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

Bütehorn, Steffen

doi:999910132913

Experimental and numerical investigation of the hydrodynamics of microfiltration processes using a multi-scale approach = Experimentelle und numerische Untersuchung der Hydrodynamik von Mikrofiltrationsprozessen unter Verwendung eines Multi-Skalen-Ansatzes

Bütehorn, Steffen (Author)

2011

VerantwortlichkeitsangabeSteffen Bütehorn

ImpressumAachen

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2010

Zsfassung in dt. u. engl. Sprache

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-37433
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/96802/files/3743.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Chemische Verfahrenstechnik und Institut für Verfahrenstechnik (416110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
NMR-Bildgebung (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Deckschichtbildung (frei) ; Belüftungseffektivität (frei) ; Moduldesign (frei) ; NMR-Imaging (frei) ; CFD-Simulationen (frei) ; cake layer formation (frei) ; aeration efficiency (frei) ; module design (frei) ; NMR imaging (frei) ; CFD simulations (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

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.

Submerged membrane bioreactor (MBR) processes for treating municipal or industrial wastewater are one of the most promising applications of microfiltration membranes. Previous studies were spread over various fields of research including water science, microbiology, chemical engineering, material science and process control. All of the above research societies contributed comprehensively to a further improvement of the technology. Nevertheless, it is known that higher operational expenses compared to conventional water treatment strategies weaken the competitiveness of MBRs. More precisely, recent energy efficiency analyses identified the coarse bubble aeration of the membrane unit to consume the biggest proportion of the overall energy input. Therefore, hydrodynamic conditions in submerged microfiltration processes were investigated experimentally and numerically on three different scales in the framework of this study. The overall objective was to evaluate the impact of operating parameters, feed characteristics and module design features on the efficiency of air bubbling to control cake layer formation. On a micro-scale, local phenomena such as permeate flow, particle deposition and cake removal were non-invasively visualised with nuclear magnetic resonance (NMR) imaging. Complementary filtration experiments were conducted by applying a number of test facilities equipped with single hollow-fibres (meso-scale) or single hollow-fibre bundles (macro-scale) in different modes of operation. The bubble-induced fibre movement as a key parameter affecting the overall process performance was tracked with a direct observation (DO) technique (meso-scale). A macroscopic computational fluid dynamics (CFD) approach based on X-ray computer tomography (CT) scans and calibrated with numerical pressure loss correlations was established. The investigations have shown the impact of lumen-side pressure losses on the distribution of local permeate flux. Cake formation appeared to be heterogeneous, with thicker cakes close to the point of permeate extraction. The cake growth was in good agreement with the fouling rate dTMP/dt as a function of permeate flux, solids concentration and aeration conditions. Cake layer removal was enhanced with an increase in net aeration rate, bubble-induced fibre movement and background circulation flow. Interestingly, a higher aeration frequency for the same net aeration rate and an optimal gross aeration rate were observed, which outlines potentials for reducing aeration requirements. Fibre motion was more intensive for higher aeration rates, but insensitive to packing density variations. The CFD results were indicating a clear impact of fibre arrangement, superficial inlet velocity and solids concentration on the local cross-flow velocity and turbulence intensity. A well-defined slug flow was observed before the Taylor bubble penetrates into the porous medium. Moving forward, different module configurations will be evaluated with CFD, thus providing insights into the complex multi-phase flow pattern which are not accessible with experimental observation techniques.

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