Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Biológiai folyamatok Szelekció  a szelekció (kiválasztódás) egy olyan folyamat, mely egyes fajok elszaporodását (növekedését) okozza, míg más fajok egyedszáma.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "Biológiai folyamatok Szelekció  a szelekció (kiválasztódás) egy olyan folyamat, mely egyes fajok elszaporodását (növekedését) okozza, míg más fajok egyedszáma."— 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 Szelekció eleveniszapos telepeken  Elektron akceptor (például oxigén vagy nitrát)  Szubsztrát  Ülepítési, vagy flokkulációs karakterisztkák  Hőmérséklet  Növekedési sebesség  Szabadon szuszpendált életformák Biológiai folyamatok

4 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: r V,XB =  max ·f(S)·X B r V,XB a térfogati biológiai növekedés (dimenzió M·L -3 ·T -1, mértékegység például kg KOI(B)/(m 3 ·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) X B biomassza koncentráció (dimenzió M X ·L -3, egység kg KOI(B)/m 3 vagy kg SS(B)/m 3 )

13 Konverziók a biológiai szennyvíztisztító telepeken Szubsztrát fogyasztás: r V,S = (r V,XB )/Y max Y max a legnagyobb hozamkonstans (dimenzió M XB ·M S -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: r V,XS = k h ·X S  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 k hX a hidrolízis konstans (dimenzió M XS ·M XB -1 ·T -1 ) K x a hidrolízis szaturációs konstans (dimenzió M XS ·M XB -1 ).

17 Hidrolízis konstansok

18 Konverziók a biológiai szennyvíztisztító telepeken Pusztulás: r V,XB = b·X B –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: S O2.2 az oxigénkoncentráció a reaktorban K S,O2 az oxigén szaturációs állandója.

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

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

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

33 A szervesanyag aerob heterotróf átalakulása Toxikus anyagok K S’ a szaturációs konstans inhibícióval K S a szaturációs konstans inhibíció nélkül K S,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 Bemenetek Kimenetek Reakciók Változás = Bemenetek - Kimenetek ± Reakciók

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

41 Változók Állapot 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 SiOldott inert szerves anyagokg COD/m 3 SsBiológiailag könnyen bontható (oldott) szubsztrátg COD/m 3 XiAlakos inert szerves anyagokg COD/m 3 XsBiológiailag nehezen bontható (alakos) szubsztrátg COD/m 3 XbhAktív heterotróf biomasszag COD/m 3 XbaAktív autotróf biomasszag COD/m 3 XuBiológiailag inert alakos formában lévő …g COD/m 3 SoOldott oxigéng O 2 /m 3 SnoNitrát és nitritg N/m 3 SnhSzabad ammónia és ammónium iong N/m 3 SndOldott biológiailag bontható szerves nitrogén (ss)g N/m 3 XndAlakos biológiailag bontható szerves nitrogén (xs) g N/m 3

44 CNP (ASM2) Állapotváltozók 12 CN Állapotváltozók + SlfBiológiailag könnyen bontható zsírsav szubsztrátg COD/m 3 XbtTárolt poly-beta-hidroxil-alkánokg COD/m 3 XbpAktív poly-P heterotróf biomasszag COD/m 3 XppTárolt polifoszfátg P/m 3 SpOldott foszforg P/m 3

45 Összetett változók BCOD= biológiailag bontható KOI TSS SCOD Si Ss Xs Xbh Xba Xu Xi SBODu XBODu BODu fbod BOD 5 XCOD COD VSS icv ivt

46 Tipikus nyers szv. KOI nem-denit. het. inert valóságIAWPRC Modell oldott partikulált KOI Könnyen bontható Gyors hidrolízis Lassú hidrolízis denit. het. autotrófok inert össz. inert Könnyen bont. Lassan bont. Si Ss Xs Xi

47 Mért frakciók Oldott inert Könnyen bontható Gyors hidrolízis Lassú hidrolízis Biomassza Alakos inert TSSVSS BOD 5 BOD u COD OUR

48 Nitrogén összetevők sTKN Sno Snh Snd Xnd TKN Total N

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

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 Az előző reaktorból bejővő Iszap recirk. Túlfolyás a következő részbe Belső recirkuláció

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

55 Egyenletrendszer µ Ss K+Ss Xb r Ss = biomassza szubsztrát r Xb = - b Xb Y µ Ss K+Ss Xb oxigén r So = - (1-Y) Y µ Ss K+Ss Xb - 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 - 6. pont)  A visszatartott szerves anyagok konverziójához hasonló modell

65 ASM1 mechanizmusok Nyers szv.Reaktor Tisztított szv. Si Ss Si Ss Xs Xi X pusztulás Xb Xs Xu Xi 1-fu fu hidrolízis degradáció O2O2

66 IAWPRC módosítások Mantis Modell  NO 3 - felvétel  Hőmérséklet függőség IAWQ Modell No. 2  biomassza a nyers szennyvízben  biológiai foszforeltávolítás modell

67 Hőmérséklet függőség (ASM2- től) µ T µ T = µ 20 K (T-20) K = Arrhenius egyenlet

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 (CO 2, N 2, fölös O 2 )

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  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 (BOI 5 vagy KOI)  oxigén Biokémiai eljárások:  a biomassza aerob növekedése a szubsztráttól

87 IAWQ ASM1 paraméterek Kinetikai:  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


Letölteni ppt "Biológiai folyamatok Szelekció  a szelekció (kiválasztódás) egy olyan folyamat, mely egyes fajok elszaporodását (növekedését) okozza, míg más fajok egyedszáma."

Hasonló előadás


Google Hirdetések