(cid:53)(cid:41)(cid:181)(cid:52)(cid:38) (cid:38)(cid:79)(cid:1)(cid:87)(cid:86)(cid:70)(cid:1)(cid:69)(cid:70)(cid:1)(cid:77)(cid:8)(cid:80)(cid:67)(cid:85)(cid:70)(cid:79)(cid:85)(cid:74)(cid:80)(cid:79)(cid:1)(cid:69)(cid:86)(cid:1) (cid:37)(cid:48)(cid:36)(cid:53)(cid:48)(cid:51)(cid:34)(cid:53)(cid:1)(cid:37)(cid:38)(cid:1)(cid:45)(cid:8)(cid:54)(cid:47)(cid:42)(cid:55)(cid:38)(cid:51)(cid:52)(cid:42)(cid:53)(cid:178)(cid:1)(cid:37)(cid:38)(cid:1)(cid:53)(cid:48)(cid:54)(cid:45)(cid:48)(cid:54)(cid:52)(cid:38)(cid:1) (cid:37)(cid:207)(cid:77)(cid:74)(cid:87)(cid:83)(cid:207)(cid:1)(cid:81)(cid:66)(cid:83)(cid:1)(cid:27) InstitutNationalPolytechniquedeToulouse(INPToulouse) (cid:49)(cid:83)(cid:207)(cid:84)(cid:70)(cid:79)(cid:85)(cid:207)(cid:70)(cid:1)(cid:70)(cid:85)(cid:1)(cid:84)(cid:80)(cid:86)(cid:85)(cid:70)(cid:79)(cid:86)(cid:70)(cid:1)(cid:81)(cid:66)(cid:83)(cid:1)(cid:27) HayderMohammedISSA le 24Octobre2013 (cid:53)(cid:74)(cid:85)(cid:83)(cid:70)(cid:1)(cid:27) (cid:1) CHARACTERIZATIONANDIMPROVEMENTOFASURFACEAERATOR FORWATERTREATMENT et discipline ou spécialité (cid:178)(cid:68)(cid:80)(cid:77)(cid:70)(cid:69)(cid:80)(cid:68)(cid:85)(cid:80)(cid:83)(cid:66)(cid:77)(cid:70) (cid:1) (cid:27) (cid:1) EDMEGEP:Géniedesprocédésetdel'Environnement (cid:54)(cid:79)(cid:74)(cid:85)(cid:207)(cid:1)(cid:69)(cid:70)(cid:1)(cid:83)(cid:70)(cid:68)(cid:73)(cid:70)(cid:83)(cid:68)(cid:73)(cid:70)(cid:1)(cid:27) LaboratoiredeGénieChimique(LGC),Toulouse (cid:37)(cid:74)(cid:83)(cid:70)(cid:68)(cid:85)(cid:70)(cid:86)(cid:83)(cid:9)(cid:84)(cid:10)(cid:1)(cid:69)(cid:70)(cid:1)(cid:702)(cid:210)(cid:84)(cid:70)(cid:1)(cid:27) MartinePOUX,IngénieurdeRecherches(HDR),INP-ENSIACET,Toulouse CatherineXUEREB,DirectricedeRecherchesCNRS-LGC/INPT,Toulouse Jury: CathyCASTELAIN,DirectricedeRecherchesCNRS-LTN/INP,Nantes,Examinateur MichelSARDIN, Professeur,ENSIC/INPL,Nancy,RapporteuretExaminateur DenisBOUYER,Professeur,UniversitédeMontpellierII,RapporteuretExaminateur Jean-PierreGRASA, Président-DirecteurGénéral,Biotrade,Toulouse,Examinateur Remerciements et Dédicace Je voudrais tout d’abord remercier mes directrices de thèse Catherine Xuereb et Martine Poux, pour la confiance, le temps et la patience qu’elles m’ont accordé au long de ces trois années, ainsi que pour leurs conseils avisés qu'elles ont porté au projet. J’adresse ma reconnaissance à M. Michel Sardin, Professeur à INPL Nancy et M. Denis Bouyer, Professeur à l’Université de Montpelliers II, qui ont accepté de juger ce travail et d’en être les rapporteurs. Je remercie également Mme. Cathy Castelain, professeur à l’Université de Nantes d’avoir accepté de présider le jury de thèse. Je remercie M. Jean-Pierre Grasa, PDG Biotrade pour son intérêt à ce travail, pour son aide et ses conseils avisés et pour accepter de juger ce travail. Mes remerciements s’adressent à Joëlle Aubin et Karine Loubiere pour leur soutien qu’elles m’ont fourni tout au long de ce travail. Je souhaite remercier l’équipe technique du LGC pour leur aide, tout particulièrement, Jacques Labadie, Lahcen Farhi et Alain Muller, pour leur disponibilité, et pour leur aide dans la mise au point expérimentale. Mes remerciements s'adressent également aussi au service administratif du LGC particulièrement Danièle Bouscary pour sa disponibilité. Je remercie tous mes collègues du laboratoire LGC. Je dédie ce travail à la mémoire de ma chère mère. Je dédie ce travail aussi à ma chère épouse Aseel, merci pour ton soutien et à mes enfants Abdullah, Danya et Mohammed, qui m’attendent avec impatience. Enfin, je tiens à remercier tous ceux qui, de près ou de loin, ont contribué à la réalisation de ce projet. II Abstract: A new surface aeration system for water and wastewater treatment has been studied. Its uniqueness lies in its ability to operate in two modes: aeration or simply blending (mixing) by just reversing the direction of rotation. An experimental plant has enabled to focus on mass transfer performance and hydrodynamics. The flow pattern and the velocity field measurements inside the agitated tank were performed by both the Laser Doppler Velocimetry (LDV) and the Particle Image Velocimetry (PIV) techniques for the single phase (Mixing) mode and for the two phases (Aeration) mode. The oxygen mass transfer occurs both in the water bulk and in the spray above water surface and has been independently investigated. Different configurations and operational conditions were tested during the experimental part in order to interpret phenomenon effect of the draft tube and RTP propeller, rotational speed, turbine blades submergence and else on the flow field and the oxygen mass transfer in the agitated system that produced mainly by a cone shape turbine. The experimental part dealing with hydrodynamics and flow field shows that the down-pumping operation mode with the draft tube has the most convenient results in the mixing mode with respect to turbulent flow field and mixing time. Whilst for the up-pumping aeration mode the hydrodynamics experimental results show the whole system configuration is the most convenient with regarded to mean velocities, turbulent flow intensity and mixing time. For the oxygen mass transfer experimental part, it is found that the highest standard liquid bulk aeration efficiency is achieved (SAEb = 2.65 kgO2 kw-1h-1) when the whole system configuration is used. The highest standard aeration efficiency at 20 oC for the water spray zone is accomplished ((Esp)20 = 51.3 %) with the whole system configuration. Several correlations models have been derived for the oxygen mass transfer in water bulk and spray zones, power consumption and mixing time, on the basis of experimental results. They can be used as tools to estimate these parameters for geometrical and dynamical similar systems at industrial scales. Keywords: Surface aeration, Agitated tank, Mass Transfer, Oxygen mass transfer, Hydrodynamics, Multiphase Flow, LDV, PIV, Dimensional analysis, Modelling III Résumé : Un nouveau système d’aération de surface pour le traitement des eaux usées a été étudié. Sa spécificité réside dans sa capacité à fonctionner selon deux modes : aération ou simple brassage, en modifiant uniquement le sens de rotation du système. Un pilote a permis de cibler le travail sur l’étude expérimentale du transfert de matière et de l’hydrodynamique. Les champs d'écoulement et les mesures de vitesse à l'intérieur de la cuve agitée ont été réalisés par vélocimétrie laser à effet Doppler (LDV) et par vélocimétrie par images des particules (PIV) pour le mode monophasique (brassage) et pour le mode diphasique (aération). Le transfert d'oxygène se produit à la fois dans la cuve et dans le spray au-dessus de la surface de l'eau. Il a été étudié dans les deux zones. Différentes configurations et conditions opératoires ont été testées afin de comprendre les phénomènes d’interaction : tube de guidage, hélice complémentaire RTP, vitesse de rotation, niveau de submersion des pales de la turbine. La partie expérimentale sur l’hydrodynamique et les champs d'écoulement montre que le mode de fonctionnement en pompage vers le bas (brassage) avec tube de guidage procure les meilleurs résultats en termes de mélange si on se réfère aux champs d'écoulement et à la mesure du temps de mélange. Pour le mode de fonctionnement en pompage vers le haut (aération), les résultats expérimentaux montrent que la configuration du système complet est la plus efficace si on considère le transfert d’oxygène, les vitesses moyennes, l'intensité de l'écoulement turbulent et le temps de mélange. Il est constaté que la meilleure efficacité d'aération standard est atteinte (SAEb = 2.65 kgO2kw-1h-1) lorsque le système complet est utilisé. L'efficacité d'aération standard à 20°C la plus élevée au niveau du spray d'eau est obtenue ((ESP) = 51,3%) avec la configuration du 20 système complet. Plusieurs modèles sont proposés pour calculer le transfert d'oxygène dans la cuve et dans le spray, la consommation énergique et le temps de mélange. Ces relations permettent d’évaluer l’influence des différents paramètres géométriques et de fonctionnement dans des systèmes similaires à une échelle industrielle. Mots-clés: Aération de surface, Cuve agitée, Transfert de matière, Transfert d'oxygène, Hydrodynamique, Ecoulement multiphasique, LDV, PIV, Analyse dimensionnelle, Modélisation IV Table of Contents Introduction and Outlines 1 Chapter 1: Surface Aeration Process for Water Treatment 7 1.1. Presentation of Different Aeration Technologies in Water Treatment 9 1.1.1. Diffused Aeration 10 I. Porous Diffusers 10 I.1. Plate Diffusers 10 I.2. Panel Diffuser 11 I.3. Tube Diffuser 11 I.4. Dome Diffusers 11 I.5. Disc Diffuser 11 II. Non Porous Diffusers 11 II.1. Fixed Orifice Diffusers 11 II.2. Valved Orifice Diffusers 11 II.3. Static Tube Diffusers 11 1.1.2. Submerged Aeration 12 I. Submerged Turbine Aerators 13 II. Jets Aerators 14 1.1.3. Aeration with High-Purity Oxygen 14 1.1.4. Aspirating Aeration 15 1.1.5. Surface Aeration 16 1.2. Surface Aeration for Water Treatment Processes 16 1.2.1. Types of Surface Aerators 16 I. Low Speed Surface Aerators 16 I.1. Low Speed Vertical Flow Aerators 16 I.2. Low Speed Horizontal Flow Aerators 18 V II. High Speed Surface Aerators 18 1.2.2. Principals and Characterization 19 I. Principals 19 II. Surface Aerator Characterizations 23 II. Dissolved Oxygen Concentration Gradient Calculation Methodology 24 IV. Surface Aeration Oxygen Mass Transfer 27 IV.1. Operational Condition Effects 28 A. Rotational Speed Effect 28 B. Number of Impellers Effect 29 C. Liquid Level Effect 29 D. Clearance and Submergence Effect 30 IV.2. Geometry Effect 31 A. Tank Geometry 31 B. Baffles Effect 32 C. Draft Tube Effect 33 D. Surface Aerators Geometry 34 D.1. Surface Aerator Diameter 36 V. Impeller Position in the Treatment Tank 36 IV. Temperature Effect 37 V. Hydrodynamics 38 V.1. Flow Patterns 38 A. Flow Patterns Characterization 38 B. Vortex Formation 40 V.2. Air Bubble Size Distribution and Hold-up 40 V.3. Mixing Time 41 A. Mixing Time Characterization 41 B. Mixing Time Modeling 42 VI V.4. Air Bubbles Entrainment 43 V.5. Surface Aeration Power Consumption 43 A. Operational Condition Effect 44 B. Power Consumption Relation with Oxygen Mass Transfer 44 VI. Contact Time between Water Droplets and Atmospheric Air 45 VII. Environmental Effects 46 1.3. Conclusions 46 Chapter 2: Experimental Setup and Calculation Methods 51 2.1. Introduction 51 2.2. Experimental Installation and System Description 51 2.3. The Measurement of Power Consumption 54 2.4. Hydrodynamics and Mean Velocity Measurements Techniques 54 2.4.1. Laser Doppler Velocimetry (LDV) 54 I. LDV Apparatus Description 54 II. Tracer Particles Seeding 55 III. Measurement Principals 55 IV. Signal Post-Processing 58 2.3.2. Particle Image Velocimetry (PIV) 58 I. Theory 58 II. Tracer Particles Seeding 59 III. PIV Principles 59 IV. Scattered Light 60 V. Laser Source 61 VI. Recording Techniques 61 VII. Image Analysis Method 62 VIII. The Cross-Correlation Calculation 62 VII 2.4.3. Other Flow Related Measurements Parameters 63 I. Mixing Time (t ) 63 m II. The Pumping Number (N ) 64 Qp III. Circulation Number (N ) and Flowrate 65 Qc IV. Agitation Index (I ) and Flow Quantification 66 g 2.5. Mass Transfer Experimental Setup and Calculation Methods 67 2.5.1. Oxygen Probe Description 67 2.5.2. Mass Transfer Coefficient 69 I. Liquid Bulk Oxygen Mass Transfer Zone 69 I.1. Introduction 69 I.2. Bulk Zone Oxygen Mass Transfer Calculation Methodology 71 I.3. Testing Different Probe Positions in the Vessel 71 I.4. Repeatability of Experimental Results 72 I.5. De-oxygenation and Re-oxygenation Processes 73 I.6. Oxygen Probe Response Time Measurement Verification 73 I.7. Determination Model of the Bulk Zone Oxygen Mass Transfer Coefficient 75 I.8. Measurement Procedure for the Bulk Zone Oxygen Mass Transfer Coefficient 76 I.9. Temperature Correction for the Oxygen Mass Transfer Coefficient 77 I.10. Oxygen Transfer Rate for the Bulk Mass Transfer Zone (OTR ) 77 b I.11. Standard Oxygen Transfer Rate for the Bulk Mass Transfer Zone (SOTR ) 77 b I.12. Standard Aeration Efficiency for the Bulk Mass Transfer Zone (SAE ) 78 b II. Spray Oxygen Mass transfer Zone 78 II.1. Introduction 78 II.2. Spray Zone Oxygen Mass transfer Coefficient Calculation Methodology 79 II.3. Determination Model for the Spray Zone Oxygen Mass Transfer Coefficient 79 II.4. Temperature Correction for the Spray Mass Transfer Zone 81 II.5. Oxygen Transfer Rate in the Spray Mass Transfer Zone (OTR ) 82 sp VIII II.6. Spray Zone Mass Transfer Coefficient (ka ) Measurement Procedure 82 l d 2.6. Water Droplets Flight Time (t) 83 f 2.7. Water Droplets Velocity and Volumetric Flow Rate 84 2.7. Conclusions 87 Chapter 3: Oxygen Mass Transfer in the Surface Mode 91 3.1. Water Bulk Mass Transfer Zone 91 3.1.1. Introduction 91 3.1.2. The Experimental Results 92 I. Effect of Geometrical Configuration 92 II. Effect of Impellers Rotational Speed 93 III. Turbine Blades Submergence Effect 95 IV. Effect of the Spacing between the Impellers 97 V. Power Consumption Measurements 98 VI. Standard Aeration Efficiency (SAE ) and Standard Oxygen Transfer Rate (SOTR ) for the b b Water Bulk Zone 101 3.1.3. The Modeling 106 I. Mass Transfer 106 II. Power Consumption 108 3.2. Spray Mass Transfer Zone 110 3.2.1. Introduction 110 3.2.2. The Experimental Results 110 I. Impellers Rotation Speed Effect 110 I.1. Aeration Efficiency for the Water Spray Zone (E ) 111 sp I.2. Spray Zone Mass Transfer Coefficient (ka ) 115 l d I.3. Surface Aeration Water Spray Discharge Velocity and Volumetric Flow Rate 117 I.4. Spray Zone Oxygen Transfer Rate (OTR ) 118 sp IX