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 najważniej-

szych czynników warunkujących skuteczną pracę bloku biologicznego. Wyznaczenie charakterystyki hydro-

dynamicznej komór osadu czynnego jest konieczne np. podczas budowy modelu oczyszczalni ścieków.

Jedną z metod pozwalającą na jej wyznaczenie są badania znacznikowe. W artykule przedstawiono meto-

dykę, wyniki oraz interpretację dwóch testów znacznikowych przeprowadzonych w komorach beztleno-

wych 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 wymiesza-

niu. 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 wprowadze-

niu 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 gene-

rowana 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 prze-

znaczony na budowę takiego modelu jest zbyt mały i nie pozwala na przeprowadzenie

eksperymentów umożliwiających oszacowanie parametrów i identyfikację charaktery-

styki hydrodynamicznej komór. W takich sytuacjach w przypadku komór cyrkulacyj-

__________

* Instytut Inżynierii Ochrony Środowiska, Politechnika Wrocławska, pl. Grunwaldzki 9, Wrocław,

marta.knap@pwr.wroc.pl.

M. KNAP i in. 286

nych stosuje się modele reaktorów o pełnym wymieszaniu o parametrach wynikają-

cych z ich geometrii [2] jest to jednak tylko uproszczenie. Dokładne badania przepro-

wadzone przez De Clercqa i in. [3] pokazały, że w przypadku komór cyrkulacyj-

nych 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 znacz-

nika 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 przedsięwzię-

ciem trudnym (głównie z uwagi na specyficzne właściwości osadu czynnego oraz

bardzo duże kubatury badanych obiektów) i wymaga wyboru "odpowiedniego" znacz-

nika [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 Rodami-

ny B miała być Rodamina WT, która charakteryzuje się mniejszą podatnością na sorp-

cję 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 impul-

sowo 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 bez-

tlenowej ciągu II - rysunek 1.) pobrano próbki kontrolne (zerowe) w celu wyznaczenia

wartości tła. Następnie w ustalonych wcześniej odstępach czasu, przy użyciu próbko-

pobieraków , z wyznaczonych punktów pomiarowych (miejsca oznaczone literami A,

B, C dla komory beztlenowej ciągu I i D, E, F dla komory beztlenowej ciągu II - rysu-

nek 1.) pobrano kolejne próbki. Wszystkie próbki (natychmiast po pobraniu) przesą-

czono przez sączki średnie i wyznaczono w nich stężenia Rodaminy WT (na podsta-

wie krzywej wzorcowej sporządzonej metodą wielokrotnych rozcieńczeń [6]). Dane

dotyczące masy znacznika, miejsc poboru próbek oraz czasów trwania eksperymen-

tów 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 Miejsca poboru prób

Komora

beztlenowa, ciąg I 100 6

1. dopływ do komory (A)

2. odpływ z komory (B)

3. dopływ rec. zew. (C)

Komora

beztlenowa ciąg II 100 6

1. dopływ do komory (D)

2. odpływ z komory (E)

3. dopływ rec. zew. (F)

3.2. WYZNACZENIE ZASTĘPCZYCH MODELI HYDRODYNAMIKI REAKTORÓW

Zastępcze modele hydrodynamiczne komór wyznaczono metodą symulacyjną po-

legającą 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 biodegra-

dacji 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 wskaza-

nia przepływomierza ścieków surowych oraz założono równy rozdział ścieków

pomiędzy oba ciągi. Założenie to mogło być poczynione gdyż skala nierów-

M. KNAP i in. 288

nomierności rozdziału strumienia ścieków mechanicznie oczyszczonych na

dwa równoległe ciągi jest niewielkim ułamkiem sumarycznego natężenie prze-

pływu 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 bada-

na komora) w czasie trwania eksperymentów oraz objętości i wymiary bada-

nych 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 1200 1200

Długość, m 38,6 38,6

Szerokość, m 8,0 8,0

Natężenie przepływu ścieków

surowych (do ciągu), m3/d 8655 7656

Natężenie przepływu recyrkulacji

zewnętrznej, m3/d 17280 17280

4. WYNIKI ORAZ DYSKUSJA

4.1.WYNIKI EKSPERYMENTÓW ZNACZNIKOWECH

Wartości stężeń znacznika w odpływie z badanych komór beztlenowych, w do-

pływie 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 mecha-

niczne 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

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).

0

20

40

60

80

100

120

140

0 1 2 3 4 5 6

Stę

żen

ie µ

g/d

m3

Czas, h

Odpływ, stężenie µg/dm3 Dopływ, stężenie µg/dm3

Rec. zew., stężenie µg/dm3

M. KNAP i in. 290

Rysunek 4. Hipotetyczne modele zastępcze dla komory beztlenowej wygenerowane metodą symulacyjną

wraz z wynikami eksperymentu znacznikowego dla komory beztlenowej ciągu I

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 od-

pływie z komory w początkowej fazie eksperymentu (lepiej widoczne dla ekspery-

mentu 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-

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 1 2 3 4 5 6

Stę

żen

ie µ

g/d

m3

Czas, h 1 komora 2 komory 3 komory Eksperyment

Badania znacznikowe charakterystyki hydrodynamicznej cyrkulacyjnych komór osadu czynnego 291

trzebuje, aby pokonać drogę z dopływu do reaktora do odpływu przy założeniu typo-

wej 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 objęto-

ści 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 beztle-

nowych oczyszczalni ścieków miasta Leszna potwierdziły, że charakter mieszania

w komorach cyrkulacyjnych jest zbliżony do charakteru mieszania w idealnych reak-

torach o pełnym wymieszaniu. Wiadomo jednak że w rzeczywistości reaktory idealne

występują niezwykle rzadko (lub w ogóle nie występują) i poza wyjątkowymi przy-

padkami za pomocą modelu reaktora o pełnym wymieszaniu nie da się bardzo dokład-

nie 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 potrzebu-

je, 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 znacz-

nika w kolejnych punktach pomiarowych (od ok. 15 min eksperymentu - po wyga-

śnięciu oscylacji).

Ponadto w czasie typowej eksploatacji oczyszczalni ścieków sytuacje, kiedy

w bardzo krótkim czasie (rzędu kilku minut) dopływa jednorazowo bardzo duży ładu-

nek zanieczyszczenia (tj. impuls znacznika w eksperymencie znacznikowym) nie wy-

stępują, dlatego też przyjęte uproszczenia nie wpłyną negatywnie na walory użytkowe

modelu.

Wyznaczona podczas eksperymentów znacznikowych prędkości przepływu cyrku-

lacyjnego 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.

M. KNAP i in. 292

Człowiek - najlepsza inwestycja

Zadanie współfinansowane ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu

Społecznego

LITERATURA

[1] ILLER E.: Badania znacznikowe w inżynierii procesowej. WNT, Warszawa, 1992

[2] 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

[3] DE CLERCQ B., COEN F., VANDERHAEGEN B., VANROLLEGHEM P.: Calibrating simple

models for mixing and flow propagation in wastewater treatment plants. Water Science and Tech-

nology 39(4), str. 61-69, 1999

[4] METCALF & EDDY, Inc.: Wastewater Engineering: Treatment and Reuse, wyd. 4, McGraw-Hill,

New York, 2004

[5] KÄSS W.: Tracing technique in geohydrology, A.A Balkema, Rotterdam, Brookfield, 1998

[6] 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 reac-

tors is similar to the hydrodynamics of completely mixed reactor. Tracer tests also allowed to estimate the

circulation flow velocity.