Biológiai folyamatok Szelekció

Az előadások a következő témára: "Biológiai folyamatok Szelekció"— Előadás másolata:

1 Biológiai folyamatok Szelekció
a szelekció (kiválasztódás) egy olyan folyamat, mely egyes fajok elszaporodását (növekedését) okozza, míg más fajok egyedszáma csökken. alapja a fajok megfelelő diverzitása alapigazság, miszerint valamiféle biológiai tisztítás mindig történik nagyon nagy mikrobiális populáció van jelen magában a szennyvízben

2 Biológiai folyamatok (Szelekció biofilterekben) Adhézió
Növekedési (szaporodási ráta) nem állandó, mivel a szubsztrát (pl ipari eredetű szennyvíz jelenléte) és a hőmérséklet (évszakos) is változók.

3 Biológiai folyamatok Szelekció eleveniszapos telepeken
Elektron akceptor (például oxigén vagy nitrát) Szubsztrát Ülepítési, vagy flokkulációs karakterisztkák Hőmérséklet Növekedési sebesség Szabadon szuszpendált életformák

4 Biológiai folyamatok Elektron akceptor
légbevitel az iszap és a szennyvíz keverékéhez az anaerob baktérium hosszabb időszakot nehezen viselne el. Anaerob viszonyok az iszappelyhek közepében alakulhatnak ki, de amennyiben a pehely felszakad, vagy újrapelyhesedik, az anaerob baktérium kevéssé számíthat túlélésre. A fakultatív baktériumok képesek a változó – többnyire azonban aerob – viszonyokat elviselni. Denitrifikáló telepeken a nitrát az elektron akceptor. Ebben az esetben az oxigént és nitrátot elektron akceptorként egyaránt hasznosítani tudó baktérium kerül kedvező életfeltételek közé.

5 Biológiai folyamatok Szubsztrát
A mikroszervezeteknek egyaránt kell képesnek lenniük az elsődleges és másodlagos szubsztrátok felhasználására. A biológiai foszforeltávolítás tekintetében például az Acinetobakter az anaerob körülmények közötti kis szerves molekulák (ecetsav, alkoholok stb.) felvételével képes kiválasztódni. A eleveniszapban előforduló más szervezeteknek nincs meg ez a képessége

6 Biológiai folyamatok Ülepítési vagy flokkulációs jellemezők
Amennyiben a mikroorganizmus kellően nagy és nehéz, leülepedik, és visszatartható a rendszerben. Kis méretű és könnyű szervezeteknek azonban egyesülni kell a többi hasonló tulajdonságokkal rendelkező szervezettel ahhoz, hogy a reakciómedencébe visszakerülhessen

7 Biológiai folyamatok Hőmérséklet
Ha a hőmérséklet az organizmus élettevékenységéhez szükséges értéknél kisebb, az organizmus elpusztul

8 Biológiai folyamatok Szaporodási ráta
Eleveniszapos telepeken a fölös iszap elvételének megoldásával azonos körülmények teremthetők

9 Biológiai folyamatok Szabadon szuszpendált életformák
szervezetek, amelyek élettevékenysége valamely felülethez kötődik, nem képesek hosszabb idejű létezésre az eleveniszapos telepeken.

10 Konverziók a biológiai szennyvíztisztító telepeken
Biológiai növekedés Hidrolízis Pusztulás

11 Konverziók a biológiai szennyvíztisztító telepeken
Biológiai növekedés A szennyvíztisztítási folyamatban előforduló baktériumok a növekedésükhöz kicsi, és egyszerű felépítésű molekulák lebontását végzik el. Ilyenek lehetnek például az ecetsav, etanol, metanol, propionsav, glükóz, ammónium, nitrit stb

12 Konverziók a biológiai szennyvíztisztító telepeken
Biológiai növekedés: rV,XB = max·f(S)·XB rV,XB a térfogati biológiai növekedés (dimenzió M·L- 3·T-1, mértékegység például kg KOI(B)/(m3·d)) max a maximum fajlagos szaporodási ráta (dimenzió T-1, mértékegység például h-1, vagy d-1) f(S) a szaporodás kinetikáját írja le (például nullad- vagy elsőrendű, vagy Monod-kinetika) XB biomassza koncentráció (dimenzió MX·L-3, egység kg KOI(B)/m3 vagy kg SS(B)/m3)

13 Konverziók a biológiai szennyvíztisztító telepeken
Szubsztrát fogyasztás: rV,S = (rV,XB)/Ymax Ymax a legnagyobb hozamkonstans (dimenzió MXB·MS-1, egység például kg KOI(B)/KOI(S) vagy kg VSS(B)/kg KOI(S))

14 Konverziók a biológiai szennyvíztisztító telepeken
Monod kinetika, szubsztrát fogyasztás*: *akkor alkalmazható, ha a növekedés limitáló tényezője a szubsztrát, S,. max mint a legnagyobb fajlagos növekedési ráta adott környezeti feltételek mellett (hőmérséklet, pH, oxigén, növényi tápanyagok, toxikus anyagok).

15 Konverziók a biológiai szennyvíztisztító telepeken
Hidrolízis: rV,XS = kh·XS A nagyméretű molekulák kisebb méretű molekulákká konvertálódnak (lehet partikulált, vagy oldott anyag is) A hidrolízis sebessége általában kisebb mint a biológiai növekedésé A hidrolízis gyakran a sebesség-limitáló tényező a biológiai szennyvíztisztítási folyamatokban.

16 Konverziók a biológiai szennyvíztisztító telepeken
ahol khX a hidrolízis konstans (dimenzió MXS·MXB-1·T-1) Kx a hidrolízis szaturációs konstans (dimenzió MXS·MXB-1).

17 Hidrolízis konstansok

18 Konverziók a biológiai szennyvíztisztító telepeken
Pusztulás: rV,XB = b·XB b konstans (dimenzió T-1, egység például d-1). a baktériumokat elhalás jellemzi, amelynek “sebessége” a biológiai kezelőtelepek anyagainak konverziója miatt igen lényeges. bizonyos mennyiségű lassan bontható anyag kerül be a rendszerbe. Ez az anyag hidrolizál, és következésképpen növekedést, vagy oxigén illetve nitrát fogyasztást okoz.

19 Az iszapszaporodási görbe
1. Lag-fázis 2. Exponenciális növekedés fázis 3. A lassuló növekedés fázisa 4. Stacioner fázis 5. Puszulás fázisa

20 Az iszapszaporodási görbe
1. Lag-fázis (inkubációs fázis) adaptáció az új környezethez az baktérium az enzimrendszerét a szubsztrátnak vagy a megváltozott környezetnek megfelelően kezdi el adaptálni. Ipari szennyvizek jelenléte - xenobiotikus szubsztrátot tartalmazhatnak

21 Az iszapszaporodási görbe
2. Az exponenciális növekedés fázisa (log fázis) a baktériumok száma folyamatosan nő (exponenciálisan) - sejtosztódás nincsen olyan külső tényező, amely a növekedést gátolná

22 Az iszapszaporodási görbe
3. Lassuló növekedés fázisa a külső körülmények (oxigén ellátottság, tápanyagok) kedvezőtlenné válása Toxikus anyagok jelenléte

23 Az iszapszaporodási görbe
4. Stacioner (maximális szinten állandó élősejtszám szakasza)

24 Az iszapszaporodási görbe
5. Elhalás (pusztulás) szakasza tápanyagok elfogynak (könnyen hozzáférhető BOI) pusztulás, egyes fajok eltűnése az eltűnés sebessége arányos a baktériumok számával

25 A szervesanyag aerob heterotróf átalakulása
A hozamkonstans, aerob heterotróf konverziók Tápanyagok, aerob heterotróf konverziók Kinetika, aerob heterotróf átalakulás

26 A szervesanyag aerob heterotróf átalakulása
Kinetika, aerob heterotróf átalakulás Az aerob mikroorganizmusok szubsztrát konverziója elsősorban a biomassza vonatkozásában írható le.

27 A szervesanyag aerob heterotróf átalakulása
A környezeti tényezők hatása, aerob heterotróf konverziók Hőmérséklet Oxigén pH Toxikus anyagok Nitrogén Foszfor

28 A szervesanyag aerob heterotróf átalakulása
Hőmérséklet A biológiai folyamat a hőmérséklettől az alábbi exponenciális függvény szerint változik max(T) = max(20C)·exp ((T-20))

29 A szervesanyag aerob heterotróf átalakulása
Oxigén Monod-képlet szerint: SO2.2 az oxigénkoncentráció a reaktorban KS,O2 az oxigén szaturációs állandója.

30 A szervesanyag aerob heterotróf átalakulása
“kettős” Monod-képlet: A szaturációs konstans, KS,O2, függ a pehelymérettől a hőmérséklettől, amennyiben annak hatása van az oxigén pelyhekbe történő diffúziójára

31 A szervesanyag aerob heterotróf átalakulása
pH KpH a pH állandó I=10(optimum pH)-1 Általában az alacsony pH okoz problémákat a biológiai folyamatokban

32 A pH hatása a biológiai növekedésre (KpH=200)
pH modell Tapasztalat pH

33 A szervesanyag aerob heterotróf átalakulása
Toxikus anyagok KS’ a szaturációs konstans inhibícióval KS a szaturációs konstans inhibíció nélkül KS,I az inhibíciós konstans

34 Reakciósebességi állandók

35 ELEVENISZAPOS SZENNYVÍZTISZTÍTÁS MODELLEK

36 Célkitűzés Modell az eleveniszapos eljárás viselkedésének leírására
biomassza növekedés a legfőbb komponensek (szén, nitrogén, foszfor, oxigén) felvétele/konverziója hidraulika

37 IAWPRC-IAWQ ASM család
ASM1 - szén/nitrogén modell (1987) ASM2 - szén/nitrogén /foszfor (1995) biológiai többletfoszfor eltávolítás (EBPR) ASM2d - ASM2 + anoxikus EBPR ASM3 - nagymértékben módosított ASM1

38 A modell fontosabb jellemzői
Anyagmérlegek Változók Reaktor hidraulika Biológiai modell

39 Anyagmérlegek Reakciók Bemenetek Kimenetek
Változás = Bemenetek - Kimenetek ± Reakciók

40 Anyagmérlegek Reakciók Bemenetek Kimenetek
Változás = Bemenetek - Kimenetek ± Reakciók Inert: dSi dt V = Q (Siin - Si)

41 Változók Állapot változók Összetett változók “alapvető” változók
a modellalkotáshoz szükséges változók Összetett változók mérhető tudható

42 ASM Nomenklatúra S - Oldott komponensek
X - Alakos (partikulált) komponensek Indexelés B - biomassza (A: autotróf; H: heterotróf) S - szubsztrát (C; N; lúgosság) O - oxigén N, BH, BA, NO, ND, stb.

43 ASM1 Állapotváltozók Si Oldott inert szerves anyagok g COD/m3
Ss Biológiailag könnyen bontható (oldott) szubsztrát g COD/m3 Xi Alakos inert szerves anyagok g COD/m3 Xs Biológiailag nehezen bontható (alakos) szubsztrát g COD/m3 Xbh Aktív heterotróf biomassza g COD/m3 Xba Aktív autotróf biomassza g COD/m3 Xu Biológiailag inert alakos formában lévő … g COD/m3 So Oldott oxigén g O2/m3 Sno Nitrát és nitrit g N/m3 Snh Szabad ammónia és ammónium ion g N/m3 Snd Oldott biológiailag bontható szerves nitrogén (ss) g N/m3 Xnd Alakos biológiailag bontható szerves nitrogén (xs) g N/m3

44 CNP (ASM2) Állapotváltozók
12 CN Állapotváltozók + Slf Biológiailag könnyen bontható zsírsav szubsztrát g COD/m3 Xbt Tárolt poly-beta-hidroxil-alkánok g COD/m3 Xbp Aktív poly-P heterotróf biomassza g COD/m3 Xpp Tárolt polifoszfát g P/m3 Sp Oldott foszfor g P/m3

45 Összetett változók TSS BOD5 SCOD Si Ss Xs Xbh Xba Xu Xi SBODu XBODu
fbod BOD5 XCOD COD VSS icv ivt TSS BCOD= biológiailag bontható KOI

46 Tipikus nyers szv. KOI nem-denit. het. inert valóság IAWPRC Modell
oldott partikulált KOI Könnyen bontható Gyors hidrolízis Lassú hidrolízis denit. het. autotrófok 10 60 100 110 20 59 1 40 400 össz. Könnyen bont. Lassan bont. Si Ss Xs Xi

47 Mért frakciók Oldott inert Könnyen bontható Gyors hidrolízis
Lassú hidrolízis Biomassza Alakos inert TSS VSS BOD5 BODu COD OUR

48 Nitrogén összetevők Sno Snh Total N sTKN Snd TKN Xnd

49 Tipikus nyers szv. N nitrát valóság IAWPRC Model oldott szervetl.
ammónium inert Snh Karbamid, ammónia Oldott szerv. Szuszpendált Inert old. Gyorsan bontható Gyors hidrolízis Lassú hidrolízis Biomassza Inert szuszpendált Snd nehezen bonth. könnyen bont. Xnd Xni Sni

50 Reaktor hidraulika Tökéletesen kevert “Plug flow”

51 CSTR d= Qinput V

52 “Plug flow tank reactor (PFTR)” - dugóáramú reaktor
Bemenet Recirk. Túlfolyás Elfolyás

53 A PFTR egy szektora i Befolyó Túlfolyás a következő részbe Az előző
reaktorból bejővő i Iszap recirk. Belső recirkuláció

54 Peterson Mátrix 1 Xb 2 Ss 3 So 1 Növekedés 2 Elhalás -1/Y -1 Komponens
Folyamatosság Komponens i j Folyamat 1 Xb 2 Ss 3 So Foly. seb  [ML-3T-1] 1 Növekedés 2 Elhalás Megfigyelt sebess. r =  [M(COD)L-3] biomassza szubsztrát oxigén -1/Y -(1-Y) -1 Y µSs k+Ss b Xb µ = maximum fajlagos növekedés K = fél telítési konstans b = pusztulás seb. Sztöchiometrikus Paraméterek: Y = valós növekedési hozam Anyagmérleg Kinetikai paraméterek

55 Egyenletrendszer µ Ss K+Ss Xb rSs = biomassza szubsztrát rXb = - b Xb
-1 Y oxigén rSo = - (1-Y) - bXb

56 IAWQ ASM1 eljárások 1. Heterotrófok aerob növekedése
2. Heterotrófok anoxikus növekedése 3. Autotrófok aerob növekedése 4. Heterotrófok pusztulása 5. Autotrófok pusztulása 6. Oldott szerves nitrogén ammonifikáció 7. Szerves anyagok hidrolízise 8. Szerves nitrogén hidrolízise

57 IAWQ 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

58 IAWQ 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) növeli a lúgosságot

59 IAWQ 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

60 IAWQ ASM1 eljárások 4. Heterotrófok pusztulása
a biomassza halála (“kannibalizmus”, lízis) heterotróf biomassza konverziója biológiailag lassan bontható szubsztráttá és inert partikulált anyaggá partikulált szerves nitrogén is keletkezik

61 IAWQ ASM1 eljárások 5. Autotrófok pusztulása
a heterotrófok pusztulásához hasonló modell

62 IAWQ ASM1 eljárások 6. Oldott szerves nitrogén ammonifikációja
az oldott szerves nitrogén konverziója ammoniává

63 IAWQ ASM1 eljárások 7. Szerves anyagok hidrolízise
biológiailag nehezen bontható szubsztrátok konverziója biológiailag könnyen bontható szubsztráttá a heterotrófok esetében első rendű elektron donor szükséges (oxigén és/vagy nitrát)

64 IAWQ ASM1 eljárások 8. Szerves nitrogén hidrolízise
alakos szerves nitrogén konverziója oldott szerves nitrogénre (ezután ammóniummá pont) A visszatartott szerves anyagok konverziójához hasonló modell

65 ASM1 mechanizmusok Nyers szv. Reaktor Tisztított szv. Si Ss Xs Xi X
pusztulás Xb Xu 1-fu fu hidrolízis degradáció O2

66 IAWPRC módosítások Mantis Modell IAWQ Modell No. 2 NO3 - felvétel
Hőmérséklet függőség IAWQ Modell No. 2 biomassza a nyers szennyvízben biológiai foszforeltávolítás modell

67 Hőmérséklet függőség (ASM2-től)
Arrhenius egyenlet µT= µ20 • K (T-20) K = 1.123 10 30 T

68 MODELLEZÉS & SZIMULÁCIÓ

69 Célkitűzések A modellalkotás és szimuláció
Az IAWQ eleveniszapos modellek tervezés analízis oktatás üzemeltetés és kontroll a szennyvíztisztító telepeken.

70 Modellezés és szimuláció -
több mint néhány kattintás...

71 Vázlat Mi a modellezés? Mi a szimuláció?
Szennyvíztisztítási rendszerek Dinamikus és mechanikus modellek Alkalmazási példák

72 Bevezetés a modellalkotásba
Mi az a modell? A rendszer egy reprezentációja amely a rendszer viselkedését “írja le” Miért kell egy rendszert modellezni? Helyettesíti a valós rendszert (a rendszer nem létezik), (a modell alkalmassá tehető a rendszer tesztelésére)

73 Néhány hasznos fogalom
Modell - a rendszer egy reprezentációja matematikai egyenletek Szimulátor - modellalkotás például számítógépen Szimuláció - szimulátor alkalmazás

74 Megfontolások Összetettségi problémák Adatigény Rugalmasság
Érzékenység Hiba Összetettség Bizonytalanság hiba érzékenység

75 Szennyvíztisztítás modellezése
Különálló eljárások az egész telepre Fizikai modellek: labor és félüzem Matematika: differenciálegyenletek és megoldásuk

76 Tipikus szennyvíz modell
Qe, Xe, Se Levegőztető m. ( V, Xm, Sm ) ülepítő Qi, Xi, Si Qw, Xw, Sw Qr, Xr, Sr Változók Q - vízhozam X biomassza koncentráció S szubsztrát V levegőztető medence térfogat Indexelés i nyers szennyvíz e elfolyó szennyvíz w fölösiszap r recirkuláció m eleveniszap Qm, Xm, Sm O 2 Gázok (CO2, N2, fölös O2)

77 Tipikus modellek (biomassza)
Anyagmérlegek

78 Tipikus modell formula (biomassza)
Akkumuláció = bemenet - kimenet + reakció

79 Steady-state egyszerűsítések
Állandó vízhozam (dQ/dt = 0) Állandó nyers szennyvíz szubsztrát (dS/dt =0) Az EI medencében és az ülepítőben nincs iszapfelhalmozódás (dX/dt = 0)

80 Mi hiányzik? Dinamikus viselkedés Egyéb fontos reakciók
bejövő szennyvíz mennyiségi és minőségi változása üzemi változások, automata kontroll Egyéb fontos reakciók összetett biomassza típusok (például autotrófok) egyéb fontos komponensek (például összetett szubsztrátok)

81 Dinamikus-mechanikus modellek
Dinamikus modellek - használható a folyamat időbeni változásának viselkedését előrejelző (vs. steady-state) Mechanikus modellek - a folyamat alapvető ismereteken alapul (vs. empirikus) továbbá … determinisztikus és sztochasztikus

82 Dinamikus-mechanikus modellek
Nem új dolog! Hozzáférhető: Alapvető ismeretek Modell fejlesztés Szimuláció (computer hardware)

83 Miért használjunk komplex modelleket
„Jobb előrelátás, jobb átlátás” Csökken a hibalehetőség: Javítja az üzemet Üzemköltséget, fejlesztés költségei, jobb elfolyó víz a közvélemény támogatásának elnyerése,

84 Alkalmazások Programnyelvek (például C/C++, VB)
a saját szimulátor elkészíthető Speciális nyelvek (például ACSL) Általános szimulátorok (például SimuLink) Speciális szimulátorok (például GPS-X, Biowin, WEST, STOAT stb.)

85 Szimulátor

86 Hagyományos tervezési modell
Állapotok: biomassza (lebegő anyagként mérve) szubsztrát (BOI5 vagy KOI) oxigén Biokémiai eljárások: a biomassza aerob növekedése a szubsztráttól

87 IAWQ ASM1 paraméterek Kinetikai: Sztöchiometria
Növekedési sebesség (maximum fajlagos, féltelítési állandó) Pusztulási sebesség kapcsolás módja (aerob?, anoxikus?, stb.) Hidrolízis sebessége Sztöchiometria például a „hozam”

88 Egyéb modellek Egyéb modellek és az IAWQ ASM modellek módosított változatai Ipari modifikációk (összetett biomassza populációk és szubsztrátok) Fix film, komplex hidraulika Egyéb modellek: ülepítők, iszapkezelés stb.

89 Alkalmazások Tervezés Analízis Üzemeltetés Oktatás-továbbképzés

90 Példa a tervezésre