Page 1

UNIVERZA V LJUBLJANI FAKULTETA ZA KEMIJO IN KEMIJSKO TEHNOLOGIJO

Marjetka Birk – Levstek

M MO OD DE EL LIIR RA AN NJJE ED DIIN NA AM MII N NE EG GA A D DE EL LO OV VA AN NJJA AP PIIL LO OT TN NE EB BIIO OL LO OŠŠK KE E IISST TIIL LN NE EN NA AP PR RA AV VE EZ ZA A O OD DSST TR RA AN NJJE EV VA AN NJJE EO OG GL LJJIIK KO OV VIIH H IIN N D DU UŠŠIIK KO OV VIIH H SSP PO OJJIIN N

Magistrsko delo

Ljubljana, 2002


ZAHVALA Za vso pomo in podporo se iskreno zahvaljujem mentorju doc. dr. Igorju Plazlu, ki je vedno v pravem trenutku nakazal pravo smer reševanja problema, kadar sem z nalogo prišla na razpotje. Obenem se zahvaljujem tudi profesorju Tinetu Koloiniju za za etno mentorstvo pri magistrski nalogi ter celovit pregled naloge. Zahvaljujem se tudi celotnemu kolektivu Centralne istilne Naprave Domžale Kamnik, predvsem mag. Olgi Burici in mag. Marjetki Stražar za vsestransko podporo, pomo in potrpljenje pri nastanku magistrske naloge. Ker vse delo ne more biti narejeno v delovnem asu, gre za nastanek naloge zahvala tudi možu Frediju ter enim in drugim staršem, ki so mi v vseh pogledih nesebi no prisko ili na pomo .


POSVETILO To nalogo posve am sinu Marcelu, ki je moral za znanost pretrpeti marsikatero minuto brez mame. Za la탑je razumevanje odsotnosti, mu podarjam ta strip, ki na enostaven na in ponazarja moje delo.


IZJAVA

Podpisana izjavljam, da je predloĹženo magistrsko delo avtenti no avtorsko raziskovalno delo

Marjetka Birk – Levstek, univ. dipl. kem. ing.


KAZALO: 1 2

UVOD IN NAMEN DELA...........................................................................................1 MIKROBIOLOŠKE OSNOVE IŠ ENJA ODPADNE VODE ............................3 2.1 SESTAVA IN VLOGA AKTIVNEGA BLATA ...................................................5 2.2 BIOLOŠKO ODSTRANJEVANJE DUŠIKA .......................................................6 2.2.1 Nitrifikacija ...................................................................................................6 2.2.2 Denitrifikacija .............................................................................................10 2.3 BIOKEMIJSKI POGLED NA IŠ ENJE Z AKTIVNIM BLATOM................11 2.3.1 Prirast blata ................................................................................................12 2.3.2 Prenos energije in ogljika pri avtotrofnih mikroorganizmih .................13 2.3.3 Poenostavljen prikaz prenosa energije in ogljika pri heterotrofnih mikroorganizmih ........................................................................................................14 3 KINETIKA PROCESA IŠ ENJA ODPADNE VODE .......................................16 3.1 MODEL ASM1 IN ASM3 ...................................................................................16 3.1.1 Kalibracija matemati nega modela ..........................................................20 3.1.2 Ob utljivostna analiza................................................................................20 3.1.3 Validacija matemati nega modela ............................................................21 3.1.4 Pogoj uspešnosti postavitve matemati nega modela ...............................21 3.2 PRIMERJAVA MED ASM1 IN ASM3...............................................................21 3.3 PROCESNE SPREMENLJIVKE.........................................................................24 3.4 PROCESI IN NJIHOV KINETI NI ZAPIS ZA MODEL ASM1 IN ASM3......26 3.5 STEHIOMETRIJA ...............................................................................................30 4 EKSPERIMENTALNO DELO.................................................................................31 4.1 POSTAVITEV LABORATORIJSKE PILOTNE NAPRAVE ............................31 4.2 PRIPRAVA DOTOKA ZA PILOTNO NAPRAVO............................................32 4.3 IZBIRA PROCESNIH SPREMENLJIVK ...........................................................36 4.3.1 Zapis masnih bilanc pilotnega sistema po ASM1 ....................................37 4.3.2 Zapis masnih bilanc pilotnega sistema po ASM3 ....................................40 4.3.3 Kalibracija, ob utljivostna analiza, validacija ter preverba uspešnosti matemati nega modela...............................................................................................43 4.4 PLAN ANALIZ IN MERITEV............................................................................43 4.5 MERITVE IN ANALIZNE METODE ................................................................44 4.5.1 Meritve.........................................................................................................45 4.5.1.1 Vzor enje..................................................................................................45 4.5.1.2 Pretok (F – L/h) ........................................................................................45 4.5.1.3 Raztopljeni kisik (SO – mg O2/L) .............................................................45 4.5.2 Analizne metode za dolo itev procesnih spremenljivk ...........................45 4.5.2.1 KPK (SS, XS, XB – mg KPK/L) ................................................................45 4.5.2.2 Nitratni in nitritni dušik (SNOX – mg N-NO3/L) .......................................46 4.5.2.3 Amonijski dušik (SNH – mg N-NH4/L).....................................................46 4.5.2.4 Kjeldahlov dušik (SNH+ SND+XND – mg N/L) ..........................................46 4.5.2.5 Sušina aktivnega blata – MLSS (XB – g/L)..............................................46 4.5.2.6 Organski del aktivnega blata – VSS (g/L)................................................46 4.5.3 Dolo itev kineti nih in stehiometrijskih parametrov..............................46 4.5.3.1 Dolo itev hitrosti nitrifikacije (RAaer) ....................................................47 4.5.3.2 Dolo itev hitrosti denitrifikacije (RHanx)................................................47 4.5.3.3 Dolo itev hitrosti rasti heterotrofnih bakterij ...........................................49 4.5.3.4 Dolo itev hitrosti rasti avtotrofnih bakterij ..............................................50 4.5.3.5 Odmiranje heterotrofne biomase ..............................................................51


4.5.3.6 Dolo itev celi nega prirasta .....................................................................52 4.5.4 Sestava aktivnega blata ..............................................................................54 4.5.4.1 Delež KPK (Ox) in dušika (iNx) v aktivnem blatu ..................................55 4.5.4.2 Dolo itev deleža aktivne (fa) biomase, .....................................................55 4.5.4.3 Dolo itev deleža aktivne heterotrofne, avtotrofne biomase ter delež heterotrofnih denitrifikatorjev ..................................................................................56 5 REZULTATI...............................................................................................................58 5.1 PREDPOSTAVKE ...............................................................................................61 5.2 DINAMI NI MODEL A – KALIBRACIJA .......................................................62 5.2.1 Eksperimentalni podatki – meritve št.1....................................................62 5.2.2 Aktivne frakcije biomase ...........................................................................63 5.2.3 Kalibracija modela A .................................................................................64 5.3 MERITVE ŠT.2 – VALIDACIJA MODELA A ..................................................66 5.3.1 Pridobljene izkušnje za nadaljnje delo.....................................................69 5.4 MERITVE ŠT. 3 – KALIBRACIJA IN VALIDACIJA MODELOV B, C IN D 70 5.4.1 Eksperimentalni podatki............................................................................70 5.4.2 Kalibracija modelov ...................................................................................71 5.4.2.1 Koncentracije aktivne biomase.................................................................74 5.4.2.2 Prikaz razlik pri kalibraciji modelov ........................................................74 5.4.3 Grafi ni prikaz rešitev modelov B in C - validacija ................................76 5.4.4 Ocena uspešnosti napovedi postavljenih matemati nih modelov pri validaciji modela .........................................................................................................80 6 SIMULACIJE .............................................................................................................82 SPREMEMBA PRETOKA ODPADNE VODE F0 .............................................................82 6.1 6.2 SPREMEMBA PRETOKA ODPADNE VODE F0 IN RECIKLOV...................84 6.3 sprememba volumna anoksi nega reaktorja VANX ...............................................85 6.4 sprememba vstopne koncentracije substrata SS0 ..................................................87 6.5 sprememba vstopne koncentracije amonijskega dušika SNH0 ................................... 6.6 Sprememba koncentracije kisika v aerobnem reaktorju SOaer .................................................. 7 ZAKLJU EK .............................................................................................................92 8 SIMBOLI.....................................................................................................................94 9 PRILOGE..................................................................................................................100 10 LITERATURA .........................................................................................................155

88 90


1

M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

1 UVOD IN NAMEN DELA

!

"

#

$

Država Slovenija je bogata z vodami. Kljub visoki koli ini padavin na leto, pa se tudi pri nas zadnje ase pove uje stopnja onesnaženja tako površinskih vod kot podtalnice (EIONET, 2002). Glavni onesnaževalci so tako industrija kot gospodinjstva in kmetijstvo. Na istilnih napravah se o isti 30 % odpadne vode prebivalstva, 45 % odpadne vode se steka v greznice, 25 % pa se neo iš ene steka v vodotoke (EIONET, 2002). istilne naprave so mehanske in biološke za odstranjevanje ogljikovih spojin in nutrientov kot sta dušik in fosfor. Po nekaterih ocenah je povpre na tehnološka doba istilne naprave le okoli 20 let. V tem asu se zakonodaja in tehnologija tako korenito spremenita, da je potrebna popolna nadgradnja in predelava naprave (Rosen in Morling, 1998). S tem problemom se sre uje tudi Centralna istilna Naprava Domžale-Kamnik, ki mora obstoje i na in biološkega iš enja ogljikovih spojin nadgraditi, tudi za odstranjevanje dušikovih in fosfornih spojin. V želji ne samo po nadgradnji temve tudi po izbiri optimalne tehnologije iš enja ter razumevanju kompleksnih bioloških procesov, ki se vršijo pri biološkem iš enju odpadne vode, se poleg pilotnih poskusov poslužujemo tudi poenostavljenih matemati nih zapisov procesov iš enja. Iskanje optimalne rešitve nadgradnje samo preko pilotnih poskusov zahteva veliko asa in denarja. Tu svojo prednost izkazujejo matemati ni modeli, kjer preko natan no posnetega stanja delovanja pilotnega sistema pri dolo enem pogoju obratovanja zapišemo dinami ni matemati ni model, ki nato z dolo eno gotovostjo napoveduje obratovanje pri razli nih pogojih. V predstavljenem magistrskem delu je prikazan na in postavitve dinami nega matemati nega modela laboratorijske pilotne naprave za odstranitev ogljikovih in dušikovih spojin z namenom pove ati razumevanje medsebojnih odvisnosti mikrobioloških procesov iš enja odpadne vode ter predstavitvi problemov, ki so vezani na postavitev modela ter zaupanja v njegove rešitve. Pri matemati nem opisovanju smo izhajali iz modela z imenom »Activated Sludge Model No. 1« - ASM1, ki ga je postavila posebna delovna skupina IAWQ in se je uveljavil kot standard za modeliranje istilnih naprav (Henze in sod., 1987). V literaturi lahko zasledimo številne objave, ki kažejo na njegove prednosti, kot tudi pomanjkljivosti (Drolka, 2000; Brdajanovic in sod., 2000; Makinia in Wells, 2000, Meijer in sod., 2001; Hvala in sod., 2000 in 2001). Na njegovi osnovi so postavljeni številni komercialno dostopni simulacijski modeli (Olsson in Newell, 1999). Pomanjkljivosti modela ASM1, kot tudi boljše razmevanje procesov iš enja, so vodile do izdaje novega matemati nega modela ASM3 (Gujer in sod., 1999), ki se v literaturi


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

2

pojavlja kot zelo uporaben model (Koch in sod., 2000; Wichern in sod., 2001). Oba modela opisujeta številne procese, ki se vršijo pri iš enju odpadne vode. V predstavljenem dinami nem modelu smo se osredoto ili le na aerobno in anoksi no rast heterotrofov, aerobno rast avtotrofov ter odmiranje enih in drugih, hidrolizo dušikovih spojin in amonifikacijo organskega dušika. Za dolo itev najbolj optimalnega dinami nega modela smo izvedli ve nizev meritev pri stacionarnih in dinami nih pogojih. Te meritve smo skupaj z dinami nim zapisom masnih bilanc za posamezno procesno spremenljivko zapisali v programski paket Mathematica 4.0. Kot najbolj zanesljiv se je pokazal modificiran model ASM1, ki predvideva razli nost pogojev obeh tipov reaktorjev, hkrati pa ohranja preprostejšo strukturo modela s precej manj parametri kot ASM3.


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

2 MIKROBIOLOŠKE OSNOVE VODE

3

IŠ ENJA ODPADNE

Biološki na in iš enja odpadnih vod na istilnih napravah temelji na življenjski dejavnosti mikroorganizmov, ki razgrajujejo organske snovi v koloidnem in raztopljenem stanju v odsotnosti ali prisotnosti kisika, vendar v znatno krajšem asu kot je na voljo v naravi. Odpadne organske snovi so obi ajno naravnega izvora (biogene snovi) in jih mikroorganizmi (aktivno blato) z lahkoto razgradijo v ogljikov dioksid in vodo. Stranski produkt pa je novo nastalo aktivno blato. Ta proces imenujemo mineralizacija ter je mo no zaželena na vseh istilnih napravah. V primeru, da so snovi nerazgradljive (xenobioti) za dano mikrobiološko kulturo, se le te izlo ijo iz sistema v enaki koncentraciji, kot so vstopile v sistem (inertni del odpadne vode) razen, e so bile podvržene kemijskemu ali fizikalnemu procesu (Henze in sod., 1995; Grady in sod., 1999). iš enje odpadne vode se vrši v posebnih reaktorjih katerih razporeditev, velikost, oprema in želeni procesi iš enja, so odvisni od vrste odpadne vode in želene u inkovitosti iš enja (Grady in sod., 1999). Na sliki (Slika 2.1) je prikazan splošen potek iš enja odpadne vode. Na istilno napravo priteka mešana odpadna voda, ki jo po sestavi na grobo lahko razdelimo na topni in netopni anorganski in organski material. Topni del je tisti del, ki se v neskon no dolgem asu usedanja ne posede. V enoti za fizikalno in kemijsko iš enje se s pomo jo flokulantov in koagulantov izlo i ve ina netopnega anorganskega materiala (NAM), ki se nato odloži na deponijo. Tej fazi sledi primarni usedalnik, kjer se po dolo enem asu usedanja izlo i netopni organski material (NOM). Useden material se skupaj z odve nim blatom transportira v anaerobni reaktor. V anaerobnem reaktorju se pri posebnih pogojih (povišana temperatura, mešanje, odsotnosti kisika, dolg zadrževalni as) organski material razgradi, pri emer dobimo kot produkt bioplin in pregnito blato, ki se po izsuševanju odloži na deponijo. Fazi primarnega usedalnika sledi aerobno biološko iš enje, kjer se ob prisotnosti kisika ter visoki koncentraciji aktivnega blata v kratkem asu razgradi ve ina topnega organskega meteriala (TOM), ki se pretvori v razgradnje produkte ter novo aktivno blato. V tej stopnji se porabi ve ji del topnega anorganskega materiala (TAM), ki nastopa kot vir anorganskih snovi za rast mikroorganizmov. Po fazi sekundarnega usedalnika, kjer se aktivno blato lo i od o iš ene odpadne vode, se le ta izteka v vodotok.


4

M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

DOTOK TOM

TAM

NOM

NAM

enota za fizika./ kemi. iš enje TOM

NOM

NOM

NOM

mešanje in zgoš evanje

TAM

biokemijsko iš enje TOM

dodatna obdelava blata

DEPONIJA

NOM + BIOMASA

recikel

TAM NOM BIOMASA

sekundarni usedalnik flotacija preliv dodatno iš enje

NAM

TAM

primarni usedalnik TOM

NAM

zgoš eno blato TAM + biomasa

ANAEROBNO biokemijsko iš enje stabilizirano blato zgoš evanje izsuševanje stabilizirano blato DEPONIJA

IZTOK

Slika 2.1: Shema splošnega prikaza obi ajnega iš enja odpadne vode. Legenda: TOM = topni organski material; NOM = netopni organski material; TAM = topni anorganski material; NAM = netopni anorganski material.


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

5

2.1 SESTAVA IN VLOGA AKTIVNEGA BLATA Biološke procese v istilnih napravah vrši zelo pisana združba razli nih mikroorganizmov, ki tvorijo tako imenovano aktivno blato (Bever in sod., 1995; Cloete in sod.,1997; Cronje in sod., 2002; Henze in sod., 1995). Sestava aktivnega blata je mo no odvisna od zunanjih pogojev. Najbolj pomemben del mikroorganizmov se na istilni napravi vzgoji samostojno. Na splošno lahko mikroorganizme v aktivnem blatu razdelimo v slede e skupine (Henze in sod., 1995): • bakterije (glavna naloga je primarna transformacija in razgradnja raztopljenih organskih snovi s pomo jo ekstracelularnih encimov), • glive (pojavijo se pri nizkem pH; tekmujejo za hrano skupaj z bakterijami), • alge (za svoj obstoj potrebujejo svetlobo, zato se pojavljajo na površini biofiltrov), • Protozoa (pojavljajo se v nizko obremenjenih istilnih napravah; prehranjujejo se z bakterijami, glivami, algami in suspendiranimi snovmi ter so pomemben del sekundarnega usedanja v istilnih napravah), • Metazoa (so višje živali ter se v glavnem pojavljajo v biofiltrih in nižje obremenjenih istilnih napravah).

Slika 2.2: Mikroskopski pogled aktivnega blata Na selekcijo organizmov v istilni napravi vpliva (Henze in sod., 1995): • substrat (organizmi morajo biti sposobni razgraditi substrat – odpadno vodo) • elektronski akceptor (npr. kisik ali nitrat; aerobni ali anaerobni pogoji) • karakteristika usedanja ( e so organizmi veliki, se z lahkoto usedajo in tako ponovno vrnejo v reakcijske bazene) • temperatura ( e je temperatura naprave pod delavno temperaturo organizmov, bodo le ti poginili)


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

6

hitrost rasti mikroorganizmov (minimalna hitrost rasti, pri kateri organizmi lahko preživijo na napravi, je življenjskega pomena).

Kot smo omenili je za iš enje odpadne vode odgovoren širok spekter mikroorganizmov, ki s svojim razli nim metabolizmom odstranijo razli ne komponente iz odpadne vode. Hitrost razgradnje je tako odvisna od mikrobiološke kulture ter njenih potreb po dolo enem substratu. V osnovi lahko mikroorganizme razdelimo po 4 kriterijih: •

vir energije

vir ogljika

donor elektronov

akceptor elektronov

svetlobna energija kemi na energija anorganski organski anorganske spojine organske spojine kisik prisoten kisik odsoten NOx

FOTOTROFI KEMOTROFI AVTOTROFI HETEROTROFI LITOTROFI ORGANOTROFI AEROBNO OKOLJE ANAEROBNO OKOLJE ANOKSI NO OKOLJE

iš enje odpadne vode z aktivnim blatom je v glavnem aerobni proces, kjer so mikroorganizmi kemoheterotrofi. Razgrajujejo organski vir ogljika iz odpadne vode, pri emer uporabijo kisik kot akceptor elektronov. Drugi dve skupini, ki sta odgovorni za odstranjevanje dušika sta: • kemolitotrofne bakterije (nitrifikacijske bakterije), ki uporabljajo reducirane oblike dušika kot sta NH4+ in NO2-, ki jih oksidirajo v nitrat. • Nitrat služi kot elektronski akceptor za naslednjo skupino heterotrofov (denitrifikatorjev), ki ga pretvorijo v elementarni dušik v anoksi nem okolju.

2.2 BIOLOŠKO ODSTRANJEVANJE DUŠIKA Pri opisovanju razli nih na inov biološkega iš enja odpadne vode moramo vedeti, da se iz odpadne vode odstranjujejo hkrati vsi elementi, ki so potrebni za normalno življenje mikroorganizmov. Dušik v odpadni vodi se lahko nahaja v anorganski obliki kot amonij, nitrat ali nitrit ali je organsko vezan. Koli ina nitratnega in nitritnega dušika je obi ajno zelo nizka razen v primerih, ko gre za posebne industrijske izpuste. Biološko odstranjevanje dušika iz odpadne vode poteka v dveh razli nih stopnjah. Prva stopnja se imenuje nitrifikacija oz. pretvorba amonijskega dušika v nitrat in druga stopnja, ki se imenuje denitrifikacija oz redukcija nitrata do plinastega dušika, kot kon nega produkta (Henze in sod., 1995).

2.2.1 Nitrifikacija Henze s sodelavci (1995) mikrobiološko nitrifikacijo opisuje kot dvostopenjski proces. Prva stopnja (nitriticija) je pretvorba amonijskega dušika do nitrita z bakterijami


7

M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

Nitrosomonas medtem, ko druga stopnja (nitritacija) predstavlja pretvorbo nitrita v nitrat z bakterijami Nitrobacter1. Skupna reakcija kemi ne oksidacije je: NH4+ + 2O2

NO3- + 2H+ + H2O

e upoštevamo še vklju itev nutrientov v proces celi ne sinteze se celotna reakcija glasi: 1,00 NH4+ + 1,89 O2 + 0,0805 CO2 H+

0,0161 C5H7O2N + 0,952 H2O + 0,984 NO3- + 1,98

kjer predstavlja formula C5H7O2N sestavo bakterijske celice. Tako pri pretvorbi 1 mg amonijevega dušika porabimo 4,57 mg kisika, da dobimo 0,13 mg novih nitrifikacijskih celic. Pri tem se porabi 7,07 mg/L alkalitete predstavljene kot CaCO3. Kinetika nitrifikacije Nitrifikacijske bakterije so kemoavtotrofi, kar pomeni da življenjsko potrebno energijo pridobivajo pri oksidaciji amonijevega iona. Vir ogljika je ogljikov dioksid. Hitrost rasti nitrifikacijskih bakterij je tudi 10 - 20 krat nižja od hitrosti rasti heterotrofov, ki so odgovorni za odstranjevanje organskega ogljika. Rast bakterije Nitrosomonas lahko izrazimo s pomo jo Monodovega modela rasti kot sledi: ∧

rA = A ⋅ XBA pri emer je A = A ⋅

r

µ

XB ∧

= = =

= SNH = KNH = Indeks A =

SNH KNH + SNH

(2.1)

hitrost aerobne rasti biomase ( mg KPKc/L.h), hitrost rasti biomase (1/h), koncentracija aktivne biomase (mg KPKc/L.h), maksimalna specifi na hitrost biomase (1/h), koncentracija amonijskega dušika (mg N-NH4/L), koeficient polovi ne hitrosti nasi enja amonijevega dušika (mg N-NH4/L). avtotrofna biomasa

Zaradi zelo nizke vrednosti KNH okoli 1 mg N-NH4/L (Henze in sod., 1995; Gujer in sod., 2000) je proces nitrifikacije ni elnega reda - neodvisen od koncentracije amonijskega dušika. e pade iz katerikoli razlogov koncentracija amonijskega dušika pod 1 mg/L, postane proces odvisen od njegove koncentracije. Literatura navaja (Orhon in Artan 1994; Henze in sod., 1995), da na proces nitrifikacije vpliva tudi temperatura, koncentracija raztopljenega kisika, pH in inhibitorne snovi . - Temperatura Temperaturna odvisnost hitrosti rasti nitrifikacijskih baketrij se lahko opiše s slede im eksponentnim izrazom:

1

Novejša literatura navaja že druge vrste mikroorganizmov, odgovorne za odstranjevanje dušika


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

T

ϑ

A (T) =

= =

ϑ ⋅(T - 20)

A (20oC) ⋅ e

8

(2.2)

temperatura (oC), temperaturna konstanta (1/oC)

Literaturna vrednost za temperaturno konstanto ϑ je 0,06 do 0,10/oC (Henze in sod., 1995). Za aerobne procese je ta ena ba veljavna za temperaturno obmo je med 0 in 32 oC. Prakti na odvisnost maksimalne hitrosti rasti od temperature je razvidna na spodnji sliki. Iz slike in ena be je razvidno, da se hitrost rasti avtotrofnih mikroorganizmov zniža za približno 60 % pri 10 oC v primerjavi s hitrostjo pri 20oC.

Slika 2.3: Odvisnost procesa nitrifikacije od temperature (Henze in sod., 1995) - Koncentracija kisika Dokazano je bilo, da koncentracija kisika mo no vpliva na hitrost nitrifikacije. Orhon in Artan (1994) navajata spodnjo koncentracijo raztopljenega kisika za proces odstranjevanja ogljika in dušika 2 mg/L v primeru suspendirane biomase, ter 4 mg/L v primeru pritrjene biomase. Potek odvisnosti hitrosti procesa aerobne rasti avtotrofnih bakterij (RAaer) ter posledi no nitrifikacije od koncentracije kisika po Orhonu in Artanu (1994), je prikazana na sliki (Slika 2.4).


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

9

Slika 2.4: Vpliv raztopljenega kisika na hitrost nitrifikacije (Orhon in Artan., 1994) Ena bo 2.1 tako zapišemo v slede i obliki, tako da vklju imo tudi vpliv raztopljenega kisika: A=

SO KO

A⋅

= =

SNH SO ⋅ KNH + SNH KOA + SO

(2.3)

koncentracija raztopljenega kisika (mg O2/L), koeficient polovi ne hitrosti nasi enja kisika (mg O2/L),

- pH Ker so nitrifikatorji avtotrofi, za svojo rast potrebujejo anorganski vir ogljika. Za pretvorbo 1 mg NH4-N/L je potrebno 7,1 mg alkalitete izražene v mg CaCO3/L. To zelo zniža vrednost pH, predvsem tam, kjer doto na voda nima dovolj velike puferne kapacitete. Kot je prikazano na spodnji sliki, je optimalni pH nitrifikacije med 8,0 in 9,0 (Orhon in Artan, 1994).

Slika 2.5: Vpliv pH na hitrost nitrifikacije (Orhon in Artan, 1994)


10

M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

- Toksi ne snovi Nitrifikacijske organizme zavirajo mnoge organske spojine (topila, žveplove spojine, fenoli, cianidi...) in anorganske snovi (težke kovine). e so mikroorganizmi hkrati izpostavljeni ve im toksi nim spojinam, se njihov toksi ni vpliv lahko pove a – sinergizem (Orhon in Artan, 1994; Henze in sod., 1995).

2.2.2 Denitrifikacija Redukcije nitrata so sposobni številni heterotrofni mikroorganizmi - denitrifikatorji. Te skupine mikroorganizmov so: Alcalgenes, Achromobacter, Micrococcus in Pseudomonas. Le ti ob odsotnosti kisika kot akceptor elektronov lahko uporabijo nitrat namesto kisika. Koncentracija kisika pri kateri se denitrifikacija ustavi, je 0,2 mg/L pri istih kulturah in 0,3 - 1,5 mg/L pri mešani kulturi aktivnega blata. V denitrifikacijskem procesu nitrat in njegove reducirane oblike delujejo kot akceptorji elektronov. Kon no stanje redukcije nitrata je plinasti dušik (Henze in sod., 1995). Valentno stanje dušika:

+5 NO3-

* - plinasti produkti

+3 NO2-

+2 NO *

+1 N2O *

0 N2 *

Heterotrofi kot vir ogljika uporabljajo organsko snov in tako vzporedno znižujejo BPK odpadne vode. Reakcijo z zanemarjeno sintezo novih celic lahko poenostavimo na slede i na in: 2NO3- + 2H+ + 2,5C

N2 + 2,5 CO2 + H2O

Glede na koli ino elektronov je 1 g nitratnega dušika ekvivalentno 2,86 g kisika. Orhon in Artan (1994) podajata podatek, naj bo razmerje BPK/N-NO3 nad 3, da bo lahko potekla popolna denitrifikacija. V BPK vrednosti je namre zajet tudi del inertnega BPK. V praksi se tako uporablja doto na odpadna voda ali pa zunanji vir ogljika kot je metanol. Bolj je organska snov razgradljiva, ve ja bo denitrifikacijska hitrost. Denitrifikacijski proces pove uje alkaliteto. Teoreti no pri redukciji 1 mg nitratnega dušika v plinasti dušik nastane 3,57 mg alkalitete izražene v mg CaCO3/L z upoštevanjem asimilacije amonijskega dušika v celi no biomaso. Ta porast alkalitete delno pokriva porabo alkalitete pri procesu nitrifikacije. Ta u inek je lahko zelo dobro izkoriš en pri projektiranju naprav, na katere doteka voda z nizko vrednostjo alkalitete ter tako prepre i prevelik padec pH v nitrifikacijski stopnji. Kinetika denitrifikacije Hitrost rasti denitrifikacijskih bakterij lahko izrazimo s pomo jo Monodovega modela rasti tako, da upoštevamo nitrat kot limitni substrat. Ker je vrednost KNO zelo nizka (0,3 - 0,6 mg NO3-N) (Henze in sod., 1995), je proces denitrifikacije ni elnega reda glede na koncentracijo nitrata. Ostali vplivi okolja, ki lahko vplivajo na potek denitrifikacije, so koncentracija organskih snovi (SS) ter koncentracija kisika (SO), ki ima v tem primeru


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

11

zaviralni u inek. Ti vplivi se lahko združijo v skupni Monodovi ena bi, ki tako predstavlja celotno hitrost rasti denitrifikacijske-heterotrofne biomase: H

=

∧ H⋅

SNO KNO

= =

SS KS

= =

SO SNO SS ⋅ ⋅ KOH + SO KNO + SNO KS + SS

Indeks H =

(2.4)

koncentracija nitratnega dušika (mg N-NO3/L), koeficient polovi ne hitrosti nasi enja nitratnega dušika za heterotrofno biomaso (mg N-NO3/L), koncentracija lahkorazgradljivega substrata (mg KPK/L), koeficient polovi ne hitrosti nasi enja organskega substrata za heterotrofno biomaso (mg KPK/L), heterotrofna biomasa

Literatura navaja (Bever in sod., 1995; Henze in sod., 1995; Grady in sod., 1999), da je denitrifikacijski proces manj ob utljiv na spremembe temperature, pH in inhibitorne snovi kot nitrifikacijski, zaradi ve je koncentracije in višje hitrosti rasti heterotrofne biomase.

2.3 BIOKEMIJSKI POGLED NA BLATOM

IŠ ENJE Z AKTIVNIM

Mikroorganizmi za preživetje in razmnoževanje potrebujejo (Grady in sod., 1999): • ogljik, dušik in fosfor • mikroelemente, • vir energije, • ''redukcijsko mo '' (ang.: reducing power) Mikroorganizmi dobijo osnovne gradnike za nove celice (ogljik, dušik, fosfor ter mikroelemente), energijo ter ''redukcijsko mo '' iz oksidacijskih reakcij razgradnje odpadne vode. Pri teh reakcijah se prenesejo elektroni iz substrata, ki se reducira, na terminalni akceptor elektronov nikotin adenin dinukleotida (NAD). Koli ina energije, ki se sprosti je odvisna od oksidacijskega stanja substrata oz. števila elektronov, ki se prenesejo na akceptor. Visoko reducirajo e spojine vsebujejo ve elektronov in imajo višjo prosto energijo od mo no oksidiranih spojin ne glede ali so organske ali anorganske. e se omejim na oksidacijo ogljikovih spojin, ki jih merimo v obliki KPK (merilo elektronov, ki so na razpolago) lahko zapišemo, da ima spojina z visokim razmerjem KPK:C mo ni redukcijski potencial. Skrajni možni spojini sta CH4 kot najbolj reducirana oblika in CO2 kot najbolj oksidirana oblika. Vse organske spojine se nahajajo med tema dvema skrajnostima. Mikroorganizmi pri razgradnji odpadne vode uporabljajo svoj metabolizem. Metabolizem sestavljajo vse biokemijske pretvorbene reakcije, ki se zgodijo v živi celici s pomo jo encimov. Encimi so posebni proteini, ki znižajo aktivacijsko energijo reakcije in ne spremenijo svoje strukture. Encimska reakcija te e z maksimalno hitrostjo, ko so na encimu zasedena vsa aktivna mesta. Poznamo tudi inhibicijo encimskih reakcij, kjer pride do za asne ali trajne zasedenosti aktivnega mesta. V metabolizmu lo imo dva tipa reakcij:


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

• •

12

razgradnja ali katabolizem – razgradnja substrata do vmesnega ali kon nega produkta pri emer se sproš a energija (eksergona reakcija) sestavljanje ali anabolizem – iz vmesnih produktov pride do tvorbe celi nih komponent pri emer se energija porablja (endergona reakcija)

Biokemijske reakcije so med seboj dopolnjujejo. Produkt ene reakcije služi kot reaktant druge reakcije. Za tako združevanje pa sta potrebna dva osnovna mehanizma: • prenašanje elektronov. Elektroni, ki se sprostijo pri oksidativnih reakcijah se iz elektron donorja ne prenesejo direktno na elektron akceptor (kisik, nitrat ...) ampak preko prenašalca NAD+, ki se po prejemu elektronov reducira v NAD.H. Le ta nato prenese elektrone na elektron akceptor (kisik, ki se reducira v vodo; nitrat, ki se reducira v elementarni dušik) pri tem se sprosti energija za tvorbo 3 molov adenozin trifosforne kisline (ATP) iz adenozin difosforne kisline (ADP). • prenašanje energije. Energija, ki se sprosti v katabolnih reakcijah se sprosti kot kemi na energija, ki je shranjena v obliki ATP. Ta energija se nato porablja za sinteze celi nih komponent pri emer iz ATP dobimo ADP, ki je energetsko revnejša oblika.

2.3.1 Prirast blata Po definiciji je prirast (Y; ang. Yield) stehiometri ni koeficient, ki nam pove koliko biomase se je produciralo na enoto odstranjenega substrata. Y=

KPKcelicni KPKsubstrata

(2.5)

Oziroma, e je koli ina nove biomase odvisna od proizvedene ATP le ta pa od odstranjenega substrata - donorja elektronov lahko zaklju imo, da je pri veliki razliki v oksidacijsko redukcijskem potencialu velik Y. Tak primer imamo pri aerobnih heterotrofih, ki za donor elektonov uporabijo organski substrat in akceptor elektronov kisik. Nekoliko nižji Y dobimo pri heterotrofih, ki za akceptor elektronov uporabljajo NOx (denitrifikatorji). Še nižjega pa pri avtotrofih (nitrifikatorjih), ki za donor elektronov uporabljajo CO2 kot najbolj oksidirano obliko. Da mikroorganizem na podlagi pridobljene energije lahko producira celi ne komponente, morata biti zagotovljena dva pogoja (Grady, 1999): • oksidacijsko stanje ogljikove spojine kot gradnika celice mora biti enako oksidacijskemu stanju celice. e je nižje, pride do oksidacije le te in dodatne tvorbe energije, kar ima za posledico produkcijo biomase. e je višje, mora priti do redukcije za kar je potrebna rezervna celi na energija. • število ogljikovih atomov – idealno število so 3 atomi, e jih je ve pride do katabolizma in s tem sproš anja energije, e jih je manj pa do anabolizma in s tem porabe energije. V primeru CO2 kot donorja elektronov in vira ogljika imamo dvakratno izgubo energije in zato posledi no zelo nizek Y (avtototrofni nitrifikatorji). Prirast na odstranjen substrat je zelo nizek in zato moramo držati aktivno blato dovolj dolgo v sistemu (starost blata nad 15 dni pri 12oC), da lahko zagotovimo uspešno delovanje avtotrofnih nitrifikatorjev. Y je neodvisen od hitrosti reakcije in je tako funkcija skupine mikroorganizmov, vira ogljika in


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

13

energije ter obratovalnih pogojev. S starostjo blata vrednost Y pada zaradi priraš anja avtotrofnih mikroorganizmov (Grady in sod., 1999). Starost blata, izražena v dnevih je as, ki je potreben za odstranitev celotne koli ine blata iz istilne naprave z aktivnim blatom pri stalni hitrosti odstranjevanja. Izra unamo jo z deljenjem celotne mase blata v istilni napravi z maso dnevno odstranjenega blata (Dular in sod., 1997). Starost blata uravnavamo z dnevnim odvzemom aktivnega blata iz sistema, ki je izra unan na podlagi dejanske koncentracije aktivnega blata.

2.3.2 Prenos energije in ogljika pri avtotrofnih mikroorganizmih Nitrifikatoriji so kemoavtotrofi, kar pomeni, da energijo pridobijo iz oksidacijsko redukcijskih reakcij (kemo) ter kot gradnik novih celic uporabijo anorganski vir ogljika kot je CO2 (avtotrof). vir energije: Pri oksidaciji amonijskega dušika (Slika 2.6) do nitratnega dušika se sprosti 8 elektronov (e-), del elektronov se porabi za redukcijo kisika (1-YA), del pa za redukcijo anorganskega ogljika (CO2) do elementarnega ogljika - C (YA), ki je primeren za vgradnjo v celice. Grady s sodelavci (1999) navaja, da je osnovni gradnik novih celic spojina z vsebnostjo treh ogljikovih atomov. OKSIDACIJA oddajanje elektronov (e-)

REDUKCIJA sprejemanje elektronov (e-) (4.57-YA)

O2

energija NH4

H2O + 4 e-

NO3 - 8 e-

(vir energije)

(YA) rast

CO2

C3 (XBA) + x e-

(vir ogljika)

Slika 2.6: Shematski prikaz prenosa elektronov in ogljika pri nitrifikaciji Reakcija nitrifikacije: NH4+ + 2O2 → NO3- + 2H+ + H2O 2 mol O2 / 1 mol N-NO3 = 4.57 mg O2 / mg N-NO3 Iz stehiometrijske reakcije nitrifikacije dobimo, da je za 1 mg N-NO3 potrebno 4,57 mg O2 (teoreti no). Prakti no pa se del elektronov porabi za nastanek nove biomase nitrifikatorjev


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

14

YA. Zato je dejanska poraba kisika za proces nitrifikatorjev zmanjšana za avtotrofni prirast -YA (KPKc/N-NH4). dSO (4.57 − YA ) = (mgO2/mgN − NH4) ⋅ rA (mgKPKc/L. h) dt 1

(2.6)

oziroma, e upoštevamo YA (mg KPKc/mg N): dSO (4.57 − YA ) = (mgO2/mgKPKc) ⋅ rA (mg KPKc/L.h) dt YA

(2.7)

2.3.3 Poenostavljen prikaz prenosa energije in ogljika pri heterotrofnih mikroorganizmih Denitrifikatorji spadajo v skupino heterotrofov, kar pomeni, da uporabljajo kot vir ogljika in energije organski ogljik. Heterotrofi lahko živijo v aerobnih (prisoten kisik), denitrifikatorji pa tudi v anoksi nih pogojih (prisoten samo nitrat ali nitrit), zato jim tudi pravijo fakultativni anaerobi. Heterotrofni mikroorganizmi organski ogljik oksidirajo do CO2, del ogljika pa vgradijo v novo celi no biomaso (YH). Pri heterotrofnih mikroorganizmih se vsi elektroni prenesejo na kisik (1-YH) oz nitrat. OKSIDACIJA oddajanje elektronov (el)

REDUKCIJA sprejemanje elektronov (el) O2 (1-YH) energija

CHO

NO3

H2O aerobni pogoji + 4 el N2 anoksi ni pogoji +5 el

CO2+ C3 - x el

(vir energije in ogljika)

(YH) rast

CHO

C3 (XBH)

Slika 2.7: Shematski prikaz prenosa elektronov in ogljika pri heterotrofnih mikroorganizmih pri aerobnih in anoksi nih pogojih. Energija nastaja v procesu oksidativne fosforilacije (dihalna veriga). V 4 encimskih kompleksih se prenesejo 4 elektroni iz NADH na kisik, ki se reducira v vodo. Pri oksidaciji NADH nastaja ATP, ki je shramba energije v živih organizmih. Pri denitrifikaciji se dogaja podoben proces, le da se namesto kisika reducira nitrat do elementarnega dušika. V primeru, da imajo denitrifikatorji na razpolago kisik ali nitrat bodo najprej reducirali kisik,


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

15

šele nato nitrat. Pri reakciji denitrifikacije se generira manj energije, kot v primeru redukcije kisika kar pomeni, da bo heterotrofni prirast - YH (mg KPKc/mg KPK) v anoksi nih pogojih ustrezno nižji. Za izra un hitrosti reakcij ter prenosa elektronov na razli ne akceptorje se moramo poslužiti definicije elektron ekvivalenta (e-eqv). Koli ina e-eqv je število elektronov, ki jih potrebuje dolo ena spojina, da se reducira do kon ne oblike . 32 g kisika = 1 mol O2 = 4 e-eqv → se reducira v H2O 14 g nitratnega dušika = 1 mol N-NO3 = 5 e-eqv → se reducira v N2 Pri aerobnih pogojih je rast heterotrofov vezana na porabo kisika:

dSO (1 − YH) = (mgO 2/mgKPK) ⋅ rH (mgKPKc/L. h) oziroma dt 1 dSO (1 − YH ) = (mgO2/mgKPKc) ⋅ rH (mgKPKc/L. h) dt YH

(2.8)

Pri anoksi nih pogojih pa je rast heterotrofov vezana na porabo (redukcijo) nitrata:

dSNO (1 − YH ) = (e − eqvN - NO3/e − eqvKPK) ⋅ rH (mgKPKc/L. h) dt 1

(2.9)

1 e - eqv N - NO3 = 2.8 g N - NO3, 1 e - eqv KPK sub. = 8 g KPK

dSNO (1 − YH ) 2.8 mg N - NO3 = ⋅ ⋅ rH (mgKPKc/L. h) dt 1 8 mg KPK

(2.10)

oziroma, e upoštevamo YH (mg KPKc/mg KPK):

dSNO (1 − YH ) = ⋅ (mg N - NO3/gKPKc) ⋅ rH (mgKPKc/L. h) dt 2.86 YH

(2.11)


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

16

3 KINETIKA PROCESA IŠ ENJA ODPADNE VODE Za znane encimske reakcije, ki potekajo pri iš enju odpadne vode s pomo jo mikroorganizmov, lahko zapišemo poenostavljene hitrostne ena be. Te ena be so lahko ve kratne nelinerane Monodove ena be ali preproste ena be 1 reda. Bolj natan no so ena be procesov razložene v poglavju 3.4. Vse procese iš enja odpadne vode lahko poneostavljeno zapišemo v obliki matemati nih ena b, le te pa zaradi poenostavitve in medsebojne odvisnosti v matriko. Tak na in zapisa je prikazan v modelih Activated Sludge Model No. 1, 2 in 3 (ASM1, ASM2, ASM3), ki so v zadnjih dveh desetletjih postali standard za simulacijo procesa iš enja z aktivnim blatom po celem svetu (Gujer in sod., 2000). ASM1 opisuje proces biološkega odstranjevanja ogljikovih in dušikovih spojin, ASM2 zajema tudi proces odstranjevanja fosfornih spojin, medtem, ko je ASM3 nadgradnja ASM1 modela. Na tržiš u je zelo veliko bolj ali manj uspešno prodajanih in uporabnih dinami nih matemati nih modelov - simulatorjev za razli ne postopke iš enja odpadne vode, ki se uporabljajo v industrijske in akademske namene. Ve ina simulatorjev vklju uje procese in komponente matemati nega modela ASM1, ASM2 in v zadnjem asu tudi ASM3. So enostavni za uporabo, vendar jih ve ina deluje na principu »black box« kar pomeni, da uporabnik nima dostopa do matemati nih ena b in postopka izra unavanja. Nekaj najbolj znanih simulacijskih orodij (Olsson in Newell, 1999): • GPS-x (Hydromantis, Kanada), • SIMBA (IFAK, Nem ija), • EFOR (Kruger, Danska), • STOAT (WRc, Velika Britanija), • WEST (Hemmis, Belgija), • SSSP (Univeza Clemson, USA), • DSP (Univerza v Queensland, Avstralija) ... Pri nakupu matemati nega modela moramo biti pozorni, da matemati ni model vsebuje modul našega postopka iš enja, da je prilagodljiv, da lahko spreminjamo parametre in ga lahko validiramo.

3.1 MODEL ASM1 IN ASM3 Ker so procesne spremeljivke za enake procese med seboj v razmerju s stehiometrijskimi konstantami, lahko zaradi lažje preglednosti razmerje med procesi in procesnimi


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

17

spremenljivkami zapišemo v obliki Petersonove matrike. Na ta na in sta postavljeni matiki modela ASM1 (tabela 3.1) in modela ASM3 (tabela 3.2), ki jih lahko lahko razdelimo na slede a tri podro ja: 1. procesi – j, 2. procesne spremenljivke (komponente)- i, 3. stehiometrijski del matrike – osrednji del V modelu ASM3 imamo še kompozicijsko matriko – k, preko katere izra unamo stehiometri ne faktorje za posamezni proces (glej tudi poglavje 3.5). Kadar želimo zapisati pretvorbo posamezne procesne spremenljivke v posameznem reaktorju, jo zapišemo po slede i masni bilanci za posamezno procesno spremenljivko i:

Akumulacija (i) = dotok (i) – iztok (i) ± nastajanje ali izginevanje i-te spremeljivke z reakcijo (rj).stehiometrijski faktor (vij) (3.1)


18

M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

Tabela 3.1: Kinetika in stehiometrija za oksidacijo ogljika, nitrifikacijo in denitrifikacijo v modelu ASM1 (Henze in sod., 1987) 2

3

4

5

1 Aerobna rast heterotrofov

1 YH

1

2 Anoksi na rast heterotrofov

1 YH

1

3 Aerobna rast avtotrofov 4 "Odmiranje" heterotrofov 5

6

7

8

SS XI XS XB,H XB,A XP −

1 − YH YH

-1

10

1 − YH 2.86YH

1 YA

4.57 − YA YA

Ena ba procesa rj[ML-3 T-1 ]

SALK − −

i XB 14

− i XB −

1 YA

1 − YH 14 * 2.86YH

fP 1

µH *

SO XB,A K O ,A + SO

bA XB,A

1 14

kaSNDXB,H XS X B , H

SO + K O , H + SO

(

)

KO, H

S NO K NO + S NO

K X + XS X B , H K O ,H + S O

X B ,H

ρ7(XND/X S)

-1

ν ijρ j

+

NH4 -N+NH3-N -3 [M(N)L ]

j

Nitratni in nitritni dušik -3 [M(N)L ]

Netopni produkti iz odmiranja biomase -3 [M(-KPK)L ]

Netopna nerazgradljiva organska snov [M(-KPK)L -3 ] Poèasi biorazgradljivi substrat -3 [M(-KPK)L ] Aktivna biomasa heterotrofov -3 [M(-KPK)L ] Aktivna biomasa avtotrofov -3 [M(-KPK)L ]

Hitro biorazgradljivi substrat -3 [M(-KPK)L ]

Stehiometri ni parametri:

Kisik (negativni KPK) -3 [M(-KPK)L ]

ri =

*

S NO η g X B, H K NO + S NO

iXB- fPiXP

+ ηh

Stopnja spremembe komp. -3 -1 [ML T ]

KO, H K O , H + SO

bH XB,H

-1

1

SS KS + SS

iXB-fPiXP

-1

vezanega 8 "Hidroliza" organskega dušika

SO X B, H K O ,H + SO

SNH 1 i XB µA − K NH + SNH 14 7YA

kh

1

SS K S + SS

µH

− i XB 14

Amonifikacija topnega

Izplen heterotrofov: YH Izplen avtotrofov: YA Del biomase, ki se pretvori v netopne delce: fP MasaN/Masa KPK v biomasi: iXB: MasaN/Masa KPK v produktih biomase: iXP

13

12

-iXB

6 organskega dušika

"Hidroliza" 7 vezanih organskih snovi

11

SNH SND XND

-iXB

fP

1-fP -1 1-fP

SNO

1

"Odmiranje" avtotrofov

9

SO

Alkalnost - Molske enote

Proces

1

SI

Netopni biorazgradljivi organski dušik [M(N)L-3 ]

j

i

Topni biorazgradljivi organski dušik [M(N)L-3 ]

Komponenta

Kineti ni parametri: Rast in odmiranje heterotrofov: µ H , K S , K O , H , K NO , b H Rast in odmiranje avtotrofov:

µA , K O,A , K NH , b A

Korekcijski faktor za anoksi no rast heterotrofov: ηg Amonifikacija: k a Hidroliza: kh, KX Korekcijski faktor za anoksi no hidrolizo: η h


19

M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

Tabela 3.2: Kinetika in stehiometrija za oksidacijo ogljika, nitrifikacijo in denitrifikacijo v modelu ASM3 (Gujer in sod., 1999). Komponenta i proces izraženo kot Stehiometrijska matrika vj,i j

1 hidroliza

1 2 3 SO2 SI SS O2 KPK KPK f SI

x1

4 SNH4 N

5 SN2 N

6 SNOX N

y1

Kompozicijska matrika k pretvornik 1 ThOD 2 dušik 3 ionski naboj 4 SS

8 XI KPK

z1

heterotrofni mikroorganizmi, aerobna in denitrifikacijska aktivnost 2 aerobna hramba SS x2 -1 y2 3 anoksi na hramba SS -1 y3 -x3 x3 4 aerobna rast XH x4 y4 5 anoksi na rast (denitrif.) y5 -x5 x5 6 aerobna endogena respiracije x6 y6 7 anoksi na endogena respiracija y7 -x7 x7 8 aerobna respiracija XSTO x8 9 anoksi na respiracija XSTO -x9 x9 avtotrofni mikroorganizmi, nitrifikacijska aktivnost 10 aerobna rast XA x10 11 aerobna endogena respiracije x11 12 anoksi na endogena respiracija

7 SALK mol

y10 y11 y12

1/YA -x12

x12

z2 z3 z4 z5 z6 z7

9 XS KPK

10 XH KPK

12 XA KPK

-1

1 1 -1 -1

f XI f XI

YSTO,O2 YSTO,NOX -1/YH,O2 -1/YH,NOX

t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9

-1 -1 1 -1 -1

f XI f XI

ι k,i g ThOD gN Mol + gSS

-1

1 iN,SI

1 iN,SS

1 1/14

-1.71 -4.57 1 1 -1/14

13 XSS SS - iXS

z9 z10 z11 z12

11 XSTO KPK

1 iN,XI

1 iN,XS

1 iN,BM

1

1 iN,BM

iSS,XI

iSS,XS

iSS,BM

0.60

iSS,BM

-1

ThOD pomeni teoreti no potrebo po kisiku (enota mgO2/L), ki je v mnogo primerih (organske spojine) enaka standardni KPK (kemijska potreba po kisiku) analizi. V resnici za komunalno odpadno vodo KPK pokriva le 95 % vrednosti ThOD, eprav model ASM1 in ASM3 opisuje, da je 1g KPK = 1g ThOD. Primeri ThOD: za SO2 → – 1 g ThOD/gO2 za SNO → - 4.57 g ThOD/g N-NO3 za SN2 →- 1.71 g ThOD/g N2 Modeliranje kompleksnega sistema iš enja odpadne vode zahteva dolo ene poenostavitve ter predpostavke, kar naredi model uporaben (hiter in prilagodljiv): V modelu ASM1 in ASM3 so zajete slede e poenostavitve (Henze in sod, 1987; Gujer in sod., 1999): 1. sistem deluje pri konstantni temperaturi, parametri so dolo eni pri tej temperaturi, 2. pH je konstanten ter blizu neutralnosti, 3. narava organskih snovi v odpadni vodi je konstantna in lahko niha v koncentraciji, 4. prisotnih je dovolj hraniv za normalno rast mikroorganizmov, 5. korekcijski faktor ηg za denitrifikatorje je konstanten ter se ne spreminja s asom, 6. heterotrofna biomasa je homogena in njena sestava se ne spreminja s asom, 7. hidroliza organskega ogljika in dušika se vrši isto asno z enako hitrostjo, 8. vrsta elektronskega akceptorja ne vpliva na hitrost odmiranja (samo ASM1), v modelu ASM3 je ta poenostavitev že odstranjena.

t10 t11 t12


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

20

Po zapisu masnih bilanc sledi postopek kalibracije modela in ob utljivostna analiza. Temu sledi validacija modela ter izra un uspešnosti napovedi. V naslednih poglavjih na kratko opisujemo omenjene postopke.

3.1.1 Kalibracija matemati nega modela Kalibracija je proces, ki prilagodi model dolo enim realnim eksperimentalnim podatkom. Kalibracijski postopki matemati nih modelov se med seboj razlikujejo. Zec (1999) kalibracijo matemati nega modela opisuje kot zaporedje slede ih operacij: izbira objektov, izbira strukture modela, dolo itev fizi nih in obratovalnih parametrov naprave, karakterizacija dotoka, dolo itev kineti nih in stehiometrijskih parametrov ter meritev. V primeru, da je ujemanje z meritvami v delovni to ki dobro (stacionarno stanje) se pristopi k ujemanju meritev dinami nega obratovanja. V nasprotnem primeru se postopek kalibracije ponovi. Brdjanovic s sod. (2000) je kalibracijo matemati nega modela izvedel preko podatkov iz istilne naprave ter lo enih ašnih testov. Pri slednjih ugotavljajo, da kalibracija modela preko lo enih ašnih testov ne napoveduje izmerjenih podatkov dovolj dobro. Uspešno kalibracijo narejeno preko ašnih testov pa navaja Koch s sod. (2000). Meijer s sod. (2001) je svoj model kalibriral na dva na ina in sicer na »hevristi en« in stopenjski na in. Pri hevristi nem na inu za kalibracijo uporabimo tiste parametre, ki so kot vplivni parametri dolo eni glede na modelatorjevo znanje o procesu, medtem ko se pri stopenjski kalibraciji kalibrira tiste parametre, ki so pokazali najve ji vpliv na izhod pri ob utljivostni analizi. Petersenova s sod. (2002) navaja tri razli ne na ine kalibracije, katere izbira je odvisna od uporabe modela. V primeru, da bo model uporabljen za vodenje, moramo pri kalibraciji uporabiti im ve je število kvalitetnih realnih eksperimentalnih podatkov (parametrov). Najbolj enostaven na in kalibracije se imenuje enostavna kalibracija stacionarnega stanja, ki za kalibracijo uporabi povpre ne podatke dolo enega daljšega obdobja ter predpostavi popolnoma premešan reaktorski sistem. Višji nivo kalibracije se imenuje kalibracija stacionarnega stanja, ki že upošteva hidravli ne spremembe ter delovanje usedalnika. Najbolj natan en model pa dobimo z dinami no kalibracijo, ki pa potrebuje veliko število podatkov v krajšem razdobju zaradi natan nega opisa dinamike delovanja iš enja odpadne vode.

3.1.2 Ob utljivostna analiza Z ob utljivostno analizo dolo imo velikost vpliva procesnih parametrov kot je sestava dotoka ter kineti nih in stehiometrijskih parametrov na izhodno sestavo o iš ene odpadne vode za dolo en odstotek (Makinia in Walls, 2000; Meijer in sod., 2001; Petersen in sod., 2002). Pri teh spremembah dolo amo ob utljivostni koeficient kot kvocient med spremembo izhoda (sestava o iš ene odpadne vode) in spremembo vhoda (sestava dotoka, kineti ni in stehiometrijski koeficienti). Ve ji je odstotek, ve ji je vpliv vhodnega parametra. Makinia in Wells (2000) navajata kot najbolj vplivna parametra maksimalno hitrost rasti avtotrofne biomase, prirast heterotrofov ter vstopno koncentracijo amonijskega dušika. Petersenova s sod. (2002) kot najbolj vplivni parameter, ki že z majhno spremembo vpliva na iztopno koncentracijo amonijskega in nitratnega dušika ter KPK, navaja maksimalno hitrost avtotrofne biomase, odmiranje heterotrofne biomase ter vstopno


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

21

koncentracijo amonijskega dušika. Kako posamezni parametri vplivajo na posamezni model, je odvisno od posameznega modela.

3.1.3 Validacija matemati nega modela Z validacijo kalibriranega matemati nega modela ugotovimo ali naš model uspešno napoveduje koncentracije procesnih spremenljivk pri dinami nih pogojih. Makinia in Wells (2000) v svojem lanku navajata validacijo stacionarnega stanja in dinami no validacijo. Razlika med njima je v tem, da pri validaciji stacionarnega stanja preverjamo rešitev matemati nega modela le v eni to ki delovanja, medtem ko se dinami na validacija vrši preko daljšega obdobja. Koch s sod. (2000) poro a o uspešno izvedeni validaciji modela, ki je temeljil na osnovnih ena bah ASM3 za ve pilotnih naprav in obratujo ih istilnih naprav. Pri validaciji modelov so ugotovili, da je zelo pomembno zagotoviti ve kot je limitna koncentracija nitratnega dušika v anoksi ni coni in amonijskega dušika v oksi ni coni.

3.1.4 Pogoj uspešnosti postavitve matemati nega modela V idelanem svetu bi se napoved matemati nega modela v vsaki situaciji ujemala z realnimi eksperimentalnimi podatki. Ker so modeli dale od idealnosti, se vrednosti ujemajo le do dolo ene stopnje. Razlogi za odstopanje so slede i: • preve splošno opisovanje kompleksnih mikrobioloških procesov z matemati nimi ena bami ter konstantami, • napaka eksperimenta, • merilna negotovost analiznih rezultatov. Kako dobro naj dinami ni model opisuje dejansko stanje je odvisno od uporabnika oziroma namena uporabe matemati nega modela.

3.2 PRIMERJAVA MED ASM1 IN ASM3 Ker je ASM3 model nadgradnja modela ASM1, so glavne razlike med njima slede e (Gujer in sod., 2000): 1. V modelu ASM1 so vrednosti stehiometrijskih in kineti nih konstant neodvisne od pogojev okolja (aerobno, anoksi no) medtem, ko se v modelu ASM3 ter vrednosti med seboj že razlikujejo (predvsem prirast in odmiranje biomase). 2. Model ASM3 se od modela ASM1 razlikuje ne samo po ve jemo številu upoštevanih osnovnih procesov temve posledi no tudi po ve jem številu kineti nih in stehiometrijskih parametrov. Primerjava je prikazana v spodnji tabeli. 3. Stehiometrijski del matrike se mora v modelu ASM3 izra unati preko kompozicijske matrike (glej poglavje 3.5). 4. Koncentracija dušikovih spojin se preko pretvorbenih faktorjev prera una iz koncentracije organskih spojin.


22

M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

Tabela 3.3: Primerjava po obsežnosti med modelom ASM1 in ASM3 glede na število osnovnih procesov, procesnih spremenljivk in parametrov. število

ASM1 (l.izdaje 1987) ASM3 (l.izdaje 1999)

Procesi (j):

8

12

za heterotrofe

6

9

za avtotrofe

2

3

Procesne spremenljivke (i)

13

13

Parametri:

19

36

kineti ni

5

21

stehiometrijski

14

15

V zgornji tabeli lahko vidimo, da ima ASM3 model opisuje kar 12 procesov s 13 procesnimi spremenljivkami in 36 parametri. Iz tega lahko sklepamo, da model ASM3 že bolj natan no opisuje procese razgradnje odpadne vode. Poudarek so naredili na poti razgradnje organskega ogljika, kar je prikazano na spodnjih slikah (Slika 3.1 in Slika 3.2). SO

SNH

XBA

rast SNO

Nitrifikatorji

odmiranje XI odmiranje

XS hidroliza SS rast SO

XB H

Heterotrofi

Slika 3.1: ASM1 model poti KPK ASM1 (Slika 3.1) • V ASM1 modelu heterotrofni mikroorganizmi porabljajo KPK v cikli ni shemi. • Z razpadom biomase nastanejo razpadli produkti, ki v sistem ponovno vnesejo KPK (XS). Le ta se po teoriji ASM1 ne razlikuje od vhodnega KPK.


23

M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

Odmiranje nitrifikatorjev tako pospešuje rast heterotrofov, ker v sistem dovaja dodaten vir ogljika (XS). Rasti in odmiranja heterotrofnih mikroorganizmov ne moremo lo iti od avtotrofnih mikroorganizmov. Obstajata le dve vstopni to ki kisika (SO) – respiracije.

• •

SO

SO

Nitrifikatorji SNH

SO

Heterotrofi XS

SS hidroliza

rast

XBA

SO

Xsto

endogena respiracija

SO

XI

XB

shranjevanje

rast

Ysto

YH

XI

endogena respiracija

Slika 3.2: ASM3 model poti KPK ASM3 (Slika 3.2): • Rast in odmiranje avtotrofov in heterotrofov sta med seboj popolnoma lo ena procesa, med njima ni nobene izmenjave KPK • Obstajajo številne to ke vnosa kisika (SO). • V model rasti heterotrofne biomase so vklju ili novo funkcijsko spojino XSTO, ki jo zahteva model in ni direktno kemijsko dolo ljiva. • Odmiranje je nadomestil proces endogene respiracije, ki tudi porablja kisik. • V modelu se tako pojavijo 4 procesi razpada – endogene respiracije hetrotrofne biomase (XBH) ter hranjenih produktov (Xsto) v aerobnih in anoksi nih pogojih. • Kinetika rasti heterotrofne biomase v anoksi nem in aerobnem okolju pa je odvisna od razmerja med XSTO /XBH. Pomanjkljivosti izražene v modelu ASM1 so tako nadgradili na slede i na in (Gujer in sod., 2000):

Pomanjkanje dušika in alkalitete za heterotrofe: vklju ene so v hitrostno ena bo rasti heterotrofov. 2. Topni in partikulatni organski dušik: se v masnih bilancah kot procesni spremenljivki ne pojavljata ve , temve vstopata v proces preko stehiometrijskih

1.


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

24

faktorjev kot delež dušika na KPK (iN,SI, iN,SS, iN,XS...). Razgradnja topnega in partikulatnega dušika je vgrajena v proces hidrolize, razpada in rasti biomase. 3. Proces amonifikacije: Procesa amonifikacije ni ve . Preko zgoraj omenjenih stehiometrijskih faktorjev s procesom hidrolize pride do pretvorbe organskega dušika (izra unanega preko deleža glede na KPK) v amonijski dušik, ki nato vstopa v nadaljnje procese. 4. Inertne spremenljivke: z novim modelom poti KPK se izognemo pojavu inertnega KPK, ki nastane z razpadom biomase in se ne združi z vstopnim inertnim KPK. 5. Hidroliza: Prevladujo vpliv hidrolize so odstranili z novim modelom poti KPK, kjer je rast heterotrofov odvisna od hranjenih produktov XSTO in ne direktno od XS in njene hidrolize. 6. Endogena respiracija: je le del celotnega odmiranja biomase in je razli na od okolja (aerobno, anoksi no). 7. Hranjeni material: zajeli so ga v modelu poti KPK kot vmesno stopnjo med XS in XBH. 8. Razli ne kineti ne kostante: dolo ili so razli ne kineti ne konstante za hitrost odmiranja glede na okolje ter razli ne stehiometri ne konstante – priraste. 9. MLSS: model dovoljuje direktni vnos koncentracije v enotah KPK ali MLSS preko pretvorbenih faktorjev 10. Prirast (Yield): ostaja enak na in dolo itve z respirometrijo.

3.3 PROCESNE SPREMENLJIVKE Spojine v obeh modelih na splošno delimo na topne - lahko razgradljive spojine (oznaka S) in partikulatne – težko razgradljive spojine (oznaka X). Mejo med topnimi in partikulatnimi spojinami je zelo težko dolo iti, saj poimenovanje ne opredeljuje fizikalne razlike med spojinami (velikosti delcev), temve hitrost razgrajevanja spojin. Topne spojine so enostavne spojine (enake metabolnim produktom celic), ki brez zunanje razgradnje prehajajo v celico ter vstopajo v metabolne reakcije mikroorganizma. Na razpolago so vsi potrebni encimi, hitrost rasti mikroorganizmov je maksimalna. Partikulatne spojine so kompleksne spojine (beljakovine, maš obe,...), ki se morajo pred prehodom skozi celico razgraditi do enostavnih (topnih) spojin z ekstracelularnimi encimi. Hitrost rasti je tako pri partikulatnih spojinah ustrezno nižja. Zato velja pravilo, da topne in partikulatne spojine, ki jih opredeljujemo v modelih, med seboj ne moremo lo iti s filtracijo ez 0,45 µm filter papir (Slika 3.3), saj pri tem dobimo napa en rezultat. Pri filtraciji del partikulatnih delcev preide skozi filtrirni papir (velja predvsem za dotoke na N). Partikulatne spojine se v reaktorju z aktivnim blatom, ki ima visoko specifi no površino, adsorbirajo na suspendirane delce, kar povzro a lažje lo evanje topnih spojin od partikulatnih (Gujer in sod., 2000).


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

25

mg KPK/L 30

SI

50

SS

125

XS

analiza iztoka test respiracije

topen KPK upoštevan v modelu

analiti no dolo en topen KPK (s filtracijo)

dobljen z modelno kalibricijo

Slika 3.3: Prikaz analiziranih vrednosti KPK z razli nimi metodami dolo evanja Razli ne dele KPK lahko dobimo tudi preko drugih analiz kot so BPK5, respirometri ni BPK, neraztopljene snovi (Zec, 1999; Makinia in Wells, 2000)

V modelu ASM1 in/ali ASM3 nastopajo slede e topne – lahko razgradljive spremenljivke (S2): • • • • • •

2

SO (mgO2/L): raztopljen kisik – direktno izmerjen ter v matriki izražen kot negativni ThOD . SI (mg KPK/L): inertni topni organski material – se v procesu iš enja ne razgradi, ter je del vstopnega KPK, delno pa nastaja pri hidrolizi XS. Dolo imo ga iz preostalega KPK, na iztoku iz nizko obremenjene N. SS (mg KPK/L): hitro razgradljivi biološki organski material – ta material se takoj pretvori v Xsto. Koncentracijo SS dolo imo respirometri no s ašnim testom. Samo dolo evanje koncentracije SS s filtracijo vodi do velikih napak. SNH (mg N/L): amonijev dušik – V reaktorjih in v iztoku je koncentracija SNH enaka analiziranim vrednostim. Glede na redoks lestvico SNH nima ThOD. SN2 (mg N/L): plinasti dušik - ki po teoriji nastaja le pri denitrifikaciji (samo ASM3) SNOX (mg N/L): nitritni in nitratni dušik – vklju uje tudi nitrit ker le ta ni vklju en kot lo ena modelna spojina. Pri stehiometrijskih izra unih (negativni ThOD) pa se upošteva le nitratni dušik. V programu Mathematica se indeksi ne uporabljajo


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

• •

26

SALK (mol HCO3/L): alkaliteta odpadne vode- izražena kot HCO3-. Alkaliteta je indikator pojava nizkega pH, ki lahko zavre dolo ene biološke procese. SND (mg N/L): hitro razgradljivi organski dušik – v ASM3 je vezan preko deleža iN,SS in iN,SI in zato ni lo ena modelna spremenljivka (samo ASM1).

V modelu ASM1 in/ali ASM3 nastopajo slede e partikulatne – težko razgradljive spremenljivke (X3): • • •

• • • •

XI (mg KPK/L): inertni partikulatni organski material – ta material se ne razgrajuje, je del vtoka ali nastaja z razpadom biomase, adsorbira se na biomaso. XS (mg KPK/L): po asi razgradljiv substrat – je visoke molekulske mase, topni, koloidini ali partikulatni material, ki se mora preko eksterne hidrolize razgraditi do SS in SI. V ASM3 z razpadom biomase ne nastaja XS tako kot v ASM1. XSTO (mg KPK/L): hranjeni material v heterotrofnih mikroorganizmih – to so poly-hidroksi alkanoati, glikogeni itd. Pojavlja se samo v povezavi z XH, vendar ni vklju en v maso XH. XSTO je le funkcijska spojina ter ni direktno kemijsko dolo ljiva. (samo ASM3). XBH (mg KPK/L): aktivni heterotrofni mikroorganizmi – lahko rastejo v aerobnem okolju ter ve ina tudi v anoksi nem okolju. Ti organizmi hidrolizirajo partikulatni organski material XS ter shranjejo SS kot XSTO (poly-hidroksi alkanoate). XBA (mg KPK/L): aktivni avtotrofni mikroorganizmi – odgovorni za nitrifikacijo. So kemo-litotrofne aerobne bakterije, ki oksidirajo amonijski dušik preko nitrita do nitrata. Nitrit kot intermediat v ASM3 ne nastopa. XSS (mg SS/L): suspendirane snovi – kot spremenljivka modela nastopajo zaradi izra una stehiometri nega razmerja partikulatnih spremenljivk, katerih meritev je lahko izvedena z analizo suspendiranih snovi SS. (samo ASM3). XP (mg KPK/L): partikulatni produkti, ki nastanejo z razpadom biomase – v modelu ASM3 se tem produktom izognemo z novim pristopom razgradnje KPK (samo v ASM1). XND (mg N/L): partikulatni organski dušik – v ASM3 je vezan preko deleža iN,XS in iN,XI in zato ni lo ena modelna spremenljivka (samo ASM1).

3.4 PROCESI IN NJIHOV KINETI NI ZAPIS ZA MODEL ASM1 IN ASM3 Na splošno lahko za kineti ne ena be, ki se pojavljajo v ASM1 in ASM3, zapišemo slede e ugotovitve (Gujer in sod., 2000): • za vse topne spremenljivke imamo preklopne funkcije (Monodova ena ba S/(K+S)). Ta na in je izbran zaradi matemati ne priro nosti, saj te ena be omogo ajo ustavitev vseh bioloških procesov, ko se koncentracije približujejo ni ni koncentraciji. • za partikulatne spremenljivke v ASM3 imamo razmerje XSTO/XBH in XS/XBH, 3

V programu Mathematica se indeksi ne uporabljajo


27

M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

• •

Inhibicijo lahko modeliramo z ena bo 1-S/(K+S)=K/(K+S), Temperaturna odvisnost razgradnje odpadne vode je eksponentno odvisna od hitrosti pri 20oC in jo lahko zapišemo po slede i ena bi: ϑ ⋅(T - 20)

r (T) = r (20oC) ⋅ e

(3.2)

V modelu ASM1 in ASM3 imamo slede e procese (j) razgradnje odpadne vode, ki jih zaradi lažje preglednosti razdelimo na posamezno skupino mikroorganizmov (Gujer in sod., 2000):

ZA HETEROTROFE •

HIDROLIZA

ASM1 (j=7): Pri tem procesu je opisana hidroliza vezanih organskih snovi XS do SS ter je odvisna od koncentracije kisika oz nitrata. R7 = kH ⋅

XS/XBH ⋅ KX + XS/XBH

SO + KOH + SO

h⋅

KOH SNO ⋅ KOH + SO KNO + SNO

⋅ XBH

(3.3)

ASM1 (j=8): Hidroliza organsko vezanega dušika je pri modelu ASM1 vezana na razgradnjo organskega materiala. R8 =

7⋅

XND XS

(3.4)

ASM3 (j=1): pri tem procesu pride do razpada po asi razgradljivega substrata XS do SS. Proces je neodvisen od elektronskega donorja (substrata), ter ima manjši vpliv na porabo kisika ter denitrifikacijo. Poteka v aerobnem in anoksi nem okolju in je neodvisen od koncentracije kisika. Rh = kH ⋅ •

XS/XBH ⋅ XBH KX + XS/XBH

(3.5)

AEROBNA HRAMBA HITRO RAZGRADLJIVEGA SUBSTRATA

ASM3 (j=2): Ta proces opisuje hrambo hitro razgradljivega substrata SS v celice kot XSTO. Ta proces potrebuje energijo, ki jo dobi z aerobno respiracijo. Predpostavljeno je, da ves substrat najprej preide v hranjeni substrat, šele nato se porabi za rast mikroorganizmov. Ta proces ni dokazan, vendar je do sedaj najbolje poenostavljen. Z znižanjem YSTO proti YH se ta proces dejansko zanemari. R2 = kSTO ⋅

SO SS ⋅ ⋅ XBH KOH + SO KS + SS

(3.6)


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

28

ANOKSI NA HRAMBA HITRO RAZGRADLJIVEGA SUBSTRATA

ASM3 (j=3): Ta proces je identi en aerobni hrambi, le da se tu pridobi energija pri procesu denitrifikacije. Le del heterotrofov lahko izvaja proces denitrifikacije, zato je ta proces znižan za dolo en delež v primerjavi z aerobno hrambo. R3 = kSTO ⋅ •

NOX ⋅

SO SNOX SS ⋅ ⋅ ⋅ XBH KOH + SO KNOX + SNOX KS + SS

(3.7)

AEROBNA RAST HETEROTROFOV

ASM1 (j=1): Substrat za rast je lahko razgradljivi substrat SS. R1 = (RHaer) =

∧ H⋅

SS SO ⋅ ⋅ XBH KS + SS KOH + SO

(3.8)

ASM3 (j=4): Substrat za rast je izklju no hranjeni substrat XSTO. R4 =

∧ H⋅

SO SNH SALK XSTO/XBH ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ XBH KOH + SO KNH + SNH KALK + SALK KSTO + XSTO/XBH

(3.9)

ANOKSI NA RAST HETEROTROFOV

ASM1 (j=2): Ta proces je podoben aerobnemu, vendar respiracija temelji na denitrifikaciji. Le del heterotrofov lahko izvaja proces denitrifikacije, zato je ta proces znižan za dolo en delež v primerjavi z aerobno rastjo. R2 = (RHanx) =

∧ H⋅

g

KOH SNO XS ⋅ ⋅ ⋅ XBH KOH + SO KNO + SNO KS + XS

(3.10)

ASM3 (j=5): dodali so še len vpliva alkalitete ter pretvorbe hranjenih produktov. ∧

KOH SNOX ⋅ ⋅ KOH + SO KNOX + SNOX SNH SALK XSTO/XBH ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ XBH KNH + SNH KALK + SALK KSTO + XSTO/XBH R5 =

H⋅

NOX

(3.11)

AEROBNA ENDOGENA RESPIRACIJA

ASM1 (j=4): Tu se proces imenuje odmiranje heterotrofov, pri emer je hitrost neodvisna od elektron akceptorja R4 = bH ⋅ XBH

(3.12)

ASM3 (j=6). Ta proces opisuje vse oblike izgube biomase in porabe energije, ki ni povezana z rastjo biomase v aerobnih pogojih (liza celic, smrt, negibnost, endogeno dihanje, vzdrževanje,...). Ta proces se mo no razlikuje od procesa ASM1. R6 = bHO ⋅

SO ⋅ XBH KOH + SO

(3.13)


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

29

ANOKSI NA ENDOGENA RESPIRACIJA

ASM1 (j=4): Tu se proces imenuje odmiranje heterotrofov, pri emer je hitrost neodvisna od elektron akceptorja R4 = bH ⋅ XBH

(3.14)

ASM3 (j=7). Ta proces je podoben aerobni endogeni respiraciji le da je dosti po asnejši. Predvsem protozoa so dosti manj aktivni pod denitrifikacijskimi pogoji v primerjavi z oksi nimi pogoji. R7 = bHNOX ⋅ •

KOH SNOX ⋅ ⋅ XBH KOH + SO KNOX + SNOX

(3.15)

AEROBNA RESPIRACIJA HRANJENIH PRODUKTOV

ASM3 (j=8): Ta proces je vzporeden z endogeno respiracijo. S to respiracijo hranjeni produkti XSTO razpadajo vzporedno z biomaso. R8 = bSTO, O ⋅ •

SO ⋅ XSTO KOH + SO

(3.16)

ANOKSI NA RESPIRACIJA HRANJENIH PRODUKTOV

ASM3 (j=9): proces je enak aerobnemu procesu, vendar pod denitrifikacijskimi pogoji. R9 = bSTO, NOX ⋅ •

KOH SNOX ⋅ ⋅ XSTO KOH + SO KNOX + SNOX

(3.17)

AMONIFIKACIJA TOPNEGA ORGANSKEGA DUŠIKA

ASM1 (j=6): imamo linerano odvisnost glede na koncentracijo organskega dušika in koncentracijo aktivne biomase. R6 = ka ⋅ SND ⋅ XBH

(3.18)

ZA AVTOTROFE •

AEROBNA RAST NITRIFIKATORJEV

ASM1 (j=3): odvisna je le od koncentracije kisika in amonijskega dušika R3 = (RAaer) =

∧ A⋅

SO SNH ⋅ ⋅ XBA KOA + SO KNH + SNH

(3.19)

ASM3 (j=10): Substrat za rast je amonijski dušik in anorganski ogljik izražen kot alkaliteta. R10 =

∧ A⋅

SO SNH SALK ⋅ ⋅ ⋅ XBA KOA + SO KNH + SNH KALK + SALK

(3.20)


30

M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

AEROBNA ENDOGENA RESPIRACIJA

ASM1 (j=5): Ta proces predstavlja linerano odvisnost od koncentracije aktivne biomase. R5 = bA ⋅ XBA

(3.21)

ASM3 (j=11). Ta proces opisuje vse oblike izgube biomase in porabe energije, ki ni povezana z rastjo biomase v aerobnih pogojih (liza celic, smrt, negibnost, endogeno dihanje, vzdrževanje,...). R12 = bA ⋅ •

SO ⋅ XBA KOA + SO

(3.22)

ANOKSI NA ENDOGENA RESPIRACIJA

ASM1 (j=5): Ta proces predstavlja linerano odvisnost od koncentracije aktivne biomase R5 = bA ⋅ XBA

(3.23)

ASM3 (j=12): Ta proces je podoben anoksi ni endogeni respiraciji heterotrofov. R12 = bA ⋅

KOA SNOX ⋅ ⋅ XBA KOA + SO KNOX + SNOX

(3.24)

3.5 STEHIOMETRIJA Pri zapisu masnih bilanc za posamezno procesno spremenljivko moramo hitrost procesa pomnožiti z stehiometrijskim delom matrike, ki je pri matriki ASM1 že izražena s stehiometrijskimi parametri. V matriki ASM3 namesto stehiometrijskih parametrov nastopajo stehiometrijski faktorji, ki so izraženi kot x, y, z in t, ki jih na podlagi zakona o ohranitvi mase izra unamo preko kompozicijske matrike v modelu ASM3 (Tabela 3.2) po slede i ena bi: vj, i ⋅

k, i

=0

za i = 1 do 12

(3.25)

i

vj,i ιk,i

= stehiometrijski del matrike (osrednji del) na mestu procesa j in komponente i, = pretvorbeni faktor za pretvornik k in komponento i

Npr. ιk,i za k = 2 in i = 3 dobimo kompozicijski (pretvorbeni) faktor i2,3 = iN,SS → delež dušika na SS. Vsi prazni prostori stehiometri ne in kompozicijske matrike predstavljajo vrednost ni . Vse vrednosti stehiometrijskih neznank xj, yj in zj se izra unajo preko kompozicijske matrike po ena bi 3.25 za posamezen pretvornik k. V prilogi (Priloga 1) so prikazane formule za izra un stehiometrijskih neznank x, y in z.


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

31

4 EKSPERIMENTALNO DELO Naše eksperimentalno delo je potekalo v slede em zaporedju: Postavitev laboratorijske pilotne naprave, priprava umetno pripravljenega dotoka, dolo itev obsega parametrov matemati nega modela in postavitev masnih bilanc ter na podlagi tega postavitev plana meritev in analiz.

4.1 POSTAVITEV LABORATORIJSKE PILOTNE NAPRAVE Pilotni sistem je bil postavljen za biološko odstranitev dušika iz odpadne vode po postopku preddenitrifikacije - v literaturi znan kot Ludzak-Ettinger proces (Grady in sod., 1999). S tem procesom lahko dosežemo visoko stopnjo nitirifikacije in denitrifikacije s koli ino nitratnega dušika v iztoku od 4 do 8 mg/l. Stopnja denitrifikacije v anoksi reaktorju oz. koli ina nitratnega dušika v iztoku je odvisna od notranjega recikla in razpoložljivega organskega substrata. Hitrost dentrifikacije je predvsem odvisna od koli ine hitro razgradljivega substrata, ki je obi ajno zelo visoka zaradi na ina postavitve pilotega sistema, saj je v dotoku najve lahko razgradljivega substrata. Laboratorijska pilotna naprava je bila sestavljena iz anoksi nega reaktorja (5 L), oksi nega reaktorja (10 L) in koni nega usedalnika (5 L) iz pleksi stekla. Dotok je bil speljan v prvi anoksi reaktor. Reaktorja in usedalnik so bili med seboj lo eni ter povezani s plasti nimi cevmi. Sistem je imel dva recikla: notranjega iz oksi reaktorja v anoksi reaktor za vra anje nastalega nitrata in zunanjega za vra anje zgoš enega blata iz usedalnika v anoksi reaktor. V anoksi reaktorju je bilo zagotovljeno popolno pomešanje z mešalom. V drugem oksi reaktorju je bilo zra enje zagotovljeno s kompresorjem preko talnega vpihovanja s perforirano blazino, ki je zavzemala celotno površino reaktorja. Dotok in oba recikla smo omogo ili s peristalti no rpalko WATSON MARLOW, ki zagotavlja konstanten pretok skozi celoten poskus. Željene pretoke smo spreminjali z obrati na rpalki ali z debelino peristalti nih cevk. Odpadna voda se je nato samodejno pretakala iz anoksi v oksi reaktor in nato v usedalnik.


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

32

Slika 4.1: Prakti ni izgled laboratorijske pilotne naprave.

4.2 PRIPRAVA DOTOKA ZA PILOTNO NAPRAVO Pri izbiri dotoka odpadne vode za pilotno istilno napravo smo se zavedali dejstva, da mora biti sestava odpadne vode tekom poskusa im bolj konstantna, kar lahko zagotovimo le z umetno pripravljeno odpadno vodo (sestava glej Tabela 4.2). Realna odpadna voda na Centralno istilno napravo Domžale-Kamnik se namre po sestavi spreminja tako tekom dneva, kot tudi med posameznimi dnevi (Slika 4.2). Poleg tega se v realni odpadni vodi lahko pojavijo inhibitorne snovi, ki bi negativno vplivale na študij procesa iš enja. Dotok na pilotno napravo smo poskusili po sestavi glede na parametre KPK, N-Kjel in NNH4 približati sestavi dotoka na realno istilno napravo.


33

M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

Tabela 4.1: Kemijska sestava odpadne vode po mehanski stopnji (dotok na biološko stopnjo) komunalno - industrijske istilne naprave Domžale – Kamnik za leto 1999 Parameter

Enota

pH Usedljive snovi po 1 uri Usedljive snovi po 2 urah Neraztopljene snovi KPK BPK5 N-Kjel N-NH4 N-org Skupni fosfor

/ mL/L mL/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L

Povpre na vrednost ± standardni odmik 7,7 ± 0,3 3,2 ± 4,8 3,4 ± 4,6 336,2 ± 248,7 584 ± 204 340 ± 99 50,2 ± 13,6 24,9 ± 7,1 25,8 ± 9,7 6,7 ± 2,1

Min.

Max.

6,6 0,0 0,0 86,5 313 210 30,0 13,0 12,1 2,3

8,2 30,0 28,0 1068,8 1248 640 98,3 42,2 57,8 11,7

1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0

400 350

250 200 150

N-Kjel (mg/L)

300

100 50 14-dec

30-nov

16-nov

2-nov

19-okt

5-okt

21-sept

7-sept

24-avg

10-avg

27-jul

13-jul

29-jun

15-jun

1-jun

18-maj

4-maj

6-apr

20-apr

23-mar

9-mar

0 23-feb

KPK (mg/L)

Iz zgornje tabele je razvidno, da je razmerje med KPK: N-Kjel: skupni P blizu idealnemu razmerju 100:10:1, kar je pomembno za biološko iš enje odpadne vode. Temu razmerju smo se poskušali približati tudi pri umetno pripravljenem substratu.

analizni dan v letu 1999 KPK

N-Kjel.

Slika 4.3: Prikaz dnevnega spreminjanja sestave realne odpadne vode – dotok na Domžale-Kamnik v letu 1999.

N

Pri pripravi umetno pripravljene odpadne vode smo se opirali na številne lanke, ki so imeli podoben namen iš enja (Landeka, 1995).


34

M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

Tabela 4.2: Sestavine v umetno pripravljeni odpadni vodi pri posameznih meritvah:

Sestavine

Glavni namen uporabe zaradi

Posedena realna odpadna voda po mikroelementov mehanski stopnji

Kvasni ekstrakt

Kazeinski pepton

Mesni ekstrakt

Natrijev acetat Amonijev klorid Dikalijev hidrogen fosfat Kalijev dihidrogen fosfat

Energije, organskega ogljika in dušika, mikroelementov Energije, organskega ogljika in dušika, mikroelementov Energije, organskega ogljika in dušika, mikroelementov Energije, organskega ogljika Amonijskega dušika

Koli ina v dotoku na pilotno napravo pri 1. meritvah 33 vol. % celotno pripravljenega volumna odpadne vode

Koli ina v dotoku na pilotno napravo pri 2. meritvah 20 vol. % celotno pripravljenega volumna odpadne vode

0,13 g/L

0,05 g/L

0,13 g/L

0,05 g/L

0,16 g/L

0,13 g/L

0,05 g/L

0,32 g/L

0,32 g/L

0.26 g/L

0,04 g/L

0,16 g/L

fosforja

0,024 g/L

fosforja

0,008 g/L

Anorganskega

Kalcijev karbonat ogljika Magnezijev Anorganskega ogljika karbonat

0,1 g/L

Natrijev klorid

0,04 g/L

Železov klorid . 6 H2O Magnezijev sulfat .7 H2O Železov sulfat . 7 H2O Vodovodna voda

Priprave fiziološke raztopine Deluje koagulant

kot

0,1 g/L

0,005 g/L

Sulfata, deluje kot koagulant

0,1 g/L

Sulfata, deluje kot koagulant

0,07 g/L

topilo

Koli ina v dotoku na pilotno napravo pri 3. meritvah 10 vol. % celotno pripravljenega volumna odpadne vode

0,04 g/L


35

M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

Tabela 4.3: Teoreti ne izra unane vrednosti umetno pripravljene odpadne vode. Parameter KPK N-Kjel N-NH4 N-org

Enota mg/L mg/L mg/L mg/L

pri 1. meritvah 700 70 20 50

pri 2. meritvah 400 70 50 20

pri 3. meritvah 500 70 20 50

Sestavo umetno pripravljene odpadne vode smo med razli nimi poskusi spreminjali (Tabela 4.2) zaradi neželjenega spreminjanja strukture mikrobiološke sestave aktivnega blata v prid nitastih bakterij. Zaradi denitrifikacijske porabe lahko razgradljivega substrata v anoksi ni coni, je bila koncentracija KPK v oksi coni pod 40 mg/L kar je povzro ilo preraš anje nitastih bakterij (Orhon in Artan, 1994; Grady in sod., 1999). To je pri 1. meritvah povzro ilo neljubo napihovanje blata in s tem slabše usedanje ter izgubo aktivnega blata preko iztoka. Zato smo v drugem delu poskusov znižali vsebnost lahko razgradljivega substrata ekstraktov, peptonov in acetata. V tretjem delu poskusov pa smo natrijev acetat popolnoma nadomestili s težje razgradljivim substratom (kazeinski pepton in mesni ekstrakt). Na spodnji sliki je prikazana primerjava hitrosti rasti mešanega aktivnega blata v primerjavi z nitastimi bakterijami, ki imajo ve jo hitrost rasti ravno v primeru nizke koncentracije KPK v reaktorju in tako s asoma prevladajo v aktivnem blatu (Grady in sod., 1999). To je le ena vrsta nitastih bakterij, ki se je pojavila pri našem postopku iš enja. V literaturi zasledimo tudi obratne položaje krivulj rasti (Orhon in Artan, 1994; Cloete in Muyima, 1997).


36

M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

hitrost rasti (1/dan)

6 mešano aktivno blato

4

nitaste bakterije

2

100

200

300

400

koncentracija substrata Ss (mg/L)

Slika 4.4: Prikaz razli ne hitrosti rasti za razli ne mikroorganizme. Nitaste bakterije imajo višjo hitrost rasti pri nižji koncentracji lahko razgradljivega substrata v reaktorju.

4.3 IZBIRA PROCESNIH SPREMENLJIVK Zaradi kompleksnosti modela ASM1 oziroma ASM3 smo se odlo ili da zožimo nabor procesnih spremenljivk. Vrednosti procesnih spremenljivk smo dobili analitsko (A), ra unsko (R) ali s kalibracijo matemati nega modela (K). Plan potrebnih analiz in meritev, ki smo ga postavili glede na model ASM1, je razviden iz tabele (Tabela 4.4),. Za model po ASM1 smo tako iz možnih 13 procesnih spremenljivk izbrali slede ih 6: 1. SS – topni KPK (A) 2. SNO – nitratni dušik (A) 3. SND – organski dušik (A) 4. SNH – amonijski dušik (A) 5. XBH – heterotrofna biomasa (R ali K) 6. XBA – avtotrofna biomasa (R ali K)


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

37

Za model po ASM3 pa smo od možnih 13 procesnih spremenljivk izbrali slede ih 7: 1. SS – topni KPK (A) 2. SNO – nitratni dušik (A) 3. SNH – amonijski dušik (A) 4. XS – partikulatni KPK (K) 5. XBH – heterotrofna biomasa (R ali K) 6. XBA – avtotrofna biomasa (R ali K) 7. Xsto – shranjeni produkti (K) Skupno imamo tako za naš model narejen po strukturi ASM1, 6 masnih bilanc (poglavje 4.3.1), za model narejen po strukturi ASM3 pa 7 masnih bilanc (poglavje 4.3.2), pri emer je parameter SND pri ASM3 izvzet, saj je preko pretvorbenih faktorjev dolo en v masni bilanci za SS.

4.3.1 Zapis masnih bilanc pilotnega sistema po ASM1 Na podlagi matrike modela ASM1 (Tabela 3.1) in sheme laboratorijske pilotne naprave (Slika 4.5) zapišemo masne bilance za slede e procesne spremenljivke: 1. SS – topni KPK 2. SNO – nitratni dušik 3. SNH – amonijski dušik 4. SND – organski dušik 5. XBH – heterotrofno biomaso 6. XBA – avtotrofno biomaso za reaktorje:

1 – anoksi ni reaktor (anx) 2 – oksi ni reaktor (aer) 3 – usedalnik (s)


38

M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002 F0, SS0, SNO0, SNH0, SND0 XBH0,=XBA0=0

F1, SS1, SNO1, SNH1, SND1 XBH1, XBA1

F2, SS2, SNO2, SNH2, SND2 XBH2, XBA2

1

F3, SS3, SNO3, SNH3, SND3 XBH3=XA3=0

2

SOanx

SOaer

Vanx

Vaer

3

Vs

FIR, SS2, SNO2, SNH2, SND2 XBH2, XBA2

FER, SS2, SNO2, SNH2, SND2 XBHR, XBAR

FR, SS2, SNO2, SNH2, SND2 XBHR, XBAR

FW, SS2, SNO2, SNH2, SND2 XBHR, XBAR

Slika 4.5: Shemati ni prikaz laboratorijske pilotne naprave s simbolno ozna enimi pretoki in procesnimi merjenimi spremenljivkami za postavitev modela po ASM1.

Anoksi ni reaktor:

SS1:

Vanx ⋅

dSS1 1 = F0 ⋅ SS0 + (FIR + FER) ⋅ SS2 − F1 ⋅ SS1 − ⋅ RHanx ⋅ Vanx dt YH

(4.1)

SNO1:

dSNO1 = FO ⋅ SNO0 + (FIR + FER) ⋅ SNO2 − F1 ⋅ SNO1 dt 1 − YH − ⋅ RHanx ⋅ Vanx 2,86 ⋅ YH

(4.2)

SNH1:

dSNH1 = F0 ⋅ SNH0 + (FIR + FER) ⋅ SNH2 − F1 ⋅ SNH1 dt − iNx ⋅ RHanx ⋅ Vanx + ka ⋅ SND1 ⋅ XH1 ⋅ Vanx

(4.3)

dSND1 = F0 ⋅ SND0 + (FIR + FER) ⋅ SND2 − F1 ⋅ SND1 dt − ka ⋅ SND1 ⋅ XH1 ⋅ Vanx

(4.4)

dXBH1 = FIR ⋅ XBH2 + FER ⋅ XBHR − F1 ⋅ XBH1 + RHanx ⋅ Vanx dt − bH ⋅ XBH1 ⋅ Vanx

(4.5)

dXBA1 = FIR ⋅ XBA2 + FER ⋅ XBAR − F1 ⋅ XBA1 − bA ⋅ XBA1 ⋅ Vanx dt

(4.6)

Vanx ⋅

SND1:

XBH1:

XBA1:

Vanx ⋅

Vanx ⋅

Vanx ⋅

Vanx ⋅


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

39

Oksi ni (aerobni) reaktor

SS2:

Vaer ⋅

dSS2 1 = F1 ⋅ SS1 − (FIR + F2) ⋅ SS2 − ⋅ RHaer ⋅ Vaer dt YH

(4.7)

SNO2:

Vaer ⋅

dSNO2 1 = F1 ⋅ SNO1 − (FIR + F2) ⋅ SNO2 − ⋅ RAaer ⋅ Vaer dt YA

(4.8)

SNH2:

dSNH2 = F1 ⋅ SNH1 − (FIR + F2) ⋅ SNH2 − iNx ⋅ RHaer ⋅ Vaer dt 1 − iNx + ⋅ RAaer ⋅ Vaer + ka ⋅ SND2 ⋅ XH2 ⋅ Vaer YA

SND2:

Vaer ⋅

Vaer ⋅

XBH2:

XBA2:

(4.9)

dSND2 = F1 ⋅ SND1 − (FIR + F2) ⋅ SND2 − ka ⋅ SND2 ⋅ XH2 ⋅ Vaer dt

dXBH2 = F1 ⋅ XBH1 - (FIR + F2) ⋅ XBH2 + RHaer ⋅ Vaer − dt − bH ⋅ XBH2 ⋅ Vaer

(4.10)

dXBA2 = F1 ⋅ XBA1 - (FIR + F2) ⋅ XBA2 + RAaer ⋅ Vaer − dt − bA ⋅ XBA2 ⋅ Vaer

(4.11)

Vaer ⋅

Vaer ⋅

Usedalnik

SS3:

Vs ⋅

dSS3 = F2 ⋅ SS2 − F3 ⋅ SS2 − FR ⋅ SS3 dt

(4.12)

SNO3:

Vs ⋅

dSNO3 = F2 ⋅ SNO2 − F3 ⋅ SNO2 − FR ⋅ SNO3 dt

(4.13)

SNH3:

Vs ⋅

dSNH3 = F2 ⋅ SNH2 − F3 ⋅ SNH2 − FR ⋅ SNH3 dt

(4.14)

SND3:

Vs ⋅

dSND3 = F2 ⋅ SND2 − F3 ⋅ SND2 − FR ⋅ SND3 dt

(4.15)

XBH3:

Vs ⋅

dXBH3 = F2 ⋅ XBH2 − FR ⋅ XBHR dt

(4.16)

XBA3:

Vs ⋅

dXBA3 = F2 ⋅ XBA2 − FR ⋅ XBAR dt

(4.17)

Pretoki

F1 = F0 + FIR + FR – FW

(4.18)

F2 = F1 – FIR

(4.19)

F3 = F2 – FR

(4.20)

FER = FR – FW

(4.21)


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

40

Hitrost reakcije procesa (natan en opis se nahaja v poglavju 3.4) ∧ H⋅

RHaer = (R1) = RHanx = (R2) = RAaer = (R3) =

H⋅

A⋅

SS2 SOaer ⋅ ⋅ XBH2 KS + SS2 KOH + SOaer SS1 KOH SNO1 ⋅ ⋅ ⋅ KS + SS1 KOH + SOanx KNO + SNO1

(4.22) g ⋅ XBH1

SNH2 SOaer ⋅ ⋅ XBA2 KNH + SNH2 KOA + SOaer

(4.23) (4.24)

Izra un aktivnega dela biomase iz analize KPK aktivnega blata: XBH1 = fa (1-deNI) XB1

(4.25)

XBA1 = fa deNI XB1

(4.26)

XBH2 = fa (1-deNI) XB2

(4.27)

XBA2 = fa deNI XB2

(4.28)

XBHR = fa (1-deNI) XBR

(4.29)

XBAR = fa deNI XBR

(4.30)

Pri emer je za posamezni reaktor:

(4.31)

XB=XBH+XBA

4.3.2 Zapis masnih bilanc pilotnega sistema po ASM3 Podobno kot po matriki ASM1 zapišemo masne bilance po modelu ASM3 (Tabela 3.2) in shemi laboratorijske pilotnega naprave (Slika 4.6) za slede e procesne spremenljivke: 1. SS – topni KPK 2. SNO – nitratni dušik 3. SNH – amonijski dušik 4. XS – partikulatni KPK 5. XBH – heterotrofno biomaso 6. XBA – avtotrofno biomaso 7. Xsto – shranjeni produkti za reaktorje:

1 – anoksi ni reaktor (anx) 2 – oksi ni reaktor (aer) 3 – usedalnik (s)


41

M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002 F1, SS1, SNO1, SNH1, XS1, Xsto1, XBH1, XBA1

F0, SS0, SNO0, SNH0, XS0, Xsto0, XBH0,=XBA0=0

F2, SS2, SNO2, SNH2, XS2, Xsto2, XBH2, XBA2

1

F3, SS3, SNO3, SNH3, XS3, Xsto3, XBH3=XA3=0

2

SOanx

SOaer

Vanx

Vaer

3

Vs FR, SS2, SNO2, SNH2, XS2, Xsto2, XBHR, XBAR

FIR, SS2, SNO2, SNH2, XS2, Xsto2, XBH2, XBA2

FER, SS2, SNO2, SNH2, XS2, Xsto2, XBHR, XBAR

FW, SS2, SNO2, SNH2, XS2, Xsto2, XBHR, XBAR

Slika 4.6: Shemati ni prikaz laboratorijske pilotne naprave s simbolno ozna enimi pretoki in procesnimi merjenimi spremenljivkami za postavitev modela po ASM3. Anoksi ni reaktor:

SS1:

SNO1:

SNH1:

XS1:

XBH1:

XBA1:

dSS1 = F0 ⋅ SS0 + (FIR + FER) ⋅ SS2 − F1 ⋅ SS1 + dt + (x1 ⋅ Rh1 − R3) ⋅ Vanx

(4.32)

dSNO1 = FO ⋅ SNO0 + (FIR + FER) ⋅ SNO2 − F1 ⋅ SNO1 + dt + (x3 ⋅ R3 + x5 ⋅ R5 + x7 ⋅ R7 + x9 ⋅ R9 + x12 ⋅ R12) ⋅ Vanx

(4.33)

dSNH1 = F0 ⋅ SNH0 + (FIR + FER) ⋅ SNH2 − F1 ⋅ SNH1 + dt + (y1 ⋅ Rh1 + y3 ⋅ R3 + y5 ⋅ R5 + y7 ⋅ R7 + y12 ⋅ R12) ⋅ Vanx

(4.34)

dXS1 = F0 ⋅ XS0 + (FIR + FER) ⋅ XS2 − F1 ⋅ XS1 dt − Rh1 ⋅ Vanx

(4.35)

dXBH1 = FIR ⋅ XBH2 + FER ⋅ XBHR − F1 ⋅ XBH1 + dt + (R5 − R7) ⋅ Vanx

(4.36)

Vanx ⋅

Vanx ⋅

Vanx ⋅

Vanx ⋅

Vanx ⋅

Vanx ⋅

dXBA1 = FIR ⋅ XBA2 + FER ⋅ XBAR − F1 ⋅ XBA1 − R12 ⋅ Vanx dt

(4.37)


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

dXsto1 = (FIR + FER) ⋅ Xsto2 − F1 ⋅ Xsto1 + dt R5 + (YstoNO ⋅ R3 − − R9) ⋅ Vanx YHNO

42

Vanx ⋅

Xsto1:

(4.38)

Oksi ni (aerobni) reaktor

SS2:

Vaer ⋅

dSS2 = F1 ⋅ SS1 − (FIR + F2) ⋅ SS2 + (x1 ⋅ Rh2 − R2) ⋅ Vaer dt

(4.39)

SNO2:

Vaer ⋅

dSNO2 R10 = F1 ⋅ SNO1 − (FIR + F2) ⋅ SNO2 + ⋅ Vaer dt YA

(4.40)

dSNH2 = F1 ⋅ SNH1 − (FIR + F2) ⋅ SNH2 + dt + (y1 ⋅ Rh2 + y2 ⋅ R2 + y4 ⋅ R4 + y6 ⋅ R6 + y10 ⋅ R10 + y11 ⋅ R11) ⋅ Vaer

(4.41)

SNH2:

Vaer ⋅

dXS2 = F1 ⋅ XS1 − (FIR + F2) ⋅ XS2 − Rh2 ⋅ Vaer dt

XS2:

Vaer ⋅

XBH2:

dXBH2 = F1 ⋅ XBH1 - (FIR + F2) ⋅ XBH2 + RHaer ⋅ Vaer + dt + (R4 − R6) ⋅ Vaer

(4.43)

dXBA2 = F1 ⋅ XBA1 - (FIR + F2) ⋅ XBA2 + dt + (R10 − R11) ⋅ Vaer

(4.44)

dXsto2 = F1 ⋅ Xsto1 − (FIR + F2) ⋅ Xsto2 − dt R4 − (YstoO2 ⋅ R2 − ) ⋅ Vaer YHO2

(4.45)

XBA2:

Vaer ⋅

Vaer ⋅

(4.42)

Vaer ⋅

Xsto2:

Usedalnik

SS3:

Vs ⋅

dSS3 = F2 ⋅ SS2 − F3 ⋅ SS2 − FR ⋅ SS3 dt

(4.46)

SNO3:

Vs ⋅

dSNO3 = F2 ⋅ SNO2 − F3 ⋅ SNO2 − FR ⋅ SNO3 dt

(4.47)

SNH3:

Vs ⋅

dSNH3 = F2 ⋅ SNH2 − F3 ⋅ SNH2 − FR ⋅ SNH3 dt

(4.48)

XS3:

Vs ⋅

dXS3 = F2 ⋅ XS2 − F3 ⋅ XS2 − FR ⋅ XS3 dt

(4.49)

XBH3:

Vs ⋅

dXBH3 = F2 ⋅ XBH2 − FR ⋅ XBHR dt

(4.50)


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

43

XBA3:

Vs ⋅

dXBA3 = F2 ⋅ XBA2 − FR ⋅ XBAR dt

(4.51)

Xsto3:

Vs ⋅

dXsto3 = F2 ⋅ Xsto2 − F3 ⋅ Xsto2 − FR ⋅ Xsto3 dt

(4.52)

Ena be za pretoke so enake kot pri modelu ASM1. Stehiometri ne konstante (x, y) so opisane v poglavju 3.5 hitrostne ena be (R) pa v poglavju 3.4.

4.3.3 Kalibracija, ob utljivostna analiza, validacija ter preverba uspešnosti matemati nega modela Kalibracijo modelov smo izvedli po postopku enostavne kalibracije stacionarnega stanja (Petersen in sod., 2002) z razliko, da smo pilotni sistem namenoma vodili dolo en as pri stacionarnih pogojih obratovanja. Postopek kalibracije je bil slede : dinami ni zapis za posamezno procesno spremenljivko v posameznem reaktorju smo prevedli v stacionarno obliko in model kalibrirali s pomo jo programskega paketa Mathematica 4.0 ter tako dolo ili vrednosti kineti nih in stehiometri nih parametrov. Validacija modela je bila izvršena na dinami en na in. Stacionarni matemati ni model smo zapisali na dinami ni na in z znanimi za etnimi stanji procesnih spremenljivk ter kineti nimi in stehiometrij nimi vrednostmi. Ker je model dinami en, moramo zapisati motnjo z matemati no ena bo, ki smo jo izvedli na pilotnem sistemu. Dinami na rešitev matemati nega modela nam izra una vrednosti procesnih spremenljivk po asu. Te vrednosti primerjamo z eksperimetalno dolo enimi vrednostmi. Bližja je napoved modela realnim eksperimentalnim podatkom, ve je je zaupanje v matemati ni model ter njegove napovedi oziroma simulacije razli nih stanj. Najbolj verjetno je, da bo matemati ni model z veliko gotovostjo zelo dobro opisoval stanje opisane istilne naprave pri stanju, kjer so se izvajale meritve. Ve ja negotovost oziroma dvom v rešitev matemati nega modela se pojavi pri napovedi delovanja izven stanja, kjer so se izvajale meritve. Napa na napoved in s tem napa ni model se lahko pojavi zaradi napa ne kalibracije, kjer lahko dolo en pomemben parameter prevzame vrednost oziroma težo drugega parametra.

Kot merilo uspešnosti napovedi modela smo prevzeli pravilo, da mora model pokazati enake smeri sprememb procesnih spremenljivk pri simulacijah, saj je bil namen naloge postaviti model, ki bi nam pomagal pri razumevanju procesov iš enja. V primeru, da model uporabimo za vodenje procesa ali dimenzioniranje je potrebno napisati bolj natan en model (z ve jim številom procesnih parametrov) ter ga tudi bolj natan no in dalj asa spremljati pri razli nih pogojih obratovanja.

4.4 PLAN ANALIZ IN MERITEV Plan analiz smo postavili glede na mesto vzor enja in analizno metodo. Dolo ena analizna metoda je lahko vsota ve ih spremenljivk (npr. skupni KPK, N-Kjel). Posamezni parameter nato izra unamo preko ve ih analiznih metod (npr. organski dušik SND). Zaradi


44

M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

velikega števila vzorcev in parametrov smo dolo ene analize ali vzor na mesta omejili na minimalno možno število – oznaka rni podatki neobvezne meritve/analize.

Tabela 4.4: Okvirni plan analiz in meritev po posameznih stopnjah v naši modelni pilotni napravi glede na procesne spremenljivke. Meritevanaliza Pretok Kisik Na in vzor enja

Mesto vzor enja

Dotok

Anoxi reaktor

Oxi reaktor

Notranji recikel

Iztok

Povratek gostega dela iz usedalnika

Odve no blato

Zunanji recikel

F0

F1 SOanx

F2 SOaer

FIR

F3

FR

FW

FER

trenutni

trenutni

XS1+SS1+ XB1 SS1 XND1+ SND1+SNH1 SND1+SNH1 SNH1 SNO1

XS2+SS2+ XB2 SS2 XND2+ SND2+SNH2 SND2+SNH2 SNH2 SNO2

XB1,T

XB2,T

XBR,T

XBR,T

XBR,T

XS1=0

XS2=0

XSR=0

XSR=0

XSR=0

SND0

XB1 SND1

XB2 SND2

XBR

XBR

XSR+XBR

XND0

0

0

XND1

XND2

iNx= XND1/XB1 Ox= XB1/XB1,T

iNx= XND2/XB2 Ox= XB2/XB2,T

Enota L/h mg O2/L

24-urni povpre ni

Skupni KPK

mg KPK/L

XS0 + SS0

Topni KPK Skupni NKjel Topni N-Kjel N-NH4 N-NO3 Sušina aktivnega blata

mg KPK/L

SS0 XND0 + SND0+SNH0 SND0+SNH0 SNH0 SNO0

Netopni KPK

mg KPK/L

KPK akt. bl. Topni N-org Netopni Norg.

mg KPKc/L mg N/L

mg N/L mg N/L mg N/L mg N/L mg TSS/L

Izra unane vrednosti

mg N/L

XS0

N v akt. blatu iNx

mgN/mgKPKc

Ox

gKPKc/ mgTSS

Legenda: • • • • •

24-urni povpre ni XS3+SS3+ XB3 SS3 XND3+ SND3+SNH3 SND3+SNH3 SNH3 SNO3

ob izpustu XSR+SS2+ XSR+SS2+ XSR+SS2+ XBR XBR XBR

obvezne meritve/analize, neobvezne meritve/analize, vrednosti za model, izra unane vrednosti, predpostavljene vrednosti.

4.5 MERITVE IN ANALIZNE METODE Da bi matemati ni model imbolj pravilno opisal dejansko dogajanje v pilotnem reaktorju, moramo izmeriti in dolo iti imve je število parametrov. Pri tem moramo paziti na pravilnost vzor enja ter napako analiznih meritev. Poglavje smo po smiselnosti razdelili na meritve, ki so izvedene direktno, analizne metode za dolo itev procesnih spremenljivk in analizne metode za dolo itev kineti nih in stehiometrijskih konstant.


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

45

4.5.1 Meritve 4.5.1.1 Vzor enje

Vzor enje smo izvajali glede na merno mesto v piolotni napravi: • Dotok – 1 x dnevno sveže pripravljen dotok smo vzor ili ob pripravi ter ez 24 ur. Oba vzorca skupaj predstavljata 24 urni povpre ni dotok (glej tudi poglavje Error! Reference source not found.) • Iztok – ves as smo iztok lovili v posebno zbirno posodo. Ob vzor enju smo posodo dobro premešali ter vzeli 24 urni povpre ni vzorec. • Anoksi, oksi reaktor, zunanji recikel, odvišno blato – trenutni vzorci, ki se takoj po vzor enju filtrirajo, da se prepre i nadaljnja razgradnja ter takoj analizirajo. Da bi se izognili napaki vzor enja smo vsako vzor enje ponovili po enakem postopku. 4.5.1.2 Pretok (F – L/h)

Vsi pretoki so bili izmerjeni s štoparico ter merilnim valjem. Vrednost je povpre je treh meritev. 4.5.1.3 Raztopljeni kisik (SO – mg O2/L)

Raztopljeni kisik smo merili s stacionarnima kisikovima sondama, ki sta bili potopljeni v obeh reaktorjih. Sonde smo tedensko kalibrirali. Signal smo imeli vezan na ra unalnik. Vrednost je povpre na 24 urna koncentracija raztopljenega kiska. Preverba koncentracije kisika na razli nih mestih v reaktorju ni pokazala nobene razlike, kar pomeni, da je bil reaktor popolnoma premešan. Pri senzorju molekule kisika prehajajo skozi posebno membrano v elektrolit senzorja in spremenijo potencial med katodo in anodo senzorja. Potencial je neposredno odvisen od koncentracije kisika v okolici senzorja.

4.5.2 Analizne metode za dolo itev procesnih spremenljivk Vsi vzorci so bili analizirani takoj po vzor enju, oziroma hranjeni v hladilniku pred pri etkom izvedbe analize. Pri analiziranju smo izvedli predpostavko, da analiza filtrata ez filtrirni papir 0,45 µm pomeni topni/lahkorazgradljivi del analiziranega parametra. 4.5.2.1 KPK (SS, XS, XB – mg KPK/L)

Kemijska potreba po kisiku (KPK) je masna koncentracija kiska, ekvivalentna koli ini kalijevega dikromata porabljenega za oksidacijo raztopljenih in neraztopljenih snovi v vzorcu vode, ki je bila obdelana s tem oksidantom pri dolo enih pogojih (Dular in sod., 1997). Analizo KPK smo izvršili spektrofotometri no s kivetnim testom, ki je modificirana metoda SIST ISO 6060 (1996). Posledica oksidacije je sprememba barve kalijevega dikromata iz oranžne v zeleno.


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

46

Pri slede ih vzorcih predstavlja analiza KPK: • Dotok in iztok: analiza KPK na skupnem vzorcu predstavlja vsoto SS in XS, filtrat ez 0.45 µm pa le SS • Anoksi, oksi cona: analiza KPK na skupnem vzorcu predstavlja vsoto SS, XS in XB, filtrat ez 0.45 µm pa le SS 4.5.2.2 Nitratni in nitritni dušik (SNOX – mg N-NO3/L)

Fitrat ez 0,45 µm filtrirni papir prenesemo v kivete, dodamo barvne reagente ter po dolo enem asu spektrofotometri no dolo imo analizirano vrednost s kivetnimi testi Dr. Lange. Za nitrat smo uporabili kivetne teste LCK 339 za nitrit pa kivetne teste LCK 341. 4.5.2.3 Amonijski dušik (SNH – mg N-NH4/L)

Destilacijska in titracijska metoda za dolo itev amonijskega dušika v koncentraciji nad 2 mg/L z avtomatsko napravo BUCHI (metoda ISO 5664: 1984). Za koncentracije pod 2 mg/L amonijskega dušika smo uporabili spektrofotometri no metodo kivetnega testa Dr. Lange LCK 304. 4.5.2.4 Kjeldahlov dušik (SNH+ SND+XND – mg N/L)

Kjeldahlov dušik je vsota amonijskega in organskega dušika. Prvo je potrebno izvršiti termi ni razklop organskega dušika do amonijskega v mo no kislem mediju ob prisotnosti katalizatorja. Sledi destilacija in titracija amonijskega dušika z avtomatsko napravo BUCHI (metoda ISO 5663: 1984) 4.5.2.5 Sušina aktivnega blata – MLSS (XB – g/L)

Vzorec dolo enega volumna anoksi in oksi cone takoj po vzor enju prefiltriramo ez suhi filtrirni papir rni trak znane teže. Po sušenju filtrirnega papirja z aktivnim blatom do konstantne teže dobimo koncentracijo aktivnega blata v enoti MLSS/L (mixed liquer suspended solids). Analiza je izvedena po metodi Standard Methods 2540 B: 1989. 4.5.2.6 Organski del aktivnega blata – VSS (g/L)

Z žarenjem suhega dela suspenzije aktivnega blata dobimo podatek o organskemu delu aktivnega blata (VSS – volatile suspended solids). Obi ajna vrednost organskega dela aktivnega blata je od 65 do 85 % ter je odvisna od starosti blata, izbrane tehnologije iš enja odpadne vode ter sestave odpadne vode.

4.5.3 Dolo itev kineti nih in stehiometrijskih parametrov Pri laboratorijskemu na inu dolo itve kineti nih in stehiometri nih konstant se moramo zavedati, da so te vrednosti lahko razli ne od dejanskih vrednosti saj imamo pri laboratorijski dolo itvi spremenjene pogoje delovanja. Te spremembe so: • šaržni poskus namesto kontinuirnega in s tem sprememba aktivnosti biomase


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

47

spremenjeni pogoji okolja (pH, T, mešanje, zra enje,...)

Na inov za dolo itev kineti nih in stehiometri nih parametrov je veliko in so v literaturi dobro opisani (Orhon in Artan, 1994; Gujer in sod., 2000). Ravno tako so v literaturi podane vrednosti za vse kineti ne in stehiometri ne konstante, ki jih lahko uporabimo za potrebe postavitve okvirnega lastnega modela, saj literaturno postavljene vrednosti ne veljajo za vse sisteme iš enja odpadne vode. Z enostavnimi ašnimi testi lahko lo eno dolo imo hitrost nitrifikacije (RAaer) in hitrost denitrifikacije (RHanx). 4.5.3.1 Dolo itev hitrosti nitrifikacije (RAaer)

V ašo prenesemo aktivno blato, dodamo raztopino amonijskega dušika in vir anorganskega ogljika ter pri nemo s prezra evanjem. Koncentracija raztopljenega kisika mora biti nad 4 mg/L. Na dolo ene asovne intervale pri nemo z vzor enjem in analizo nitratnega dušika. Porast nitratnega dušika na asovno enoto da podatek o hitrosti nitrifikacije preko katerega lahko izra unamo hitrost aerobne rasti avtotrofov (RAaer) v enoti mgKPKc/L.h (ena ba 3.19). Ko je koncentracija kisika in amonijskega dušika dovolj visoka, je hitrost nitrifikacije (ammonium uptake rate - AUR) linearno odvisna le od hitrosti rasti avtotrofnih bakterij ter njene koncentracije. V tem primeru je hitrost nitrifikacije 0. reda in jo lahko izmerimo kot padac koncentracije amonijskega dušika oziroma posledi no kot porast nitratnega dušika (Slika 4.7) R3 = (RAaer) =

A ⋅ XBA ,

ko je SO >> KA, O in SNH >> KNH

dSNO 1 = AUR (mgN/L.h) = ⋅ RAaer.(mgKPKc/L.h) dt YA (mgKPKc/mg N)

(4.53) (4.54)

Iz zgornje ena be lahko izpeljemo hitrost nitrifikacije (RAaer) ob znani vrednosti prirasta avtotrofov. RAaer.(mgKPKc/L.h) = AUR (mgN/L.h) ⋅ YA (mgKPKc/mg N)

(4.55)

4.5.3.2 Dolo itev hitrosti denitrifikacije (RHanx)

V ašo prenesemo aktivno blato, dodamo raztopino nitratnega dušika in vir organskega ogljika ter pri nemo z mešanjem. Koncentracija kisika mora biti pod 0,1 mg/L. Za etno razmerje med organskim ogljikom in nitratnim dušikom (denitrifikacijski potencial DP) mora biti ve je od 5. Na dolo ene asovne intervale pri nemo z vzor enjem in analizo nitratnega dušika. Padec nitratnega dušika na asovno enoto, da podatek o hitrosti anoksi ne rasti heterotrofov (RHanx) v enoti mgKPKcL.h (ena ba 3.10). Ko je koncentracija SS (organski ogljik kot KPK) dovolj visoka glede na koncentracijo nitratnega dušika (DP), koncentracija kisika nižja od 0,1 mg/L in koncentracija nitratnega dušika nad 10 mg/L je hitrost denitrifikacije odvisna le od hitrosti rasti denitrifikacijskih bakterij ter njihove koncentracije. V tem primeru je hitrost denitrifikacije 0. reda in jo lahko izmerimo kot padec koncentracije nitratnega dušika (NUR – nitrogen uptake rate) (Slika 4.7). Ena bo 3.10 v tem primeru lahko poenostavljeno zapišemo:


48

M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

R2 = (RHanx) =

∧ H⋅

(4.56)

g ⋅ XBH

- dSNO 1 − YH = NUR (mgN/L.h) = − ⋅ RHanx.(mgKPK/L.h) dt 2,86 ⋅ (mgKPK/mgN ) ⋅ YH

(4.57)

Iz zgornje ena be lahko izpeljemo hitrost denitrifikacije (RHanx) ob znani vrednosti prirasta heterotrofov. RHanx.(mgKPK/L.h) = NUR (mgN/L.h)

2,86(mgKPK /mgN) ⋅ YH 1 - YH

(4.58)

Na spodnji sliki je prikazana grafi na dolo itev padca nitratnega dušika pri procesu denitrifikacije (NUR) in porasta nitratnega dušika pri procesu nitrifikacije (AUR). 70

60 y = -4.8286x + 60.619 2 R = 0.9695

N-NO3 (mg N/L)

50

40

30 y = 10.257x + 8.9286 2 R = 0.9542 20

10

0 0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

ure AUR

NUR

Linear (NUR)

Linear (AUR)

Slika 4.7: Rezultati ašnega testa za dolo itev hitrosti nitrifikacije (AUR) in denitrifikacije (NUR), ko je hitrost nitrifikacije in denitrifikacije 0. reda glede na koncentracijo substrata.


49

M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

Rezultati: datum

AUR (mgN/L.h)

Izra un: RAaer (mg KPK/L.h)

NUR (mgN/L.h)

10,3

2.47

4,83

10-mar-2000

Izra un: RHanx (mg KPK/L.h) 28.1

Predpostavljeni YA in YH za izra un RAaer in RHanx: YA = 0,24 mg KPKc/mg N YH = 0,67 mg KPKc/KPK 4.5.3.3 Dolo itev hitrosti rasti heterotrofnih bakterij

Pove anje koncentracije aktivne biomase pomeni pove anje porabe kisika (OUR). Hitrost nastanka nove biomase je odvisna tudi od koncentracije substrata SS. V ve kanalnem zaprtem respirometru po asu spremljamo porabo kisika v plinski fazi glede na razli no koncentracijo susbstrata ter enako koncentracijo aktivne biomase. V eksponecialni fazi rasti dolo imo naklon kot hitrost rasti pri dani za etni koncentraciji substrata. Z risanjem hitrosti rasti v odvisnosti od za etne koncentracije substrata dobimo maximalno hitrost rasti ter konstanto Ks, ki ozna uje koncentracijo substrata, kjer je hitrost rasti ½ maksimalne hitrosti rasti biomase (Rozich in Gaudy, 1992; Spanjers, 1993; Spanjers in sod., 1998; Stražar, v pripravi). V našem primeru smo uporabili odpadno vodo, ki je bila enaka dotoku na pilotno napravo, ter biomaso iz pilotne naprave. Koncentracija biomase, uporabljene za respirometri ni poskus, je bila 50 mg MLSS/L. Na spodnji sliki je prikazan potek porabe kisika v plinski fazi v % glede na za etno koncentracijo substrata kot KPK. 1.6 1.4

% O2 plinska faza

1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

as (ure) 400 KPK

300 KPK

200 KPK

100 KPK

50 KPK

Slika 4.8: Prikaz respirometri nega poskusa dolo itve hitrosti rasti v odvisnosti od koncentracije substrata. Poskus opravljen dne 13.12.1999.


50

M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

Za vsako krivuljo pri dolo eni za etni koncentraciji substrata dolo imo hitrost rasti v eksponencialni fazi, ki jo nato rišemo v spodnji diagram. 6.0

5.0 uH,max =4,8/dan

uH(1/dan)

4.0

4.8

4.8

4.7

4.0

3.0 2.4 2.0

1.0

Ks

0.0 0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

SS (mgKPK/L)

Slika 4.9: Prikaz dolo itve maksimalne hitrosti rasti heterotrofne biomase ter konstante Ks. Opombe: • poskus respirometrije ne daje dobre ponovljivosti med rezultati. Slaba ponovljivost gre v glavnem na ra un stanja aktivne biomase, ki se je kljub stacionarnim pogojem v pilotnem sistemu spreminjala. Vrednosti maximalne hitrosti rasti so nihale od 0,20/h (4,8/dan) do 0,38/h (9,1/dan). Literaturne vrednosti se gibljejo od 0,125/h (3/dan) do 0,55/h (13,2/dan) (Grady in sod, 1999; Gujer in sod., 2000). Velik literaturni razpon je zaradi razli nih sistemov iš enja odpadne vode. • Ocenjujemo, da vrednost dolo ena respirometri no, ne prikazuje dejanskega stanja v pilotnem sistemu, kjer biomasa deluje pod druga nim razmerjem biomasa/substrat in zato te vrednosti ne moremo z gotovostjo vnesti v matemati ni model. • Sama metoda pa predstavlja enostaven na in za hitro ugotovitev stanja aktivne biomase. 4.5.3.4 Dolo itev hitrosti rasti avtotrofnih bakterij

V ašo prenesemo aktivno blato, dodamo amonijski dušik, vir anorganskega ogljika in nutriente, da ni omejitve rasti (0. red reakcije) ter pri nemo prezra evati. Vsak dan naredimo analizo nitratnega dušika. Logaritmi na rast nitratnega dušika nam da podatek o hitrosti rasti avtotrofnih bakterij (Spanjers, 1993; Orhon in Artan, 1994; Spanjers in sod., 1998). Koncentracija aktivne biomase je funkcija hitrosti rasti in odmiranja. ∧ dXBA = ( A − bA) ⋅ XBA dt

(4.59)


51

M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

ln

∧ XBA = ( A − bA) ⋅ t XBA 0

(4.60)

oziroma hitrost rasti je povezana z nastankom nitratnega dušika, tako lahko zgornjo ena bo zapišemo v slede i obliki:

ln

∧ SNO = ( A − bA) ⋅ t SNO 0

(4.61)

ker je odmiranje avtotrofne biomase zelo težko dolo iti, smo prevzeli literaturne vrednosti bA = 0,1 /dan Na spodnji sliki mikroorganizmov.

je

prikazana

prakti na

dolo itev

hitrosti

rasti

avtotrofnih

4

40 35

lnSNO = 0.28 t + 2.05 2 R = 0.9755

3

30

2.5

25

2

20

1.5

15

1

10

0.5

SNO (mg N-NO3/L)

ln SNO

3.5

5

0

0 0

1

2

3

4

5

6

t (dan) ln SNO

SNO

Slika 4.10: Prikaz eksponencinalne hitrosti rasti avtotrofne biomase oziroma nastanka nitratnega dušika. Poskus opravljen dne 13-12-1999. Z linerano regresijo logaritmirane vrednosti nitratnega dušika dobimo neto naklon hitrosti rasti avtotrofnih bakterij (µA-bA) = 0,28/dan. Pravo hitrost rasti dobimo, ko neto hitrosti prištejemo hitrost odmiranja µA = 0,4/dan (oz. 0,016/h). Literaturne vrednosti (Henze in sod., 1995; Grady in sod., 1999; Meijer in sod., 2001) se gibljejo od 0,033/h do 0,042/h oz. 0,8/dan do 1,0/dan. 4.5.3.5 Odmiranje heterotrofne biomase

Biomaso brez dodanega substrata prenesemo v zaprti respirometer. Na dolo ene asovne intervale merimo hitrost porabe kisika (OUR). Zaradi pomanjkanja hrane pride do odmiranja biomase ter s tem do padca OUR. Naklon daje podatek o hitrosti odmiranja biomase (Orhon in Artan, 1994).


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

52

ln

XBH = −bA ⋅ t XBH 0

(4.62)

ln

OUR = −b A ⋅ t OUR 0

(4.63)

3

0.5 ln OUR = -0.0071 t + 0.4973 R2 = 0.9895

0.4 0.3 0.2

2

0.1 1.5

0 -0.1

1

-0.2 -0.3

0.5

-0.4 0 0

6

12 18 24 30 36 42 48 54

-0.5 60 66 72 78 84 90 96 102 108 114 120 126 132 138 144 150 t (ure) OUR

ln (OUR)

Slika 4.11: Prikaz odmiranja heterotrofne biomase s asom. Poskus opravljen dne 3-22000. Z linerano regresijo logaritmirane vrednosti porabe kisika dobimo naklon odmiranja heterotrofne biomase bH = 0,0071/h oz. 0,17/dan. Literaturne vrednosti (Henze in sod., 1995; Grady in sod., 1999; Meijer in sod., 2001) se gibljejo od 0,0042/h do 0,026/h oz 0,1/dan do 0,6/dan. 4.5.3.6 Dolo itev celi nega prirasta

Celi ni prirast je stehiometrijska konstanta, ki izraža koli ino novo nastale biomase na koli ino odstranjenega substrata (KPK substrata za heterotrofe ali amonijskega dušika za avtotrofe) (glej tudi poglavje 2.3.1). Ostali del substrata se porabi za vzdrževanje energije mikroorganizmov (Slika 4.12) (Rozich in Gaudy, 1992; Spanjers, 1993; Spanjers in sod., 1998).

ln (OUR)

OUR (mg O 2/ gMLSS.h)

2.5


53

M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

prirast biomase

Y 1-Y O2

Energija +CO2 +H2O

H2O

Slika 4.12: Shematski prikaz pretvorbe substrata v novo celi no biomaso (Y) in energijo (1-Y). V laboratorijsko ašo z odpadno vodo brez suspendiranih snovi prenesemo aktivno blato tako da je za etna koncentracija biomase okoli 200 mg MLSS/l. Sistem mešamo in prezra ujemo. Na dolo ene asovne intervale (obi ajno vsako uro) naredimo analizo KPK skupnega in topnega dela. Zaradi prirasta biomase skupni KPK pada na ra un padca topnega KPK. Razlika med skupnim in topnim KPK da KPK novo nastale biomase. Na sliki (Slika 4.13) je prikazana prakti na dolo itev prirasta heterotrofne biomase. 700

KPK skupni= -7,0582x + 569,28 2 R = 0,8445

600

mg KPK/L

500 400 KPK cel. = 15,027x + 262,7 2 R = 0,9402

300 200

KPK topni = -22,085x + 306,58 R2 = 0,9631

100 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

as (ure) KPK skupni

KPK topni

KPK cel.

Slika 4.13: prikaz gibanja KPK pri dolo itvi celi nega prirasta heterotrofne biomase. Poskus opravljen dne 29-1-1999. Pri našem poskusu dolo itve heterotrofnega prirasta smo dolo ili slede o vrednost po ena bi 2.5: YH =

KPKcel KPKtopni

YH =

15,0 = 0,68 mgKPKcel/mg KPK 22,1


54

M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

Prirast heterotrofov v našem primeru je bila 0,68 mgKPKc/mg KPK. Literaturne vrednosti se gibljejo od 0,46-0,67 mgKPK/mgKPK (Grady in sod. 1999).

4.5.4 Sestava aktivnega blata Aktivno blato je nakopi ena biomasa (kosmi), ki pri obdelavi odpadne vode nastane z rastjo bakterij in drugih mikroorganizmov, obi ajno v prisotnosti kisika (Dular in sod., 1997). Aktivno blato ni sestavljeno samo iz aktivnih mikroorganizmov, temve tudi ostankov nerazgrajene odpadne vode ter odmrlih mikroorganizmov (Cloete in Muyima, 1997; Eikelboom, 2000). Za razumevanje procesa iš enja je zelo pomembno vedeti nekaj o sami koncentraciji, sestavi in aktivnosti biomase. Najbolj enostavna analiza dolo itve koncentracije biomase je dolo itev suhe snovi v enoti mg MLSS/L ali organske snovi v enoti mg VSS/L. Za masne bilance pa se uporablja analiza KPK, ki podaja koncentracijo biomase v enoti KPKc/L. Ti rezultati nam ne dajo informacije o sestavi in aktivnosti, tako da moramo narediti lo ene analize. V enoti mg MLSS/L je namre zajet neaktivni in aktivni del biomase. Aktivni del biomase nadalje delimo na hetrotrofne in avtotrofne mikroorganizme. Hetrotrofne pa nato v denitrifikatorje in ostale hetrotrofe. Literaturni podatki (Orhon in Artan, 1994; Henze in sod., 1995) navajajo aktivnost okoli 30-50 % glede na MLSS, delež nitrifikatorjev v aktivnem delu 13 % in delež denitrifikatorjev 80 % od celotne aktivne heterotrofne biomase. Ker v procesu iš enja sodeluje to no dolo ena vrsta mikroorganizmov, je potrebno dolo iti njen delež. Sestavo aktivnega blata in dolo itev posameznega deleža z analiznim parametrom poenostavljeno shemati no prikažemo na slede i na in:

Tabela 4.5: Shemati ni prikaz povezave med posamezno analizo, ki vsebuje podatek o dolo enem delu aktivne biomase. DEL AKTIVNEGA BLATA

oznaka

Anorganski del Organski del: Neraztopljene snovi Mrtvi oz. neaktivni mikroorganizmi Aktivni mikroorganizmi

inertne težko razgradljive heterotrofi

XI XS

avtotrofi Heterotrofi ostali heterotrofi, ki denitrificirajo avtotrofi

XA

XH

XH (1-ηg) ηg.XH XA

MLSS

VSS, Ox, iNx

fa

OUR

NUR

AUR


55

M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

4.5.4.1 Delež KPK (Ox) in dušika (iNx) v aktivnem blatu

Na podlagi analize sušine (MLSS), KPK in Kjeldahlovega dušika aktivnega blata lahko izra unamo delež organske snovi na enoto sušine (Ox) in delež dušika na enoto organske snovi (iNx). Dobljene vrednosti nato primerjamo s teoreti no izra unanimi podatki, pri emer predpostavimo splošno kemijsko formulo aktivnega blata C5H7NO2 (Rozich, 1992). Ta dva deleža se široko uporabljata za prera un analize aktivnega blata iz enote mgMLSS/L v enoto mgKPKc/L ali enoto mgN/L. Na podlagi teh deležev je tudi narejena matrika ASM3.

Tabela 4.6: Teoreti ne in prakti ne vrednosti za aktivno blato Vrednosti: Teoreti no izra unane po spodnji ena bi: C5H7NO2 + 5O2 → 5CO2 + 2H2O + NH3 Prakti no izmerjene okoli

Ox (mg KPKc/mg MLSS)

iNx (mg N/mg KPKc)

1,42

0,08

1,20

0,07

4.5.4.2 Dolo itev deleža aktivne (fa) biomase,

V aktivem blatu je le del aktivne biomase (pod 50 % glede na MLSS), kar pomeni, da je le ta del odgovoren za iš enje odpadne vode. Preostali delež aktivnega blata predstavlja organski partikulatni material (Xs, Xi), katerega izvor je posledica razgradnje odmrle biomase in sestave doto ne odpadne vode. Delež aktivne biomase s starostjo blata pada, odvisen pa je tudi od same postavitve procesa iš enja in razgradljivosti oz. sestave odpadne vode (Orhon in Artan, 1994; Chuang in sod., 2000; Andreottola in sod., 2001; Ochoa in sod., 2001). V laboratorijsko ašo prenesemo suspenzijo aktivnega blata v enaki koncentracijo, kot je v pilotnem sistemu (Orhon in Artan, 1994). Zagotovimo mešanje in zra enje, da so v aši aerobni pogoji. Sistem brez dodatka odpadne vode vzdržujemo 1 mesec. Na za etku in koncu naredimo analizo MLSS in VSS. Zaradi odmiranja žive biomase koncentracija MLSS s asom pada (ena ba 4.58). Na koncu je MLSS prakti no sestavljena le iz inertnega partikulatnega materiala - Xi. fa =

MLSSo - MLSS t MLSS o

fa MLSSo MLSSt

= = =

(4.64)

aktivni del biomase (/) sušina aktivnega blata v asu 0 (mg MLSS/L) sušina aktivnega blata v asu na koncu testa v asu t (mg MLSS/L)

Dne 3-2-2000 smo izvedli poskus dolo itve aktivnega dela biomase po zgornjem postopku. V biomasi smo dobili 39 % aktivnega dela. Sam poskus je trajal 20 dni. Po tem asu se je vsebnost MLSS zelo malo spremenila. 4010 - 2440 fa = = 0,39 4010


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

56

4.5.4.3 Dolo itev deleža aktivne heterotrofne, avtotrofne biomase ter delež heterotrofnih denitrifikatorjev

V literaturi je znanih ve respirometri nih ali ašnih testov za dolo itev posameznih deležev akivne biomase (Andreottolla in sod., 2001; Ochoa in sod., 2001; Cronje in sod., 2002). Pri našem delu smo uporabili test dolo itve preko dveh lo enih ašnih testov (Henze in sod., 1995). Delež avtotrofnih mikroorganizmov dolo imo preko dveh testov (Tabela 4.5) in sicer skupne porabe kisika (OUR-oxygen uptake rate) in hitrosti nastanja nitrata (AUR), delež heterotrofnih denitrifikatorjev pa preko skupne porabe kisika (OUR) in hitrosti porabljanja nitrata (NUR). V 2 laboratorijski aši prenesemo suspenzijo aktivnega blata v enaki koncentraciji, kot je v pilotnem sistemu. Dodamo odpadno vodo, po potrebi obogateno z vsebnostjo KPK, nitratnega in amonijskega dušika tako, da lahko pote e proces nitri ali denitrifikacije s hitrostjo 0. reda. Pri nemo s prezra evanjem do nasi enja, ter nato ob prekinitvi zra enja izvedemo meritev padca koncentracije raztopljenega kisika. Linerani padec nam da podatek o skupni porabi kisika (OUR) za vse heterotrofne in avtotrofne mikroorganizme. Z lo enima ašnima testoma, kot sta opisana v poglavju 4.5.3.1 in 4.5.3.2 dolo imo AUR, ki nam da podatek o aktivnosti avtotrofnih mikroorganizmov ter NUR o aktivnosti heterotrofnih denitrifikatorjev. Delež avtotrofnih bakterij je dolo en kot razmerje med hitrostjo nitrifikacije (AUR) in skupno porabo kisika (OUR). Delež denitrifikacijskih bakterij dolo imo iz razmerja med hitrostjo denitrifikacije (NUR) in skupno porabo kisika (OUR). Za izra un deleža avtotrofnih in heterotrofnih denitrifikatorjev moramo pretvoriti enote OUR (mgO2/L.h), AUR (mg N-NO3/L.h) in NUR (mg N-NO3/L.h) v e-eqv/L.h (glej poglavje 2.3.3) Delež nitri in denitrifikacijskih bakterij tako izra unamo po slede ih ena bah: 5 (e - eqv) 14 (gN - NO3) 4 (e − eqv) OUR (mgO2/L.h) ⋅ 32 (gO2)

AUR (mgN − NO3/L.h) ⋅ AVT.

= deNI =

ηAVT. = deNI = HET.

= 1−

ηHET.

delež avtotrofne biomase (/)

(4.66)

AVT.

=

(4.65)

delež heterotrofne biomase (/) 5 (e - eqv) 14 (gN - NO3) 4 (e − eqv) OUR (mgO2/L.h) ⋅ 32 (gO2)

NUR (mgN − NO3/L.h) ⋅ DENIT.

ηDENIT.

= g=

=

delež heterotrofnih denitrifikatorjev (/)

(4.67)


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

57

Dne 10-3-2000 smo izvedli poskus dolo itve sestave aktivnega blata. Dobili smo slede e vrednosti: OUR = 206 mg O2/L.h AUR = 10,3 mg N-NO3/L.h NUR = 4,8 mg N-NO3/L.h 10,3 ⋅ 5 ⋅ 32 = 0,14 206 ⋅ 4 ⋅ 14 4,8 ⋅ 5 ⋅ 32 DENIT. = g = = 0,067 206 ⋅ 4 ⋅ 14 AVT.

= deNI =

Literaturne vrednosti (Henze in sod., 1995; Cronje in sod., 2002) za avtotrofne bakterije se gibljejo od 3 do 15 %, heterotrofne bakterije skupaj z denitrifikacijskimi bakterijami pa okoli 80 % glede na skupni aktivni del. Obi aje vrednosti NUR so 10 x višje od izmerjene pri enaki koncentraciji MLSS.


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

58

5 REZULTATI Za namen postavitve matemati nega modela, ki bi im bolj natan no opisal dejansko stanje v pilotnem sistemu, smo izvedli 3 nize meritev. Pri posamezni postavitvi modela smo upoštevali strukturo modela ASM1 ali ASM3 (poglavje 3.1) ter enakost ali razli nost konstant v obeh reaktorjih. Razli ne kombinacije med meritvami, strukturo in pogojem za konstanto so nam dale štiri razli ne rešitve matemati nega modela, ki smo jih zaradi lažjega lo evanja med seboj poimenovali kot model A, model B, model C in model D (Slika 2.1). Pri vseh meritvah smo spremljali enake procesne parametre in sicer SS (topni KPK) SNO (nitratni dušik), SNH (amonijski dušik), XB (koncentracija biomase) na razli nih mernih mestih. Pri vseh meritvah smo uporabili enako konfiguracijo pilotnega reaktorja. Obratovalni pogoji so predstavljeni v tabeli Tabela 5.1. Model A je bil postavljen na podlagi strukture po matriki ASM1 ter pogoju enakih konstant tako v aerobnem kot v anoksi nem reaktorju. S tem smo popolnoma posneli model ASM1. Kalibracija modela je bila postavljena na meritvah št. 1. Rešitve postavljenega modela A, pa smo preverili z meritvami št. 2, kjer smo namenoma v sistem uvedli stopenjsko motnjo. Model A nam je obenem služil tudi kot prototip, katerega pomanjkljivosti smo poskušali omili z novo serijo meritev (meritve št. 3) ter drugimi pristopi pri kalibraciji modelov. Model B je identi en modelu A z razliko, da je kalibracija narejena na novih meritvah (meritve št. 3). Za uspešno kalibracijo smo morali spremeniti nekaj eksperimentalnih podatkov pri enakih vrednostih konstant v obeh reaktorjih. V modelu C, ki je ravno tako postavljen na meritvah št. 3, smo z uvedbo pogoja, da so konstante razli ne v obeh reaktorjih, poskušali izogniti spremembi eksperimentalnih podatkov. Model D, katerega zapis hitrosti procesov je narejen po modelu ASM3, upošteva procesne spremenljivke, ki niso bile zajete kot meritve in tako nastopajo poleg kineti nih in stehiometrijskih konstant kot parameter. Tu se sre amo z velikim številom neznank, katere je bilo z našim na inom kalibracije nemogo e dolo iti.


59

M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

Slika 5.1: Shemati ni prikaz vseh meritev ter na meritvah postavljenih matemati nih modelov. MERITVE

STRUKTURA

POGOJ ZA KONSTANTE V OBEH REAKTORJIH

1. (jun-sep 1999)

REŠITEV ASM1

enake

model A

2.( maj 2000) ASM3

razli ne

3. (okt. 2000)

MERITVE

STRUKTURA

POGOJ ZA KONSTANTE V OBEH REAKTORJIH

1.( jun-sep 1999)

REŠITEV ASM1

enake

ASM3

razli ne

model B

2. (maj 2000) 3. (okt. 2000)

MERITVE

STRUKTURA

POGOJ ZA KONSTANTE V OBEH REAKTORJIH

1. (jun-sep 1999)

REŠITEV ASM1

enake

ASM3

razli ne

model C

2. (maj 2000) 3. (okt. 2000)

MERITVE

STRUKTURA

POGOJ ZA KONSTANTE V OBEH REAKTORJIH

1. (jun-sep 1999)

REŠITEV ASM1

enake

ASM3

razli ne

model D

2. (maj 2000) 3. (okt. 2000)

Tabela 5.1: Prikaz obratovalnih pogojev pri vseh treh nizih meritev Parameter Vanx Vaer Vs SOanx SOaer Temperatura

Enota L L L mg O2/L mg O2/L o C

Povpre na vrednost 10 5 5 0,0 ± 0,1 5,5 ± 0,5 20 ± 0,8

Min.

Max.

0,0 6,3 17,7

0,2 4,9 22,0


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

60

Predstavitev poteka meritev:

1. meritve stacionarnega stanja smo izvajali od 17. junija do 29. septembra 1999. V tem asu smo dnevno analizirali sestavo dotoka, anoksi in oksi cone ter iztoka. Podatki so nam služili za dolo itev stacionarnega stanja po modelu ASM1. Rešitev dinami nega modela se imenuje model A. 2. meritve so zajele stacionarno stanje, emur je sledila stopenjska motnja. Meritve smo izvajali od 10.maja 2000 do 17.maja 2000. S tem poskusom smo dobili podatke, ki so nam služili za verifikacijo našega modela A (Plazl in sod., 2000 in 2001). V tem poskusu smo imeli dolo ene spremembe glede na 1. meritve: a. druga na sestava dotoka b. razli ni pretok zunanjega recikla. 3. meritve stacionarnega stanja in dvojne stopenjske motnje pretoka dotoka odpadne vode s povratkov v stacionarno stanje so potekale od 12 do 21 oktobra 2000. Na podlagi teh meritev smo naredili 3 razli ne rešitve modelov in sicer a. dinami ni model B (Plazl in sod., 2001) – po ASM1 b. dinami ni model C (Plazl in sod., 2001) – kombinacija ASM1 in ASM3 c. dinami ni model D – po ASM3 V vseh modelih smo zapisali dinami no motnjo, ki smo jo eksperimentalno dolo ili na pilotnem sistemu ter primerjali odzive modela z eksperimentalno dolo enimi vrednostmi posamezne procesne spremenljivke. Ta primerjava nam je služila kot validacija posameznega modela. V tabeli (Tabela 5.2) je prikazana primerjava med posameznimi meritvami glede na zadrževalni as vode (HRT, ang. hydraulic retention time), notranji recikel (Rvi) in zunanji recikel (Rve) ter starost blata (SRT, ang. Sludge retention time).

Tabela 5.2: Zadrževalni as vode, starost blata in recikli glede na meritve oz rešitve posameznih modelov. parameter

enota

HRT SRT Rvi Rve

ure dan % %

1. meritve Model A 10 26.2 260 100

2. meritve Model A 10 → 5,5 27.0 240 → 140 200 → 130

3. meritve Model B+C+D 10,6 → 5,9 → 4,3 → 10,6 23.6 266 → 148 →109 →266 167 → 93 → 69 →167


61

M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

5.1 PREDPOSTAVKE Poleg predpostavk, ki so opisane v poglavju 3.1, na rešitve dinami nih modelov vplivajo tudi naše med delom narejene eksperimentalne napake (1 – 3) in predpostavke (4 – 6): 1. NIHANJA PRETOKOV. Na peristali nih ceveh se je nabirala biomasa – biofilm, tako da smo dnevno mehansko istili vse peristalti ne cevne povezave, 1 krat tedensko pa smo cev za dotok sprali z raztopino natrijevega hipoklorita ter nato z vodovodno vodo. Pretoki so se nam tako med dnevi minimalno spreminjali. 2. KONCENTRACIJA IN SESTAVA BIOMASE. Zaradi umetne sestave odpadne vode, se je mikrobiološka sestava aktivnega blata v pilotnem sistemu po približno 1 mesecu obratovanja pri ela mo no spreminjati. Možni vzroki za spremembo sestave aktivnega blata so lahko slede i: • Aktivno blato smo v pilotni sistem prenesli iz obstoje e istilne naprave, katere dotok je bil po vrednostih procesnih spremenljivk podoben umetno pripravljeni odpadni vodi, po izvoru pa razli en, • Pomanjkanje mikroelementov V našem primeru se je sprememba sestave aktivega blata pokazala kot priraš anje nitastih bakterij. Biomasa v usedalniku se ni usedala, ampak je preko preliva usedalnika uhajala v iztok. Zaradi zgoraj omenjenega problema smo ves as eksperimenta zelo težko držali konstantno koncentracijo biomase v pilotnem sistemu. Nihala je tudi koli ina in koncentracija odvišnega blata. V matemati ni model smo tako vnesli povpre no koncentracijo biomase oziroma smo jo dolo ili s kalibracijo modela. 3. SPREMEMBA SESTAVE DOTOKA v 24 urah - Umetno pripravljen dotok je bil dnevno sveže pripravljen po postopku, opisanem v poglavju Error! Reference source not found.. Med samim potekom pilotiranja smo opazili spreminjanje sestave dotoka (vizualno in analitsko) tako, da so v vseh tabelah navedene 24 urne povpre ne vrednosti dotoka. Sprememba sestave dotoka tekom 24 ur (dotok je bil ves as na sobni temperaturi) se je predvsem pokazala na slede ih analizah:

Analiza pH KPK N-Kjel N-NH4 N-NO3

Enota / mg KPK/L mg N/L mg N/L mg N/L

Svež dotok 7,54 636 61,7 20,4 7,5

24 ur star dotok 7,67 581 59,0 23,2 0

∆(konec-za etek) + 0,13 - 55 - 2,7 + 2,8 - 7,5

Iz rezultatov analiz lahko sklepamo, da je v dotoku, ki ni bil prezra en, potekal mikrobiološki proces amonifikacije, to je pretvorbe organskega dušika v amonijskega ter proces denitrifikacije, kar kaže padec nitratnega dušika in KPK (na 1 enoto N-NO3 se porabi od 5 do 7 enot KPK). Heterotrofne mikroorganizme smo v dotok uvedli z realno odpadno vodo, ki ni bila sterilna in je zaradi mo ne koloidne sestave in velikih


62

M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

volumnov nismo mogli prefiltrirati ez filtrirni papir. Vendar je bila ta koncentracija biomase minimalna glede na koncentracijo biomase v reaktorjih. 4. VNOS IN IZGUBA BIOMASE - Ker je bila razlika med skupnim in topnim KPK na dotoku in iztoku minimalna smo predpostavili, da je vnos in izguba biomase X z dotokom in iztokom enak 0, saj je koncentracija aktivnega blata v reaktorju okoli 4000 mg KPK/L. To lahko zatrdimo le za primer, ko se je biomasa v usedalniku dobro usedala. V primeru napihovanja blata se ve ina aktivnega blata izgubi ravno skozi iztok. 5. FUNKCIJA USEDALNIKA - Analize naklju nih vzorcev so pokazale, da je koncentracija topnega KPK, N-Kjel in N-NO3 v iztoku, zunanjem reciklu oz. odvišnemu blatu enaka vrednostim v oksi reaktorju, iz esar lahko predpostavimo, da usedalnik nima reaktorske funkcije. 6. NITRITNI DUŠIK - Ob asno je bila merjena koncentracija N-NO2 v oksi nem reaktorju, katere vrednosti so bile pod 0,1 mg N/L in smo jo zato zanemarili.

5.2 DINAMI NI MODEL A – KALIBRACIJA Model A je postavljen na osnovi modela ASM1 (poglavje 3.1) s pogojem, da so v obeh reaktorjih enake vrednosti kineti nih in stehiometrijskih konstant. Eksperimentalni podatki za kalibracijo modela A so iz 1. niza meritev, za validacijo pa iz 2. niza meritev.

5.2.1 Eksperimentalni podatki – meritve št.1 Meritve št. 1 so potekale od 17. junija do 29. septembra 1999 pri enakih procesnih pogojih. Pri etek vzor enja se je izvršil en mesec po pri etku obratovanja. V tem asu smo 24 krat naredili analizo na dotoku, anoksi, oksi coni in iztoku (Tabela 5.3). Ti eksperimentalni podatki (povpre ne vrednosti) so nam služile za kalibracijo modela A. Grafi ni prikaz eksperimentalnih vrednosti je razviden v prilogi (Priloga 2).

Tabela 5.3: Prikaz povpre nih eksperimentalnih vrednosti pri 1. meritvah in vrednosti uporabljene v modelu A. Vrednosti obarvane z rde o barvo so bile pri kalibraciji spremenjene . Simbol Kratica F0 FIR FR FW SS0+XS0 SS0

Datum Enota L/h L/h L/h L/h mg KPK/L mg KPK/L

EKSPERIMENTALNE VREDNOSTI

Podatki uporabljeni v modelu

17.jun – 29.sep.1999

1,5 ± 0,1 3,9 ± 0,1 1,5 ± 0,1 0,017 ± 0,002 689 ± 63

1,5 3,9 1,5 0,02 689


63

M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

Simbol Kratica SS1 SS2 SS3 SNO0 SNO1 SNO2 SNO3 SNH0 SNH1 SNH2 SNH3 SND0+XND0 SND0 SND1 SND2 SND3

Datum Enota mg KPK/L mg KPK/L mg N-NO3/L mg N-NO3/L mg N-NO3/L mg N-NO3/L mg N-NH4/L mg N-NH4/L mg N-NH4/L mg N-NH4/L mg N-org/L mg N-org/L mg N-org/L mg N-org/L mg N-org/L

EKSPERIMENTALNE VREDNOSTI

Podatki uporabljeni v modelu

17.jun – 29.sep.1999

48,6 ± 13,6 33,4 ± 5,8 36,1 ± 10,3 3,2 ± 0,6 0,3 ± 0,3 6,4 ± 2,1 7,3 ± 1,6 20,7 ± 4,0 6,1 ± 0,9 0,6 ± 0,3 0,3 ± 0,3 46,5 ± 7,7 3,2 ± 1,9 2,6 ± 2,0 3,7 ± 1,6

164 33,4 3,2 4,2 6,4 20,7 9,4 0,6

46,5 6,8 2,6

Iz zgornje tabele lahko vidimo slede e: • da smo v modelu A predpostavili, da je koncentracija partikulatnih spremenljivk na vstopu (XS0;XND0) enaka 0, • da je razlika v koncentracijah med oksi cono in iztokom minimalna – koncentracijska obmo ja se prekrivajo. Razlika nastane zaradi razli nega vzor enja med iztokom, ki je 24 urni povpre ni vzorec in oksi cono, ki je dnevni trenutni vzorec. Iz primerjave lahko zaklju imo, da usedalnik nima reaktorske funkcije, ampak samo funkcijo usedanja, ki je glede na meritve KPK optimalno, saj preko iztoka prakti no ne izgubimo ni biomase. V nadaljnjih poskusih se bomo omejili le na meritve v oksi coni.

5.2.2 Aktivne frakcije biomase Ena zelo pomembnih vrednosti v matemati nem modelu je koncentracija aktivne heterotrofne in avtotrofne biomase. Pri modelu A smo jo poskušali dolo iti preko sušine, faktorja aktivnosti in deleža avtotrofnih mikroorganizmov po ena bah 4.25 do 4.31. Izra unane vrednosti ter vrednosti postavljene v matemati ni model A so razvidne iz spodnje tabele.


64

M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

Tabela 5.4: Prikaz eksperimentalnih vrednosti koncentracije skupne aktivne biomase in vrednosti uporabljene v dinami nem modelu A. Vrednosti obarvane z rde o barvo so bile pri kalibraciji spremenjene. Simbol Enota Kratica / Fa / deNI mg KPKc/L XB1 mg KPKc/L XB2 mg KPKc/L XBR Izra unane vrednosti: mg KPKc/L XBH1 mg KPKc/L XBA1 mg KPKc/L XBH2 mg KPKc/L XBA2 mg KPKc/L XBHR mg KPKc/L XBAR

EKSPERIMENTALNE VREDNOSTI

0,634 0,013 5400 5033 ±1180 6869 ± 1728

PODATKI UPORABLJENI V MODELU 0,634 0,008 5820 5880 11682 3660 29.5 3698 29.8 7346 59.2

Kalibracijo modela A z ekperimentalno dolo enimi vrednostmi aktivne heterotrofne in avtotrofne biomase je bilo nemogo e izvesti, zato smo vse vrednosti ocenili oziroma dolo ili pri postopku kalibracije. Kot najbolj eksperimetalno napa no dolo eno smo ocenili vrednost biomase v usedalniku zaradi problemov napihovanja biomase.

5.2.3 Kalibracija modela A S pomo jo programskega orodja Mathematica 4.0. smo v program zapisali vse masne bilance (poglavje 4.3.1) ter pogoje (Tabela 5.1) in eksperimentalne vrednosti za prvo stacionarno stanje (Tabela 5.3). V prilogi (Priloga 3) je izpis matemati nega modela iz programa Mathematica 4.0 z naslovom »Dinami ni model dvostopenjske pilotne istilne naprave – model A«. Z združevanjem masnih bilanc, v katerih nastopajo podobni kineti ni in stehiometri ni parametri, smo dolo ili posamezne parametre tako, da smo zadostili pogoju stacionarnosti. Pri tem smo zaradi neuspešnosti kalibracije morali sprementi tudi eksperimentalne podatke v 1.-anoksi nem reaktorju ter koncentracijo aktivne biomase (Tabela 5.4). Pri kalibraciji modela A smo dobili vrednosti kineti nih in stehiometrijskih parametrov, ki smo jih primerjali z objavljenimi vrednostmi in so bile enake za oba reaktorja (Tabela 5.5). Po primerjavi lahko zaklju imo, da so naše vrednosti primerljive z literaturnimi razen po parametrih: delež dušika v biomasi (iNx), maximalni hitrosti rasti heterotrofov ( konstanate amonifikacije (ka) in deleža heterotrofne biomase (ηg).

∧ H

),


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

65

Tabela 5.5: Vrednosti stehiometri nih in kineti nih parametrov modela glede na razli en vir literature pri temp. 20oC. eksperimentalno Simbol Enota izmerjene Kratica STEHIOMETRI NI PARAMETRI mg KPKc/mg KPK 0,68 YH mg KPKc/mg N YA mg N/mg KPKc 0,04 – 0,08 iNx mg KPKc/mg TSS 0,90 –1,39 Ox,T brez enote 0,634 fa

deNI KINETI KS KOH KOA KNO KNH ∧

Grady in sod., 1999

0,67 0,27 0,1228 * 1,2 0,634

0,67 (0,46 – 0,69) 0,24 (0,07 – 0,28) 0,086

0,60 0,24 0,06 0,70 izra .iz iNx

0,008

10 - 65

1,0 0,22 - 0,38

161,7 0,2 0,4 0,5 1,0 0,0986 *

20 (10 – 180) 0,2 0,4 0,5 1,0 0,25 (0,125 – 0,55)

20 0,10 0,75 0,20 1,0 0,25

1/h

0,01

0,0377

0,032

0,032

1/h 1/h L KPK/mg.h brez enote

0,007

0,00927 0,00616 0,0003 * 0,07 *

0,0258 (0,002 – 0,067) 0,0021 – 0,0063 0,0033 0,8 (0,6 – 1)

0,017 0,004 0,0067 0,8

NI PARAMETRI mg KPK/L mg O2/L mg O2/L mg N/L mg N/L 1/h

A

bH bA ka ηg

Henze in sod., 2000

0,13

brez enote

H

Kalibracija Model A

Legenda: *- modelirana vrednost mo no odstopa od literaturno postavljenega obmo ja

Stacionarni zapis masnih bilanc smo nato zapisali na dinami en na in.. Prvi test pravilno zapisanega dinami nega modela v stacionarnem stanju so bili enaki vhodni pogoji za prvo stacionarno stanje (1. meritve). Premice za vse parametre so potrdile pravilnost zapisa (Slika 5.2).


66

M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

F2 (L/h); S S2 (mgKPK/L); S NH2 (mgN/L); S NO2 (mgN/L)

40 35 30 25 20 15 10 5 0 0

50

100

150

200

250

as (h)

F2

SS2

SNH2

SNO2

Slika 5.2: Prikaz dinami nega odziva parametrov F2, SS2, SNH2 in SNO2 v modelu A na stacionarni vhod pretoka F0.

5.3 MERITVE št.2 – VALIDACIJA MODELA A Z namenom, da bi preverili pravilnost dinami nega modela A (validacija modela) smo izvedli eksperiment s stopenjsko motnjo dotoka odpadne vode. Meritve št. 2 so bile izvedene v asu od 10 do 17. maja 2000. Nove eksperimentalne podatke smo primerjali z napovedmi dinami nega modela A. Pri primerjavi med eksperimentalnimi podatki in napovedjo moramo biti pozorni na dolo ene spremembe v eksperimentu in sicer stacionarno – normalno stanje se razlikuje od stacionarnega stanja pri 1.meritvah, ki so služile za kalibracijo matemati nega modela in sicer po sestavi dotoka (KPK), pretokih (prevsem zunanji recikel FR) ter koncentraciji biomase (XB).

300


67

M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

Tabela 5.6: Prikaz eksperimentalnih vrednosti pri 1. meritvah, ki so služile za kalibracijo modela in 2 meritvah, ki so služile za verifikacijo dinami nega modela A.

Simbol Kratica F0 FIR FR FW XB1 XB2 XBR SS0+XS0 SS0 SS1 SS2 = SS3 SNO0 SNO1 SNO2 = SNO3 SNH0 SNH1 SNH2 = SNH3 SND0+XND0 SND0 SND1 SND2 = SND3

1. meritve 2. meritve 10.maj 2000 12.maj 2000 Datum 17.jun – 29.sep.1999 1 ... 24 25 26 ANALIZNI DAN I. STACIONARNO II.STACIONARNO II.STACIONARNO

13.maj 2000 28

15.maj 2000 30

17.maj 2000 32

STANJE povpre ne vrednosti

STANJE

STANJE

1 DAN PO STOPENJSKI MOTNJI

3 DAN PO STOPENJSKI MOTNJI

5 DAN PO STOPENJSKI MOTNJI

1,5 ± 0,1 3,9 ± 0,1 1,5 ± 0,1 0,017 ± 0,002 5400 5033 ±1180 6869 ± 1728 689 ± 63

1,47 3,64 3,13 0,0125 3038 2994 4622 451

1,44 3,53 3,2 0,0125 3160 3130 3980 388

2,75 3,54 3,2 0,0125 1626 1724 6986 439

2,5 3,54 3,1 0,021 2222 2250 5490 514

2,5 3,54 3,1 0,021 2716 2736 5210 366

48,6 ± 13,6 33,4 ± 5,8 3,2 ± 0,6 0,3 ± 0,3 6,3 ± 2,1

19,2 19,7 0 0,027 10,2

40,3 22,4 0 0,08 10,7

49,6 25,6 0 0 9,15

74 32,1 0 0 8,42

33,2 0 0 9,6

mg N-NH4/L mg N-NH4/L

20,7 ± 4,0 6,1 ± 0,9 0,6 ± 0,3

55,1 9,83 0,17

48,3 7,64 0,17

44,7 20 7,03

68,8 29,6 14,1

53,5 35,5 16,4

mg N-org/L

46,5 ± 7,7

9,4

14,6

21,0

22,3

3,2 ± 1,9 2,6 ± 2,0

1,2 0,9

2,4 0,7

2,3 4,3

4,2 6,5

Enota L/h L/h L/h L/h

mg KPKc/L mg KPKc/L mg KPKc/L mg KPK/L mg KPK/L mg KPK/L mg KPK/L mg N-NO3/L mg N-NO3/L mg N-NO3/L mg N-NH4/L

mg N-org/L mg N-org/L mg N-org/L

Na spodnjih slikah je grafi no prikazana primerjava modela A z eksperimentalnimi podatki meritev št.2.


68

M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

3

400 350

2.5

2

250

1.5

200 150

F0 (L/h)

SS1, SS2 (mg KPK/L)

300

1

100 74 50

49.6

40.3 22.4

19.7 19.2

0.5 33.2

32.1

25.6

0

0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

analizni dan SS1 (model)

SS1 (eksperiment)

SS2 (model)

SS2 (eksperiment)

F0

Slika 5.3: Primerjava asovnega poteka KPK med rešitvijo modela A in eksperimentalnimi podatki na stopenjsko motnjo dotoka odpadne vode.

40

3 35.5

35

2.5 29.6 2

25 20

20

1.5 16.4

15 10

1

14.1

9.83 7.64

7.03

0.5

5 0.17

0.17

0

0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

analizni dan SNH1 (model)

SNH1 (eksperiment)

SNH2 (model)

SNH2 (eksperiment)

F0

Slika 5.4: Primerjava asovnega poteka amonijskega dušika med rešitvijo modela A in eksperimentalnimi podatki na stopenjsko motnjo dotoka odpadne vode.

F0 (L/h)

SNH1, SNH2 (mg N/L)

30


SNO1, SNO2 (mg N-NO 3/L)

30

3

25

2.5

20

2

15

1.5

10.7

10.2

10

9.15

1

9.6

8.42

5

0.5

0

1

0.1

0.08

0.03

0

2

3

0.1 4

0.1

5

6

7

0 8

9

10

11

12

13

analizni dan SNO1 (model)

SNO1 (eksperiment)

SNO2 (model)

SNO2 (eksperiment)

F0

Slika 5.5: Primerjava asovnega poteka nitratnega dušika med rešitvijo modela A in eksperimentalnimi podatki na stopenjsko motnjo dotoka odpadne vode. Iz zgornjih slik je razvidno da: • matemati ni model A sledi motnji in odzivu realnega sistema; • da se v stacionarnem stanju rezultati modela A in realnega stanja ne ujemajo. Vzroki za odstopanje so lahko slede i: • stacionarno stanje drugega eksperimenta se je razlikovalo od prvega, katerega eksperimentalne to ke smo upoštevali pri kalibraciji modela A • Pri kalibraciji modela A smo za uspešno kalibracijo spremenili kar nekaj eksperimentalnih podatkov v prvem – anoksi nem reaktorju. Ravno tako odstopajo od literaturnih mej dolo eni kineti ni in stehiometrijski parametri. Iz tega je pri akovati, da se naš model ne bi odzval enako na motnjo, kot realni sistem. • V našem modelu smo opisali potek pretvorbe le šestih procesnih spremenljivk od skupnih 13, ki so zajete v modelu ASM1. Vse procesne spremenljivke so namre med seboj povezane, kar pomeni da nastanek ali poraba ene spremenljivke vpliva na porabo ali nastanek druge v dolo enem stehiometri nem razmerju. Pri soodvisnosti ve ih procesnih spremenljivk težje pride do napak v kalibraciji, kjer lahko zaradi napa ne utežitve dolo enega kineti nega ali stehiometri nega parametra dobimo uspešno kalibracijo, pri validaciji pa so vidna odstopanja od realnih vrednosti.

5.3.1 Pridobljene izkušnje za nadaljnje delo Pri postavljanju eksperimentov in kalibraciji modela A smo opazili možne napake. Tako nam je model A služil kot pre-eliminarni test za dolo itev kon nega modela, ki bi se bolj

F0 (L/h)

69

M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

70

približal pravim eksperimentalnim vrednostim. Tako je naše nadaljnje delo slonelo na slede ih napotilih: 1. Za lažje postavljanje matemati nega modela je potrebo bolj natan no opisati stacionarno stanje. Da to lahko dosežemo, moramo zagotoviti stabilno delovanje pilotnega sistema. Pri tem je najpomembneje zagotoviti konstantno mikrobiološko sestavo in koncentracijo biomase, saj preko konstantne starosti blata lahko zagotovimo stabilno stacionarno delovanje pilotnega sistema pri konstantni obremenitvi na vhodu v pilotno napravo. 2. meritve dinami ne motnje naj sledijo stacinarnemu stanju 3. eksperimentalne vrednosti naj se pri kalibraciji ne spreminjajo, temve naj se spremenijo vrednosti kineti nih in stehiometrijskih parametrov v obeh reaktorjih.

5.4 MERITVE št. 3 – KALIBRACIJA IN VALIDACIJA MODELOV B, C IN D Iz meritev št. 3 smo poskušali postaviti 3 slede e razli ne modele: •

model B: po ASM1– struktura ASM1 in enake konstante v obeh reaktorjih (model je identi en modelu A, razlikuje se le v kalibriranih vrednostih). Izpis iz programa Mathematica je razviden v prilogi (Priloga 4: Dinami ni model dvostopenjske pilotne istilne naprave – MODEL B).

model C: po ASM1 in ASM3 – struktura modela po ASM1, dovoljene razli ne konstante v obeh reaktorjih (definicija ASM3). Izpis iz programa Mathematica je razviden v prilogi (Priloga 5: Dinami ni model dvostopenjske pilotne istilne naprave – MODEL ).

model D: po ASM3 – struktura in razli ne konstante v obeh modelih. Izpis iz programa Mathematica je razviden v prilogi (Priloga 6: Dinami ni model dvostopenjske pilotne istilne naprave – MODEL ).

5.4.1 Eksperimentalni podatki Meritve št. 3 so bile sestavljene iz stacionarnega stanja in takojšnjega prehoda v dvojno stopenjsko motnjo pretoka dotoka odpadne vode s povratkom v stacionarno stanje. Dnevno smo analizirali vse pomembne procesne parametre. Pred pri etkom vzor enja ter merjenja smo pilot 14 dni vodili pri stacionarnih pogojih. Že med merjenjem se nam je sestava biomase pri ela mo no spreminjati, tako da koncentracija biomase med celotnim poskusom ni bila konstantna. V spodnji tabeli so prikazane povpre ne eksperimentalne vrednosti s standardnim odmikom v stacionarnem stanju (sta.s.) in izmerjene vrednosti pri uvedbi motnje (mot.). Koncentracija aktivnega blata in pretoki reciklov so podani kot povpre na vrednost med celotnim poskusom.


71

M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

Tabela 5.7: Prikaz eksperimentalnih vrednostih parametrov med stacionarnem stanjem (sta.s.) in dinami no motnjo (mot.) pretoka dotoka odpadne vode (F0). Simbol Kratica

ANALIZNI DAN

Enota

F0 FIR FR FW

L/h

XB1 XB2 XBR

mg KPKc/L

SS0+XS0+SSI SS0 SS1 SS2 = SS3 SNO0 SNO1 SNO2 = SNO3 SNH0 SNH1 SNH2 = SNH3 SND0+XND0+SNDI SND0 SND1 SND2 = SND3

mg KPK/L

L/h L/h L/h

mg KPKc/L mg KPKc/L

mg KPK/L mg KPK/L mg KPK/L mg N-NO3/L mg N-NO3/L mg N-NO3/L mg N-NH4/L mg N-NH4/L mg N-NH4/L mg N-org/L mg N-org/L mg N-org/L mg N-org/L

1 ... 5 sta.s.

6 mot.

7 mot.

8 mot.

9 mot.

10 sta.s.

1,42 ± 0,02 3,79 ± 0,23 2,38 ± 0,07 0,017 ± 0,003 5363 ± 509 4617 ± 382 11103 ± 4060 526 ± 30 469 ± 26 33,9 ± 1,9 17,4 ± 4,2 3,0 ± 0,8 0,0 ± 0,0 12,2 ± 0,8 20,6 ± 2,2 7,6 ± 0,3 0,4 ± 0,3 55,7 ± 3,2 52,2 ± 4,1 4,2 ± 0,9 2,2 ± 0,2

2,56

2,56

3,47

3,47

1,42

62,2 28,4

63,7 28,4

132 36,9

124 39

37,9 15,8

0,0 13,2

0,0 16,0

0,0 14,3

0,0 19,1

0,0 13,7

9,6 0,3

9,1 0,4

18,3 10,5

22,6 10,1

8,7 0,3

Iz eksperimentalnih podatkov je razvidno, da 2,2 kratno pove anje pretoka povzro i dvig koncentracije amonijskega dušika na iztoku iz pilotne naprave, saj se koncentracija amonijskega dušika dvigne iz 0,4 mg N/L na 10,5 mg N/L. Tak dvig je bil pri akovan, saj se je zadrževalni as odpadne vode pri pove anem pretoku znižal iz 10 ur na 4,3 ure. Koncentracija KPK se je dvignila iz 17,4 mg/L na 39 mg/L.

5.4.2 Kalibracija modelov Kalibracijo vseh modelov smo izvedli po enakem postopku kot kalibracijo modela A, ki je opisana v poglavju 3.1.1 to je z združevanjem masnih bilanc, v katerih nastopajo enaki procesni parametri. Za model B smo si postavili enake zahteve kot za model A, kar pomeni strukturo ASM1 modela in enake vrednosti kineti nih in stehiometrijskih konstant v obeh reaktorjih. Ker je bila kalibracija modela B podobno neuspešna zaradi spremembe eksperimentalnih podatkov kot model A, smo v modelu C postavili pogoj, da se vrednosti kineti nih in stehiometrijskih parametrov v obeh reaktorjih lahko spremenijo. Na tej


72

M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

predpostavki temelji tudi model ASM3, na katerega osnovi smo poskušali postaviti model D. Meritve št. 3 (Tabela 5.7) so nam služile za kalibracijo modelov B, C in D. Pri kalibraciji modela B (podobno kot kalibracija modela A) smo morali spremeniti dolo ene eksperimentalne podatke v prvem –anoksi nem reaktorju, ki smo jih ocenili ali dobili pri kalibraciji. Dejanske vrednosti, uporabljene v posameznem matemati nem modelu, so razvidne iz spodnje tabele. Pri modelu C je bila kalibracija uspešna brez spremembe eksperimentalnih podatkov vendar ob pogoju, da smo dovolili spremembo vrednosti kineti nih in stehiometrijskih konstant v obeh reaktorjih. V modelu D pa smo morali novo procesno spremenljivko Xsto upoštevati kot kalibrirano spremenljivko. Kalibracija modela D ni bila uspešna, zato v spodnji tabeli niso navedene vrednosti parametrov pri kalibraciji. Spremenjene eksperimentalne vrednosti modela B v prvem anoksi nem reaktorju kažejo na dvom uspešnega procesa denitrifikacije, saj smo dvignili vrednosti za nitratni dušik iz 0,1 mgN/L na 8,0 mg N/L in KPK iz 18,9 mg/L na 78 mg/L.

Tabela 5.8: Primerjava eksperimentalnih vrednosti ter vrednosti uporabljene pri kalibraciji posameznega modela.. Simbol Kratica F0 FIR FR FW XH1 XH2 XHR XA1 XA2 XAR SS0+XS0 SS0 SS1 SS2 = SS3 SNO0 SNO1 SNO2 = SNO3 SNH0 SNH1 SNH2 = SNH3 SND0+XND0 SND0 SND1 SND2 = SND3

Enota L/h L/h L/h L/h

Eksperim. vrednosti 1,42 ± 0,02 3,79 ± 0,23 2,38 ± 0,07 0,017 ± 0,003

mg KPKc/L mg KPKc/L mg KPKc/L mg KPKc/L mg KPKc/L mg KPKc/L mg KPK/L mg KPK/L mg KPK/L mg KPK/L mg N-NO3/L mg N-NO3/L mg N-NO3/L mg N-NH4/L mg N-NH4/L mg N-NH4/L mg N-org/L mg N-org/L mg N-org/L mg N-org/L

511 ± 30 454 ± 26* 18,9 ± 1,9 2,4 ± 4,2 3,0 ± 0,8 0,1 ± 0,0 12,2 ± 0,8 20,6 ± 2,2 7,6 ± 0,3 0,4 ± 0,3 53,7 ± 3,2 50,2 ± 4,1* 2,2 ± 0,9 0,2 ± 0,2

Model B

Model C

1,38 3,79 2,38 0,017 3680 3698 5815 91,1 91,6 144

1,38 3,79 2,38 0,017 2103 2060 3240 91,1 91,6 144

511 78,4 2,4 3,0 8,0 11,6 20,6 10,4 0,4

511 18,9 2,4 3,0 0,1 8,4 20,6 7,6 0,4

53,7 1,9 0,2

53,7 2,2 0,2

Model D


73

M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

OPOMBA: Vsem vrednostim SS in SND v zgornji tabeli je potrebno prišteti inertni del za SS = 15 mg/L in za SND 2,0 mg/L. (Henze in sod., 1995; Grady in sod., 1999) * - filtracija ez 0,45 µm ne pomeni topni del. V modelu B in C nimamo ena be za XS in njene pretvorbe v SS zato smo predpostavili, da se nam bo ves XS pretvoril v SS. V spodnji tabeli so prikazane kalibrirane vrednosti kineti nih in stehiometrijskih paramerov, ki smo jih dolo ili pri kalibraciji modela B in C v primerjavi z literaturno objavljenimi vrednostmi. Literaturno objavljeni podatki kineti nih in stehiometrijskih parametrov nam lahko služijo le kot primerjava velikostnega reda, saj so vrednosti parametrov odvisne od vrste istilne naprave, odpadne vode in aktivnega blata (Gujer in sod., 2000).

Tabela 5.9: Primerjava kalibriranih vrednosti kineti nih in stehiometrijskih konstant modela B, C in modela D, ki temeljijo na istih eksperimentalnih podatkih.

0,73 0,67 0,14

ASM1 vrednosti 0,67 0,67 0,24

ASM3 vrednosti 0,43 0,54 0,24

0,087

0,49

0,25

0,083

1/h

0,087

0,32

0,25

0,083

mg N/mgKPKc mg KPK/L mg KPK/L 1/h 1/h

0,07 0,16 17 17 0,0067 0,0067

1 0,077 20 180 0,0042 0,0196

0,8 0,086 20 20 0,026 0,026

0,6 0,07 2 2 0,0042 0,0083

1/h

0,026

0,0365

0,033

0,042

0,0029 0,0029 0,00174 0,00174 0,2 0,4 0,5 1,0

0,0021 0,006 0,00254 0,00366 0,2 0,4 0,5 1,0

0,0021 0,0021 0,003 0,003 0,2 0,4 0,5 1,0

0,0021 0,0063 0,2 0,5 0,5 1,0

Parameter

Enota

Model B

Model C

YH1 YH2 YA

mgKPKc/mgKPK mgKPKc/mgKPK mgKPKc/mgN

0,67 0,67 0,24

H1

1/h

H2

∧ ∧

ηg iNx KS1 KS2 bH1 bH2 ∧

A2

bA1 bA2 ka1 ka2 KOH KOA KNO KNH

1/h 1/h L KPK/mg.h L KPK/mg.h mg O2/L mg O2/L mg N/L mg N/L

Iz zgornje tabele je razvidno, da so vrednosti parametrov primerljive z literaturno objavljenimi podatki. V modelu A so dolo eni kineti ni in stehiometrijski parametri enaki za oba reaktorja, medtem ko so v modelu C te vrednosti že razli ne. Vrednosti modela A tako primerjamo z literaturnimi vrednostmi modela ASM1 (Gujer in sod., 2000) in vrednosti modela C z literaturnimi vrednostmi modela ASM3 (Gujer in sod., 2000). Kot je razvidno iz tabel (Tabela 5.8 in Tabela 5.9) ter priloge za model D, ki je zgrajen po strukturi ASM3, kalibracije nismo uspeli zaklju iti kljub poenostavitvam. Kot glavni proces se v modelu ASM3 pojavi proces hrambe organskih snovi Xsto. Ker je bil Xsto pri


74

M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

nas nemerljiva spremenljivka smo predpostavili, da se ves lahkorazgradljivi substrat (SS) takoj shrani v celice (Carta in sod., 2001). Pri modelu ASM3 se še bolj kot pri modelu ASM1 pokaže potreba po natan ni dolo itvi sestave dotoka (Koch in sod., 2001). Vzroki za neuspešno kalibracijo modela D so slede i: 1. pojav 2 novih procesnih spremenljivk, ki jih z meritvami nismo zajeli XS in Xsto 2. bolj natan no razdeljene hitrosti v posameznem reaktorju. Npr. hitrost denitrifikacije (dSNO/dt) v anoksi nem reaktorju je v modelu ASM1 zajeta le z 1 hitrostno ena bo (ena ba 3.10), v modelu ASM3 pa z 5 hitrostnimi ena bami (3.11). 3. enaki problemi, kot so se pojavili že pri prejšnjih modelih – neznana koncentracija aktivne heterotrofne in avtotrofne biomase. Tako imamo pri kalibraciji preve neznank, ki jih med seboj ni mogo e združevati in sicer XS, Xsto, XH, XA ter vse hitrostne ena be R1....R12. 5.4.2.1 Koncentracije aktivne biomase

V spodnji tabeli smo poskušali prikazati primerjavo med eksperimentalno dolo eno koncentracijo skupne aktivne biomase ter koncentracijo aktivne heterotrofne in avtotrofne biomase pri posameznem matemati nem modelu. Iz tabele je razvidno, da se glede na kalibracijo modela spreminjata tako aktivni del biomase, kot delež avtotrofnih bakterij. Na noben na in ne moremo zagotoviti, da so te vrednosti pravilne.

Tabela 5.10: Izra unane vrednosti aktivne heterotrofne in avtotrofne biomase v prvem anoksi nem reaktorju iz eksperimentalno dolo enih vrednosti KPK skupne aktivne biomase in vrednosti dobljenih pri kalibraciji modelov parameter enota eksperiment mg KPKc/L X1 a.b. Kalibracija modela mg KPKc/L XH1 mg KPKc/L XA1 Izra unana vrednost po ena / fa / deNI

Model A

Model B

Model C

Model D

5400

5363

5363

5363

3660 3680 29,5 91,1 bi od 4.25 do 4.30 0,68 0,71 0,008 0,036

2103 91,1 0,41 0,061

Po podatkih iz zgornje tabele je bilo v pilotnem sistemu pri meritvah št. 1 aktivne biomase 68 %, od tega le 0,8 % avtotrofnih mikroorganizmov. V meritvah št. 3, ki so bile osnova za kalibracijo modelov B, C in D pa je prišlo pri kalibraciji modela B 71 % aktivne biomase in le 3,6 % avtotrofov; pri modelu C pa le 41 % aktivne biomase in kar 2 krat ve avtotrofov kot v modelu B. Iz te primerjave lahko zaklju imo, da je kalibracija lahko uspešna na ve na inov, pri emer lahko dolo ena spremenljivka vzame težo oziroma velikost drugega parametra (Petersen in sod., 2002). 5.4.2.2 Prikaz razlik pri kalibraciji modelov

Kalibracija predstavljenih matemati nih modelov se razlikuje tako po na inu kalibracije, kot tudi izboru modelnih procesnih spremenljivk in kineti nih in stehiometrijskih parametrov.


75

M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

Izbrali smo slede na in kalibracije: Model A Združevanje masnih bilanc iz obeh reaktorjev Model B Združevanje masnih bilanc iz obeh reaktorjev Model C Reševanje masnih bilanc za lo ene reaktorje Model D Reševanje masnih bilanc za lo ene reaktorje V tabeli (Tabela 5.11) so prikazane vse procesne spremenljivke, ki smo jih spremljali med našim pilotnim poskusom. Ker smo pri kalibraciji naleteli na težavo dolo itve stacionarnega stanja z eksperimentalno dolo enimi vrednostmi (E) procesnih spremenljivk, smo dolo ene vrednosti izbrali (I) ali pa dobili s kalibracijo (K). Iz tabele je tudi razvidno, da smo pri kalibraciji modela C uporabili najve eksperimentalno dolo enih procesnih spremenljivk.

Tabela 5.11: Prikaz modelnih procesnih spremenljivk, ki smo jih dolo ili eksperimentalno ( ) ter na in izbora (E-eksperiment, I-izbor, K-kalibracija) teh spremenljivk pri kalibraciji za posamezni matemati ni model. Kalibracija modela D je bila neuspešna in zato primerjava ni prikazana v spodnji tabeli. Simbol Kratica F0 FIR FR FW SS0+XS0 SS0 SS1 SS2 SNO0 SNO1 SNO2 SNH0 SNH1 SNH2 SND0+XND0 SND0 SND1 SND2 XB1 XB2 XBR skupaj

Eksperimentalno dolo ene procesne spremenljivke

Model A E X X X X

I

X X X X X X X

19 od 21

9

X X X 5

19

Model B K

E

I X

Model C K

E

X X X X X X Ni modelna spremenljivka X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X Ni modelna spremenljivka X X X X X X X X X 5 4 7 8 12

19

I X

K

X

X

X

3

19

X X X 4


76

M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

Tabela 5.12: Prikaz kineti nih in stehiometrijskih parametrov, ki smo jih dolo ili eksperimentalno ( ) ter na in izbora (E-eksperiment, I-izbor, K-kalibracija) teh spremenljivk pri kalibraciji za posamezni matemati ni model. Kalibracija modela D je bila neuspešna in zato primerjava ni prikazana v spodnji tabeli. Simbol Kratica

Eksperimentalno dolo eni kinet. & stehio. parametri

YH YA iNx KS KOH KOA KNO KNH

Model A E

X

I X X

X X X

H ∧ A

7 od 14

Legenda (pri modelu C):

1

K

X 6

14

E

X X

X

bH bA ka ηg skupaj

Model B

X

I X X

X X X

Model C K

X X

X

X

X

X X X

X X

7

1

X X 7

E

6

14

a – anoksi ni reaktor, b – oksi ni reaktor, brez indeksa – enako za oba reaktorja.

X

I Xb X X Xa,Xb X X X

K Xa

Xa,Xb X

1

Xa Xa,Xb Xa X 13

Xb Xb

6

20

Iz zgornjih tabel lahko zaklju imo, da: 1. smo za matemati ni model po ASM1 eksperimentalno dolo ili vse procesne spremenljivke, vendar niso bile vse uporabljive (XB – koncentracija aktivne biomase). Bolj je model fleksibilen (model C), ve eksperimentalnih podatkov je bilo uporabljenih pri kalibraciji (12 od 19). 2. je model C zaradi najve jega števila kineti nih in stehiometrijskih konstant razširjen model ASM1, saj se po razli nosti konstant v obeh reaktorjih približa ideji modela ASM3 in je zato tudi najbolj fleksibilen.

5.4.3 Grafi ni prikaz rešitev modelov B in C - validacija Dvojna stopenjska motnja pretoka s povratkom v stacionarno stanje nam je služila za validacijo modelov B in C. Na spodnjih slikah so prikazane primerjave eksperimentalnih podatkov in napovedi posameznega modela po parametrih KPK, amonijski in nitratni dušik


77

M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

tako v prvem – anoksi nem reaktorju, kot v drugem – oksi nem reaktorju. Ker smo pri kalibraciji modela B in C spremenili dolo ene eksperimentalne podatke (model B: SS1, SNH1 in SNO1; model C: SNO2) smo te popravke zaradi lažje primerjave med modeloma že vnesli v spodnje slike. 140

4

120

3.5

117 109

3 2.5

80 2 60 1.5

48.7

47.2

F0 (L/h)

SS1 (mg KPK/L)

100

40

1

20

19.8

17.7

21.9

18.2

17.1

22.9

0.5

0

0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

dan

model B - 59,5 mg KPK/L

model C

eksperimentalni podatki

F0

Slika 5.6: Primerjava med napovedmi modelov B in C in eksperimentalnimi podatki po KPK v 1. – anoksi nem reaktorju. Zaradi lažje primerjave rešitev obeh modelov smo od napovedane vrednosti modela B odšteli 59,5 mg KPK/L, kar je razlika med kalibrirano vrednostjo ter eksperimentalno izmerjeno vrednostjo.

200

4

180

3.5

160 3 2.5

120 100

2

80

1.5

60 1 40 20 9.2

0.5

0 0

1

13.4

2

3

3.4

0.8

0.6 4

0.5

24

21.9

13.4

5

0.8 6

7

8

9

10

dan model B

model C

eksperimentalni podatki

F0

0 11

12

13

F0 (L/h)

SS2 (mg COD/L)

140


78

M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

Slika 5.7: Primerjava med eksperimentalnimi podatki ter napovedmi modelov B in C po KPK v 2 – oksi nem reaktorju.

25

10 22.6

9 8

20

7

15

6 5

10

9.6 7.88

7.33

7.95

7.6

4

9.1

8.7 3

7.4

5

2 1 0

0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

dan model B - 2,8 mg N-NH4/L

model C

eksperimentalni podatki

F0

Slika 5.8: Primerjava med napovedmi modelov B in C in eksperimentalnimi podatki po amonijskem dušiku v 1. – anoksi nem reaktorju. Zaradi lažje primerjave rešitev obeh modelov smo od napovedane vrednosti modela B odšteli 2,8 mg N-NH4/L, kar je razlika med kalibrirano vrednostjo ter eksperimentalno izmerjeno vrednostjo.

F0 (L/h)

SNH1 (mg N-NH4/L)

18.3


79

M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

25

4

22.5

3.5

20 3 2.5

15 12.5

2 10.5

10

10.1

F0 (L/h)

SNH2 (mg N-NH4/L)

17.5

1.5

7.5 1 5 0.5

2.5 0.88

0 0

0.26

0.23

1

2

0.25

3

4

5

0.43

0.33

0.22 6

7

0.25 8

9

10

0 11

12

13

dan model B

model C

eksperimentalni podatki

F0

Slika 5.9: Primerjava med napovedmi modelov B in C in eksperimentalnimi podatki po amonijskem dušiku v 2. – oksi nem reaktorju.

10

4

9

3

8 2 1

6 0.1

0 0

1

0.1 2

0.1 3

0.1 4

0.1 5

0.1 6

0.1 7

0.1 8

0.1 9

0.1 10

5 11

12

13 4

-1

3 -2 2 -3

1

-4

0 dan model B - 7,9 mg N-NO3/L

model C

eksperimentalni podatki

F0

Slika 5.10: Primerjava med napovedmi modelov B in C in eksperimentalnimi podatki po nitratnem dušiku v 1. – anoksi nem reaktorju. Zaradi lažje primerjave rešitev obeh modelov smo od napovedane vrednosti modela B odšteli 7,9 mg N-NO3/L, kar je razlika med kalibrirano vrednostjo ter eksperimentalno izmerjeno vrednostjo.

F0 (L/h)

SNO1 (mg N-NO 3/L)

7


SNO2 (mg N-NO 3/L)

40

4

35

3.5

30

3

25

2.5

20

2

19.1 16

15 12.2

11.1

10

12

14.3

13.2

13.1

12.7

1.5

13.7

1

5

0.5

0

0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

dan model B

model C

eksperimentalni podatki

F0

Slika 5.11: Primerjava med napovedmi modelov B in C in eksperimentalnimi podatki po nitratnem dušiku v 1. – anoksi nem reaktorju. Zaradi lažje primerjave rešitev obeh modelov smo od napovedane vrednosti modela C prišteli 3,8 mg N-NO3/L, kar znaša razlika med kalibrirano vrednostjo ter eksperimentalno izmerjeno vrednostjo. Zaklju ek: 1. Modela B in C se odzoveta na spremembe v pretoku in delno sledita eksperimentalnim podatkom. 2. Iz zgoraj predstavljenih slik ni razvidne velike razlike med dinami nimi napovedmi modelov B in C. Na slikah (Slika 5.6, Slika 5.8, Slika 5.10) so dejansko napovedane vrednosti višje od eksperimentalno izmerjenih za razliko, ki smo jo dobili pri spremembi podatkov med kalibracijo modela B. 3. Kljub enakemu odzivu obeh modelov na motnjo v obeh reaktorjih, zaradi težav pri kalibraciji modela B, ve je zaupanje polagamo rešitvi modela C.

5.4.4 Ocena uspešnosti napovedi postavljenih matemati nih modelov pri validaciji modela Glavna uporabnost matemati nih modelov je v njihovih napovedih. Ker napovedi modelov niso 100 %, je poleg napovedi pomembno vedeti tudi zanesljivost napovedi glede na realne podatke. Glede na odstopanje napovedane od eksperimentalne vrednosti, izvršene pri validaciji modela, se odlo imo za uporabo matemati nega modela. V primeru, da bomo matemati ni model uporabili le za u enje, je odstopanje lahko ve je, kot v primeru, ko bomo model uporabili za dimenzioniranje ali vodenje istilne naprave. V našem primeru smo uporabili izra un razlike napovedanih in eksperimentalnih vrednosti po dolo enem parametru po asu v posameznem reaktorju. Rezultati so prikazani v prilogi (

F0 (L/h)

80

M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

81

Priloga 8) in kažejo da: • Je najve ja razlika med napovedjo modela B in eksperimentalno vrednostjo v 1. anoksi nem reaktorju, kjer smo spremenili vhodne podatke zaradi problemov kalibracije. • Da je razlika med napovedjo modela C in eksperimentalnimi podatki manjša od razlike med napovedjo modela B in eksperimentalnimi podatki.


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

82

6 SIMULACIJE Glavni namen postavitve matemati nega modela je poskus simuliranja modela na željene spremembe. Simulacijski odzivi, ki smo jih dobili pri našem modelu le nakazujejo možni odziv pilotnega sistema na dano spremembo. Dejanska sprememba bi v primeru preverbe lahko znatno odstopala od simulirane, kar bi pomenilo, da naš model nepravilno napoveduje stanje zunaj eksperimentalnih to k, kjer se je vršila kalibracija modela. V našem primeru, ko smo model postavili le za u ni namen, simuliranih odzivov nismo eksperimentalno preverjali. V našem primeru smo za simulacijski model vzeli model C, ki se je po naši oceni pri validaciji najbolj približal eksperimentalnim vrednostim. Vse spodaj predstavljene simulacije prikazujejo stanja, ko bi pilotni sistem obratoval pri postavljenih pogojih 300 ur oziroma 12,5 dni. V ve ini primerov je ta as že pomenil stacionarno stanje. Simulirali smo slede a stanja: 1. sprememba pretoka dotoka odpadne vode F0, 2. sprememba pretoka dotoka odpadne vode F0 ter vseh reciklov tako, da je ohranjeno razmerje med dotokom in recikli, 3. sprememba volumna anoksi nega reaktorja Vanx, 4. sprememba vstopne koncentracije substrata SS0, 5. sprememba vstopne koncentracije amonijskega dušika SNH0, 6. koncentracija kisika v aerobnem reaktorju SOaer.

6.1 SPREMEMBA PRETOKA ODPADNE VODE F0 Pri tej simulaciji smo spremenili le pretok odpadne vode, ki se je gibal od 0,5 L/h do 20 L/h. Pri tem se je spreminjal hidravli ni zadrževalni as od 30 h do 0,75 h. Hidravli ni zadrževalni as je izra unan po ena bi 6.1., pri emer kot volumen upoštevamo skupni volumen anoksi nega in aerobnega reaktorja pilotne naprave. Ostale procesne spremenljivke so bile pri tej simulaciji nespremenjene kar pomeni, da se je razmerje med pretoki reciklov in dotoka spreminjalo. HRT (h) =

V (L) F0 (L/h)

(6.1)

V spodnji tabeli in slikah so prikazane stacionarne simulirane vrednosti parametrov pri razli nih zadrževalnih asih v obeh reaktorjih.


83

M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

Tabela 6.1: Tabelari ni prikaz spreminjanja procesnih spremenljivk v obeh reaktorjih s spremembo pretoka odpadne vode, vse ostale procesne spremenljivke so ostale enake. F0

L/h

0.5

1

1.38

3

10

20

HRT

h

30

15

10.87

5

1.5

0.75

SNO1

mg N-NO3/L

0.4

0.14

0.1

0.06

0.03

0.01

SNO2

mg N-NO3/L

3.8

6.4

8.4

14.9

23.5

4.98

SNH1

mg N-NH4/L

2.5

5.4

7.6

15.8

40

59

SNH2

mg N-NH4/L

0.2

0.3

0.4

0.6

9.3

42

SND1

mg N-org/L

1.65

2.02

2.2

2.6

3.8

5.4

SND2

mg N-org/L

0.3

0.23

0.2

0.15

0.16

0.3

SS1

mg KPK/L

4.5

11.8

18.9

55.2

207

361

SS2

mg KPK/L

1.1

1.8

2.4

4.57

13.3

28.5

XH1

mg KPKc/L

845

1575

2103

4136

9934

13737

XH2

mg KPKc/L

824

1540

2060

4080

9937

13848

XA1

mg KPKc/L

52.8

75.2

91

148.6

174

55.5

XA2

mg KPKc/L

52.9

75.6

91.6

149.6

176

56 12000

400

10000

300 8000

250

vrednosti uporabljene pri kalibraciji modela

200

6000

150

4000

XH (mg KPKc/L)

SS (mg KPK/L), SNO (mg N-NO3/L), SNH (mg N-NH4/L), XA (mg KPKc/L)

350

100 2000

50 0

0 0

5

10

15

20

25

SNO2

XA1

30

35

HRT (h) SS1

SS2

SNH1

SNH2

SNO1

XA2

XH1

XH2

Slika 6.1: Grafi ni prikaz odziva procesnih spremenljivk v 1. – anoksi nem in 2. – aerobnem reaktorju na spremembo pretoka odpadne vode ter s tem posledi no spremembe hidravli nega zadrževalnega asa (HRT). Simulacija spremembe pretoka odpadne vode kaže, da bi se proces nitrifikacije pri el ustavljati pri pretoku odpadne vode ve jemu od 3 L/h (Tabela 6.1), kar odgovarja


84

M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

zadrževalnemu asu, krajšemu od 5 ur (Slika 6.1) Pri tem zadrževalnem asu koncentracija amonijskega dušika (SNH2) pri ne naraš ati, kar je posledica padca koncentracije aktivne avtotrofne biomase (XA2).

6.2 SPREMEMBA RECIKLOV

PRETOKA

ODPADNE

VODE

F0

IN

Pri tej simulaciji smo poleg pretoka odpadne vode F0 spreminjali pretoke vseh reciklov tako, da smo ohranili enako razmerje med vsemi pretoki. Razmerja so bila slede a: FIR/F0=274 %, FR/F0=172 %, FW/F0=1,23 %.

Tabela 6.2: Tabelari ni prikaz spreminjanja procesnih spremenljivk v obeh reaktorjih s spremembo pretoka odpadne vode ter vseh reciklov tako, da je ohranjeno razmerje med dotokom in recikli (vse ostale procesne spremenljivke so ostale enake). F0

L/h

0.5

1

1.38

3

10

20

HRT

h

30

15

10.87

5

1.5

0.75

SNO1 SNO2 SNH1

mg N-NO3/L

0.08

0.09

0.1

0.12

0.02

mg N-NO3/L

8.4

8.4

8.33

7.2

0.39

mg N-NH4/L

7.7

7.6

0.1 8.4 7.6

7.66

13

47

SNH2 SND1 SND2

mg N-NH4/L

0.2

0.32

0.69

mg N-org/L

1.9

2.1

mg N-org/L

0.15

0.18

0.4 2.2 0.2

0.25

7.2 3.4 0.5

46.2 4.8 1.1

SS1 SS2 XH1 XH2 XA1 XA2

mg KPK/L

18.2

18.7

19.8

32.8

115.9

mg KPK/L

2.02

2.3

2.8

6.7

38.1

mg KPKc/L

916

1607

3952

8665

10446

mg KPKc/L

867

1563

3916

8651

10590

mg KPKc/L

58.1

77.6

137.7

184

17.5

mg KPKc/L

58.2

78

18.96 2.4 2103 2060 91.1 91.6

138.4

184.8

17.6

2.47


85

M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

200

12000

10000

160 140

8000

vrednosti uporabljene pri kalibraciji modela

120 100

6000

80 4000

60 40

XH (mg KPKc/L)

SS (mg KPK/L), S NO (mg N-NO3/L), SNH (mg N-NH4/L), X A (mg KPKc/L)

180

2000

20 0

0 0

5

10

15

20

25

30

35

HRT (h) SS1

SS2

SNH1

SNH2

SNO1

SNO2

XA1

XA2

XH1

XH2

Slika 6.2: Grafi ni prikaz odziva procesnih komponent v 1.- anoksi nem in 2.- aerobnem reaktorju na spremembo pretoka odpadne vode in reciklov. Podobno kot pri 1. simulaciji se tu proces nitrifikacije ustavi pri zadrževalnem asu, krajšem od 5 ur. Pove anje pretokov reciklov zaradi ve jega vra anja odpadne vode povzro i še krajši zadrževalni as odpadne vode v drugem - aerobnem reaktorju, kar pomeni še ve jo koncentracijo amonijskega dušika pri enakem zadrževalnem asu, kot smo jo imeli pri 1. simulaciji. Pove anje pretokov reciklov v našem primeru ne vpliva na proces denitrifikacije, saj je v vseh simuliranih vrednostih koncentracija nitratnega dušika (SNO1) v prvem - anoksi nem reaktorju pod 0,1 mg N/L.

6.3 SPREMEMBA VOLUMNA ANOKSI NEGA REAKTORJA Vanx Pri tej simulaciji smo s spreminjanjem volumna anoksi nega reaktorja poskušali ugotoviti, kateri je tisti volumen, kjer je denitrifikacija še vedno 100 %. Rezultati simulacije so razvidni iz spodnje tabele in slik.


86

M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

Tabela 6.3: Tabelari ni prikaz spreminjanja procesnih komponent v obeh reaktorjih s spremembo volumna anoksi nega reaktorja. Vanx

L

0.5

1

2

4

5

10

SNO1

mg N-NO3/L

8.3

1.2

0.3

0.12

0.1

0.05

SNO2

mg N-NO3/L

16.6

9.4

8.6

8.38

8.4

8.31

SNH1

mg N-NH4/L

3.5

4.32

5.9

7.2

8

8

SNH2

mg N-NH4/L

0.36

0.36

0.37

0.39

0.4

0.44

SND1

mg N-org/L

7.5

5.82

4.1

2.58

2.2

1.31

SND2

mg N-org/L

0.64

0.49

0.35

0.23

0.2

0.13

SS1

mg KPK/L

36.2

21.5

19.5

18.9

18.9

18.9

SS2

mg KPK/L

4.4

2.57

2.36

2.37

2.4

2.6

XH1

mg KPKc/L

2230

2251

2215

2139

2103

1942.8

XH2

mg KPKc/L

2194

2206

2170

2096

2060

1904

XA1

mg KPKc/L

98.8

97.4

95.7

92.6

91.1

85

XA2

mg KPKc/L

99.2

97.7

96

93

91.6

85.5

12000 vrednosti uporabljene pri kalibraciji modela

100

10000

80

8000

60

6000

40

4000

20

2000

0

XH2 (mg KPKc/L)

SS2 (mg KPK/L), SNO2 (mg N-NO3/L), SNH2 (mg N-NH4/L), XA2 (mg KPKc/L)

120

0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

Vanx (L) SS1

SS2

SNH1

SNH2

SNO1

SNO2

XA1

XA2

XH1

XH2

Slika 6.3: Grafi ni prikaz odziva procesnih komponent v 1.- anoksi nem in 2.- aerobnem reaktorju na spremembo volumna anoksi nega reaktorja. Iz tabele in slike (Slika 6.3) je razvidno, da bi proces denitrifikacije postal manj u inkovit pri volumnu anoksi nega reaktorja manjšem od 1 L. Pri volumnu anoksi nega reaktorja 0,5 L bi bila koncentracija nitratnega dušika v anoksi reaktorju (SNO1) 8,3 mg N-NO3/L, posledi no pa bi se zvišala tudi koncentracija nitratnega dušika na iztoku iz pilotke (SNO2),


87

M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

ki bi bila 16,6 mg N-NO3/L. Iz te simulacije lahko zaklju imo, da bi bil idelani volumen anoksi nega reaktorja za naše razmere enak 1 L.

6.4 SPREMEMBA VSTOPNE KONCENTRACIJE SUBSTRATA SS0 Pri tej simulaciji smo spreminjali vstopno koncentracijo substrata izraženega kot KPK od 20 mg/L do 1200 mg KPK/L. Želeli smo ugotoviti pri kateri koncentraciji substrata pride do: 1. slabše u inkovitosti denitrifikacije, kar pomeni porast nitratnega dušika v anoksi reaktorju in 2. slabše u inkovitosti nitrifikacije zaradi preraš anja heterotrofov.

Tabela 6.4: Tabelari ni prikaz spreminjanja procesnih komponent v obeh reaktorjih s spremembo koncentracije vstopnega substrata. SS0

mg KPK/L

20

200

511

1000

1200

SNO1

mg N-NO3/L

54

34.8

0.1

0.014

0.007

SNO2

mg N-NO3/L

66.7

46

8.4

4

2.23

SNH1

mg N-NH4/L

7.2

8.5

7.6

10.3

11

SNH2

mg N-NH4/L

0.4

0.4

0.4

0.28

0.19

SND1

mg N-org/L

11.9

4.2

2.2

1.35

1.17

SND2

mg N-org/L

6.6

0.8

0.2

0.07

0.05

SS1

mg KPK/L

0.91

1.95

18.9

152.9

206

SS2

mg KPK/L

0.59

0.5

2.4

11.9

13.8

XH1

mg KPKc/L

164

889.8

2103

3742.7

4419

XH2

mg KPKc/L

162

868.9

2060

3738.6

4431

XA1

mg KPKc/L

125.2

114.7

91.1

57.4

43.4

XA2

mg KPKc/L

125.9

115.4

91.6

57.5

43.5


88

M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

12000

10000

200 vrednosti uporabljene pri kalibraciji modela

8000

150 6000

100

XH (mg KPKc/L)

SS (mg KPK/L), S NO (mg N-NO 3/L), SNH (mg N-NH4/L), XA (mg KPKc/L)

250

4000

50

2000

0

0

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

SS0 (mg KPK/L) SS1

SS2

SNH1

SNH2

SNO1

SNO2

XA2

XA1

XH1

Slika 6.4: Grafi ni prikaz odziva procesnih komponent v 1.- anoksi nem in 2.- aerobnem reaktorju na spremembo koncentracije vstopnega substrata. Pri nižanju koncentracije substrata izraženega kot KPK se u inkovitost denitrifikacije mo no zniža tako, da koncentracija nitratnega dušika v prvem – anoksi nem reaktorju naraste od vstopnega 20 mg KPK/L na 54 mgN-NO3/L. Iz tega lahko zaklju imo, da je naš pilotni sistem voden idealno e upoštevamo koncentracijo vstopnega nitrata glede na povratni nitratni dušik. Pove ana koncentracija vstopnega substrata KPK pri naši simulaciji ne vpliva na pove ano koncentracijo amonijskega dušika na iztoku, saj se v tem primeru zaradi mo nega prirasta heterotrofne biomase ves amonijski dušik vgradi v novo celi no biomaso in se ne oksidira v nitratni dušik. Koncentracija avtotrofne biomase zaradi preraš anja heterotrofov pada, posledi no pa tudi nastali nitratni dušik. V realnem sistemu je pri akovati še hitrejši odziv preraš anja heterotrofne biomase nad avtotrofno.

6.5 SPREMEMBA VSTOPNE AMONIJSKEGA DUŠIKA SNH0

KONCENTRACIJE

Pri tej simulaciji smo spreminjali vstopno koncentracijo amonijskega dušika od 5 do 10000 mg N-NH4/L z namenom ugotovitve, do katere koncentracije bo koncentracija amonijskega dušika v drugem –aerobnem reaktorju pod 10 mgN/L. Podatki simulacije so predstavljani v spodnji tabeli in slikah.

XH2


89

M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

Tabela 6.5: Tabelari ni prikaz spreminjanja procesnih komponent v obeh reaktorjih s spremembo koncentracije amonijskega dušika. 5

20.6

50

200 1000 2000 3000 4000 5000 10000

SNH0

mg N-NH4/L

SNO1

mg N-NO3/L

SNO2

mg N-NO3/L

5.62 8.36 29.1

177

968 2000 2944 3606 3612 3618

SNH1

mg N-NH4/L

5.93

7.6

12.2

39.8

186 370 555 1029 2024 7019

SNH2

mg N-NH4/L

0.34

0.4

0.47

0.59 0.95 1.63 3.5

334

SND1

mg N-org/L

2.2

2.2

2.2

2.2

2.2

2.2

2.2

2.2

2.2

2.2

SND2

mg N-org/L

0.2

0.2

0.2

0.2

0.2

0.2

0.2

0.2

0.2

0.2

SS1

mg KPK/L

44.7 18.9

2.2

2.1

2.1

2.1

2.1

2.1

2.1

2.1

SS2

mg KPK/L

5.9

0.27

0.3

0.26 0.26 0.26 0.26

0.26

0.26

XH1

mg KPKc/L

2035.8 2103 2147 2146.7 2146 2147 2147 2146.9 2146.9 2147

XH2

mg KPKc/L

2009.5 2060 2093 2093.5 2093 2093 2093 2093 2093 2093

XA1

mg KPKc/L

69.9 91.1 132.5 344.4 1194 1846 2199 2301 2303 2306

XA2

mg KPKc/L

70.2 91.6 133.24 346.9 1206 1871 2238 2355 2357 2360

0.046 0.1

2.4

15.6 136.7 782 1590 2396 2961 2921 2926

8000

12000

7000

10000

6000 8000

5000 4000

6000

3000

4000

XH (mg KPKc/L)

SS (mg KPK/L), SNO (mg N-NO 3/L), SNH (mg N-NH4/L), XA (mg KPKc/L)

1327 6321

2000 2000

1000 0 0

2000

4000

6000

8000

10000

0 12000

SNH0 (mg N-NH4/L) SS1

SS2

SNH1

SNH2

SNO1

SNO2

XA1

XA2

XH1

XH2

Slika 6.5: Grafi ni prikaz odziva procesnih komponent v 1.- anoksi nem in 2. – oksi nem reaktorju na spremembo koncentracije amonijskega dušika. Iz dane simulacije lahko zaklju imo, da lahko pilotni sistem prenese obremenitev po doto nem amonijskem dušiku do 1000 mg/L, pa je obenem koncentracija na iztoku (SNH2) ne presega 2 mg/L. Ta napoved se ne sklada z eksperimentalnimi podatki, kjer smo stopenjsko spreminjali pretok odpadne vode in s tem tudi obremenitve po parametru


90

M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

amonijski dušiku. Na sliki (Slika 5.9) je razvidno, da pri 2.3 kratnem pove anju obremenitve, koncentracija amonijskega dušika naraste iz 0,4 mg/L na 10 mg/L.

6.6 SPREMEMBA KONCENTRACIJE KISIKA V AEROBNEM REAKTORJU SOAER Pri tej simulaciji smo spreminjali koncentracijo raztopljenega kisika v 2. –aerobnem reaktorju od 0 do 7 mg O2/L z namenom ugotovitve, do katere spodnje koncentracije bo koncentracija amonijskega dušika pod 10 mgN/L. Podatki simulacije so predstavljani v spodnji tabeli in diagramih.

Tabela 6.6: Tabelari ni prikaz spreminjanja procesnih komponent v obeh reaktorjih s spremembo koncentracije raztopljenega kisika v 2.- aerobnem reaktorju. 0

0.05

0.1

0.2 0.25 0.3 0.4 0.5

1

2

mg/L

SNO1 SNO2 SNH1

mg N-NO3/L

0.015 0.032 0.078 0.086 0.09 0.093 0.095 0.097 0.099 0.1

0.1

mg N-NO3/L 0.033

1.59

4.16

7.8

8.05

8.2

8.23 8.27 8.32 8.34

8.4

8.4

mg N-NH4/L 62.28

44.4

29.5

10.4

9.18

8.7

8.25 8.06 7.77 7.66

7.6

7.6

SNH2 SND1 SND2 SS1

mg N-NH4/L 67.47

41.9

24.9

3.6

2.18

1.6

1.13 0.91 0.59 0.47

0.4

0.4

mg N-org/L

10.2

2.55

2.33

2.21

2.21

2.2

2.2

2.2

2.2

2.2

2.2

2.2

mg N-org/L

5.07

0.27

0.22

0.2

0.2

0.2

0.2

0.2

0.2

0.2

0.2

0.2

mg KPK/L

479.7 131.2 71.93 26.2

23.3

22

20.9 20.4 19.5 19.1 18.9 18.9

mg KPK/L

479.7

4.8

4.2

3.7

SS2 XH1 XH2 XA1 XA2

69.7

24

5.8

3.37

2.8

2.56

5.5

7

SOaer

2.4

2.4

mg KPKc/L 213.78 1746.6 1952.9 2080 2088.8 2092 2096 2089 2101 2102 2103 2103 mg KPKc/L 209.46 1742.9 1934.8 2040 2047.8 2051 2054 2055 2059 2060 2060 2060 mg KPKc/L 25.53

42.8

63

87

mg KPKc/L 25.47

42.7

63.3

87.5

88.8 89.6 90.2 90.5 90.9 89.3

90

91

91.1 91.1

90.6 90.9 91.3 91.5 91.6 91.6


91

M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

80

9 8

vrednosti uporabljene pri kalibraciji modela

7

SNH2 (mg N-NH4/L)

60

6

50

5 40 4 30

3

20

SNO2 (mg N-NO 2/L)

70

2

10

1

0

0 0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

7.5

SOaer (mg O2/L) SNH2

SNO2

Slika 6.6: Grafi ni prikaz odziva procesnih komponent v 2.- aerobnem reaktorju na spremembo koncentracije raztopljenega kisika v aerobnem reaktorju. Iz dane simulacije lahko zaklju imo, da bi se v našem primeru koncentracija amonijskega dušika na iztoku pove ala nad 10 mg/L v primeru, ko bi bila koncentracija raztopljenega kisika v aerobnem reaktorju pod 0,1 mg/L. Orhon in Artan (1994) na predstavljeni sliki (Slika 2.4) predstavljata ve ji vpliv raztopljenega kisika na hitrost nitrifikacije v aerobnem reaktorju, kot smo ga dobili mi v omenjeni simulaciji. Iz zgoraj predstavljenih simulacij lahko potegnemo slede e splošne zaklju ke: • prikazane simulacije prikazujejo pri akovani potek simuliranih stanj, medtem ko so simulirane vrednosti vprašljive. • Simuliranje razli nih stanj izven obmo ja meritev, kjer se je izvajala kalibracija lahko privede do napa nih rešitev kljub temu, da je bil model uspešno validiran. To je dobro razvidno iz simulacije vpliva raztopljenega kisika na hitrost nitrifikacije, kjer smo pilotni poskus ves as eksperimentiranja vodili pri 5,5 mg/L kisika. Pri kalibraciji stacionarnega stanja so težo prevzeli drugi parametri, kot e bi sistem vodili pri nižjih koncentracijah kisika, ko je že opazen vpliv le tega. • Vsaka pomembna rešitev matemati nega modela se mora preveriti tudi v praksi • Za ve je zaupanje v matemati ni model ter njegove simulacijske rešitve je potrebno matemati ni model bolj natan no opisati z ve imi spremenljivkami ter v razli nih stanjih obratovanja.


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

92

7 ZAKLJU EK V predstavljeni nalogi je prikazan na in postavitve dinami nega matemati nega modela laboratorijske pilotne naprave za odstranjevanje ogljikovih in dušikovih spojin z namenom poglobitve razumevanja kompleksnih bioloških procesov iš enja. Delo je bilo pretežno sestavljeno iz razvoja dinami nega matemati nega modela, ki temelji na procesu nitridenitrifikacije, verifikaciji rešitve in vrednotenju modela. Pri matemati nem opisovanju delovanja pilotne biološke istilne naprave, ki zagotavlja odstranjevanje razgradljivih ogljikovih spojin in s procesom nitrifikacije in denitrifikacije tudi odstranjevanje dušikovih spojin, smo izhajali iz modela z imenom »Activated Sludge Model No.1«- ASM1 in novejšega modela - ASM3. Zapis dinami nega modela smo prevedli v stacionarno obliko in ga s pomo jo programskega paketa Mathematica 4.0 kalibrirali na eksperimentalne podatke z dolo itvijo kineti nih in stehiometri nih parametrov. Na osnovi kalibracije, ocenjene vrednosti parametrov uporabimo v dinami nem modelu ter napovemo gibanje posameznih procesnih spremenljivk glede na motnjo. Primerjava med napovedanimi in eksperimentalnimi podatki je osnova za validacijo dinami nega modela. Izvedli smo tri nize eksperimentov, na osnovi katerih smo postavili štiri razli ne rešitve dinami nega matemati nega modela. Pri modelu A in B, ki sta popolnoma upoštevala pravila modela ASM1, smo za uspešno kalibracijo morali spremeniti dolo ene eksperimentalne podatke v prvem-anoksi nem reaktorju, zato se validacija omenjenih modelov ni najbolj približala realnim vrednostim. Zaradi sprememb eksperimentalnih podatkov smo v modelu C, ki je bil zgrajen na strukturi modela ASM1, dovolili razli ne vrednosti kineti nih in stehiometrijskih parametrov v anoksi nem in aerobnem reaktorju. S spremembami, uvedenimi v model C, smo se poskušali približati novemu modelu ASM3. Ker je model ASM3 v svoji strukturi že imel uvedene spremembe glede vrednosti kineti nih in stehiometri nih parametrov, smo kalibracijo modela D poskušali izvesti tudi po tem modelu. Zaradi preobsežnosti modela z uvedbo novih procesnih spremenljivk je bila kalibracija modela D neuspešna. Iz tega lahko zaklju imo, da model ASM3 ne pove a zaupanja v eksperimentalne podatke, temve le pove a rešljivost modela. Primerjava med eksperimentalnimi podatki in napovedjo modela C kaže na precej ve jo zanesljivost napovedi modificiranega modela C, ki predvideva razli nost pogojev v obeh tipih reaktorja, hkrati pa ohranja preprostejšo strukturo modela s precej manj parametri kot ASM3. Model C je tako predstavljen kot najboljša rešitev za dane eksperimentalne podatke, na katerem smo izvedli simulacije razli nih stanj. Simulirane vrednosti kažejo odziv, vendar so vrednosti nezanesljive in jih je potrebno preveriti v praksi. Ocenjujemo, da dinami en model C lahko uporabljamo za študijske namene pove anja razumevanja iš enja odpadne vode. Vzroki za dejstvo, da matemati ni model ne napoveduje dejanskega stanja so lahko v: eksperimentalnih podatkih, kjer smo dolo evali stacionarno stanje (stacionarno stanje je le navidezno, težka dolo itev prave koncentracije aktivnih heterotrofnih in avtotrofnih bakterij, naša dolo itev SS se ne ujema z modelno definicijo SS);


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

93

kalibraciji modela, kjer lahko dolo en kineti ni ali stehiometri ni parameter prevzame vrednost drugega, pri emer ravno tako dobimo uspešno kalibracijo, validacija modela pa pokaže odstopanje; konstantne vrednosti kineti nih in stehiometri nih parametrov, ki so definirane v modelu in so le navidezne konstante. Vse konstante so odvisne od temperature ter ostalih pogojev okolja in se med poskusom spreminjajo; eksperimentalno dobljenih vrednostih kineti nih in stehiometri nih parametrov, ki so odstopale od kalibriranih vrednosti. Razlika je lahko nastala zaradi sprememb pogojev okolja ob dolo itvi posameznega parametra.


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

94

8 SIMBOLI

Simbol

Enota

A

1/h

H

1/h

µ

1/h

ϕ

brez enote

ϑ

1/oC

θc

dan

ηDENIT

brez enote

ηg ηNOX

brez enote

ηH

brez enote

ηh

brez enote

AUR

mg N/L.h

bA

1/h

bH

1/h

bHNOX

1/h

Pomen

Maksimalna specifi na hitrost rasti avtotrofne biomase Maksimalna specifi na hitrost rasti heterotrofne biomase Specifi na hitrost rasti biomase Faktor pretvorbe odmrle biomase v topne produkte temperaturna konstanta

Simbol uporabljen v matemat. orodju Mathematica 4.0

Angleški pomen

MaxA

Max. specific growth rate for avtotrophic biomass

MaxH

Max. specific growth rate for heterotrophic biomass Specific growth rate for biomass

PSI Temperature constant Solids retention time – sludge age

Starost blata Delež heterotrofnih denitrifikatorjev Korekcijski faktor za MaxH v anoksi nih razmerah Delež heterotrofnih bakterij Korekcijski faktor za hidrolizo v anoksi nih razmerah

etag

Correction factor for hydrolysis under anoksic conditions Ammonium uptake rate

Hitrost nitrifikacije Specifi na hitrost izgube avtotrofne biomase Specifi na hitrost izgube heterotrofne biomase Specifi na hitrost izgube heterotrofne biomase v

Correction factor for µH under anoksic conditions

bA

Decay coeff. for avtotrophic biomass

bH

Decay coeff. for heterotrophic biomass anoxic endogenous respiration rate


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

Simbol

Enota

Pomen

Simbol uporabljen v matemat. orodju Mathematica 4.0

bHO

1/h

bSTO,NOX

1/h

bSTO,O

1/h

deNI ηAVT

brez enote

F

L/h

anoksi nem okolju Specifi na hitrost izgube heterotrofne biomase v aerobnem okolju Razgradnja XSTO v anoksi nem okolju Razgradnja XSTO v aerobnem okolju Delež nitrifikacijskih bakterij Pretok

fA

brez enote

Aktivni del biomase fa

fP

brez enote

HRT

h

iXB

mg N/mg KPKc

iXP

mg N/mg KPKc

ka

L KPK/mg.h

KALK

mol HCO3-/L

kh

mg KPK/mg KPK.h

KNH

mg N/L

KNO

mg N/L

Delež biomase, ki se pretvori v netopne produkte Zadrževalni as v conah brez upoštevanja volumna usedalnika Razmerje dušika proti KPK v biomasi Razmerje dušika proti KPK v odmrli biomasi Koeficient reakcijske hitrosti za amonifikacijo Koeficient polovi ne hitrosti alkalitete Koeficient reakcijske hitrosti za hidrolizo Koeficient polovi ne hitrosti nasi enja amonijevega dušika za avtotrofno biomaso Koeficient polovi ne hitrosti nasi enja nitatnega

95

Angleški pomen

Aerobic endogenous respiration rate Anoxic respiration rate of XSTO Aerobic respiration rate of XSTO deNI F

Volumetric flow Active fraction of the biomass Fraction of biomass yielding part. Products

HRT

Hydraulic residence time

iNx

Mass N/mass COD in biomass Mass N/mass COD in products from biomass

ka

Ammonification rate Half-saturation coeff. for alkalinity Max. specific hydrolyses rate

KNH

Ammonia halfsaturation coeff. for avtotrophic biomass

KNO

Nitrate half-saturation coeff. for heterotrophic biomass


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

Simbol

Enota

KNOX

mg N/L

KOA

mg O2/L

KOH

mg O2/L

KS

mg KPK/L

kSTO

gKPK/gKPK.d

KSTO

mg KPK/L

KX

mg KPK/mg KPKc

NUR

mg N/L.h

OUR

mg O2/L.h

r

mg KPK/L.h

RAaer

mg KPKc/L.h

Pomen

dušika za heterotrofno biomaso Koeficient polovi ne hitrosti nasi enja nitatnega in nitritnega dušika za heterotrofno biomaso Koeficient polovi ne hitrosti nasi enja kisika za avtotrofno biomaso Koeficient polovi ne hitrosti nasi enja kisika za heterotrofno biomaso Koeficient polovi ne hitrosti nasi enja organskega substrata za heterotrofno biomaso Kostanta hrambe materiala v celice Koeficient polovi ne hitrosti nasi enja hrambe organskega substrata Koeficient polovi ne hitrosti nasi enja za hidrolizo netopnega biorazgradljivega substrata Hitrost denitrifikacije Hitrost porabe kisika Hitrost procesa Hitrost aerobne rasti avtotrofov

Simbol uporabljen v matemat. orodju Mathematica 4.0

96

Angleški pomen

Nitrate and nitrite half-saturation coeff. for heterotrophic biomass

KOA

Oxygen halfsaturation coeff. for avtotrophic biomass

KOH

Oxygen halfsaturation coeff. for heterotrophic biomass

KS

Half-saturation coeff. for heterotrophic biomass

Storage rate constant

Half-saturation coeff. for XSTO

Half-saturation coeff. for hydrolysis of slowly biodegadable substrate

Nitrate uptake rate Oxygen uptake rate

RAaer

Process rate Process rate of aerobic growth of autotrophs


97

M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

Simbol

Enota

Pomen

Simbol uporabljen v matemat. orodju Mathematica 4.0

RHaer

mg KPKc/L.h

Hitrost aerobne rasti heterotrofov

Rhaer

RHanx

mg KPKc/L.h

S

mg/L

SALK

mol HCO3-/L

SI

mg KPK/L

SN2

mg N/L

SND

mg N/L

SNH

mg N/L

SNO

mg N/L

SNOX

mg N/L

SO

mg O2/L

SS

mg KPK/L

T V

o

Vaer

L

Vanx

L

Vs

L

X

mg KPK/L

XB

mg KPKc/L

XBA

mg KPKc/L

C L

Hitrost anoksi ne rasti heterotrofov Koncentracija topnih spremenljivk

RHanx S

Alkaliteta vode Koncentracija (topnega) inertnega substrata Koncentracija plinastega dušika Koncentracija topnega organskega dušika Koncentracija amonijskega dušika Koncentracija nitratega dušika Koncentracija nitratega in nitritnega dušika Koncentracija raztopljenega kisika Koncentracija (topnega) biorazgradljivega substrata Temperatura vode Volumen Volumen aerobnega reaktorja Volumen anoksi nega reaktorja Volumen usedalnika Koncentracija partikulatnih spremenljivk Koncentracija skupne biomase v enoti KPK Koncentracija

SI

Angleški pomen Process rate of aerobic growth of heterotrophs Process rate of anoksic growth of heterotrophs Soluble constituent concentration Alkalinity of the wastewater Inert (soluble) substrate concentration dinitrogen

SND

Soluble organic-N concentration

SNH

Ammonia-N concentration

SNO

Nitrate-N concentration Nitrate and nitrite-N concentration

SO

Dissolved oxygen concentration

SS

Readily biodegradable (soluble) substrate concentration

T V

temperature Volume

Vaer

Volume of aerobic zone

Vanx

Volume of anoksic zone

Vs

Volume of settler

X

Particulate constituent concentration

XB

Total biomass concentration in COD units

XBA

Active autotrophic


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

Simbol

Enota

XBH

mg KPKc/L

XBT

mg TSS/L

XI

mg KPK/L

XND

mg N/L

XP

mg KPK/L

XS

mg KPK/L

XSS

mg SS/L

XSTO

mg KPK/L

YA

mg KPKc/mg N

YH

mg KPKc/mg KPK

Pomen

aktivne avtotrofne biomase biomase v enoti KPK Koncentracija aktivne heterotrofne biomase biomase v enoti KPK Koncentracija biomase biomase v enoti TSS Netopni inertni organski substrat Netopni biorazgradljivi organski dušik Netopni inertni produkti iz odmiranja biomase Netopni (po asi) biorazgradljivi substrat Koncentracija suspendiranih snovi Hranjeni material v heterotrofnih mikroorganizmih Koeficient prirasta avtotrofne biomase Koeficient prirasta heterotrofne biomase

Simbol uporabljen v matemat. orodju Mathematica 4.0

98

Angleški pomen biomass concentration in COD units

XBH

Active heterotrophic biomass concentration in COD units Biomass concentration in TSS units

XI

Particulate inert organics

XND

Particulate biodegradable organic nitrogen Particulate products arising from biomass decay

XS

Slowly biodegradable substrate Suspended solids

Xsto

Internal storage product of heterotrophic organisms

YA

Avtotrophic yield

YH

Heterotrophic yield


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

Dodatni Pomen indeksi Dotok odpadne vode na pilotno 0 napravo (v anoksi reaktor) Iztok iz anoksi nega reaktorja oz. 1 položaj v anoksi nem reaktorju Iztok iz aerobnega reaktorja oz. 2 položaj v oksi nem reaktorju Iztok odpadne vode iz pilotne naprave 3 Zunanji recikel (povratek usedenega ER blata v anoksi reaktor) Notranji recikel (povratek iz aerobnega IR v anoksi reaktor) Iztok usedenega blata iz usedalnika R Odvišno blato W Anoksi ni reaktor anx Oksi ni reaktor aer usedalnik s Avtotrofni mikroorganizmi A Heterotrofni mikroorganizmi H

Anleški pomen

Influent point Effluent from anoksic zone Effluent from aerobic zone Effluent point Biomass recycle stream Recirculation stream Total biomass recycle stream Wastage stream Anoksic zone Oksic zone Settler Autotrophic microorganisms Heterotrophic microorganisms

99


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

100

9 PRILOGE Nalogo dopolnjujejo slede e priloge, ki so dopolnilo posameznim poglavjem: Priloga 1: Prikaz izra una stehiometrijskih neznank x, y in z v ASM3 modelu . ............. 101 Priloga 2: Grafi ni prikaz meritev št. 1 ............................................................................. 102 Priloga 3: Dinami ni model dvostopenjske pilotne istilne naprave – MODEL A .......... 106 Priloga 4: Dinami ni model dvostopenjske pilotne istilne naprave – MODEL B .......... 118 Priloga 5: Dinami ni model dvostopenjske pilotne istilne naprave – MODEL C .......... 129 Priloga 6: Dinami ni model dvostopenjske pilotne istilne naprave – MODEL D ......... 141 Priloga 7: Primerjava kalibriranih vrednosti kineti nih in stehiometrijskih konstant ....... 149 Priloga 8: Ocena uspešnosti napovedi postavljenih matemati nih modelov pri validaciji modela ............................................................................................................. 151


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

101

Priloga 1: Prikaz izra una stehiometrijskih neznank x, y in z v ASM3 modelu . Priloga 1 je dopolnilo poglavja 3.5-STEHIOMETRIJA

V spodnji tabeli so prikazane izpeljane ena be za izra un stehiometrijskih neznank x (ThOD), y (N) in z (ionski naboj). Ve ina ena b/konstant je enaka z modelom ASM1. Primer izra una za x, y in z za proces aerobne hrambe SS (j = 2): x2: v2,1 * ι1,1 + v2,3 * ι1,3 + v2,11 * ι1,11 = 0 x2 * (-1) + (-1) * 1 + YSTO,O2 * 1 = 0 → x2 = - 1 + YSTO,O2 y2: -1 * iN,SS + y2 * 1 = 0 → y2 = iN,SS z2:

y2 * 1/14 – z2 = 0 → z2 = y2/14 = iN,SS/14

Tabela 9.1: Ena be za izra un stehiometrijskih konstant v modelu ASM3. X... (ThOD)

Y... (N)

Z... (ionski naboj)

x1 = 1 - fSI

y1 = - fSI iN,SI - (1 - fSI) iN,SS+ iN,XS

z1 = (- fSI iN,SI - (1 - fSI) iN,SS+ iN,XS)/14

x2 = - (1-YSTO,O2)

y2 = iN,SS

z2 = iN,SS/14

x3 = - (1YSTO,NOX)/2,86

y3 = iN,SS

z3 = (iN,SS+(1-YSTO,NOX)/2,86)/14

x4 = - (1-YH,O2)/YH,O2

y4 = - iN,BM

z4 = - iN,BM/14

x5 = - (1-YH,NOX)/YH,NOX 2,86

y5 = - iN,BM

z5 = (-iN,BM+(1-YH,NOX)/YH,NOX 2,86)/14

x6 = - (1-fXI )

y6 = iN,BM – fXI iN,XI

z6 = (iN,BM – fXI iN,XI) / 14

x7 = - (1-fXI) / 2,86

y7 = iN,BM – fXI iN,XI

z7 = (- (1-fXI) / 2,86- iN,BM – fXI iN,XI)/14

x8 = -1 x9 = - 1 / 2,86

z9 = 1 / (2,86 .14)

x10 = -(4,57 – YA) / YA

y10 = - (1/YA + iN,BM)

z10 = - (2/YA+ iN,BM)/14

x11 = - (1-fXI )

y11 = iN,BM – fXI iN,XI

z11 = (iN,BM – fXI iN,XI) / 14

x12 = - (1-fXI) / 2,86

y12 = iN,BM – fXI iN,XI

z12 = (iN,BM – fXI iN,XI+(1-fXI) / 2,86) / 14


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

102

Priloga 2: Grafi ni prikaz meritev št. 1 Priloga 2 je dopolnilo poglavja 5.2.1-Eksperimentalni podatki – meritve št.1

KPK (mg/L)

Na spodnjih slikah so prikazana dnevne povpre ne analizirane vrednosti dotoka in iztoka iz pilotne istilne naprave ter trenutnih analiznih vrednosti anoksi in oksi cone. 900 850 800 750 700 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

analizni dan dotok

anoxi cona

oxi cona

iztok

Slika 9.1: Prikaz nihanja KPK (SS) v dotoku, anoksi, oksi coni ter iztoku pri 1 meritvah. Nihanje KPK na dotoku je posledica težkega natan nega pripravljanja skupnega volumna umetno pripravljenega dotoka (80L) iz koncentriranih raztopin hranil (2 L)


103

M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

10.0 9.0 8.0

N-NO3 (mg/L)

7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 analizni dan

dotok

anoxi cona

oxi cona

iztok

Slika 9.2: Prikaz nihanja nitratnega dušika (SNO) v dotoku, anoksi, oksi coni ter iztoku pri 1 meritvah. 30.0 28.0 26.0 24.0 22.0

N-NH4 (mg/l)

20.0 18.0 16.0 14.0 12.0 10.0 8.0 6.0 4.0 2.0 0.0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

analizni dan dotok

anoxi cona

oxi cona

iztok

Slika 9.3: Prikaz nihanja amonijskega dušika (SNH) v dotoku, anoksi, oksi coni ter iztoku pri 1 meritvah.


104

M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

60 55 50 45

N-org (mg/l)

40 35 30 25 20 15 10 5 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 analizni dan

dotok

anoxi cona

oxi cona

iztok

Slika 9.4: Prikaz nihanja organskega dušika (SND) v dotoku, anoksi, oksi coni ter iztoku pri 1 meritvah.

14

35

13 12

30

11 25

9 8

20

7 6

15

5 4

starost blata (dan)

X (mg MLSS/L)

10

10

3 2

5

1 0

0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

analizni dan X-anoxi cona

X-oxi cona

XR

starost blata

Slika 9.5: Prikaz nihanja sestave aktivne biomase v anoksi, oksi coni ter v zunanjem reciklu usedenega blata.


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

105

Iz zgoraj predstavljenih slik je razvidno slede e: 1. nihanje sestave dotoka – vzrok je v spremembi koncentracije realne odpadne vode (20 % skupnega volumna) in težki pripravi skupnega volumna odpadne vode (40 litrov). 2. nihanje koncentracije blata v vseh stopnjah – zaradi spreminjanja mikrobiološke sestave aktivnega blata, na katero s procesnimi parametri nismo imeli vpliva. Najbolj se je to pokaže v usedalniku, ki ob asno ni vra al zgoš enega blata zaradi zamašenosti cevi (zelo gosto blato); ob asno pa je prišlo do izplavljanja aktivnega blata ez preliv usedalnika (pojav nitastih bakterij), kar je povzro ilo izgubo biomase ter ponovno nihanje koncentracije v sistemu. 3. Koncentracije na iztoku se delno razlikujejo od koncentracij v oksi coni zaradi slede ih možnih vzrokov: • Razli ni na in vzor enja iztoka in vzorca iz oksi cone - Vzorci iztoka so bili 24 urni povpre ni in za analizo ne-filtrirani, vzorci v oksi coni pa trenutni ter prefiltrirani ez filter papir premera por 0,45µm zato so vrednosti (SS, SND) v oksi coni praviloma nižje. • Zaradi velikih problemov z usedalnikom, usedanjem blata ter pojavom nitastih bakterij je usedalnik ob asno imel reaktorsko funkcijo (razpad biomase povzro i pove anje SS, SND; daljši zadrževalni as biomase pozro i denitrifikacijo in s tem dvig biomase v usedalniku ter padec SNO; krajši as pa nitrifikacijo in tako porast SNO)


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne bioloĹĄke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

Priloga 3: Dinami ni model dvostopenjske pilotne istilne naprave – MODEL A Priloga 3 je dopolnilo poglavja 5.2.3-Kalibracija modela A

106


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

107


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

108


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

109


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

110


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

111


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

112


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

113


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

114


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

115


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

116


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

117


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

118

Priloga 4: Dinami ni model dvostopenjske pilotne istilne naprave – MODEL B Priloga 4 je dopolnilo poglavja 5.4 - MERITVE ŠT. 3 – KALIBRACIJA IN VALIDACIJA MODELOV B, C IN D


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

119


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

120


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

121


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

122


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

123


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

124


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

125


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

126


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

127


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

128


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

129

Priloga 5: Dinami ni model dvostopenjske pilotne istilne naprave – MODEL C Priloga 5 je dopolnilo poglavja 5.4 - MERITVE ŠT. 3 – KALIBRACIJA IN VALIDACIJA MODELOV B, C IN D


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

130


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

131


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

132


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

133


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

134


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

135


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

136


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

137


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

138


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

139


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

140


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

141

Priloga 6: Dinami ni model dvostopenjske pilotne istilne naprave – MODEL D Priloga 6 je dopolnilo poglavja 5.4 - MERITVE ŠT. 3 – KALIBRACIJA IN VALIDACIJA MODELOV B, C IN D


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

142


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

143


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

144


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

145


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

146


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

147


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

148


149

M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

Priloga 7: Primerjava kalibriranih vrednosti kineti nih in stehiometrijskih konstant Priloga 7 je dopolnilo k poglavju 5.2 – Dinami ni model A - kalibracija in 5.4 – Meritve št.3 – kalibracija in validacija modela B, C in D.

Tabela 9.2. Primerjava kalibriranih vrednosti kineti nih in stehiometrijskih konstant modela A in modela B., ki sta zasnovana na enaki strukturni osnovi ASM1 in pogoju enakih vrednosti konstant v obeh reaktorjih. Modela sta bila kalibrirana na razli nih eksperimenalnih podatkih. Simbol Kratica YH YA KS KOH KOA KNO KNH

Model A

Model B

mg KPK/L mg O2/L mg O2/L mg N/L mg N/L 1/h

0,67 0,27 161,7 0,2 0,4 0,5 1,0 0,0986

0,67 0,24 17 0,2 0,4 0,5 1,0 0,087

20 (10 – 180) 0,2 (0,01 – 0,15) 0,4 (0,5 – 2) 0,5 (0,1 – 0,2) 1,0 0,25 (0,125 – 0,55)

1/h

0,0377

0,026

0,032

bH

1/h

0,00927

0,0067

bA ka ηg

1/h L KPK/mg.h brez enote

0,00616 0,0003 0,07

0,0029 0,00174 0,07

0,0258 (0,002 – 0,067) 0,0021 – 0,0063 0,0033 0,8 (0,6 – 1)

Enota mg KPKc/mg KPK mg KPKc/mg N

H ∧ A

ASM1

Henze in sod.(1987)

0,67 (0,46 – 0,69) 0,24 (0,07 – 0,28)

Tabela 9.3: Primerjava kalibriranih vrednosti kineti nih in stehiometrijskih konstant modela B in modela C, ki sta zasnovana na enaki strukturni osnovi ASM1 in razli enemu pogoju vrednosti konstant v obeh reaktorjih. Oba modela sta bila kalibrirana na enakih eksperimentalnih podatkih Parameter Enota

Model A

Model B

YH1 YH2 YA

mgKPKc/mgKPK mgKPKc/mgKPK mgKPKc/mgN 1/h

0,67 0,67 0,27 0,00986

0,67 0,67 0,24 0,087

Model C 0,73 0,67 0,14 0,49

1/h

0,00986

0,087

0,07 0,12 162 162

0,07 0,16 17 17

H1 ∧

H2

ηg iNx KS1 KS2

mg N/mgKPKc mg KPK/L mg KPK/L

ASM1 vrednosti 0,67 0,67 0,24 0,25

ASM3 vrednosti 0,43 0,54 0,24 0,083

0,32

0,25

0,083

1 0,077 20 180

0,8 0,086 20 20

0,6 0,07 2 2


150

M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

0,0067 0,0067 0,026

Model C 0,0042 0,0196 0,0365

ASM1 vrednosti 0,026 0,026 0,033

ASM3 vrednosti 0,0042 0,0083 0,042

0,0029 0,0029 0,00174 0,00174 0,2 0,4 0,5 1,0

0,0021 0,006 0,00254 0,00366 0,2 0,4 0,5 1,0

0,0021 0,0021 0,003 0,003 0,2 0,4 0,5 1,0

0,0021 0,0063 0,2 0,5 0,5 1,0

Parameter Enota

Model A

Model B

bH1 bH2

1/h 1/h 1/h

0,00927 0,00927 0,0377

1/h 1/h L KPK/mg.h L KPK/mg.h mg O2/L mg O2/L mg N/L mg N/L

0,00616 0,00616 0,0003 0,0003 0,2 0,4 0,5 1,0

A2

bA1 bA2 ka1 ka2 KOH KOA KNO KNH


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

151

Priloga 8: Ocena uspešnosti napovedi postavljenih matemati nih modelov pri validaciji modela Priloga 8 je dopolnilo poglavja 5.4.4 - Ocena uspešnosti napovedi postavljenih matemati nih modelov pri validaciji modela

Med seboj smo primerjali odzive modela B in C. V primeru, da je napoved modela enaka eksperimentalni vrednosti, je razlika minimalna. Na spodaj prikazanih slikah je prikazano odstopanje v koncentraciji amonijskega dušika, nitratnega dušika in KPK v prvemanoksi nem reaktorju ter drugem-oksi nem reaktorju. Iz slik je razvidno, da je odstopanje modela B manjše od odstopanja modela A predvsem v prvem-anoksi nem reaktorju, kar je posledica spremembe eksperimentalnih podatkov pri kalibraciji modela v prvemanoksi nem reaktorju. V drugem reaktorju pa se napovedi obeh modelov med seboj minimalno razlikujeta.


152

M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

razlika SNH1 (mg N-NH4/L) napoved modela - eksperimentalna vrednost

10.0 8.0

model B

model C

6.0 4.0 2.0 0.0 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

-2.0 -4.0 -6.0 -8.0 -10.0 dan

Slika 9.6: Prikaz odstopanja modelne od eksperimentalne vrednosti za koncentracijo amonijskega dušika v 1 – anoksi nem reaktorju.

razlika S NH2 (mg N-NH4/L) napoved modela - eksperimentalna vrednost

10.0 8.0

model B

model C

6.0 4.0 2.0 0.0 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

-2.0 -4.0 -6.0 -8.0 -10.0 dan

Slika 9.7: Prikaz odstopanja modelne od eksperimentalne vrednosti za koncentracijo amonijskega dušikav 2 – oksi nem reaktorju.


153

M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

razlika SNO1 (mg N-NO3/L) napoved modela - eksperimentalna vrednost

12.0 10.0

model B

model C

8.0 6.0 4.0 2.0 0.0 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

-2.0 -4.0 -6.0 dan

Slika 9.8: Prikaz odstopanja modelne od eksperimentalne vrednosti za koncentracijo nitratnega dušika v 1 – anoksi nem reaktorju.

razlika SNO2 (mg N-NO3/L) napoved modela - eksperimentalna vrednost

12.0 10.0

model B

model C

8.0 6.0 4.0 2.0 0.0 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

-2.0 -4.0 -6.0 -8.0 dan

Slika 9.9: Prikaz odstopanja modelne od eksperimentalne vrednosti za koncentracijo nitratnega dušika v 2 – oksi nem reaktorju.


154

M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne bioloĹĄke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

razlika S S1 (mg KPK/L) napoved modela - eksperimentalna vrednost

100.0

model B

model C

80.0 60.0 40.0 20.0 0.0 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

-20.0 -40.0 -60.0 dan

Slika 9.10: Prikaz odstopanja modelne od eksperimentalne vrednosti za koncentracijo KPK v 1 – anoksi nem reaktorju

razlika S S2 (mg KPK/L) napoved modela - eksperimentalna vrednost

100.0

model B

model C

80.0 60.0 40.0 20.0 0.0 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

-20.0 -40.0 -60.0 dan

Slika 9.11: Prikaz odstopanja modelne od eksperimentalne vrednosti za koncentracijo KPK v 2 – oksi nem reaktorju.


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

155

10 LITERATURA 1. Andreottola. G., Foladori. P., Gelmini. A., Ziglio. G. (2001). Biomass active fraction evaluated by a direct method and respirometric techniques, Microorganisms in activated sludge and biofilm processes, 3rd IWA international specialized conference, 273-282, Rim, 13-15.junij. 2. Bever, J., Stein, A., Teichmann, H. (1995). Weitergehende Abwasserreinigung, 3.izdaja, R.Oldenbourg, Nem ija. 3. Brdjanovic. D., Van Loosdrecht M. C. M., Versteeg.P., Hooijmans. C. M., Alaerts. G. J., Heijnen. J. J. (2000). Modeling COD, N and P removal in a full-scale WWTP HAARLAM WAARDERPOLDER, Wat. Res., 34 (3), 846-858. 4. Carta. F., Beun. J. J., Van Loosdrecht M. C. M., Heijnen. J. J. (2001). Simultaneous storage and degradation of PHB and glycogen in activated sludge cultures., Wat. Res., 35 (11), 2693-2701. 5. Chuang. S. H., Ouyang. C. F. (2000). The biomass fractions of heterotrophs and phosphate-accumulating organisms in a nitrogen and phosphorus removal system. Wat. Res., 34 (8), 2283-2290. 6. Cloete, T.,E., Muyima, N., Y., O. (1997). Microbial community analysis: The key to the design of biological wastewater treatment systems, IAWQ Scientific and Technical Report No. 5, England. 7. Cronje. G. L., Beeharry. A. O., Wentzel. M. C., Ekama. G. A. (2002). Active biomass in activated sludge mixed liquor. Wat. Res., 36, 439-444. 8. Drolka M. (2000). Model biološkega odstranjevanja ogljikovih in dušikovih spojin iz komunalne odpadne vode in primerjava z rezultati realnega procesa na pilotni napravi, magistrsko delo, FKKT, Ljubljana. 9. Dular M., Roš M., Trontelj A., Kompare B., Tišler T. (1997). Izrazje s podro ja voda. Slovensko društvo za zaš ito voda (SZDV), Ljubljana. 10. Eikelboom, D., H. (2000). Process control of activated sludge by microscopic investigation, IWA Publishing, England. 11. Grady, L., C., L., Daigger, G., T., Lim, H., C.(1999). Biological Wastewater Treatment, 2. izdaja, Marcel Dekker, USA. 12. Gujer, W., Henze, M., Mino, T., Van Loosdrecht, M. (1999). Activated sludge model ASM3. Water Sci. Technol., 39 (1), 183-193.


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

156

13. Gujer, W., Henze, M., Mino, T., Van Loosdrecht, M. (2000) Activated sludge models ASM1, ASM2, ASM2D and ASM3., Published by IWA Publishing, London, England. 14. Henze, M., Grady, C., P., L., Gujer, W., Marais, G. v. R., Matsuo, T. (1987). Activated sludge model No. 1, IAWPRC Scientific and Technical Report No. 1, IAWPRC Task Group on Mathematical Modelling for Design and Operation of Biological Wastewater Treatment, England. 15. Henze, M., Harremoes, P., Jansen, J. C., Arvin, E. (1995). Wastewater Treatment Biological and Chemical Processes, Springer, Berlin Heidelberg. 16. Hvala N., Vre ko D, Burica O., Stražar M., Levstek M. (2000). Modeliranje bioloških istilnih naprav. Strokovni seminar Vodni dnevi 2000, Portorož, 2.-3. oktober. 17. Hvala N., Vre ko D, Burica O., Stražar M., Levstek M. (2001). Simulation study supporting wastewater traetment benchmarketing. Sprejeto kot poster na IWA kongresu, Berlin, 15.-19. oktober. 18. Hvala N., Vre ko D, Burica O., Stražar M., Levstek M. (2001). Uporaba matemati nih modelov na podro ju istilnih naprav. Zbornik druge konference Avtomatizacija v industriji in gospodarstvu, Maribor, 5.-6. april. 19. Koch, G., Kuhni, M., Gujer, W., Siegrist, H. (2000). Calibration and validation of activated sludge model No. 3 for Swiss municipal wastewater. Wat. Res., 34 (14), 3580-3590. 20. Koch, G., Kuhni, M., Siegrist, H. (2001). Calibration and validation of an ASM3based steady-state model for activated sludge systems - part 1: prediction of nitrogen removal and sludge production, Wat. Res., 35 (9), 2235-2245. 21. Landeka, T. (1995). Odabir mikroorganizama za uklanjanje dušika iz otdpadne vode grada Zagreba simultanim procesom nitrifikacije i denitrifikacije, Doktorska disertacija, Zagreb. 22. Makinia. J., Wells. S. A. (2000). A general model of activated sludge reactor with dispersive flow – I. model development and parameter estimation. Wat. Res., 34 (16), 3987-3996. 23. Makinia. J., Wells. S. A. (2000). A general model of activated sludge reactor with dispersive flow – II. model verification and application. Wat. Res., 34 (16), 39873996, 2000. 24. Meijer. S. C. F., Van Loosdrecht. M. C. M., Heijnen. J. J. (2001). Metabolic modelling of full-scale biological nitrogen and phosphorous removing WWTP’s, Wat. Res., 35 (11), 2711-2723. 25. EIONET (2002) v Sloveniji - Poro ilo o stanju okolja - vode http://nfpsi.eionet.eu.int/soe-slo/soe-slo.html 26. Ochoa. J. C., Colprim. J., Palacios. B., Paul. E., Chatellier. P. (2001). Active heterotrophic and autotrophic biomass distribution between fixed and suspended


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

157

systems in a hybride biological reactor, 3rd IWA international specialized conference, 273-282, Rome, 13-15. junij. 27. Olsson. G., Newell. B. (1999). Wastewater Treatment Plant – Modelling, Diagnosis and Control, IWA Publishing. 28. Orhon, D., Artan, N. (1994). Modelling of the activated sludge systems, Technomic, USA. 29. Petersen B., Gernaey K., Henze M., Vanrolleghem P. A (2002). Evaluation of an ASM1 model calibration procedure on a municipal – industrial wastewater traetment plant, J. Hydroinformatics, 04.1, 15-38. 30. Plazl I., Koloini T., Levstek M., Burica O., Stražar M. (2000): Prediction of the Dynamic Behaviour of the Pilot Wastewater Treatment Plant. Sprejeto kot poster, Biotechnology 2000, The world Congress on Biotecnology, Berlin, 3-8.sept. 2000, vol. 4, 82-83. 31. Plazl I., Koloini T., Levstek M., Burica O., Stražar M. (2001): Comparision of two different calibration methods and verification of a simplified mathematical model of the wastewater treatment process based on ASM1. Sprejeto kot poster, 10th European Congress on Biotechnology, Madrid, 8-11 july 2001, 199 32. Plazl I., Koloini T., Levstek M. (2001): ASM1 omejitve pri modeliranju procesov iš enja odpadnih vod, Slovenski kemijski dnevi 2001, Maribor, 20-21. september 2001, 774-779. 33. Plazl I., Koloini T., Levstek M., Burica O., Stražar M. (2001). ASM1 limitations for modeling of wastewater treatment processes. Acta Chim. Slov., 48, 625-636. 34. Rosen B., Morling S. (1998). A systematic approach to optimal upgrading of water and wastewater treatment plants. Water Sci. Tech., 37 (9), 9-16. 35. Rozich, A., F., Gaudy, A., F. (1992). Design and Operation of Activated Sludge Processes Using Respirometry, Lewis Publishers, USA. 36. Spanjers, H. (1993). Respirometry in Activated Sludge, Wageningen Agricultural University, Nizozemska. 37. Spanjers, H., Vanrolleghem, P., A., Olsson, G., Dold, P., L. (1998). Respirometry in control of the activated sludge process: principles, IAWQ task group on respirometry, Velika Britanija. 38. Stražar M. (v pripravi). Vrednotenje zaviranja razgradnje odpadne vode z respirometrijo, doktorska disertacija v pripravi, BF, Ljubljana. 39. Wichern. M., Obenaus. F., Wulf. P., Rosenwinkel. K. H. (2001). Modelling of fullscale wastewater treatment plants with different treatment processes using the Activated Sludge Model No. 3. Wat. Sci. Tech., 44 (1), 49-56.


M. Birk L.: Modeliranje dinami nega delovanja pilotne biološke istilne naprave ... mag. delo, Univ.v Ljubljani, FKKT, 2002

158

40. Zec M. (1999). Vrednotenje in uporaba matemati nih modelov biološkega iš enja odpadnih voda. Doktorska disertacija, Univerza v Ljubljanji, Fakulteta za elektrotehniko, Ljubljana.

Levstek_magisterij_2002  

MMM OOO DDD EEE LLL III RRR AAA NNN JJJ EEE DDD III NNN AAA MMM III NNN EEE GGG AAA DDD EEE LLL OOO VVV AAA NNN JJJ AAA PPP III LLL OOO TT...

Read more
Read more
Similar to
Popular now
Just for you