Εγκαταστάσεις ακινητοποιημένης καλλιέργειας μικροοργανισμών

Transcript

1 Εγκαταστάσεις ακινητοποιημένης καλλιέργειας μικροοργανισμών Μικροοργανισμοί (συσσωματώματα μέσα σε διακυτταρική πηκτή) «προσκολλημένοι σε ένα αδρανές μέσο στερεό πληρωτικό υλικό χαλίκια αρχικά (χαλικοδιϋλιστήρια), πλαστικά στη συνέχεια μεγάλης ειδικής επιφάνειας (m /m 3, m /g) χαμηλού ειδικού βάρους ειδικής διαμόρφωσης, ώστε να μην παγιδεύονται εύκολα στερεά στα διάκενα και να εξασφαλίζεται μεγάλος χρόνος παραμονής του υγρού ομοαξονικοί δίσκοι από πλαστικό υλικό που περιστρέφονται στο υγρό πληρωτικό υλικό βιομάζα οργανικά CO Ο στρώμα υγρού αέρας Εμβολική ροή του υγρού και του αέρα Πλήρης ανάμειξη του υγρού, περιοδική έκθεση του βιολογικού υμενίου στον αέρα 1

2 Βιολογικοί (περιστρεφόμενοι) δίσκοι (Rotating Biological Contactors) Βιολογικά φίλτρα (trickling filters): πληρωτικό υλικό χαλίκια

3 Βιολογικά φίλτρα (trickling filters): πληρωτικό υλικό πλαστικό 3

4 Διαμορφώσεις πλαστικού πληρωτικού υλικού Γενικές αρχές Βραδύτερο στάδιο για τα διαλυτά οργανικά η διάχυση στη βιολογική στοιβάδα για τα αιωρούμενα η υδρόλυση Η απομάκρυνση των διαλυτών στερεών συσχετίζεται περισσότερο με το σχήμα του πληρωτικού υλικού παρά με την ειδική επιφάνειά του (υγρό οριακό στρώμα) Αύξηση του υδραυλικού φορτίου οριακό στρώμα, διάχυση/βιοαποδόμηση χρόνος παραμονής, συγκέντρωση εξόδου Τα κολλοειδή στερεά προσροφώνται στη βιολογική στοιβάδα και την αδρανοποιούν Η αδρανοποίηση ελαττώνεται με το βάθος του βιόφιλτρου Επιφανειακή υδραυλική φόρτιση του αποβλήτου (χαμηλή/υψηλή) τοπικές περιοχές μη διαβροχής αδρανοποίηση της βιολογικής λάσπης Έκπλυση βιόμαζας, υπερχείλιση «καταστροφή» συστήματος Η θερμοκρασία έχει μικρή επίδραση στα χαρακτηριστικά εξόδου του αποβλήτου 4

5 Εξισώσεις σχεδιασμού Κατά βάση εμπειρικές Ιστορικά: αντιμετώπιση του αντιδραστήρα ως «μαύρο κουτί» Επιστημονικά: αδυναμία αντιμετώπισης των φαινομένων που λαμβάνουν χώρα σε διατάξεις τέτοιου τύπου τοπικές ανομοιομορφίες που οφείλονται όχι σε κακό σχεδιασμό αλλά στη λειτουργία αυτή καθεαυτή της συγκεκριμένης διάταξης/κατασκευής και στην αδυναμία πραγματοποίησης πειραματικών μετρήσεων των παραμέτρων που χρειάζονται για να δομηθεί ένα αυστηρό μαθηματικό πρότυπο Μεταβατικές συνθήκες, χωρική εναλλαγή των χρονικών φάσεων ανάπτυξης των μικροοργανισμών Ημιεμπειρικές εξισώσεις σχεδιασμού Κατανάλωση υποστρώματος d n Q k (1949) dv (1958) n = 1, με κατάλληλη προσαρμογή του k πού εμφανίζεται η συγκέντρωση των μικροοργανισμών;;; (1963) με ' exp k και Z k k.a, K n Q A 0 ' K k A Α s ειδική επιφάνεια, Q A η υδραυλική φόρτιση (=Q/Α), k, m, n σταθερές m με ανακυκλοφορία, Q η συνολική παροχή k n Q e A Αλλά και ' 0 R ' k, με και 0 0 n Q 1 R R e A 1 R Q η παροχή πριν την ανακυκλοφορία QR R Q 5

6 Περιορισμοί για την υδραυλική φόρτιση Ελάχιστη τιμή για πλήρη διαβροχή 3 As MWR 0.043, m 3 /m 5 /d 1 4 ε το πορώδες του πληρωτικού υλικού φ παράγοντας σχήματος (shape factor), (το πηλίκο της επιφάνειας μιας σφαίρας που έχει τον ίδιο όγκο με το «σωματίδιο» προς την επιφάνεια του σωματιδίου) 0.94 για χαλίκια, για πλαστικά υλικά 4 Μέγιστη τιμή UIR, για ε < A. 74 s UIR, για ε > 0.5, m 3 /m /d 3 A για s 1 παράσυρση του μικροβιακού στρώματος για πλημμύρισμα (flooding) του φίλτρου Αερισμός βιολογικού φίλτρου 1 Λόγω διαφοράς πίεσης από τη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ αέρα και υγρού αποβλήτου Θα πρέπει να εξασφαλίζεται επαρκής κυκλοφορία αέρα για την ανανέωση του οξυγόνου που καταναλώνεται z 1 Θεωρητικά P z dz, cm HO (1.α) w Εμπειρικά P , cm H O (1.β) 73 T 73 Τα Τλ Tφ Τ με Ζ σε m, Τ σε ο C α ln Τ λ u u u P g Re d g Λόγω ροής (CG), cm H O () d φ χαρακτηριστική διάμετρος (4.r H ), r H το πηλίκο διατομής του υλικού προς τη βρεχόμενη περίμετρο Από (1), () u φ παροχή αέρα 6

7 Αερισμός βιολογικού φίλτρου Εναλλακτικά u , cm/ s Απαίτηση σε οξυγόνο F O Q f 0 BOD 1.4 F f BOD συντελεστής μετατροπής του ολικού BOD σε BOD ο στοιχειομετρικός συντελεστής κατανάλωσης οξυγόνου από τους μικροοργανισμούς (g/g) Προσεγγιστικά FO 0 Q 11.4a 1, α 1 < 0.8 Σχεδιασμός εγκατάστασης βιολογικού φίλτρου 1 Δεδομένα Υδραυλική παροχή και συγκέντρωση αποβλήτου Απαίτηση Συγκέντρωση στην έξοδο της εγκατάστασης Υπολογισμός Του όγκου της απαιτούμενης δεξαμενής Επιλογή πληρωτικού υλικού Επιλογή διάταξης μιας βαθμίδας Επιλογή ρυθμού ανακυκλοφορίας Επιλογή βάθους (τυπικά 1 3 μέτρα) Από τις διαθέσιμες σχέσεις, υπολογισμός της υδραυλικής φόρτισης Αν είναι έξω από τα εμπειρικά όρια για πλήρη διαβροχή ή πλημμύριση, επιλογή άλλου ζεύγους βάθους ανακυκλοφορίας και επανάληψη των υπολογισμών Υπολογισμός της διατομής του φίλτρου (επιλογή αν θα είναι τετραγωνική ή κυκλική). 7

8 Σχεδιασμός εγκατάστασης βιολογικού φίλτρου Η διαδικασία επαναλαμβάνεται για σύστημα δυο βαθμίδων (παράμετροι οι μερικές αποδόσεις Ε i. Επιλογή της πρώτης καθορίζει αυτόματα τη δεύτερη. Αναζητείται τέτοιο Ε 1 ώστε ο συνολικός όγκος V 1 +V να είναι ο ελάχιστος (γραφικά ή αναλυτικά). Γι αυτές τις τιμές Ε 1 και Ε υπολογίζονται οι υδραυλικές φορτίσεις. Γίνονται οι ίδιοι, όπως πριν, έλεγχοι. Τελική σύγκριση μεταξύ συστημάτων διαφορετικού αριθμού βαθμίδων δίνει τη βέλτιστη λύση. Της απαίτησης σε αέρα Αν δεν επαρκεί ο φυσικός αερισμός Πρόβλεψη για φυσητήρα Διάνοιξη οπών κοντά στη βάση του φίλτρου για να βοηθηθεί η ροή του αέρα. Τιμές παραμέτρων σχεδιασμού βιολογικών φίλτρων Τύπος διεργασίας Συμβατική Υψηλού φορτίου Χαμηλού φορτίου F A, kgbod 5 /m.d Ζ, m R Q * A, m 3 /m.d Δ(BOD 5 ), % * Για πλαστικό πληρωτικό υλικό, έως και 190 Πριν το βιολογικό φίλτρο πρέπει να υπάρχει δεξαμενή πρωτοβάθμιας καθίζησης αποφυγή φραγής των διακένων Ασυνεχής παραγωγή λάσπης αποκόλληση και παράσυρση συσσωματωμάτων νεκρών μικροοργανισμών αποκόλληση και παράσυρση σωσσωματωμάτων λόγω υπερβολικής υδραυλικής φόρτισης Καθίζηση λάσπης όπως η πρωτοβάθμια 8

9 Εύρεση βιοαποδομήσιμου ποσοστού COD Υγρό απόβλητο από ένα χοιροτροφείο έχει αρχική συγκέντρωση o =10500 mg COD/L. Το απόβλητο αυτό δοκιμάστηκε σε πειραματική εγκατάσταση, που αποτελείται από ένα βιόφιλτρο ύψους,5 m και διαμέτρου 7,5 cm. Η τροφοδοσία του αποβλήτου γίνεται μέσω μιας δοσομετρικής αντλίας η οποία έχει δυνατότητα ρύθμισης της παροχής της από 0 μέχρι 15 L/h και ένα σύστημα διασποράς του αποβλήτου στην επιφάνεια του βιοφίλτρου. Παραπλεύρως του βιοφίλτρου υπάρχουν έξι δειγματολήπτες. Να προσδιοριστεί η εξίσωση σχεδιασμού για τα παρακάτω πειραματικά αποτελέσματα: Βάθος Βιόφιλτρου Ογκομετρική φόρτιση Q A, m 3 /m /d Ζ, m 5 7,5 10 1, ,5 0, , , , , BOD5? Δοκιμές για την τιμή που θα δώσει την καλύτερη συσχέτιση των πειραματικών δεδομένων (n, K) Για κάθε Q A βρίσκουμε K/Q n A Από τα ζεύγη Q A, K/Q An βρίσκουμε K, n Για διάφορες τιμές υπολογίζουμε R 9