Badania znacznikowe charakterystyki hydrodynamicznej - Eko-DOk

reaktor cyrkulacyjny, charakterystyka hydrodynamiczna,
komora osadu czynnego, Rodamina WT, badania znacznikowe
Marta KNAP, Piotr BALBIERZ, Kamil JANIAK*
BADANIA ZNACZNIKOWE CHARAKTERYSTYKI
HYDRODYMAMICZNEJ CYRKULACYJNYCH KOMÓR
OSADU CZYNNEGO
Odpowiednia dynamika mieszania oraz transport cieczy w reaktorach osadu czynnego należą do najważniejszych czynników warunkujących skuteczną pracę bloku biologicznego. Wyznaczenie charakterystyki hydrodynamicznej komór osadu czynnego jest konieczne np. podczas budowy modelu oczyszczalni ścieków.
Jedną z metod pozwalającą na jej wyznaczenie są badania znacznikowe. W artykule przedstawiono metodykę, wyniki oraz interpretację dwóch testów znacznikowych przeprowadzonych w komorach beztlenowych ciągu I i II oczyszczalni ścieków miasta Leszna. Na podstawie wyników przeprowadzonych testów
znacznikowego wyznaczono zastępczy model hydrodynamiczny oraz stwierdzono, że hydrodynamika
przebadanych komór beztlenowych jest bardzo zbliżona do hydrodynamiki komór o pełnym wymieszaniu. Testy znacznikowe pozwolił również na oszacowanie prędkości przepływu cyrkulacyjnego.
1. WSTĘP
Badania znacznikowe są techniką eksperymentalną powszechnie stosowaną do
wyznaczania charakterystyki hydrodynamicznej reaktorów. Polegają na wprowadzeniu do dopływu do reaktora porcji znacznika o znanej masie i śledzeniu w odpływie
z reaktora przebiegu jego stężenia w czasie trwania eksperymentu. W ten sposób generowana jest krzywa przebiegu stężeń znacznika w odpływie z reaktora w czasie, która
jest podstawą do doboru optymalnego modelu hydrodynamicznego [1]. Wyznaczenie
zastępczego modelu hydrodynamicznego komór osadu czynnego jest konieczne np.
podczas budowy modelu oczyszczalni ścieków. W wielu przypadkach budżet przeznaczony na budowę takiego modelu jest zbyt mały i nie pozwala na przeprowadzenie
eksperymentów umożliwiających oszacowanie parametrów i identyfikację charakterystyki hydrodynamicznej komór. W takich sytuacjach w przypadku komór cyrkulacyj__________
* Instytut Inżynierii Ochrony Środowiska, Politechnika Wrocławska, pl. Grunwaldzki 9, Wrocław,
[email protected].
286
M. KNAP i in.
nych stosuje się modele reaktorów o pełnym wymieszaniu o parametrach wynikających z ich geometrii [2] jest to jednak tylko uproszczenie. Dokładne badania przeprowadzone przez De Clercqa i in. [3] pokazały, że w przypadku komór cyrkulacyjnych odpowiedź układu na impuls znacznika pojawia się z opóźnieniem, które można
oszacować na podstawie prędkości przepływu cyrkulacyjnego w komorze. Dodatkowo
w początkowej fazie eksperymentu notuje się silne, gasnące oscylacje stężenia znacznika w odpływie, dopiero kiedy oscylacje te zanikną odpowiedź układu jest bardzo
zbliżona do odpowiedzi idealnego reaktora o pełnym wymieszaniu.
Wykonanie testów znacznikowych w komorach osadu czynnego jest przedsięwzięciem trudnym (głównie z uwagi na specyficzne właściwości osadu czynnego oraz
bardzo duże kubatury badanych obiektów) i wymaga wyboru "odpowiedniego" znacznika [1,4]. Na przestrzeni lat do tego typu badań wykorzystywano szereg różnych
związków chemicznych. Początkowo stosowano Rodaminę B, prawdopodobnie ze
względu na stosunkowo niski koszt i łatwość wyznaczania stężenia. Jej główną wadą
jest jednak możliwość sorpcji na kłaczkach osadu czynnego. Alternatywą dla Rodaminy B miała być Rodamina WT, która charakteryzuje się mniejszą podatnością na sorpcję i/lub biodegradację niż jej poprzedniczka [5].
3. METODYKA BADAŃ
3.1. BADANIA ZNACZNIKOWE
Przeprowadzono dwa eksperymenty znacznikowe, na bliźniaczych komorach
oczyszczalni ścieków miasta Leszna (komory beztlenowe ciągu I i II - rysunek 1.).
Celem eksperymentów była ocena charakterystyki hydrodynamicznej cyrkulacyjnych
komór osadu czynnego. Jako znacznik zastosowano 20% roztwór Rodaminy WT.
Rysunek 1. Schemat komór beztlenowych czyszczalni ścieków miasta Leszna wraz z zaznaczonymi
miejscami poboru prób i wpuszczenia znacznika
Badania znacznikowe charakterystyki hydrodynamicznej cyrkulacyjnych komór osadu czynnego
287
Oba testy wykonano w analogiczny sposób. Na wadze laboratoryjnej odważono
odpowiednią masę roztworu Rodaminy WT (100g Rodaminy WT.) a następnie impulsowo wpuszczono do dopływu reaktora (miejsca oznaczone literami A' dla komory
beztlenowej ciągu I oraz D' dla komory beztlenowej ciągu II - rysunek 1.). Tuż przed
wprowadzeniem znacznika do reaktora, w każdym z punktów pomiarowych (miejsca
oznaczone literami A, B, C dla komory beztlenowej ciągu I i D, E, F dla komory beztlenowej ciągu II - rysunek 1.) pobrano próbki kontrolne (zerowe) w celu wyznaczenia
wartości tła. Następnie w ustalonych wcześniej odstępach czasu, przy użyciu próbkopobieraków , z wyznaczonych punktów pomiarowych (miejsca oznaczone literami A,
B, C dla komory beztlenowej ciągu I i D, E, F dla komory beztlenowej ciągu II - rysunek 1.) pobrano kolejne próbki. Wszystkie próbki (natychmiast po pobraniu) przesączono przez sączki średnie i wyznaczono w nich stężenia Rodaminy WT (na podstawie krzywej wzorcowej sporządzonej metodą wielokrotnych rozcieńczeń [6]). Dane
dotyczące masy znacznika, miejsc poboru próbek oraz czasów trwania eksperymentów podano w tabeli 1.
Tabela 1. Zestawienie masa znacznika, miejsc poboru próbek oraz czasów trwania eksperymentów
Nazwa komory,
ciąg
Masa znacznika,
g RWT
Czas trwania
eksperymentu, h
Komora
beztlenowa, ciąg I
100
6
Komora
beztlenowa ciąg II
100
6
Miejsca poboru prób
1.
2.
3.
1.
2.
3.
dopływ do komory (A)
odpływ z komory (B)
dopływ rec. zew. (C)
dopływ do komory (D)
odpływ z komory (E)
dopływ rec. zew. (F)
3.2. WYZNACZENIE ZASTĘPCZYCH MODELI HYDRODYNAMIKI REAKTORÓW
Zastępcze modele hydrodynamiczne komór wyznaczono metodą symulacyjną polegającą na doświadczalnym doborze parametrów opisujących model za pomocą serii
eksperymentów komputerowych przeprowadzonych w programie Simba.
Podczas wyznaczania zastępczych modeli hydrodynamicznych badanych
komór uwzględniono ubytek znacznika w czasie wynikający z jego biodegradacji i/lub sorpcji na kłaczkach osadu czynnego. Ubytek znacznika w czasie
wyznaczono eksperymentalnie. Wyników eksperymentu na biodegradację i/lub
sorpcję Rodaminy WT nie zamieszczono w niniejszym opracowaniu.
Pomiar natężenia przepływu ścieków dopływających do każdego z ciągów
części biologicznej i/lub części biologicznej nie jest wykonywany, dlatego do
opracowania wyników eksperymentów znacznikowych wykorzystano wskazania przepływomierza ścieków surowych oraz założono równy rozdział ścieków
pomiędzy oba ciągi. Założenie to mogło być poczynione gdyż skala nierów-
288
M. KNAP i in.
nomierności rozdziału strumienia ścieków mechanicznie oczyszczonych na
dwa równoległe ciągi jest niewielkim ułamkiem sumarycznego natężenie przepływu przez reaktory. W czasie trwania obu eksperymentów pompy ścieków
surowych oraz pompy recyrkulacji zewnętrznej ustawiono na stałą wydajność.
Średnie wartości natężeń przepływu (dla ciągu, w którym znajdowała się badana komora) w czasie trwania eksperymentów oraz objętości i wymiary badanych komór zestawiono w tabeli 2.
Tabela 2. Zestawienie średnich natężeń przepływu oraz objętości i wymiarów badanych komór
Nazwa komory,
ciąg
Komora beztlenowa,
ciąg I
Komora beztlenowa,
ciąg II
Objętość, m3
Długość, m
1200
38,6
1200
38,6
Szerokość, m
Natężenie przepływu ścieków
surowych (do ciągu), m3/d
Natężenie przepływu recyrkulacji
zewnętrznej, m3/d
8,0
8,0
8655
7656
17280
17280
4. WYNIKI ORAZ DYSKUSJA
4.1.WYNIKI EKSPERYMENTÓW ZNACZNIKOWECH
Wartości stężeń znacznika w odpływie z badanych komór beztlenowych, w dopływie do komór oraz w dopływie recyrkulacji zewnętrznej (recyrkulacji osadu)
przedstawiono na rysunkach 2. i 3. (odpowiednio dla komory beztlenowej ciągu I i II).
Zgodnie z przewidywaniami stężenia zanotowane w dopływie do komór są bliskie
0 (równe wartości tła) co wskazuje na brak znacznika w strumieniu ścieków mechaniczne oczyszczonych .Znacznik wpuszczono bezpośrednio do komór beztlenowych
więc jego obecność w strumieniu ścieków dopływających do komór wskazywała by
na występowanie zjawiska cofania się mieszaniny ścieków i osadu czynnego z komór
beztlenowych do komory rozdziału (miejsce poboru prób - dopływ do komór) i/lub
obecności Rodaminy WT (lub innych substancji o właściwościach fluorescencyjnych)
w ściekach dopływających do oczyszczalni (wartość tła zmienna w czasie). Stężenia
zanotowane w dopływie recyrkulacji zewnętrznej są pomijalnie małe. Przyczyną są
duże objętości i długie czasy przetrzymania komór denitryfikacji i nitryfikacji oraz
osadników wtórnych, przez które znacznik musi przepłynąć zanim trafi do strumienia
recyrkulacji osadu.
Badania znacznikowe charakterystyki hydrodynamicznej cyrkulacyjnych komór osadu czynnego
289
Stężenie µg/dm3
140
120
100
80
60
40
20
0
0
1
2
3
4
5
6
Czas, h
Odpływ, stężenie µg/dm3
Dopływ, stężenie µg/dm3
Rec. zew., stężenie µg/dm3
Rysunek 2. Wyniki eksperymentu znacznikowego - komora beztlenowa ciąg I
Rysunek 3. Wyniki eksperymentu znacznikowego - komora beztlenowa ciąg II
4.2. IDENTYFIKACJA ZASTEPCZYCH MODELI HYDRODYNAMIKI REAKTORÓW
Na podstawie wyników obu testów znacznikowych (dla komory beztlenowej ciągu
I i II) stwierdzono, że hydrodynamika komór beztlenowych oczyszczalni ścieków
miasta Leszna jest bardzo zbliżona do hydrodynamiki komór o pełnym wymieszaniu
(rysunek 4 i 5).
290
M. KNAP i in.
Rysunek 4. Hipotetyczne modele zastępcze dla komory beztlenowej wygenerowane metodą symulacyjną
wraz z wynikami eksperymentu znacznikowego dla komory beztlenowej ciągu I
160
140
Stężenie µg/dm3
120
100
80
60
40
20
0
0
1
1 komora
2
2 komory
3
4
Czas, 3h komory
5
6
Eksperyment
Rysunek 5. Hipotetyczne modele zastępcze dla komory beztlenowej wygenerowane metodą symulacyjną
wraz z wynikami eksperymentu znacznikowego dla komory beztlenowej ciągu II
Zaobserwowano zjawiska typowe dla reaktorów cyrkulacyjnych tj. opóźnienie
w odpowiedzi układu na impuls znacznika oraz oscylacje stężenia znacznika na odpływie z komory w początkowej fazie eksperymentu (lepiej widoczne dla eksperymentu w komorze beztlenowej ciągu II). Opóźnienie odpowiedzi układu na impuls
znacznika wynosiło ok. 4 min. Jest to czas zbliżony do czasu jaki cząstka płynu po-
Badania znacznikowe charakterystyki hydrodynamicznej cyrkulacyjnych komór osadu czynnego
291
trzebuje, aby pokonać drogę z dopływu do reaktora do odpływu przy założeniu typowej prędkości przepływu cyrkulacyjnego - ok. 0,3 m/s.
Dla komór beztlenowych przyjęto model hydrodynamiczny składający się z jednej
komory o pełnym wymieszaniu (rysunek 4 i 5) o objętości równej rzeczywistej objętości tych komór (1200 m3). Model ten nie uwzględnia zjawisk typowych dla reaktorów
cyrkulacyjnych (oscylacji stężenia znacznika w początkowej fazie eksperymentu oraz
opóźnienia w odpowiedzi układu na impuls znacznika) jednak w sposób zadowalający
przewiduje stężenia znacznika w kolejnych punktach pomiarowych (od ok. 15 min
eksperymentu).
5. PODSUMOWANIE
Eksperymenty znacznikowe przeprowadzone w cyrkulacyjnych komorach beztlenowych oczyszczalni ścieków miasta Leszna potwierdziły, że charakter mieszania
w komorach cyrkulacyjnych jest zbliżony do charakteru mieszania w idealnych reaktorach o pełnym wymieszaniu. Wiadomo jednak że w rzeczywistości reaktory idealne
występują niezwykle rzadko (lub w ogóle nie występują) i poza wyjątkowymi przypadkami za pomocą modelu reaktora o pełnym wymieszaniu nie da się bardzo dokładnie opisać zjawisk hydrodynamicznych zachodzących w reaktorze rzeczywistym.
Zaobserwowano zjawiska typowe dla reaktorów cyrkulacyjnych tj. opóźnienie
w odpowiedzi układu na impuls znacznika równe czasowi jaki cząstka płynu potrzebuje, aby pokonać drogę z dopływu do reaktora do odpływu przy założeniu typowej
prędkości przepływu cyrkulacyjnego (0,3 m/s) oraz silne, gasnące oscylacje stężenia
znacznika w odpływie w początkowej fazie eksperymentu. Mimo to przyjęto model
zastępczy składający się z jednego reaktora o pełnym wymieszaniu o objętości równej
rzeczywistej objętości badanej komory. Model ten nie uwzględnia zjawisk typowych
dla reaktorów cyrkulacyjnych ale w sposób zadowalający przewiduje stężenia znacznika w kolejnych punktach pomiarowych (od ok. 15 min eksperymentu - po wygaśnięciu oscylacji).
Ponadto w czasie typowej eksploatacji oczyszczalni ścieków sytuacje, kiedy
w bardzo krótkim czasie (rzędu kilku minut) dopływa jednorazowo bardzo duży ładunek zanieczyszczenia (tj. impuls znacznika w eksperymencie znacznikowym) nie występują, dlatego też przyjęte uproszczenia nie wpłyną negatywnie na walory użytkowe
modelu.
Wyznaczona podczas eksperymentów znacznikowych prędkości przepływu cyrkulacyjnego w komorach beztlenowych są zbliżone do wartości typowych (ok. 0,3 m/s),
zapewniających odpowiednie mieszanie i brak występowania zjawiska sedymentacji
kłaczków osadu czynnego na dnie komór.
292
M. KNAP i in.
Człowiek - najlepsza inwestycja
Zadanie współfinansowane ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu
Społecznego
LITERATURA
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
ILLER E.: Badania znacznikowe w inżynierii procesowej. WNT, Warszawa, 1992
AHNERT M., KUEHN V., KREBS P.: Temperature as an alternative tracer for the determination
of the mixing characteristics in wastewater treatment plants. Water Research 44, str. 1765-1776,
2010
DE CLERCQ B., COEN F., VANDERHAEGEN B., VANROLLEGHEM P.: Calibrating simple
models for mixing and flow propagation in wastewater treatment plants. Water Science and Technology 39(4), str. 61-69, 1999
METCALF & EDDY, Inc.: Wastewater Engineering: Treatment and Reuse, wyd. 4, McGraw-Hill,
New York, 2004
KÄSS W.: Tracing technique in geohydrology, A.A Balkema, Rotterdam, Brookfield, 1998
WILSON JR. J.F., COBB E.D., KILPATRICK F.A.: Fluorymetric procedures for dye tracing, [w:]
Techniques of Water-Resources Investigations of the United States Geological Survey, United
States Geological Survey,1986
HYDRODYNAMIC STUDIES OF THE CIRCULATING ACTIVATED SLUDGE REACTORS
The proper dynamics of mixing and transport of liquid sludge in the reactors are the most important
factors that determine the effective operation of biological reactors. Determination of the hydrodynamic
characteristics of activated sludge reactor is required, for example during construction the waste water
treatment plant model. Tracer tests are one of the methods used to determine the hydrodynamic model of
the reactor. This paper presents the methodology, results and interpretation of two tracer tests performed
in the anaerobic reactors in wastewater treatment plants in Leszno. Based on the results of the tracer tests
were determined hydrodynamic models and concluded that hydrodynamic studies of the anaerobic reactors is similar to the hydrodynamics of completely mixed reactor. Tracer tests also allowed to estimate the
circulation flow velocity.