ASM1 zagadnienia[1]ASM1 zagadnienia[1],
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
III. ZAGADNIENIA PODSTAWOWE Niniejsza praca dotyczy kalibracji modelu przemian biochemicznych składającego się z 10 procesów którym podlega 11 frakcji. Model w czystej postaci może służyć jedynie do obliczeń reaktora wsadowego i aby możliwe było za jego pomocą symulowanie oczyszczalni ścieków składającej się z komór przepływowych i osadnika wtórnego konieczne jest wkomponowanie go w większą strukturę. Elementy wchodzące w skład całego modelu oraz zasada działania procedury estymującej zostały zawarte w rozdziałach XX-XX . Aby jednak możliwe było omówienie przeprowadzonych na tym modelu prób estymacji parametrów, konieczne jest przedstawienie pewnych pojęć i zagadnień. Stanowią one zbiór podstawowy i w całej pracy znajdą się do niego liczne odniesienia. 1. Frakcje modelowe a wskaźniki jakości ścieków i osadów Zbiór parametrów na którym bazuje model biochemiczny różni się od zbioru analiz wykonywanych na oczyszczalni ścieków. Korzystając z przeliczników stechiometrycznych można jednak przełożyć wartości zmiennych modelowych na wskaźniki jakości ścieków i osadów. W niniejszej pracy przeliczenia dokonywano za pomocą formuł przedstawionych w Tabela III-1 (podkreśleniem zaznaczono wskaźniki w oparciu o które wykonywane są w pracy kalibracje). Większość wyników omawianych jest w oparciu o typowe wskaźniki, jednakże w przypadku bardziej złożonych problemów konieczne jest odwołanie się do zmiennych którymi operuje model. Na uwagę zasługuje również fakt, że przeliczenie stężeń zanieczyszczeń na frakcje modelowe nie jest za pomocą przedstawionych formuł w pełni możliwe. Tabela III-1. Wskaźniki jakości ścieków i osadów. Symbol Znaczenie Jednostka Przeliczanie ChZT R Chemiczne zapotrzebowanie tlenu związków rozpuszczonych g ChZT/m 3 S S +S I ChZT Z Chemiczne zapotrzebowanie tlenu związków w zawiesinie g ChZT/m 3 X S +X I +X BH +X BA +X P ChZT Chemiczne zapotrzebowanie tlenu g ChZT/m 3 ChZT R +ChZT Z BZT R Biochemiczne zapotrzebowanie tlenu związków rozpuszczonych g BZT/m 3 S S BZT Z Biochemiczne zapotrzebowanie tlenu związków w zawiesinie g BZT/m 3 X S +X BH +X BA BZT Biochemiczne zapotrzebowanie tlenu g BZT/m 3 BZT R +BZT Z BZT 5R Pięciodniowe biochemiczne zapotrzebowanie tlenu związków rozpuszczonych g BZT 5 /m 3 0,66*BZT R BZT 5Z Pięciodniowe biochemiczne zapotrzebowanie tlenu związków w zawiesinie g BZT 5 /m 3 0,66*BZT Z BZT 5 Pięciodniowe biochemiczne zapotrzebowanie tlenu g BZT 5 /m 3 0,66*BZT TKN R Azot Kjedala związków rozpuszczonych g N/m 3 S NH +S ND TKN Z Azot Kjedala związków w zawiesinie g N/m 3 ND +i XB *(X BH +X BA )+i XP *X P TKN Całkowity azot Kjedala g N/m 3 TKN r +TKN z N ORG Azot organiczny g N/m 3 TKN-S NH N OG Azot ogólny g N/m 3 TKN+S NO X ORG Zawiesina organiczna g SM/m 3 (X S +X I + X P )/f CZ +(X BH +X BA )/f CB X Zawiesina całkowita g SM/m 3 ORG +X MIN 2. Parametry podlegające estymacji W tabeli XX przedstawione zostały wszystkie parametry kalibrowanego modelu. Dla większości z nich może być przyjęta domyślna wartość gdyż nie zależą one ani od składu dopływających ścieków ani od parametrów układu technologicznego. Wartość niektórych parametrów powinna być jednak dopasowana do obiektu który ma być modelowany. Należy tutaj podkreślić, że w niniejszej pracy omawiane są jedynie zagadnienia związane z estymacją parametrów modelu biochemicznego i przyjmuje się, że pozostałe parametry całego modelu biologicznej oczyszczalni ścieków z osadem czynnym (takie jak efektywne parametry geometryczne obiektów czy przepływy) są znane. Największy nacisk w pracy położony został na procedury estymacji oparte na pomiarach wykonanych na obiekcie i dlatego wymagane jest aby modele określające ilościowo przepływy, czasy przetrzymania w komorach i sedymentację w osadniku wtórnym dobrze odzwierciedlały rzeczywisty układ. Lista parametrów będących przedmiotem estymacji przedstawiono w Tabela III-2. Zawiera ona również zakresy w jakich będą poszukiwane oraz ich domyślne wartości (patrz dalej). W poszczególnych etapach badań estymacji podlegały będą różne parametry w różnych wzajemnych powiązaniach, jednakże w każdym przypadku zbiór ten zostanie precyzyjnie określony. Tabela III-2. Lista wszystkich estymowanych parametrów. Symbol Znaczenie Jednostka Wartość domyślna Zakres Min Max ˆ Maksymalna wartość stałej szybkości przyrostu heterotrofów 1/d 6,00 3,00 13,00 K Stała saturacji dla zależności szybkości przyrostu heterotrofów od stężenia związków organicznych łatworozkładalnych g ChZT/m 3 20,00 5,00 55,00 b Szybkość obumierania heterotrofów 1/d 0,62 0,40 1,50 η Współczynnik zmniejszający dla szybkości przyrostu heterotrofów w warunkach anoksycznych - 0,80 0,60 1,00 ˆ Maksymalna wartość stałej szybkości przyrostu nitryfikantów 1/d 1,00 0,50 1,50 K NA Stała nasycenia dla zależności szybkości przyrostu nitryfikantów od stężenia azotu amonowego g N/m 3 1,00 0,50 3,50 3. Szybkości procesów i stechiometria przemian Wszystkie parametry podlegające kalibracji występują w równaniach szybkości procesów. Oznacza to, że parametry stechiometryczne procesów uznano za stałe a w związku z tym, raz przeliczone na wartości liczbowe mogą być użyte do wszystkich symulacji (Tabela III-3). Upraszcza to w znacznej mierze przeliczanie szybkości procesów na zmiany ilościowe poszczególnych frakcji modelowych a z drugiej strony odszukiwanie procesów odpowiedzialnych za stężenie danej frakcji. Ponadto, korzystając z równań zawartych w S Tabela III-1, szybkości procesów można przeliczyć na zmiany stężeń typowych wskaźników. Na przykład tlenowy przyrost heterotrofów z szybkością ρ 1 =100 g ChZT/(m 3 ·d) powoduje dobowy spadek ChZT o 49,3 g ChZT/(m 3 ·d) zgodnie z przeliczeniem: ∆ChZT = ∆ChZT R + ∆ChZT Z = ∆S S + ∆X BH = (-1,493 + 1,000) ·ρ 1 = -0,493·100,. Tabela II I-3. Wartości przeliczników stechiometrycznych. Proces S S I NH NO S ND O ALK S X I X BH X BA X P ND X MIN 1 -1,493 -0,086 -0,493 -0,0061 1 2 -2,381 -0,086 -0,445 0,0061 1 3 -1,493 -0,086 -0,172 0,0062 1 4 -2,381 -0,569 0,0406 1 5 -4,253 4,167 -18,04 -0,601 1 6 0,92 -1 0,08 0,0812 7 0,92 -1 0,08 0,0812 8 1 -1 0 0,0714 9 1 -1 10 1 -1 4. Czynnik Monoda Szybkości wszystkich procesów przyrostu składają się między innymi z iloczynów czynników limitujących Monoda. Jego podstawową zaletą jest łagodne przejście między limitowaniem szybkości reakcji niedoborem substratu (reakcja 1 rzędu) i pełną szybkością reakcji gdy substratu jest dużo (reakcja 0 rzędu). Na potrzeby niniejszej pracy wygodnie jest wyróżnić trzy obszary funkcji, przedstawione na Rysunek III-1. Na osi odciętych przedstawiono wartość stężenia S w stosunku do stałej saturacji K. - Obszar liniowej zależności szybkości reakcji od stężenia substancji limitującej. Jeżeli S<<K, czynnik może zostać uproszczony do postaci S ≈ S = S ⋅ 1 i szybkość reakcji jest proporcjonalna do stężenia S K + S K K 1 poprzez stałą K (reakcja 1 rzędu). Z punktu widzenia omawianych w pracy zagadnień, istotniejszy od proporcjonalności jest fakt, że w tym obszarze nachylenie krzywej Monoda zmienia się w niewielkim stopniu. Można więc przyjąć, że górną granicą jest wartość K 0 ⋅ . - Obszar przejściowy charakteryzuje się dużą zmianą nachylenia krzywej przez co realizowane jest połączenie obszarów liniowej zależności i stałej szybkości reakcji. Istotna cechą tego obszaru jest brak proporcjonalności między zmianą stężenia i zmianą szybkości reakcji. - Obszar stałej szybkości reakcji niezależnie od stężenia substancji. Dotyczy stężeń dużo większych od stałej saturacji S>>K gdy czynnik może zostać uproszczony do postaci ≈ + S S = 1 . W tym obszarze szybkość reakcji K S zmienia się w niewielkim stopniu nawet dla dużych zmian stężeń. W tym przypadku, podobnie jak dla pierwszego obszaru, najistotniejszy dla zagadnień poruszanych w pracy jest fakt niewielkiej zmiany kąta nachylenia krzywej. Dlatego można przyjąć, że jego dolną granicą jest wartość K 5 S ⋅ Powyżej przedstawiono podział na obszary w ujęciu odpowiadającym omawianym w pracy zagadnieniom. Podział ten wiąże się z pojęciem istotnej różnicy między stężeniami . oznaczającym, że stężenia danej substancji (limitującej) można uznać za znacząco różne jeżeli znajdują się na krzywej Monoda w punktach o różnych nachyleniach (nie wartościach). Największe istotne różnice stężeń występują miedzy K 0 ⋅ i K 5 . ⋅ Rysunek III-1. Czynnik Monoda 1 0,9 0,8 0,7 0,6 I II III 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 S/K; - 5. Limitowanie substratowe Najważniejszymi procesami zachodzącymi w procesie osadu czynnego są procesy przyrostu mikroorganizmów i aż pięć parametrów podlegających kalibracji jest z nimi związanych. W wyniku przyrostu następuje zużywanie substratów potrzebnych do produkcji energii i biomasy aż do momentu, gdy zaczyna brakować jednego ze składników. Ustala się równowaga między szybkością przyrostu, szybkością obumierania i ilością odprowadzaną z osadem nadmiernym. Zagadnienia związane z limitowaniem odgrywają ważną rolę przy ustalaniu się punktu równowagi tych procesów i dlatego zostaną one szerzej omówione. Ponieważ równania szybkości przyrostu heterotrofów i nitryfikantów mają podobną postać, rozważania będą prowadzone początkowo na wzorach ogólnych i w dodatku bez określania funkcji limitujących szybkości. 5.1. Układ z pojedynczą komorą tlenową Równanie bilansu grupy mikroorganizmów z uwagi na utrzymanie założonego wieku osadu ma postać ( ) b ⋅ X ⋅ V = X B ⋅ V K (1) B K WO gdzie: µ –szybkość przyrostu mikroorganizmów; 1/d b –szybkość obumierania mikroorganizmów; 1/d X – stężenie biomasy; g/m 3 B V – objętość komory; m 3 Szybkość przyrostu jest wyrażana jako iloczyn maksymalnej szybkości ˆ i czynników limitujących K f , przy czym wartość maksymalna występuje przy braku limitowania. Równaniu bilansu po uproszczeniu i podstawieniu przyjmuje postać: L 1 µ f L − b = (2) WO µ ˆ oraz po przekształceniach 1 + b WO f L = ˆ (3) ponieważ zawsze f L ≤ 1 otrzymujemy 1 + b ≤ ˆ (4) WO 1 WO ≥ ˆ (5) − b Spełnienie warunku (5) dla poszczególnych grup mikroorganizmów zależne jest od temperatury gdyż stałe maksymalnej szybkości przyrostu i szybkości obumierania są od niej uzależnione. W Tabela III-4 przedstawiono minimalne wieki osadu zapewniające przyrost. W przypadku heterotrofów wszystkie wartości są mniejsze od 1 co oznacza, że w praktyce minimalny wiek osadu jest zawsze zapewniony. Tabela III-4. Minimalne wieki osadu zapewniające przyrost mikroorganizmów Temperatura Heterotrofy Autotrofy µ = 6 ⋅ 1 07 T − 20 µ = 1 ⋅ 1 11 T − 20 20 b = 1 ⋅ 1 07 T − 20 b = 0 15 ⋅ 1 11 T − H A 10 0,37 3,34 12 0,32 2,71 14 0,28 2,20 16 0,24 1,79 18 0,21 1,45 20 0,19 1,18 Zapewnienie minimalnych wieków osadu umożliwia mikroorganizmom przyrost i czynnik limitujący zaczyna odgrywać istotną rolę. Na podstawie równania (3) można wyliczyć wartość limitowania w zależności od wieku osadu i temperatury. Wyliczenia te dla heterotrofów i autotrofów przedstawiono odpowiednio w Tabela III-5 i Tabela III-6. Tabela III-5. Wartości limitowania szybkości przyrostu heterotrofów w zależności od wieku osadu i temperatury WO; d T; ° C 4 6 8 10 15 20 10 0,19 0,16 0,14 0,14 0,13 0,12 12 0,17 0,15 0,14 0,13 0,12 0,12 14 0,17 0,15 0,13 0,13 0,12 0,12 16 0,16 0,14 0,13 0,13 0,12 0,11 18 0,15 0,14 0,13 0,12 0,12 0,11 20 0,15 0,13 0,12 0,12 0,11 0,11 ˆ ˆ [ Pobierz całość w formacie PDF ] |
Podobne
|