Ecoterra, no. 28, 2011

101

SIMULAREA CURGERII NĂMOLULUI PRIN METANTANCUL DIN STAŢIA DE EPURARE CONSTANŢA SUD

Elena MANEA (STREITFERDT)1, Aurel PRESURĂ2, Doru Lucian MANEA1, Dan ROBESCU1

1S.C. RAJA S.A. Constanţa, 2Universitatea Politehnică Bucureşti

Abstract: Simulation of sludge flow through the anaerobic digester of Constanţa South wastewater treatment plant. The sludge resulting from biological treatment step in wastewater treatment is an active material immediately starts to ferment under anaerobic conditions. Anaerobic digestion is a common process in wastewater treatment due to lower operating costs. Due to the necessary enclosed conditions, it’s difficult to estimate the flow process in a full-scale anaerobic digester. The simulations aim to determine the optimal mixer type that can be used in order to obtain a homogenous environment in the anaerobic digester. Key words: anaerobic digestion, biogas, wastewater, mixing.

Introducere

Staţia de epurare Constanţa Sud deserveşte la epurarea apelor uzate provenite de pe întreg teritoriul municipiului Constanţa, precum şi necesităţile de epurare din perioada estivală, când populaţia în zonă, şi implicit debitele necesar a fi prelucrate, cresc semnificativ. Staţia de epurare Constanţa Sud a beneficiat permanent de îmbunătăţiri pentru a răspunde cerinţelor standardelor de mediu în vigoare referitoare la evacuarea apei epurate în Marea Neagră.

Scopul principal al cercetărilor efectuate asupra treptei de stabilizare anaerobă a nămolului a fost acela de a mări producţia de biogaz pentru utilizaea lui eficientă ca sursă neconvenţională de energie.

Factori ce influenţează descompunerea anaerobă

Factorii ce influenţează descompunerea materiilor organice şi de care depinde desfăşurarea procesului de producţie de biogaz sunt: temperatura, pH-ul, conţinutul de substanţe toxice, compoziţia nămolului introdus în metantanc, timpul de retenţie, omogenizarea în bazin [1, 2].

În cadrul staţiei de epurare Constanţa Sud, fermentarea anaerobă a nămolurilor provenite din procesele de epurare se desfăşoară în zona mezofilă, temperatura fiind cuprinsă între 30-35°C.

Cantitatea de biogaz ce poate rezulta în urma procesului de fermentare anaerobă depinde de compoziţia nămolului introdus în metantanc. Este necesară existenţa unui mediu nutritiv optim pentru dezvoltarea microorganismelor implicate în degradarea biologică a materiei organice. Pentru a preveni dereglarea proceselor metabolice, în bazinul de fermentare trebuie introduse cantităţi de substanţe organice corespunzătoare capacităţii de asimilare a bacteriilor existente. Este necesară evitarea pătrunderii în metantanc, o dată cu nămolul, a oricărei substanţe care inhibă activitatea microorganismelor metanogene sau care este letală pentru acestea, deoarece aceste substanţe prezintă un potenţial pericol pentru procesul de fermentare [3].

O condiţie esenţială pentru asigurarea unui randament optim în descompunea substanţelor organice şi obţinerea de biogaz, cu menţinerea unor reacţii metabolice în metantanc constante şi stabile este asigurarea unui contact cât mai uniform a nămolului proaspăt introdus cu bacteriile din bazinul de fermentare anaerobă [4, 5]. Două dintre aspectele pentru care este necesară amestecarea în metantanc sunt, pe de o parte împiedicarea formării unei cruste la suprafaţa nămolului din metantanc şi, pe de altă parte, evitarea formării depozitelor de nămol la partea inferioară a bazinului de fermentare. Apariţia crustei poate împiedica degajarea bulelor de gaz, influenţând astfel negativ desfăşurarea procesului de degradare anaerobă.

Tipul echipamentelor de omogenizare utilizat pentru amestecarea nămolului în metantancuri, precum şi regimul de funcţionare al acestor echipamente depinde atât de proprietăţile nămolului introdus, cât şi de capacitatea şi caracteristicile bazinului de fermentare anaerobă [6]. La alegerea unui tip de echipament pentru amestecarea nămolului în metantanc este necesar să se ţină cont şi de consumul de energie pentru omogenizare. Amestecarea conduce la reducerea gradienţilor

Ecoterra, no. 28, 2011

102

de concentraţie şi temperatură în cadrul procesului de degradare anaerobă, având un efect favorabil asupra transferului de masă şi căldură în nămol. Prin creşterea turbulenţei în metantanc se obţine o reînnoire permanentă a suprafeţei de contact, de asemenea cu efecte pozitive asupra fenomenelor de transfer necesare unei bune desfăşurări a procesului de degradare anaerobă [7, 8, 9]. În metantancurile din staţia de epurare Constanţa Nord este utilizat un echipament de omogenizare de tip rotor axial.

Simularea curgerii nămolului prin metantancul din staţia de epurare

În cadrul staţiei de epurare Constanţa Sud se regăsesc patru bazine de fermentare, dintre care, din cauza cantităţii relativ reduse de nămol disponibile, în funcţiune premanentă sunt trei. Fiecare din metantancuri are un volum de 4000 m3, iar procesul de degradare anaerobă se desfăşoară în regim mezofil de temperatură. Pentru alimentarea şi evacuarea nămolului, realizate prin conducte, sunt utilizate pompe de nămol, iar pentru captarea biogazului sunt prevăzute conducte captatoare de gaze.

În scopul simplificării procesului de simulare s-a considerat nămolul ca fluid polifazic echivalent. Astfel, pentru o concentraţie de 5% a materiei solide în apă s-au determinat valorile pentru densitate 1125 kg/m3 şi pentru viscozitatea dinamică 1.195 x 10-3 P.

S-au realizat simulări ale curgerii fluidului polifazic echivalent nămolului printr-o geometrie ce corespunde întocmai celei a metantancurilor din staţia de epurare, geometrie prezentată în fig. 1.

Înălţimea nămolului în metantanc considerată este de 19 metri. Tubul central al metantancului are diametrul interior de 0,66 m iar rotorul echipamentuluid de omogenizare este amplasat la 13 m faţă de cota inferioară a metantancului.

S-au realizat simulări pentru amestecător cu 4 şi, respectiv, 6 pale înclinate la 30o, pentru o turaţie a axului motorului de 100 de rotaţii pe minut. Scopul simulărilor a fost acela de a realiza o comparaţie între cele două variante de rotor menţionate anterior la funcţionarea în condiţii identice şi de a observa profilele de viteză în metantancul de mare încărcare. Observarea directă în practică a acestor profile este foarte dificilă datorită faptului că procesul de fermentare anaerobă se desfăşoară în incinte închise. S-a studiat profilul vectorilor viteză în zona amestecătorului, precum şi în zona tubului central, atât la intrarea în tub cât şi la ieşirea din tub. S-au reprezentat valori ale vitezei axiale, tangenţiale şi radiale, după cum se remarcă în figurile 2-11.

Pentru realizarea simulărilor s-a utilizat programul MixSim, cuprins în pachetul Fluent.

Fig. 1. Geometria metantancului vedere laterală, respectiv, vedere de la partea superioară.

Ecoterra, no. 28, 2011

103

Fig. 2. Geometria rotoarelor considerate pentru simulări, cu 4 şi, respectiv, 6 pale.

Fig. 3. Reprezentarea vectorilor viteză în zona amestecătorului, în funcţie de valoarea vitezei

radiale, pentru rotor cu 4 şi, respective, 6 pale.

Fig. 4. Reprezentarea vectorilor viteză în zona amestecătorului, în funcţie de valoarea vitezei

tangenţiale, pentru rotor cu 4 şi, respective, 6 pale.

Fig. 5. Reprezentarea vectorilor viteză în zona amestecătorului, în funcţie de valoarea vitezei axiale.

Ecoterra, no. 28, 2011

104

Fig. 6. Reprezentarea vectorilor viteză la intrarea în tubul central al metantancului, în funcţie de valoarea

vitezei radiale, pentru rotor cu 4 şi, respectiv, 6 pale.

Fig. 7. Reprezentarea vectorilor viteză la intrarea în tubul central al metantancului, în funcţie de valoarea

vitezei tangenţiale, pentru rotor cu 4 şi, respective, 6 pale.

Fig. 8. Reprezentarea vectorilor viteză la intrarea în tubul central al metantancului, în funcţie de valoarea

vitezei axiale, pentru rotor cu 4 şi, respective, 6 pale.

Ecoterra, no. 28, 2011

105

Fig. 9. Reprezentarea vectorilor viteză la ieşirea din tubul central al metantancului, în funcţie de valoarea vitezei axiale pentru rotor cu 4 şi, respective, 6 pale.

Fig . 10. Reprezentarea vectorilor viteză la ieşirea din tubul central al metantancului, în funcţie de

valoarea vitezei tangenţiale pentru rotor cu 4 şi, respective, 6 pale.

Fig. 11. Reprezentarea vectorilor viteză la ieşirea din tubul central al metantancului, în funcţie de

valoarea vitezei radiale pentru rotor cu 4 şi, respective, 6 pale.

Concluzii Procesul de stabilizare anaerobă a nămolului organic este utilizat în staţiile de epurare a

apelor uzate în principal datorită avantajelor tehnico-economice pe care le prezintă. Prin degradarea anaerobă a materiilor organice apare gazul de fermentaţie bogat în metan, care prezintă importanţă energetică.

În metantanc trebuie să se asigure o amestecare eficientă pentru realizarea nivelului de omogeneitate impus de tehnologie. Dintre metodele de amestecare cunoscute, cea mai eficientă este aceea care utilizează procedeul mecanic cu rotor de tip elice care funcţionează întubat.

Principala concluzie rezultată în urma simulărilor a fost influenţa redusă a numărului palelor în cazul aceleiaşi înclinări şi turaţii asupra vitezei nămolului.

Mulţumiri

Rezultatele prezentate în acest articol au fost obţinute cu sprijinul Ministerului Muncii, Familiei şi Protecţiei Sociale prin Programul Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007-2013, Contract nr. POSDRU/88/1.5/S/61178 şi POSDRU/107/1.5/S/76909.

Bibliografie 1. Beck M. B., 1991 - Principles of modeling, Wat. Sci. Tech. 24(6) 2. Cussler E. L., 1984 - Diffusion. Mass transfer in fluid systems, Cambridge University Press 3. Robescu Diana, Lanyi Sz., Robescu D., Verestoy A., 2004 - Modelarea şi simularea proceselor de epurare, Editura Tehnică, Bucureşti 4. Reynolds A. J., 1982 - Curgeri turbulente în tehnică, Editura Tehnică, Bucureşti

Ecoterra, no. 28, 2011

106

5. Metcalf I., Eddy C., 1991 - Wastewater engineering, treatment, disposal and reuse. Mc.Graw Hill 6. Terashima M., Goel R., Komatsu K., Yasui H., Takahashi H., Li Y. Y., Noike T., 2009 - CFD simulation of mixing in anaerobic digesters, Elsevier Bioresource Technology, 100:2228-2233 7. Binxin W., 2010 - CFD simulation of mixing in egg-shaped anaerobic digesters, Elsevier Water Research, 44:1507-1519 8. Kaparaju P., Buendia I., Ellegaard L., Angelidakia I., 2008 - Effects of mixing on methane production during thermophilic anaerobic digestion of manure: Lab-scale and pilot-scale studies, Elsevier Bioresource Technology, 99:4919-4928 9. Yu L., Ma J., Chen S., 2011 - Numerical simulation of mechanical mixing in high solid anaerobic digester, Elsevier Bioresource Technology, 102:1012-1018 Date de contact Elena MANEA (STREITFERDT): S.C. RAJA S.A. Constanţa, str. Călăraşi, nr. 22-24, 900123 Constanţa, Tel.: 0241-664046, Fax: 0241-662577