MODELOWANIE WPŁYWU NAPEŁNIENIA KOLEKTORA KANALIZACJI GRAWITACYJNEJ NA PRZEBIEG TLENOWYCH PROCESÓW BIODEGRADACJI ŚCIEKÓW

Transkrypt

1 Proceedings of ECOpole Vol. 1, No. 1/ Grzegorz ŁAGÓD 1 i Henryk SOBCZUK 1 MODELOWANIE WPŁYWU NAPEŁNIENIA KOLEKTORA KANALIZACJI GRAWITACYJNEJ NA PRZEBIEG TLENOWYCH PROCESÓW BIODEGRADACJI ŚCIEKÓW INFLUENCE OF FLOW PARAMETERS ON AEROBIC BIODEGRADATION OF POLLUTANTS IN SEWER SYSTEM Streszczenie: W grawitacyjnych systemach kanalizacyjnych zachodzą procesy zarówno fizyczne, chemiczne, jak i biologiczne. Biodegradacja ścieków, prowadząca do rzeczywistego ubytku ładunku zanieczyszczeń podczas ich przepływu w kanalizacji, jest ważnym procesem zmieniającym ilość i jakość niesionych zanieczyszczeń. Stąd też kolektor grawitacyjny powinien być traktowany zarówno jako reaktor biologiczny, jak i urządzenie do zbierania i transportu ścieków. W prezentowanej pracy proces biodegradacji ścieków opisano za pomocą modelu matematycznego wzrostu i rozwoju populacji mikroorganizmów, który stanowi człon źródłowy w równaniu adwekcji-dyspersji. Parametry hydrodynamiczne systemu kanalizacyjnego wykorzystywane w symulacjach są obliczane za pomocą równania Saint-Venanta. Prezentowany model może być pomocny podczas określania dynamiki zmian ładunków zanieczyszczeń dopływających do oczyszczalni poprzez kolektory systemu kanalizacyjnego oraz prognozowania oddziaływania przelewów burzowych na wody odbiornika. Słowa kluczowe: system kanalizacji, fizykochemiczne parametry ścieków, modelowanie procesów biochemicznych, biodegradacja ścieków, równanie Saint-Venanta, równanie adwekcji-dyspersji Podczas budowy kompleksowego modelu procesów w obiekcie, jakim jest kolektor kanalizacyjny, należy powiązać ze sobą w jedną funkcjonalną całość odpowiednie elementy. Są nimi: lokalny model przemian zachodzących pod wpływem aktywnej biomasy heterotroficznej w warunkach tlenowych, model hydrodynamiczny kanału o przepływie ze swobodną powierzchnią oraz model adwekcyjno-dyspersyjnego transportu zanieczyszczeń. Tak skompletowany model należy następnie zaopatrzyć w parametry wewnętrzne, warunki początkowe oraz ustalić warunki brzegowe. Założenia lokalnego modelu biodegradacji ścieków w przewodach kanalizacyjnych W wielu aspektach grawitacyjne systemy kanalizacyjne i oczyszczalnie ścieków z częścią biologiczną są identyczne pod względem dominujących procesów biologicznych [1-3]. W związku z powyższym sposób modelowania przemian, zachodzących w ściekach pod wpływem mikroorganizmów zasiedlających kolektory, może być wzorowany na koncepcji opisywania zjawisk w systemach oczyszczania ścieków osadem czynnym zaproponowanej przez Henzego [4]. Pewne jego elementy mogą też korzystać z modeli przepływu i samooczyszczania w rzekach, jednakże należy pamiętać o kilku różnicach dotyczących definicji systemu, przebiegających procesów oraz różnej ważności poszczególnych jego elementów [2-7]. Bezpośrednie wykorzystanie modeli z grupy ASM do opisu procesów w kanalizacji grawitacyjnej jest niewskazane ze względu na: odmienne warunki hydrodynamiczne, 1 Wydział Inżynierii Środowiska, Politechnika Lubelska, ul. Nadbystrzycka 40B, Lublin, tel , G.Lagod@fenix.pol.lublin.pl

2 182 Grzegorz Łagód i Henryk Sobczuk przemiany biochemiczne zachodzące jednocześnie w biomasie zawieszonej i błonie biologicznej, różnorodność substancji limitujących wzrost biomasy, brak uprzedniego procesu sedymentacji, bezpośrednie oddziaływanie opadów atmosferycznych na układ kanalizacyjny, stężenie tlenu w ściekach zależne od reaeracji poprzez powierzchnię oraz jego napływu w postaci rozpuszczonej ze ściekami. Rozpatrując sytuację w kanalizacji z punktu widzenia modeli wykorzystywanych dla rzek, należy zwrócić uwagę na następujące różnice: stężenie biomasy zawieszonej jest znacznie większe niż w naturalnych ciekach wodnych, ze względu na bardzo duże stężenie ChZT w ściekach substancje pokarmowe nie limitują rozwoju mikroorganizmów, nitryfikacja w kanalizacji zachodzi znacznie wolniej ze względu na obrastanie biomasy nitryfikującej przez szybciej rozwijające się heterotrofy, w kanalizacji istnieje wyraźna dobowa zmienność w obciążeniu ładunkiem zanieczyszczeń i obciążeniu hydraulicznym, ze względu na brak światła w większości systemów kanalizacyjnych nie istnieje produkcja pierwotna, geometria przewodów kanalizacyjnych jest z reguły dobrze sprecyzowana. Opisując procesy biodegradacji ścieków w kolektorze grawitacyjnym, należy w pierwszej kolejności wziąć pod uwagę przemiany mikrobiologiczne substancji organicznych w ściekach w warunkach tlenowych. Warunki aerobowe oraz występowanie biomasy w formie zawiesiny i błony biologicznej są założeniami przyjętymi dla prezentowanego modelu. Pozwala to uwzględnić najważniejsze właściwości modelowanego układu oraz interakcje pomiędzy jego częściami składowymi. Interakcje te obejmują przyrost biomasy, hydrolizę substancji biodegradowalnych zawartych w ściekach oraz zużycie tlenu rozpuszczonego. W opisywanym modelu składniki ścieków rozpatrywane są pod kątem biomasy, substratu oraz akceptorów elektronów pochodzących z fazy płynnej i ciał stałych zawieszonych w cieczy, pod uwagę brana jest również błona biologiczna, znajdująca się pod powierzchnią ścieków. Stężenie biomasy heterotroficznej w fazie płynnej ścieków w kanalizacji jest zwykle małe w porównaniu do stężenia analogicznej biomasy w osadzie czynnym, natomiast ilość substratów pokarmowych dostępnych dla biomasy w kolektorach kanalizacyjnych jest zazwyczaj względnie duża. W ściekach świeżych występuje substrat łatwo rozkładalny biologicznie, dostępny w ilościach takich, iż w większości przypadków nie stanowi czynnika ograniczającego przyrost biomasy organizmów heterotroficznych [1-9]. Jak wynika z badań terenowych na obiektach kanalizacyjnych, bardzo ważnym czynnikiem w procesie biodegradacji ścieków jest błona biologiczna [1-3, 5]. W niektórych przypadkach jej udział w biodegradacji ścieków może być większy niż biomasy zawieszonej. Dzieje się tak podczas przepływów z niewielkimi naprężeniami ścinającymi i przy małej wysokości napełnienia przewodu. Dodatkowym elementem uwzględnionym w modelu jest również temperatura, ważna ze względu na fakt, iż wpływa na aktywność enzymatyczną mikroorganizmów oraz rozpuszczalność tlenu w ściekach.

3 Modelowanie wpływu napełnienia kolektora kanalizacji grawitacyjnej na przebieg tlenowych procesów 183 Reaeracja ścieków w kanalizacji grawitacyjnej Stopień natlenienia ścieków ma kluczowe znaczenie dla tlenowych procesów biodegradacji zanieczyszczeń, przeprowadzanych przez biomasę heterotroficzną bytującą w systemie kanalizacyjnym. Stopień ten zależy od wielu czynników, z których najważniejsze to stężenie tlenu w powietrzu ponad swobodnym zwierciadłem ścieków, pole powierzchni kontaktu ścieków i powietrza oraz właściwości hydrodynamiczne przepływu. Z wytycznych dotyczących projektowania sieci kanalizacyjnych wynika [10], iż względna wysokość napełnienia kanałów nie powinna przekraczać 0,8 ich wysokości całkowitej ze względu na ochronę przed zagniwaniem ścieków. Niecałkowite wypełnienie zapewnia istnienie strefy powietrznej w górnej części przekroju kanałów, umożliwiającej reaerację przepływających ścieków. W wyniku rozważań teoretycznych, wspartych danymi doświadczalnymi, powstały cytowane w literaturze przedmiotu zależności opisujące reaerację ścieków w przewodach kanalizacji grawitacyjnej. Podstawowe równanie bywa zapisywane jako [1-3, 5]: ρ rea = α K L a(20)(βs OS S O ) α r (T 20) gdzie: ρ rea - prędkość transferu tlenu [g m 3 d 1 ], α - współczynnik uwzględniający wpływ detergentów, zwykle około 0,95 [-], α r - współczynnik uwzględniający wpływ temperatury na reaerację, około 1,024 [-], β - współczynnik uwzględniający różnicę rozpuszczalności tlenu w ściekach i czystej wodzie, zwykle w zakresie 0,8 0,95 [-], S O - stężenie tlenu w ściekach [g m 3 ], S OS - stężenie saturacji tlenu rozpuszczonego w ściekach, w równowadze z atmosferą [g m 3 ]. Wzór empiryczny wyprowadzony dla określenia ogólnego współczynnika transferu tlenu K L a(20) w kanalizacji grawitacyjnej, można zapisać następująco [1-3, 5]: K L a(20) = 0,86(1+0,2 Fr 2 ) (su) 3/8 H 1 gdzie: Fr - liczba Froude a [-], U - prędkość średnia [m s 1 ], s - spadek dna kanału [m m 1 ], H - średnia głębokość hydrauliczna, A/B [m]. Tabela 1 Zintegrowana macierz procesowa - model koncepcyjny wraz z kinetyką i stechiometrią biodegradacji ścieków dla biomasy heterotroficznej zawieszonej w ściekach oraz w postaci błony biologicznej, uwzględniający reaerację; na podstawie [1, 3] j Proces Komponent i 1 (S S) 2 (X S1) 3 (X S2) 4 (X B) 5 ( S O) Szybkość procesu ρj 1 reaeracja 1 ρ rea 2 wzrost biomasy zawieszonej 1/Y Hz 1 (1 Y Hz)/Y Hz ρ z 3 wzrost biomasy w błonie biologicnzej 1/Y Hf 1 (1 Y Hf)/Y Hf ρ f 4 energia utrzymania 1 1* 1 ρ ut 5 hydroliza, frakcja ρ h n =1 6 hydroliza, frakcja ρ h n =2 * - jeżeli S S jest niewystarczające, to niezbędna ilości ChZT potrzebna w zakresie energii utrzymania pobierana jest z biomasy (respiracja endogenna).

4 184 Grzegorz Łagód i Henryk Sobczuk Zintegrowana macierz procesowa Przedstawione równanie prędkości reaeracji ścieków wraz z opisem pozostałych procesów skutkujących biodegradacją zanieczyszczeń z odpowiadającymi im współczynnikami stechiometrycznymi można zapisać w postaci macierzy procesowej [8]. Macierz taka w przejrzysty sposób porządkuje i prezentuje opis przemian biochemicznych zachodzących w jednostkowej objętości przewodu kanalizacji grawitacyjnej. Rozumiana w ten sposób zintegrowana macierz procesowa zawiera układ równań różniczkowych pierwszego rzędu zapisanych w formie macierzy i wektorów. Przepływ i biodegradacja ścieków w kolektorze kanalizacji grawitacyjnej Symulacje procesów biodegradacji ścieków wymagają odpowiednich danych wejściowych dotyczących warunków hydraulicznego transportu ścieków w kolektorze kanalizacyjnym. Obliczenia symulacyjne wykonywane są dla kolektora już istniejącego lub też zaprojektowanego, w związku z czym znany jest jego kształt, średnica oraz spadek. Bazując na tych danych, można dla zaobserwowanego lub założonego rodzaju ruchu obliczyć prędkość przepływających ścieków przy konkretnym wypełnieniu oraz stopniu uszkodzenia lub zamulenia kanału, a także powiązać te wartości z natężeniem przepływu. Na podstawie wprowadzonych danych możliwe jest również uzyskanie informacji o wartości naprężeń ścinających, liczbach kryterialnych opisujących rodzaj ruchu oraz powierzchni kontaktu przepływających ścieków z błoną biologiczną. Wielkości te wraz z pozostałymi, które można wyznaczyć dla obiektu przedstawionego schematycznie na rysunku 1, pozwalają na prowadzenie symulacji za pomocą skonstruowanego przez autorów modułu obliczeniowego. d x d F h A dv ho Rys. 1. Parametry związane z geometrią oraz hydrodynamiką kolektora kanalizacyjnego, wpływające na proces biodegradacji ścieków Model numeryczny kolektora grawitacyjnego Model numeryczny opracowany na podstawie prezentowanej w tabeli 1 macierzy wykorzystuje kinetyczne i stechiometryczne parametry procesu biodegradacji ścieków, Oz

5 Modelowanie wpływu napełnienia kolektora kanalizacji grawitacyjnej na przebieg tlenowych procesów 185 uwzględniając bytującą w kanalizacji biomasę saprobiontów. Wspomniana biomasa traktowana jest jako biologiczny czynnik procesowy zachodzących w kolektorach przemian oraz prekursor osadu czynnego w oczyszczalni ścieków. Opisywany model zaopatrzony został również w moduł przeprowadzający obliczenia związane z hydrodynamiką grawitacyjnego przewodu kanalizacyjnego na podstawie równania Saint-Venanta. Wyniki obliczeń hydrodynamicznych pozwalają uzyskać dane niezbędne do symulacji procesów dynamicznych opisanych przez równanie adwekcji-dyspersji z członem źródłowym. Człon źródłowy zawiera w sobie opisaną powyżej zintegrowaną macierz procesów biochemicznych. Podsumowanie i wnioski Prezentowany model może być pomocny przy określaniu dynamiki zmian ładunków zanieczyszczeń dopływających do oczyszczalni poprzez kolektory systemu kanalizacyjnego oraz prognozowaniu oddziaływania przelewów burzowych na wody odbiornika. Jednoczesne modelowanie przepływu ścieków i procesów biochemicznych umożliwia dokładniejsze określenie warunków rozwoju mikroorganizmów heterotroficznych zarówno w biomasie zawieszonej, jak i w błonie biologicznej przytwierdzonej do ścian kanałów. Pozwala to na określenie stopnia przemian zanieczyszczeń przy znajomości kształtu i długości kanału oraz parametrów przepływu. Właściwość ta umożliwia łatwą adaptację prezentowanego modelu numerycznego do symulacji procesów biodegradacji ścieków o różnych parametrach fizykochemicznych w przewodach kanalizacyjnych o zadanej geometrii. Literatura [1] Hvitved-Jacobsen T., Vollertsen J. i Nielsen P.H.: A process and model concept for microbial wastewater transformations in gravity sewers. Water Sci. Technol., 1998, 37(1), [2] Huisman J.L.: Transport and transformation process in combined sewers. IHW Schriftenreihe, 2001, 10, [3] Hvitved-Jacobsen T.: Sewer Processes. Microbial and Chemical Process Engineering of Sewer Networks. CRC PRESS, Boca Raton, London, New York, Washington [4] Henze M., Gujer W., Mino T. i van Loosdrecht M.: Activated sludge models ASM1, ASM2, ASM2d and ASM3, IWA task group on mathematical modelling for design and operation of biological wastewater treatment. IWA Publishing, London [5] Hvitved-Jacobsen T., Vollertsen J. i Nielsen P.H.: Koncepcja procesu i modelu dla przemian mikrobiologicznych zachodzących w ściekach w kanalizacjach grawitacyjnych. Materiały Międzynarodowej Konferencji Naukowo-Technicznej nt. Usuwanie związków biogennych ze ścieków. Kraków 1997, 12, [6] Shanahan P., Borchardt D., Henze M., Rauch W., Reichert P., Somlyódy L. i Vanrolleghem P.: River water quality mode No.1: I Modelling approach. Water. Sci. Technol., 2001, 43(5), 1-9. [7] Łagód G., Sobczuk H. i Suchorab Z.: Modelowanie procesów samooczyszczania ścieków. Monografia 32 Komitetu Inżynierii Środowiska PAN. II Kongres Inżynierii Środowiska. Lublin 2005, [8] Łagód G., Sobczuk H., i Suchorab Z.: Modelling of transformation and biodegradation of pollutants in sewer system. Proc. ECOpole 05. Jamrozowa Polana - Hradec Kralove 2005, [9] Vollertsen J. i Hvitved-Jacobsen T.: Stoichiometric and kinetic model parameters for microbial transformations of suspended solids in combined sewer systems. Water Res., 1999, 33, [10] Dąbrowski W.: Oddziaływanie sieci kanalizacyjnych na środowisko. Wyd. Politechniki Krakowskiej, Kraków 2004.

6 186 Grzegorz Łagód i Henryk Sobczuk INFLUENCE OF FLOW PARAMETERS ON AEROBIC BIODEGRADATION OF POLLUTANTS IN SEWER SYSTEM Summary: The interceptor of urban wastewater should be treated as a collector and transporter of sewage and also as a bioreactor, with a continuous inflow, growth and washing out of biomass. Specific sewage biodegradation processes were described by suitable mathematical models of biomass growth and decay. For presented system it is possible to compose the matrix of integrated process of organic substance transformation in the gravity sewer system. Numerical model based on described processes contains stoichometric and kinetic parameters of sewage biodegradation appropriate to living microfauna of saprobionts as a biological processing factor in sewer pipe and a precursor of activated sewage sludge in WWTP. Complete numerical implementation of a model includes also a module of sewer channel hydrodynamic calculation based on Saint-Venant equation. As a last part of necessary modules advection-dispersion equation is used. This kind of model, makes it possible to demonstrate the dynamics of pollutants load change delivered to the wastewater treatment plant through interceptor of a sewage system. Also it can be used to predict influence of combined sewer overflows on receiving waters. This paper, basing on the previous achievements is a case study to create a model describing the process of biodegradation of urban sewage running in gravity sewer in the presence of saprobiontic microfauna. Keywords: sewer, physico-chemical sewage parameters, microbial transformation modeling, biodegradation of pollutants in sewer system, Saint-Venant equation, advection-dispersion equation