Διερεύνηση του φαινομένου της νηματοειδούς διόγκωσης σε συστήματα SBR μέσω μαθηματικής προσομοίωσης

Abstract

Στόχος της παρούσας εργασίας είναι η διερεύνηση του φαινομένου της νηματοειδούς διόγκωσης σε αντιδραστήρες SBR χρησιμοποιώντας μαθηματική προσομοίωση. Για το σκοπό αυτό εφαρμόζεται το μαθηματικό ομοίωμα SBR-bulking το οποίο προέκυψε μετά από κατάλληλη τροποποίηση από το υφιστάμενο μοντέλο SBR. Για την περιγραφή της φάσης των αντιδράσεων γίνεται χρήση της στοιχειομετρίας και των κινητικών εκφράσεων που περιγράφονται στο μοντέλο ASM1, αφού έχει προηγηθεί διαχωρισμός της ετεροτροφικής βιομάζας σε συσσωματούμενους και νηματοειδείς μικροοργανισμούς. Κατά την πρώτη φάση διερευνάται η επίδραση κάποιων στοιχειομετρικών και κινητικών παραμέτρων στη διαφορική ανάπτυξη των νηματοειδών και των συσσωματούμενων μικροοργανισμών για ένα εύρος τιμών του χρόνου παραμονής στερεών. Οι παράμετροι των οποίων η επίδραση εξετάζεται είναι η μέγιστη ειδική ταχύτητα ανάπτυξης νηματοειδών μικροοργανισμών (μHfil), οι σταθερές Monod για νηματοειδείς μικροοργανισμούς για τροφή (KSfil και KSHfil), το ποσοστό νηματοειδών μικροοργανισμών που απονιτροποιεί (ngfil), ο συντελεστής φθοράς νηματοειδών μικροοργανισμών (bHfil), ο συντελεστής παραγωγής νηματοειδών μικροοργανισμών (YHfil), η σταθερά Monod νηματοειδών μικροοργανισμών για οξυγόνο (KOHfil) και ο μέγιστος ειδικός ρυθμός υδρόλυσης νηματοειδών μικροοργανισμών (KHfil). Από τη διερεύνηση αυτή προέκυψε πως η παράμετρος KSHfil είναι καθοριστική για την ανάπτυξη των νηματοειδών μικροοργανισμών. Κατά τη δεύτερη φάση διερευνάται η επίδραση κάποιων λειτουργικών παραμέτρων, αφού πρώτα υιοθετείται ένα σύνολο τιμών για τις στοιχειομετρικές και κινητικές παραμέτρους που προσομοιώνουν τη συμπεριφορά νηματοειδών μικροοργανισμών με συγκεκριμένα χαρακτηριστικά. Οι λειτουργικές παράμετροι που εξετάζονται είναι η επίδραση της κλασματοποίησης του COD, η επίδραση του συνολικού ανοξικού χρόνου, η λειτουργία των αυτόματων εναλλαγών, η επίδραση του χρόνου πλήρωσης, οι λειτουργικοί κύκλοι και ο τρόπος αερισμού. Βάσει των αποτελεσμάτων, η κλασματοποίηση του COD και ο συνολικός ανοξικός χρόνος παίζουν σημαντικό ρόλο, καθώς καθορίζουν την ανάπτυξη συνθηκών που ευνοούν ή δυσκολεύουν την ανάπτυξη νηματοειδών μικροοργανισμών στο σύστημα.

The purpose of this diploma thesis is the application of mathematical simulation in order to research the filamentous bulking phenomenon in SBR reactors. For this purpose, the mathematical model SBR-bulking is applied. This model arose after modifying the existing model SBR. The reaction’s phase description uses the stoichiometry and the kinetic expressions described by model ASM1, after prior separation of heterotrophic biomass into floc formers and filamentous microorganisms. In the first part it is investigated the effect of some stoichiometric and kinetic parameters in the differential growth of filamentous and floc formers microorganisms for a range of solids retention time. These parameters are the maximum specific growth rate of filamentous microorganisms (μHfil), the Monod constant for filamentous microorganisms for consumption of KSfil and KSHfil, the percentage of filamentous microorganisms able to denitrify (ngfil), the deterioration factor of filamentous microorganisms (bHfil), the rate of production of filamentous microorganisms (YHfil), the Monod constant of filamentous microorganisms for oxygen (KOHfil) and the maximum specific rate of hydrolysis of filamentous microorganisms (KHfil). From this application it was revealed that KSHfil parameter is crucial for the growth of filamentous microorganisms. In the second part the research focus on the effect of some operating parameters after having selected a set of values for the stoichiometric and kinetic parameters that describe the behavior of filamentous microorganisms with specific characteristics. These operating parameters are the effect of fractionating of COD, the effect of the total anoxic time, the operation of automatic rotations, the effect of the time of filling, the operational cycles and the mode of ventilation. According to the results, the fractionation of COD and the total anoxic time have significant influence, since they determine the growth conditions that encourage or discourage the growth of filamentous microorganisms in the system.