Eleveniszapos modellek

Report
Eleveniszapos
szennyvíztisztítás modellek
A modellezés célja:





tervezés: nem létező rendszerek
„működtetése” (csupán segédeszköz)
kutatás: nehezen, vagy egyáltalán nem
vizsgálható jelenségek
megismerése/elemzése
folyamatirányítás: gyors válaszok a feltett
kérdésekre
folyamat optimalizálás: sok változat rövid
idő alatti vizsgálata (pl. kapacitás növelés)
oktatás: szemlélet kialakítása
A modellezés:

Modell nem azonos a szimulátorral!
Modell: biológiai folyamatok leírása matematikai
eszközökkel
 szimulátor: teljes (esetleg egy részleges)
szennyvíztisztítási eljárás számítására alkalmas,
számítógépen működtetett szoftver

Szennyvíztisztítás modellek

A kezdet: 1960-70-as évek





egyszerű modellek (biológiai folyamatok
leírása)
1980: számítástechnika
1987 ASM No 1. (Activated Sludge
Model)
1995-1999 ASM No 2, No 2d, No 3.
„Egyéb” szvt modellek:
Biofilm modell (1980)
 ADM (anaerob rothasztási modell)
 csatornahálózati biológiai modell

Az ASM család


ASM1 - szén/nitrogén modell (1987)
ASM2 - szén/nitrogén /foszfor (1995)



biológiai többletfoszfor eltávolítás (EBPR)
ASM2d - ASM2 + anoxikus EBPR
ASM3 - nagymértékben módosított ASM1
(1999)
Az ASM No.2.

ASM1 továbbfejlesztése

biológiai többletfoszfor eltávolítás
szükségeképpen több szennyvíz frakció
 polifoszfátok (a biomassza része, de TSS-ben
kifejezve)


kémiai kicsapás

...
Az ASM No.1 és az ASM No. 3.
O2, NO3-
CO2, N2
SS
XS
Aerob és anoxikus
növekedés
Hidrolízis
O2, NO3XS
SS
Hidrolízis
XH
O2, NO3-
CO2, N2
Pusztulás
CO2, N2
XSTO
Aerob és anoxikus tárolás
XI
O2, NO3XH
Aerob és anoxikus
növekedés
CO2, N2
XI
Aerob és anoxikus
endogén légzés
ASM No.1…ASM No.3.


Paraméterek száma nő
Minden modell „korlátok között”
alkalmazható (egyszerűsítések,
feltételezések)

pl ASM No1.: semleges pH, tranziens
folyamatok kizárása, tápanyag limitáció
nem szerepel
Anyagmérlegek
Bemenetek
Reakciók
Kimenetek
Változás = Bemenetek - Kimenetek ± Reakciók
Szennyvíz frakciók



Előrelépés a klasszikus
komponensek alkalmazásához
képest
KOI-ban mért szervesanyag
frakciók (tehát nem BOI5)
Nitrogén és foszforformák frakcionálva
szerepelnek
A szennyvíz és az eleveniszap jellemzése
(ASM nomenklatúra)

S - oldott komponensek
X - szilárd (partikulált)
komponensek

Indexelés





B - biomassza
S - szerves szubsztrát
O - oxigén
N; B,H; B,A; NO; ND; stb.
ASM1 szennyvíz frakciók
Si
Ss
Xi
Xs
Oldott inert szerves anyagok
Biológiailag könnyen bontható (oldott) szubsztrát
g KOI/m3
Partikulált inert szerves anyagok g KOI/m3
Biológiailag nehezen bontható (partikulált) szubsztrát
g KOI/m3
Aktív heterotróf biomassza
g KOI/m3
Aktív autotróf biomassza
g KOI/m3
Biológiailag inert alakos formában lévő … g KOI/m3
Oldott oxigén
g O2/m3
Nitrát és nitrit
g N/m3
Szabad ammónia és ammónium ion
g N/m3
Oldott biológiailag bontható szerves nitrogén (ss) g
Xbh
Xba
Xu
So
Sno
Snh
Snd
N/m3
Xnd
Alakos biológiailag bontható szerves nitrogén (xs)
g N/m3
Nem mérhető frakciók?



Respirometria (OUR, NUR stb.)
batch (lombik) kísérletek
becslés (telepi anyagmérlegekből)
Oldott/szilárd szétválasztása
S oldott szilárd anyag (átmegy a filteren)
X lebegőanyagok
A határvonal?
 1.6 m (GF/A)
 1 m (GF/C)
 0.45 m pórusméretű filterek
Szerves anyagok

Kémiai oxigénigény


dikromátos (KOICr)
KOI frakciók

CKOI=SS+SI+XS+XI
SS
könnyen bontható (oldott) szerves
anyag
SI
oldott, biológiailag inert szerves
anyag
XS
lassan bontható (szuszpendált)
szerves anyag
XI.
biológiailag inert (szuszpendált)
szerves anyag
Nitrogén (ASM No.1)

CTN
=SNOX+SNH4+SND+SN,I+XN,D+XN,D+XN,I
CTN
SNOX
SNH4
SN,D
SN,I
XN,D
összes nitrogén
nitrit és nitrát nitrogén,
ammónium és ammónia nitrogén,
oldott, könnyen bontható szerves
nitrogén vegyületek,
oldott inert szerves nitrogén,
szuszpendált, bontható szerves nitrogén
vegyületek,
XN,Iszuszpendált inert szerves nitrogén
Nitrogén frakciók meghatározása

Feltételezve, hogy a
nitrogéntartalom a különböző
szerves frakciókban állandó:
SN,I = fSN,I·SI
XN,I = fXN,I·XI
XN,D = fXB,N·XS
 fSN,I,
fXN,I, fXB,N, tipikus értéke-0.04-0.08
közötti
 SN,I,
nagymértékben változhat (1-4 g
N/m3)
Nitrogén frakciók meghatározása
(becsléssel)
SND=(CTKN-SNH-SNI-XNI-SNbiomassza)·(1-CXTKN)
XND=(CTKN-SNH-SNI-XNI-SNbiomassza)·CXTKN










CTKN a szennyvíz összes Kjeldahl-nitrogén koncentrációja
SNI oldott inert TKN frakció: (SNI= CTKN·fNI) (mgN·L-1)
XNI partikulált inert TKN frakció: ((XNI= fIPN·fIP·CKOI) (mgN·L-1)
fIPN: a N:KOI arány szennyvíz inert partikulált KOI-jára
vonatkoztatva (-)
fIP: a szennyvíz partikulált inert szervesanyag (KOI) frakciója (-)
CKOI szennyvíz KOI koncentráció (mg·L-1)
SNbiomassza=Σ·XB·(fBA+fBH)
XB a szennyvíz biomassza koncentrációja (mgKOI·L-1)
CXTKN a szennyvíz partikulált TKN koncentrációja (mgN·L-1), azaz
CXTKN=CTKN-CSTKN
Foszfor (ASM No.2-től)

CTP = SPO4+Sp-P+Sorg.P+Xorg.P
CTP
összes foszfor,
SPO4
oldott szervetlen ortofoszfát,
Sp-P
oldott szervetlen polifoszfát,
Sorg.P
oldott szerves foszfor,
Xorg.P
szuszpendált szerves foszfor.
Összetett változók
Si
SBOIu
SKOI
Ss
Xs
BOIu
XBOIu
fbod
BOI5
Xbh
Xba
Xu
Xi
BKOI= biológiailag bontható KOI
KOI
TSS
XKOI
icv
ivt
VSS
Tipikus nyers szv. KOI
KOI
10
60
100
“valósá
iner g”
IAWPRC Modell
t
Könnyen
bontható
Gyors hidrolízis
inert
Si
Könnyen bont.
Ss
oldott
Lassan bont.
110
Lassú hidrolízis
20
nem-denit. het.
59
denit. het.
Xs
alakos
1
40
400 össz.
autotrófok
inert
inert
Xi
Példák KOI frakcionálásra
USA
Rousseau et
Gokçay és
SASSPro
példák
al., 2001 Cadet et Sin, 2004
V2, USA
2003
Komponens
al., 2004
FranciaTörökUSA
USA
ország
ország
KOI%
KOI% KOI% KOI% KOI%
SI
8
SI
6-20
4-10
5
SS
21
20
10-32
8-25
20
XI
14
23-SI
8-17
1,5-2,5
12,4
75…85XS
57
57
33-60
62,6
SS
XBH
0
8-15
0
0
XBA
0
0
XP
0
Wichern
Orhon et
et al.,
al., 1997
2002
Török- Németország ország
KOI% KOI%
4 (2-20) 4,2 (7)
9 (7-32) 19 (17)
77-XS 12 (12)
54,8
XS
(45)
10
10 (19)
Xu és
Hultman Henze és
1996 Harremoes
(1992)
Svédország
KOI%
KOI%
15
6*
27
37*
15
14
33
23
8
19,7
0,3
Nitrogén összetevők
Sno
Snh
Összes N
sTKN
Snd
Xnd
TKN
Tipikus nyers szv. N
valóság
IAWPRC Model
nitrát
ammónium
ammónium
oldott
szervetl.
könnyen bont.
Inert old.
inert
Karbamid, ammónia
Gyorsan
bontható
Inert
szuszpendált
Snh
Gyors hidrolízis
Lassú hidrolízis
Biomassza
Sni
Oldott szerv.
Szuszpendált
nehezen bonth.
Snd
inert
Xnd
Xni
Példák nitrogén frakcionálásra
ASM No.1. komponens
SNH
SNO
SN (oldott N)
SND
XN (partikulált N)
XND
EPA, 1993 (Modellezési példa)
mgN·L-1
20
0
24
4
6
5
Rousseau et al. 2001
a TKN része (%)
64
Jobbágy et al., 2003
mgN·L-1
26,3
16
6,2
X
20
3,8-X
Reaktor hidraulika


Tökéletesen kevert
“Plug flow”
CSTR
Qinput
d=
V
“Plug flow” reaktor
Bemenet
Recirk.
Túlfolyás
Elfolyás
A PFTR egy szektora
Befolyó
Az előző
reaktorból bejővő
Iszap recirk.
Túlfolyás a következő
részbe
i
Belső recirkuláció
Peterson Mátrix
Folyamatosság
1 Növekedés
1
2 Elhalás
-1
Y = valós
növekedési hozam
-1/Y
3
So
-(1-Y)
Y
-1
r = 
Megfigyelt sebess.
Sztöchiometrikus
Paraméterek:
2
Ss
Foly. seb 
[ML-3T-1]
µSs
Xb
k+Ss
b Xb
Kinetikai paraméterek
oxigén
[M(KOI)L-3]
Eljárás
1
Xb
biomassza
[M(KOI)L-3]
Anyagmérleg
j
i
szubsztrát
[M(KOI)L-3]
Komponens
µ = maximum
fajlagos növekedés
K = fél szaturáció
konstans
b = pusztulás seb.
Egyenletrendszer
biomassza
µ Ss
Xb - b Xb
rXb =
K+Ss
szubsztrát
-1 µ Ss
Xb
rSs =
Y K+Ss
oxigén
rSo = -
(1-Y)
Y
µ Ss
Xb - bXb
K+Ss
Az ASM No.1. mátrix
ASM1 eljárások
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Heterotrófok aerob növekedése
Heterotrófok anoxikus növekedése
Autotrófok aerob növekedése
Heterotrófok pusztulása
Autotrófok pusztulása
Oldott szerves nitrogén ammonifikáció
Visszatartott szerves anyagok
hidrolízise
8. Visszatartott szerves nitrogén
hidrolízise
ASM1 eljárások
1. Heterotrófok aerob
növekedése




Az oldott szubsztrátok (szénalapú)
konverziója a biomasszába
folyamat sebessége - szubsztrát és oxigén
szükséges - a szaturáció függvényében =
Sx/(Ksx + Sx)
kis mennyiségű ammónium igény (ASM3
tápanyag limitáció)
lúgosság megjelenése a modellben
ASM1 eljárások
2. Heterotrófok anoxikus
növekedése



hasonló az aerob növekedéshez, kivéve,
hogy a nitrát nitrogén az electron akceptor
(oxigén az aerob növekedésnél)
switching function = Koh/(Koh + So)
megnöveli a lúgosságot
ASM1 eljárások
3. Autotrófok aerob növekedése





nitrifikáció (nitrifikáló szervezetek
növekedése)
biomassza növekedés (oldott ammónium,
mint energiaforrás használatával)
oxigén és ammonia-nitrogén szükséges
nitrát-nitrogén keletkezik
legnagyobb hatás a lúgosságra
ASM1 eljárások
4. Heterotrófok pusztulása



a biomassza halála (“kannibalizmus”, lízis)
heterotróf biomassza konverziója
biológiailag lassan bontható szubsztráttá
és inert alakos anyaggá
alakos szerves nitrogén is keletkezik
ASM1 eljárások
5. Autotrófok pusztulása

a heterotrófok pusztulásához hasonló
modell
ASM1 eljárások
6. Oldott szerves nitrogén
ammonifikációja

az oldott szerves nitrogén konverziója
ammoniává
ASM1 eljárások
7. Szerves anyagok hidrolízise



biológiailag nehezen bontható szubsztrátok
konverziója biológiailag könnyen bontható
szubsztráttá
a heterotrófok esetében elsőrendű
elektron donor szükséges (oxigén és/vagy
nitrát)
ASM1 eljárások
8. Szerves nitrogén hidrolízise


alakos szerves nitrogén konverziója
oldott szerves nitrogénre (ezután
ammóniummá 6. pont)
A visszatartott szerves anyagok
konverziójához hasonló modell
ASM1 mechanizmusok
Nyers szv.
Reaktor
Tisztított szv.
Si
Si
Ss
Ss
degradáció
O
2
hidrolízis
Xs
Xb
Xs
Xu
Xi
Xi
pusztulás
1-fu
fu
X
Hőmérséklet függőség
Arrhenius egyenlet
µT= µ20 • K (T-20)
K = 1.123
µ
10
30
T
Kinetika az ASM modellekben
Alapfolyamatok
-
Biológiai növekedés
-
Hidrolízis
-
Pusztulás
A Monod-görbe

Fajlagos szaporodási sebesség
   max

S
KS  S
fajlagos szaporodási sebesség [t-1]
max maximum fajlagos szaporodási
sebesség [t-1]
S
limitáló szubsztrát koncentráció [M/L3]
KS
szubsztrát féltelítési állandó [M/L-3]

Biomassza növekedés
(tápanyaglimitált környezetben), a
két egyenlet összevonásával:
dX
S
  max
X
dt
KS  S
A hozamkonstans

a tápanyagok részleges felhasználása:
új sejtek létrehozása
 szerves és szervetlen végtermékek
kialakulása

dX
dS
 Y
dt
dt
Y:
hozamkonstans [M/M]
tipikus tartományok:
aerob mikroorg.: 0,4-0,8 mg/mg
anaerob mikroorg:
0,08-0,2 mg/mg
Szimulátorok

Több nemzetközi kutatóhelyen


SSSP, ASIM, BioWin, EFOR, GPS-X,
SIMBA, STOAT, WEST
ASM alapokon működnek
μH,max
KS
KOH
Kim et al.,
2002
0,67
0,460,69
0,6
(0,67)
0,67
0,66
gKOI/gKOI
0,24
0,070,28
0,24
0, 15
0,24
gKOI/gN
0,068
0,086
gN/gKOI
0,068
0,06
gN/gKOI
Tartomány
Mértékegység
iNI
WEST
(2004)
iNX
GPS-X
YA
Heterotróf
mikroszervezetek
hozamkonstans
Autotróf
mikroszervezetek
hozamkonstans
A N/KOI arány a
biomasszában
A N/KOI arány az inert
anyagokban
Heterotróf
mikroszervezetek max.
szaporodási sebessége
Szerves szubsztrát
féltelítési állandója
Oxigén
féltelítési/inhibiciós
állandója (heterotróf
Haider
(2003)
YH
Jelentés
(ASM
No.1.)
Jelölés
Biowin 32
(2004)
Kinetikai/sztöchiometriai paraméterek
0,086
0,06
0,02-0,1
6
3-13,2
3,2
3,2
2,4
1/d
20
5-180
5,0
5
20
gKOI/m3
0,2
0,01-0,2
0,2
0,2
gO2/m3
0,2
KNO
bH
Nitrogén
féltelítési/inhibiciós
állandója
Heterotróf
mikroszervezetek
pusztulási sebessége
Autotróf
mikroszervezetek
pusztulási sebessége
Anoxikus növekedés
redukciós tényezője
Anoxikus hidrolízis
redukciós tényezője
Legnagyobb fajlagos
hidrolízis sebesség
Partikulált KOI
féltelítési állandója
Autotróf
mikroszervezetek max.
szaporodási sebessége
Ammónium féltelítési
állandója
Oxigén féltelítési
állandója (autotróf
biomassza)
Ammonifikáció
sebessége
0,5
0,05-1,6
0,62
0,1570,4*
0,5
0,5
0,094,39
0,62
0,24
Kinetikai/sztöchiometriai paraméterek
bA
ηg
ηh, ηNO3
kh
Kx
μA
KNH4
KO2A
ka
fp
gKOI/gVSS
0,62
1,0
gNO3-N/m3
1/d
0,15
0,04-0,2 0,17
0,04
0,024
1/d
0,8
0,5
0,1
0,8
-
0,37
0,4
-
0,4
0,6-1,0
3,0
1,0-3,0
2,81
1,2
1/d
0,03
0,010,03
0,15
0,1
gKOI/gKOI
0,8
0,340,86
0,75
(0,5)
0,24
1/d
1,0
0,5
gNH4-N/m3
0,2
0,4
gO2/m3
0,08
0,016
0,048
1/d
0,08
-
0,08
1,48
0,08
-
-
1,0
0,5
0,9
0,340,65
0,7
0,4
-
-
Modell kalibráció

Megbízható eredményhez
nélkülözhetetlen!



Cél: számított és mért eredmények közötti
különbség minimalizálása
Nagy számú bemenő adatigény
Módszerek
„kézi” kalibráció: paraméterek változtatása, és a
változások elemzése (lassú, nagy szaktudást
igényel)
 „automata”; Számítógép segítségével (pl. nagy
számítási igényű optimalizációs algoritmusok
felhasználásával

Összegzésként...

A modellek alkalmazása:



hasznos eszköz lehet, de
kellő alaposságot igényel (szv.
frakcionálás, kinetikai jellemzők
meghatározása)
szükséges a „motor” működésének
ismerete (korlátok, egyszerűsítések
stb.)

similar documents