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
Biológiai folyamatok (Szelekció biofilterekben) Adhézió Növekedési (szaporodási ráta) nem állandó, mivel a szubsztrát (pl ipari eredetű szennyvíz jelenléte) és a hőmérséklet (évszakos) is változók.
Biológiai folyamatok Szelekció eleveniszapos telepeken Elektron akceptor (például oxigén vagy nitrát) Szubsztrát Ülepítési, vagy flokkulációs karakterisztkák Hőmérséklet Növekedési sebesség Szabadon szuszpendált életformák
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.
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
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
Biológiai folyamatok Hőmérséklet Ha a hőmérséklet az organizmus élettevékenységéhez szükséges értéknél kisebb, az organizmus elpusztul
Biológiai folyamatok Szaporodási ráta Eleveniszapos telepeken a fölös iszap elvételének megoldásával azonos körülmények teremthetők
Biológiai folyamatok Szabadon szuszpendált életformák szervezetek, amelyek élettevékenysége valamely felülethez kötődik, nem képesek hosszabb idejű létezésre az eleveniszapos telepeken.
Konverziók a biológiai szennyvíztisztító telepeken Biológiai növekedés Hidrolízis Pusztulás
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
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)
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))
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).
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.
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).
Hidrolízis konstansok
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.
Az iszapszaporodási görbe 1. Lag-fázis 2. Exponenciális növekedés fázis 3. A lassuló növekedés fázisa 4. Stacioner fázis 5. Puszulás fázisa
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
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
Az iszapszaporodási görbe 3. Lassuló növekedés fázisa a külső körülmények (oxigén ellátottság, tápanyagok) kedvezőtlenné válása Toxikus anyagok jelenléte
Az iszapszaporodási görbe 4. Stacioner (maximális szinten állandó élősejtszám szakasza)
Az iszapszaporodási görbe 5. Elhalás (pusztulás) szakasza tápanyagok elfogynak (könnyen hozzáférhető BOI) pusztulás, egyes fajok eltűnése az eltűnés sebessége arányos a baktériumok számával
A szervesanyag aerob heterotróf átalakulása A hozamkonstans, aerob heterotróf konverziók Tápanyagok, aerob heterotróf konverziók Kinetika, aerob heterotróf átalakulás
A szervesanyag aerob heterotróf átalakulása Kinetika, aerob heterotróf átalakulás Az aerob mikroorganizmusok szubsztrát konverziója elsősorban a biomassza vonatkozásában írható le.
A szervesanyag aerob heterotróf átalakulása A környezeti tényezők hatása, aerob heterotróf konverziók Hőmérséklet Oxigén pH Toxikus anyagok Nitrogén Foszfor
A szervesanyag aerob heterotróf átalakulása Hőmérséklet A biológiai folyamat a hőmérséklettől az alábbi exponenciális függvény szerint változik max(T) = max(20C)·exp ((T-20))
A szervesanyag aerob heterotróf átalakulása Oxigén Monod-képlet szerint: SO2.2 az oxigénkoncentráció a reaktorban KS,O2 az oxigén szaturációs állandója.
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
A szervesanyag aerob heterotróf átalakulása pH KpH a pH állandó I=10(optimum pH)-1 Általában az alacsony pH okoz problémákat a biológiai folyamatokban
A pH hatása a biológiai növekedésre (KpH=200) pH modell Tapasztalat pH
A szervesanyag aerob heterotróf átalakulása Toxikus anyagok KS’ a szaturációs konstans inhibícióval KS a szaturációs konstans inhibíció nélkül KS,I az inhibíciós konstans
Reakciósebességi állandók
ELEVENISZAPOS SZENNYVÍZTISZTÍTÁS MODELLEK
Célkitűzés Modell az eleveniszapos eljárás viselkedésének leírására biomassza növekedés a legfőbb komponensek (szén, nitrogén, foszfor, oxigén) felvétele/konverziója hidraulika
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
A modell fontosabb jellemzői Anyagmérlegek Változók Reaktor hidraulika Biológiai modell
Anyagmérlegek Reakciók Bemenetek Kimenetek Változás = Bemenetek - Kimenetek ± Reakciók
Anyagmérlegek Reakciók Bemenetek Kimenetek Változás = Bemenetek - Kimenetek ± Reakciók Inert: dSi dt V = Q (Siin - Si)
Változók Állapot változók Összetett változók “alapvető” változók a modellalkotáshoz szükséges változók Összetett változók mérhető tudható
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.
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
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
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
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
Mért frakciók Oldott inert Könnyen bontható Gyors hidrolízis Lassú hidrolízis Biomassza Alakos inert TSS VSS BOD5 BODu COD OUR
Nitrogén összetevők Sno Snh Total 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
Reaktor hidraulika Tökéletesen kevert “Plug flow”
CSTR d= Qinput V
“Plug flow tank reactor (PFTR)” - dugóáramú 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 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
Egyenletrendszer µ Ss K+Ss Xb rSs = biomassza szubsztrát rXb = - b Xb -1 Y oxigén rSo = - (1-Y) - bXb
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
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
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
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
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
IAWQ ASM1 eljárások 5. Autotrófok pusztulása a heterotrófok pusztulásához hasonló modell
IAWQ ASM1 eljárások 6. Oldott szerves nitrogén ammonifikációja az oldott szerves nitrogén konverziója ammoniává
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)
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
ASM1 mechanizmusok Nyers szv. Reaktor Tisztított szv. Si Ss Xs Xi X pusztulás Xb Xu 1-fu fu hidrolízis degradáció O2
IAWPRC módosítások Mantis Modell IAWQ Modell No. 2 NO3 - felvétel Hőmérséklet függőség IAWQ Modell No. 2 biomassza a nyers szennyvízben biológiai foszforeltávolítás modell
Hőmérséklet függőség (ASM2-től) Arrhenius egyenlet µT= µ20 • K (T-20) K = 1.123 µ 10 30 T
MODELLEZÉS & SZIMULÁCIÓ
Célkitűzések A modellalkotás és szimuláció Az IAWQ eleveniszapos modellek tervezés analízis oktatás üzemeltetés és kontroll a szennyvíztisztító telepeken.
Modellezés és szimuláció - több mint néhány kattintás...
Vázlat Mi a modellezés? Mi a szimuláció? Szennyvíztisztítási rendszerek Dinamikus és mechanikus modellek Alkalmazási példák
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)
Néhány hasznos fogalom Modell - a rendszer egy reprezentációja matematikai egyenletek Szimulátor - modellalkotás például számítógépen Szimuláció - szimulátor alkalmazás
Megfontolások Összetettségi problémák Adatigény Rugalmasság Érzékenység Hiba Összetettség Bizonytalanság hiba érzékenység
Szennyvíztisztítás modellezése Különálló eljárások az egész telepre Fizikai modellek: labor és félüzem Matematika: differenciálegyenletek és megoldásuk
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)
Tipikus modellek (biomassza) Anyagmérlegek
Tipikus modell formula (biomassza) Akkumuláció = bemenet - kimenet + reakció
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)
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)
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
Dinamikus-mechanikus modellek Nem új dolog! Hozzáférhető: Alapvető ismeretek Modell fejlesztés Szimuláció (computer hardware)
Miért használjunk komplex modelleket „Jobb előrelátás, jobb átlátás” Csökken a hibalehetőség: Javítja az üzemet Üzemköltséget, fejlesztés költségei, jobb elfolyó víz a közvélemény támogatásának elnyerése,
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.)
Szimulátor
Hagyományos tervezési modell Állapotok: biomassza (lebegő anyagként mérve) szubsztrát (BOI5 vagy KOI) oxigén Biokémiai eljárások: a biomassza aerob növekedése a szubsztráttól
IAWQ ASM1 paraméterek Kinetikai: Sztöchiometria Növekedési sebesség (maximum fajlagos, féltelítési állandó) Pusztulási sebesség kapcsolás módja (aerob?, anoxikus?, stb.) Hidrolízis sebessége Sztöchiometria például a „hozam”
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.
Alkalmazások Tervezés Analízis Üzemeltetés Oktatás-továbbképzés
Példa a tervezésre