Autoreferat pracy doktorskiej pt.:

Transkrypt

1 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 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

2 Spis treści Wpływ warunków hydraulicznych w reaktorach barbotażowych ze złożem ruchomym 1. Wstęp Cel i zakres badań Metodyka badań Część I badania na instalacji laboratoryjnej Część II badania na instalacji terenowej Analiza statystyczna wyników badań i opracowanie modelu matematycznego Wyniki badań i ich dyskusja Podsumowanie Wnioski Bibliografia

3 1. Wstęp Wpływ warunków hydraulicznych w reaktorach barbotażowych ze złożem ruchomym 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. 3

4 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. Hipoteza I Sformułowano trzy hipotezy badawcze: 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 m 2 /m 3 wpłynie korzystnie na czas zatrzymania tlenu w reaktorze, a zarazem poprawi zdolność natleniania i efektywność natleniania cieczy w reaktorze barbotażowym. 4

5 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/dm 3 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 5

6 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 m 3 /h (skok co 0,5 m 3 /h), głębokość zatopienia bełkotki Hs cm (skok co 10 cm), wypełnienie reaktora złożem ruchomym W wyniosło 0%, 20%, 40% jego objętości. Ryc.2. Schemat reaktora barbotażowego 6

7 Przebieg badań laboratoryjnych Seria I Etap L1 Seria II Badania hydrauliczne Analiza I Seria III Etap L2 Seria IV Część I Analiza II Badania technologiczne H= 34 cm H= 84 cm Parametry opisujące proces napowietrzania W=0, 20, 40% W=0, 20, 40% 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 7

8 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 dm 3 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/m 3 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. 8

9 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 dm 3 /min oraz porcjowym (porcja raz na 1 godzinę), za pomocą pompy (ryc.4), dla H =34 cm, Qs = 24h x 27 dm 3 =660 dm 3, H = 84 cm Qs = 24h x 40 dm 3 = 974 dm 3. Reaktor wyposażony był w złoże ruchome, w ilości 20% jego objętości reaktora. Natężenie doprowadzanego powietrza do reaktora było stałe i wyniosło Qp = 5,0 m 3 /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. 9

10 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, objętości. wydajność dmuchawy Qp 5 m 3 /h, głębokość zatopienia króćca Hd 50 i 40 cm, wypełnienie reaktora złożem ruchomym W20% jego Przebieg badań terenowych Ryc. 5. Schemat modelu pracy reaktora w badaniach terenowych Część II Etap T1 Etap T2 Napowietrzanie ciągłe Napowietrzanie przemienne H= 34 cm H= 84 cm Badania technologiczne Jakość ścieków Badania technologiczne Jakość ścieków Badania technologiczne Jakość ścieków Badania technologiczne Jakość ścieków Ryc.6. Zakres badań terenowych (część II) 10

11 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 m 3 /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 m 3 /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 11

12 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/dm 3 ; 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) 12

13 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 dm 3 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: gdzie: t - czas. = (1 ) (1) 13

14 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 m 3 /h, przy minimalnej przyjętej wysokości podnoszenia Ht = 6 cm i natężeniu doprowadzanego powietrza Qp = 4,0 m 3 /h. Dla stałych warunków geometrycznych, po przekroczeniu wydajności doprowadzanego powietrza 4,0 m 3 /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). Q w, m 3 /h 5,5 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 Q p, m 3 /h Ht 6 cm R² = 0,9746 Ht 15 cm R² = 0,9659 Ht 25 cm R² = 0,9952 Ht 35 cm R² = 0,9919 R² = 0,9605 Ht 45 cm R² = 0,6219 Ht 55 cm R² = 0,8219 Ht 65 cm R² = 1 Ht 73 cm Ryc. 9. Wydajność podnośnika powietrznego w zależności od ilości doprowadzanego powietrza Qp, dla Dp = 50 mm 14

15 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 m 3 /h), najniższa dla najwyższego położenia króćca (dla H124 wynosiła Qw =0,6 m 3 /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 m 3 /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: Q w, m 3 /h 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 wysokość położenia króćca H34 najniższe możliwe położenie króćca, największą wysokość podnoszenia Ht równą 60 cm, najmniejszej objętości roboczej Vr reaktora (ok. 700 dm 3 ), głębokości zatopienia króćca (Hd = 57 cm); wysokość położenia króćca H84, czyli środkowe położenie króćca na odcinku tłocznym (Hs + Ht), objętość roboczą reaktora ok dm 3, przy wysokości podnoszenia Ht = 25 cm, i zatopieniu króćca Hd H t, cm = 40 cm; na podstawie przeprowadzonych obserwacji stwierdzono, że zapewniało ono dobre mieszanie cieczy w reaktorze. 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 15

16 Ryc. 11. Zależność wydatku podnośnika powietrznego Qw od położenia króćca H, dla ilość doprowadzanego powietrza Qp = 4,65 m 3 /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. Q w, m 3 /h Qp 4,5 m3/h R² = 0,58 Qp 4,0 m3/h R² = 0,61 Qp 3,5 m3/h R² = 0,87 Qp 3,0 m3/h R² = 0,91 Qp 2,5 m3/h R² = 0,82 Qp 2,0 m3/h R² = 0,84 Qp 1,5 m3/h R² = 0,52 Qp 1,2 m3/h R² = 1, H t, cm 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 16

17 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 m 3 /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 m 3 /h; co stanowi 94% wielkości strumienia powietrza Qp doprowadzanego do instalacji (ryc. 13). Qp 1,Qp 2, m 3 /h 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 Qp2 4,67 4,68 4,68 Qp1 3,53 3,44 3,46 1,47 1,56 1,54 0,33 0,32 0,32 H34 W0 H34 W20 H34 W40 H84 W0 H84 W20 H84 W40 wariant 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. 17

18 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 = (3) (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). 18

19 Tlen rozpuszczony, mg/dm H34 W0 H34 W20 H34 W40 H84 W0 H84 W20 H84 W Czas, min 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/m 3 h) 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 OC 0 g O 2/m 3 h 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 19

20 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/dm 3 ), na poziomie dna ok. 1 mg/dm 3. 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 mg O2/dm 3 mg O2/dm 3 Średnia mg O2/dm 3 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, ,3 7,2 5, ,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 20

21 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. Tlen rozpuszczony, mg O 2 /dm 3 5,5 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0, Czas, min 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, r. Tlen Redox Redox, mv 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/dm 3 ) i ph 7,5-8,1 spowodowało inhibicję substratową amoniakiem. Wysokie stężenie amoniaku N-NH3 od 1,3 do 4,5 g/m 3 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 21

22 wysokościach położenia króćca. Rozkład stężenia tlenu na różnych głębokościach reaktora był mało zróżnicowany. W wariancie pracy reaktora H34, największe stężenia wynosiło 2,99 mg/dm 3 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/dm 3 ) 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. 22

23 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: gdzie: = (6) 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. y 1 1,25 1,2 W 1,15 1,1 0,2 1,05 1 0,25 0,95 0,9 0,3 0,85 0,8 0,75 0,35 0,7 0,65 0,4 0,6 0,55 0,5 0,45 H84 0,4 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 2 Ryc. 17. Optymalizacja dwukryterialna w zależności od wypełnienia reaktora złożem ruchomym W przy położeniu króćców H = cm Na podstawie powyższego wykresu można stwierdzić, że najkorzystniejszy pod względem optymalności w sensie Pareto jest reaktor barbotażowy z 30% wypełnieniem złożem ruchomym. 23

24 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 30 oraz wypełnienia złożem ruchomym W. 25 Zastosowano model matematyczny wzrostu Growth Model z równaniami wykładniczymi exponential association trzeciego i drugiego stopnia, dla OC, g O 2 /m 3 h wartość modelu wariantów konstrukcji: H34W0; H34W20; H34W40; H84W0; H84W20; 5 wartość pomiaru H84W40. t, min 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. 24

25 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 m 3 /h dla Dp = 50 mm i 7,86 m 3 /h dla Dp = 75mm. Dla stałych wysokości geometrycznych (Ht), po przekroczeniu wydajności doprowadzanego powietrza Qp > 4,0 m 3 /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 m 3 /h), najniższa dla najwyższego położenia króćca H =124 cm (Qw= 0,6 m 3 /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 m 3 /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 25

26 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/m 3 h 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 26

27 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/dm 3 ). Średnie wartości stężenia tlenu w reaktorze, (od 4,14 do 6,0 mg/dm 3 ) 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 BZT 5 PO 4 NH 4 Średnia dla całego okres badań, % Ciągle napowietrzanie, % Napowietrzanie przemienne 30/30 min, % Obciążenie, g BZT 5/g s.m.o , , ,01 27

28 Niski stosunek C/N w ściekach opływających do reaktora, wpłynął na sprawność usuwania związków azotu ze ścieków; stężenie azotu amonowego (średnio 137 mg/dm 3 ), wysokie ph (7,5-8,1) oraz wysokie stężenie amoniaku N-NH3 (od 1,2 do 4,8 g/m 3 ) 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 Konstrukcja H34, % Konstrukcja H84, % ChZT BZT 5 PO 4 NH 4 Obciążenie, g BZT 5/g s.m.o nb 9 0, 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. 28