Έλεγχος επάρκειας εγκαταστάσεων επεξεργασίας λυμάτων μέσω μαθηματικής προσομοίωσης

Abstract

Στόχος της διπλωματικής εργασίας είναι η εφαρμογή μαθηματικής προσομοίωσης για τον έλεγχο λειτουργίας υπάρχουσας εγκατάστασης με απομάκρυνση αζώτου και οργανικού φορτίου. Ένα σημαντικό και ταυτόχρονα ιδιαίτερα ενδιαφέρον ζήτημα που καλείται να αντιμετωπίσει ο μηχανικός κατά τον σχεδιασμό όπως επίσης και κατά τη λειτουργία μίας εγκατάστασης επεξεργασίας λυμάτων, είναι η προσομοίωση των διεργασιών της επεξεργασίας υγρών αποβλήτων, αντικείμενο το οποίο αποτέλεσε και το κίνητρο της παρούσας μελέτης. Στην εργασία αυτή χρησιμοποιείται το μαθηματικό προσομοίωμα ενεργού ιλύος ASM2, ενώ η προσομοίωση πραγματοποιήθηκε μέσω του εξειδικευμένου λογισμικού GPS-X της Hydromantis Inc. Αρχικά, διερευνήθηκε η απόκριση της εγκατάστασης για ένα εύρος τιμών του χρόνου παραμονής στερεών (srt), μεταβάλλοντας τόσο την θερμοκρασία (Τ) των λυμάτων, όσο και κάποιες στοιχειομετρικές και κινητικές μεταβλητές. Οι μεταβλητές αυτές είναι ο ρυθμός παραγωγής της ετεροτροφικής (ΥΗ) και αυτοτροφικής βιομάζας (ΥΑ) και ο μέγιστος ρυθμός ανάπτυξης της ετεροτροφικής (μmaxH) και αυτοτροφικής βιομάζας στους 20 οC (μmaxA), από τις οποίες προέκυψε ότι η σημαντικότερη είναι ο μmaxA. Στην συνέχεια, πραγματοποιήθηκε έλεγχος επάρκειας της εγκατάστασης τόσο για τα λειτουργικά χαρακτηριστικά όσο και για αύξηση της παροχής εσωτερικής ανακυκλοφορίας στη μέγιστη δυνατή τιμή βάσει του εγκατεστημένου μηχανολογικού εξοπλισμού. Επιπλέον, εξετάστηκε η επίδραση του συντελεστή επανακυκλοφορίας (r) και του δείκτη καθιζησιμότητας της ιλύος (SVI) στη μέγιστη δυνατή παροχή εισροής. Βάση των αποτελεσμάτων, αύξηση της επάρκειας μπορεί να πραγματοποιηθεί με αύξηση της εσωτερικής ανακυκλοφορίας, όπως και βελτιστοποίηση της παροχής επανακυκλοφορίας. Η βελτιστοποίηση αυτή οδηγεί σε τιμές του συντελεστή r κατά προσέγγιση από 45 % έως 65 %, ανάλογα με τον χρόνο παραμονής στερεών, δηλαδή σημαντικά μειωμένες από την αρχική τιμή λειτουργίας της εγκατάστασης (106 %). Τέλος για srt μέχρι και εννέα ημέρες η εγκατάσταση λειτουργικά σε συμφωνία με την οδηγία για αναχαίτιση της νιτροποίησης έως και 25 %, ενώ η αναχαίτιση αυτή μπορεί να αυξηθεί μέχρι και 37.5 % για srt > 14 d.

The purpose of this diploma thesis is the application of mathematical simulation for the operational control of a wastewater treatment plant incorporating nitrogen removal. An issue of major importance and complexity for the engineer is the simulation of activated system operation, which was the motivation of this study. he mathematical model used, is the activated sludge model ASM2, while the simulation is conducted over GPS-XS software of Hydromantis Inc. Initially, the response of the plant for a range of solids retention time (srt), varying the temperature (T), the production rate of heterotrophic (YH) and autotrophic biomass (YA) and the maximum growth rate of heterotrophic (μmaxH) and autotrophic biomass (μmaxA) was investigated. According the simulations, the most important variable is μmaxA. Then, a control efficiency of the plant for both the operational characteristics and for increasing the quantity of internal recirculation to the maximum value based on the installed mechanical equipment, was made. Moreover, the effect of recirculation rate (r) and sludge volume index (SVI) to the maximum input quantity was examined. Based on the results, increase of the efficiency can be achieved by increasing the internal recirculation and optimizing the recirculation rate (r). The optimization leads to values of the r coefficient of approximately 45 % to 65 % depending on the solids retention time, thus significantly reduced from the initial operational value (106 %). Finally, for srt value up to nine days, the plant is operating in compliance with the directive, even for 25 % deterrence in the nitrification process, while for srt more than 14 days the deterrence can be up to 37.5 %.