REZUMAT_TEZA

UNIVERSITATEA „POLITEHNICA” din BUCUREŞTIFACULTATEA de ENERGETICĂ

Nr. Decizie Senat 102 din 14.05.2010

Rezumatul tezei de doctorat

CONTRIBUŢII TEORETICE ŞI EXPERIMENTALE LA STUDIUL PROCESELOR DE REAERARE ÎN REACTOARE

BIOLOGICE

THEORETICAL AND EXPERIMENTAL CONTRIBUTIONS ON THE STUDY OF THE REAERATION PROCESS IN

BIOLOGICAL REACTORS

Autor: Ing. Aurelia CĂLIN

Conducător de doctorat: Prof.dr.ing. Dan Niculae ROBESCU

COMISIA DE DOCTORATPreşedinte Prof.dr.ing. George DARIE UP BucureştiConducător de doctorat Prof.dr.ing. Dan Niculae ROBESCU UP BucureştiReferent Prof.dr.ing. Ion MIREL UP TimişoaraReferent Prof.dr.ing. Lanyi SZABOLCS US Miercurea - CiucReferent Prof.dr.chim. Viorica NISTREANU UP Bucureşti

BUCUREŞTI2010

CONTRIBUŢII TEORETICE ŞI EXPERIMENTALE LA STUDIUL PROCESELORDE REAERARE ÎN REACTOARE BIOLOGICE

__________________________________________________________________________________________

CUPRINS

Introducere....................................................................................................................................................101. STADIUL ACTUAL ŞI LEGISLAŢIA ÎN VIGOARE................................... ................13

1.1 Cadrul legislativ...........................................................................................................................141.2 Stadiul actual al infrastructurii sistemului de alimentare cu apă potabilă şi a sistemului de colectare şi epurare ape uzate................................................17

2. PROCESE BIOLOGICE DE EPURARE A APELOR UZATE...................................222.1 Istoric...............................................................................................................................................232.2 Epurarea biologică a apelor uzate...........................................................................................24

3. NOŢIUNI GENERALE PRIVIND FENOMENUL DE TRANSFER AL OXIGENULUI DIN AER ÎN APĂ.....................................................................................483.1 Principiile generale ale procesului..........................................................................................493.2 Factorii care influenţează transferul de oxigen....................................................................543.3 Căile de intensificare ale procesului de oxigenare............................................................57

4. ECHIPAMENTE DE OXIGENARE A APELOR UZATE..............................................604.1. Instalaţii care se bazează pe dispersia aerului în apă (echipamente pneumatice de oxigenare)..........................................................................614.2 Echipamente mecanice...............................................................................................80

5. MODELAREA MATEMATICĂ A PROCESULUI DE REAERARE......................885.1 Etapele modelării........................................................................................................905.2. Modele teoretice de difuzie şi dispersie a oxigenului în mediul apos........................945.3 Modelarea distribuţiei concentraţiei de oxigen dizolvat în bazinul de aerare................................................................................................................................98

6. MODELAREA PROCESULUI DE TRANSFER A OXIGENULUI PE BAZA TEORIEI SIMILITUDINII..................................................................................1456.1 Elemente de teoria similitudinii................................................................................1466.2 Similitudinea proceselor de transfer de masă în reactoare biologice aerobe.............................................................................................................................148

7. CERCETĂRI EXPERIMENTALE ASUPRA PROCESELOR DE OXIGENARE..................................................................................................................................1547.1 Configuraţia instalaţiei experimentale.....................................................................1557.2 Testarea echipamentului de oxigenare.....................................................................1577.3 Comparaţia datelor experimentale cu rezultatele obţinute prin modelare matematică.....................................................................................................................171

8. DETERMINĂRI EXPERIMENTALE PRIVIND CONSUMUL DE OXIGEN ÎN SEDIMENTELE BENTICE ALE UNUI LAC EUTROF..................1858.1 Noţiuni generale despre lacuri................................................................... ..............1868.2 Determinări experimentale asupra consumului de oxigen din sedimentele bentice ale unui lac eutrof..........................................................................195

9. CONCLUZII GENERALE, CONTRIBUŢII ORIGINALE ŞI DIRECŢII VIITOARE DE CERCETARE.........................................................................2198.1 Concluzii generale....................................................................................................2228.2 Contribuţii originale.................................................................................................2248.3 Direcţii viitoare de cercetare....................................................................................227

Bibliografie................................................................................................................................................228Anexă – Date experimentale..............................................................................................................235

___________________________________________________________________________Călin Aurelia – Rezumatul tezei de doctorat 1


__________________________________________________________________________________________

Prefaţă

Lucrarea de faţă caută să dea un răspuns problemelor complexe care apar la studiul

procesului de reaerare aplicabil în special în cazul treptei de epurare biologică. În literatura de

specialitate sunt disponibile multe materiale ştiinţifice ce tratează procesul de transfer al

oxigenului din aer în apă, cele mai noi abordări fiind orientate spre realizarea acestui proces

cu un consum cât mai redus de energie în scopul eficientizării tehnologiilor disponibile.

Motivele care au determinat mulţi cercetători să se preocupe de studiul acestei probleme

derivă din necesitatea respectării normelor de mediu şi încadrarea efluenţilor în parametrii

impuşi de legislaţia în vigoare. De asemenea, un alt motiv important este constituit de

consumul mare de energie ce apare în treapta biologică de epurare (cca 60...80 % din totalul

consumurilor energetice ale unei staţii de epurare), precum şi necesarul de energie. Evoluţia

acestui domeniu în ultimele decenii a fost extrem de dinamică, coeficienţii de transfer

obţinuţi prin utilizarea tehnologiilor de ultimă generaţie fiind mult superiori celor determinaţi

acum 25 - 30 de ani. Problema de bază care se studiază este aceea de a asigura un nivel optim

al concentraţiei oxigenului rezidual în masa de apă, la o valoare economic acceptabilă, pentru

realizarea transferului la parametri economici şi în scopul menţinerii populaţiei mixte de

bacterii în viaţă în mediul apos. Abordarea propusă în această teză îmbină elemente de teorie

fundamentală a proceselor de transfer, teoria similitudinii proceselor de reaerare, precum şi

modelarea matematică a procesului de transfer al oxigenului din aer în apă adaptată la cazul

concret al reactoarelor biologice frecvent întâlnite în staţiile de epurare a apelor uzate

municipale. Nu sunt neglijate aspectele privind tehnologiile şi echipamentele de aerare

disponibile precum şi nivelul actual de cunoaştere al proceselor biologice aerobe. Prin

aplicarea teoriei similitudinii a fost stabilită o relaţie de calcul a coeficientului global de

transfer de masă ce consideră atât parametri hidrodinamici cât şi un termen de consum ce ţine

cont de activitatea microbiană, introducerea acestui termen fiind un element de noutate.

Ultimul capitol abordează o problematică mult mai nouă, dar care poate fi considerată de

interes major pentru că este direct legată de impactul apelor uzate insuficient epurate şi al

apelor provenite din alte surse asupra apelor de suprafaţă. Este prezentat cazul unui lac

eutrofizat, şi se încearcă readucerea acestuia la starea de oligotrofie prin aerarea intensivă a

hipolimnionului. Lucrarea este structurată în opt capitole care să urmărească obiectivele

propuse şi să organizeze materialul într-o curgere logică şi, pe cât mi-a fost posibil,

interesantă şi plăcută la lectură. Teza conţine, de asemenea, un capitol de Concluzii finale şi o

listă bibliografică ce cuprinde 161 de titluri ale mai multor autori români şi străini, precum şi ___________________________________________________________________________Călin Aurelia – Rezumatul tezei de doctorat 2


__________________________________________________________________________________________

lucrările proprii. Fiecare capitol cuprinde informaţii suplimentare ce trimit la bibliografie,

completând în mod necesar lucrarea, fără a-i conturba fluenţa expunerii.

Pe parcursul elaborării lucrării am beneficiat de sprijinul mai multor oameni de

excepţie faţă de care voi rămâne profund îndatorată şi cărora le adresez cele mai calde şi

sincere mulţumiri. Doresc să aduc călduroase mulţumiri în mod deosebit conducătorului meu

ştiinţific, domnul Prof.Univ.Dr.Ing. Dan Niculae ROBESCU, care m-a sprijinit cu

îndrumările competente ale domniei sale şi care mi-a acordat încredere deplină în toate

deciziile pe care le-am luat privind organizarea întregii activităţi de pregătire doctorală.

În acelaşi cadru al recunoaşterii ajutorului primit, autoarea mulţumeşte domnului

Prof.Univ.Dr.Ing. Eugen Constantin ISBĂŞOIU, şeful Catedrei de Hidraulică, Maşini

Hidraulice şi Ingineria Mediului precum şi cadrelor didactice din această catedră pentru

sugestiile oferite în vederea finalizării lucrării de doctorat.

Multumesc membrilor comisiei de specialişti formată din: Prof.Univ.Dr.Ing. George

DARIE, preşedinte; Prof.Univ.Dr.Ing. Ion MIREL, membru; Prof.Univ.Dr.Ing.Chim. Lanyi

SZABOLCS, membru; Prof.Dr.Chim. Viorica NISTREANU, membru, care au analizat cu

profesionalism şi seriozitate, în profunzime, lucrarea de doctorat şi au contribuit consistent

prin recomandări menite a îmbunătăţi forma finală a tezei.

Alese mulţumiri aduc doamnei Prof.Dr.Ing. Diana ROBESCU şi colegilor din

Colectivul de Transport Fluide Polifazate şi Depoluare, care prin prietenia şi preocupările lor

individuale au contribuit la crearea unui climat benefic activităţii de studiu şi cercetare

ştiinţifică.Doresc să mulţumesc în mod special domnului Conf. Dr. Ing Maurizio Righetii, din

cadrul Departamentului de Inginerie Civilă şi Ambientală al Universităţii Trento din Italia,

pentru încurajarea şi încrederea manifestată faţă de mine, dar şi pentru condiţiile de lucru care

mi-au fost oferite într-un climat colegial de excepţie. Exprim sincere mulţumiri tuturor celor

care în urma lecturii rezumatului acestei lucrări au făcut preţioase remarci şi critici însuşite de

autoare.

Totodată, îmi exprim recunoştinţa faţă de doamna CS III dr.ing Ioana Corina

MANDIŞ şi doamna drd. ing. Constanţa Mirela NICULAE pentru sugestiile oferite, care mi-

au fost de un real folos în elaborarea acestei teze, dar şi pentru ajutorul nemijlocit pe are mi l-

au oferit ori de câte ori a fost necesar. De asemenea, doresc să exprim recunoştinţă şi

mulţumire pentru sprijinul moral, înţelegerea, răbdarea şi căldura sufletească pe care mi-a

acordat-o pe parcursul acestor ani de studiu familia mea, în mod special mamei mele.

Autoarea,

Bucureşti, 2010___________________________________________________________________________Călin Aurelia – Rezumatul tezei de doctorat 3


__________________________________________________________________________________________

1. STADIUL ACTUAL ŞI LEGISLAŢIA ÎN VIGOARE

1.1 Cadrul legislativ

După un lung proces decizional, a fost aprobată în anul 2000 Directiva Cadru a Apei

(Directiva 2000/60/CE). Aceasta stabileşte cadrul comun pentru managementul durabil şi

integrat al tuturor corpurilor de apă şi prevede considerarea tuturor factorilor de impact şi a

implicaţiilor economice. Sub umbrela Directivei Cadru a Apei sunt reunite cerinţele de

calitate corespunzătoare directivelor europene în domeniul apei, dintre care Directiva

91/271/CEE privind epurarea apelor uzate urbane ocupă un loc important.

Directiva Consiliului European 91/271/CE din 21 mai 1991 privind epurarea apelor

uzate urbane, modificată şi completată de Directiva 98/15/CE în 27 februarie 1998, este baza

legală a legislaţiei comunitare în domeniul apelor uzate. Obiectivele se referă la protecţia

mediului împotriva efectelor negative ale evacuărilor de ape uzate urbane şi de ape uzate din

anumite sectoare industriale (în principal prelucrarea şi fabricarea produselor din industria

alimentară).

În vederea implementării şi conformării cu prevederile Directivei Consiliului

91/271/CE privind epurarea apelor uzate urbane [158], România a obţinut perioade de

tranziţie pentru epurarea apelor uzate urbane şi evacuarea acestora – art. 4 (1a,b) şi art. 5(2):

până la 31 decembrie 2015, conformarea cu Directiva va fi realizată în aglomerări

umane cu mai puţin de 10.000 l.e.;

până la 31 decembrie 2018, conformarea cu Directiva va fi realizată în aglomerări

umane cu mai puţin de 10.000 l.e.

51.1

60.8

69.1

80.2

100

33.7

50.5

60.6

76.7

100

2002

2010

2013

2015

2018

%

Grad de realizare a statiilor de epurare(% locuitori echivalenti)

Grad realizare retele de canalizare (%locuitori echivalenti)

Figura 1.2 Ţinte intermediare de realizare pentru sisteme de colectare şi epurare ape uzate urbane



__________________________________________________________________________________________

Staţii de epurare a apelor uzate

La nivel naţional, din numărul total de aglomerări umane mai mari de 2.000 l.e.

(locuitori echivalenţi) au fost identificate 340 localităţi care au staţii de epurare. Clasificarea

acestor staţii, în funcţie de tehnologia de epurare utilizată se regăseşte în tabelul 1.4. Se

menţionează că din numărul total de staţii identificate doar 14 sunt conforme cu cerinţele

Directivei 91/271/EEC pentru treapta secundară de epurare. Conform prevederilor Directivei,

nivelul de epurare este definit exclusiv de mărimea gradului de încărcare pe întreaga

aglomerare şi de tipul şi calitatea cursului de apă la punctul de evacuare.

Tabelul 1.4 Staţii de epurare existente în anul 2006

Staţii de epurare

mecanice

Staţii de epuraremecano-biologice

Staţii epurare mecano-biologice - chimice

Staţii de epuraremecano-chimice

Total staţii deepurare (înaglomerăriumane)

112 212 10 6 340Sursa: MMDD

Situaţia critică a staţiilor de epurare este generată de vechimea reţelelor de canalizare

şi a instalaţiilor de epurare, de modificarea capacităţii de epurare fără adaptarea acesteia la

parametri constructivi, de slaba capacitate managerială şi de situaţia financiară precară a

operatorilor de utilităţi publice. În România, după conformarea la cerinţele Directivelor

Europene se pune problema modernizării staţiilor de epurare a apelor uzate - SEAU -

problemă soluţionată actualmente prin retehnologizarea staţiilor de epurare existente, dar şi

prin construirea de noi staţii astfel încât în anul 2018 fiecare localitate cu peste 2.000 de

locuitori echivalenţi să dispună de sisteme de canalizare şi epurare.

2. PROCESE BIOLOGICE DE EPURARE A APELOR UZATE

2.2 Epurarea biologică a apelor uzate

Procedeele biologice sunt considerate de specialiştii în domeniul epurării apelor uzate

cele mai eficiente şi economice metode de îndepărtare a substanţelor organice prezente în

apele uzate. Prin epurarea biologică se înţelege complexul de operaţiuni şi faze tehnologice

prin care materiile organice existente în apele uzate provenind din cele mai diverse activităţi

antropice sunt transformate cu ajutorul unor culturi de microorganisme în produşi de

degradare fără nocivitate (CO2, H2O şi altele) şi o masă celulară nouă (biomasă), inofensivă.

Procedeul se bazează pe utilizarea substanţelor organice dizolvate şi nedizolvate de către

microorganisme pentru înmulţire şi conservare (menţinerea proceselor biologice), ajungându-___________________________________________________________________________Călin Aurelia – Rezumatul tezei de doctorat 5


__________________________________________________________________________________________

se în final la eliminarea acestor substanţe [148]. Compoziţia şi concentraţia biomasei active,

precum şi randamentul de distrugere a substanţelor organice prin mineralizare sunt

dependente de condiţiile de mediu.

Diferitele specii ale biomasei (biocenoză) coexistă într-un echilibru dinamic.

Fluctuaţiile orare ale factorilor de mediu sunt compensate de dinamica populaţiei de

microorganisme care prezintă o bună adaptabilitate, cu excepţia cazurilor de deversare a unor

poluanţi toxici ce conduc la variaţii considerabile ale biocenozei cu efecte directe asupra

calităţii apei epurate, [49]. Unele substanţe organice, prezente ca poluanţi în apele uzate, cu o

biodegradabilitate ridicată pot fi mineralizate uşor de către microorganisme. Altele, sunt

rezistente la acţiunea metabolismului microorganismelor şi pentru degradarea lor apare

necesară o floră selecţionată şi adaptată la materia organică. Spre exemplu, unii compuşi

chimici toxici, ca fenolii, pot fi degradaţi biologic în anumite condiţii de diluţie şi cu o

biomasă activă selecţionată în timp.

Bacteriile folosesc energia chimică rezultată din procesele de oxidare pentru a asimila

CO2, care reprezintă sursa lor exclusivă de carbon. Înmulţirea şi dezvoltarea acestora depinde

de conţinutul de dioxid de carbon, de aceea în anumite cazuri este necesară adăugarea de

reactivi alcalini pentru a controla cantitatea de CO2 şi implicit dezvoltarea populaţiilor

bacteriene.

2.2.1 Procese de epurare biologică cu nămol activ

Procesul de epurare biologică cu nămol activ se bazează pe o comunitate de

microorganisme formată din bacterii, fungi, protozoare, în mod obişnuit heterotrofe,

conţinute în floconul de nămol activ. Speciile bacteriene dominante din compoziţia nămolului

activ se pot schimba considerabil de la un sistem la altul, de la o zi la alta, în funcţie de natura

apelor uzate influente şi de condiţiile de funcţionare ale staţiei [130]. O serie de parametri ai

sistemului de epurare, cum ar fi concentraţia oxigenului dizolvat, încărcarea cu nutrienţi,

temperatura [20], pH-ul, vârsta nămolului, prezenţa substanţelor toxice, reglează numărul

microorganismelor şi diversitatea speciilor, ceea ce implică o variaţie mare atât zilnică cât şi

sezonieră a calităţii nămolului activ [73]. Controlul acestor microorganisme este subiectul

multor cercetări dezvoltate în străinătate de Agenţia Americană de Protecţia Mediului – EPA

şi de alţi autori (Gaudy şi Gaudy 1980, Pike şi Curds 1972), dar şi în România. Cercetările au

dus la concluzia că un singur mecanism nu poate explica toate fenomenele observate şi nici



__________________________________________________________________________________________

nu poate fi răspunzător pentru îndepărtarea substanţelor organice atât solubile cât şi în stare

coloidală sau în suspensie [5].

Alimentarea cu oxigen poate limita dezvoltarea biomasei în cazul unei aerări

insuficiente. La suprafaţa flocoanelor de nămol activ procesul de difuzie a oxigenului se

desfăşoară cu o viteză ridicată, care, însă, descreşte rapid în interiorul acestuia [140]. De

aceea, în cazul unei oxigenări insuficiente în interiorul floconului apar fenomene anaerobe cu

efecte negative asupra adeziunii şi coeziunii biomasei. Concentraţia oxigenului dizolvat în

masa de apă din reactorul biologic, optimă din punct de vedere tehnic şi economic, este de

1...3 mg /l [19]. O cerinţă de bază a procesului este asigurarea unei concentraţii uniforme în

tot volumul de apă al reactorului, în limita impusă pentru realizarea procesului.

2.2.2 Procese de epurare în peliculă biologică

Epurarea biologică cu elemente plutitoare este o tehnologie de mare actualitate, apărută

în urmă cu aproximativ 10 ani, dar care la noi în ţară nu este foarte răspândită. Fiind o

tehnologie recentă se realizează încă multe cercetări pentru perfecţionarea ei şi înţelegerea

mecanismelor care o guvernează.

Între procesul de epurare cu nămol activ şi cel cu film biologic sunt deosebiri

structurale. În procesul cu nămol activ floconul este unitatea structurală de bază care conţine

toate speciile comunităţii din lanţul trofic necesare mineralizării substanţelor organice; în

procesul cu film biologic speciile sunt organizate în lungul tehnologiei de epurare, în sensul

reacţiilor succesive de degradare a materiei organice, astfel că apa uzată, pe măsura

descompunerii substanţelor organice, în fiecare etapă a desfăşurării fenomenului biochimic,

întâlneşte bacteriile următoare din lanţul trofic [24]. Pelicula biologică utilizează o succesiune

de comunităţi biologice stabilite la diferite niveluri ale filmului şi asociate cu diferite grade de

epurare. Microorganismele din filmul biologic sunt mai uşor adaptabile la şocurile încărcării

organice datorită acestei succesiuni ale asociaţiilor populaţiilor biologice existente în peliculă

[75].

2.2.3 Procese biologice combinate biofilm-nămol activ

O tehnologie nouă de epurare biologică aerobă este cea a procesului combinat nămol

activ – peliculă biologică ataşată unui suport mobil. Un astfel de proces este denumit în

literatura de specialitate fie proces biologic combinat, hibrid sau dual. Această tehnologie s-a

dezvoltat în ultimele decenii ale secolului trecut, acolo unde s-a dorit compensarea



__________________________________________________________________________________________

deficienţelor sistemelor clasice de epurare biologică, fiind considerată o copie a sistemelor

naturale de epurare. Utilizarea simultană a celor două procedee de epurare în cadrul treptei

biologice conduce la cumularea avantajelor celor două metode. Încorporarea biofilmului în

procesul cu nămol activ este unul dintre cele mai adoptate configuraţii ale reactoarelor

hibride. Ca rezultat al acestei combinaţii, eficienţa de îndepărtare a substratului este

semnificativă, chiar şi la temperaturi joase [33, 34]. Tehnologia are numeroase avantaje, cum

ar fi suprafaţa necesară construcţiei redusă, timp de retenţie al nămolului ridicat şi viteză

scăzută de producere a nămolului, etc.

Procesul hibrid ce utilizează ambele procedee în acelaşi reactor este o soluţie atractivă

din punct de vedere economic, în situaţia în care procesele cu nămol activ necesită

retehnologizare pentru intensificarea îndepărtării compuşilor azotului [25].

3. NOŢIUNI DE BAZĂ PRIVIND FENOMENUL DE TRANSFER AL OXIGENULUI DIN AER ÎN APĂ

3.1 Principiile generale ale procesului

Sistemul gaz-lichid urmează legile de transfer de masă de la o fază la alta pentru a

atinge la limită o stare de echilibru. Între apă şi atmosferă există un schimb permanent de

gaze şi substanţe volatile, la suprafaţa apei stabilindu-se un echilibru de absorbţie.

Solubilitatea gazelor poate fi estimată cu ajutorul legii lui Henry conform căreia la

temperatură constantă, concentraţia gazului dizolvat în apă este proporţională cu presiunea

parţială a acestui gaz pi [87]. Viteza cu care aceşti constituenţi difuzează prin aria secţiunii

uniforme de trecere depinde de dimensiunea şi forma moleculelor, dar şi de gradientul de

concentraţie al substanţei respective [37]. Materia se deplasează dinspre zona cu concentraţii

mari către regiunile cu concentraţii reduse, viteza de difuzie crescând cu scăderea

concentraţiei. Aceasta se poate exprima prin scrierea gradientului de concentraţie sub forma:

în care C este concentraţia şi Y distanţa. Dacă reprezintă viteza cu care M

grame de constituent (oxigen atmosferic) traversează planul de referinţă, conform primei legi

a lui Fick [35] poate fi scrisă relaţia:

(3.1)



__________________________________________________________________________________________

unde este viteza de transfer de masă (masă timp-1), Dm constanta de difuzivitate (arie

timp-1), A aria secţiunii de referinţă prin care constituentul difuzează (arie) şi este

gradientul de concentraţie (masă volum-1lungime-1). În literatura de specialiate există mai

multe teorii ce descriu procesul de transfer de masă al oxigenului din aer în apă. Levich a

elaborat un model ce presupune existenţa unui strat de grosime în care mişcarea este

influenţată de condiţiile de echilibru de la interfaţă, pentru acest strat fiind considerate atât

fluctuaţiile de viteză cât şi lungimea de amestec (la). Acesta corelează cele două cote, şi la,

ajungând la o formulă a coeficientului de transfer de forma: .

Dankwerts şi Dobbins (1956) au propus un model, denumit modelul reînnoirii, care

presupune că la interfaţă se formează un film care este mereu reînnoit cu elemente fluide din

interior [57]. Debitul de masă transferat este funcţie de frecvenţa de reînnoire definită ca

raport al vitezei de producere a unei noi suprafeţe şi suprafaţa totală de transfer. Cea mai

simplă teorie a procesului de transfer de gaz (oxigen atmosferic) este cea a filmului de lichid.

Conform acestei teorii la interfaţa dintre faza lichidă şi cea gazoasă există un film de lichid

staţionar în care sunt concentrate moleculele de gaz [134]. Concentraţia gazului nu este

omogenă în tot filmul de lichid, aici existând un gradient de concentraţie dat de diferenţa

dintre concentraţia la saturaţie (exprimată prin legea lui Henry) şi concentraţia

filmului/stratului limită de lichid [149]. Teoria filmului de lichid este ilustrată mai jos:

Figura 3.1 Filmul de lichid de la interfaţa apă-aer



__________________________________________________________________________________________

În figura 3.1, CS reprezintă concentraţia la saturaţie a gazului în lichid, C concentraţia

gazului în volumul de lichid, grosimea filmului şi CL concentraţia gazului la interfaţa film/

lichid. Prin aplicarea primei legi de difuzie a lui Fick se obţine:

(3.2)

În acest caz A reprezintă aria suprafeţei de contact dintre faza lichidă şi cea gazoasă.

Din moment ce grosimea filmului de lichid este mică se poate face o aproximare liniară a

expresiei diferenţiale: . Pentru aproximarea liniară ecuaţia diferenţială cu

derivate parţiale se reduce la o ecuaţie diferenţială de forma:

(3.3)

Deoarece grosimea filmului de lichid este necunoscută, aceasta este corelată cu

coeficientul de difuzie moleculară Dm pentru a defini un nou termen constant.

(3.7)

unde KL reprezintă coeficientul de transfer al gazului şi are dimensiunea de lungime timp -1.

Acest coeficient poate fi introdus în ecuaţie pentru a se obţine o expresie de forma:

(3.8)

Ecuaţia 3.8 reprezintă modificarea concentraţiei (scăderea concentraţiei în timp) ca

urmare a difuziei moleculelor din zona cu concentraţii mari către cea a concentraţiilor reduse.

În timpul aerării concentraţia oxigenului creşte în timp deci se poate renunţa la semnul

negativ.

3.2 Factorii care influenţează transferul de oxigen

Transferul oxigenului din aer în apă este un proces dinamic, acesta fiind influenţat de

următorii factori:

1. concentraţia oxigenului la saturaţie;

2. temperatură;

3. caracteristicile apei uzate;

4. gradul de turbulenţă

3.3 Căile de intensificare ale procesului de oxigenare___________________________________________________________________________Călin Aurelia – Rezumatul tezei de doctorat 10


__________________________________________________________________________________________

În contextul actual, preocupările specialiştilor în domeniu sunt orientate spre găsirea

soluţiilor de optimizare a proceselor de epurare, astfel încât să se asigure obţinerea unui

efluent ce respectă standardele de evacuare cu un consum minim de energie [29, 122]. O

soluţie de reducere a consumului de energie în treapta de epurare biologică este cea de

optimizare a procesului de aerare [126]. Identificarea posibilităţilor de intensificare ale

procesului de oxigenare se poate realiza pornind de la ecuaţia (3.9). Se poate considera că

viteza procesului de transfer de masă a oxigenului din aer în apă este dată de această relaţie,

astfel rezultând următoarele căi de intensificare ale oxigenării:

majorarea suprafeţei specifice de contact interfazic a [m2/m3], prin dispersarea de bule

fine (d<0,5 mm) în masa de apă din bazin;

majorarea coeficientului de transfer de masă KL prin intensificarea turbulenţei;

creşterea deficitului de oxigen faţă de saturaţie.

4. ECHIPAMENTE DE OXIGENARE A APELOR UZATE

4.1. Instalaţii care se bazează pe dispersia aerului în apă

(echipamente pneumatice de oxigenare)

Echipamentele bazate pe dispersia unui gaz în apă au în alcătuirea lor un generator

pneumatic, o instalaţie de purificare a aerului, reţea de conducte pentru transportul şi

distribuţia gazului, dispozitivele de dispersie şi echipamentele auxiliare de control, siguranţă

şi reglare. În general aceste echipamente au fost executate într-o mare varietate de forme

constructive şi dimensiuni deoarece prezintă incontestabile avantaje legate îndeosebi de

performanţele tehnologice pe care le oferă în exploatare. Unele echipamente cu dispersie

foarte fină a gazului au performanţe de transfer şi economice superioare altor sisteme de

oxigenare [118].

După mărimea bulelor de gaz generate în masa de apă sistemele de aerare care se

bazează pe dispersia aerului se clasifică în:

echipamente de oxigenare cu bule fine, caracterizate prin diametrul bulelor sub un

milimetru. Acestea au ca dispozitive de dispersie plăci poroase, tuburi sau difuzori

poroşi;

echipamente de oxigenare cu bule mijlocii, care asigură în apă bule cu diametrul

cuprins între 1...3 mm. Acestea rezultă de la sistemele pneumatice de tip INKA,

tuburi perforate, difuzori poroşi cu porozitate mare, etc.;



__________________________________________________________________________________________

echipamente de oxigenare cu bule mari-grosiere, cu diametrul bulelor între 3...120

mm care rezultă de la aeratoare statice, aeratoare cu deversor, conducte perforate cu

diametrul găurii de peste 5 mm.

Trebuie menţionat că dimensiunea bulelor formate depinde de debitul şi presiunea

gazului din conducta de distribuţie [36]. Problema generală a echipamentelor bazate pe

dispersia unui gaz în masa de apă este aceea de a produce bule cât mai mici de aer, de fineţea

necesară procesului, într-un mod cât mai economic posibil [2].

4.2 Echipamente mecanice

4.2.1 Echipamente mecanice de oxigenare cu rotor de mare adâncime şi ax vertical

Acest tip de echipamente absorb aerul atmosferic prin coloana lagărelor (arborele

tubular este prevăzut cu orificii radiale plasate deasupra nivelului static al apei) ce susţine

rotorul, apa uzată vine în contact cu acesta şi apoi amestecul este refulat în bazinul de aerare.

Rotorul are palele profilate hidrodinamic, iar bordul de fugă al acestora este retezat pentru a

permite crearea unei depresiuni în organului activ, asigurând astfel aspiraţia aerului

atmosferic şi împrăştierea acestuia sub formă de bule în bazinul de aerare [87]. Debitul de aer

aspirat de echipamentul de aerare se determină pe baza depresiunii create de rotor, acesta

depinzând de diametrul rotorului, turaţia maşinii, forma şi dimensiunile palelor.

4.2.2 Aeratoare mecanice de suprafaţă

4.2.2.1 Aeratoare mecanice de suprafaţă cu rotor lent şi ax vertical

Această maşină transformă energia mecanică furnizată de un grup motoreductor în

energie hidraulică. Rotorul pompează o cantitate de lichid şi creează în jurul sau o zonă de

turbulenţă intensă, care este sediul admisiei apei şi aerului atmosferic. Pentru imersiuni

pozitive rotorul aruncă apa în special sub formă de jet continuu, în timp ce pentru situaţiile în

care acesta este scos din apă lichidul este pulverizat sub formă de picături [125]. Picăturile de

apă vin în contact cu aerul atmosferic, oxigenul fiind preluat din atmosferă prin picăturile de

apă şi prin suprafaţa mare de contact a bulelor introduse în lichid. Unele soluţii constructive

permit aspiraţia aerului atmosferic în canalul interpaletar prin efect de ejecţie sau prin

utilizarea unei suflante.


bazin de aerarerotor

21


__________________________________________________________________________________________

Figura 4.5 Bazin de aerare echipat cu aerator mecanic de suprafaţă

4.2.3. Perii de aerare

Aceste echipamente sunt folosite rar în tehnica epurării apelor şi au rotor de tip perie.

Prin rotaţia organului activ se asigură un spectru de picături şi jeturi care antrenează aerul

atmosferic în mediul lichid. Performanţele de oxigenare sunt slabe, dar aceste echipamente

pot fi folosite în cazul şanţurilor de oxidare, la operaţii speciale de defenolare, nitrificare –

denitrificare.

Figura 4.9 Bazin de aerare echipat cu perie de aerare

4.2.4 Oxigenarea apei cu ejectoare de adâncime

Caracteristic acestui echipament este faptul că prin modul constructiv al zonei de

absorbţie a gazului conduce la aspiraţia aerului pe două căi. Aceste echipamente se

amplasează cu camera de amestec în apropierea radierului bazinului. Montajul lor se face la o

poziţie fixă pe radierul bazinului sau în exteriorul acestuia cu gura de evacuare a fluidului

bifazic în cuva de oxigenare.

Pe piaţa de profil sunt disponibile foarte multe tipuri de echipamente de aerare, existând

un interes foarte mare din partea producătorilor pentru dezvoltarea unor tehnologii


perie bazin de aerare

1

2


__________________________________________________________________________________________

performante din punct de vedere al consumului de energie. Tot mai multe firme, în special

din America, realizează studii complexe ce analizează performanţele tehnice ale sistemelor de

aerare luând în considerare şi diferite componente de ordin economic. Toate aceste studii

arată că din punct de vedere al consumului de energie dar şi al transferului de oxigen din aer

în apă sistemele de aerare cu difuzori poroşi sunt cele mai performante. O analiză completă

din punct de vedere economic ar trebui să includă investiţia iniţială precum şi costurile de

mentenanţă şi operare. Acest domeniu al dezvoltării echipamentelor pneumatice de aerare

este deosebit de dinamic şi a cunoscut o dezvoltare rapidă în ultimele decenii, pe piaţă

existând la momentul actual echipamente moderne care pot asigura valori ale coeficientului

economic aflate în gama 4...7 kgO2/kWh.

În ceea ce priveşte dispozitivele de dispersie, se caută soluţii pentru realizarea de

echipamente cu fiabilitate ridicată, capabile să asigure bule cu dimensiuni de fineţea necesară

procesului. Direcţiile principale de dezvoltare sunt orientate spre găsirea de materiale noi, cu

rezistenţă mare la rupere dar şi spre stabilirea unor configuraţii care să permită acoperirea

unei suprafeţe cât mai mari din bazin. În România, acest sector al producerii de dispozitive de

dispersie este slab dezvoltat, existând foarte puţine firme care produc astfel de echipamente.

5. MODELAREA MATEMATICĂ A PROCESULUI DE REAERARE

5.3 Modelarea distribuţiei concentraţiei de oxigen dizolvat în bazinul de aerare

5.3.1 Consideraţii generale

O condiţie necesară funcţionării în condiţii optime din punct de vedere economic a

reactorului biologic o reprezintă corelarea debitului de oxigen introdus cu cel consumat în

procesul metabolic de degradare a materiilor organice. În reactoarele biologice aerobe

consumul de oxigen variază în timp şi spaţiu ca urmare a neuniformităţii încărcării

influentului cu substanţe organice biodegradabile sau a modificării relaţiilor cinetice dintre

vitezele de creştere a biomasei şi vitezele de eliminare a substratului. În condiţii reale şi

normale de funcţionare se stabileşte un echilibru dinamic între debitul de oxigen transferat şi

consumul acestuia prin reacţii de mineralizare a materiilor organice, ajungându-se la

realizarea unui regim staţionar de funcţionare.

Testarea echipamentelor de oxigenare în condiţii standard de funcţionare are ca scop

principal determinarea variaţiei concentraţiei de oxigen în timp şi spaţiu C(x,z,y,t). Există mai

multe metode de testare, cea mai utilizată fiind cea a dezoxigenării apei cu sulfit de sodiu în

prezenţa unui catalizator. După dezoxigenarea completă a lichidului din bazin se urmăreşte ___________________________________________________________________________Călin Aurelia – Rezumatul tezei de doctorat 14


__________________________________________________________________________________________

evoluţia concentraţiei de oxigen în timp pentru diferite puncte din bazin în condiţii de

funcţionare ale echipamentului de aerare. Pentru acest caz se impune elaborarea unui model

matematic în regim nestaţionar. Acest model trebuie să descrie creşterea continuă în timp a

concentraţiei oxigenului dizolvat în masa de apă în condiţii de convecţie forţată, generată şi

indusă prin efect de gaz-lift, de la zero până la valoarea de saturaţie şi dispersia acestuia în

faza lichidă. Echipamentul de aerare este considerat o sursă de oxigen ce contribuie la

introducerea forţată a gazului în apă, acesta asigurând amestecarea şi omogenizarea mediului

apos. Astfel, dacă se consideră ca fenomen principal difuzia şi dispersia oxigenului din aerul

introdus în masa de apă în regim turbulent de mişcare ecuaţia generală va avea forma [106]:

(5.9)

unde x, y, z reprezintă coordonatele punctului considerat în bazinul de aerare; u, v, w –

vitezele pe cele trei direcţii; C (x,y,z,t) este concentraţia oxigenului din mediul apos;

reprezintă coeficienţii de dispersie longitudinală, transversală şi respectiv pe

verticala curentului fluid; Dm - coeficientul de difuzie moleculară a oxigenului din aer în apă;

S (x,y,z,t) - termenul sursă;

Medierea mărimilor se face în raport cu timpul deoarece regimul de curgere este cel

turbulent cu variaţii ale mărimilor în timp. O soluţie completă a acestei ecuaţii, la care trebuie

să se ataşeze şi ecuaţiile de mişcare şi de continuitate este imposibil de obţinut. Din acest

motiv este necesară construirea unui model simplificat.

Pentru reactorul biologic din figura 5.2, prevăzut cu două tipuri de dispozitive de

dispersie a aerului amplasate la fundul bazinului (conductă perforată şi difuzori poroşi

tubulari) mişcarea se reproduce identic în toate planurile paralele cu un plan vertical de bază.



__________________________________________________________________________________________

Figura 5.2 Schema de principiu a instalaţiei experimentale

Apa uzată intră în reactor cu viteza u pe direcţia axei Ox, pe care o menţine constantă în

lungul axei. Mişcarea pe direcţie verticală este generată de jeturile bifazice apă-aer, ca efect

al introducerii aerului dispersat prin difuzorii poroşi amplasaţi pe fundul bazinului şi al

deplasării în sens ascendent a bulelor de gaz. Dispersia oxigenului se va realiza şi pe direcţie

transversală ca efect al mişcării turbulente şi a pulsaţiilor vectorului viteză, precum şi datorită

mişcării bulelor prin mediul lichid cu formarea siajului turbulent în spatele acestora. Se

menţionează că acest proces va fi neglijat, deoarece este mai puţin intens în raport cu

fenomenele similare de pe direcţie verticală şi longitudinală. Se neglijează termenul

corespunzător difuziei moleculare pe direcţie transversală deoarece aceasta este

nesemnificativă în raport cu cea convectiv turbulentă. Modelul elaborat ia în considerare

ipoteza amestecării complete, justificată prin mişcarea de transport pe orizontală combinată

cu deplasările pe verticală ale fazelor mediului polifazat antrenate de bulele de gaz. În aceste

condiţii, ecuaţia de dispersie (5.9) devine:

(5.10)

Parametrii ce intervin în ecuaţia (5.10) pot fi determinaţi din relaţiile de proiectare ale

reactorului biologic sau cu ajutorul corelaţiilor existente în literatura de specialitate.

5.3.2. Modelarea şi simularea evoluţiei concentraţiei de oxigen rezidual din mediul apos

prin considerarea ecuaţiei de dispersie



__________________________________________________________________________________________

Considerând ipotezele justificate anterior, ecuaţia 5.10 poate fi integrată numeric prin

scrierea unui program utilizând pachetul software Flex PDE. Acest program este destinat

rezolvării prin metoda elementului finit a ecuaţiilor cu derivate parţiale având la bază un

număr mare de module ce permit rezolvarea completă a problemei [160]. Programul nu

dispune de ecuaţii sau geometrii prestabilite, alegerea acestora precum şi definirea condiţiilor

iniţiale şi la limită depinzând de utilizator.

Modelul consideră ca sursă principală de oxigen sistemele de insuflare ale aerului

comprimat în bazin. Termenul sursă este independent de timp deoarece determinările

experimentale vor fi realizate în condiţii de debit şi presiune constantă. Influenţa acestuia este

considerată în cadrul programului prin condiţiile de tip flux continuu (Neumann) impuse la

suprafaţa difuzorului poros şi a orificiilor conductei perforate. Valoarea acestui flux nu poate

fi precizată pe cale teoretică, motiv pentru care în faza de modelare sunt considerate diferite

mărimi ale acestuia. Modelările evoluţiei concentraţiei de oxigen în timp au fost realizate

etapizat, pentru intervale de timp prestabilite de 5 minute, rezultatele obţinute în urma unei

rulări a programului fiind considerate condiţii iniţiale pentru următoarea secvenţă de calcul.

Geometria definită respectă dimensiunile instalaţiei din Laboratorul de Transport Fluide

Polifazate şi Depoluare şi permite estimarea influenţei ambelor tipuri de dispozitive de

dispersie deoarece acestea au fost considerate în acelaşi plan. Acest lucru a fost posibil

deoarece distanţa reală dintre cele două dispersoare este mică. Conducta perforată este

reprezentată de dreptunghiul cu lungimea de 0,6 m, poziţionat în apropierea radierului

bazinului de aerare; influenţa difuzorului poros tubular este considerată prin condiţiile la

limită de tip flux continuu impuse la suprafaţa dreptunghiului de 0,4 metri, aflat deasupra

conductei perforate.

Figura 5.4 Rezultatele modelării realizate pentru primele 5 minute ale perioadei de reaerare şi un flux

Figura 5.7 Rezultatele modelării realizate pentru primele 20 minute ale perioadei de reaerare şi un flux constant de



__________________________________________________________________________________________

constant de oxigen 0,01 [mg O2/m4] oxigen 0,01 [mg O2/m4]

Figura 5.4 prezintă rezultatele integrării numerice a ecuaţiei 5.10 în condiţiile unui flux

de oxigen de 0,01 [mg O2/m4]. Se remarcă existenţa zonei de concentraţie maximă în partea

inferioară a bazinului, situaţie ce poate fi întâlnită şi în practică. Pe măsură ce urcă spre

suprafaţa liberă bulele de aer cedează oxigen mediului lichid, antrenând prin efect de aer-lift

cantităţi de lichid ce se reîntorc către zona de fund cu o concentraţie îmbogăţită de oxigen.

Creşterea concentraţiei de oxigen dizolvat este semnificativă, o justificare putând fi

deficitul mare de oxigen faţă de saturaţie, factor ce influenţează viteza de transfer. Regimul

hidrodinamic se consideră indirect prin valorile vitezelor u, w şi ale coeficienţilor de dispersie

εx, εZ care depind de gradul de dezvoltare al turbulenţei. Influenţa peretelui asupra curgerii

turbulente şi apariţia efectului de perete poate fi identificată în zona colţului drept al bazinului

(figura 5.7).

Rezultatele integrării pentru un interval de timp de 20 minute (figura 5.7) arată că în

bazin se ajunge la o concentraţie apropiată de saturaţie, putând concluziona că există o

corelare bună între echipamentul de aerare, debitul de aer insuflat şi volumul bazinului. Acest

caz este cel al unei exploatări corecte a reactorului biologic aerob, permiţând optimizarea din

punct de vedere al consumului de energie a treptei de epurare biologică.

În a doua etapă de modelare s-a considerat o sursă mult mai puternică de oxigen,

capabilă să asigure un flux continuu de 0,1 [mg O2/m4] – de zece ori mai mare decât în cazul

precedent.


constant de oxigen 0,01 [mg O2/m4]

Figura 5.9 Rezultatele modelării realizate pentru primele 10 minute ale perioadei de reaerare şi un

flux constant de oxigen 0,1 [mg O2/m4]

Prin comparaţie se remarcă majorarea valorilor concentraţiei de oxigen din mediul apos

ca efect al creşterii debitului de aer insuflat. În figura 5.9 se poate observa că liniile de ___________________________________________________________________________Călin Aurelia – Rezumatul tezei de doctorat 18


__________________________________________________________________________________________

concentraţie au formă similară cu cele obţinute pentru cazul anterior. Forma acestora este

influenţată de valorile vitezelor pe direcţie verticală şi pe direcţie orizontală, dar şi de

coeficienţii de dispersie. Deoarece în cazul acestei modelări singura modificare ce intervine

faţă de cazul precedent este cea a valorii fluxului de oxigen transferat, este explicabilă

ştiinţific menţinerea formei liniilor de concentraţie de la un caz la altul, dar şi majorarea

valorilor concentraţiei.

Al treilea caz consideră un flux foarte mare de oxigen, 1 [mg O2/m4]. În această situaţie

se ajunge la o concentraţie apropiată de saturaţie în prima perioadă de reaerare, caz foarte

diferit de evoluţia procesului în condiţii reale, deci practic imposibil de realizat.

Au fost realizate mai multe scenarii considerând lungimi diferite ale bazinului

menţinând aceeaşi configuraţie a sistemului de aerare. Primul scenariu este cel al unui bazin

cu o lungime de 1,5 metri, echipat cu un sistem de aerare identic cu cel al reactorului din

cazurile precedente. Majorarea lungimii bazinului implică modificarea coeficienţilor de

dispersie, în sensul creşterii acestora. Pentru cazul celor două valori ale fluxului au fost

realizate modelări menţinând condiţiile la limită şi intervalele de timp prestabilite.

Diferenţele dintre valorile concentraţiei de oxigen obţinute pentru cele două geometrii

considerate în aceleaşi condiţii de flux transferat sunt foarte mici, nesemnificative. Se poate

deduce că echipamentul de aerare are performanţe bune, forma dimensiunile mici ale

reactoarelor permiţând o omogenizare bună a mediului apos din reactor.


constant de oxigen 0,1 [mg O2/m4]

Figura 5.23 Rezultatele modelării realizate pentru primele 5 minute ale perioadei de reaerare şi un flux constant de oxigen 0,1 [mg O2/m4] – cazul

unui bazin cu lungimea 3 metri

Curbele de concentraţie ale oxigenului dizolvat rezidual existent în mediul apos

obţinute pentru un bazin cu lungimea de 3 metri şi un flux 0,01 mg O2/m4, respectiv 0,1 mg



__________________________________________________________________________________________

O2/m4 (figura 5.23) arată că forma şi dimensiunile bazinului de aerare sunt

necorespunzătoare, iar echipamentele de oxigenare sunt subdimensionate.

Aceste cazuri de exploatare incorectă pot fi prevenite doar printr-o bună corelare a

formei şi dimensiunilor reactorului cu echipamentul de aerare, modelarea matematică a

procesului de reaerare fiind un instrument extrem de util în stabilirea corectă a configuraţiei

reactorului biologic.

Astfel de cazuri de exploatare incorectă sunt frecvent întâlnite în staţiile de epurare a

apelor uzate. În această situaţie varianta reducerii dimensiunii bazinului este exclusă, singura

alternativă fiind echiparea acestuia cu un număr suficient de dispozitive de dispersie şi

asigurarea debitului necesar de aer comprimat. Astfel, s-a definit o nouă geometrie (figura

5.25) pentru a putea fi studiat cazul echipării bazinului considerat cu un număr suficient de

dispozitive de dispersie a aerului comprimat în bazin.

Se poate observa, în figura 5.25, că pe verticala şi orizontala bazinului de aerare nu apar

diferenţe semnificative de concentraţie. Influenţa dispozitivelor de aerare este resimţită mai

ales în zonele de adâncime mare ale bazinului; spre exemplu curba de egală concentraţie de

culoare verde prezintă uşoare denivelări.

Figura 5.25 Rezultatele modelării realizate pentru primele 5 minute ale perioadei de reaerare şi un flux constant de oxigen 0,1 [mg O2/m4] – cazul unui bazin cu lungimea 3 metri echipat cu un număr mare de difuzori

Această curbă este caracteristică valorilor mari de concentraţie din bazin şi este

explicabilă o lăţime mai mare a acesteia în zona dispozitivelor de dispersie ca urmare a

degajării conului de bule şi antrenării prin efect de gaz-lift a jeturilor de lichid cu concentraţie

îmbogăţită de oxigen.

5.3.3 Modelarea şi simularea evoluţiei concentraţiei de oxigen dintr-un bazin de

aerare echipat cu un sistem de ţevi perforate



__________________________________________________________________________________________

Pentru această etapă de modelare se va integra numeric ecuaţia de dispersie considerând

un bazin de aerare cu lungimea de 3 m şi înălţimea de 1 m, echipat cu un sistem pneumatic de

aerare ce cuprinde cinci conducte perforate. Domeniul de integrare considerat corespunde

geometriei reactorului existent în Laboratorul de Transport Fluide Polifazate şi Depoluare pe

care vor fi realizate testele experimentale în scopul calibrării modelului propus. Integrarea va

fi realizată pentru un domeniu tridimensional şi vor fi aplicate ipotezele precizate anterior.

Prin considerarea sistemului de aerare cu ţevi perforate apar modificări ale diametrului

bulelor de aer şi implicit ale vitezei cu care acestea se deplasează către suprafaţa liberă.

S-a adoptat varianta modelării pentru un domeniu tridimensional a distribuţiei

concentraţiei de oxigen în timp deoarece metoda prezintă numeroase avantaje. În primul rând,

pot fi obţinute rezultate mult mai apropiate de realitate pentru fiecare punct al reactorului ca

urmare a considerării coeficienţilor de difuzie şi dispersie pe cele trei direcţii. Astfel,

programul în sine şi rezultatele obţinute în urma rulării pot deveni un instrument extrem de

util în cazul conducerii automate a procesului de epurare biologică. Este cunoscută problema

amplasării optime a senzorilor de măsură în etapa de implementare a unui astfel de sistem,

problemă ce ar putea fi rezolvată extrem de uşor în cazul în care se cunoaşte distribuţia

spaţială a oxigenului din reactor. Modelul propus caută să dea un răspuns acestei probleme, şi

pentru obţinerea unor rezultate cât mai apropiate de evoluţia procesului real la baza

construirii acestuia stau procesele de difuzie şi de dispersie ale oxigenului în mediul apos.

Astfel, spre deosebire de modelul anterior, care estima o valoare fixa a fluxului de oxigen

transferat la interfaţă, modelul spaţial consideră că valoarea acestui flux depinde de deficitul

de oxigen şi de diametrul bulelor de aer formate în mediul lichid, parametri ce guvernează

procesul de transfer de masă. Meşa de calcul utilizată pentru integrarea numerică a ecuaţiei

de dispersie este cea prezentată în figura 5.28.

Figura 5.28 Meşa de calcul construită de programul Flex PDE pentru domeniul tridimensional definit



__________________________________________________________________________________________

Primele rezultate numerice, prezentate în figurile 5.29-5.30, au fost obţinute în

condiţiile unui debit de aer de 25 Nm3/h pentru primul interval de timp de 5 minute.

Figura 5.29 Repartiţia concentraţiei de oxigen în zona primei conducte perforate

Figura 5.30 Repartiţia concentraţiei de oxigen în zona conductei perforate amplasate la – x=0.99

Se remarcă o creştere rapidă a concentraţiei de oxigen ca urmare a deficitului mare faţă

de saturaţie, factor ce influenţează viteza de transfer. Distribuţia concentraţiei de oxigen nu

prezintă diferenţe semnificative în zonele în care sunt amplasate conductele. În practică este

posibil să apară mici modificări, în special la nivelul ultimei conducte perforate, ca urmare a

pierderilor de presiune ce pot să apară în sistemul de distribuţie a aerului comprimat.

Figura 5.31 Distribuţia concentraţiei de oxigen în secţiunea transversală a reactorului

Figura 5.32 Distribuţia concentraţiei de oxigen în secţiunea longitudinală a reactorului

În figura 5.31 se poate observa o secţiune transversală realizată la o distanţă de 0,07 m

faţă de radierul bazinului. Distribuţia concentraţiei de oxigen pentru această zonă situată

deasupra conductelor arată o concentraţie maximă în zona de insuflare a aerului comprimat.

Valorile obţinute indică o distribuţie aproape omogenă a oxigenului în bazin, prin urmare

forma şi dimensiunile acestuia permit o bună omogenizare.___________________________________________________________________________Călin Aurelia – Rezumatul tezei de doctorat 22


__________________________________________________________________________________________

Curbele de concentraţie din figura 5.32 au o tendinţă uşor descendentă în zona

pereţilor, unde se resimte mai puţin influenţa sistemului de aerare. Această tendinţă poate fi

explicată şi prin faptul că în acea zonă are loc reîntoarcea jeturilor bifazice apă-aer.

Figura 5.47 Curbele de concentraţie obţinute în zona ultimei conducte a sistemului de aerare pentru o

perioadă de 20 minute

Figura 5.48 Distribuţia de concentraţie în secţiune longitudinală pentru o perioadă de reaerare de 20

minute

Rezultatele integrării pentru o perioadă de reaerare de 20 de minute, pentru aceeaşi

valoare a debitului de aer insuflat, sunt prezentate în imaginile 5.47 - 5.48. Se constată că

apropierea de valoarea de saturaţie induce o creştere mai lentă a concentraţiei de oxigen. Este

evident că simularea corespunde procesului fizic real prin creşterea rapidă a concentraţiei

oxigenului în zona de injecţie a aerului acolo unde suprafaţa de contact apă-aer se reînnoieşte

rapid şi valorile coeficienţilor de transfer de masă sunt mari.

Figura 5.48 evidenţiază în zona inferioară cele cinci conducte perforate care realizează

dispersia oxigenului sub formă de bule în mediul apos şi intensitatea procesului de transfer de

masă din zona adiacentă a dispozitivului de insuflare a aerului. Se poate observa foarte bine

tendinţa descendentă a liniilor de egale concentraţie în apropierea pereţilor bazinului, ca

urmare a reîntoarcerii fazei fluide antrenate de bulele de aer prin efect de gaz-lift către

radierul bazinului.

Modelările realizate în condiţiile unui debit de aer de 75 Nm3/h arată o creştere mai

rapidă a concentraţiei de oxigen din reactor comparativ cu valorile determinate pentru un

debit de aer insuflat de 25 respectiv 50 Nm3/h. Rezultatele obţinute sunt cele prezentate în

figurile 5.65 şi 5.66.



__________________________________________________________________________________________

Figura 5.65 Repartiţia concentraţiei de oxigen pentru zona conductei nr. 1 după perioadă de reaerare de 15

minute

Figura 5.66 Repartiţia concentraţiei de oxigen pentru o perioadă de reaerare de 15 minute în

apropiere de centrul bazinului x=1,1

Liniile de concentraţie maximă se poate observa că sunt obţinute în partea inferioară a

conductei, ca urmare a orientării perforaţiilor în jos. Se adoptă această orientare a porilor de

insuflare pentru a preveni înfundarea acestora cu diferiţi constituenţi prezenţi în masa de apă.

Se constată o creştere mai lentă la apropierea de valoarea de saturaţie ca urmare a

reducerii deficitului şi implicit a vitezei de transfer, modelul reuşind să descrie bine acest

fenomen fizic.

Concluzii

Modelarea a avut ca scop principal optimizarea procesului de transfer de masă a

oxigenului din aer în apă, având un rol important în: minimizarea costurilor de exploatare a

instalaţiilor, optimizarea energetică a sistemelor de aerare precum şi asupra îmbunătăţirii

performanţelor de epurare ale apelor uzate.

Au fost studiate modelele matematice din literatura de specialitate şi s-a constatat că

majoritatea se bazează pe procesul de transfer de masă la interfaţa apă – aer. Modelele

concepute au fost adaptate la cazul concret al reaerării în cazul utilizării sistemelor

pneumatice de aerare. Primul model a fost conceput pentru un domeniu bidimensional, şi este

destinat aprecierii distribuţiei concentraţiei de oxigen într-un reactor biologic echipat cu un

sistem combinat de aerare. Este pentru prima dată când se încearcă studiul unui sistem hibrid

de aerare ce cuprinde două tipuri de dispersoare: difuzori poroşi tubulari şi conductă

perforată. Au fost realizate mai multe seturi de modelări, pentru diferite geometrii şi valori

ale fluxului transferat şi s-a constatat că acesta descrie realist fenomenul real. Rezultatele

numerice obţinute arată că pentru lungimi ale rectorului de până la 1,5 metri sistemul propus



__________________________________________________________________________________________

reuşeşte să asigure necesarul de oxigen dar şi o bună omogenizare a acestuia în întregul

volum de apă.

Menţinând aceeaşi configuraţie şi poziţie a sistemelor de dispersie a fost modelată

dispersia oxigenului într-un bazin cu lungimea de 3 metri şi au putut fi identificate foarte bine

zona de dispersie şi zona de amestec total. S-a constatat că pentru lungimi mari de bazin

sistemul trebuie adaptat, şi în cadrul acestui capitol a fost studiată această variantă ce a

constat în echiparea reactorului cu un număr suficient de dispozitive de dispersie.

Rezultatele obţinute prin rularea programului descriu bine fenomenul fizic real, pe baza

acestor rezultate s-a putut stabili o valoare optimă a fluxului de oxigen transferat precum şi

geometria optimă a reactorului biologic.

Al doilea model a fost elaborat din necesitatea de a studia şi din punct de vedere teoretic

sistemul ce intervine în cadrul determinărilor experimentale. Reactorul studiat în acest caz

este echipat cu un sistem de conducte perforate şi deoarece s-a dorit compararea datelor

teoretice cu cele experimentale s-a încercat realizarea unui model în domeniu tridimensional.

Aprecierea schimbului de masă s-a realizat prin considerarea deficitului faţă de saturaţie şi a

diametrului bulelor formate, factori ce influenţează puternic viteza de transfer. S-a constatat

că distribuţia concentraţiei de oxigen nu prezintă diferenţe semnificative în zonele în care

sunt amplasate conductele dar în practică este posibil să apară mici modificări, în special la

nivelul ultimei conducte perforate, ca urmare a pierderilor de presiune ce pot să apară în

sistemul de distribuţie a aerului comprimat. Zonele de concentraţie maximă au fost

identificate în partea inferioară a bazinului, ca urmare a existenţei suprafeţei de contact apă-

aer permanent reînnoite, dar şi a jeturilor de lichid antrenate de bulele de aer, jeturi care

coboară către fundul bazinului cu o concentraţie îmbogăţită de oxigen. Este evident că

simularea corespunde procesului fizic real prin creşterea rapidă a concentraţiei oxigenului în

zona de injecţie a aerului acolo unde suprafaţa de contact apă-aer se reînnoieşte rapid şi

valorile coeficienţilor de transfer de masă sunt mari. Sistemul de aerare utilizat este corect

dimensionat pentru geometria bazinului, acesta reuşind să asigure o bună omogenizare a

amestecului polifazic.

6. MODELAREA PROCESULUI DE TRANSFER A OXIGENULUI PE

BAZA TEORIEI SIMILITUDINII

6.2 Similitudinea proceselor de transfer de masă în reactoare biologice aerobe



__________________________________________________________________________________________

Pentru o astfel de analiză este esenţial să se definească corect toate mărimile, variabile

independente, care influenţează şi determină procesul în vederea identificării dependenţelor şi

relaţiilor corecte de calcul. Este o etapă ce solicită o atenţie deosebită deoarece neglijarea

unei constante sau a unei mărimi ce influenţează desfăşurarea procesului fizic conduce la

stabilirea unei relaţii incorecte. Pentru cazul concret al reactorului biologic echipat cu o

instalaţie de aerare cu bule fine, identificarea produselor adimensionale prin aplicarea

teoremei poate fi realizată dacă sunt considerate următoarele mărimi fizice:

1. parametri geometrici:

1.1 lungimea reactorului biologic B [m] – L;

1.2 adâncimea apei din bazin H [m] – L;

1.3 adâncimea la care este amplasat dispozitivul de dispersie Ha [m] – L;

1.4 aria membranei perforate a difuzorului Sp [m2] – L;

1.5 diametrul porului prin care se face injecţia aerului dp [m] – L;

1.6 diametrul bulei de aer la desprinderea de orificiu db [m] – L;

2. parametri hidraulici:

2.1 debit de apă recirculat Qa [m3/s] – L3T-1;

2.2 debit de aer insuflat de sistemul de aerare Qg [m3/s] – L3T-1;

2.3 debit de oxigen transferat Qox [m3/s] – L3T-1;

2.4 debit de nămol recirculat Qn [m3/s] – L3T-1;

3. caracteristici ale mediului polifazat – se menţionează că acesta este un mediu cu

caracteristici aparente sau echivalente:

3.1 acceleraţia gravitaţională g [m/s2] – LT-2;

3.2 viscozitatea dinamică a mediului apos n [Ns/m2 – kg/sm] – MT-1L-1; se poate

considera şi viscozitatea cinematică n [m2/s] – L2T-1;

3.3 densitatea mediului polifazat n [kg/m3] – ML-3;

4. parametri cinematici

4.1 timpul de parcurs al bulei până la suprafaţa liberă tp [s] – T;

4.2 viteza de ridicare a bulei de aer vb [m/s] – LT-1;

4.3 viteza de mişcare a apei va [m/s] – LT-1;

5. parametri ai transferului de masă

5.1 coeficientul de transfer de masă KL [s-1] – T-1;

5.2 coeficientul de difuzivitate turbulentă Dt [m2/s] – L2T-1;

6. parametri de cinetică biologică

6.1 viteza specifică maximă de creştere a microorganismelor heterotrofe [s-1] – T-1;___________________________________________________________________________Călin Aurelia – Rezumatul tezei de doctorat 26


__________________________________________________________________________________________

6.2 biomasa heterotrofă activă X [kg/m3] – ML-3;

6.3 concentraţia substratului biodegradabil S [kg/m3] – ML-3.

Se consideră funcţia implicită dependentă de toţi parametrii definiţi mai sus:

(6.1)

În conformitate cu teorema produselor adimensionale se aleg cele trei mărimi

fundamentale (L, M, T):

dp - diametrul porului prin care se face injecţia aerului pentru lungimea L;

n - densitatea mediului polifazat pentru masa M;

tp - timpul de parcurs al bulei până la suprafaţa liberă pentru timp T.

Cu aceste mărimi fundamentale se pot forma produsele adimensionale , rezultând o

funcţie implicită de forma:

(6.2)

În relaţia de mai sus se regăsesc două dintre criteriile general valabile în hidrodinamică:

Reynolds şi Froude [13]. Din analiza fenomenului de transfer de masă al oxigenului în apă, se

poate determina o relaţie de calcul a coeficientului de transfer de masă utilizând produsele

adimensionale din relaţia (6.2):

(6.3)

O astfel de corelaţie permite estimarea corectă a coeficientului de transfer deoarece sunt

consideraţi parametrii importanţi pentru dinamica procesului: debitul de aer insuflat, timpul

de contact dintre cele două faze participante (aer-apă), dimensiunea porului care va influenţa

diametrul bulei şi implicit viteza de deplasare către suprafaţa liberă, condiţiile hidrodinamice

din bazin prin considerarea numărului Reynolds, densitatea de plantare a dispersorilor prin

considerarea ariei perforate totale precum şi de reacţiile de consum ce apar ca urmare a

degradării materiilor organice în prezenţa biomasei heterotrofe active. Rezolvarea acestei

ecuaţii pe cale teoretică în vederea stabilirii valorilor coeficienţilor este

aproape imposibilă. Pentru o stabilire exactă a acestor coeficienţi se impune realizarea de

determinări experimentale prin care să se determine coeficientul de transfer de masă pentru

diferite debite de aer dar şi timpul necesar ca bula de aer să ajungă la suprafaţa liberă din

momentul desprinderii de duză.



__________________________________________________________________________________________

În acest sens, pentru a putea oferi o relaţie de calcul aplicabilă sistemului de aerare

testat în cadrul determinărilor din laborator au fost folosite valorile coeficienţilor medii de

transfer de masă determinate în capitolul 7 al tezei (tabelul 7.8). Ecuaţia 6.3 poate fi scrisă, în

formă simplificată astfel:

(6.4)

unde K este o constantă ce consideră influenţa celorlalţi termeni incluşi în ecuaţia 6.4.

(6.5)

Prin substituţia valorilor coeficienţilor globali de transfer de masă determinaţi pentru

cele trei valori diferite ale debitului de aer insuflat se obţine sistemul de ecuaţii de mai jos, în

care necunoscutele sunt K şi α.

(6.7)Pentru sistemul pneumatic de aerare considerat se poate scrie o relaţie generală de

calcul a coeficientului global de transfer de masă:

(6.11)

În care coeficientul K are o valoare constantă, 0,001, iar α depinde de valoarea

debitului. Pentru cele trei valori ale debitului considerat în această etapă de studiu se pot

utiliza valorile rezultate din rezolvarea sistemului de ecuaţii propus.

Concluzii

În această situaţie concretă a studiului procesului de transfer de masă al oxigenului din

aer în apă, caz ce implică foarte mulţi termeni de natură diferită, similitudinea proceselor de

oxigenare este deosebit de importantă atât pentru cercetarea teoretică cât şi pentru

transpunerea datelor obţinute în laborator pe modele la prototipurile industriale.

Studiul dezvoltat în acest capitol este complet, acesta incluzând toţi parametrii ce

influenţează sau determină procesele de transfer al oxigenului din aer în masa de apă uzată

precum şi parametri pe baza cărora poate fi apreciat procesul complex de degradare biologică

a materiilor organice în reactoare aerobe.

7. CERCETĂRI EXPERIMENTALE ASUPRA PROCESELOR DE

OXIGENARE

7.1. Configuraţia instalaţiei experimentale___________________________________________________________________________Călin Aurelia – Rezumatul tezei de doctorat 28


__________________________________________________________________________________________

Testele experimentale au fost realizate la Universitatea Politehnica din Bucureşti, în

Laboratorul de Transport Fluide Polifazate şi Depoluare al Catedrei de Hidraulică, Maşini

Hidraulice şi Ingineria Mediului. Sistemul de aerare cu bule medii pentru care au fost

realizate determinările experimentale prezentate în acest capitol cuprinde o linie de distribuţie

a aerului comprimat furnizat de o turbosuflantă centrifugală şi cinci conducte perforate cu rol

de dispersie a aerului în bazin. Diametrul perforaţiilor este de 1 mm iar distanţa dintre aceste

orificii este 150 mm. Sistemul a fost amplasat într-un bazin din beton ce are dimensiunile: L -

lungimea = 3 m, l - lăţimea = 1 m şi h - înălţimea = 1 m. Scopul principal a fost acela de a

verifica posibilitatea sistemului de oxigenare de a amesteca şi omogeniza mediul lichid din

reactor, dar şi aprecierea calitativă a intensităţii procesului de amestecare prin determinarea

modului de variaţie a concentraţiei oxigenului rezidual în timp. Este de aşteptat ca această

creştere să fie semnificativă, în special pe durata primei perioade de reaerare ca urmare a

deficitului mare faţă de saturaţie, ajungându-se la 10% până la 80% faţă de saturaţie într-un

interval de timp de aproximativ 30 de minute.

7.2.2 Metodologia de testare a instalaţiei experimentale

Testarea echipamentului de oxigenare s-a realizat prin metoda regimului tranzitoriu la

variaţia concentraţiei oxigenului dizolvat în masa de apă, metodă descrisă detaliat în

paragraful 7.2.1. Principiul este foarte simplu şi constă în măsurarea vitezei de oxigenare a

apei curate începând cu un conţinut nul de oxigen a acesteia până se ajunge la saturaţie.

Au fost realizate mai multe seturi de determinări experimentale, pentru trei valori

diferite ale debitului de aer insuflat în bazin: Qaer = 25 Nm3/h, Qaer = 50 Nm3/h respectiv Qaer =

75 Nm3/h. Cu ajutorul debitmetrului de aer montat pe circuitul primar de alimentare al

instalaţiei s-a stabilit o valoare constantă a debitului de aer insuflat şi pe parcursul

determinărilor s-a urmărit menţinerea acestui debit la valoarea impusă. S-a observat pentru

primele 20 de minute de reaerare o creştere rapidă a concentraţiei de oxigen dizolvat în masa

de apă, valorile determinate experimental tinzând către valoarea concentraţiei la saturaţie. Nu

există diferenţe semnificative între valorile determinate pentru cele două puncte de măsură

deoarece curenţii hidrodinamici generaţi în bazin asigură amestecarea completă a celor două

faze apă-aer.



__________________________________________________________________________________________

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00

timp [min]

OD [mg/l]

25 Nm3/h

50 Nm3/h

75 Nm3/h

7.7 Variaţia comparativă a concentraţiei de oxigen dizolvat în primul punct de măsură, aflat la 0,4 m faţă de radierul bazinului

Se constată că datele experimentale nu respectă riguros o lege matematică, distribuţia

datelor primare prezentând o dispersie faţă de curba teoretică de tip repartiţie logaritmică.

7.3 Comparaţia datelor experimentale cu rezultatele obţinute

prin modelare matematică

Datele experimentale obţinute pentru cele trei debite diferite de aer insuflat vor fi

comparate cu rezultatele prezentate în capitolul 5, paragraful 5.3.3, determinate prin

integrarea numerică a ecuaţiei de dispersie. Comparaţia este posibilă deoarece dimensiunile

bazinului de aerare şi configuraţia echipamentului de oxigenare sunt identice cu cele ale

reactorului utilizat pentru obţinerea rezultatelor experimentale. În tabelul 7.4 sunt prezentate

datele obţinute pentru sistemul de conducte perforate în condiţiile unui debit de aer insuflat

de 25 Nm3/h. Comparaţia a fost realizată pentru intervalele de timp considerate în etapa de

modelare, valorile numerice ale concentraţiei de oxigen obţinute prin integrare numerică sunt

cele citite direct pe graficele curbelor de egală concentraţie pentru cele două puncte în care au

fost amplasaţi senzorii de măsură. Se poate observa o corelare bună a datelor experimentale

cu cele teoretice. Diferenţele apărute, în special în prima perioadă de reaerare sunt justificate

de valorile iniţiale concentraţiei de oxigen rezidual. Modelul dezvoltat consideră o

concentraţie iniţială a oxigenului dizolvat în bazin de 1 mg O2/l iar determinările

experimentale au fost realizate pornind cu valori ale concentraţiei apropiate de zero.



__________________________________________________________________________________________

00.5

11.5

22.5

33.5

44.5

55.5

66.5

77.5

8

0 5 10 15 20 25 30

tim p [m in]

OD

[mg/

l]

Date experimentale-senzor 1 Model matematic-senzor 1

00.5

11.5

22.5

33.5

44.5

55.5

66.5

77.5

8

0 5 10 15 20 25 30

tim p [m in]

OD

[mg/

l]

Date experimentale-senzor 2 Model matematic-senzor 2

Figura 7.8 Comparaţie între rezultatele teoretice şi cele experimentale pentru ambele puncte de măsură considerate – Qg=25 Nm3/h

În figura 7.8 este reprezentată prima porţiune a curbei experimentale obţinute la un

debit de aer insuflat de 25 Nm3/h, peste care au fost suprapuse punctele determinate prin

modelare matematică. Pentru ambele puncte de măsură se poate observa că primul punct al

concentraţiei, determinat pentru primele 5 minute ale perioadei de reaerare, este poziţionat la

o distanţă destul de mare faţă de cel rezultat prin determinare experimentală. O justificare ar

putea fi existenţa în apa din reactor a unor cantităţi mici de sulfit de sodiu care nu a fost

consumat sau diferenţa de temperatură. În timpul determinărilor experimentale au fost

înregistrate variaţii mici ale temperaturii, în sensul creşterii acesteia pe parcursul funcţionării

instalaţiei de aerare. Acest lucru era previzibil, deoarece aerul insuflat este captat din incinta

în care au loc determinările şi are o temperatură mai mare decât temperatura apei din reactor.

Datele obţinute în urma prelucrării rezultatelor experimentale cu ajutorul unui program scris

în Matlab indică valori reduse ale coeficienţilor globali de transfer de masă, deci performanţe

foarte mici ale sistemului de aerare testat. Pentru valori ale debitului de aer de 50 Nm3/h

respectiv 75 Nm3/h se obţin coeficienţi de transfer cu valori apropiate. O ipoteză ar fi aceea

că instalaţia de dispersie a aerului comprimat este subdimensionată în raport cu un debit de

aer de 75 Nm3/h, acest sistem fiind prevăzut cu un număr foarte mic de perforaţii. A fost

adoptată o soluţie nouă, ce a implicat realizarea unui număr mult mai mare de orificii cu

diametrul de 1 mm în cele cinci conducte din inox cu care instalaţia de aerare a fost iniţial

echipată. În urma acestei modificări, distanţa dintre perforaţii a fost redusă la 50 mm. Testele

au fost reluate pentru noua configuraţie a sistemului de aerare, fiind realizate determinări

pentru aceleaşi valori ale debitului de aer şi menţinând aceeaşi amplasare a senzorilor de

oxigen dizolvat. În figura 7.14 sunt prezentate sub formă grafică datele experimentale

obţinute pentru cele trei valori ale debitului în primul punct de măsură, situat în vecinătatea

suprafeţei libere.



__________________________________________________________________________________________

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00timp [min]

OD[mg/l]

25 Nm3/h

50 Nm3/h

75 Nm3/h

Figura 7.14 Prezentarea comparativă a rezultatelor obţinute pentru cele trei valori ale debitului în primul punct de măsură

Curbele obţinute pe cale experimentală se apropie de curba teoretică de tip repartiţie

logaritmică descrisă în multe studii de specialitate [110]. Pentru valori mari ale debitului de

aer se observă o creştere mult mai rapidă a concentraţiei de oxigen în zona deficitului mare

faţă de saturaţie, după această perioadă curba urmând un palier aproximativ constant cu valori

ale concentraţiei de oxigen ce tind către valoarea de saturaţie.

Concluzii

Testele experimentale au fost efectuate pe instalaţia din Laboratorul de Transport Fluide

Polifazate şi Depoluare cu scopul de a verifica posibilitatea sistemului de aerare de a

amesteca şi omogeniza mediul lichid din reactor precum şi aprecierea calitativă a intensităţii

procesului de amestecare prin determinarea modului de variaţie a concentraţiei oxigenului

rezidual în timp. Datele obţinute au fost prelucrate cu un program de calcul scris utilizând

softul Matlab, destinat calculului coeficienţilor globali de transfer de masă pe baza datelor de

intrare. Se constată o creştere a valorilor acestor coeficienţi şi implicit a capacităţii de

oxigenare a echipamentului în condiţiile majorării debitului de aer insuflat, situaţie

confirmată şi de literatura de specialitate.

8. DETERMINĂRI EXPERIMENTALE PRIVIND CONSUMUL DE

OXIGEN ÎN SEDIMENTELE BENTICE ALE UNUI LAC EUTROF

8.2.1 Caracteristici ale Lacului Serraia

Lacul Serraia este situat la o cotă de 974 m în platoul Piné din regiunea Trentino aflată

în nordul Italiei. Este un lac mic, cu o suprafaţă totală de 450.000 m2 şi o adâncime medie de

7,5 metri. Lacul a fost clasificat ca fiind eutrof, efectele acestui fenomen putând fi observate



__________________________________________________________________________________________

cu precădere primăvara, când are loc înflorirea algală ce depăşeşte limitele normale, şi în

lunile de vară. APPA, agenţia locală de protecţie a mediului, este responsabilă cu

monitorizarea lacului şi achiziţionează cu regularitate date privind evoluţia parametrilor. Au

fost luate măsuri pentru reducerea efectelor eutrofizării, care au vizat în primul rând

reducerea la minimum a cantităţilor de nutrienţi proveniţi din surse externe, dar aceste măsuri

s-au dovedit a fi ineficiente pentru reabilitarea completă a lacului şi aducerea acestuia la

stadiul de mezotrofie.

8.2.2 Regimul termic al lacului şi profile ale concentraţiei de oxigen

În vara anului 1997 fenomenul de eutrofizare s-a manifestat foarte puternic,

concentraţiile mari de nutrienţi favorizând dezvoltarea excesivă a algelor. Monitorizarea

completă a lacului a început în anul 2000, la derularea acestei campanii participând şi membri

specialişti din cadrul Departamentului de Inginerie Civilă şi Ambientală al Universităţii

Trento din Italia. Starea generală a lacului s-a degradat continuu, acesta ajungând aproape de

gradul de hipereutrofie, elementul inhibitor pentru producţia primară fiind fosforul.

Încărcarea mare cu nutrienţi provine din apele pluviale care “spală” terenurile agricole din

vecinătatea lacului. Efectele încărcării mari cu nutrienţi s-au manifestat în lac printr-o

creştere algală excesivă, şi implicit un consum mult mai mare de oxigen dizolvat (OD) în

zonele de mare adâncime, unde are loc oxidarea materiei organice. Difuzia oxigenului

atmosferic la adâncimi mari ale lacului este limitată de stratificarea termică din lunile de vară,

perioadă în care fluxul de oxigen dintre epilimnion şi hipolimnion este redus sever. Astfel, în

zona de fund a lacului apar condiţii anoxice primăvara şi acestea se menţin până în lunile

târzii de toamnă, favorizând încărcarea cu nutrienţi proveniţi din stratul de sedimente.



__________________________________________________________________________________________

Figura 8.12 Determinări in situ ale valorilor temperaturii în diferite luni ale anului 2005

Figura 8.13 Profile ale concentraţiei de oxigen dizolvat pentru diferite luni ale anului 2005

Cele mai mari valori ale temperaturii au fost înregistrate în anul 2003, în stratul de

suprafaţă ajungând la 24,5 0C, în timp ce în restul anilor pentru care au fost achiziţionate date

nu au fost depăşite 22 0C. Metalimnionul se distinge în lunile de vară între 4 şi 7 metri

adâncime, cu variaţii notabile de la un an la altul. Vara, oxigenul dizolvat are valori mari în

apropierea suprafeţei libere şi apropiate de zero în zona de interfaţă apă-sediment, la

adâncimi maxime, în lunile iulie şi august, concentraţia oxigenului dizolvat ajungând la 0,8 –

1,6 mg/l. Pe durata destratificării termice din primăvară se poate observa din graficul 8.12 că

se ajunge la o concentraţie omogenă a oxigenului în întreaga coloană de apă, şi foarte

apropiată de valorile de saturaţie. Au fost monitorizaţi foarte mulţi parametri, cum ar fi: pH-

ul, alcalinitatea, conductivitatea, concentraţia de ortofosfat, fosfor total, azot amoniacal,

clorofila a, turbiditatea, etc. Valorile maxime ale concentraţiei de clorofilă a au fost măsurate

primăvara şi vara, acestea ajungând până la 36,4 – 44 µg/l. În aceste condiţii de concentraţie

maximă a Clorofilei a transparenţa a fost de 1,5 – 0,6 m. Aprecierea nivelului trofic al lacului

s-a realizat pe baza datelor valorilor medii anuale ale parametrilor determinaţi şi compararea

acestora cu limitele indicate de OECD, toţi parametrii relevanţi: fosfor total, transparenţă şi

clorofila a indicând un statut trofic eutrof al lacului. Pentru a îmbunătăţi calitatea apei şi a

menţine destinaţia lacului pentru agrement, a fost instalat un sistem artificial de aerare a

hipolimnionului care are rolul de a injecta la presiune mare apă îmbogăţită cu oxigen pur, cu

scopul de a compensa deficitul mare existent în zona de fund a lacului Serraia. Sistemul ___________________________________________________________________________Călin Aurelia – Rezumatul tezei de doctorat 34


__________________________________________________________________________________________

respectiv este format din 24 ejectoare orizontale montate pe un cadru aproape circular cu

diametrul de aproximativ 150 m, şi este amplasat la o distanţă de 1,5 metri deasupra stratului

de sediment. Colaborarea Departamentului de Inginerie Civilă şi Ambientală cu SOIS,

autoritatea responsabilă cu proiectarea şi întreţinerea sistemului de reaerare, a început în anul

2008. Specialiştii de la Universitatea Trento au continuat campania de monitorizare a lacului

dar au fost implicaţi şi în programul de cercetare derulat în vederea identificării soluţiilor

necesare pentru îmbunătăţirea dispozitivului de aerare existent în lac.

8.2.3 Cercetări experimentale în laborator

În paralel cu determinările realizate in situ au fost efectuate teste în Laboratorul de

Hidraulică al DICA ce au constat în determinarea experimentală a evoluţiei profilelor de

oxigen în timp pe verticala unei carote de sediment prelevat din Lacul Serraia. Este bine

cunoscut faptul că fenomenul de eutrofizare este puternic influenţat de reacţiile ce au loc în

stratul limită bental, motiv pentru care experimentele derulate în laborator au avut ca scop

principal determinarea consumului de oxigen în stratul de sediment şi la interfaţa apă-

sediment în diferite condiţii de temperatură. S-a dorit în primul rând ca această instalaţie să

poată menţine proba supusă analizei la o temperatură constantă pe parcursul derulării testelor

experimentale, evitând astfel apariţia unor gradienţi de temperatură ce ar influenţa valorile

concentraţiei de oxigen. Carota de sediment a fost plasată în interiorul unui tub din pexiglas

cu diametrul de 150 mm şi înălţimea de 450 mm, prevăzut la exterior cu un strat de material

izolant cu grosimea de 10 mm (figura 8.17). Spaţiul liber dintre carotă şi peretele interior al

instalaţiei a fost umplut cu un agent friorific incolor, recirculat şi răcit în permanenţă.

Legendă:

1. micromanipulator pentru senzorul de

oxigen dizolvat;

2. conductele de distribuţie a agentului

frigorific;

3. carotă de sediment;

4. strat de izolaţie termică.

Figura 8.17 Fotografie a instalaţiei experimentale


1

2

3

4


__________________________________________________________________________________________

Cele patru conducte cu diametrul de 5 mm, elementul numărul 2 din figura 8.17,

aflate la partea superioară a instalaţiei sunt folosite pentru a distribui uniform lichidul răcit de

o instalaţie frigorifică. La realizarea instalaţiei de laborator s-a avut în vedere şi izolarea

suprafeţei libere pentru a reduce semnificativ transferul oxigenului din aerul atmosferic prin

difuzie moleculară. Acest lucru se impune deoarece interfaţa apă-sediment se află în lac la o

adâncime mare, iar fluxul de oxigen provenit din aerul atmosferic este nesemnificativ. Pentru

a izola cât mai bine suprafaţa liberă s-a utilizat şi un strat subţire de ulei de vaselină. Acest

ulei nu interacţionează cu apa şi filmul format de acesta la suprafaţa apei opune rezistentă la

transferul oxigenului din aerul atmosferic. Prima etapă a determinărilor experimentale a

constat în testarea uleiului folosit pentru izolarea suprafeţei libere, realizată pentru o probă de

apă distilată acoperită cu un strat subţire de ulei de vaselină (parafină).

S-a adoptat această metodă deoarece testele realizate la 8 0C cu suprafaţa liberă (figura

8.25) au demostrat că difuzia oxigenului atmosferic reuşeşte să menţină aproape constantă

concentraţia oxigenului dizolvat în întreaga coloană testată, caz ce diferă foarte mult de

condiţiile existente în lacul studiat.

Profile ale concentraţiei de oxigen determinate la 8 °C

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

-30000 -25000 -20000 -15000 -10000 -5000 0 5000 10000

Adâncime [µm]

OD [%]

21 Mai-16:36 21 Mai-18:20 22 Mai-9:31 22 Mai-16:50

Figura 8.25 Profile ale concentraţiei de oxigen determinate la o temperatură de 8 0C

Se remarcă existenţa unor mici fluctuaţii, aceastea fiind induse probabil de

bioturbulenţă, fenomen ce apare datorită existenţei speciilor planctonice în carota analizată ___________________________________________________________________________Călin Aurelia – Rezumatul tezei de doctorat 36


__________________________________________________________________________________________

(figura 8.26). Este foarte probabil ca deplasarea senzorului de oxigen pe verticala coloanei de

apă să genereze un grad redus de turbulenţă în vecinătatea acestuia. Au fost prelevate noi

carote de sediment care au fost testate la temperaturi diferite, în condiţiile existentei la

suprafaţa liberă a unei pelicule de ulei de vaselină cu grosimea de 5 mm. Prima determinare a

fost realizată la o temperaură de 20,8 0C şi a presupus realizarea de profile de oxigen pentru

intervale de timp de 30 de minute, până în momentul în care se ajunge la o concentraţie de

oxigen cât mai apropiată de zero la interfaţa apă-sediment. Rezultatele obţinute sunt

prezentate sub formă grafică în figura 8.29; trebuie precizat faptul că valorile negative ale

adâncimii corespund stratului de apă din carota testată.

Figura 8.29 Profile ale concentraţiei de oxigen determinate la o temperatură de 20,8 0C

Pot fi observate fluctuaţii mult mai mari ale acestor profile decât în cazul celor

determinate pentru 8 0C, o explicaţie plauzibilă ar fi valoarea mare a temperaturii, ce conduce

la o intensificare a activităţii organismelor prezente în proba analizată. Deasemenea, se

observă o intensificare a acestor variaţii pentru profilele determinate în condiţii de

concentraţii reduse ale oxigenului dizolvat, explicabile prin creşterea nivelului de stres al

microorganismelor. Se poate observa în figura 8.29 că stratul de sediment nu este complet

mineralizat deoarece pe o adîncime de aproximativ 2000 µm sunt măsurate valori ale

concentraţiei de oxigen ce ajung până la 3 mg/l. Pe baza acestor profile a putut fi determinată

cantitatea de oxigen dizolvat prezent în proba supusă analizei de laborator şi s-a determinat

pentru fiecare curbă de concentraţie determinată experimental fluxul de oxigen. Următorul

pas a fost acela de a determina ce tip de reacţie descrie cel mai bine datele experimentale,



__________________________________________________________________________________________

pentru aceasta valorile masei de oxigen au fost interpolate cu curbele teoretice ale reacţiilor

de consum identificate în literatura de specialitate.

Figura 8.30 Rezultatele interpolării cu curba teoretică a unei reacţii de consum de ordinul zero

Se poate observa o corelare bună a acestor date, coeficientul de corelare având

valoarea 0,9778. Pentru acest tip de reacţie constanta vitezei de reacţie este dată de panta

dreptei, deci pentru datele obţinute în laborator valoarea acestei constante (k) este 0,0038.

Fluxul total de oxigen estimat utilizând expresia unei reacţii de ordinul zero este J=1.149

[mg/min·cm²]. Proba analizată la 20,8 0C a fost prelevată în luna mai, după o furtună

puternică ce probabil a influenţat zona hipolimnionului prin resuspensia materiei organice.

Din acest motiv testele au fost reluate pentru o altă carotă de sediment prelevată din lacul

Serraia în luna iunie, şi au urmat aceeaşi metodologie de testare. Singura diferenţă o

reprezintă temperatura, carota nou analizată fiind testată la 21 0C. Pentru a evidenţia modul în

care temperatura influenţează reacţiile de consum au fost realizate determinări experimentale

la o temperatură mult mai mică, de 5 0C. Profilele obţinute pentru o temperatură de 5 0C arată

în primul rând o concentraţie iniţială a oxigenului dizolvat mai mare; este evident că la valori

mici ale temperaturii concentraţia oxigenului dizolvat creşte, acest lucru fiind precizat şi în

multe studii teoretice de specialitate. Se remarcă în schimb variaţii mai mici ale concentraţiei

de oxigen pe verticala coloanei de apă, ca efect al activiţătii reduse a speciilor planctonice. Se

poate observa că aproape în întreaga coloană de apă oxigenul dizolvat are concentraţii

superioare limitei de stres a organismelor, deci în acestă situaţie factorul de stres îl reprezintă

temperatura; spre deosebire de situaţiile anterior analizate se remarcă un gradient mai mic al

concentraţiei de oxigen la interfaţa apă-sediment.



__________________________________________________________________________________________

Valorile determinate în laborator au fost comparate cu măsurătorile realizate în lac

pentru aceeaşi perioadă. Pe baza valorilor măsurate în lac a putut fi calculată cantitatea totală

de oxigen din hipolimnion – 8101,10 kg O2, şi în final a putut fi estimat fluxul. Pentru zona

interfeţei apă-sediment, considerată pentru adâncimi mai mari de 9 meteri, s-a obţinut o

valoare aproximativă a fluxului de oxigen de 1,1252 [mg/min·cm²]. Se observă că această

valoare este comparabilă cu rezultatele obţinute în condiţii de laborator. Diferenţele mici pot

fi justificate prin valorile diferite ale temperaturii, deoarece în perioada respectivă pentru

zona hipolimnionului lacului Serraia aceasta a variat în intervalul 12-14 0C. Temperatura mult

mai mare înregistrată pentru zona hipolimnionului decât în anii precedenţi se explică prin

instalarea sistemului de aerare la o adâncime de aproximativ 8,5 metri. Funcţionarea acestui

sistem de aerare generează curenţi hidrodinamici ce duc la destratificarea termică a lacului

prin antrenarea jeturilor de lichid mult mai cald de la suprafaţa lacului.

Concluzii

Scopul studiului din acest capitol a fost acela de a determina consumul de oxigen la

interfaţa apă-sediment pentru diferite temperaturi. O etapă foarte importantă în realizarea

acestei cercetări a reprezentat-o proiectarea instalaţiei de laborator pe care au fost realizate

testele experimentale dar şi căutarea unei soluţii de reducere a fenomenului de difuzie a

oxigenului din atmosferă pentru a reda cât mai bine condiţiile din lac. Datele experimentale

au fost comparate cu valorile determinate in situ pentru zona interfeţei apă-sediment. S-a

constatat că rezultatele calculate pentru fluxul de oxigen pe baza măsurătorilor din laborator

au acelaşi ordin de mărime cu cele calculate pe baza datelor reale înregistrate în lacul Serraia.

9. CONCLUZII GENERALE, CONTRIBUŢII ORIGINALE

ŞI DIRECŢII VIITOARE DE CERCETARE

9.1 Concluzii generale

Cercetările efectuate în prezenta lucrare permit formularea următoarelor concluzii:

1. Teza de doctorat este structurată pe 9 capitole, dezvoltată pe 249 pagini şi cuprinde o listă

bibliografică cu 161 de titluri.

2. Instalaţia pneumatică dezvoltată şi testată corespunde cerinţelor de transfer de masă, de

omogenizare şi amestecare a mediului polifazat existent în reactorul biologic aerob.



__________________________________________________________________________________________

3. Rezultatele obţinute la experimentări constituie o bază solidă pentru ca aceste cercetări să

fie continuate.

4. Prin modelarea matematică a procesului de transfer de masă se obţin soluţii corecte

referitoare la repartiţia oxigenului din mediul lichid confirmate prin experimentările

efectuate în laborator.

5. În simularea evoluţiei dinamice a procesului de transfer şi dispersie a oxigenului din aer

în apă efectul cel mai important îl au:

a. intensitatea turbulenţei generate de mişcarea ascensională a bulelor de aer prin masa

de apă care conduce la coeficienţi mari de dispersie;

b. intensitatea aerării modelate şi simulate prin valorile impuse condiţiei la limită pe

radierul reactorului biologic.

6. Modelul matematic elaborat ia în considerare ipoteza amestecării complete justificată prin

mişcarea de transport pe orizontală combinată cu deplasările pe verticală ale fazelor

mediului polifazat antrenate de bulele de gaz. În acest mod se asigură evitarea formării

zonelor de stagnare, de apă moartă şi se favorizează contactul dintre fazele constituente

ale mediului polifazat considerat.

7. S-a demonstrat încă odată că apare necesitatea corelării corecte a formei şi dimensiunilor

bazinului de aerare cu intensitatea procesului de aerare.

8. Pentru realizarea unui model complet, capabil să descrie cât mai real procesul de epurare

biologică aerobă, este necesar să se introducă în ecuaţia de dispersie un termen de consum

al oxigenului ca urmare a activităţii microbiene. În modelarea procesului complex se

poate considera, astfel, fenomenul fizic de transfer molecular şi turbulent de masă,

dispersia acestui gaz difuzat în mediul lichid, precum şi aspectele legate de consumul

oxigenului din mediul apos. Estimarea acestui termen este foarte dificilă şi implică

cunoaşterea amănunţită a metabolismului celular al bateriilor heterotrofe şi autotrofe.

9. Modelul tridimensional elaborat în cadrul tezei permite determinarea valorilor

concentraţiei de oxigen din reactor bazinului pentru diferite condiţii de debit de aer

insuflat şi mai multe tipuri de sisteme pneumatice de aerare. Se poate preciza forma

optimă a bazinului şi adâncimea de amplasare a sondei de oxigen utilizată la controlul

automat al reactorului biologic aerob.

10. În activitatea de modelare şi simulare a procesului de transfer şi dispersie a oxigenului în

mediul apos din reactorul biologic aerob au fost calibrate constantele şi verificate

experimental rezultatele obţinute prin integrarea numerică.



__________________________________________________________________________________________

11. Prin calibrarea modelului matematic propus în această teză, elaborat pentru predicţia

variaţiei oxigenului în procesul de reaerare, s-au obţinut rezultate comparabile cu

realitatea experimentală.

12. Partea a doua a acestei teze propune o metodă de reabilitarea a unui lac eutrof, sunt

prezentate valori ale parametrilor semnificativi şi se studiază în condiţii de laborator

influenţa temperaturii asupra reacţiilor de consum ce au loc în stratul limită bental.

9.2 Contribuţii originale

Lucrarea aduce următoarele contribuţii în studiul teoretic şi experimental al procesului

de reaerare în reactoare biologice aerobe:

1. Au fost inventariate cunoştinţele teoretice şi experimentale din domeniul epurării

biologice a apelor uzate şi au fost prezentate într-o manieră organizată.

2. A fost studiat procesul de transfer de masă al oxigenului din aer în apă, factorii ce

influenţează procesul, posibilităţile de intensificare ale acestuia, au fost semnalate

metodele de calcul şi de modelare prezentate în literatura de specialitate studiată.

3. Stabilirea corelaţiilor dintre mărimile de bază care intervin în fenomenele de dispersie şi

de transfer de masă ale procesului de reaerare, precizarea unei relaţii noi de calcul a

coeficientului global de transfer de masă ce consideră influenţa factorilor fizici şi

biologici care influenţează procesul. Importanţa deosebită a acestei corelaţii constă în

faptul că poate fi prezentată sub formă adimensională şi cuprinde influenţa criteriilor de

similitudine.

4. Au fost identificate noi criterii adimensionale specifice proceselor de transfer de masă şi

utile în cazul instalaţiilor de transfer.

5. Conceperea unui model matematic tridimensional pentru studiul teoretic al procesului de

reaerare care ia în considerare efectul parametrilor hidrodinamici precum şi influenţa

diametrului bulelor de aer generate de echipamentul de aerare.

6. În raport cu modelele prezentate în literatura de specialitate şi analizate în prezenta

lucrare modelul original consideră şi mediul apos cu turbulenţa generată şi indusă de

echipamentul pneumatic de aerare, fapt care aduce o importantă contribuţie originală.

7. Modelarea şi simularea evoluţiei procesului de dispersie a oxigenului pe verticala

bazinului de aerare prin considerarea ecuaţiei de dispersie particularizată la condiţiile

concrete ale curgerii de tip piston; calibrarea modelului şi adaptarea soluţiei la condiţiile

reale ale unui bazin de aerare.



__________________________________________________________________________________________

8. Simularea valorilor concentraţiilor de oxigen prin rularea modelului matematic utilizând

software-ul FlexPDE, versiunea 5.0.9, a condus la rezultatele comparabile cu realitatea

experimentală fapt care a permis validarea modelelor teoretice.

9. Modelul elaborat pe baza ecuaţiei de dispersie, care ia în considerare atât regimul

hidrodinamic – prin valorile coeficienţilor de dispersie, cât şi consumul de oxigen în

reacţiile biochimice, poate fi utilizat cu succes la stabilirea geometriei optime a

reactorului biologic, dimensionat de multe ori, mult mai mare decât este necesar.

10. Metoda propusă şi rezultatele obţinute teoretic prin modelare şi simulare pot fi introduse

în software-ul sistemului de control şi conducere automată a procesului de epurare

biologică.

11. Conceperea, realizarea şi experimentarea unui stand în laboratorul de specialitate al

catedrei de Hidraulică, Maşini Hidraulice şi Ingineria Mediului, destinat studierii

sistemelor pneumatice de aerare.

12. Determinarea prin experimentări a variaţiei concentraţiei de oxigen în diferite condiţii de

funcţionare.

13. Stabilirea capacităţii de oxigenare a dispozitivului de dispersie şi a randamentului de

transfer a acestui dispozitiv; a fost aplicată metoda specifică regimului nestaţionar,

modelată şi simulată în capitolul de cercetări teoretice, pentru a putea obţine date

reproductibile, comparabile cu alte sisteme de oxigenare.

14. Scrierea unui program în Matlab, versiunea 6.5, destinat analizei şi prelucrării datelor

experimentale obţinute pe instalaţia din laborator.

15. Realizarea unei instalaţii de laborator pentru studiul influenţei temperaturii asupra

reacţiilor de au loc la interfaţa apă-sediment.

16. Identificarea soluţiilor de reducere a fenomenului de difuzie a oxigenului din atmosferă

pentru a reda cât mai bine condiţiile din lac, şi demonstrarea prin teste realizate pe apă

distilată că utilizarea unei pelicule de ulei de parafină este o metodă sigură.

17. Testarea experimentală a carotelor de apă şi sediment prelevate din lac în condiţii aerobe,

dar şi în condiţii de diminuare a difuziei oxigenului atmosferic prin adăugarea unei

pelicule de ulei de parafină la suprafaţa liberă a probei testate pentru diferite temperaturi.

18. Trasarea profilelor de concentraţie a oxigenului dizolvat pentru diferite intervale de timp,

până la consumul total al acestuia în zona stratului limită bental, şi au fost calculate

vitezele de consum pentru seturile de date obţinute experimental.

19. Interpolarea rezultatele testelor de laborator cu curbele teoretice ale reacţiilor de consum

de ordinul zero, I şi II; s-a constatat că pentru temperaturi ce depăşesc 20 0C se obţine o ___________________________________________________________________________Călin Aurelia – Rezumatul tezei de doctorat 42


__________________________________________________________________________________________

aproximare foarte bună prin interpolarea cu curba teoretică a unei reacţii de ordinul zero,

iar pentru temperaturi mai mici de 10 0C o aproximare acceptabilă se obţine dacă acestea

sunt interpolate cu curba teoretică a unei reacţii de ordinul I.

20. Compararea datelor experimentale cu valorile determinate in situ pentru zona interfeţei

apă-sediment. S-a constatat că rezultatele calculate pentru fluxul de oxigen pe baza

măsurătorilor din laborator au acelaşi ordin de mărime cu cele calculate pe baza datelor

reale înregistrate în lacul Serraia.

9.3 Direcţii de cercetare în viitor

Din studiile teoretice şi experimentale efectuate de autoare se pot semnala următoarele

direcţii de cercetare în viitor:

1. Determinări importante pot fi efectuate pentru a studia fenomenul de expandare a

volumului de apă ca efect al introducerii bulelor de gaz în mediul lichid. Această

determinare este deosebit de importantă pentru parcurgerea coloanei care generează

presiune hidrostatică înspre dispozitivul de dispersie. Este un element de calcul al

presiunii necesare la generatorul pneumatic pentru învingerea rezistenţei coloanei de

lichid. Evident că trebuie să se considere şi greutatea specifică a amestecului bifazic gaz-

aer format prin expandare.

2. Efectuarea unor cercetări aprofundate, cu aparatură performantă de mare fineţe, asupra

procesului de transfer de masă şi de dispersie în mediul apos a oxigenului dizolvat în

lichid care să conducă la randamente superioare de transfer şi în final la reducerea

consumurilor energetice. Explorarea câmpului de viteze pe cele trei direcţii, cu

echipamente care au ca principiu de funcţionare efectul Doppler în funcţie de debitul de

aer introdus în mediul apos.

3. Elaborarea unui model complex de studiu teoretic a procesului de reaerare în reactoare

biologice care să permită corelarea tuturor factorilor de natură mecanică, hidraulică,

chimică, biochimică etc ce intervin în proces.

4. Identificarea unui nou sistem, pentru aprecierea biodegradabilităţii materiilor organice din

apele uzate care sa permită adoptarea deciziilor operative “on line”.

5. Realizarea de determinări experimentale în vederea stabilirii consumului de oxigen în

stratul limită bental pentru mai multe valori ale temperaturii pentru a aprecia cu exactitate

dacă există o dependenţă de tip liniar sau exponeţial.

6. Studiul variaţiei consumului de oxigen la interfaţa apă-sediment în funcţie de regimul de

curgere şi comparerea rezultatelor cu date obţinute prin măsurători realizate in situ.



__________________________________________________________________________________________

Bibliografie selectivă

[1] Al-Ahmady K.K., Analysis of Oxygen Transfer Performance on Sub-surface Aeration Systems, Int. J. Environ. Res. Public Health, Vol. 3, Nr. 3, p. 301-308, 2006;[7] Boltz J.P., Johnson B.R., Daigger G.T., Modeling Integrated Fixed-Film Activated Sludge (IFAS) Bioreactors I: Mathematical Treatment and Model Development, Water Environ. Res., Vol. 8, Nr.6, p. 555-75, 2009;[8] Boudreau B.P., Solute transport above the sediment-water interface. The Benthic Boundary Layer: transport processes and biogeochemistry, Oxford University Press, p. 211-213, 2001;[12] Brennen C.E, Fundamentals of Multiphase Flows, California Institute of Technology Pasadena, California Cambridge University Press, ISBN 0521 848040, p.100-125, 2005;[13] Brujan E.A., Fundamentals of Fluid Mechanics, Similitude and dimensional analysis, Politehnica Press;[14] Bunner B., Tryggvason G., Effect of bubble deformation on the properties of bubbly flows, J. Fluid Mech, vol. 495, p. 77–118, 2003;[15] Capela S, Roustan M, Hediut A, Transfer number in fine bubble diffused aeration system, Water Science and Technology, vol.43, no. 11, p 145-152, 2001;[16] Călin A . , Righetti M., Dumitran G., Robescu D.N., Teodoru C., Oxygen consumption in benthic sediments: experimental analysis of the temperature influence on sediment oxygen demand, U.P.B. Scientific Bulletin, Series C, vol. 69, issue 4, 2007;[17] Călin A ., Robescu D., Robescu D., Oxygen concentration profiles in combined fine and medium bubbles aeration system, Scientific Bulletin of the Politehnica University of Bucharest, Series D, vol. 3, 2010;[18] Călin A., Dan Niculae Robescu, Maurizio Righetti, Study of the oxygen consumption problems into the benthic sediments of the accumulation lakes, U.P.B. Scientific Bulletin, Series D, vol.70, issue 4, ISSN 1454-2358, 2008;[19] Călin A., Oxygen consumption in benthic sediments: experimental analysis of the temperature influence on Sediment Oxygen Demand, proiect de diplomă; Coordonatori: Conf. Dr. Ing. Gabriela Elena Dumitran, Prof.dr.ing. Tiberiu Apostol, Conf.dr.ing. Maurizio Righetti, Dr.geol. Cristian Teodoru;[20] Chachuat B., Roche N., Latifi M.A., Optimal aeration control of industrial alternating activated sludge plants, Bichemical Engineering Jornal, 10, p 143-153, 2002;[21] Chambers B., Upton J., Greenhalgh S. H, The Development and Use of Hybrid Aeration Processes, J CIWEM, vol. 12, p. 322-329, 1998;[22] Chanson H., Air bubble entrainment in free-surface turbulent shear flows, Academic Press, ISBN 0-12-168110-6, p 274-277, 1996; [23] Chapman D., Water Quality Assessments, University Press, Cambridge 1992;[25] Christensson M., Welander T., Treatment of municipal wastewater in a hybrid process using a new suspended carrier with large surface area; Water Science & Technology, Vol. 49, Nr. 11-12, p. 207–214, 2004;[28] DeMoyer, C.D., Schierholz, E.L., Gulliver, J.S., Wilhelms, S.C., Impact of bubble and free surface oxygen transfer on diffused aeration systems, Water Resources, vol. 37, p.1890–1904, 2003;[30] De Swart J.W.A, Van Vliet R.E., Krishna R., Size, structure and dynamics of large bubbles in a two-dimensional slurry bubble column, Chemical Engineering Science, vol.51, no.20, p. 4619-4629, 1996;[33] Downing L.S, Nerenberg R., Total nitrogen removal in a hybrid, membrane-aerated activated sludge process, Water Research, vol. 42, p. 3697-3708, 2008;[36] Duchene Ph., Cotteux E., Capela S., Applying fine bubble aeration to small tanks, Water Science and Technology, vol.44, no.2-3, p. 203-210, 2001;[37] Eckenfelder W.W. Jr., Industrial Water Pollution Control –Aeration and mass transfer, Third edition, Ed. McGraw Hill Inc, p. 65-75, 2003;[39] Florea J., Robescu., Hidrodinamica instalaţiilor de transport hidropneumatic şi de depoluare a apei şi a aerului, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1985;[43] Gillot S., Capela-Marsal S., Roustan M., Heduit A., Predicting oxygen transfer of fine bubble diffused aeration systems-model issued from dimensional analysis, Water Research, vol. 39, p. 1379-1387, 2005;[44] Giurconiu M., Mirel I., Carabeţ A., Chivereanu D., Florescu C., Stăniloiu C., Construcţii şi instalaţii hidroedilitare, Editura de Vest, Timişoara, ISBN 973-36-0357-0, 2002; [53] Huh B.G., Euh D.J, Yoon H.Y., Yun B.J., Song C.H., Chung C.H., Mechanistic study for the interfacial area transport phenomena in an air/water flow condition by using fine-size bubble group model , International Journal of Heat and Mass Transfer vol. 49, p. 4033–4042, 2006;[54] Huo T.L., The Effect of Dynamic Surface Tension on Oxygen Transfer Coefficient in Fine Bubble Aeration System – teză de disertaţie, Universitatea California, Los Angeles, 1998;[60] Krause S., Cornel P., Wagner M., Comparison of different oxygen transfer testing procedures in full scale membrane bioreactors, Darmstdat University of Technology, Germany, paper reference no. e 21131a;[63] Laureshen C., Dynamics of bubble groups – PhD dissertation, University of Calgary, 1997;


http://www4.unitn.it/Ugcvp/it/Web/ProdottiAutore/PER0003661


__________________________________________________________________________________________

[65] Lemoullec Y., Potier O., Gentric C., Leclerc J.P., A general correlation to predict axial dispersion coefficients in aerated channel reactors, Water Research, vol. 42, p. 1767 – 1777, 2008;[67] Linek V., Kordac M., Moucha T., Mechanism of mass transfer from bubbles in dispersions Part II: Mass transfer coefficients in stirred gas-liquid reactor and bubble column, Chemical Engineering and Processing vol. 44, p. 121-130, 2005;[70] Madhavi T., Golder A.K., Samanta A.N, Ray S, Studies on bubble dynamics with mass transfer, Chemical Engineering Journal, vol. 128, p. 95–104, 2007;[71] Makoto H., Gantzerb C.J., Heinz G.S., Unsteady diffusional mass transfer at the sediment/water interface: Theory and significance for SOD measurement Water Research, vol. 38, p. 1–12, 2004;[75] Maurer M., Fux C., Graff M., Moving Bed Biological Treatment of Municipal Wastewater: Denitrification, Water Science Technologies, Vol. 43, No.11, p. 337-344, 2001;[78] Meybeck M., Le lacs et leur basin versant, R. Pourriot şi M. Meybeck [Eds] Limnologie Générale. Masson, Paris, vol.6, nr. 60, 1995;[80] Minhee L., Visualization of oxygen transfer across the air–water interface using a fluorescence oxygen visualization method, Water Research vol. 36, p. 2140–2146, 2002;[82] Mirel I. Alimentări cu apă şi canalizări în agricultură, Lito Universitatea Tehnică din Timişoara, 1992;[83] Moharram F., Renu B., A simplified model for the steady-state biofilm-activated sludge reactor Journal of Environmental Management vol. 74, p. 245–253, 2005;[87] Mueller J.A., Boyle W.C., Pöpel J.H., Aeration: Principles and Practice, vol 11, CRC Press LLC, ISBN 1-56676-948-5, p. 9-20, 45-73, 204-216, 2000; [92] Nistreanu V., Procese unitare pentru tratarea apelor, Ed. AGIR, 2000;[96] Ognean, T., Dimensionless criteria for estimating oxygen transfer in aeration systems, Biotechnol. Bioeng, vol. 41, p.1014–1020, 1993;[98] Ortiz-Ochoa K., Doig S.D., Ward J.M., Baganz F., A novel method for the measurement of oxygen mass transfer rates in small-scale vessels, Biochemical Engineering Journal, vol.25, p. 63–68, 2005;[99] Patwardhan A.W., Joshi J.B, Fotedar S., Mathew T., Optimization of gas–liquid reactor using computational fluid dynamics, Chemical Engineering Science, vol. 60, p. 3081 – 3089, 2005;[101] Pincovschi I, Hidrodinamica sistemelor disperse gaz-lichid, Referat nr.1 de Doctorat, conducător ştiinţific Prof.Dr.Ing. Dan Ionescu, 1995;[103] Randall, C. W., Barnard, J. L., Stensel, D. H., Design and Retrofit of Wastewater Treatment Plants for Biological Nutrient Removal; Technomic Publishing Co. Inc.: Lancaster, Pennsylvania, 1992;[104] Righetti M., Lucarelli C., Resuspension phenomena of benthic sediments: the role of cohesion and biological adhesion, Published online 29 July 2009 in Wiley InterScience (www.interscience.wiley.com), River. Res. Applic., vol. 26, p. 404–413, 2010;[106] Robescu D.N., Robescu D., Lanyi S., Verstoy A., Modelarea şi simularea proceselor de epurare, Editura Tehnică, Bucureşti, 2004;[108] Robescu D., Călin A., Robescu D.N, Năsărâmbă B., Simulation of attached growth biological wastewater treatment process in mobile bed biofilm reactor, Proceedings of 10th International Conference on Mathematics and Computers in Biology and Chemistry (MCBC'09), Prague, Czech Republic, March 23-25, 2009, pp. 157-161, ISSN 1790-5125, ISBN 978-960-474062-8, ISI Proceedings (http://www.wseas.org, http://wseas.us/indexes), 2009;[109] Robescu D., Călin A., Modelling the mass-transfer processes into the biphasic gas-liquid systems from the biological reactors, Scientific Bulletin of the Politehnica University of Timişoara, 53(67), pp 523-527, 2008;[110] Robescu D., Călin A., Robescu D.N, Theoretical and experimental researches on the performances of an aeration system used for hybrid wastewater treatment, U.P.B. Scientific Bulletin, Series D, Vol. 72, Iss. 1, 2010;[111] Robescu D., Călin A., Cercetări experimentale pentru determinarea capacităţii de oxigenare şi a randamentului de transfer la sisteme pneumatice cu bule medii, Environment and Progress, vol 12, ISSN 1584-6733, 2008;[112] Robescu D., Călin A., Simularea funcţionării unui reactor biologic cu peliculă biologică ataşată unor elemente mobile plutitoare, Environment and Progress, vol 12, ISSN 1584-6733, 2008; [114] Rosso D, Stenstrom M.K, Surfactant effects on α-factors in aeration systems, Water Research, Vol. 40, Nr. 7, 2006, p.1397-1404 [116] Rusten B, Eikebrokk B., Ulgenes Y., Design and Operations of the Kaldness Moving Bed Biofilm Reactors, Aquacultural Engineering, Vol.3, pp. 322-33,1996;[118] Schierholz E.L., Gulliver J.S., Wilhelm S.C, Henneman H.E., Gas transfer from air diffusers, Water Research, vol. 40, p.1018 – 1026, 2006; [125] Stoianovici S., Robescu D., Stamatoiu D., Calculul şi construcţia echipamentelor de oxigenare a apelor, Editura Ceres, Bucureşti, 1985;


http://www.sciencedirect.com/science?_ob=PublicationURL&_tockey=%23TOC%235831%232006%23999599992%23622033%23FLA%23&_cdi=5831&_pubType=J&view=c&_auth=y&_acct=C000066952&_version=1&_urlVersion=0&_userid=5362530&md5=e23e88643330b7e9473fa01c6dd33d54

http://www.sciencedirect.com/science?_ob=PublicationURL&_tockey=%23TOC%235831%232006%23999599992%23622033%23FLA%23&_cdi=5831&_pubType=J&view=c&_auth=y&_acct=C000066952&_version=1&_urlVersion=0&_userid=5362530&md5=e23e88643330b7e9473fa01c6dd33d54

http://www.sciencedirect.com/science/journal/00431354

http://wseas.us/indexes


__________________________________________________________________________________________

[128] Sweerts J-P., Bar-Gilissen M-J., Cornelese A. A., Cappenberg T.E., Oxygen-consuming processes at the profundal and littoral sediment-water interface of a small meso-eutrophic lake (Lake Vechten, The Netherlands), Limnology and Oceanography, vol. 36, p. 1124-1133, 1991;[130] Takács I., Experiments in Activated Sludge Modelling. PhD Thesis, Ghent University, Belgium, 2008;[148] Wiesmann U., Choi I.S., Dombrowski E.M,- Fundamentals of Biological Wastewater Treatment, Ediura WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, ISBN: 978-3-527-31219-1, p. 1-7, 2007;[155] ***Makinia, J.,Wells, S.A. (submitted). A general model of the activated sludge reactor with dispersive flow: Model development and parameter estimation. Wat. Res;[156] http://www.mmediu.ro/gospodarirea_apelor/rapoarte_ape.htm[157] “Evaluarea Strategică a Mediului şi Prevenirea Riscurilor” – Raport de ţară – România, ECOLAS&GHK, 2006;[158] http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/site/en/consleg/1991/L/01991L0271-19980327-en.pdf[159] http://ec.europa.eu/environment/water/water-urbanwaste/info/glossary_en.htm#pe[161] http:// www.unisense.com


http://www.unisense.com/

http://ec.europa.eu/environment/water/water-urbanwaste/info/glossary_en.htm#pe

http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/site/en/consleg/1991/L/01991L0271-19980327-en.pdf

http://www.mmediu.ro/gospodarirea_apelor/rapoarte_ape.htm

Documents

REZUMAT_TEZA