34 cm, Qs = 24h
x 27 dm3 =660 dm3, H = 84 cm Qs = 24h x 40 dm3 = 974 dm3. Reaktor wyposażony był
w złoże ruchome, w ilości 20% jego objętości reaktora. Natężenie doprowadzanego powietrza
do reaktora było stałe i wyniosło Qp = 5,0 m3/h, system napowietrzania był stały lub
przemienny. Za pomocą sond pomiarowych (2, 4, 6) rejestrowano: stężenie tlenu, temperaturę
i poziom ścieków. Ścieki oczyszczone do analiz pobierano z miejsca oznaczonego nr (8) na
przewodzie wylotowym.
Wpływ warunków hydraulicznych w reaktorach barbotażowych ze złożem ruchomym na efektywność oczyszczania ścieków
10 mgr inż. Sebastian Kujawiak - autoreferat
Na podstawie przeprowadzonych laboratoryjnych badań hydraulicznych
i technologicznych określono parametry pracy reaktora barbotażowego w warunkach
terenowych. Badania przeprowadzone na modelu terenowym zakładały następujące warianty
pracy modelu (ryc.5):
średnica podnośnika zastosowanego do badań Dp 50 mm
położenie króćca do cyrkulacji i napowietrzania H34 i H84,
wydajność dmuchawy Qp 5 m3/h,
głębokość zatopienia króćca Hd 50 i 40 cm,
wypełnienie reaktora złożem ruchomym W20% jego
objętości.
Ryc. 5. Schemat modelu pracy reaktora
w badaniach terenowych
Przebieg badań terenowych
Ryc.6. Zakres badań terenowych (część II)
Część II
Etap T1
Napowietrzanie ciągłe
Badania technologiczne
Jakość ścieków
Napowietrzanie przemienne
Badania technologiczne
Jakość ścieków
Etap T2
H= 34 cm
Badania technologiczne
Jakość ścieków
H= 84 cm
Badania technologiczne
Jakość ścieków
Wpływ warunków hydraulicznych w reaktorach barbotażowych ze złożem ruchomym na efektywność oczyszczania ścieków
11 mgr inż. Sebastian Kujawiak - autoreferat
Badania terenowe zostały podzielone na dwa etapy pracy reaktora, etap T1 i T2. Określono
ściśle parametry konstrukcyjne reaktora barbotażowego dla każdego z etapów pracy. W obu
testowanych wariantach pracy reaktora barbotażowego T1 i T2, wypełnienie reaktora złożem
ruchomym zawsze wynosiło 20% jego objętości. Wartość ta zgodnie z danymi literaturowymi
jest minimalną graniczną wartością, stosowaną w przypadku wypełnień złożem reaktorów
złożem ruchomym.
Etap T1 badań terenowych
Reaktor barbotażowy pracował jako urządzenie do oczyszczania ścieków pochodzących
z indywidulanych gospodarstw, wstępnie podczyszczonych w osadniku gnilnym. W tym celu
wybudowano instalację terenową reaktora zlokalizowaną na stacji badawczej Katedry
Inżynierii Wodnej i Sanitarnej Uniwersytetu Przyrodniczego w Poznaniu w miejscowości
Tadeuszewo (gmina Środa Wlkp.) (ryc. 7). Reaktor był zbudowany analogicznie do instalacji
laboratoryjnej (ryc.1). Był zasilany ściekami z kanalizacji odciążonej (wstępnie
oczyszczonymi w osadnikach gnilnych), do której podłączonych jest 8 gospodarstw na terenie
wsi. Ścieki czerpane były z komory osadnika oczyszczalni typu TURBOJET EP-50, przez
specjalny pionowy filtr, umożliwiający separację zawiesin.
Ryc. 7. Stacja doświadczalna w Tadeuszewie
Parametry konstrukcyjne reaktora barbotażowego odpowiadały instalacji testowanej
w laboratorium. W etapie T1: średnica podnośnika Dp = 50 mm, położenie króćca do cyrkulacji
i napowietrzania H = 84 cm, natężenie doprowadzanego powietrza Qp = 5,0 m3/h,
napowietrzanie odbywało się w sposób ciągły i przemienny (30/30 min); ścieki dopływały do
reaktora w sposób ciągły z natężeniem równym Qs 1,0 m3/d. Hydrauliczny czas zatrzymania
ścieków w reaktorze wynosił 24 h. Ze względu na charakterystyczną nierównomierność
przepływu ścieków w lokalnej instalacji kanalizacji obciążonej, wykonano monitoring jakości
Wpływ warunków hydraulicznych w reaktorach barbotażowych ze złożem ruchomym na efektywność oczyszczania ścieków
12 mgr inż. Sebastian Kujawiak - autoreferat
ścieków dla okresu doby. Próbki ścieków surowych i oczyszczonych pobierano w interwałach
2 h, wykonując próbę średnią dobową, dodatkowo oznaczono jakość ścieków dla 3 okresów
godz. 10, 17 i 22.
Etap T2 badań terenowych
Reaktor barbotażowy pracował na ściekach z kanalizacji miejskiej po oczyszczeniu
mechanicznym, jako urządzenie do podnoszenia, transportu i oczyszczania ścieków w sieci –
w tym celu wybudowano instalację terenową modelu zlokalizowaną na terenie Lewobrzeżnej
Oczyszczalni Ścieków w Poznaniu. Reaktor zbudowany analogicznie do instalacji terenowej
T1, był zasilany ściekami dopływającymi do miejskiej oczyszczalni. Reaktor zainstalowany
został w hali krat, ścieki czerpane były z separatora piasku przez specjalny filtr i odstojnik,
umożliwiający separację piasku i zawiesin.
Parametry konstrukcyjne reaktora barbotażowego testowanego w etapie T2 odpowiadały
instalacji testowanej w pierwszym etapie T1.
Pomiary i oznaczenia w badaniach terenowych
W obu etapach badań terenowych wykonano serię pomiarów:
temperatury – pomiar temperatury zewnętrznej, ścieków doprowadzanych do reaktora
i w reaktorze, st. C,
poziomu ścieków – ciągły pomiar poziomu ścieków w reaktorze, cm,
pH – wartość pH w ściekach doprowadzanych i w reaktorze,
Redox – wartość potencjału Redox w ściekach doprowadzanych i w reaktorze, mV,
DO – wartość stężenia tlenu rozpuszczonego w reaktorze, mgO2/dm3; w systemie
ciągłego napowietrzania ścieków w reaktorze, pomiary wykonano zgodnie z ryc.8,
w dwunastu miejscach pomiarowych, na różnych głębokościach P; w czasie pracy
reaktora ze zmiennym napowietrzaniem, w zaplanowanym cyklu faz 30/30 min
niemożliwe było przeprowadzenie pomiarów w dwunastu miejscach stężeń tlenu.
Sonda tlenowa została zainstalowana w osi reaktora, na różnych głębokościach P,
jakość ścieków – dopływające i oczyszczone. Oznaczano zawartość związków
organicznych jako BZT5 i ChZT, zawartość związków azotu jako azot amonowy (N-
NH4), azot azotynowy (N-NO2) i azot azotanowy (N-NO3) oraz zawartość związków
fosforu jako fosforany (P-PO4). Dla tych celów wykorzystano spektrofotometr i testy
kuwetowe oraz system pomiarowy BZT5 OXI-TOP. Zawiesinę ogólną (ZO)
Wpływ warunków hydraulicznych w reaktorach barbotażowych ze złożem ruchomym na efektywność oczyszczania ścieków
13 mgr inż. Sebastian Kujawiak - autoreferat
i organiczną oznaczono metodą wagową bezpośrednią przy pomocy suszarki i pieca
muflowego (odpowiednio w temperaturze 105 i 550 st. C.
Ryc. 8. Miejsca pomiaru stężenia tlenu w reaktorze barbotażowym
Do oceny kondycji osadu w reaktorze wykonano 30 minutową próbę sedymentacyjną
w cylindrze o objętości 1 dm3 i obliczono indeks osadu Mohlmana. Indeks osadu wyznaczono
z wzoru (Pawlak i Błażejewski 2010).
3.3 Analiza statystyczna wyników badań i opracowanie modelu matematycznego
Optymalizacja wielokryterialna
Dla wyników badań hydraulicznych i technologicznych reaktora z króćcem na
wysokości H34 i H84 wykonano optymalizację dwukryterialną. Pierwszym kryterium X1 był
stosunek Hd/Hs, drugim X2 – stopień wypełnienia reaktora kształtkami złoża ruchomego. Układ
może być zoptymalizowany absolutnie lub być optymalny w sensie Pareto, jeżeli poprawa
jednego z kryteriów np. X1, prowadzi do pogorszenia wartości drugiego kryterium, np. X2.
(Kusiak i in. 2009).
Opracowanie modelu matematycznego
Za pomocą programu CurveExpert przeprowadzono analizę danych i dopasowano
model matematyczny opisujący zdolność natleniania (dC/dt) w czasie oraz wartość stężenia
tlenu w reaktorze w zależności od czasu napowietrzania. Równania zostały ustalone dla 6
wariantów konstrukcji reaktora H i wypełnienia złożem W. Kryterium decydującym o wyborze
danego modelu była wartość współczynnika korelacji r. Model ma postać:
�� = ��(1 − ����� �) (1)
gdzie: t - czas.
Wpływ warunków hydraulicznych w reaktorach barbotażowych ze złożem ruchomym na efektywność oczyszczania ścieków
14 mgr inż. Sebastian Kujawiak - autoreferat
Analiza statystyczna wyników badań
Na podstawie opracowanych wyników badań zdolności natleniania OC i sprawności
usuwania zanieczyszczeń przeprowadzono analizę statystyczną. Sprawdzono normalność
rozkładu danych testem Lillieforsa i Shapiro-Wilka na poziomie istotności α = 0,05.
Analizowane dane były zgodne z rozkładem normalnym. Do porównania istotności różnic
między wariantem konstrukcji H reaktora bez i z wypełnieniem złożem ruchomym W
wykorzystano jednoczynnikową analizę wariancji ANOVA.
4. Wyniki badań i ich dyskusja
Badania hydrauliczne
Na podstawie przeprowadzonych badań hydraulicznych nad podnośnikiem powietrznym
o średnicach 50 i 75 mm stwierdzono, że wydajność podnośnika istotnie zależy od wysokości
podnoszenia oraz ilości natężenia doprowadzanego powietrza. Współczynnik determinacji,
w badanym zakresie zmiennych (Ht i Qp) wynosił od 0,62 do 1; maksymalne wartości
wydajności otrzymano dla małych wysokości podnoszenia i maksymalnych natężeń
doprowadzanego powietrza. Maksymalna wydajność podnośnika Qw dla średnic Dp 50 i 75
mm wynosiła odpowiednio 4,96 i 7,86 m3/h, przy minimalnej przyjętej wysokości podnoszenia
Ht = 6 cm i natężeniu doprowadzanego powietrza Qp = 4,0 m3/h. Dla stałych warunków
geometrycznych, po przekroczeniu wydajności doprowadzanego powietrza 4,0 m3/h krzywa
załamuje się i wydajność podnośnika spada (ryc.9). Wyniki te były zgodne z badaniami
Kalenika i Przybylskiego (2011) oraz Tighzerta i in. (2013).
Ryc. 9. Wydajność podnośnika powietrznego w zależności od ilości doprowadzanego
powietrza Qp , dla Dp = 50 mm
R² = 0,9746R² = 0,9659R² = 0,9952R² = 0,9919R² = 0,9605
R² = 0,6219R² = 0,8219
R² = 1
0,0
0,51,0
1,52,0
2,53,0
3,5
4,04,5
5,05,5
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5
Qw
, m3/h
Qp , m3/h
Ht 6 cm
Ht 15 cm
Ht 25 cm
Ht 35 cm
Ht 45 cm
Ht 55 cm
Ht 65 cm
Ht 73 cm
Wpływ warunków hydraulicznych w reaktorach barbotażowych ze złożem ruchomym na efektywność oczyszczania ścieków
15 mgr inż. Sebastian Kujawiak - autoreferat
Sprawność podnośnika powietrznego nie była proporcjonalna do ilości natężenia
doprowadzanego powietrza; maksymalna sprawność nie występuje również dla maksymalnego
wydatku podnośnika. Była ona zależna od struktury przepływu dwufazowego w podnośniku.
Dla przepływu korkowego i korkowo-pianowego była najbardziej optymalna.
W badaniach hydraulicznych podnośnika powietrznego z zainstalowanym króćcem do
cyrkulacji i napowietrzania wykazano, że wydajność podnośnika istotnie zależy od wysokości
podnoszenia, ilości doprowadzanego powietrza oraz wysokości położenia króćca do
napowietrzania króćca H (Qw = f (Ht, Qp, H). Największa wydajność podnośnika powietrznego
Qw była osiągana dla najniższej wysokości położenia króćca H (dla H34 wynosiła Qw = 4,5
m3/h), najniższa dla najwyższego położenia króćca (dla H124 wynosiła Qw =0,6 m3/h).
Zjawisko to było spowodowane pojawieniem się alternatywnych „odpływów” przez otwory
króćca do cyrkulacji i napowietrzania (ryc.10.).
Ryc. 10. Zależność wydatku podnośnika powietrznego Dp = 50 mm od wysokości
podnoszenia Ht dla różnych wariantów konstrukcji H, Qp= 4,65 m3/h
W wyniku analizy badań serii I i II, zdecydowano o wyborze najkorzystniejszego wariantu
konstrukcji podnośnika powietrznego metodą przeglądu zupełnego. Po analizie parametrów
przedstawionych na ryc. 11 do dalszych badań wybrano dwie konstrukcje:
wysokość położenia króćca H34 – najniższe możliwe położenie króćca, największą
wysokość podnoszenia Ht równą 60 cm, najmniejszej objętości roboczej Vr reaktora (ok.
700 dm3), głębokości zatopienia króćca (Hd = 57 cm);
wysokość położenia króćca H84, czyli środkowe położenie króćca na odcinku tłocznym
(Hs + Ht), objętość roboczą reaktora ok. 1000 dm3, przy wysokości podnoszenia Ht = 25
cm, i zatopieniu króćca Hd = 40 cm; na podstawie przeprowadzonych obserwacji
stwierdzono, że zapewniało ono dobre mieszanie cieczy w reaktorze.
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
0 10 20 30 40 50 60
Qw
, m3/h
Ht, cm
H=34 cm
H=44 cm
H=54 cm
H=64 cm
H=74 cm
H=84 cm
H=94 cm
H=104 cm
H=114 cm
H=124 cm
Wpływ warunków hydraulicznych w reaktorach barbotażowych ze złożem ruchomym na efektywność oczyszczania ścieków
16 mgr inż. Sebastian Kujawiak - autoreferat
Ryc. 11. Zależność wydatku podnośnika powietrznego Qw od położenia króćca H, dla
ilość doprowadzanego powietrza Qp = 4,65 m3/h
Występowanie zjawiska „alternatywnych odpływów” potwierdziły szczegółowe badania
w serii 3 (ryc. 12) oraz model przepływu mieszaniny w podnośniku (ryc. 14.). Współczynnik
determinacji wzrasta na skutek zastosowania złoża ruchomego
w reaktorze. Kolejność krzywych wydatku była zgodna ze wzrostem wartości natężenia
powietrza doprowadzanego do układu.
Ryc. 12. Wydajność podnośnika powietrznego w zależności od wysokości podnoszenia Ht,
dla różnych ilości doprowadzanego powietrza Qp, dla położenia króćca H84 i wypełnienia
złożem W0
R² = 0,58
R² = 0,61
R² = 0,87
R² = 0,91
R² = 0,82
R² = 0,84
R² = 0,52
R² = 1,00
0
1
2
3
4
5
6
0 5 10 15 20 25
Qw, m
3/h
Ht, cm
Qp 4,5 m3/h
Qp 4,0 m3/h
Qp 3,5 m3/h
Qp 3,0 m3/h
Qp 2,5 m3/h
Qp 2,0 m3/h
Qp 1,5 m3/h
Qp 1,2 m3/h
Wpływ warunków hydraulicznych w reaktorach barbotażowych ze złożem ruchomym na efektywność oczyszczania ścieków
17 mgr inż. Sebastian Kujawiak - autoreferat
W serii 4 określono natężenia strumieni powietrza w instalacji podnośnika powietrznego
w reaktorze. Wartości dla tych samych wysokości położenia króćca H i różnego wypełnienia
złożem ruchomym nie różnią się istotnie, natomiast dla tego samego wypełnia złożem
ruchomym W, i dla różnego położenia króćca H różnice były znaczne. Dla H = 34 cm i W = 0,
20, 40% wielkość strumienia Qp2 odpowiedzialnego za cyrkulację i napowietrzanie
w reaktorze, wynosiła średnio 3,48 m3/h; co stanowiło 70% całkowitego wydatku powietrza Qp
doprowadzanego do reaktora. Wyniki dla wariantu H = 84 cm i W = 0, 20, 40% były znacznie
wyższe, Qp2 wyniosło średnio 4,68 m3/h; co stanowi 94% wielkości strumienia powietrza Qp
doprowadzanego do instalacji (ryc. 13).
Ryc. 13. Natężenie przepływu strumienia powietrza w reaktorze barbotażowym dla różnego
położenia króćca H i wypełnienia złożem ruchomym W
Zakres prędkości rzeczywistych cieczy w podnośniku powietrznym, na odcinku od króćca
do wylotu wynosiła: dla H = 34 cm od 0,2 m/s do 1,05 m/s; dla H = 84 cm od 0,36 m/s do 1,28
m/s. Prędkość rzeczywista cieczy vl malała wraz ze wzrostem wysokości podnoszenia Ht dla
wszystkich wariantów konstrukcji reaktora barbotażowego. Największy zakres prędkości był
osiągany dla położenia króćca H34, wpływ wypełnienia złożem ruchomym reaktora W na
prędkość rzeczywista cieczy vl był bardzo niewielki. Rzeczywista prędkość gazu była blisko
dwukrotnie większa od prędkości cieczy. Różnice udziału gazu i cieczy pomiędzy
konstrukcjami podnośnika z króćcem, a wariantem podstawowym Dp = 50 mm były
spowodowane odpływem cieczy z podnośnika, w wyniku jej cyrkulacji poprzez króciec, co
wpłynęło równierz na różnice predkości poślizgu.
1,47 1,56 1,54
0,33 0,32 0,32
3,53 3,44 3,46
4,67 4,68 4,68
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
H34 W0 H34 W20 H34 W40 H84 W0 H84 W20 H84 W40
Qp
1,Q
p2
,m
3/h
wariant
Qp2
Qp1
Wpływ warunków hydraulicznych w reaktorach barbotażowych ze złożem ruchomym na efektywność oczyszczania ścieków
18 mgr inż. Sebastian Kujawiak - autoreferat
W końcowym etapie badań hydraulicznych wykonano model teoretyczny przepływu cieczy
w podnośniku dla trzech odcinków: A-D, D-B, D-C (ryc. 14), oparty o teorie przepływu wody
w trzech zbiornikach połączonych z sobą. Na podstawie teoretycznych rozważań ustalono, że
przepływy cieczy w podnośniku powietrznym z króćcem odbywają się z punktu od A do D
i od D do C. formie trzech równań (2, 3, 4, 5):
(2)
�� − (�� + ��) = �2�2
�2
�22
2� (3)
�� − �� = �3�3
�3
�32
2� (4)
��� (���) = �� (���) ∓ �� (���) (5)
Ryc. 14. Schemat do obliczeń przepływów mieszaniny wodno - powietrznej w podnośniku
Badania technologiczne
Na podstawie przeprowadzonych badan technologicznych procesu napowietrzania
reaktorów stwierdzono wpływ wypełnienia złożem na warunki tlenowe w reaktorze
w zależność od czasu aeracji. Podnośnik z króćcem zainstalowanym na wysokości 84 cm
i wypełnieniem złożem ruchomym w 40% objętości reaktora gwarantuje największe stężenia
tlenu w czasie, w porównaniu do pozostałych wariantów (0 i 20%). Duża ilość złoża ruchomego
znacznie ograniczała jego cyrkulację w reaktorze, złoże unosiło się nieruchomo podobnie jak
złoże zawieszone. W wariancie konstrukcji H34 najlepsze wyniki w czasie uzyskiwane były
dla 20 % wypełnienia złożem ruchomym reaktora, dzięki cyrkulacji złoża w reaktorze. Wartości
stężenia tlenu dla 40 % wypełnienia i bez wypełnienia były do siebie podobne; krótszy czas
kontaktu powietrza i cieczy (przy W0), i brak złoża pogorszyły warunki tlenowe (ryc. 15).
�� − �� = ����
��
���
��
Wpływ warunków hydraulicznych w reaktorach barbotażowych ze złożem ruchomym na efektywność oczyszczania ścieków
19 mgr inż. Sebastian Kujawiak - autoreferat
Ryc. 15. Średnie stężenie tlenu rozpuszczonego w cieczy dla całej objętości reaktora: H34 i
H84; W0, W20, W40
Wartości maksymalnej zdolności natleniania OC0 dla reaktora z zainstalowanym
króćcem do napowietrzania na wysokości H34 były bardzo zbliżone niezależnie od stopnia
wypełnienia złożem ruchomym W. Największa wartość OC0 (27,9 g O2/m3h) uzyskiwano
w reaktorze bez wypełnienia złożem ruchomym, gdy króciec był zainstalowany na wysokości
H = 84 cm. Dla wypełnienia złożem ruchomym w 20 i 40 % wartości OC0 były zbliżone do
siebie (tab. 1).
Tab. 1. Maksymalna zdolność natleniania reaktora barbotażowego w zależności od położenia
króćca H i wypełnienia złożem ruchomym W
OC0
g O2/m3h
H34 W0 H34 W20 H34 W40 H84 W0 H84 W20 H84 W40
16,57 17,67 17,97 27,93 20,51 21,88
Mimo znacznej różnicy wartości strumienia masy przepływu tlenu WO2, różnice między
wartościami SOTE dla konstrukcji H34 i 84 cm były małe, w konstrukcji H34 wartość
zatopienia króćca Hd była o 10 cm większa, dzięki czemu zwiększył się czas kontaktu
powietrza z wodą o ok. 20%, przy założeniu stałej prędkości przemieszczania się pęcherzyków
powietrza. Największą wartość SOTE i SOTR stwierdzono dla konstrukcji z zamontowanym
króćcem do cyrkulacji i napowietrzania H84. W porównaniu do najczęściej spotykanych
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Tle
n r
ozp
usz
czo
ny,
mg/
dm
3
Czas, min
H34 W0
H34 W20
H34 W40
H84 W0
H84 W20
H84 W40
Wpływ warunków hydraulicznych w reaktorach barbotażowych ze złożem ruchomym na efektywność oczyszczania ścieków
20 mgr inż. Sebastian Kujawiak - autoreferat
w praktyce systemów napowietrzania sprężonym powietrzem (wgłębne, z zastosowaniem
dyfuzorów drobnopęcherzykowych), wartość SOTR i SOTE dla konstrukcji H84W0 było
dwukrotnie mniejsza (NOPON PIK300). Efektywność natleniania 0,3 kg02/kWh (H84W0) była
trzykrotnie mniejsza od spotykanych w literaturze wyników; Dziubiński i Prywer (2009)
podają EN ok. 1 kg02/kWh. Wartości te wynikają z małej powierzchni międzyfazowej
mieszaniny, w stosunku do dużej objętości reaktora oraz małego zatopienia króćca do
cyrkulacji i napowietrzania (w standardowych warunkach aeratory testuje się na głębokościach
4 m). Wyniki doświadczeń były bardzo zbliżone do tych, które otrzymał Loyless i Malone
(1998), u którego wartości parametrów opisujących proces napowietrzania dla podnośnika
powietrznego były znacznie mniejsze niż dla napowietrzania drobnopęcherzykowego
sprężonym powietrzem.
Badania terenowe
W etapie T1 badań terenowych reaktor pracował jako urządzenie do oczyszczania
ścieków pochodzących z gospodarstw indywidulanych. W systemie napowietrzania ciągłego
rozkład stężeń tlenu na tej samej głębokości w różnych miejscach był bardzo zbliżony; na
różnych głębokościach reaktora był zróżnicowany. Maksymalne wartości stężeń tlenu
uzyskiwano na poziomie zwierciadła ścieków (często ponad 6 mg/dm3 ), na poziomie dna ok.
1 mg/dm3. Średnie wartości stężenia tlenu w reaktorze w systemie napowietrzania ciągłego,
znacznie przekraczały wartości literaturowe niezbędne do redukcji związków azotu w procesie
nitryfikacji (tab.2).
Tab. 2. Stężenie tlenu rozpuszczonego w terenowym reaktorze barbotażowym w
zależności od głębokości pomiaru P
Głębokość pomiaru
P, cm
Minimum Maksimum Średnia
mg O2/dm3 mg O2/dm3 mg O2/dm3
0 3,5 9,4 6,2
20 1,7 8,8 5,8
40 2,2 7,7 5,7
60 3,1 7,4 5,6
80 1,9 7,3 5,5
100 1,3 7,2 5,0
120 1,1 5,9 2,9
Dla napowietrzania przemiennego (30/30 min) rozkład stężeń tlenu na różnych
głębokościach był analogiczny jak w systemie z ciągłym napowietrzaniem. O połowę krótszy
czas napowietrzania spowodował obniżenie wartości stężeń tlenu rozpuszczonego w reaktorze
Wpływ warunków hydraulicznych w reaktorach barbotażowych ze złożem ruchomym na efektywność oczyszczania ścieków
21 mgr inż. Sebastian Kujawiak - autoreferat
dla głębokości pomiaru P100 i P120; wartości te były tam równe zeru. Wartość potencjału
redox podczas badań wzrastała, co świadczy o utlenianiu związków organicznych w reaktorze.
System napowietrzania przemiennego dla 5 z 7 głębokości pomiaru (od P0 do P80) stwarzał
dobre warunki tlenowe dla oczyszczania ścieków.
Ryc. 16. Stężenie tlenu rozpuszczonego w terenowym reaktorze barbotażowym, w czasie
napowietrzania. Napowietrzanie przemienne: niebieski – brak napowietrzania, czerwony –
napowietrzanie; głębokość pomiaru P = 0 cm; temperatura ścieków 16,2 st. C, 29.07.15 r.
Średnie wartości wskaźników zanieczyszczeń (ChZT, BZT5, PO4) w ściekach
surowych dla etapu T1, odpowiadały wartościom dla ścieków po osadniku gnilnym. Wartości
ChZT/BZT5 i BZT5/NH4 w ściekach dopływających do reaktora, były charakterystyczne dla
substratu łatwo rozkładalnego i dużego udziału bakterii nitryfikacyjnych w ogólnej biomasie
osadu czynnego. Obciążenie osadu ładunkiem BZT5 było charakterystyczne dla reaktora nisko
obciążonego poniżej 0,1 kg BZT5/ kg s.m.d. W krótkim okresie pracy reaktora, w systemie
napowietrzania ciągłego, wskaźniki zanieczyszczeń ChZT i BZT5 dla ścieków oczyszczonych
osiągały wartości umożliwiające ich bezpośrednie odprowadzenie do wód (Rozp. Min. Środ.
z dnia 18 listopada 2014 r, RLM<2000). Stopień redukcji ChZT i BZT5 w reaktorze był wyższy
dla systemu napowietrzania ciągłego, w porównaniu do przemiennego. Niski stosunek C/N
w ściekach opływających do reaktora wpłynął na sprawność usuwania związków azotu ze
ścieków. Wysokie stężenie azotu amonowego (średnio 137 mg/dm3) i pH 7,5-8,1 spowodowało
inhibicję substratową amoniakiem. Wysokie stężenie amoniaku N-NH3 od 1,3 do 4,5 g/m3
spowodowało całkowite spowolnienie nitryfikacji. Stopień redukcji związków fosforu
w okresie badań wynosił 31 %.
W etapie T2 badań terenowych reaktor pracował na ściekach z kanalizacji po
oczyszczeniu mechanicznym, tylko w systemie napowietrzania ciągłego, przy dwóch różnych
-350
-300
-250
-200
-150
-100
-50
0
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
5,50
10
20
30
40
50
60
70
80
90
10
0
11
0
12
0
13
0
14
0
15
0
16
0
17
0
18
0
19
0
20
0
21
0
22
0
23
0
24
0
25
0
Re
do
x, m
V
Tle
n r
ozp
usz
czo
ny,
mg
O2/d
m3
Czas, min
Tlen Redox
Wpływ warunków hydraulicznych w reaktorach barbotażowych ze złożem ruchomym na efektywność oczyszczania ścieków
22 mgr inż. Sebastian Kujawiak - autoreferat
wysokościach położenia króćca. Rozkład stężenia tlenu na różnych głębokościach reaktora był
mało zróżnicowany. W wariancie pracy reaktora H34, największe stężenia wynosiło 2,99
mg/dm3 dla P = 0 cm, stężenia tlenu w reaktorze zmniejszały się wraz z wzrostem głębokości
pomiaru. W połowie głębokości reaktora (P = 40 cm) i w głębszych strefach pomiaru (P= 80
cm), wartość ta była bliska zeru. Rezultat ten wykluczył badania reaktora ze zmiennym
napowietrzaniem 30/30 min. W wariancie pracy reaktora H84 stężenia tlenu rozpuszczonego
w ściekach były znacznie niższe od wyników dla wariantu H34. Największe stężenia tlenu (0,82
mg/dm3) uzyskano na poziomie zwierciadła ścieków P0; stężenia tlenu w reaktorze zmniejszały
się wraz ze wzrostem głębokości pomiaru, do osiągnięcia deficytu tlenowego, analogicznie do
wariantu H84. Rezultat ten wykluczył badania reaktora ze zmiennym napowietrzaniem 30/30
min. W badanym okresie pracy reaktora, średnie wartości wskaźników zanieczyszczeń ścieków
doprowadzanych (ChZT, BZT5, PO4, NH4) odpowiadały wartościom dla ścieków miejskich.
Relacja pomiędzy ChZT/BZT5 ścieków surowych w badanym okresie pracy reaktora zmieniała
się w zakresie od 2,1 do 3,5 średnio 2,9. Wartości te świadczą o zawartości w ściekach
dopływających do reaktora związków organicznych trudno rozkładalnych. Relacja pomiędzy
BZT5/NH4 wynosiła od 2,2 do 3.7, średnio 2,7 wartość ta mieści się w przedziale 0,5-3,0, który
jest charakterystyczny dla dużego udziału bakterii nitryfikacyjnych w ogólnej biomasie osadu
czynnego. Obciążenie osadu ładunkiem BZT5 było charakterystyczne dla reaktora nisko
obciążonego poniżej 0,1 kg BZT5/ kg s.m.d.. Stopień redukcji ChZT w czasie pracy reaktora
w etapie T2 wynosił: 33% dla położenia króćca H34 i 3% dla położenia króćca H84. Wartości
BZT5 były analogiczne: dla wariantu H34 średni stopień redukcji BZT5 wyniósł 50%; dla
położenia króćca H84 średni stopień redukcji 13%. Duże zużycie chwilowe tlenu w ściekach
i jego niskie stężenie spowodowały bardzo małą redukcję związków azotu.
W czasie badań terenowych duży wpływ na sprawność usuwania zanieczyszczeń prze
reaktor miał skład ścieków pod względem fizyko-chemicznym. Ścieki dopływające do reaktora
zamontowanego w Tadeuszewie (etap T1), dzięki sprawnej pracy osadników gnilnych i filtra
zamontowanego przed pompą dozująco ścieki do układu, zawierały małą ilość różnych
zawiesin, co pozwalało na zachowanie jednorodnych warunków hydraulicznych reaktora.
Natomiast podczas badań terenowych na Lewobrzeżnej Oczyszczalni Ścieków, mimo
specjalnego filtra koszowego i odstojników, ilość zawiesin i koloidów które dopływały do
reaktora bardzo pogarszała jego pracę. Dochodziło do licznych awarii układu: zatykania pomp
dozujących ścieki, tworzenia się kożucha na złożu ruchomym i sklejania elementów złoża oraz
zatykania wylotów króćca do cyrkulacji i napowietrzania ścieków, które w znaczący sposób
zmieniły warunki napowietrzania i hydrauliki pracy podnośnika powietrznego.
Wpływ warunków hydraulicznych w reaktorach barbotażowych ze złożem ruchomym na efektywność oczyszczania ścieków
23 mgr inż. Sebastian Kujawiak - autoreferat
Optymalizacja dwukryterialna, model matematyczny napowietrzania reaktora i analiza
statystyczna uzyskanych wyników badań
Na podstawie wyników badań hydraulicznych i technologicznych (napowietrzania)
zapisano równania opisujące wpływ wysokości geometrycznych (X1) i wypełnienia złożem
ruchomym (X2) na warunki hydrauliczne (y1) i napowietrzania (y2). Ogólną postać równania
� = �(����) dla czterech współczynników kierunkowych a, b, c, d gdzie: a –wyrażenie
wolne, b – wpływ położenia króćca H, c – wpływ wypełnienia złożem ruchomym W, d –
interakcja, przedstawiono poniżej:
� = � + � ∙ �� + � ∙ �� + � ∙ �� ∙ �� (6)
gdzie:
X1 – stosunek głębokości zatopienia króćca Hd, do głębokości zatopienia podnośnika Hs
X1=Hd/Hs,-
X2 – stopień wypełnienia reaktora złożem ruchomym W, X2=W,-
Wyniki obliczeń y1 i y2 przedstawiono na wykresie (ryc. 17) pozwalającym ocenić
działanie reaktora barbotażowego w zależności od warunków hydraulicznych i tlenowych.
Ryc. 17. Optymalizacja dwukryterialna w zależności od wypełnienia reaktora złożem
ruchomym W przy położeniu króćców H = 34-84 cm
Na podstawie powyższego wykresu można stwierdzić, że najkorzystniejszy pod względem
optymalności w sensie Pareto jest reaktor barbotażowy z 30% wypełnieniem złożem
ruchomym.
0,40,45
0,50,55
0,60,65
0,70,75
0,80,85
0,90,95
11,05
1,11,15
1,21,25
0,45 0,47 0,49 0,51 0,53 0,55 0,57 0,59 0,61 0,63 0,65 0,67
y 1
y2
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
H84
W
Wpływ warunków hydraulicznych w reaktorach barbotażowych ze złożem ruchomym na efektywność oczyszczania ścieków
24 mgr inż. Sebastian Kujawiak - autoreferat
Na podstawie wyników badań zdolności natleniania reaktora i wartości przyrostu stężeń
tlenu w czasie wykonano model matematyczny opisujący proces napowietrzania w reaktorze
barbotażowym, w zależności od położenia
króćca do cyrkulacji i napowietrzania H
oraz wypełnienia złożem ruchomym W.
Zastosowano model matematyczny
wzrostu Growth Model z równaniami
wykładniczymi exponential association
trzeciego i drugiego stopnia, dla
wariantów konstrukcji: H34W0;
H34W20; H34W40; H84W0; H84W20;
H84W40.
Ryc. 18. Przykładowy wykres: weryfikacja modelu matematycznego opisującego zdolność
natleniania w reaktorze barbotażowym. Konstrukcja H34W0
Aby potwierdzić wiarygodność uzyskanych zależności i wynikających z nich
wniosków, przeprowadzono analizę statystyczną wyników. W analizie wyników przyjęto
poziom istotności α = 0,05 i wyliczono współczynnik korelacji. W celu potwierdzenia wpływu
położenia króćca H i wypełnienia złożem ruchomym W na warunki napowietrzania
i sprawności usuwania zanieczyszczeń, wykonano test na istotność różnic średnich za pomocą
analizy wariancji w klasyfikacji prostej.
Z analizy wariancji wynika, że wysokość króćca H przy tym samym wypełnieniu
złożem ruchomym W miała istotny wpływ na zdolność natleniania OC. Dla króćca na
wysokości H = 34 cm i dla wszystkich analizowanych wypełnień złożem ruchomym W wartości
OC nie różnią się istotnie, dla króćca na wysokości H = 84 cm nie ma różnic pomiędzy
wypełnieniem reaktora złożem ruchomym W = 0 i 20%.
Wysokość położenia króćca H miała istotny wpływ na sprawność usuwania
zanieczyszczeń organicznych wyrażonych jako BZT5 i ChZT. W etapie T1 wyniki analiz
jakości ścieków oczyszczonych dla napowietrzania ciągłego i przemiennego różnią się istotnie.
Wpływ położenia króćca H i sposobu napowietrzania na sprawność usuwania azotu
amonowego był nieistotny.
5
10
15
20
25
30
3 9 15 21 27 33 39 45 51 57 63 69 75
OC
, g O
2/m
3h
t, min
wartość modelu
wartość pomiaru
Wpływ warunków hydraulicznych w reaktorach barbotażowych ze złożem ruchomym na efektywność oczyszczania ścieków
25 mgr inż. Sebastian Kujawiak - autoreferat
5. Podsumowanie
Przedstawione wyniki badań są nowością w zakresie reaktorów barbotażowych. Autor
pracy postawił sobie za zadanie zmodyfikowanie podnośnika powietrznego i dostosowanie go
do warunków pracy, jako urządzenie (reaktor barbotażowy) do podczyszczania i transportu
ścieków: jako system oczyszczania dla jednego gospodarstwa domowego oraz jako system
pracujący w kanalizacji małośrednicowej.
Postawione przez autora zadanie badawcze wymagało przeprowadzenia szczegółowych
badań hydraulicznych podnośnika powietrznego o średnicach Dp = 50 i Dp = 75 mm. Badania
wykazały, że wydajność podnośnika istotnie zależy od wysokości podnoszenia oraz ilości
doprowadzanego powietrza Qw=.f(Ht i Qp). Wydatek podnośnika powietrznego osiągał
maksymalne wartości dla małych wysokości podnoszenia Ht i maksymalnego natężenia
doprowadzanego powietrza Qp: Qw = 4,96 m3/h dla Dp = 50 mm i 7,86 m3/h dla Dp = 75mm.
Dla stałych wysokości geometrycznych (Ht), po przekroczeniu wydajności doprowadzanego
powietrza Qp > 4,0 m3/h wydajność podnośnika spadała (ryc. 9). Wyniki te były zgodne
z badaniami Kalenika i Przybylski (2011) oraz Tighzerta i in. (2013).
W badaniach hydraulicznych podnośnika powietrznego z zainstalowanym króćcem do
cyrkulacji i napowietrzania, wykazano, że wydajność podnośnika zależy od wysokości
podnoszenia Ht, ilości natężenia doprowadzanego powietrza Qp oraz wysokości króćca H
(Qw= f(Ht, Qp, H). Największa wydajność podnośnika powietrznego Qw i wysokość
podnoszenia Ht była osiągana dla najniższej wysokości króćca H = 34 cm (Qw = 4,5 m3/h),
najniższa dla najwyższego położenia króćca H =124 cm (Qw= 0,6 m3/h). Zjawisko to jest
spowodowane pojawieniem się alternatywnych „odpływów” przez otwory króćca H do
cyrkulacji i napowietrzania. Zastosowanie złoża ruchomego w reaktorze, tamuje alternatywne
„odpływy”, wydatek podnośnika wzrastał wraz ze wzrostem wartości natężenia przepływu
powietrza doprowadzanego do układu (ryc. 10).
Natężenia przepływu powietrza Qp1 i Qp2 w instalacji podnośnika powietrznego znacznie
się różniły. Zjawisko to spowodowane było odległością króćca H od mieszacza podnośnika
i udziałem fazowym gazu αG w mieszaninie wodno - powietrznej. Wartości dla różnych
wypełnień złożem ruchomym W były zbliżone. Wyniki dla wariantu H84 i W0, 20, 40 były
znacznie wyższe, Qp2 wyniosło średnio 4,68 m3/h; stanowi to 94% strumienia powietrza Qp
doprowadzanego do konstrukcji reaktora (ryc. 13).
Zakres prędkości rzeczywistych cieczy w podnośniku powietrznym na odcinku od króćca
H do wylotu wynosi: dla H34 od 0,2 m/s do 1,05 m/s; dla H84 od 0,36 m/s do 1,28 m/s. Prędkość
Wpływ warunków hydraulicznych w reaktorach barbotażowych ze złożem ruchomym na efektywność oczyszczania ścieków
26 mgr inż. Sebastian Kujawiak - autoreferat
rzeczywista cieczy vl maleje wraz ze wzrostem wysokości podnoszenia Ht. Prędkość
rzeczywista gazu w mieszaninie dwufazowej jest blisko dwa razy większa od prędkości cieczy.
Różnice współczynnika udziału gazu i cieczy pomiędzy różnymi konstrukcjami podnośnika
z króćcem, a standardowym podnośnikiem, przy stałych proporcjach mieszaniny wynikają
z odpływu cieczy z podnośnika poprzez króciec. Cyrkulacja cieczy poprzez króciec
w podnośniku zmniejsza poślizg mieszaniny dwufazowej.
Sformułowany teoretyczny model przepływu cieczy w podnośniku powietrznym z króćcem
pozwolił ustalić kierunki przepływu cieczy w zależności od warunków hydraulicznych. Analiza
różnych warunków wykazała, że dla różnych wysokości geometrycznych przepływ cieczy
w podnośniku powietrznym odbywa się zawsze z punktu od A do D i od D do C (ryc.14).
Szczegółowe pomiary stężenia tlenu na różnych głębokościach P w reaktorze pozwoliły
określić wpływ wypełnienia złożem ruchomym W na warunki tlenowe, w zależność od czasu
aeracji. Podnośnik z króćcem do cyrkulacji i napowietrzania, zainstalowanym na wysokości
H84 cm i wypełnienie złożem ruchomym w 40% objętości reaktora zapewnia długi czas
kontaktu i największe stężenie tlenu w czasie, w porównaniu do wypełnień W= 0 i 20%. Duża
objętość złoża ruchomego znacznie ogranicza jego cyrkulację w reaktorze, złoże unosi się
podobnie jak złoże zawieszone, dlatego przestrzenny rozkład stężeń tlenu był bardzo
zróżnicowany. W konstrukcji H = 34 cm najlepsze wyniki w czasie uzyskiwane są dla 20%
wypełnienia złożem ruchomym reaktora, dzięki cyrkulacji złoża w reaktorze. Efektywność
napowietrzania dla 0 i 40% wypełnienia złożem ruchomym były bardzo zbliżone; krótki czas
kontaktu i brak cyrkulacji złoża ruchomego pogorszyły warunki tlenowe.
Wartości parametrów opisujących proces napowietrzania były zależne do warunków
tlenowych w reaktorze. Maksymalna zdolność natleniania OC0 dla reaktora z króćcem na
wysokości H = 34 cm i wypełnienia złożem ruchomym W = 0, 20 i 40% była bardzo zbliżona.
Maksymalną wartość OC0 = 27,9 g O2/m3h uzyskiwano w reaktorze bez wypełnienia złożem
ruchomym (W0), gdy króciec był zainstalowany na wysokości H84; dla pozostałych wypełnień
złożem ruchomym w 20 i 40% wartości OC0 były do siebie zbliżone (tab. 1). Analiza OC
w początkowym czasie napowietrzania wskazała na lepsze warunki tlenowe w wariancie
H84W40. Różnice pomiędzy wartościami SOTR i SOTE dla konstrukcji reaktora z króćcem
H34, niezależnie od stopnia wypełnienia złożem ruchomym W, były niewielkie. W wariancie
konstrukcji H84 średnio o 35% więcej powietrza było wykorzystywane do napowietrzania.
Różnice między obliczonymi wartościami SOTE dla konstrukcji H = 34 i 84 cm były
niewielkie. W konstrukcji H = 34 cm wartość zatopienia króćca Hd jest o 10 cm większa,
zwiększył się czas kontaktu mieszaniny powietrza z wodą o ok. 20%. Maksymalną wartość
Wpływ warunków hydraulicznych w reaktorach barbotażowych ze złożem ruchomym na efektywność oczyszczania ścieków
27 mgr inż. Sebastian Kujawiak - autoreferat
SOTR i SOTE uzyskano w reaktorze z króćcem do cyrkulacji i napowietrzania umieszczonym
w połowie wysokości reaktora (H = 84 cm) bez wypełnienia złożem ruchomym. Obliczona
efektywność natleniania 0,3 kg02/kWh dla konstrukcji H84 i W0 była trzykrotnie mniejsza od
wyników podawanych w literaturze (Dziubiński i Prywer 2009). Płytkie zatopienia króćca od
40 do 50 cm i mała powierzchnia międzyfazowa mieszaniny na wylocie z czterech części
króćca (napowietrzanie grubopęcherzykowe), w stosunku do dużej objętości reaktora nie
pozwalały osiągnąć dobrych warunków tlenowych, w porównaniu do spotykanych w praktyce
drobnopęcherzykowych systemów napowietrzania wgłębnego, o dużej powierzchni właściwej
i znacznie większym zatopieniu. Wyniki badań były bardzo zbliżone do tych, które otrzymał
Loyless i Malone (1998); wartości parametrów opisujących proces napowietrzania których dla
podnośnika powietrznego były znacznie mniejsze niż dla napowietrzania
drobnopęcherzykowego sprężonym powietrzem.
W czasie pracy reaktora podczas badań terenowych w etapie T1, w systemie napowietrzania
ciągłego, rozkład stężeń tlenu był zróżnicowany na różnych głębokościach; uzyskiwane
stężenia tlenu rozpuszczonego w ściekach były bardzo wysokie (dla P0 - 6 mg/dm3). Średnie
wartości stężenia tlenu w reaktorze, (od 4,14 do 6,0 mg/dm3 ) znacznie przekraczały wartości
literaturowe niezbędne do redukcji związków węgla i azotu w procesie nitryfikacji. Dla
napowietrzania przemiennego (30/30 min) rozkład stężeń tlenu na różnych głębokościach był
analogiczny. O połowę krótszy czas napowietrzania zmniejszył wartości stężenia tlenu
rozpuszczonego w reaktorze, dla głębokości pomiaru P100 i P120 cm wartości te były równe
zeru. Skład ścieków pod względem parametrów fizyko-chemicznych odpowiadał ściekom po
osadniku gnilnym. Obciążenie osadu ładunkiem BZT5 było charakterystyczne dla reaktora
nisko obciążonego poniżej 0,1 kg BZT5/ kg s.m.d. W krótkim okresie pracy reaktora,
w systemie napowietrzania ciągłego, wskaźniki zanieczyszczeń organicznych ChZT i BZT5
dla ścieków oczyszczonych spełniały wymagania Rozp. Min. Środ. z dnia 18 listopada 2014 r,
RLM<2000. Stopień redukcji ChZT i BZT5 w reaktorze był wyższy dla systemu
napowietrzania ciągłego, w porównaniu do napowietrzania przemiennego (tab. 3).
Tab. 3. Stopień redukcji wskaźników zanieczyszczeń w ściekach , etap T1, %
Okres pracy ChZT BZT5 PO4 NH4 Obciążenie,
g BZT5/g s.m.o
Średnia dla całego okres badań, %
49 68 31 12 0,04
Ciągle napowietrzanie, %
52 72 35 15 0,05
Napowietrzanie przemienne 30/30 min, %
41 51 18 2 0,01
Wpływ warunków hydraulicznych w reaktorach barbotażowych ze złożem ruchomym na efektywność oczyszczania ścieków
28 mgr inż. Sebastian Kujawiak - autoreferat
Niski stosunek C/N w ściekach opływających do reaktora, wpłynął na sprawność usuwania
związków azotu ze ścieków; stężenie azotu amonowego (średnio 137 mg/dm3), wysokie pH
(7,5-8,1) oraz wysokie stężenie amoniaku N-NH3 (od 1,2 do 4,8 g/m3) spowodowało inhibicję
substratową amoniakiem i spowolnienie nitryfikacji.
W etapie T2 badań terenowych reaktor pracował w systemie napowietrzania ciągłego, przy
dwóch różnych wysokościach położenia króćca. Rozkład stężenia tlenu na różnych
głębokościach reaktora był mało zróżnicowany. Chwilowe zużycie tlenu było bardzo wysokie.
Na poziomie zwierciadła ścieków (P0) uzyskiwano maksymalne wartości stężenia tlenu
w reaktorze, na kolejnych głębokościach pomiarów występował spory deficyt tlenowy.
Obciążenie osadu ładunkiem BZT5 było charakterystyczne dla reaktora nisko obciążonego
poniżej 0,1 kg BZT5/ kg s.m.d. W badanym okresie pracy reaktora, średnie wartości
wskaźników zanieczyszczeń ścieków doprowadzanych (ChZT, BZT5, PO4, NH4) odpowiadały
wartościom typowym dla ścieków miejskich. Stopień redukcji ChZT w czasie pracy reaktora
w etapie T2 wynosił: 33% dla położenia króćca H34 i 3% dla położenia króćca H84; wartości
BZT5 były analogiczne: dla wariantu H34 średni stopień redukcji BZT5 wyniósł 50%, dla
położenia króćca H84 tylko 13%. Duże zużycie chwilowe tlenu w ściekach i jego niskie
stężenie w reaktorze spowodowały bardzo małą redukcję związków azotu (tab. 4).
Tab. 4. Stopień redukcji wskaźników zanieczyszczeń w ściekach , etap T2, %
Wariant położenia króćca H w reaktorze
ChZT BZT5 PO4 NH4 Obciążenie,
g BZT5/g s.m.o
Konstrukcja H34, %
33 50 nb 9 0,03
Konstrukcja H84, % 3 13 nb 2 0,01
W czasie badań terenowych duży wpływ na sprawność usuwania zanieczyszczeń przez
reaktor miał skład ścieków. Podczas badań terenowych etapu T2, mimo specjalnego filtra
koszowego i odstojników, duża ilość zawiesin i koloidów które dopływały do reaktora bardzo
pogarszały jego pracę. Dochodziło do licznych awarii układu: zatykania pomp dozujących
ścieki, sklejania kształtek złoża ruchomego i tworzenia się kożucha na złożu ruchomym oraz
zatykania wylotów króćca do cyrkulacji i napowietrzania ścieków, które w znaczący sposób
zmieniły warunki napowietrzania i hydrauliki pracy podnośnika powietrznego.
Wpływ warunków hydraulicznych w reaktorach barbotażowych ze złożem ruchomym na efektywność oczyszczania ścieków
29 mgr inż. Sebastian Kujawiak - autoreferat
W pracy zostały potwierdzone sformułowane na początku hipotezy:
zainstalowanie dodatkowego króćca w podnośniku powietrznym wpływa na wysokość
podnoszenia cieczy, która zależy od ilości powietrza i wysokości położenia króćca Ht = f(Qp,
H). Dla natężenia doprowadzanego powietrza Qp = 4,6 m3/h (Dp 50 mm) maksymalna
wartość Ht = 73 cm, w podnośniku z króćcem: H = 34 cm Ht = 55 cm, dla
H = 84 cm Ht = 22 cm. Wartości zdolności natleniania i stężenie tlenu w reaktorze, dla tych
samych wypełnień złożem ruchomym W, różnią się od siebie (ryc. 15), wpływ tego czynnika
potwierdzono również testami statystycznymi. Dla konstrukcji
z króćcem zamontowanym na wysokości H = 84 cm (środkowe położenie króćca
w reaktorze) cyrkulacja cieczy i warunki napowietrzania są znacznie lepsze w porównaniu
do wariantu H = 34 cm. Analiza quasi statycznego modelu przepływu mieszaniny wodno –
powietrznej w podnośniku wykazała, że przez króciec zawsze następuje wypływ cieczy,
z czego wynika, że umieszczenie króćca na odcinku tłocznym podnośnika wpływa na
mieszanie zawartości reaktora (hipoteza I),
wypełnienie W reaktora kształtkami o znacznej powierzchni właściwej (350 m2/m3)
nieznacznie poprawiło warunki tlenowe dla konstrukcji H34. Wartości parametrów
technologicznych OC0, EN oraz pozostałych SOTR, SOTE nieznacznie wzrosły w stosunku
do reaktora bez złoża ruchomego. Analiza statystyczna wykazała brak istotnych różnic dla
wartości OC wariantu konstrukcji H34 i W 0, 20, 40%. Skuteczność reaktora barbotażowego
z króćcem na wysokości H = 84 cm bez złoża ruchomego była znacznie lepsza od
uzyskiwanych dla pozostałych konstrukcji z wypełnieniem złożem ruchomym (W = 20
i 40%); istotność różnicy potwierdziła analiza statystyczna. Optymalizacja dwukryterialna
w sensie Pareto potwierdziła wpływ złoża ruchomego na warunki hydrauliczne w reaktorze
i wykazała, że teoretyczne najkorzystniejsze jest wypełnienie zbiornika w 30% objętości
(hipoteza II),
skuteczność napowietrzania i usuwania zanieczyszczeń ze ścieków zależała od warunków
hydraulicznych i tlenowych w reaktorze, wynikających z położenia króćca i jakości ścieków
doprowadzanych. W etapie T1 badań dobre warunki tlenowe wpłynęły korzystnie na
sprawność usuwania zanieczyszczeń organicznych, w porównaniu do wyników badań
w etapie T2. Osiągnięta skuteczność oczyszczania ścieków zapewnia ich podczyszczanie do
poziomu który pozwala na rozsączanie w gruncie lub transport do oczyszczalni ścieków.
W szczególnie korzystnych warunkach system może zapewnić oczyszczanie ścieków
z kanalizacji małośrednicowej do poziomu pozwalającego na wprowadzenie do odbiornika
(hipoteza III).
Wpływ warunków hydraulicznych w reaktorach barbotażowych ze złożem ruchomym na efektywność oczyszczania ścieków
30 mgr inż. Sebastian Kujawiak - autoreferat
Na podstawie przeprowadzonych badań napowietrzania zaproponowano równania opisujące
warunki tlenowe: zdolność natleniania OC i wartość stężenia tlenu w czasie, dla różnych
konstrukcji reaktora barbotażowego. Dodatkowo wykonano optymalizację wielokryterialną
metodą Pareto konfiguracji reaktora barbotażowego; wynik może stanowić narzędzie dzięki
któremu operator może lepiej dostosować konstrukcje reaktora do zamierzonego efektu pracy.
Badany reaktor barbotażowy może pracować jako system do podczyszczania małych ilości
ścieków oraz może służyć do transportu ścieków w sieci kanalizacji małośrednicowej.
Konstrukcja reaktora umożliwia podniesienie niwelety kolektora maksymalnie o 60 cm.
Przedstawiony w pracy reaktor został zgłoszony jako prototyp urządzenia do Urzędu
Patentowego RP pt. „Instalacja do transportu, napowietrzania i oczyszczania ścieków,
zwłaszcza bytowych” nr P.414127 w 2015 roku. Obecnie przechodzi ocenę merytoryczną.
W listopadzie 2017 roku Urząd Patentowy przyznał patent dla systemu pt. „Instalacja
(urządzenie) do rewitalizacji stawów hodowlanych, zwłaszcza z grupy akwakultur
słodkowodnych” nr P.412360. Urządzenie wykorzystuje w analogiczny sposób jak reaktor,
układ podnośnika powietrznego z króćcem do napowietrzania i bagrowania małych zbiorników
wodnych.
6. Wnioski
Na podstawie przeprowadzonych badań i analiz stwierdzono:
1. Zaproponowany w pracy doktorskiej system reaktora barbotażowego to urządzenie
nowatorskie, które w normalnych warunkach pracy podnośnika może być zastosowane
do podczyszczania i transportu niewielkich ilości ścieków w systemach kanalizacji
odciążonej. Dodatkowo zastosowany podnośnik z poziomym króćcem
napowietrzającym pozwala uniknąć zagniwania ścieków i podwyższyć niweletę
przewodu kanalizacyjnego.
2. Położenie króćca zainstalowanego na odcinku tłocznym podnośnika powietrznego,
w większym stopniu wpływa na wydajność układu Qw, warunki napowietrzania
i skuteczność usuwania zanieczyszczeń, niż wypełnienie reaktora złożem ruchomym W.
3. Niezależnie od położenia króćca nad dnem reaktora, w granicach 34 ≤ � ≤ 84 cm,
również przy jego minimalnym zatopieniu Hd = 40 cm, przez króciec zawsze następuje
wypływ mieszaniny ciecz - gaz.
4. Poprawa warunków napowietrzania cieczy w reaktorze barbotażowym odbywa się
kosztem zmniejszenia wysokości podnoszenia Ht i natężenia przepływu
transportowanej cieczy Qw.
5. Wypełnienie reaktora złożem ruchomym poprawia warunki tlenowe przy górnym
położeniu króćca (H = 84 cm) i może wpływać korzystnie na sprawność usuwania
Wpływ warunków hydraulicznych w reaktorach barbotażowych ze złożem ruchomym na efektywność oczyszczania ścieków
31 mgr inż. Sebastian Kujawiak - autoreferat
zanieczyszczeń. Poprawę warunków natleniania umożliwia umieszczenie w reaktorze
złoża ruchomego.
6. Wysokie stężenie zawiesiny w oczyszczanych ściekach w badanym reaktorze wpływa
negatywnie na pracę urządzenia, warunki napowietrzania, i utrudnia przepływ
w podnośniku powietrznym.
7. Bibliografia
ASCE Standard (1992): Measurement of the Oxygen transfer in Clean Water. Second Edition, pp. 1-42.
Borkar R.P., Gulhane M.., Kotangale A.J (2013): Moving Bed Biofilm Reactor – A New Perspective in Wastewater Treatment. IOSR Journal Of Environmental Science. Toxicology And Food Technology, 6. p.15-21.
Dziubiński M., Prywer J. (2009): Mechanika płynów dwufazowych. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa.
Garrido – Fernandez J.M., Mendez R., Lema J.M., Lazarva V. (2000): The circulating flotating bed reactor: effect of particle size distribution of the carrier on ammonia conversion. Water Sci. Technol. 41 4-5: 393-400.
Grzywacz R. (2012): Właściwości stacjonarne bioreaktorów barbotażowych typu airlift. Seria Inżynieria i Technologia Chemiczna, monografia 410, Politechnika Krakowska, Kraków: 7-22.
Jianchang Ye, Frank M. Kulick III, and Curtis. S. McDowell (2010): Biofilm Performance of High Surface Area Density Vertical-Flow Structured Sheet Media for IFAS and Fixed Bed Biofilm Reactor (FBBR) Applications. Proceedings of the Water Environment Federation 01/2010.
Kalenik M., Przybylski P. (2011): Eksperymentalne badania hydraulicznych warunków pracy powietrznego podnośnika. GWiTS nr 6, s. 219-223.
Kusiak J., Danielewska-Turecka A., Oprocha P. (2009): Optymalizacja. Wybrane metody I przykłady zastosowań. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa.
Loyless C., Malone R.F (1998): Evaluation of air-lift pump capabilities for water delivery, aeration, and degasification for application to recirculating aquaculture systems. Aquacultural Engineering 18 p. 117–133.
Matsumura M., Yamamoto T., Wang P., Shinabe K., Yasuda K., (1997): Rapid nitrification with immobilized cell using macro-porous cellulose carrier. Water Res. 31, 5:1027-1034.
Tighzert H, Brahimi M, Kechroud N, Benabbas F (2013): Effect of submergence ratio on the liquid phase velocity, efficiency and void fraction in an air-lift pump. Journal of Petroleum Science and Engineering 110 (2013) 155–161.
Suschka J., Zieliński J., Grajcar Z. (1979): Urządzenia do natleniania ścieków. Wydawnictwo Arkady, Warszawa.
Pawlak M., Błażejewski R. (2010): Mathematical model of sedimentation and flotation in a
septic tank. Monografia: Environmental Engineering III pod red. L. Pawłowskiego i in., Taylor
Paul E., Wolff D.B., Ochoa J.C., Costa R.H.R. (2007): Recycled and virgin plastic carriers in hybrid reactors for wastewater treatment. Water Environ. Res. 79, 7: 765-774.
Zhou P., M.ASCE., He J., Qian Y (2005): Influence of hydrodynamics on the performance of a biofilm airlift suspension reactor. Journal of Environmental Engineering.