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Oxygen transfer of fine-bubble aeration systems in wastewater treatment: Influence of diffuser design on oxygen transfer at increased salt concentrations

Behnisch, Justus (2023)
Oxygen transfer of fine-bubble aeration systems in wastewater treatment: Influence of diffuser design on oxygen transfer at increased salt concentrations.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00022940
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

The topic of this cumulative thesis is to investigate the influence of diffuser design on the oxygen transfer of fine-bubble aeration systems in wastewater treatment at increased salt concentrations. In the activated sludge process, as the common aerobic biological treatment process, fine-bubble aeration systems are preferred to satisfy the oxygen demand of microorganisms. Thereby, aeration is usually the most energy-intensive part of the activated sludge process, accounting for 50 % to 80 % of total requirement. To ensure high energy efficiency of aeration and thus of the entire treatment process, designers of WWTP must therefore consider all influencing factors including salinity. When salinity rises, coalescence is increasingly inhibited. The resulting decrease in bubble size leads to an increase in the gas-liquid interface, followed by a tremendous increase in oxygen transfer.

Within this thesis, the oxygen transfer of various conventional fine-bubble aeration diffusers in tap- and saline water as well as in saline activated sludge was measured. The scope was to assess the effect of diffuser membrane design, diffuser type, diffuser density and salt type on oxygen transfer at different salt concentrations. Simultaneously, bubble size along the ascent of the bubble swarm were measured via image analyses at different levels of ascending bubble swarm in tap water and in saline water. The measurements in tap- and saline water took place in a 250 L glazed bubble column and in a 17,100 L glass-steel-frame tank. Oxygen transfer tests in saline activated sludge were conducted in a pilot scale activated sludge tank with an aerated water volume of 2.250 L. The plant was operated for 269 days with saline industrial wastewater influent. The oxygen transfer into the activated sludge was measured continuously by off-gas method.

The results show, that in tap water the oxygen transfer depends predominantly on diffuser density and type of diffuser as well as on the depth of submergence. In contrast, the diffuser membrane design has no effect on oxygen transfer in tap water, although bubble size measurements showed that the slit length of diffuser membrane affect the size of bubbles close to the diffuser (primary bubbles). The reason is, that bubbles coalescence rapidly during their ascent. Therefore, using fine-slitted diffusers in tap water does not lead to an improved oxygen transfer compared to large-slitted diffusers of the same type. Rather, the aeration efficiency decreases due to the higher pressure drop of fine-slitted diffusers.

However, when the salt concentration increases, the increasing inhibition of coalescence leads to a decreasing bubble size and a tremendously rising oxygen transfer. When the salt concentration exceeds the critical coalescence concentration (CCC), coalescence is completely inhibited and the oxygen transfer reaches its maximum. The CCC is specific for each salt or salt mixture. Using a new self-developed analytical approach, for the first time CCC was determined for various single salt solutions for conventional fine-bubble diffusers. If coalescence is completely inhibited, the bubble size equals the size of primary bubbles, which results in an improved oxygen transfer using fine-slitted diffusers. Oxygen transfer measurements in saline water as well as in saline activated sludge show, that oxygen transfer increases up to 23 % compared to large-slitted diffusers of the same type. Despite higher pressure drop of fine-slitted diffusers, aeration efficiency increases up to 17 %. Thus, at elevated salt concentrations, the efficiency of fine-bubble aeration systems can be significantly improved by adjusting the diffuser membrane design, a fact, that must also be considered in the future in the design of aeration systems. Therefore, an optimized design approach is proposed, which enables an appropriate design of fine-bubble aeration systems at increased salt concentrations.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2023
Autor(en): Behnisch, Justus
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Oxygen transfer of fine-bubble aeration systems in wastewater treatment: Influence of diffuser design on oxygen transfer at increased salt concentrations
Sprache: Englisch
Referenten: Wagner, Prof. Dr. Martin ; Engelhart, Prof. Dr. Markus ; Jardin, Prof. Dr. Norbert
Publikationsjahr: 2023
Ort: Darmstadt
Kollation: xi, 101 Seiten
Datum der mündlichen Prüfung: 14 Oktober 2022
DOI: 10.26083/tuprints-00022940
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/22940
Kurzbeschreibung (Abstract):

The topic of this cumulative thesis is to investigate the influence of diffuser design on the oxygen transfer of fine-bubble aeration systems in wastewater treatment at increased salt concentrations. In the activated sludge process, as the common aerobic biological treatment process, fine-bubble aeration systems are preferred to satisfy the oxygen demand of microorganisms. Thereby, aeration is usually the most energy-intensive part of the activated sludge process, accounting for 50 % to 80 % of total requirement. To ensure high energy efficiency of aeration and thus of the entire treatment process, designers of WWTP must therefore consider all influencing factors including salinity. When salinity rises, coalescence is increasingly inhibited. The resulting decrease in bubble size leads to an increase in the gas-liquid interface, followed by a tremendous increase in oxygen transfer.

Within this thesis, the oxygen transfer of various conventional fine-bubble aeration diffusers in tap- and saline water as well as in saline activated sludge was measured. The scope was to assess the effect of diffuser membrane design, diffuser type, diffuser density and salt type on oxygen transfer at different salt concentrations. Simultaneously, bubble size along the ascent of the bubble swarm were measured via image analyses at different levels of ascending bubble swarm in tap water and in saline water. The measurements in tap- and saline water took place in a 250 L glazed bubble column and in a 17,100 L glass-steel-frame tank. Oxygen transfer tests in saline activated sludge were conducted in a pilot scale activated sludge tank with an aerated water volume of 2.250 L. The plant was operated for 269 days with saline industrial wastewater influent. The oxygen transfer into the activated sludge was measured continuously by off-gas method.

The results show, that in tap water the oxygen transfer depends predominantly on diffuser density and type of diffuser as well as on the depth of submergence. In contrast, the diffuser membrane design has no effect on oxygen transfer in tap water, although bubble size measurements showed that the slit length of diffuser membrane affect the size of bubbles close to the diffuser (primary bubbles). The reason is, that bubbles coalescence rapidly during their ascent. Therefore, using fine-slitted diffusers in tap water does not lead to an improved oxygen transfer compared to large-slitted diffusers of the same type. Rather, the aeration efficiency decreases due to the higher pressure drop of fine-slitted diffusers.

However, when the salt concentration increases, the increasing inhibition of coalescence leads to a decreasing bubble size and a tremendously rising oxygen transfer. When the salt concentration exceeds the critical coalescence concentration (CCC), coalescence is completely inhibited and the oxygen transfer reaches its maximum. The CCC is specific for each salt or salt mixture. Using a new self-developed analytical approach, for the first time CCC was determined for various single salt solutions for conventional fine-bubble diffusers. If coalescence is completely inhibited, the bubble size equals the size of primary bubbles, which results in an improved oxygen transfer using fine-slitted diffusers. Oxygen transfer measurements in saline water as well as in saline activated sludge show, that oxygen transfer increases up to 23 % compared to large-slitted diffusers of the same type. Despite higher pressure drop of fine-slitted diffusers, aeration efficiency increases up to 17 %. Thus, at elevated salt concentrations, the efficiency of fine-bubble aeration systems can be significantly improved by adjusting the diffuser membrane design, a fact, that must also be considered in the future in the design of aeration systems. Therefore, an optimized design approach is proposed, which enables an appropriate design of fine-bubble aeration systems at increased salt concentrations.
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Das Thema dieser kumulativen Dissertation ist die Untersuchung des Einflusses des Belüfterdesigns auf den Sauerstoffeintrag feinblasiger Druckbelüftungssysteme bei der Behandlung salzhaltiger Abwässer. Beim Belebungsverfahren, dem gängigen aeroben biologischen Behandlungsverfahren, werden heutzutage zur Deckung des Sauerstoffbedarfs der Mikroorganismen bevorzugt feinblasige Druckbelüftungssysteme eingesetzt. Dabei hat die Belüftung mit 50 % bis 80 % den größten Anteil am Gesamtenergieverbrauch des Belebungsverfahrens. Zur Sicherstellung einer hohen Energieeffizienz des Belüftungssystems und damit des gesamten biologischen Reinigungsprozesses müssen bei dessen Planung alle Prozessbedingungen berücksichtigt werden. Einer der maßgebenden Faktoren ist die Salzkonzentration, deren Anstieg zu einer Hemmung der Koaleszenz und damit zu einer Verringerung der Blasengröße führt. Mit der dadurch vergrößerten Gas-Flüssig-Grenzfläche geht ein massiver Anstieg des Sauerstoffeintrags einher.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Sauerstoffeintrag verschiedener, konventioneller feinblasiger Belüfterelemente in Trink- und Salzwasser sowie in salzhaltigem Belebtschlamm gemessen. Ziel dabei war die Identifizierung und Bewertung wie Belüftermembrandesign, Belüftertyp, Belegungsdichte und Salzart bei unterschiedlichen Salzkonzentrationen den Sauerstoffeintrag beeinflussen. Parallel wurde in Trink- und Salzwasser mittels Bildanalyse die Blasengröße an verschiedenen Stellen des aufsteigenden Blasenschwarms gemessen. Die Untersuchungen in Trink- und Salzwasser fanden in einer 250 L Blasensäule sowie in einem 17.100 L Glasbecken statt. Für die Sauerstoffeintragsmessungen in salzhaltigem Belebtschlamm wurde eigens eine mit salzhaltigem Industrieabwasser beschickte Belebungsanlage im Pilotmaßstab mit einem belüfteten Beckenvolumen von 2.250 L über 269 d betrieben. Der Sauerstoffeintrag wurde dabei kontinuierlich mittels Abluftmethode erfasst.

Die Ergebnisse zeigen, dass in Trinkwasser der Sauerstoffeintrag vorwiegend von der Belegungsdichte und dem Belüftertyp sowie von der Einblastiefe abhängt. Hingegen hat das Belüftermembrandesign in Trinkwasser keinen Effekt auf den Sauerstoffeintrag, obwohl Blasengrößenvermessungen eine deutliche Abhängigkeit zwischen der Schlitzgröße und der Größe der Primärblasen zeigen. Ursache der fehlenden Einflussnahme ist die rasche Koaleszenz der Blasen während ihres Aufstiegs. Der Einsatz feingeschlitzter Belüfter führt also in Trinkwasser gegenüber dem Einsatz grobgeschlitzter Belüfter gleichen Typs nicht zu einer Veränderung oder gar zu einer Verbesserung des Sauerstoffeintrags. Vielmehr verschlechtert sich der Sauerstoffertrag infolge des höheren Druckverlustes der feingeschlitzten Belüfter.

Erhöht sich jedoch die Salzkonzentration, führt die zunehmende Hemmung der Koaleszenz dazu, dass die Blasengröße ab- und der Sauerstoffeintrag deutlich zunimmt. Erreicht die Salzkonzentration die sog. kritischen Koaleszenzkonzentration (engl. crictial coalescence concentration; CCC) ist die Koaleszenz gar vollständig gehemmt und der Sauerstoffeintrag erreicht sein Maximum. Die CCC ist dabei unterschiedlich für jedes Salz bzw. Salzgemisch. Mit einem eigens neu entwickelten Ansatz konnten erstmals für konventionelle feinblasige Druckbelüfter die CCC für verschiedene Salze bestimmt werden. Ist die Koaleszenz vollständig gehemmt entspricht die Blasengröße etwa dem der Primärblasen, wodurch mit feingeschlitzten Belüftern im Vergleich zu gröber geschlitzten Belüftern gleichen Typs ein höherer Sauerstoffeintrag erreicht wird. So wurde ein Anstieg des Sauerstoffeintrags um bis zu 23 % erreicht. Trotz des höheren Druckverlustes der feingeschlitzten Belüfter, stieg der Sauerstoffertrag um bis zu 17 %. Bei erhöhten Salzkonzentrationen kann die Effizienz des feinblasigen Belüftungssystems also durch eine Anpassung des Belüftermembrandesigns signifikant erhöht werden, ein Fakt, den es künftig auch bei der Bemessung zu berücksichtigen gilt. Ein optimierter Bemessungsansatz wird im Rahmen der Thesis vorgestellt, welcher eine bedarfsgerechte Bemessung feinblasiger Druckbelüftungssysteme bei erhöhten Salzkonzentrationen ermöglicht.

Deutsch
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-229405
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 13 Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwissenschaften
13 Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwissenschaften > Institut IWAR - Wasser- und Abfalltechnik, Umwelt- und Raumplanung
13 Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwissenschaften > Institut IWAR - Wasser- und Abfalltechnik, Umwelt- und Raumplanung > Fachgebiet Abwassertechnik
Hinterlegungsdatum: 12 Jan 2023 13:19
Letzte Änderung: 13 Jan 2023 09:00
PPN:
Referenten: Wagner, Prof. Dr. Martin ; Engelhart, Prof. Dr. Markus ; Jardin, Prof. Dr. Norbert
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 14 Oktober 2022
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