Ανάλυση ευαισθησίας ολοκληρωμένου μαθηματικού μοντέλου προσομοίωσης της λειτουργίας εγκαταστάσεων επεξεργασίας λυμάτων

Γκόβα, Ελένη; Gkova, Eleni

dc.contributor.author	Γκόβα, Ελένη	el
dc.contributor.author	Gkova, Eleni	en
dc.date.accessioned	2020-11-18T08:49:51Z
dc.date.available	2020-11-18T08:49:51Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/51933
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.19631
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	Ανάλυση ευαισθησίας	el
dc.subject	Μαθηματική προσομοίωση	el
dc.subject	Εγκατάσταση επεξεργασίας λυμάτων	el
dc.subject	Εκπομπές αερίων θερμοκηπίου	el
dc.subject	Μοντέλο ενεργού ιλύος	el
dc.subject	Sensitivity analysis	en
dc.subject	Mathematical modelling	en
dc.subject	Wastewater treatment plant	en
dc.subject	Greenhouse gas emissions	el
dc.subject	Active sludge model	el
dc.title	Ανάλυση ευαισθησίας ολοκληρωμένου μαθηματικού μοντέλου προσομοίωσης της λειτουργίας εγκαταστάσεων επεξεργασίας λυμάτων	el
dc.title	Sensitivity analysis of an integrated mathematical model for the simulation of the operation of wastewater treatment plants	en
heal.type	masterThesis
heal.classification	Περιβαλλοντική μηχανική	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2020-10-30
heal.abstract	Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει στόχο την ανάλυση ευαισθησίας ενός ολοκληρωμένου μαθηματικού μοντέλου προσομοίωσης της λειτουργίας εγκαταστάσεων επεξεργασίας λυμάτων για την ανάδειξη εκείνων των παραμέτρων που επιδρούν περισσότερο στη διαμόρφωση των τιμών επιλεγμένων μεταβλητών και δεικτών λειτουργίας του συστήματος. Το μαθηματικό μοντέλο το οποίο εφαρμόστηκε για τις ανάγκες της συγκεκριμένης εργασίας έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια ερευνητικού προγράμματος του Εργαστηρίου Υγειονομικής Τεχνολογίας του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου και βασίζεται στο Μοντέλο Ενεργού Ιλύος Νο 1 (ASM1) για την προσομοίωση των διεργασιών του βιοαντιδραστήρα, το οποίο επεκτάθηκε ώστε να περιλαμβάνει εξισώσεις για τον υπολογισμό των εκπομπών αερίων θερμοκηπίου. Επίσης, περιλαμβάνει υπομοντέλο μονοδιάστατης καθίζησης για την προσομοίωση της λειτουργίας της δεξαμενής τελικής καθίζησης (ΔΤΚ) και υπομοντέλο που βασίζεται στο ADM1 για την προσομοίωση των διεργασιών του αναερόβιου χωνευτή. Η λειτουργία της δεξαμενής πρωτοβάθμιας καθίζησης (ΔΠΚ) υπολογίζεται από ισοζύγιο μαζών, καθώς και τα στοιχεία που αφορούν στη γραμμή επεξεργασίας της ιλύος, ενώ η προσομοίωση της λειτουργίας του ηλεκτρομηχανολογικού εξοπλισμού, της κατανάλωσης ενέργειας και των δεικτών εκτίμησης της απόδοσης υπολογίζονται από εξισώσεις. Η ανάλυση ευαισθησίας πραγματοποιήθηκε με την εφαρμογή μιας OAT (Once At a Time) μεθόδου για τη διερεύνηση της επίδρασης εξήντα επτά (67) στοιχειομετρικών και κινητικών παραμέτρων λειτουργίας του μοντέλου σε δεκαεννέα (19) μεταβλητές ενδιαφέροντος και δείκτες ελέγχου. Συγκεκριμένα, ελέγχθηκε η επίδραση της μεταβολής μιας εκ των παραμέτρων κάθε φορά, κατά ±30%, στις μεταβλητές: ολικό και διαλυτό COD στην έξοδο, ολικό και αμμωνιακό άζωτο στην έξοδο, περίσσεια ιλύος μετά την επεξεργασία της, ημερήσια απαίτηση οξυγόνου, παραγόμενο βιοαέριο, συνολική ενεργειακή κατανάλωση, ανάκτηση ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας, εκπομπή υποξειδίου του αζώτου στο βιοαντιδραστήρα, σύνολο εκπομπών υποξειδίου του αζώτου και αερίων του θερμοκηπίου σε όρους διοξειδίου του άνθρακα και στους δείκτες: εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα προς COD που καταναλώνεται και προς άζωτο που απομακρύνεται, εκπομπές υποξειδίου του αζώτου προς ολικό άζωτο που εισέρχεται, ενεργειακή κατανάλωση προς COD που καταναλώνεται και προς άζωτο που απομακρύνεται, ποιότητα εκροής σε όρους ρύπανσης. Η σχετική ευαισθησία υπολογίστηκε από την ποσοστιαία μεταβολή της τιμής της μεταβλητής ενδιαφέροντος προς την ποσοστιαία μεταβολή της τιμής της παραμέτρου, που για την περίπτωση της συγκεκριμένης ανάλυσης ήταν 30%. Στα πλαίσια της ανάλυσης ευαισθησίας εξετάστηκαν σενάρια τα οποία κατηγοριοποιούνται σε τρείς κύριες κατηγορίες: • Σταθερή φόρτιση του συστήματος με χρόνο παραμονής στερεών 10 ημέρες • Σταθερή φόρτιση του συστήματος με χρόνο παραμονής στερεών 4.5 ημέρες • Δυναμική φόρτιση του συστήματος με χρόνο παραμονής στερεών 10 ημέρες Επισημαίνεται ότι για τη σταθερή φόρτιση η εγκατάσταση δεχόταν σταθερή ημερήσια παροχή η οποία κατανεμήθηκε ισόποσα στις ώρες της ημέρας, ενώ για τη δυναμική φόρτιση δεχόταν μεταβαλλόμενη ημερήσια παροχή που κατανεμήθηκε σύμφωνα με υδρογράφημα το οποίο δίνει, για κάθε ώρα, ένα ποσοστό της μέσης ωριαίας παροχής. Τα κυριότερα συμπεράσματα που προέκυψαν από την ανάλυση ευαισθησίας κωδικοποιούνται στα ακόλουθα: • Για τα σενάρια σταθερής φόρτισης, με SRT=10d, η παράμετρος στην οποία οι περισσότερες μεταβλητές παρουσίασαν σημαντική σχετική ευαισθησία και σε αρκετές περιπτώσεις τη μέγιστη σχετική ευαισθησία είναι ο βαθμός απόδοσης ετεροτροφικής βιομάζας, Υh που καθορίζει το κλάσμα οργανικού C που οδηγείται σε σύνθεση μικροοργανισμών ως προς το σύνολο του οργανικού C που απομακρύνεται από το σύστημα. • Για τα σενάρια σταθερής φόρτισης με SRT=4d οι μεταβλητές παραμένουν ευαίσθητες στις μεταβολές της παραμέτρου Yh αλλά λόγω των συνθηκών αναστολής της νιτροποίησης αναδεικνύονται ως σημαντικότερες παράμετροι εκείνες που σχετίζονται με τα αζωτούχα συστατικά του συστήματος. • Η κρίσιμη διεργασία για τα αποτελέσματα της επεξεργασίας είναι η νιτροποίηση. Η επάρκεια του χρόνου παραμονής στερεών για την ολοκλήρωση ή αναστολή της διεργασίας μεταβάλλει σημαντικά τις ισορροπίες και τις αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα μέσα στο σύστημα ενεργού ιλύος. • Η σχετική ευαισθησία των μεταβλητών και δεικτών ενδιαφέροντος μιας ΕΕΛ στις στοιχειομετρικές και κινητικές παραμέτρους εξαρτάται από τις λειτουργικές συνθήκες του συστήματος. Τα αποτελέσματα διαφοροποιούνται για στατική ή δυναμική φόρτιση, καθώς και μεταξύ συστημάτων που λειτουργούν με μεγάλους χρόνους παραμονής στερεών ή μικρούς χρόνους παραμονής στερεών που δεν επιτρέπουν να συντελεστεί η διεργασία της νιτροποίησης. • Η ίδια ανάλυση ευαισθησίας σε δυναμικές συνθήκες δίνει αρκετά διαφοροποιημένα αποτελέσματα μεταξύ των συνθηκών υψηλής, μέσης και χαμηλής φόρτισης του συστήματος και, επιπρόσθετα, η ίδια η απόκριση του μοντέλου διαφοροποιείται ακόμα και στην ίδια δυναμική φόρτιση.	el
heal.abstract	The purpose of the present thesis is the sensitivity analysis of an integrated mathematical model for the simulation of the operation of wastewater treatment plants, in order to highlight certain parameters that have the greatest influence in the formation of the value of the chosen’s variables and operation indices. The mathematical model that was applied for the needs of this thesis has been developed by the research team of the Sanitary Engineering Laboratory of the National Technical University of Athens and is based on the Active Sludge Model No. 1 (ASM1) to simulate the bioreactor processes, which was extended to include equations for calculating greenhouse gas emissions. It also includes a one-dimensional settling sub-model to simulate the operation of the secondary clarifier and an ADM1-based sub-model to simulate processes of the anaerobic digester. The operation of the primary clarifier is calculated from mass balance, as well as the data related to the treatment of the activated sludge, while the simulation of the operation of the electromechanical equipment, energy consumption and performance evaluation indicators are calculated from equations. Sensitivity analysis was performed by applying an OAT (Once At a Time) method to investigate the effect of sixty seven (67) stoichiometric and kinetic operating parameters of the model on nineteen (19) variables of interest and control indicators. In particular, the effect of the change of one of the parameters each time, by ± 30%, on the variables: total and soluble effluent COD, total and ammonium effluent nitrogen, excess sludge after treatment, daily oxygen demand, biogas produced, total energy consumption, recovery of electrical and thermal energy, nitrous oxide emissions in the bioreactor, total nitrogen oxides and greenhouse gas emissions in terms of carbon dioxide and in the indicators: carbon dioxide emissions to COD consumed and nitrogen removed, nitrous oxide emissions to total nitrogen entering the plant, energy consumption to COD consumed and nitrogen removed, discharge quality in pollution terms. The relative sensitivity was calculated from the percentage change in the value of the variable of interest to the percentage change in the value of the parameter, which in the case of this analysis was 30%. In the context of the sensitivity analysis, scenarios were examined which are categorized into three main categories: • Steady loading of the system with a solids retention time (SRT) of 10 days • Steady loading of the system with a solids retention time (SRT) of 4.5 days • Dynamic loading of the system with a solids retention time (SRT) of 10 days It is pointed out that for the steady loading conditions the plant received a steady flow rate which was distributed evenly during the hours of the day, while for the dynamic loading it received a variable daily flow rate distributed according to a hydrograph which gives, for each hour, a percentage of the average hourly flow rate. The main conclusions drawn from the sensitivity analysis are coded as follows: • For the steady flow rate scenarios, with SRT = 10d, the parameter in which most variables showed significant relative sensitivity and in several cases the maximum relative sensitivity is the heterotrophic biomass yield coefficient, Υh which determines the organic C fraction leading to the synthesis of microorganisms with respect to the total organic C removed from the system. • For the steady flow rate scenarios with SRT = 4d, the variables remain sensitive to the changes of the parameter Yh but due to the inhibition conditions of nitrification the most important parameters are those related to the nitrogenous components of the system. • The critical process for the results of the treatment procedure is nitrification. The adequacy of the solids retention time to complete or inhibit the process significantly alters the balances and chemical reactions that take place within the activated sludge system. • The relative sensitivity of the variables and indicators of interest of a WWTP to the stoichiometric and kinetic parameters depends on the operating conditions of the system. The results vary for steady or dynamic loading, as well as between systems operating with longer or shorter solids retention times that do not allow the nitrification process to take place. • The same sensitivity analysis during dynamic loading conditions gives quite different results between the high, medium and low loading conditions of the system and, in addition, the response of the model itself differs even at the same dynamic loading scenario.	en
heal.advisorName	Νουτσόπουλος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Μαμάης, Δανιήλ	el
heal.committeeMemberName	Παπακωνσταντής, Ηλίας	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	200 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false