Raport końcowy realizacji projektu:

Raport końcowy realizacji projektu: BIO-AERO-REVITAL - SYSTEM REWITALIZACJI SILNIE ZANIECZYSZCZONYCH MAŁYCH ZBIORNIKÓW WODNYCH. Kierownik projektu: Dr Robert Mazur Zespół realizujący badania: Mgr inż. Joanna Chmist Mgr inż. Agata Nowak Dr inż. Jakub Mazurkiewicz Mgr inż. Sebastian Kujawiak 1

SPIS TREŚCI 1. Instalacja bio-aero-treatment 3 1.1. Działanie zatapialnego bioreaktora mbbr (moving bed biofilm reaktor): 3 1.2. Eksploatacja i obsługa 3 1.3. Zasada funkcjonowania 3 1.4. Prawidłowa eksploatacja 4 1.5. Procesy wykorzystywane do oczyszczania ścieków 4 2. Badania parametrów hydraulicznych zatapialnego bioreaktora. 7 2.1. Warunki pracy reaktora 7 2.2. Metodologia i warunki badań hydraulicznych 9 2.3. Wyniki badań 13 2

RAPORT Z FAZY BADAWCZEJ 1. Instalacja BIO-AERO-TREATMENT 1.1. Działanie zatapialnego bioreaktora MBBR (Moving Bed Biofilm Reaktor): Mobilna instalacja bioreaktora ze złożem ruchomym stanowi innowacyjną alternatywę do tradycyjnych systemów oczyszczania (technologii renowacji) silnie zanieczyszczonych akwakultur i małych zbiorników wodnych. Instalacja ma symulować działanie małej oczyszczalni w systemie MBBR w warunkach środowiska wodnego. Urządzenie jest zmodyfikowaną instalacją i dostosowaną do nietypowych warunków, przy zachowaniu właściwych dla oczyszczalni procesów oczyszczania (wraz z nitryfikacją i denitryfikacją doczyszczaniem biogenów). Zastosowano innowacyjne rozwiązania zaczerpnięte z pokrewnej branży biotechnologii środowiskowych w ramach interdyscyplinarnych badań. 1.2. Eksploatacja i obsługa Bioreaktor typu MBBR jest to zatapialne urządzenie, pozwalające na rewitalizację i rekultywację silnie zanieczyszczonych stawów rybnych i małych zbiorników wodnych. Umożliwia zarówno redukcję stężeń ładunków organicznych i biogenów, jak i poprawę warunków tlenowych, panujących w tym zanieczyszczonym środowisku wodnym. 1.3. Zasada funkcjonowania 1) Zatapialny Bioreaktor typu MBBR jest modyfikacją małej oczyszczalni w systemie bazującej na systemie podnośnika wodno-powietrznego (system barbotażowy) który przepływ mediów przez system bioreakora i złoże ruchome (Ivanovic I. and Leiknes T. (2008). Impact of aeration rates on particle colloidal fraction in the biofilm membrane bioreactor (BF-MBR). Desalination, 231(1), 182-190. Leiknes T. and Ødegaard H. (2007). The development of a biofilm membrane bioreactor. Desalination, 202(1), 135-143. Urządzenie pracuje w systemie przepływowym (Ryc.1). Wykorzystuje do oczyszczania mikroorganizmy, dodatkowo do złoża są aplikowane kultury efektywnych mikroorganizmów dzięki zastosowaniu kartridżowego aplikatura kropelkowego. Zmodyfikowana konstrukcja zbiornika kartridżowego, zaopatrzonego w odpowietrznik pozwala na ciągły i długotrwały proces uzupełniania mikroorganizmów oczyszczających. Zamontowany powyżej króćca ssawnego dyfuzor umożliwia właściwą aerację i wytworzenie mieszaniny wodno powietrznej będącej napędem dla systemu barbotażowego. 3

Przewody powietrzne (wąż ½ ) są połączone nasadowo na króćcu powietrza oraz łączą urządzenie z dmuchawami (boczno-kanałowymi lub membranowymi). Zasilanie urządzenia możliwe jest poprzez mobilny generator prądu lub lokalną sieć elektryczną. 1.4. Prawidłowa eksploatacja Bioreaktor pracuje w środowisku wodnym. Wszystkie jego elementy powinny być całkowicie zanurzone w zanieczyszczonej wodzie poniżej poziomu lustra do 20cm. Urządzenie prawidłowo funkcjonuje w temperaturze co najmniej 5 C w zwyż, z uwagi na żywe mikroorganizmy. Korzystanie z bioreaktora, zaplanowane jest na okres od marca do listopada. Dłuższa eksploatacja możliwa jest, w przypadku gdy temperatury będę utrzymywać się na poziomie wyższym niż najniższa dopuszczalna. 1.5. Procesy wykorzystywane do oczyszczania ścieków Bioreaktor typu MBR wykorzystuje proces namnażania się mikroorganizmów na złożu, w wyniku wymuszonego przepływu ścieków. Przepływ zanieczyszczeń możliwa jest dzięki pracy dyfuzora. Zapewnia on mieszanie wodno powietrzne, warunkujące przepływ substratu w bioreaktorze, dodatkowo stwarza warunki tlenowe dla błony biologicznej (McQuarrie J. P. and Boltz J. P. (2011). Moving bed biofilm reactor technology: process applications, design, and performance. Water Environment Research,83(6), 560-575.. Kierunek przepływu zanieczyszczonej wody jest wymuszony wskutek różnicy ciśnień pomiędzy komorą aeracji a środowiskiem zewnętrznym. Przepływ ma miejsce przez filtr sitowy, następnie przewodem doprowadzającym φ 160 mm przedostaje się do strefy aeracji. W strefie aeracji powstała mieszanina wodno powietrzna charakteryzuje się mniejszą gęstością i unosi się w górną strefę bioreaktora. W tej strefie zlokalizowany jest dyfuzor talerzowy (membranowy)(ryc.2). Natleniona mieszanina przepływa przez złoże ruchome składające się z kształtek i odpływa poza układ bioreaktora w szczytowej strefie reaktora. Złoże kształtek znajduje się w układzie odgraniczonej przestrzeni aeracji izolowanej siatką plastikową o wielkości oczek 10 mm, w celu zapobiegania utraty kształtek. Do dolnej części reaktora wprowadzana jest mieszanina efektywnych mikroorganizmów poprzez przewód PVC ½. Aplikacja jest ustawiona w trybie ciągłym ze zbiornika (kanistra) zainstalowanego powyżej bioreaktora. Zmodyfikowany kanister (z odpowietrzeniem w górnej części) jest wprowadzany w instalację kartridża. Nakrętka dolna jest wyposażona w mechanizm korplówkowy pozwalający na regulację dozującą mieszaninę mikroorganizmów do reaktora. 4

Część mikroorganizmów wypływa poza reaktor wraz z oczyszczoną wodą, tworząc chmurę natlenionej wody w której możliwe są dalsze procesy oczyszczania poza reaktorem (Ryc.3, Ryc.4). Zewnętrzny efekt oczyszczania wzmaga się dzięki częściowemu wymywaniu mikroorganizmów błony biologicznej i efektywnych mikroorganizmów poza układ złoża do zbiornika. Ryc.1. Schemat działania zatapialnego bioreaktora (MBBR) do rewitalizacji silnie zanieczyszczonych zbiorników wodnych 5

Ryc.2. Widok wnętrza bioreaktora bez złoża (lewy) i ze złożem 1 (prawy) Ryc.3. Aeracja drobnopęcherzykowa wytworzenie się mieszaniny wodno-powietrznej (bioreaktor w trakcie wstępnej fazy testów hydraulicznych bez złoża). Ryc.4. Aeracja drobnopęcherzykowa wytworzenie się mieszaniny wodno-powietrznej (bioreaktor ze złożem w trakcie testów hydraulicznych). Faza bez napowietrzania i z aeracją. 1 Pofragmentowane kształtki z karbowanego peszla elektroizolowanego 6

2. Badania parametrów hydraulicznych zatapialnego bioreaktora. Technologia wykorzystana w Bioreaktorze typu MBBR (stanowiącym zatapialne urządzenie), dedykowana, jest rekultywacji i oczyszczaniu silnie zanieczyszczonych ładunkami organicznymi stawów oraz małych zbiorników wodnych do 3ha. Urządzenie umożliwia zarówno redukcję stężeń ładunków organicznych, jak i poprawę warunków tlenowych, panujących w środowisku wodnym. Mobilne, modułowe oczyszczalnie insitu bazują na technologii osadu czynnego i błony biologicznej, umożliwiają oczyszczanie wód na drodze nitryfikacji i denitryfikacji. 2.1. Warunki pracy reaktora Podstawowym warunkiem jest całkowite zatopienie urządzenia w celu uzyskania gwarantowanego przepływu medium przez złoże reaktora. Regulacja przepływu medium przez reaktor realizowana jest na zasadzie zmiany wydatku aeracji (z dmuchaw membranowej lub bocznokanałowej) (McQuarrie J. P. and Boltz J. P. (2011). Moving bed biofilm reactor technology: process applications, design, and performance. Water Environment Research,83(6), 560-575. Złoże kształtek (fragmenty 2 4 cm karbowanego peszla elektroinstalacyjnego, ф = 16 mm) zapewnia właściwy nośnik dla rozwoju błony biologicznej. Wypełnienia złoża max 50% objętości kosza zasypowego = 0,10 m 3, co zapewnia swobodną cyrkulację kształtek w złożu i lepszą dostępność mikroorganizmów do substratów pożywczych. Przy większym wypełnieniu aeracja sprzyja wytwarzaniu zwartej nieruchomej struktury czopa i znacząco różnicuje warunki hydrauliczne w złożu (na niekorzyść procesu oczyszczania). Kosz zasypowy zamknięty jest w strefie od wysokości 880 mm do 1565 mm, przestrzeń jest ograniczona siatką plastikową o średnicy oczek 1,2 mm. Zamknięty kosz zapobiega swobodnej retencji kształtek poza układ, u utracie powierzchni błony biologicznej. Zastosowano dyfuzor membranowy zapewniający aerację drobnopęcherzykową. Wysoka dyspersja pęcherzyków warunkuje lepsza dostępność O2 w medium dla mikroorganizmów błony biologicznej. 7

Rura doprowadzająca medium do reaktora jest dostosowana do zmiennego poziomu poboru wody w rekultywowanym zbiorniku (od dna do poziomu pod powierzchnią zwierciadła wody. Należy zapewnić całkowite zatopienie rury wlotowej, zapowietrzona część powoduje utratę ciągu przepływu. W części szczytowej bioreaktora zainstalowano kartridż dostosowany do pojemników kontenerowych na biopreparaty (EM firmy greenland). Pojemniki są wprowadzane częścią górną w dół. Do zakrętki wprowadzono końcówkę wkraplacza kroplówkowego, instalacje wyprowadzająca aplikatora wprowadzono do rury pvc ½ sięgającą poniżej poziomu dyfuzora (Ryc.5). Dedykowany biopreparat będzie wprowadzany przy regulowanym przepływie poniżej poziomu dyfuzora a następnie równomiernie rozprowadzany w złożu bioreaktora wraz z mieszaniną wodnopowietrzną. Powyższy system zapewni ciągłą obecność mikroorganizmów z biopreparatu w złożu, pozwoli również na szybkie wpracowanie błony w złoże, oraz właściwą strukturę biocenozy mikroorganizmów w zależności od specyfiki oczyszczanych ścieków. 8

Ryc.5..Aplikator kroplówkowy do biopreparatów dedykowanych, konstrukcja na kartridż dostosowana do zbiorników V = 20 L. 2.2. Metodologia i warunki badań hydraulicznych W celu ustalenia charakterystyki hydraulicznej układu, przeprowadzono szereg testów, sprawdzających zależności między wysokością zatopienia i wydajnością aeratora w stosunku do natężenia przepływu cieczy w reaktorze. Wymiary układu na rysunku ( Ryc.6.). 9

Ryc.6. Wymiary układu bioreaktora. Badania hydrauliczne przeprowadzono przy całkowitym zatopieniu bioreaktora w basenie doświadczalnym w laboratorium wodnym Katedry Inżynierii Wodnej i Sanitarnej Wydz. MiIŚ, Uniwersytetu Przyrodniczego w Poznaniu. Reaktor był zatopiony przy różnych poziomach: do poziomu górnej krawędzi 1 cm od poziomu górnej krawędzi bioreaktora 2 cm od poziomu górnej krawędzi bioreaktora 3 cm od poziomu górnej krawędzi bioreaktora Dla ustalonej kombinacji powyższych parametrów, wykonano serię dziesięciu powtórzeń pomiaru prędkości dopływu cieczy do reaktora v1. Uzyskane wartości średnie wykorzystano do dalszych badań. Wszystkie informacje zebrano w tabelach 1-4. gdzie: 10

h poziom wody powyżej reaktora, mm Hs odległość od dyfuzora do górnej części zbiornika, cm Qp wydajność aeratora membranowego, m 3 /h vp prędkość pozorna gazu w reaktorze, m/s v1 prędkość rzeczywista (mierzona) dopływu cieczy do reaktora, m/s v2 prędkość cieczy (obliczona) w reaktorze, m/s Q1 natężenie przepływu cieczy w reaktorze, m 3 /h Pomiary przepływu wykonano przepływu wykonano urządzeniem pomiarowym Elektromagnetyczny miernik przepływu Valeport - model 801, na części zatopionej rury wlotowej zamontowanej na adapterze w kierunku poziomym do przepływu medium (Ryc.7, Ryc.8, Ryc.9). Ryc.7. Schemat dla sondy pomiaru prędkości na adapterze z mufy ф = 160 mm. W układzie równoległym do przepływu medium. Znając wartość pomiaru prędkości oraz pole przekroju rury obliczono wartość przepływu medium przez złoże bioreaktora. 11

Ryc.8. Badanie pomiaru prędkości sondom pomiaru prędkości na adapterze z mufy ф = 160 mm. W układzie równoległym do przepływu medium. Ryc.9. Pomiar prędkości i przepływu medium w układzie instalacji bioreaktora zatapialnego MBBR (bioreaktor zatopiony w basenie eksperymentalnym) na głębokości 180 cm. 12

Pomiary stężenia O2 wody w bioreaktorze i w strefie wokół układu, wykonano na głębokości 1m w bioreaktorze przed i w trakcie aeracji (Ryc.10). Pomiary wykonano metodą próbkowania w strefach wewnętrznych bioreaktora i wokół układu. Ryc.10. Pomiary stężenia tlenu w trakcie aeracji reaktora barbotażowego 13

Q1 [m3/h] 2.3. Wyniki badań Tab. 1. Ciśnienie 1025 hpa Temp 12,2 C Wypełnienie 0 % Wyniki pomiarów dla zatopienia 1cm, przy braku wypełnienia złożem. H H s Q p v p v 1 v 2 Q 1 Q 1 v 2 zatopiony cm m 3 /h m/s m/s m/s m 3 /s m 3 /h cm/s 1 104 0,5 0,00003 0,0365 0,00016 0,0007 2,64 0,016 1 0,00006 0,066 0,00029 0,0013 4,78 0,029 1,2 0,00007 0,11345 0,00050 0,0023 8,21 0,050 1,5 0,00009 0,1194 0,00053 0,0024 8,64 0,053 2 0,00012 0,137075 0,00061 0,0028 9,92 0,061 2,5 0,00015 0,1554 0,00069 0,0031 11,25 0,069 3 0,00018 0,174275 0,00077 0,0035 12,61 0,077 3,5 0,00021 0,1868 0,00083 0,0038 13,52 0,083 4 0,00025 0,2026 0,00090 0,0041 14,66 0,090 4,5 0,00028 0,19425 0,00086 0,0039 14,06 0,086 5 0,00031 0,227475 0,00101 0,0046 16,47 0,101 0.18 0.17 0.16 0.15 0.14 0.13 0.12 0.11 0.10 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0.00 y = -0.5411x 2 + 5.667x + 0.6348 R² = 0.9626 0 1 2 3 4 5 6 Qp [m3/h] Ryc.11. Krzywa zależności między natężeniem przepływu, a wydajnością aeratora dla zatopienia = 0cm Przy napełnieniu równym 1 cm, nie zauważono spadków wydajności. Wraz ze wzrostem natężenia powietrza z aeratora wzrasta prędkość oraz natężenie przepływu wody w reaktorze. 14

Q1 [m3/h] Tab. 2. Ciśnienie 1025 hpa Temp 12,2 C Wypełnienie 0 % Wyniki pomiarów dla zatopienia 2cm, przy braku wypełnienia złożem H H s Q p v p v 1 v 2 Q 1 Q 1 v 2 zatopiony cm m 3 /h m/s m/s m/s m 3 /s m 3 /h cm/s 2 104 0,5 0,00003 0,064 0,00028 0,0013 4,63 0,028 1 0,00006 0,1039 0,00046 0,0021 7,52 0,046 1,2 0,00007 0,171233 0,00076 0,0034 12,39 0,076 1,5 0,00009 0,178125 0,00079 0,0036 12,89 0,079 2 0,00012 0,19265 0,00086 0,0039 13,94 0,086 2,5 0,00015 0,21145 0,00094 0,0043 15,31 0,094 3 0,00018 0,230475 0,00102 0,0046 16,68 0,102 3,5 0,00021 0,217567 0,00097 0,0044 15,75 0,097 4 0,00025 0,237633 0,00106 0,0048 17,20 0,106 4,5 0,00028 0,253567 0,00113 0,0051 18,35 0,113 5 0,00031 0,2886 0,00128 0,0058 20,89 0,128 0.22 0.21 0.20 0.19 0.18 0.17 0.16 0.15 0.14 0.13 0.12 0.11 0.10 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0.00 y = -0.6147x 2 + 6.2318x + 3.3416 R² = 0.8994 0 1 2 3 4 5 6 Qp [m3/h] Ryc.12. Krzywa zależności między natężeniem przepływu, a wydajnością aeratora dla zatopienia = 1cm. Na podstawie powyższej krzywej (napełnienie równe 2 cm), zaobserwowano wzrost natężenia przepływu, względem napełnienia równego 1cm, przy tych samych wydajnościach aeratora. Prędkość wzrosła średnio o 27%. 15

Q1 [m3/h] Tab. 3. Ciśnienie 1025 hpa Temp 12,2 C Wypełnienie 0 % Wyniki pomiarów dla zatopienia 3cm, przy braku wypełnienia złożem H H s Q p v p v 1 v 2 Q 1 Q 1 v 2 zatopiony cm m 3 /h m/s m/s m/s m 3 /s m 3 /h cm/s 3 104 0,5 0,00003 0,1042 0,00046 0,0021 7,54 0,046 1 0,00006 0,1061 0,00047 0,0021 7,68 0,047 1,2 0,00007 0,2157 0,00096 0,0043 15,61 0,096 1,5 0,00009 0,18605 0,00083 0,0037 13,47 0,083 2 0,00012 0,2056 0,00091 0,0041 14,88 0,091 2,5 0,00015 0,21955 0,00098 0,0044 15,89 0,098 3 0,00018 0,23085 0,00103 0,0046 16,71 0,103 3,5 0,00021 0,1826 0,00081 0,0037 13,22 0,081 4 0,00025 0,195 0,00087 0,0039 14,11 0,087 4,5 0,00028 0,1977 0,00088 0,0040 14,31 0,088 0.18 0.17 0.16 0.15 0.14 0.13 0.12 0.11 0.10 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0.00 y = -1.3111x 2 + 7.8186x + 4.3432 R² = 0.6427 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 Qp [m3/h] Ryc.13. Krzywa zależności między natężeniem przepływu, a wydajnością aeratora dla zatopienia 2 cm. Analizując krzywą dla niepełnienia 3 cm powyżej reaktora, zauważono wyraźny spadek natężenia przepływu przy wzroście natężenia aeracji. Aeracja na poziomie 3m 3 /h, pozwala na uzyskanie najwyższej możliwej wartości przepływu równej 16,71 m3/h. 16

Q1 [m3/h] 0.22 0.21 0.20 0.19 0.18 0.17 0.16 0.15 0.14 0.13 0.12 0.11 0.10 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0.00 0 1 2 3 4 5 6 Qp [m3/h] Ryc.14. Zestawienie wszystkich wyników zależności między natężeniem przepływu, a wydajnością aeratora Zestawienie przeprowadzonych pomiarów dowodzi, że głębokość posadowienia zbiornika w znacznym stopniu wpływa na sprawność urządzenia. Zbyt duże zanurzenie reaktora względem zwierciadła wody, prowadzi do obniżenia wydajności urządzenia. Największe przepływy zaobserwowano dla zatopienia równego 2 cm ponad górną krawędź reaktora, przy natężeniu doprowadzonego powietrza od 4,5 do 5 m 3 /h. Uzyskane prędkości na dopływie wynosiły średnio od 0,28-0,25 m/s, (co odpowiada ~18-21 m 3 /h Q1). Zwiększenie głębokości o kolejny centymetr, powodowało zmniejszenie prędkości do 0,19 m/s. Badania powtórzono dla wariantu z wypełnieniem złożem. 17

Q1 [m3/h] Tab. 4. Ciśnienie 1025 hpa Temp 12,2 C Wypełnienie 70 % Wyniki pomiarów dla zapotnienia 1cm, przy 70% wypełnieniu złożem H H s Q p v p v 1 v 2 Q 1 Q 1 v 2 v3 zatopiony cm m 3 /h m/s m/s m/s m 3 /s m 3 /h cm/s mm/s 1 104 0,5 0,00003 0,0274 0,00012 0,0006 1,98 0,012 0,122 1 0,00006 0,05 0,00022 0,0010 3,62 0,022 0,222 1,5 0,00009 0,07085 0,00031 0,0014 5,13 0,031 0,315 2 0,00012 0,07835 0,00035 0,0016 5,67 0,035 0,348 2,5 0,00015 0,08835 0,00039 0,0018 6,39 0,039 0,393 3 0,00018 0,1042 0,00046 0,0021 7,54 0,046 0,463 3,5 0,00021 0,10975 0,00049 0,0022 7,94 0,049 0,488 4 0,00025 0,12995 0,00058 0,0026 9,41 0,058 0,578 4,5 0,00028 0,1286 0,00057 0,0026 9,31 0,057 0,572 0.10 y = -0.2154x 2 + 2.8826x + 0.8321 R² = 0.9853 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0.00 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 Qp [m3/h] Ryc.15. Krzywa zalezności między natężeniem przepływu a wydajnością aeratora Krzywa natężenia przepływu, dla poziomu wody równego 1 cm powyżej reaktora, podobnie jak w przypadku braku wypełnienia, wzrasta wraz ze wzrostem natężenia aeracji. Największy przepływ równy 9,31 m 3 /h, uzyskano dla Qp 4,5 m 3 /h. W porównaniu do wariantu bez wypełnienia, wydajność zmalała o ponad 33%. Wynika to z oporów ruchu, jakie powodują cyrkulujące kształtki. 18

Q1 [m3/h] Tab. 5. Ciśnienie 1025 hpa Temp 12,2 C Wypełnienie 70 % Wyniki pomiarów dla zapotnienia 2cm, przy 70% wypełnieniu złożem H H s Q p v p v 1 v 2 Q 1 Q 1 v 2 v3 zatopiony cm m 3 /h m/s m/s m/s m 3 /s m 3 /h cm/s mm/s 2 104 0,5 0,00003 0,02465 0,00011 0,0005 1,78 0,011 0,110 1 0,00006 0,04765 0,00021 0,0010 3,45 0,021 0,212 1,5 0,00009 0,0707 0,00031 0,0014 5,12 0,031 0,314 2 0,00012 0,0865 0,00038 0,0017 6,26 0,038 0,384 2,5 0,00015 0,10435 0,00046 0,0021 7,55 0,046 0,464 3 0,00018 0,111 0,00049 0,0022 8,03 0,049 0,493 3,5 0,00021 0,12005 0,00053 0,0024 8,69 0,053 0,534 4 0,00025 0,12855 0,00057 0,0026 9,30 0,057 0,571 4,5 0,00028 0,1332 0,00059 0,0027 9,64 0,059 0,592 0.11 y = -1E+08x 2 + 65051x - 0.0696 R² = 0.9978 0.10 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0.00 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 Qp [m3/h] Ryc.16. Krzywa zalezności między natężeniem przepływu a wydajnością aeratora Przy napełnieniu równym 2 cm, powyżej reaktora, nie zauważono znacznego wzrostu, lub spadku wartości natężenia przepływu ( w porównaniu do napełnienia przy 1 cm). Średnia wartość prędkości na wlocie wynosiła 0,13 m/s, przy największej możliwej wydajności aeracji. 19

Q1 [m3/h] Tab. 6. Ciśnienie 1025 hpa Temp 12,2 C Wypełnienie 70 % Wyniki pomiarów dla zapotnienia 3cm, przy 70% wypełnieniu złożem H H s Q p v p v 1 v 2 Q 1 Q 1 v 2 v3 zatopiony cm m 3 /h m/s m/s m/s m 3 /s m 3 /h cm/s mm/s 3 104 0,5 0,00003 0,031 0,00014 0,0006 2,24 0,014 0,138 1 0,00006 0,0537 0,00024 0,0011 3,89 0,024 0,239 1,5 0,00009 0,07935 0,00035 0,0016 5,74 0,035 0,353 2 0,00012 0,094 0,00042 0,0019 6,80 0,042 0,418 2,5 0,00015 0,1024 0,00046 0,0021 7,41 0,046 0,455 3 0,00018 0,1145 0,00051 0,0023 8,29 0,051 0,509 3,5 0,00021 0,1315 0,00058 0,0026 9,52 0,058 0,584 4 0,00025 0,1305 0,00058 0,0026 9,45 0,058 0,580 4,5 0,00028 0,116 0,00052 0,0023 8,40 0,052 0,516 0.10 y = -0.5872x 2 + 4.6132x - 0.0247 R² = 0.9796 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0.00 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 Qp [m3/h] Ryc.17. Krzywa zalezności między natężeniem przepływu a wydajnością aeratora Podczas badań przeprowadzonych przy napełnieniu wodą 3 cm powyżej górnej krawędzi reaktora, podobnie jak podczas badania bez użycia złoża, zaobserwowano spadek prędkości i natężenia przepływu. W porównaniu do wcześniejszych wyników, był on nieznacznie mniejszy dla natężenia aeracji 4,5 m 3 /h, uzyskano przepływ ~8,4 m 3 /h. 20

Q1 [m3/h] 0.11 0.10 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0.00 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 Qp [m3/h] Ryc.18. Krzywa zalezności między natężeniem przepływu a wydajnością aeratora Na podstawie przeprowadzonych pomiarów wypełnionego złożem reaktora, zaobserwowano, że natężenie przepływu nie wzrasta istotnie wraz z napełnieniem. Wykazano tendencje do spadku wartości przepływu przy zbyt dużej głębokości posadowienia. Ponadto, wpływ na wartość przepływu ma w tym przypadku wydajność aeratora. Największy przepływ, osiągający wartość ok. 9,5 m 3 /h, uzyskano zarówno przy napełnieniu wodą 1 i 2 cm powyżej górnej krawędzi reaktora, przy natężeniu aeracji równym 4,5 m 3 /h. 21

% cyrkulacji Określenie maksymalnego wypełnienia złoża kształtkami. W celu zapewnienia całkowitej cyrkulacji złoża zanurzonego w reaktorze, wyznaczono optymalną ilość kształtek, która zagwarantuje uzyskanie efektu pełnego mieszania. Tab. 7. Zestawienie zależności względem wypełnienia złożem, a cyrkulacją kształtek Wypełnienie złoża kształtkami [%] Zawartość złoża podlegającego cyrkulacji [%] Zawartość złoża stagnująca [%] 70 80 20 60 90 10 50 100-40 100-100 90 80 70 60 Zawartość złoża stagnująca [%] 50 40 30 20 10 Zawartość złoża podlegającego cyrkulacji [%] 0 70 60 50 40 % wypełnienia Ryc.19. Zależność między wypełnienie złoża a pełną cyrkulacją kształtek 22

Ryc.20. Graficzne przestawienie zależności między ilością złoża, a cyrkulacją Wyniki badań wskazują, że optymalny poziom wypełnienia złoża, przez kształtki uzyskano na poziomie 50% (~70 litrów). Stanowi to maksymalne możliwe obciążenie, przy którym wszystkie kształtki podlegały cyrkulacji, przy zapewnieniu jednocześnie największej możliwej powierzchni aktywnej dla rozwoju błony biologicznej. Poziom ten warunkuje odpowiednie warunki do oczyszczania ścieków (usuwania związków organicznych, na drodze nitryfikacji i denitryfikacji). 23

Wyniki pomiarów natlenienia medium w trakcie aeracji: Brak aeracji Aeracja Wzrost wartości % Głębokosć Środek reaktora Obwód wew. Reaktora Obwód zew. Reaktora 0,5m od reaktora 1m od reaktora Gębokość Środek reaktora Obwód wew. Reaktora Obwód zew. Reaktora 0,5m od reaktora 1m od reaktora Środek reaktora Obwód wew. Reaktora Obwód zew. Reaktora 20 10,01 10,17 10,10 10,10 10,10 20 10,22 10,21 10,13 10,10 10,05 2,03 0,45 0,26 40 10,13 10,18 10,10 10,10 10,10 40 10,22 10,23 10,11 10,11 10,10 0,92 0,47 0,099 60 10,15 10,18 10,11 10,12 10,12 60 10,23 12,23 10,11 10,11 10,11 0,80 16,79 0,06 80 10,15 10,20 10,11 10,12 10,12 80 10,25 10,23 10,11 10,11 10,11 0,96 0,33 - Ryc.21. Punkty pomiaru natężenia tlenu rozpuszczonego w wodzie Na podstawie pomiarów przeprowadzonych metodą próbkowania w strefach wewnętrznych bioreaktora i wokół układu, zaobserwowano wzrost natlenienia w górnej części wnętrza reaktora. Dowodzi to pionowemu przemieszczaniu się tlenu wraz z cyrkulującymi kształtkami. Stwarza to możliwość dodatkowego dalszego procesu oczyszczania poza reaktorem, dzięki natlenionej wodzie. Przy dłuższym czasie napowietrzania, poziom zawartości tlenu będzie rozprzestrzeniał się wraz z wodą wokół reaktora. 24

2.4. Badania biotechnologiczne procesu oczyszczania na modelu laboratoryjnym Laboratoryjny model w skali 1:10 Wykonano model laboratoryjny bioreaktora MBBR w skali 1:10 w odniesieniu do modelów terenowych. Przeprowadzono testy efektywności oczyszczania ścieków w warunkach laboratoryjnych, w laboratorium analitycznym wodno-ściekowym. Model pracował w trybie 1,5h aeracja oraz 0,5 h brak napowietrzania: Właściwy poziom błony biologicznej uzyskano po okresie 2 tygodni pracy bioreaktora na ściekach komunalnych z oczyszczalni ścieków LOŚ Poznań. Po okresie wpracowania błony biologicznej przeprowadzono testy efektywności oczyszczania ścieków w okresie 5 dni. Tab. 8. Parametry BZT5 Chzt Jednostka Ścieki surowe Ścieki po reaktorze Redukcja % mg O2/ dm 3 mg O2/ dm 3 Zestawienie wyników badań efektywności oczyszczania ścieków Zawies ina mg/ dm 3 NH3 PO4 NO2 NO3 ph Cond. mg/ dm 3 mg/ dm 3 mg/ dm 3 mg/ dm 3 Red- Ox Temp. O2 - μs/cm mv C mg/ dm 3 511 1116 0.0457 134 31.2 0.36 1.2 8.4 481-280.6 18.5 0.03 140 584 0.0261 93 29.6 0.35 1.2 8.3 499.5-144.3 17.1 0.05 72.60 47.67 42.89 30.60 5.13 2.78 0.00 1.19-48.57 7.57 wzrost zawartości tlenu o 60% 25

Rys. 22. Zdjęcia bioreaktora laboratoryjnego w skali 1:10 (testy biotechnologiczne). 26

mg/dm3 mg/dm3 1200 1000 mgo 2 /dm 3 800 600 400 200 0 BZT5 ChZT Ścieki surowe Ścieki po reaktorze Ryc.22. Wykres redukcji BZT5 oraz ChZT po pięciu dniach pracy bioreaktora 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 Zawiesina NO2 NO3 Ścieki surowe Ścieki po reaktorze Ryc.23. Wykres redukcji zawiesiny ogólnej, tlenku azotu (IV i V), po pięciu dniach pracy bioreaktora. 140 120 100 80 60 40 20 0 NH3 PO4 Ścieki surowe Ścieki po reaktorze Ryc.24. Wykres redukcji tlenku fosforu i amoniaku, po pięciu dniach pracy bioreaktora. 27

1 cm powyżej 2 cm powyżej 3 cm powyżej 1 cm powyżej 2 cm powyżej 3 cm powyżej Ładunek oczyszczony, przy założonym wypełnieniu reaktora złożem Ilość wymaganych reaktorów do oczyszczenia zadanych parametrów BZT5 / ChZT Natężenie aeracji Natężenie dopływu Natężenie dopływu Natężenie dopływu Stężenie na dopływie BZT5 Stężenie na dopływie ChZT Ładunek na dopływie BZT5 Ładunek na dopływie ChZT Ładunek na dopływie BZT5 Ładunek na dopływie ChZT Ładunek na dopływie BZT5 Ładunek na dopływie ChZT 60% 50% 40% 60% 50% 40% Wartości stałe wprowadza użytkownik m 3 /h m 3 /h m 3 /h m 3 /h mgo 2/dm 3 mgo 2/dm 3 kg/d kg/d kg/d kg/d kg/d kg/d kg/d kg/d kg/d 0.5 1.983 1.784 2.244 0.48 2.62 0.43 2.96 0.54 2.96 1 cm powyżej 1 cm powyżej 1 cm powyżej 2 9 2 11 3 15 1 3.619 3.449 3.887 0.87 4.78 0.83 5.13 0.93 5.13 3 20 4 20 5 26 1.5 5.128 5.117 5.744 1.23 6.77 1.23 7.58 1.38 7.58 5 28 5 28 7 38 2 5.671 6.261 6.804 1.36 7.49 1.50 8.98 1.63 8.98 5 30 6 30 8 45 2.5 6.395 7.553 7.412 10.00 55.00 1.53 8.44 1.81 9.78 1.78 9.78 0.3 0.25 0.2 6 34 7 34 10 49 3 7.542 8.034 8.288 1.81 9.96 1.93 10.94 1.99 10.94 7 40 8 40 10 55 3.5 7.944 8.689 9.518 1.91 10.49 2.09 12.56 2.28 12.56 7 42 8 42 11 63 4 9.406 9.305 9.446 2.26 12.42 2.23 12.47 2.27 12.47 8 50 10 50 12 63 4.5 9.308 9.641 8.396 2.23 12.29 2.31 11.08 2.02 11.08 8 50 9 50 12 56 dane uzyskane z pomiarów w laboratorium dane zadane na podstawie pomiarów terenowych szacunkowa ilość potrzebych reaktorów do oczyszczenia jeziora o zadanych parametrach Tabela 11: Obliczenia obciążenia ładunkiem organicznym złoża oraz oszacowanie wymaganej liczby bioreaktorów w do oczyszczania zbiornika 27

Podsumowanie Projekt został zrealizowane a założone cele spełnione: Zgodnie z harmonogramem: zrealizowano założone zadania w ramach prowadzonego projektu. 1. Zakupiono materiały instalacyjne. 2. W ramach usług wykonano bioreaktory oraz infrastrukturę aeracji liniowej. 3. Wykonano testy hydrauliczne bioreaktora w basenie Kat.IWiS. 4. Przeprowadzono testy efektywności oczyszczania przez złoże MBBR na modelu laboratoryjnym dla ścieków komunalnych 5. Podpisano umowę licencyjną z jednostką prywatną w celu wdrożenia wytworzonej technologii. 6. Testy hydrauliczne pozwoliły na określenie podstawowych parametrów pracy bioreaktorów, są one niezbędne dla końcowego etapu instalacji bioreaktorów w terenie, w celu właściwego ustawienia procesu. 7. Testy biotechnologiczne pozwoliły na zgrubne określenie efektywności oczyszczania ścieków przez złoże. a. Usuwanie ChZT, BZT5, zawiesiny b. Redukcja biogenów c. Były one niezbędne dla zgrubnej konfiguracji pracy bioreaktorów w odniesieniu do realizacji procesu oczyszczania związków organicznych i biogenów w bioreaktorach (wprowadzonych do zanieczyszczonych zbiorników). 8. W celu modelowania właściwej kinetyki procesu niezbędne będzie monitorowanie początkowego etapu pracy bioreaktorów w zbiornikach przy zestawie charakterystycznych parametrów środowiskowych. 9. Wykonano teoretyczne obliczenia kinetyki procesu przy założonych obciążeniach złoża, niemniej jednak są to dane teoretyczne i dla każdego zestawu innych warunków środowiskowych będą one się zmieniać w różnym zakresie. Niezbędna zatem będzie każdorazowa kalibracja modeli pracujących bioreaktorów w różnych zbiornikach wymagających rekultywacji. 28

Literatura 2) Ivanovic I. and Leiknes T. (2008). Impact of aeration rates on particle colloidal fraction in the biofilm membrane bioreactor (BF-MBR). Desalination, 231(1), 182-190. 3) Leiknes T. and Ødegaard H. (2007). The development of a biofilm membrane bioreactor. Desalination, 202(1), 135-143. 4) McQuarrie J. P. and Boltz J. P. (2011). Moving bed biofilm reactor technology: process applications, design, and performance. Water Environment Research,83(6), 560-575. 29