För att kunna driva en ringkanal (High Rate Algal Pond) rätt är det viktigt att förstå inverkan av paddelrotationen och vattnets uppehållstid på behandlingsresultatet. Inverkan av dessa driftparametrar har undersökts här.
Av: Jörgen Hanaeus
En ringkanal kan ha till huvudsyfte att ge maximal algproduktion vid given näringstillförsel. Syreindrivningen är då en viktig parameter, liksom vattendjupet i kanalen. Bodensteins tal, Bo, som anger kvoten mellan substansöverföring från konvektion contra från diffusion, korrelerade positivt med paddelrotationen då kanalen var sluten. Det gjorde även syreöverföringskoefficienten kLaO2. Vattendjupet gav motsatt effekt för dessa parametrar.
Vid genomströmmad kanal var syreöverföringskoefficienten positivt korrelerad med inflödeshastigheten men negativt korrelerad med paddelrotationen.
Optimala värden befanns för denna anläggning vara 0,1 m vattendjup och 11,6 rpm för paddelhjulet.
Bakgrund
Potentiell användning av algbiomassa, t.ex. som proteinkälla eller bas för biobränsle, har stimulerat intresset för att åstadkomma kontrollerad algtillväxt. Särskilt attraktivt är det om restprodukter som avloppsvatten eller gaser (ex CO2) kan utnyttjas i produktionen. Ett sådant koncept utgör ringkanalen, i den här tillämpningen kallad HRAP efter engelska High Rate Algal Pond, som är en enkel och energisnål enhet med avloppsvatten som näringskomponent.
HRAP är en oval, grund rundbanetyp av damm med ett paddelhjul som enda källa till vattenrörelse. Både kommunalt och industriellt avloppsvatten har provats. HRAP anges vara källa till 95 % av den kontrollerade produktionen av mikroalger i världen.
Flera driftparametrar behöver bestämmas för en HRAP-anläggning. Hydrodynamiken bestämmer en god blandning av näring, förnyar den exponerade vattenytan och förhindrar sedimentering som kan ge anaeroba förhållanden på kanalbottnen. Ljus, temperatur och kontaminering är andra viktiga faktorer vid produktionen.
Försök
I denna studie undersöktes de hydrodynamiska parametrarna vattennivå, inloppshastighet och paddelhjulets rotationshastighet med avseende på främst gasöverföringskoefficienten för syre. En pilotanläggning och kranvatten användes. Anläggningen var byggd som en oval damm med en skiljevägg längs större delen av den longitudinella mittlinjen. Längd/bredd för den så skapade kanalen var 19; en vanlig storleksordning för aktiva HRAP:s. Vattnet drevs med ett paddelhjul med reglerbar hastighet; paddelbladet (6 st) täckte nästan hela tvärsektionen (0,2 m) för kanalen, varigenom återströmning förhindrades. Hjuldiametern var 0,74 m och större delen av hjulet befann sig alltså ovanför vattenvolymen. Kanalens längd var ca 4 m.
För parametern vattennivå valdes värdena 0,1, 0,15 och 0,2 m. För paddelrotationen valdes 5,6, 11,6 och 16,8 rpm. Inflöden valdes till 6 och 9 L/s. Vattenhastigheten varierade då kring 0,3 m/s och medeluppehållstiden blev 8,12 eller 18 h. Vattentemperatur 15 ºC. Spårämnesförsök gjordes med saltdosering och med konduktivitetsmätare i två positioner.
In-och utlopp stängdes för att beräkna Bodensteins tal och cirkulationstiden. Gasöverföringskoefficienten för syre bestämdes utifrån syremätning med elektroder i två olika positioner.
Resultat
Reynolds och Froudes tal beräknades för olika parameterkombinationer. Re varierade mellan 1,5 och 20,8 (* 104) (turbulent flöde) och Fr mellan 0,11 och 0,22.
Bodensteins tal korrelerade negativt med vattennivån, men positivt med paddelhastigheten. Den högsta hastigheten gav som väntat högre vattenhastighet; dock ger en alltför hög vattenhastighet ogynnsamma skjuvkrafter på algpopulationen och konsumerar energi. Vattennivån hade liten påverkan på vattenhastigheten.
Vid sluten anläggning gällde att syreöverföringskoefficienten var positivt korrelerad till paddelhastigheten men negativt korrelerad till vattennivån. Värdena var jämförbara med HRAP-system med artificiell luftning och högre än i normalt arbetande HRAP:s, vilket indikerar att högre paddelhastighet förbättrar blandningen. En högre vattennivå (vattenvolym) ökar tiden för syresättning.
I en genomströmmad kanal visade sig dispersionen överväga gentemot advektionen.
Slutsatser
Kanalen dominerades av turbulent flöde och blandningen var så pass god att reaktorn kan karakteriseras som en CSTR – komplett omrörd reaktor, med paddelhastigheten som den viktigaste operationella parametern. Ansatsen att undersöka rent hydrodynamiska effekter i en HRAP är välment, men det förtjänar påpekas att den vanliga syrsättningen i vattnet sker då algen bildas av CO2 i fotosyntesen och det är alltså utgångspunkten för syreindrivning.
HRAP gynnas av hög vattentemperatur. Svenska förhållanden har testats av Erik Grönlund vid Mittuniversitet i Östersund.
Källa: Pham, L.A., Laurent, J., Bois, P., Iovino, M.2), & Wanko, A. (2019): Impacts of operational conditions and residence time distribution in a pilot scale high rate algal pond. Water Science & Technology, 78.8, pp 1782-1791.
Hela artikeln i Water Science & Technology finns att köpa här.
Författarna från:
ICube, UMR 7357, ENGEES, CNRS, Universé de Strasbourg, 2 rue Boussingault, B85BF7F7-8E39-460A-A4A1-835796C99FE5 Strasbourg, France.
Kontakt: le-anh.pham@etu.unistra.fr
