This study investigates the lithological characteristics, and lateral and vertical facies trends of poorly understood, deep-marine matrix-rich sedimentary rocks. Two laterally extensive, well-exposed outcrops of slope and proximal basin floor deposits were investigated from the Neoproterozoic Windermere Supergroup. Significantly, matrix-rich beds have been found to undergo the same lateral trends (over ~200-650 m) in both outcrops. Initially, thicker, clayey sandstone transitions laterally to a bipartite bed with the development of an upper, planar-based, more matrix-rich unit. Further laterally, the basal unit progressively thins until it pinches out, and all that remains is the upper, more matrix-rich unit – a sandy claystone. It too thins and then pinches out. Draping the entire transect is a thin, matrix-poor structured unit overlain by a mudstone or claystone cap. These trends are interpreted to reflect a progressive but rapid lateral evolution of flow structure controlled primarily by particle settling, namely sand, from mud-rich avulsion-related flows.

The separation of solids from biological wastewater treatment is an important step in the treatment process, as it has a significant impact on effluent water quality. The moving bed biofilm reactor (MBBR) technology is a proven upgrade or replacement wastewater treatment system for carbon and nitrogen removal. However, a challenge of this technology is the characteristics of the effluent solids that results in their poor settlement; with settling being the common method of solids removal. The main objective of this research is to understand and expand the current knowledge on the settling characteristics of MBBR produced solids and the parameters that influence them. In particular, in this dissertation, the impacts are studied of carrier types, biofilm thickness restraint design of carriers, and varying carbonaceous loading rates on MBBR performance, biofilm morphology, biofilm thickness, biofilm mass, biofilm density, biofilm detachment rate, solids production, particle size distribution (PSD) and particle settling velocity distribution (PSVD). With this aim, three MBBR reactors housing three different carrier types were operated with varying loading rates. In order to investigate the effect of carrier geometrical properties on the MBBR system, the conventional, cylindrically-shaped, flat AnoxK™ K5 carrier with protected voids was compared to two newly-designed, saddle-shaped Z-carriers with the fully exposed surface area. Moreover, the AnoxK™ Z-200 carrier was compared to the AnoxK™ Z-400 carrier to evaluate the biofilm thickness restraint design of these carriers, where the Z-200 carrier is designed for greater biofilm thickness-restraint. The Z-200 carrier is designed to limit the biofilm thickness to the level of 200 µm as opposed to 400 µm for the Z-400 carrier. Finally, to investigate the effects of varying carbonaceous loading rates on system removal performance, biofilm characteristics and solids characteristics, further analyses were performed at three different loading rates of 1.5 to 2.5 and 6.0 g-sBOD/m2·d in steady-state conditions. The PSD and the PSVD analyses were combined to relate these two properties. A settling velocity distribution analytical method, the ViCAs, was applied in combination with microscopy imaging and micro-flow imaging to investigate the relation of PSD and settling behaviour of MBBR produced particles. The obtained results have indicated that the carrier type significantly impacted the MBBR performance, biofilm, and particle characteristics. As such, the K5 carrier MBBR system demonstrated a statistically significantly higher carbonaceous removal rate and efficiency (3.8 ± 0.3 g-sBOD/m2·d and 59.9 ± 3.0% sBOD removal), higher biofilm thickness (281.1 ± 8.7 μm), higher biofilm mass per carrier (43.9 ± 1.0 mg), lower biofilm density (65.0 ± 1.5 kg/m3), lower biofilm detachment rate (1.7 ± 0.7 g-TSS/ m2·d) and hence lower solids production (0.7 ± 0.3 g-TSS/d) compared to the two Z-carriers. The Z-carriers' different shape exposes the biofilm to additional shear stress, which could explain why the Z-carriers have thinner and denser biofilm, resulting in higher solids production and lower system performance in comparison with K5. Moreover, the carrier type was also observed to impact the particle characteristics significantly. PSD analysis demonstrated a higher percentage of small particles in the Z-carrier system effluent and hence a significantly lower solids settling efficiency. Therefore, the solids produced in the K5 reactor have shown enhanced settling behaviour, consisting of larger particles with faster settling velocities compared to Z-carriers. This dissertation also investigated the effects of restraint biofilm thickness on MBBR performance by comparing the Z-200 biofilm thickness-restraint carrier to the Z-400 carrier. No significant difference was observed in removal efficiency, biofilm morphology, biofilm density, biofilm detachment rate, and solids production between the Z-200 to the Z-400 carriers. The PSD and the PSVD analyses did not illustrate any significant difference in the particles’ settling behaviour for these two biofilm thickness restraint carriers, indicating that the biofilm thickness-restraint carrier design was not a controlling factor in the settling potential of MBBR produced solids. Finally, this research studied the effect of varying loading rates and demonstrated a positive, strong linear correlation between the measured sBOD loading rate and the removal rate, indicating first-order BOD removal kinetics. The biofilm thickness, biofilm density and biofilm mass decreased when the surface area loading rate (SALR) was increased from 2.5 to 6.0 g-sBOD/m2·d. The solids retention time (SRT) was also shown to decrease by increasing the SALR, where the lowest SRT (1.7 ± 0.1 days) was observed at the highest SALR, with the highest cell viability (81.8 ± 1.7%). Significantly higher biofilm detachment rate and yield were observed at SALR 2.5, with the thickest biofilm and a higher percentage of dead cells. Consequently, a higher fraction of larger and rapidly settling particles was observed at SALR of 2.5 g-sBOD/m2·d, which leads to a significantly better settling behaviour of the MBBR effluent solids. This study expands the current knowledge of MBBR-produced particle characteristics and settling behaviour. A comprehensive understanding of the MBBR system performance and the potential influencing factors on the MBBR produced solids, particle characteristics, and their settleability will lead to optimized MBBR design for future pilot- and full-scale applications of the MBBR.

Deep-marine sandstones containing significant (> 10%) detrital mud (silt and clay) matrix have become increasingly recognized, but mostly in drill core or poorly exposed outcrops where details of their vertical and lateral variability are poorly captured. Exceptional vertical and along-strike exposures of matrix-rich and associated matrix-poor deposits in deep-marine strata of the passive margin Neoproterozoic Windermere Supergroup and foreland basin Ordovician Cloridorme Formation, provide an unparalleled opportunity to document such characteristics. In both study areas, strata form a 100s m long depositional continuum that at its upflow end consists of thick-bedded matrix-poor sandstone (<20% matrix) that transforms progressively downflow to medium- to thick-bedded muddy sandstone (20 – 50% matrix) to medium-bedded bipartite facies with a basal sandy (30 – 60% matrix) part overlain sharply by a muddier part (40 – 80% matrix), and then to thin-bedded sandy mudstone (50 – 90% matrix). This depositional continuum is then overlain everywhere by a thin- to very thin-bedded traction-structured sandstone and/or silty mudstone cap. This consistent lithofacies change is interpreted to reflect particle settling in a rapidly but systematically evolving, negligibly-sheared sand-mud suspension developed along the margins (Windermere) and downflow terminus (Cloridorme) of a high-energy, mud-enriched avulsion jet. Stratigraphically upward, beds of similar lithofacies type succeed one another vertically and transform to the next facies in the depositional continuum at about the same along-strike position, forming stratal units 2–9 beds thick whose grain-size distribution gradually decreases upward. This spatial and temporal regularity is interpreted to be caused by multiple surges of a single, progressively waning turbidity current, with sufficient lag between successive surges for the deposition of a traction-structured sandstone overlain by mudstone cap. Furthermore, the systematic backstepping or side-stepping recognized at the stratal unit scale in both the Windermere and Cloridorme is interpreted to be driven by a combination of knickpoint migration and local topographic steering of the flows, which continued until the supply of mud from local seafloor erosion became exhausted, the main channel avulsed elsewhere, or a new stratal element developed.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Thematik des hydraulischen Feststofftransports in Druckrohrleitungen zur Bestimmung der hydraulischen Energieverluste des Wasser-Feststoff-Gemisches und der wirtschaftlichen Gemischgeschwindigkeit (der s.g. kritischen Geschwindigkeit) vcrit. Zu diesem Zweck wurde der Transportvorgang in verschiedenen Rohrkonfigurationen (horizontal, schräg und z. T. vertikal) an einem physikalischen Modell im Hubert-Engels-Labor des Instituts für Wasserbau und Technische Hydromechanik der Technischen Universität Dresden untersucht. Dabei kamen drei Sandfraktionen zum Einsatz (0,1 - 0,5 mm; 0,71 - 1,25 mm und 1,4 - 2,2 mm). Die Partikel weisen eine Dichte von ρF=2650 kg/m³ auf. Ziel der Untersuchungen war, mithilfe der Messdaten eine Formel zur Berechnung des Verlustanteils der dispersen Phase an dem gesamten Energieverlust besonders für das heterogene und das quasi-homogene Transportregime in Abhängigkeit von den Einflussgrößen (Dichte, Konzentration, Partikeldurchmesser etc.) abzuleiten. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit war, die kritische Gemischgeschwindigkeit genauer zu betrachten und einen entsprechenden Rechenansatz aufzustellen. Diese Geschwindigkeit stellt den Übergang von dem Transport mit beweglicher Sohle zum heterogenen Feststofftransport dar. Nach Abschluss der physikalischen Versuche wurde der Feststofftransport mit der Software ANSYS-Fluent numerisch untersucht. Im Fokus der Modellierung stand die Festsetzung der Wandrandbedingung für die disperse Phase, mit Hilfen derer die physikalisch gemessenen Energieverluste erreicht werden konnten. Die Simulationen wurden mit dem Euler-Granular-Modell durchgeführt. Hierbei wird der Feststoff als zweites Kontinuum betrachtet und seine rheologischen Eigenschaften wurden durch die Erweiterung der kinetischen Theorie der Gase auf die disperse Phase (eng. kinetic theory of granular flow KTGF) berechnet. Das angewendete zwei-Fluid-Modell (TFM) eignet sich sehr gut für alle möglichen vorkommenden Feststoffkonzentrationen und liefert gute Übereinstimmung mit den Messergebnissen im Gegensatz zu dem Euler-Lagrange-Modell (DPM), welches lediglich bei niedrigen Feststoffkonzentrationen Anwendung findet.:Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Symbolverzeichnis Indexverzeichnis 1 Einleitung und Zielsetzung 2 Grundlagen des hydraulischen Feststofftransports in Rohrleitungen 2.1 Das Energiegesetz 2.2 Feststofftransport in Rohrleitungen 2.3 Partikeleigenschaften 2.4 Typisierung der Partikelbewegung mit der Strömung 2.5 Einfluss der Turbulenz auf die Partikelbewegung in horizontaler Rohrleitung 2.6 Transportzustände in horizontaler Rohrleitung 2.7 Transportzustände in vertikaler Rohrleitung 2.8 Stopfgrenze 2.9 Kräftebilanz an einem Feststoffpartikel 2.10 Dimensionsanalyse 2.10.1 Auflistung der Einflussgrößen 2.10.2 Anzahl der dimensionslosen π-Parameter 2.10.3 Auswahl der Hauptvariablen 2.10.4 Ermittlung der π-Parameter 2.10.5 Form des funktionellen Zusammenhangs 3 Bemessungsansätze des hydraulischen Transports 3.1 Stand des Wissens 3.1.1 Feststofftransport in horizontaler Rohrleitung 3.1.2 Feststofftransport in geneigter Rohrleitung 3.1.3 Feststofftransport in vertikaler Rohrleitung 3.1.4 Die kritische Gemischgeschwindigkeit in horizontaler Rohrleitung 3.1.5 Die kritische Gemischgeschwindigkeit in geneigter Rohrleitung 3.1.6 Weitere Rechenmodelle 3.2 Erweiterung des Energiegesetzes auf Gemischströmung 3.2.1 In horizontaler Rohrleitung 3.2.2 In geneigter Rohrleitung 3.2.3 In vertikaler Rohrleitung 4 Experimentelle Untersuchungen 4.1 Aufbau der ersten Versuchsanlage 4.2 Messtechnik 4.3 Umbau der Versuchsanlage 4.4 Untersuchungsmaterial 4.5 Experimentelles Verfahren 5 Numerische Simulationen mit ANSYS-Fluent 5.1 Grundlagen der Mehrphasenströmungen 5.2 Auswahl des numerischen Modells 5.3 Das Granular-Euler-Modell 5.3.1 Die Erhaltungsgleichung 5.3.2 Die kinetische Theorie der dispersen Phase 5.4 Modellvalidierung 6 Vorstellung der Untersuchungsergebnisse 6.1 Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen in horizontaler Leitung 6.1.1 Experimentelle Untersuchungen zum Energieverlust 6.1.2 Experimentelle Untersuchung zu der kritischen Geschwindigkeit 6.2 Ergebnisse der hydronumerischen Untersuchungen in horizontaler Rohrleitung 6.2.1 Randbedingungen 6.2.2 Numerische Lösung und Konvergenz 6.2.3 Parameteranalyse anhand eigener Versuche 6.2.4 Numerische Untersuchungen zur Wechselwirkung zwischen den hydraulischen Kenngrößen 6.3 Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen in vertikaler Leitung 6.4 Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen in geneigter Rohrleitung 6.4.1 Experimentelle Untersuchungen zum Energieverlust 6.4.2 Experimentelle Untersuchung zu der kritischen Gemischgeschwindigkeit 6.5 Ergebnisse der numerischen Untersuchungen in geneigter Rohrleitung 7 Fehleranalyse und weitere Betrachtungen 7.1 Degradierung des Feststoffes 7.2 Die Abnutzung der Pumpe 7.3 Abrieb und Durchbruch der Rohrleitungen 7.4 Die Instabilität des Systems bei geringen Geschwindigkeiten 7.5 Messabweichung des Durchflussmessers 7.6 Fehlerquelle bei der Untersuchung der kritischen Gemischgeschwindigkeit 7.7 Fortbewegung der Feststoffe bei Geschwindigkeiten unterhalb vcrit 7.8 Einfluss der Transportkonzentration auf den Arbeitspunkt der Pumpe 8 Zusammenfassung Literaturverzeichnis Anhang / The present work deals with the hydraulic transport characteristics of sand-water mixtures in pipelines to determine hydraulic gradients and the deposition-limit velocity (critical velocity). For this purpose, the transport process in various pipe configurations (horizontal, inclined and vertical) was investigated on a physical model at the Hubert Engels Laboratory of the Institute of Hydraulic Engineering and Technical Hydromechanics of the Technical University of Dresden. Three sand fractions were used (0.1 - 0.5 mm, 0.71 - 1.25 mm and 1.4 - 2.2 mm) with particles density of ρF = 2650 kg/m³. The aim of the investigations was to develop a model for calculating the head loss percent-age of the disperse phase in terms of total energy loss, especially for the heterogeneous and quasi-homogeneous transport regime correlating to the influence quantities (density, concentration, particle diameter, etc.). Another important aspect for this work was to consider the critical velocity and to set up a corresponding calculation approach for this parameter. The deposition-limit velocity represents the transition from sliding Bed transport to heterogeneous transport. In the next step, the solids transport process was investigated numerical with ANSYS-Fluent. The focus of the modeling was the determination of the wall boundary condition for the disperse phase, with help of which the physically measured energy losses could be re-stored. The simulations were performed with the Euler Granular model. Here, the solid is considered to be the second continuum, and its rheological properties were calculated by expanding the kinetic theory of gases to disperse phase (KTGF).:Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Symbolverzeichnis Indexverzeichnis 1 Einleitung und Zielsetzung 2 Grundlagen des hydraulischen Feststofftransports in Rohrleitungen 2.1 Das Energiegesetz 2.2 Feststofftransport in Rohrleitungen 2.3 Partikeleigenschaften 2.4 Typisierung der Partikelbewegung mit der Strömung 2.5 Einfluss der Turbulenz auf die Partikelbewegung in horizontaler Rohrleitung 2.6 Transportzustände in horizontaler Rohrleitung 2.7 Transportzustände in vertikaler Rohrleitung 2.8 Stopfgrenze 2.9 Kräftebilanz an einem Feststoffpartikel 2.10 Dimensionsanalyse 2.10.1 Auflistung der Einflussgrößen 2.10.2 Anzahl der dimensionslosen π-Parameter 2.10.3 Auswahl der Hauptvariablen 2.10.4 Ermittlung der π-Parameter 2.10.5 Form des funktionellen Zusammenhangs 3 Bemessungsansätze des hydraulischen Transports 3.1 Stand des Wissens 3.1.1 Feststofftransport in horizontaler Rohrleitung 3.1.2 Feststofftransport in geneigter Rohrleitung 3.1.3 Feststofftransport in vertikaler Rohrleitung 3.1.4 Die kritische Gemischgeschwindigkeit in horizontaler Rohrleitung 3.1.5 Die kritische Gemischgeschwindigkeit in geneigter Rohrleitung 3.1.6 Weitere Rechenmodelle 3.2 Erweiterung des Energiegesetzes auf Gemischströmung 3.2.1 In horizontaler Rohrleitung 3.2.2 In geneigter Rohrleitung 3.2.3 In vertikaler Rohrleitung 4 Experimentelle Untersuchungen 4.1 Aufbau der ersten Versuchsanlage 4.2 Messtechnik 4.3 Umbau der Versuchsanlage 4.4 Untersuchungsmaterial 4.5 Experimentelles Verfahren 5 Numerische Simulationen mit ANSYS-Fluent 5.1 Grundlagen der Mehrphasenströmungen 5.2 Auswahl des numerischen Modells 5.3 Das Granular-Euler-Modell 5.3.1 Die Erhaltungsgleichung 5.3.2 Die kinetische Theorie der dispersen Phase 5.4 Modellvalidierung 6 Vorstellung der Untersuchungsergebnisse 6.1 Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen in horizontaler Leitung 6.1.1 Experimentelle Untersuchungen zum Energieverlust 6.1.2 Experimentelle Untersuchung zu der kritischen Geschwindigkeit 6.2 Ergebnisse der hydronumerischen Untersuchungen in horizontaler Rohrleitung 6.2.1 Randbedingungen 6.2.2 Numerische Lösung und Konvergenz 6.2.3 Parameteranalyse anhand eigener Versuche 6.2.4 Numerische Untersuchungen zur Wechselwirkung zwischen den hydraulischen Kenngrößen 6.3 Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen in vertikaler Leitung 6.4 Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen in geneigter Rohrleitung 6.4.1 Experimentelle Untersuchungen zum Energieverlust 6.4.2 Experimentelle Untersuchung zu der kritischen Gemischgeschwindigkeit 6.5 Ergebnisse der numerischen Untersuchungen in geneigter Rohrleitung 7 Fehleranalyse und weitere Betrachtungen 7.1 Degradierung des Feststoffes 7.2 Die Abnutzung der Pumpe 7.3 Abrieb und Durchbruch der Rohrleitungen 7.4 Die Instabilität des Systems bei geringen Geschwindigkeiten 7.5 Messabweichung des Durchflussmessers 7.6 Fehlerquelle bei der Untersuchung der kritischen Gemischgeschwindigkeit 7.7 Fortbewegung der Feststoffe bei Geschwindigkeiten unterhalb vcrit 7.8 Einfluss der Transportkonzentration auf den Arbeitspunkt der Pumpe 8 Zusammenfassung Literaturverzeichnis Anhang