Badania i ocena możliwości stosowania zwężki kawitacyjnej do intensyfikacji procesu fermentacji osadów ściekowych

• Autorzy: Mirota K. , Grűbel K. , Machnicka A.

Warianty tytułu

EN

Design and assessment of cavitational device for enhancement of sewage sludge fermentation

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Metoda kawitacji hydrodynamicznej (przepływowej) jest jedną z bardziej obiecujących metod do wstępnej przeróbki osadów ściekowych. W jej następstwie dochodzi do silnej destrukcji i rozrywania mikroorganizmów osadu czynnego, a dzięki temu do uwalniania i przyrostu ilości substancji organicznych w cieczy nadosadowej. Celem badań był dobór optymalnej postaci zwężki kawitacyjnej do dezintegracji osadu czynnego przeznaczonego do fermentacji. Posługując się metodami symulacji numerycznych (CFD) rozpatrzono wiele postaci geometrycznych zwężki, charakteryzujących się stałą wartością liczby kawitacji. Przepływ turbulentny płynu opisano za pośrednictwem modelu RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes). Uzyskane rozkłady pól ciśnień posłużyły do wyboru trzech najbardziej obiecujących postaci geometrycznych zwężki, które poddano następnie ocenie eksperymentalnej. Skuteczność dezintegracji osadu czynnego scharakteryzowano za pomocą przyrostu wartości ChZT cieczy osadowej. Dodatkowo do oceny badanego procesu wprowadzono wskaźnik w postaci stopnia dezintegracji (DDM) obliczony metodą Müllera. Wykazano, że po 30 min dezintegracji osadu wartość ChZT wzrosła 3,65-krotnie, a obliczony stopień jego dezintegracji osiągnął 42%. Przeprowadzone następnie próby fermentacji mezofilnej osadu zdezintegrowanego metodą hydrodynamiczną w zwężce kawitacyjnej przyniosły znaczący (prawie dwukrotny) przyrost produkcji biogazu. Wskazuje to na celowość zastosowania tej metody przeróbki osadów w skali technicznej.

EN

Hydrodynamic cavitation is amongst the most promising methods of sewage sludge pretreatment. With this method, strong destruction and disruption of the sewage sludge microorganisms, and consequently an increment in the quantity of organic matter in the supernatant can be achieved. The aim of this study was to find the optimal design of the cavitational device for disintegrating the sewage sludge intended for fermentation. Making use of the CFD (Computational Fluid Dynamics) simulation methods, a variety of configurations with a constant cavitation number was considered and evaluated. Turbulent fluid flow was described in terms of the RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes) model. With the pressure field distributions obtained in this way it was possible to choose three very promising geometries of the cavitational device, which were then made subject to experimental verification. The efficiency of sewage sludge disruption was established in terms of the increment in the COD value of the supernatant. The investigated process was additionally assessed using the coefficient DDM (Degree of Disintegration) calculated by Müller's method. It has been demonstrated that after 30-minute disintegration the COD value increased 3.65fold, and the calculated value of DDM was 42%. Mesophilic digestion tests conducted in the cavitational device with sewage sludge samples disintegrated by the hydrodynamic method brought about a significant (approximately twofold) increase in biogas production. These findings substantiate the applicability of the proposed sewage sludge pretreatment method on a technical scale.

Słowa kluczowe

PL

osad czynny recyrkulowany; dezintegracja; modelowanie numeryczne; stopień dezintegracji

EN

recirculated activated sludge; disintegration

• Wydawca: Polskie Zrzeszenie Inżynierów i Techników Sanitarnych, Oddział Dolnośląski
• Czasopismo: Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2011
• Tom: Vol. 33, nr 1
• Strony: 47--52
• Opis fizyczny: Bibliogr. 25 poz., il., rys., wykr.

Twórcy

autor

Mirota K.

autor

Grűbel K.

autor

Machnicka A.

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

Bibliografia

• 1. C. BOUGRIER, C. ALBASI, J.P. DELGENES, H. CARRERE: Effect of ultrasonic, thermal and ozone pretreatments on waste activated sludge solubilisation and anaerobic biodegradability. Chemical Engineering and Processing 2006, Vol. 45, pp. 711–718.
• 2. L. HUAN, J. YIYING, R.B. MAHAR, W. ZHIYU, N. YONGFENG: Effects of ultrasonic disintegration on sludge microbial activity and dewaterability. Journal of Hazardous Materials 2009, Vol. 161, pp. 1421–1426.
• 3. K. HIROOKA, R. ASANO, A. YOKOYAMA, M. OKAZAKI, A. SAKAMOTO, Y. NAKAI: Reduction in excess sludge production in a dairy wastewater treatment plant via nozzle-cavitation treatment: Case study of an on-farm wastewater treatment plant. Bioresource Technology 2009, Vol. 100, pp. 3161–3166.
• 4. J. KOPP, J. MÜLLER, N. DICHTL, J. SCHWEDES: Anaerobic digestion and dewatering characteristics of mechanically excess sludge. Water Science and Technology 1997, Vol. 36, pp. 129–136.
• 5. T. KIM, S. LEE, Y. NAM, J. YANG, C. PARK, M. LEE: Disintegration of excess activated sludge by hydrogen peroxide oxidation. Desalination 2009, Vol. 246, pp. 275–284.
• 6. D. KIM, E. JEONG, S. OH, H. SHIN: Combined (alkaline-ultrasonic) pretreatment effect on sewage sludge disintegration. Water Research 2010, Vol. 44, pp. 3093–3100.
• 7. I. DOGAN, F. DILEK SANIN: Alkaline solubilization and microwave irradiation as a combined sludge disintegration and minimization method. Water Research 2009, Vol. 43, pp. 2139–2148.
• 8. L. CHU, S. YAN, X. XING, X. SUN, B. JURCIK: Progress and perspectives of sludge ozonation as a powerful pretreatment method for minimization of excess sludge production. Water Research 2009, Vol. 43, pp. 1811–1822.
• 9. M.R. SALSABIL, J. LAURENT, M. CASELLAS, C. DA-GOT: Techno-economic evaluation of thermal treatment, ozonation and sonication for the reduction of wastewater biomass volume before aerobic or anaerobic digestion. Journal of Hazardous Materials 2010, Vol. 174, pp. 323–333.
• 10. C.A. WILSON, J.T. NOVAK: Hydrolysis of macromolecular components of primary and secondary wastewater sludge by thermal hydrolytic pretreatment. Water Research 2009, Vol. 43, pp. 4489–4498.
• 11. J. MÜLLER: Disintegration as a key-step in sewage sludge treatment. Water Science and Technology 2000, Vol. 41, pp. 123–130.
• 12. J. MÜLLER: Pretreatment processes for the recycling and reuse of sewage sludge. Water Science and Technology 2000, Vol. 42, pp. 167–174.
• 13. Polska Norma PN-86/H-04426.
• 14. M.S. MIAH, C. TADA, Y. YANG: Aerobic thermophilic bacteria enhance biogas production. Journal Mater Cycles Waste Management 2005, Vol. 7, pp. 48–54.
• 15. A. TIEHM, K. NICKEL, M. ZELLHORN, U. NEIS: Ultrasonic waste activated sludge disintegration for improving anaerobic stabilization. Water Research 2001, Vol. 35, No. 8, pp. 2003–2009.
• 16. A. GRÖNROOS, H. KYLLÖNEN, K. KORPIJÄRVI, P. PIRKONEN, T. PAAVOLA, J. JOKELA, J. RINTALA: Ultrasound assisted method to increase soluble chemical oxygen demand (SCOD) of sewage sludge for digestion. Ultrasonics Sonochemistry 2005, Vol. 12, pp. 115–120.
• 17. X. YIN, P. HAN, X. LU, Y. WANG: A review on the dewaterability of bio-sludge and ultrasound pretreatment. Ultrasonic Sonochemistry 2004, Vol. 11, pp. 337–348.
• 18. S. YOON, H. KIM, S. LEE: Incorporation of ultrasonic cell disintegration into a membrane bioreactor for zero sludge production. Process Biochemistry 2004, Vol. 39, pp. 1923–1929.
• 19. C.E. BRENNEN: Fundamentals of Multiphase Flow. Cambridge University Press, New York 2005.
• 20. C.E. BRENNEN: Cavitation and Bubble Dynamics. Oxford University Press, New York 1995.
• 21. G. WANG, I. SENOCAK, W. SHYY, T. IKOHAGI, S. CAO: Dynamics of attached turbulent cavitating flows. Progress in Aerospace Sciences 2001, Vol. 37, pp. 551–581.
• 22. P.R. GOGATE, A.B. PANDIT: A review and assessment of hydrodynamic cavitation as a technology for the future. Ultrasonics Sonochemistry 2005, Vol. 12, pp. 21–27.
• 23. T.J. CHUNG: Computational Fluid Dynamics. Cambridge University Press, Cambridge 2002.
• 24. D. DRIKAKIS, B.J. GEURTS [Eds.]: Turbulent Flow Computation. Kluwer Academic Publishers, New York 2004.
• 25. E. ZBOROWSKA, A. MUSZYŃSKI, M. ŁEBKOWSKA, J. PODEDWORNA, M. ŻUBROWSKA-SUDOŁ: Badania składu jakościowego bakterii występujących w osadzie czynnym akumulującym polifosforany. Ochrona Środowiska 2010, vol. 32, nr 2, ss. 9–14.