Εφαρμογή μαθηματικής προσομοίωσης διεργασιών επεξεργασίας πετρελαϊκών αποβλήτων

Πασχαλάκης, Παντελής; Paschalakis, Pantelis

dc.contributor.author	Πασχαλάκης, Παντελής	el
dc.contributor.author	Paschalakis, Pantelis	en
dc.date.accessioned	2016-04-21T10:21:47Z
dc.date.available	2016-04-21T10:21:47Z
dc.date.issued	2016-04-21
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/42426
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.5375
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Επιστήμη και Τεχνολογία Υδατικών Πόρων”	el
dc.rights	Default License
dc.subject	Πετρελαϊκά απόβλητα	el
dc.subject	Βιοαντιδραστήρας μεμβρανών	el
dc.subject	Βιομηχανικά απόβλητα	el
dc.subject	Επεξεργασία υγρών αποβλήτων	el
dc.subject	Μαθηματική Προσομοίωση Διεργασιών	el
dc.subject	MBR	en
dc.subject	Petroleum wastewater	en
dc.subject	Petrochemical wastewater	en
dc.subject	PetWin	el
dc.subject	ASDMi	el
dc.subject	Industrial wastewater treatment	el
dc.title	Εφαρμογή μαθηματικής προσομοίωσης διεργασιών επεξεργασίας πετρελαϊκών αποβλήτων	el
heal.type	masterThesis
heal.classification	Environmental education--Europe	en
heal.classification	Wastewater treatment	en
heal.classification	Petrochemical industry	en
heal.classification	Petroleum refineries	en
heal.classification	Petroleum waste	en
heal.classificationURI	http://id.loc.gov/authorities/subjects/sh2009103141
heal.classificationURI	http://zbw.eu/stw/descriptor/13331-5
heal.classificationURI	http://zbw.eu/stw/descriptor/13001-5
heal.classificationURI	http://id.loc.gov/authorities/subjects/sh85100456
heal.classificationURI	http://id.loc.gov/authorities/subjects/sh85100466
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2015-09
heal.abstract	Το αργό πετρέλαιο και τα προϊόντα του είναι κύρια στοιχεία πολλών κλάδων των σύγχρονων ανθρώπινων κοινωνιών. Η ενέργεια, η μηχανοκίνηση, η παραγωγή πλαστικών είναι μόνο ορισμένες από μια μεγάλη λίστα χρήσεων σημαντικών χρήσεων αυτών των προϊόντων. Για την μετατροπή του αργού στα αντίστοιχα εμπορεύσιμα προϊόντας πρέπει να λάβουν χώρα ορισμένες διεργασίες. Η ατμοσφαιρική απόσταξη, η απόσταξη υπό κενό, η υδρογονοαποθείωση, η καταλυτική αναμόρφωση, η υδρογονοπυρόλυση, η καταλυτική πυρόλυση, η ισομερίωση και η αλκυλίωση είναι ορισμένες από τις κύριες διεργασίες που πραγματοποιούνται στα διυλιστήρια και τις πετροχημικές εγκαταστάσεις. Δυστυχώς οι διεργασίες αυτές παράγουν σημαντικές ποσότητες ρύπων, αρκετοί από τους οποίους είναι πολύ τοξικοί. Για αυτόν τον λόγο η επεξεργασία των υγρών αποβλήτων των εκροών των συγκεκριμένων εγκαταστάσεων είναι ένας τομέας μεγάλης σημασίας τόσο για την προστασία των υδάτινων αποδεκτών παγκόσμια όσο και για τις ίδιες τις βιομηχανίες που επιδιώκουν να συμμορφώνονται με την τοπική και παγκόσμια νομοθεσία. Αντικείμενο της παρούσας εργασίας ήταν η εφαρμογή μαθηματικής προσομοίωσης σε διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων διυλιστηρίων και πετροχημικών εγκαταστάσεων. Το λογισμικό που χρησιμοποιήθηκε ήταν το PetWin, ένα εμπορικό αλλά πολύ εξειδικευμένο προϊόν της εταιρείας Envirosim. Το PetWin χρησιμοποιεί το μοντέλο Βιομηχανικής Ενεργού Ιλύος/ Αναερόβιας Χώνευσης (ASDMi) το οποίο είναι ιδανικό για την προσομοίωσης διεργασιών επεξεργασίας βιομηχανικών αποβλήτων. Περιλαμβάνει αρκετά συστατικά, μεταβλητές κατάστασης και συναρτήσεις που λαμβάνουν υπόψη τις ενώσεις που απαντώνται συνήθως στα βιομηχανικά υγρά απόβλητα. Ειδικά για τις δραστηριότητες των διυλιστηρίων και των πετροχημικών εγκαταστάσεων η ενσωμάτωση μοντέλων για την οξείδωση και την αναγωγή του θείου καθιστά το PetWin ένα πολύ χρήσιμο εργαλείο για την επόπτευση, τον σχεδιασμό και την βελτιστοποίηση των εγκαταστάσεων επεξεργασίας που αντιμετωπίζουν αυτού του είδους τα ρεύματα. Στα πλαίσια της εργασίας έγινε και εκτενής αναφορά στα συστήματα Ενεργού Ιλύος και Βιοαντιδραστήρα Μεμβρανών MBR καθώς και στα κύρια μοντέλα προσομοίωσης που έχουν προταθεί από τον Παγκόσμιο Οργανισμό για το Νερό (ASM1, ASM2, ASM3) καθώς και του προκαθορισμένου μοντέλου που χρησιμοποιείται από το PetWin (Industrial Activated Sludge/ Anaerobic Digestion model – ASDMi). Η περιοχή μελέτης ήταν η κύριας εγκατάσταση επεξεργασίας υγρών αποβλήτων στην βιομηχανική ζώνη Porto Marghera στην Ιταλία. Η εγκατάσταση επεξεργασίας δέχεται τα απόβλητα κυρίως από πετροχημικές εγκαταστάσεις καθώς και άλλες βιομηχανίες. Μια πιλοτική εγκατάσταση, υποκλίμακα της κύριας, κατασκευάσθηκε στο εσωτερικό της κεντρικής εγκατάστασης με σχετική ευελιξία αλλαγής διατάξεων και όδευσης ρευμάτων. Πέντε διαφορετικές διατάξεις εξετάσθηκαν στα πλαίσια της εργασίας. Τα λειτουργικά δεδομένα και τα χαρακτηριστικά ποιότητας της τροφοδοσίας ελήφθησαν από την μελέτη των Di Fabio et al. 2009. Η εγκατάσταση χρησιμοποιεί την τεχνολογία επεξεργασίας MBR για την επεξεργασία βιομηχανικών υγρών αποβλήτων. Κατά την διάρκεια της προσομοίωσης, λόγω της εμφάνισης συνθηκών έλλειψης φωσφόρου στην αερόβια δεξαμενή και τον βιοαντιδραστήρα MBR, αποφασίσθηκε η προσθήκη δόσης PO4-P. Επίσης για την ύπαρξη ευκολοδιασπάσιμου COD στην εισροή εφαρμόσθηκε στην προσομοίωση όπως και κατά την λειτουργία της εγκατάστασης η προσθήκη εξωτερική δόσης οξικού οξέος. Εκτός από τα πέντε σενάρια λειτουργίας που εξετάσθηκαν, πραγματοποιήθηκε και μια ανάλυση ευαισθησίας για την διάταξη του πρώτου σεναρίου, το οποίο ήταν η ακριβής απεικόνιση της διαρρύθμισης της κεντρικής εγκατάστασης. Κατά την διάρκεια της ανάλυσης μελετήθηκαν η απόκριση του συστήματος σε περίπτωση υποδιπλασιασμού της δόσης PO4-P καθώς και σε περίπτωση αύξησης της συγκέντρωσης του ολικού Θείου στα εισερχόμενα βιομηχανικά απόβλητα. Τα αποτελέσματα της ανάλυσης των σεναρίων καθώς και της ανάλυσης ευαισθησίας οδήγησαν σε αρκετά σημαντικά συμπεράσματα. Αρχικά, όπως φάνηκε, τα αποτελέσματα των εκροών από τις προσομοιώσεις είχαν μικρή μόνο απόκλιση σε σχέση με τις τιμές των εκροών που λήφθηκαν κατά την λειτουργία της πιλοτικής εγκατάστασης. Αυτό αποδεικνύει την αξιοπιστία του μοντέλου για την προσομοίωση των συγκεκριμένων διεργασιών. Λόγω των χαμηλών συγκεντρώσεων αμμωνιακού και νιτρικού αζώτου στο σύστημα, η νιτροποίηση και η απονιτροποίηση ήταν αρκετά περιορισμένες. Η έλλειψη ουσιαστικής ποσότητας νιτρικού αζώτου στην ανακυκλοφορία, στις περισσότερες από τις περιπτώσεις που εξετάσθηκαν, είχε ως αποτέλεσμα την δημιουργία αναερόβιων συνθηκών στις θεωρητικά ανοξικές δεξαμενές. Από το φαινόμενο αυτό προέκυψε ένα σχετικά απροσδόκητο εύρημα. Και στην περίπτωση των βιομηχανικών αποβλήτων υπό καθεστώς έλλειψης νιτρικού αζώτου και οξυγόνου πραγματοποιείται βιολογική απομάκρυνση φωσφόρου. Η σύσταση της βιομάζας επιβεβαίωσε την αυξημένη δραστηριότητα των πολύφωσφορικών βακτηρίων (PAO) στο σύστημα. Τα πολυφωσφορικά ήταν η κυρίαρχη ομάδα μικροοργανισμών στην βιομάζας σχεδόν σε όλα τα σενάρια, με την εξαίρεση του τρίτου ( όπου οι συγκέντρωση του νιτρικού αζώτου στο ρεύμα ανακυκλοφορίας ήταν αυξημένη σε σχέση με τα υπόλοιπα σενάρια). Οι ετεροτροφικοί μικροοργανισμοί (OHO) ήταν η δεύτερη σε πλήθος ομάδα ακολουθούμενοι από τα θειο-οξειδωτικά βακτήρια (SOB). Και άλλες ομάδες μικροοργανισμών όπως τα θειο-αναγωγικά βακτήρια (SRB) εμφανίζονταν επίσης σε χαμηλότερες συγκεντρώσεις.. Ένα ακόμη σημαντικό συμπέρασμα που προέκυψε ήταν ότι από την δραστηριότητα των θειο-οξειδωτικών βακτηρίων (SRB) τα σουλφίδια των υγρών αποβλήτων μετατρέπονταν πλήρως σε θειικά. Η πλήρης οξείδωση των τοξικών σουλφιδίων σε θειικά θα μπορούσε να αποτελέσει ένα σημαντικό εργαλείο κατά την επεξεργασία εκροών διυλιστηρίων και πετροχημικών εγκαταστάσεων. Επίσης από την ανάλυση ευαισθησίας φάνηκε πως υπάρχει σημαντικό περιθώριο μείωσης της δόσης PO4-P , χωρίς μείωση απόδοσης του συστήματος, μέχρι την εμφάνιση συνθηκών έλλειψης φωσφόρου. Κατά την αύξηση συγκέντρωσης του ολικού θείου στα εισερχόμενα βιομηχανικά απόβλητα ακόμη και για 200mg/L παρατηρήθηκε σημαντική αναστολή της λειτουργίας των αυτοτροφικών μικροοργανισμών (νιτροποίηση). Μια σταδιακή αύξηση της συγκέντρωσης του ολικού θείου θα είχε ως αποτέλεσμα μια σταδιακή αύξηση της αναστολής της δραστηριότητας των ετεροτροφικών μικροοργανισμών λόγω των συνθηκών χαμηλού pH. Η μοναδική ομάδα μικροοργανισμών που δεν επηρεάσθηκε από την αύξηση του ολικού θείου ήταν τα θειο-οξειδωτικά βακτήρια(SOB).	el
heal.abstract	Crude oil and it’s products are key elements for many sectors of human society. Energy, automotion and plastics are only some of a big list of such importants usages of these products. In order to convert crude oil to it’s commercial products several processes must take place. Atmospheric distillation, vacuum distillation, hydrodesulphurization, catalytic reforming, hydrocracking, catalytic cracking, isomerization, alkylation are some of the main processes undertaken in refineries and petrochemical plants. Unfortunately these processes produce several quantities of pollutants, some of which highly toxic. Therefore the industrial wastewater treatment for the effluent streams of these plants is a field of major importance both for the protection of global water bodies and for the industries in order for them to comply with the local and global legislation. The scope of this study was the application of model simulation in refinery and petrochemical wastewater treatment processes. The software used was PetWin a commercial but highly specialized product of Envirosim. PetWin uses the Industrial Activated Sludge/ Anaerobic Digestion model which is ideal for simulation of industrial wastewater treatment processes. It includes several components, state variables and functions that take into consideration compounds that are common in industrial wastewater. Especially for refining and petrochemical activity wastewater the incorporation of Sulphur oxidation and reduction models turns it into a quite a useful tool for the monitoring, design and optimization of treatment plants that deal with these kind of streams. Extensive reference on Activated Sludge and MBR Systems as well as the main simulation models such as the ones proposed by International Water Association (ASM1, ASM2, ASM3) and the ones used by the PetWin software (Industrial Activated Sludge/ Anaerobic Digestion model – ASDMi) were presented throughout the context of this study. The site of survey was the main wastewater treatment plant at the industrial zone of Porto Marghera in Italy. The treatment plant receives wastewater mainly from petrochemical plants but also other industries. A pilot plant , sub-scale of the main, was set inside the full scale plant in order to provide the ability test different configurations of stream processing. Five different configurations were considered within this study. The operational, influent and effluent data of these configurations were taken from the study of Di Fabio et al. 2009. The plant uses the MBR treatment technology to deal with the influent industrial wastewater. During the simulation due to low phosphorus conditions occurrence in aerobic and MBR tanks, an additional dosage of PO4-P was decided. Also in order to have substantial readily biodegradeable concentrations in the influent stream an external acetic acid dosage was implemented during the operation of the plant, this additional dosage was also taken into consideration as an extra influent stream in this study. In the first pilot plant configuration the influent enters the second anoxic tank where it is mixed with the recirculation and the PO4-P and acetic acid additional dosage streams. The mixture then moves on to the aerobic reactor and then before it enters the MBR reactor, part of it recirculates back to the first anoxic tank which feeds the second anoxic. The MBR reactor keeps the solids allowing only the clean effluent water through it’s membrane pores. The sludge created and accumulated in the MBR tank is then majorly recirculated back to the first anoxic tank, in order to retain a sustainable biomass content. A small quantity of the sludge is discharged as excess sludge to receive further proper treatment. In the second plant configuration the industrial influent, recirculation, PO4-P and acetic acid mixture directly enters the aerobic reactor. The aerobic tanks effluent partly then recirculates back to the first and second anoxic tanks in a raw to feed back the aerobic reactor. The other part that moves on to the MBR reactor is split between the clean effluent that moves through the pores of the membranes and the retained solids that remain at the reactor. The sludge that is created and accumulated in the MBR reactor is mainly recirculated back to the first anoxic tank. The rest is discharged as sludge excess for further treatment. The main difference of this configuration and the first is the increased capacity of the recirculation stream. The third configuration has more similarities to the first than to the second configuration. Its only actual difference to the first is the addition of the external acetic acid dosage that now enters the system before the aerobic reactor. The fourth and fifth configurations are almost the same. The industrial influent wastewater, the PO4-P and sludge recirculation streams enter the anoxic tank then move on to the aerobic reactor and finally enter the MBR reactor. The clean effluent moves through the membrane pores while the solids are retained. The main stream of the sludge produced is recirculated and a small quantity is discharged as excess sludge. The main differences between the fourth and fifth configurations is the absence of an external acetic acid dosage additional stream at the entrance of the anoxic tank at the fifth simulation configuration. This is decision is mainly associated with the higher organic and nutrients’ loads of the influent stream that is treated in the fifth scenario. A sensitivity analysis was also performed for the first configuration, that was an actual depiction of the original full scale plant configuration. During this analysis the system’s response to PO4-P dosage halving and gradual increase of total Sulphur concentration in the industrial influent were also studied. The results both for the scenarios’ simulations and the sensitivity analysis’s simulations led into quite interesting conclusions. First of all the evaluation of the simulation effluent results showed that there was only little deviation between these values and the ones attained by the operational data. This showed that the simulation model was quite reliable to deal with these kind of processes. Due to low ammonia nitrogen and nitrate nitrogen concentrations in the system, nitrification and denitrification was quite limited. The lack of substantial nitrate nitrogen in the recirculation, in most of the cases, resulted in the creation of mainly anaerobic conditions in the anoxic-considered tanks. This led to a quite unexpected finding. Biological phosphorus removal was possible when this lack of nitrate nitrogen occurred. The microorganism fractionation also confirmed the phosphate accumulating organism (PAO) activity in the system. The PAOs fraction was the dominant group of the biomass in all scenarios, with the exception of the third (where nitrate nitrogen concentration was slightly higher in the recirculation stream) . The ordinary heterotrophic organisms (OHO) were the second in place followed by the sulfur oxidizing biomass (SOB). Several other groups of microorganisms such as sulfur reducing biomass (SRB) were also present in lower concentrations. Another quite interesting conclusion was that sulfur oxidizing bacteria’s (SRB) activity totally converted the influent sulfides to sulfates. The full oxidation of the toxic sulfides to sulfates could be an important tool when dealing with wastewater effluents sourcing from refineries and petrochemical plants. Also the sensitivity analysis showed that there is still a margin available for deterioration of PO4-P dosage until low phosphorus conditions occur while on the other hand an increase of total sulfur concentration in the industrial influent even at 200mg/L would cause serious inhibition to autotrophic microorganisms (nitrification) and a gradual increase of the total sulfur’s concentration would gradually increase it’s inhibition effect to the heterotrophs also due to low pH conditions. The only group that remained unaffected by total sulfur concentration alterations were the sulfur oxidizing bacteria (SOB).	en
heal.advisorName	Μαλαμής, Συμεών	el
heal.committeeMemberName	Νουτσόπουλος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Μπαλτάς, Ευάγγελος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	165 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true