Ocena skuteczności mieszania osadów w wydzielonych komorach fermentacyjnych na podstawie wyników symulacji numerycznej pola prędkości

• Autorzy: Gicala B. , Szatkowska E.

Identyfikatory

DOI

10.17512/ios.2017.3.9

Warianty tytułu

EN

Evaluation of sludge mixing effectiveness in digestion chambers based on numerical simulation results

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy zaproponowano sposób oceny skuteczności mieszania w wydzielonych komorach fermentacyjnych. Ocenę oparto o prostą analizę statystyczną rozkładu pola prędkości w komorze fermentacyjnej, obliczonego przy zastosowaniu metod numerycznej mechaniki płynów (CFD). Obliczenia symulacyjne prędkości przeprowadzono dla osadów o zawartości suchej masy 3,7; 5,0 i 6,5%. Do opisu właściwości reologicznych osadów zastosowano model Herschela-Bulkleya. Symulacje przeprowadzono dla dwóch kierunków pompowania - w górę i w dół. Obliczenia przeprowadzono dla zadanej, stałej prędkości obrotowej mieszadła 15,7 obr/min. Wyniki obliczeń przedstawiono w formie wykresów konturowych pól prędkości przepływu. Do oceny skuteczności mieszania zastosowano średnią arytmetyczną i medianę prędkości. Dodatkowy parametr stanowi wartość dystrybuanty rozkładu dla minimalnej prędkości przepływu, przyjętej jako graniczna. Wartość ta stanowi miarę udziału objętościowego „stref martwych” w komorze fermentacyjnej. W pracy porównano ponadto wartości mocy mieszania dla analizowanych przypadków.

EN

The most commonly used criterion for the selection of mixers for anaerobic digestion is the value of mixing power value (per unit volume). Another criterion for selection is the average mixing velocity gradient. Due to the fact that in some cases the above criteria are insufficient, the aim of the article was investigation of additional parameters, helpful especially in engineering practice during the mixers selection. The results of modelling of the sewage sludge flow in digestion chamber, carried out using Computational Fluid Dynamics (CFD) methods are presented in the paper. The sludges with total suspended solids (TSS) contend 3.7, 5.0 and 6.5% were taken in to account. The calculations were carried out for fixed rotational speed equal 15.7 rpm. Among models describing the rheological properties of the sludge, the Herschel-Bulkley model was used to describe the analysed case. The steady state simulation was carried out by for two pumping directions (top-down and down-top). The results of the calculations have been presented as velocity magnitude contour plots of the sewage sludges flow in the chamber. Its allows for a qualitative assessment of mixing effectiveness in the tank. Furthermore the surfaces of chosen velocity magnitude (0.1 m/s) were shown in the paper. The quantitative criteria of mixing effectiveness, based on statistical analysis of calculated velocity field were proposed. As the parameter of mixing effectiveness, the arithmetic average and median value of velocity magnitude distribution were assumed. Another parameter is cumulative distribution function for the minimum value of velocity which can be assumed as the measure of “dead zones” in the digestion chamber - the areas in which the flow velocity is close to zero or less than the assumed velocity considered as limit. The values of the mixing power were also compared. The above parameters can be used to compare different mixing methods, and to determine the optimal variant of the mixer construction from the viewpoint of the process requirements.

Słowa kluczowe

PL

stabilizacja beztlenowa; osady ściekowe; numeryczna mechanika płynów; mieszadła

EN

anaerobic digestion; sewage sludges; computational fluid dynamics; mixers

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Inżynieria i Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2017
• Tom: T. 20, nr 3
• Strony: 387--398
• Opis fizyczny: Bibliogr. 14 poz., il., wykr.

Twórcy

autor

Gicala B.

• Redor Sp. z o.o., ul. Grażyńskiego 71, 43-300 Bielsko-Biała

autor

Szatkowska E.

• Akademia Techniczno-Humanistyczna, Wydział Budowy Maszyn i Informatyki, ul. Willowa 2, 43-309 Bielsko-Biała

Bibliografia

• [1] Wu B., CFD analysis of mechanical mixing in anaerobic,Transactions of the ASABE 2009, 52, 4, 1371-1382.
• [2] Wu B., CFD simulation of gas and non-Newtonian fluid, Wat. Res. 2010, 44, 13, 3861-3874.
• [3] Klaczyński E., Cz. IV Oczyszczalnie ścieków - stabilizacja osadów, Wodociagi i Kanalizacja 2013, 11, 117, 44-45.
• [4] Meroney R.N., Colorado P.E., CFD simulation of mechanical draft tube mixing in anaerobic digester tanks, Wat. Res. 2009, 43, 4, 1040-1050.
• [5] Kaparaju P., Buendia I., Ellegaard L., Angelidakia I., Effects of mixing on methane production during thermophilic anaerobic digestion of manure: Lab-scale and pilot-scale studies, Bioresour. Technol. 2008, 99, 11, 4919-4928.
• [6] Forster C.F., The rheological and physico-chemical characteristics of sewage sludges, Enzyme Microb. Tech. 2001, 30, 340-345.
• [7] Khalili Garakani A.H., Mostoufi N., Sadeghi F., Hosseinzadeh M., Fatourechi H., Sarrafzadeh M.H., Mehrnia M.R., Comparison between different models for rheological characterization of activated sludge, Iran. J. Environ. Health. Sci. Eng. 2011, 8, 3, 255-264.
• [8] Ansys Inc., Ansys Fluent v 14.0, Theory guide, Ansys Inc, 2011.
• [9] Reynolds W., Fundamentals of turbulence for turbulence modeling and simulation, 1987.
• [10] Launder B.E., Spalding D.B., Lectures in Mathematical Models of Turbulence, Academic Press, London 1972.
• [11] Shih T.H., Liou W.W., Shabir A., Yang Z., Zhu J., A new k-e eddy-viscosity model for high Reynolds number turbulent flows - model development and validation, Comp. Fluids 1995, 24(3), 227-238.
• [12] Wu B., CFD investigation of turbulence models for mechanical, Wat. Res. 2011, 45, 2082-2084.
• [13] Markis F., Baudez J.-C., Parthasarathy R., Rheological characterisation of primary and secondary sludge: Impact of solids concentration, Chem. Eng. J. 2014, 253, 526-537.
• [14] Jóźwiak J., Podgórski J., Statystyka od podstaw, Polskie Wydawnictwo Ekonomiczne, Warszawa 1997.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).