Numerical model for simulating the hydraulic parameters of the aeration system ensuring equal oxygenation of the compost hea

• Autorzy: Sidełko Robert , Boruszko Dariusz

Identyfikatory

DOI

10.24425/aep.2024.149435

Warianty tytułu

PL

Model numeryczny do symulacji parametrów hydraulicznych układu napowietrzania zapewniającego równomierne natlenienie pryzmy kompostowej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The aim of the work was to develop a mathematical model using equations of fluid mechanics that describe the dynamics of air flow in a part of the compost aerating system integrated with a stationary reactor. The results of the simulation show that adjusting the flow resistance along the entire length of the compost aerating duct, depending on the distance from the connection of the duct with the fan's pressure conduit pipe through gradually increasing the air outflow area by increasing the number of repeatable gaps, yields a uniform pressure distribution above the grate. The process parameters used for computation were relevant to composting a subscreen fraction separated from mixed municipal waste using 80 mm mesh screen (Fr<80 mm) under real conditions. Microsoft EXCEL 2010 software and STATISTICA version 13.3 by StatSoft were used for numerical and statistical analysis of the test results. The research results are presented in four tables and five figures and discussed in the text of the article. During tests performed in real conditions, various variants were tested for reactor filling level and air outflow active surfaces in subsequent grate parts (Fc (i)). It was found that the target waste layer thickness i.e. 3.0 m and Fc (i) changes, in accordance with the values of the developed model, result in a stable pressure distribution pd, amounting to 1506 Pa and 1495 Pa at the grate front and end part.

PL

. Celem pracy było opracowanie modelu matematycznego wykorzystującego równania mechaniki płynów, które opisują dynamikę przepływu powietrza w części instalacji napowietrzającej kompost zintegrowanej z reaktorem stacjonarnym. Wyniki przeprowadzonej symulacji pozwalają stwierdzić, że regulacja oporów przepływu na całej długości kanału napowietrzającego kompost w zależności od odległości od połączenia kanału z przewodem ciśnieniowym wentylatora poprzez stopniowe zwiększanie powierzchni wypływu powietrza poprzez zwiększanie liczby powtarzalnych szczelin, zapewnia równomierny rozkład ciśnienia nad rusztem. Parametry procesu przyjęte do celów obliczeniowych były odpowiednie dla kompostowania frakcji podsitowej w warunkach rzeczywistych wydzielonej ze zmieszanych odpadów komunalnych za pomocą sita o oczkach 80 mm (Fr<80 mm). Do analizy numerycznej i statystycznej wyników badań wykorzystano oprogramowanie Microsoft EXCEL 2010 firmy oraz STATISTICA firmy StatSoft w wersji 13.3. Wyniki badań przedstawiono w czterech tabelach i pięciu rysunkach oraz omówiono w tekście artykułu. Wyniki uzyskane w warunkach rzeczywistych wskazują, że opracowany model pozwala na prawidłowe zaprojektowanie perforacji kraty odpowiadającej za równomierne napowietrzenie kompostu. W trakcie badań przeprowadzonych w warunkach rzeczywistych, gdy badano różne warianty stopnia napełnienia reaktora i powierzchni czynnych wypływu powietrza w kolejnych częściach rusztu (Fc (i)) stwierdzono, że docelowa grubość warstwy odpadów tj. 3,0 m oraz zmiany Fc (i), zgodnie z wartościami opracowanego modelu, skutkują stabilnym rozkładem ciśnień pd wynoszącym 1506 Pa i 1495 Pa w części czołowej i końcowej kraty.

Słowa kluczowe

EN

composting; waste; mathematical modelling; aeration

PL

kompost; model matematyczny; odpady; natlenienie

• Wydawca: Institute of Environmental Engineering, Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Environmental Protection
• Rocznik: 2024
• Tom: Vol. 50, no 1
• Strony: 87--94
• Opis fizyczny: Bibliogr. 28 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Sidełko Robert

• Koszalin University of Technology, Poland

autor

Boruszko Dariusz

• Bialystok University of Technology, Poland

• https://orcid.org/0000-0001-5160-8938+

Bibliografia

• 1. Bernat, K., Kulikowska D., Wojnowska-Baryła, I. & Kamińska A. (2022). Can the biological stage of a mechanical biological treatment plant that is designed for mixed municipal solid waste be successfully utilized for effective composting of selectively collected biowaste, Waste Management, 149, pp. 291-301. DOI:10.1016/j.wasman.2022.06.025
• 2. Cui, C., Zhang, X. & Cai W. (2020). An energy-saving oriented air balancing method for demand controlled ventilation systems with branch and black-box model, Appl. Energy, 264, 11473. DOI:10.1016/j.apenergy.2020.114734
• 3. Frederickson, J., Boardman, C.P., Gladding, T.L., Simpson, A.E., Howell G. & Sgouridis, F. (2013). Biofilter performance and operation as related to commercial composting. US Environment Agency 2013.
• 4. Gałwa-Widera, M. & Kwarciak-Kozłowska, A. (2016). Methods for elimination of odor in the composting process, Rocznik Ochrona Środowiska, 18, pp. 850-860.
• 5. Guohui, G. (2017). Dynamic thermal simulation of horizontal ground heat exchangers for renewable heating and ventilation of buildings, Renewable Energy, 103, pp. 361-371. DOI:10.1016/j.renene.2016.11.052
• 6. https://www.horstmann.pl
• 7. https://www.aknova.pl
• 8. https://www.sutco.pl
• 9. Jędrczak, A. & Den Boer, E. (2015). Final report of the 3rd stage of an expert opinion aimed at conducting waste tests in 20 installations for mechanical-biological waste treatment. https://sdr.gdos.gov.pl/Documents/GO/Ekspertyzy.
• 10. Kisielewska, M., Dębowski, M. & Zieliński, M. (2020). Comparison of biogas production from anaerobic digestion of microalgae species belonged to various taxonomic groups. Archives of Environmental Protection, vol. 46, pp. 33-40. DOI:10.24425/aep.2020.132523
• 11. Klimek, A., Rolbiecki, S. & Rolbiecki R. (2018). Effects of mulching with forest litter and compost made of sewage sludge on the presence of oribatida as bioindicators of soil revitalization in larch and pine in-ground forest nurseries, Rocznik Ochrona Środowiska, 20, pp. 681-696.
• 12. Lanzerstorfer, Ch., Neder, F. & Schmied, R. (2016). Constant design air flow industrial ventilation systems with regenerative dust filters: Economic comparison of fan speed-controlled air damper controlled and uncontrolled operation, Energy and Buildings, 128, pp. 503–510. DOI:10.1016/j.enbuild.2016.07.032
• 13. Lubczyńska, U. (2017). Applied hydraulic in environmental engineering. Publishing House, Kielce University of Technology, 2017.
• 14. Nguyen, T.P., Koyama, M. & Nakasaki, K. (2022). Effects of oxygen supply rate on organic matter decomposition and microbial communities during composting in a controlled lab-scale composting system, Waste Management, Vol. 153, pp. 275-282. DOI:10.1016/j.wasman.2022.09.004
• 15. Nogueira Da Silva Vilela, R., Amorim Orrico, C.A., Previdelli Orrico Junior, M.A., Aspilcueta Borquis, R.R., Dias de Oliveira, M.T.J., De Avila M. R., Torres dos Santos, F. & Viana Leite, B.K. (2022). Effects of aeration and season on the composting of slaughter house waste, Environmental Technol. & Innov, 27, 102505. DOI:10.1016/j.eti.2022.102505
• 16. Pączka, G., Garczyńska, M., Mazur-Pączka, A., Podolak, A., Szura, R., Skoczko, I. & Kostecka, J. (2018). Vermicomposting of sugar beet pulps using Eisenia Fetida (sav.) earthworms, Rocznik Ochrona Środowiska, 20, pp. 588-601.
• 17. Ross, H. (1995). Hydraulik der wasserheizung Oldenbourg, Verlag GmbH, Monachium 1995. Rudnik E. (2019). Chapter 5 - Composting methods and legislation, Compostable Polymer Materials 2.nd Edition, pp. 127-161. DOI:10.1016/b978-0-08-099438-3.00005-7
• 18. Sadeghi, S., Nikaeen, M., Mohammadi, F., Nafez, A.H., Gholipour, S., Shamsizadeh, Z. & Hadi, M. (2022). Microbial characteristics of municipal solid waste compost: Occupational and public health risks from surface applied compost, Waste Management, 144, pp.98-105. DOI:10.1016/j.wasman.2022.03.012
• 19. Sidełko, R., Janowska, B., Szymański, K., Mostowik, N. & Głowacka, A. (2019). Advanced methods to calculation of pressure drop during aeration in composting process, Science of the Total Environment, 674, pp. 19-25. DOI:10.1016/j.scitotenv.2019.04.155
• 20. Sidełko, R., Seweryn, K. & Walendzik, B. (2011). Optimization of Composting Process in Real Conditions, Rocznik Ochrona Środowiska, 13, pp. 681-691.
• 21. Sidełko, R. & Chmielinska-Bernacka, A. (2013). Application of Compact Reactor for Methane Fermentation of Municipal Waste, Rocznik Ochrona Środowiska, 15, pp. 683-693.
• 22. Singley, M.E., Higgins, A.J. & Frumkin-Rosengaus, M. (1982). Sludge composting and utilization- A design and operating manual, New Jersy Arg. Expt. Sta., Rutgers Utility, 1982.
• 23. Sundberg, C. & Jönsson, H. (2008). Higher pH and faster decomposition in biowaste composting by increased aeration, Waste Management, Vol. 28, pp. 518-526. DOI:10.1016/j.wasman.2007.01.011
• 24. Szymański, K., Janowska, B., Sidełko, R. & Siebielska, I. (2007). Monitoring of waste landfills, VIII National Polish Scientific Conference on Complex and Detailed Problems of Environmental Engineering, Issue 23, pp. 75-133.
• 25. Vaverkova, M.D., Elbl, J., Voberkova, S., Koda, E., Adamcova, D., Gusiatin, Z.M., Abd, Al Rahman, Radziemska, M. & Mazur, Z. (2020). Composting versus mechanical–biological treatment: Does it really make a difference in the final product parameters and maturity, Waste Management, 106, pp. 173-183. DOI:10.1016/j.wasman.2020.03.030
• 26. Yi, W., Ran, G. Li, A., Zhiguo, G., Ni, Q., Yang, Y., Liu, B. & Du, Y. (2022). Air balancing method of multibranch ventilation systems under the condition of nonfully developed Flow, Boulding and Environment, 223. DOI:10.1016/j.buildenv.2022.109468
• 27. Wang, X., Bai, Z., Yao, Y., Gao, B., Chadwick, D., Chen, Q., Hu, Ch. & Ma, L. (2018). Composting with negative pressure aeration for the mitigation of ammonia emissions and global warming potential, J. of Cleaner Production, 195 (10), pp. 448-557. DOI:10.1016/j.jclepro.2018.05.146
• 28. Zhou, Y., Xiao, R., Klammsteiner, T., Kong, X., Yan, B., Mihai, F.C., Liu, T., Zhang, Z. & Awasthi, K.M. (2022). Recent trends and advances in composting and vermicomposting technologies: A review, Bioresources Technology, 360, 127591. DOI:10.1016/j.biortech.2022.127591

Uwagi

PL

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2024).