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.

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 Reakciók Bemenetek 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 Oldott inert szerves anyagok Ss Biológiailag könnyen bontható (oldott) szubsztrát g KOI/m3 Xi Partikulált inert szerves anyagok g KOI/m3 Xs Biológiailag nehezen bontható (partikulált) szubsztrát g KOI/m3 Xbh Aktív heterotróf biomassza g KOI/m3 Xba Aktív autotróf biomassza g KOI/m3 Xu Biológiailag inert alakos formában lévő … g KOI/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

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 KOI frakciók dikromátos (KOICr) 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 összes nitrogén SNOX nitrit és nitrát nitrogén, SNH4 ammónium és ammónia nitrogén, SN,D oldott, könnyen bontható szerves nitrogén vegyületek, SN,I oldott inert szerves nitrogén, XN,D szuszpendált, bontható szerves nitrogén vegyületek, XN,I szuszpendált 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 TSS BOI5 SKOI Si Ss Xs Xbh Xba Xu Xi SBOIu XBOIu fbod BOI5 XKOI KOI VSS icv ivt TSS BKOI= biológiailag bontható KOI

Tipikus nyers szv. KOI nem-denit. het. inert “valóság” IAWPRC Modell oldott alakos 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

Példák KOI frakcionálásra

Nitrogén összetevők Sno Snh Összes N sTKN Snd TKN Xnd

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

Példák nitrogén frakcionálásra

Reaktor hidraulika Tökéletesen kevert “Plug flow”

CSTR d= Qinput V

“Plug flow” reaktor Bemenet Recirk. Túlfolyás Elfolyás

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

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

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

Az ASM No.1. mátrix

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. 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 Ss Xs Xi X pusztulás Xb Xu 1-fu fu hidrolízis degradáció O2

Hőmérséklet függőség µ T Arrhenius egyenlet µT= µ20 • K (T-20) 10 30 T

Kinetika az ASM modellekben

Alapfolyamatok Biológiai növekedés Hidrolízis Pusztulás

A Monod-görbe

Fajlagos szaporodási sebesség  fajlagos szaporodási sebesség [t-1] max maximum fajlagos szaporodási sebesség [t-1] S limitáló szubsztrát koncentráció [M/L-3] KS szubsztrát féltelítési állandó [M/L-3]

Biomassza növekedés (tápanyaglimitált környezetben), a két egyenlet összevonásával:

A hozamkonstans a tápanyagok részleges felhasználása: új sejtek létrehozása szerves és szervetlen végtermékek kialakulása 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 ASM alapokon működnek SSSP, ASIM, BioWin, EFOR, GPS-X, SIMBA, STOAT, WEST ASM alapokon működnek

Kinetikai/sztöchiometriai paraméterek

Kinetikai/sztöchiometriai paraméterek

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.)