Experimental and numerical investigation of the hydrodynamics of microfiltration processes using a multi-scale approach

Bütehorn, Steffen

Aachen (2011)
Buch

Kurzfassung

Getauchte Membranbioreaktoren (MBRs) in der kommunalen und industriellen Abwasserbehandlung stellen eine der vielversprechendsten Anwendungen von Mikrofiltrationsmembranen dar. Zahlreiche Forschungsaktivitäten auf dem Gebiet der Wasserchemie, Mikrobiologie, Verfahrenstechnik, Materialwissenschaften sowie der Prozesssteuerung haben zur Weiterentwicklung dieser Technologie beigetragen. Dennoch beeinträchtigen höhere Betriebskosten eines MBRs im Vergleich zu konventionellen Behandlungsstrategien dessen Wettbewerbsfähigkeit. Studien zum Energieverbrauch haben zudem gezeigt, dass der größte Anteil der Gesamtenergie für die grobblasige Belüftung der Membranstufe aufgebracht werden muss. Die Hydrodynamik in getauchten Mikrofiltrationsprozessen wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit auf unterschiedlichen Skalen sowohl experimentell als auch numerisch untersucht. Ziel dieser Studien ist es, den Einfluss von Betriebs-, Stoff- und Moduldesignparametern auf die Effizienz der Luftblasenspülung zur Kontrolle der Deckschichtbildung zu bewerten. Auf mikroskopischer Ebene wurden lokale Phänomene wie Permeatströmung, Partikelablagerung und Deckschichtabtrag nicht-invasiv mithilfe der Magnetresonanztomographie (NMR) untersucht. Ergänzende Filtrationstests wurden mit einer Reihe von Einzelfaser- (Mesoskala) bzw. Einzelbündelanlagen (Makroskala) und unterschiedlichen Betriebsweisen durchgeführt. Die blaseninduzierte Faserbewegung wurde mithilfe einer digitalen Bildauswertung (DO) quantifiziert (Mesoskala). Zudem wurde ein Ansatz zur numerischen Strömungssimulation (CFD) auf makroskopischer Ebene basierend auf Röntgentomographie (CT)-Scans und Druckverlustkorrelationen entwickelt. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass der permeatseitige Druckverlust einen Einfluss auf den lokalen Permeatfluss hat. Die Deckschicht ist dicker in der Nähe des Permeatabzugs und deren Anwachsen stimmt mit der Fouling-Rate dTMP/dt als Funktion des Permeatflusses, der Feststoffkonzentration und der Belüftungsparameter gut überein. Der Abbau der Deckschicht wird durch eine höhere Nettobelüftungsrate, eine blaseninduzierte Faserbewegung sowie eine Zirkulationsströmung begünstigt. Zudem konnte eine Verbesserung der Filtrationsleistung durch eine höhere Belüftungsfrequenz mit konstanter Nettobelüftungsrate sowie eine optimale Bruttobelüftungsrate beobachtet werden. Die Faserbewegung wird durch eine höhere Belüftungsrate begünstigt, weist jedoch keine klare Abhängigkeit von der Packungsdichte auf. Erste Simulationsergebnisse haben gezeigt, dass die Faseranordnung, die Zulaufgeschwindigkeit und der Feststoffgehalt einen Einfluss auf die lokale Überströmung und die Turbulenz haben. Eine definierte Kolbenblasenströmung wurde vor dem Eintritt der Blase in das poröse Medium beobachtet. In zukünftigen Untersuchungen sollen unterschiedliche Modulkonfigurationen verglichen werden. Dies ermöglicht Einblicke in das komplexe mehrphasige Strömungsfeld, welche messtechnisch nur schwer zugänglich sind.

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