Βέλτιστη χωροθέτηση και προσομοίωση λειτουργίας μονάδων εξόρυξης και επεξεργασίας λυμάτων (sewer mining units) σε αστικά δίκτυα αποχέτευσης

Ψαρρού, Ελευθερία; Psarrou, Eleftheria

dc.contributor.author	Ψαρρού, Ελευθερία	el
dc.contributor.author	Psarrou, Eleftheria	en
dc.date.accessioned	2018-01-29T11:12:39Z
dc.date.available	2018-01-29T11:12:39Z
dc.date.issued	2018-01-29
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/46321
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.7435
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Επιστήμη και Τεχνολογία Υδατικών Πόρων”	el
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Εξόρυξη λυμάτων	el
dc.subject	Επεξεργασία λυμάτων	el
dc.subject	Μέθοδος Monte-Carlo	el
dc.subject	Μοντέλο προσομοίωσης SWMM	el
dc.subject	Αποκεντρωμένη επεξεργασία λυμάτων	el
dc.subject	Ανακυκλωμένο νερό	el
dc.subject	Υδρόθειο	el
dc.subject	Hydrogen sulphide	en
dc.subject	Monte-Carlo method	en
dc.subject	SWMM simulation model	en
dc.subject	Decentralized wastewater treatment	en
dc.subject	Recycled water	en
dc.subject	Sewer mining	en
dc.subject	Water Resource System Optimization	en
dc.title	Βέλτιστη χωροθέτηση και προσομοίωση λειτουργίας μονάδων εξόρυξης και επεξεργασίας λυμάτων (sewer mining units) σε αστικά δίκτυα αποχέτευσης	el
dc.title	Optimal placement and simulation of sewer mining unit operation in urban sewer networks	en
heal.type	masterThesis
heal.classification	Υδροπληροφορική	el
heal.classification	Hydroinformatics	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2017-11-06
heal.abstract	Τις τελευταίες δεκαετίες έχουν αυξηθεί σημαντικά οι πιέσεις στους υδατικούς πόρους. Κύριες αιτίες του προβλήματος είναι η έντονη αστικοποίηση και η πληθυσμιακή αύξηση, οι μεταβολές που έχει προκαλέσει στον υδρολογικό κύκλο η κλιματική αλλαγή, η ρύπανση των υδάτων και η κακή διαχείριση των υδάτινων αποθεμάτων, καθώς επίσης η αυξημένη ζήτηση σε νερό εξαιτίας της βελτίωσης του βιοτικού επιπέδου. Καθίσταται επομένως αναγκαία η ανάπτυξη νέων, καινοτόμων και βιώσιμων τεχνολογιών επεξεργασίας του νερού και των υγρών αποβλήτων. Προς αυτήν την κατεύθυνση, εξελίσσονται συνεχώς οι τεχνολογίες ανακύκλωσης νερού και τα αποκεντρωμένα και δορυφορικά συστήματα επεξεργασίας, έναντι των κεντρικών συστημάτων. Μία αποκεντρωμένη πρακτική που στοχεύει στην παραγωγή ανακυκλωμένου νερού είναι η τεχνολογία sewer mining (SM). Η τεχνολογία αυτή βασίζεται στην άντληση λυμάτων από ένα δίκτυο λυμάτων και στην επιτόπου επεξεργασία τους για την παραγωγή ανακυκλωμένου νερού. Ορισμένα από τα παραπροϊόντα που προκύπτουν από την επεξεργασία είναι δυνατόν να επιστραφούν στο σύστημα υπό συγκεκριμένες προϋποθέσεις. Παρά τα σημαντικά πλεονεκτήματα της τεχνολογίας, η εφαρμογή της συναντά συχνά εμπόδια λόγω απουσίας επαρκούς νομοθεσίας, οικονομικών περιορισμών, σκεπτικισμού του κοινού απέναντι στη χρήση του ανακυκλωμένου νερού, όπως επίσης προβλημάτων που εμφανίζονται στο δίκτυο εξαιτίας διαταραχών που προκαλούνται σε εσωτερικές διεργασίες του. Μία από τις σημαντικότερες προκλήσεις είναι η αύξηση στην παραγωγή υδρόθειου (H2S) εντός των αγωγών του δικτύου. Το υδρόθειο συνδέεται κυρίως με προβλήματα οσμών, διάβρωσης και επιπτώσεων στην ανθρώπινη υγεία. Στην εργασία παρουσιάζεται ένα εργαλείο για τη βέλτιστη χωροθέτηση μονάδων sewer mining σε ένα δίκτυο λυμάτων, με στόχο την ελαχιστοποίηση της παραγωγής υδρόθειου στους αγωγούς του δικτύου. Το εργαλείο εφαρμόζεται σε ένα δίκτυο λυμάτων που έχει σχεδιαστεί για την περιοχή Καλύβια Θορικού της Αττικής και το ανακυκλωμένο νερό που προκύπτει από την εφαρμογή της τεχνολογίας sewer mining προορίζεται για την άρδευση χώρων πρασίνου στην ευρύτερη περιοχή του δικτύου. Η μεθοδολογία περιλαμβάνει την ανάπτυξη μεθόδου Monte-Carlo σε συνδυασμό με χρήση του μοντέλου SWMM που έχει εισαχθεί από το Environmental Protection Agency (EPA). Πραγματοποιούνται προσομοιώσεις για διάφορα σενάρια φορτίσεων στο δίκτυο, σε καθεμία από τις οποίες λαμβάνονται τυχαίες τιμές από την ομοιόμορφη κατανομή και τίθενται σε παραμέτρους εισόδου που εμφανίζουν αβεβαιότητα (για παράδειγμα συντελεστές που αφορούν τη χρονική διακύμανση της παροχής). Από κάθε προσομοίωση προκύπτουν παράμετροι εξόδου ενδιαφέροντος όπως η παροχή, η ταχύτητα, η συγκέντρωση BOD5 και το βάθος ροής στους αγωγούς του δικτύου. Τα αποτελέσματα αυτά αξιοποιούνται για τον υπολογισμό ενός εμπειρικού δείκτη που ονομάζεται δείκτης Ζ του Pomeroy και εκφράζει την πιθανότητα παραγωγής υδρόθειου σε έναν αγωγό. Χρησιμοποιούνται επίσης για την εκτίμηση της συγκέντρωσης ολικού διαλυμένου υδρόθειου σε έναν αγωγό, μέσω μίας σχέσης από τη βιβλιογραφία η οποία έχει εισαχθεί από τους Pomeroy και Parkhurst. Οι τιμές του δείκτη Ζ και της συγκέντρωσης ολικού διαλυμένου υδρόθειου ελέγχονται σε σύγκριση με καθορισμένα όρια. Κατόπιν, πραγματοποιείται πολυκριτηριακή βελτιστοποίηση δύο κριτηρίων με στόχο την εύρεση των βέλτιστων κόμβων του δικτύου για τη χωροθέτηση μονάδων sewer mining. Το πρώτο κριτήριο αφορά την ελαχιστοποίηση της παραγωγής υδρόθειου στους αγωγούς του δικτύου που εκφράζεται με μικρότερες τιμές του δείκτη Ζ και το δεύτερο τη μεγιστοποίηση της κάλυψης των υδατικών αναγκών ως δείκτης των οποίων χρησιμοποιείται προσεγγιστικά η έκταση της περιοχής πρασίνου που επωφελείται από την άρδευση με ανακυκλωμένο νερό. Δημιουργείται ένα μέτωπο Pareto από όπου προκύπτουν δύο μη κυριαρχούμενες λύσεις οι οποίες αντιστοιχούν στους δύο κόμβους του δικτύου που αποτελούν βέλτιστες θέσεις για την χωροθέτηση μονάδων SM. Ερευνάται επιπλέον η επίδραση που έχει στην παραγωγή του υδρόθειου η χωροθέτηση μονάδας sewer mining αρχικά σε έναν μόνο κόμβο και κατόπιν σε δύο κόμβους του δικτύου, με ταυτόχρονη λειτουργία, για συγκεκριμένο ημερήσιο όγκο άντλησης λυμάτων. Γίνεται η παραδοχή της μη επιστροφής παραπροϊόντων της επεξεργασίας στο δίκτυο. Το ενδιαφέρον εστιάζεται στη διαδρομή αγωγών από τον κόμβο εφαρμογής της τεχνολογίας έως τον κόμβο εξόδου του δικτύου. Εξετάζεται η απόκριση του δικτύου κατά την εφαρμογή άντλησης σε εικοσιτετράωρη βάση συγκριτικά με την περίπτωση που πραγματοποιείται άντληση κατά το δωδεκάωρο 08:00 - 20:00 ενώ δεν αντλούνται λύματα στις υπόλοιπες ώρες της ημέρας. Η εργασία πραγματεύεται επίσης τον βέλτιστο χρονικό προγραμματισμό άντλησης των λυμάτων από το δίκτυο προκειμένου να ελαχιστοποιείται η πιθανότητα παραγωγής υδρόθειου στους αγωγούς που απαρτίζουν τη διαδρομή από τον κόμβο εφαρμογής sewer mining έως τον κόμβο εξόδου. Υποτίθεται μη επιστροφή των παραπροϊόντων από την επεξεργασία στο δίκτυο. Σε μία πρώτη προσέγγιση, εξετάζονται σενάρια στα οποία θεωρείται αναλογική σχέση μεταξύ της παροχής άντλησης και της εισερχόμενης παροχής λυμάτων στον κόμβο άντλησης του δικτύου, που εκφράζεται μέσω ενός συντελεστή αναλογίας. Καταρτίζονται σενάρια άντλησης για διάφορες τιμές του συντελεστή αναλογίας και, για λόγους σύγκρισης, σενάρια με σταθερό ρυθμό άντλησης. Υπολογίζεται για κάθε σενάριο ένας σταθμισμένος δείκτης Ζ του Pomeroy ο οποίος αφορά τη βέλτιστη διαδρομή αγωγών και στη συνέχεια συγκρίνονται τα αποτελέσματα. Μία επιπλέον προσέγγιση που εξετάζεται αφορά την εφαρμογή βελτιστοποίησης με τη μέθοδο γενετικών αλγόριθμων. Η ημέρα χωρίζεται σε τετράωρα και τίθενται ως μεταβλητές οι τιμές των παροχών άντλησης στην αρχή και στο τέλος των τετράωρων ενώ στις ενδιάμεσες ώρες γίνεται υπόθεση γραμμικής παρεμβολής. Ως κριτήριο της βελτιστοποίησης ορίζεται η ελαχιστοποίηση του σταθμισμένου δείκτη Ζ για τη διαδρομή αγωγών από τον κόμβο εφαρμογής έως την έξοδο του δικτύου. Η βελτιστοποίηση εφαρμόζεται σε τρία διαφορετικά σενάρια φορτίσεων και γίνεται σύγκριση των αποτελεσμάτων για την εξαγωγή χρήσιμων συμπερασμάτων. Η χρήση του εργαλείου για τη βέλτιστη χωροθέτηση μονάδων sewer mining που παρουσιάζεται στην εργασία είναι δυνατή σε διάφορες περιπτώσεις δικτύων λυμάτων, με στόχο τον περιορισμό των προβλημάτων που εμφανίζονται εξαιτίας του παραγόμενου υδρόθειου. Η μεθοδολογία παραμένει σε γενικές γραμμές η ίδια, με ορισμένες τροποποιήσεις ανά περίπτωση, όπως π.χ. κατά τον ορισμό των παραμέτρων εισόδου που εμφανίζουν αβεβαιότητα ή των κριτηρίων της βελτιστοποίησης ή στη χρήση μοντέλων προσομοίωσης. Συνεπώς, το εργαλείο αυτό μπορεί να δώσει κατευθυντήριες γραμμές για την επιτυχημένη εφαρμογή της τεχνολογίας sewer mining σε τοπικό επίπεδο. Όσον αφορά την αναζήτηση ενός βέλτιστου χρονικού προγράμματος άντλησης κατά την εφαρμογή sewer mining μέσω βελτιστοποίησης με τη μέθοδο γενετικών αλγόριθμων, τα συμπεράσματα από την εφαρμογή μπορούν να αποτελέσουν βάση για περαιτέρω έρευνα. Ταυτόχρονα, επισημαίνεται ότι η υλοποίηση περισσότερων επαναλήψεων του αλγόριθμου ή η εφαρμογή πολυκριτηριακής βελτιστοποίησης, ενδεχομένως σε συνδυασμό με τη χρήση εξελιγμένων μεθόδων βελτιστοποίησης (π.χ. παράλληλος προγραμματισμός, τεχνικές με υποκατάστατα μοντέλων) μπορούν να συμβάλλουν στην εύρεση ενός γενικού κανόνα που να καλύπτει ένα ευρύ φάσμα σεναρίων φορτίσεων και άντλησης στο δίκτυο. Επιπρόσθετα, απαιτείται συνεχής βελτίωση της διαδικασίας μοντελοποίησης (π.χ. διακρίβωση μοντέλου με πραγματικά δεδομένα, χρήση πιο εξελιγμένων μεθόδων εκτίμησης της παραγωγής υδρόθειου στους αγωγούς κ.ά.). Θα πρέπει ακόμα να λαμβάνεται υπόψη στο μοντέλο προσομοίωσης του δικτύου το ενδεχόμενο επιστροφής παραπροϊόντων από την επεξεργασία στο δίκτυο αφού επηρεάζονται σημαντικά η παροχή και το φορτίο BOD5 και, κατ’ επέκταση, η παραγωγή υδρόθειου στους αγωγούς κατάντη του σημείου εφαρμογής sewer mining.	el
heal.abstract	Pressures on water resources have increased significantly over the last decades. Intense urbanization and population growth, supply-side impacts of climatic changes, water pollution and poor water management, as well as increased demand for water due to improved living standards, are the main causes of the problem. As a result, there is a rising need for developing new, innovative and sustainable water and wastewater treatment technologies. To this end, water recycling technologies and decentralized and satellite treatment systems are gaining ground against central treatment systems. One decentralized practice aiming at recycled water production is that of sewer mining (SM). This technology is based on pumping sewage out of sewer networks and treating it on-site to produce recycled water. Some treatment by-products may be acceptable for return to the wastewater system under strict standards. Despite the significant advantages of this technology, its implementation often encounters obstacles due to lack of adequate frameworks, economic restrictions and public scepticism over the use of recycled water along with problems caused by disturbances in the network’s internal processes. One significant challenge in particular is the increase of hydrogen sulphide (H2S) build-up inside sewer network pipes. Hydrogen sulphide is primarily responsible for odour, corrosion and health-related problems. This study presents a tool for optimal placement of sewer mining units in sewer networks, aiming to minimize hydrogen production inside the sewers. The tool is applied in a sewer network designed for the town of Kalyvia Thorikou, Attica and the recycled water produced from the sewer mining technology implementation is intended for irrigating green areas located in the wider area of the network. The methodology includes the development of a Monte-Carlo method along with the use of the SWMM model introduced by the Environmental Protection Agency (EPA). Several simulations are conducted regarding different loading scenarios for the network. In these simulations, input parameters presenting uncertainties (e.g. coefficients concerning flow variations) are assigned random values derived from the uniform distribution. Each simulation provides certain output parameters of interest such as flow, velocity, BOD5 concentration and flow depth inside the network’s pipes. These results are employed to calculate an empirical metric called Pomeroy’s ‘Z formula’ that quantifies the probability of hydrogen sulphide build-up inside sewer pipes. They are also employed to estimate the total dissolved sulphide concentration through an equation derived from literature and introduced by Pomeroy and Parkhurst. The values of the Z metric and of the total dissolved sulphide concentration must not exceed certain determined limits. Afterwards, a multi-criteria optimization with two criteria is carried out to identify which network nodes are optimal for sewer mining unit placement. The first criterion concerns minimizing hydrogen sulphide production inside the network pipes, expressed through lower values of the Z metric. The second concerns maximizing the water needs satisfaction, expressed roughly through the size of the green area benefiting from irrigation with recycled water. A Pareto front is created. It presents two deriving non-dominated solutions corresponding to the two network nodes that are optimal for sewer mining unit placement. Additionally examined is the effect the placement of a sewer mining unit has on hydrogen sulphide production in the cases of application to a single node and afterwards to two nodes of the network regarding a specific daily amount of sewage pumped out of the system. It is assumed that treatment residue does not return to the network. Interest is focused on the pipe route from the node where the technology is applied to the network’s exit node. The network’s response is considered in the event of continuous pumping for a 24-hour period in comparison to twelve-hour pumping between the hours 08:00-20:00 and no pumping for the remainder of the day. Furthermore, the study deals with optimal pumping scheduling with respect to minimizing the probability of hydrogen sulphide build-up in the pipe route from the node where sewer mining is applied to the exit node. It is assumed that treatment by-products do not return to the network. A first approach deals with several scenarios where a ratio is assumed between the pumping flow rate and the incoming sewage flow in the node where sewer mining technology is applied by introducing a ratio coefficient. Pumping scenarios are formed for several values of the ratio coefficient, as well as scenarios assuming a steady pumping rate for comparison purposes. A modified index of Pomeroy’s Z metric is calculated for each scenario, referring to the optimal pipe path. The results are subsequently compared. In addition, another approach concerning the implementation of genetic algorithm optimization is considered. The day is divided into four hour-periods and the values of the pumping flow rates at the beginning and at the end of the four-hour periods are set as variables while linear interpolation is assumed in the intervals. The criterion of the optimization is determined as minimizing the modified Z index in the optimal pipe path. The optimization is applied in three different loading scenarios and the results are compared in order to draw conclusions. The tool for optimal placement of sewer mining units presented in this study may be used in various cases of sewer networks as a means of addressing problems arising from hydrogen sulphide build-up. The methodology remains generally the same except some modifications per case, such as in the identification of the uncertain input parameters or the optimization criteria, or in the simulation models employed. Therefore, this tool can provide guidelines for successfully implementing sewer mining technology at a local scale. Regarding the optimal pumping scheduling when applying sewer mining through the conduction of genetic algorithm optimization, the conclusions drawn can serve as a basis for further research. At the same time, it is pointed out that more iterations of the algorithm and multi-criteria optimization, along with the potential use of advanced optimization methods such as parallel programming and model substitution techniques, can help achieve a general rule covering a wide range of loading and pumping scenarios for the network. Moreover, continuous improvement of the modelling process is required, for example by means of model calibration using actual data, employment of more sophisticated methods regarding the estimation of hydrogen sulphide build-up inside the sewers etc. The network simulation model should also account for the potential return of treatment by-products to the sewer network because of its significant impact on sewage flow and BOD5 loading and, by extension, on hydrogen sulphide build-up inside the sewers downstream of the sewer mining application point.	en
heal.advisorName	Μακρόπουλος, Χρήστος	el
heal.committeeMemberName	Μακρόπουλος, Χρήστος	el
heal.committeeMemberName	Μαμάσης, Νίκος	el
heal.committeeMemberName	Νουτσόπουλος, Κωνσταντίνος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	230 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true