DYNAMICZNA SYMULACJA KOMPUTEROWA BIOLOGICZNEGO USUWANIA ZWIĄZKÓW BIOGENNYCH NA PRZYKŁADZIE OCZYSZCZALNI ŚCIEKÓW W ZAMOŚCIU

Transkrypt

1 DYNAMICZNA SYMULACJA KOMPUTEROWA BIOLOGICZNEGO USUWANIA ZWIĄZKÓW BIOGENNYCH NA PRZYKŁADZIE OCZYSZCZALNI ŚCIEKÓW W ZAMOŚCIU Jerzy Mikosz Politechnika Krakowska Instytut Zaopatrzenia w Wodę i Ochrony Środowiska Ul. Warszawska24, Kraków, tel. 012/ w.2865 STRESZCZENIE W grudniu 1997 roku na oczyszczalni ścieków w Zamościu przeprowadzono dwie serie szczegółowych badań składu ścieków dopływających do reaktora biologicznego i odpływających z osadnika wtórnego. Wyniki tych badań wraz z parametrami procesów technologicznych oraz danymi historycznymi zgromadzonymi na oczyszczalni posłużyły do opracowania symulacyjnego modelu komputerowego układu reaktor biologiczny osadnik wtórny dla tej oczyszczalni. Do tego celu użyto program SimWorks do dynamicznej symulacji pracy oczyszczalni. Opracowany model został skalibrowany na danych uzyskanych podczas badań na oczyszczalni zweryfikowany, a następnie wykorzystany do rozwiązania prostego zadania optymalizacyjnego, którego celem była poprawa jakości ścieków oczyszczonych. Cząstkowe wyniki przeprowadzonych prac przedstawiono w tym artykule. Badania nad zastosowaniem posiadanego modelu do optymalizacji procesu biologicznego usuwania związków biogennych na oczyszczalni w Zamościu będą kontynuowane. Badania te są realizowane w ramach pracy doktorskiej przygotowywanej przez autora artykułu. 1. WPROWADZENIE W ostatnich latach symulacja komputerowa znajduje coraz szersze zastosowanie w technologii ścieków, w tym szczególnie w odniesieniu do procesów wysokoefektywnego usuwania związków biogennych ze ścieków miejskich metodą osadu czynnego. Przyczyniło się do tego opracowanie wielu różnych modeli matematycznych pracy osadu czynnego, a przede wszystkim tzw. modeli IAWQ nr 1 i nr 2 stworzonych przez zespoły naukowców pod patronatem International Association for Water Quality (IAWQ), a także dynamiczny rozwój techniki komputerowej w latach 90-tych. W oparciu o modele IAWQ nr 1 i nr 2 powstały pakiety programów komputerowych umożliwiające prowadzenie dynamicznej komputerowej symulacji poszczególnych procesów na oczyszczalni ścieków, a także symulację pracy całej oczyszczalni. Programy te są coraz częściej używane na oczyszczalniach ścieków w Europie Zachodniej, Kanadzie i Stanach Zjednoczonych do bieżącego sterowania i optymalizacji procesów technologicznych, projektowania nowych i rozbudowy istniejących oczyszczalni ścieków oraz do szkolenia pracowników. Niewątpliwie w najbliższych latach zjawisko to będzie można zaobserwować także w Polsce. Warunkiem wykorzystania modelu symulacyjnego jest posiadanie odpowiedniej ilości danych o odpowiedniej jakości, które mogą być wykorzystane do opracowania modelu oraz jego kalibracji i weryfikacji. W warunkach idealnych dane te powinny pochodzić z automatycznych urządzeń pomiarowych on-line zainstalowanych na oczyszczalni. Jednak nawet w przypadku braku takich urządzeń możliwe jest

2 opracowanie dobrego modelu oczyszczalni, jednak wymaga to przeprowadzenia szczegółowych badań analitycznych składu ścieków, właściwości osadu czynnego oraz parametrów procesów technologicznych. Przykładem tego mogą być badania przeprowadzone na oczyszczalni w Zamościu, których wyniki zastały przedstawione w tym artykule. 2. PROGRAM BADAŃ ANALITYCZNYCH W pierwszej połowie grudnia 1997 roku przeprowadzono na oczyszczalni ścieków w Zamościu program badań analitycznych składu ścieków. Celem tych badań było zdobycie danych umożliwiających stworzenie, wykalibrowanie i weryfikację komputerowego modelu symulacyjnego rzeczywistego układu reaktor biologiczny osadnik wtórny. Zakres danych potrzebnych do tego obejmował: wielkość przepływu ścieków, wielkości oraz dobowe i godzinowe zmienności stężeń zanieczyszczeń w dopływie do reaktora i w odpływie z osadnika wtórnego oraz parametry pracy reaktora biologicznego. Badania przeprowadzone zostały w dwóch etapach: Etap 1: Trwał 14 dni (2-16 grudnia 1997), w trakcie których wykonywane były analizy w zlewanych dobowych próbkach ścieków. Próbki ścieków były pobierane na dopływie do reaktora biologicznego i w odpływie z osadnika Etap 2: wtórnego automatycznie co 15 min. i zlewane na próbki 24 godzinne. Trwał 48 godzin (17-19 grudnia 1997), w trakcie których wykonywane były analizy w zlewanych 2-godzinnych próbkach ścieków, najpierw w dopływie do reaktora (pierwsze 24 godziny co 15 minut), a następnie w odpływie z osadnika wtórnego (kolejne 24 godziny co 7 minut). Przesunięcie wynika z hydraulicznego czasu zatrzymania w układzie, który jest równy około 24 godzin. Szczegółowe zestawienie analiz i odczytów wykonywanych podczas obydwu etapów badań przedstawiono w Tabeli 1. Wszystkie analizy za wyjątkiem stężenia lotnych kwasów tłuszczowych (LKT) w etapie 2 badań, wykonywane były w laboratorium oczyszczalni ścieków w Zamościu pod uważnym nadzorem kierownictwa oczyszczalni. Analizy stężenia LKT w etapie 2 wykonywane były metodą chromatograficzną w laboratorium Politechniki Krakowskiej. Wszystkie próbki ścieków były przechowywane w stanie silnie schłodzonym, i za wyjątkiem próbek na LKT, nie były utrwalane chemicznie. Tab. 1 Zestawienie podstawowych analiz (A) i odczytów (O) wykonanych podczas badań na oczyszczalni ścieków w Zamościu. Wykonane I etap badań ( ) II etap badań ( ) analizy i odczyty Dopływ Odpływ Osad czynny Dopływ Odpływ Osad czynny ChZT A A - A A - ChZT sączone A A * - A A * - ChZT koag sącz A * - BZT 5 A * - - A * - - BZT 5 sączone A * - - A * - - Zawiesina og. A A O A A O Zawiesina min. A - - A - - N Kjeld. A A * - A A * - N Kjeld. sącz. A * - - A * - - N-NH 4 A A - A A - NO 3 A * A - A * A -

3 P ogólny A A - A A - LKT A * - - A * - - Tlen rozpuszcz. - - O - - O Opadalność - - A * A * - A * Temp. ścieków O - O O - O Q ścieków O O - O O - Q osadu recyrk. - - O - - O A - oznacza, że analiza była wykonywana codziennie (I etap) lub co 2 godziny (II etap) A * - oznacza, że analiza była wykonywana co drugi dzień (I etap) lub co 4 godziny (II etap) O - oznacza odczyt z urządzenia pomiarowego typu on-line. 3. WYBÓR PROGRAMU DO PROWADZENIA SYMULACJI Na rynku dostępnych jest szereg specjalistycznych programów do dynamicznej symulacji procesu wysokoefektywnego usuwania związków biogennych, a także do symulacji pracy całej oczyszczalni ścieków wraz z układem przeróbki osadów. Programy te zostały opracowane przez wyspecjalizowane firmy najczęściej w oparciu o modele IAWQ, a wartości współczynników kinetycznych i stechiometrycznych określono na podstawie prowadzonych wieloletnich badań i zdobytych doświadczeń. Do najbardziej znanych programów należą: - GPS-X autorstwa firmy Hydromantis, Inc. z Kanady, umożliwiający definiowanie własnych układów oczyszczalni, automatyczne pobieranie danych z mierników typu on-line zainstalowanych na oczyszczalni oraz opracowywanie wyników; - SimWorks Run-Time Environment autorstwa tej samej firmy, który jest uproszczoną wersją programu GPS-X; nie pozwala on na istotne zmiany układu oczyszczalni, a jedynie umożliwia wykorzystywanie wcześniej stworzonych schematów. Pozostałe możliwości tego programu są podobne jak GPS-X. - EFOR autorstwa firmy Krüger z Danii, wykorzystywany do projektowania i optymalizacji układów technologicznych oczyszczalni oraz do celów edukacyjnych szczególnie w krajach skandynawskich; program ten umożliwia tworzenie własnego układu technologicznego oczyszczalni. - ASIM prosty program autorstwa Willy Guyer a ze Szwajcarii umożliwiający tworzenie własnego układu oczyszczalni i definiowanie kinetyki procesów. Program ten może być wykorzystywany nieodpłatnie do celów nie komercyjnych. Politechnika Krakowska jest w posiadaniu ostatnich trzech z wymienionych programów. Na podstawie uprzednio prowadzonych badań uznano, że w przypadku oczyszczalni ścieków w Zamościu najkorzystniejsze będzie zastosowanie programu SimWorks firmy Hydromantis. 4. SYMULACJA PRZY UŻYCIU PROGRAMU SIMWORKS Program SimWorks może być użytkowany na komputerze klasy IBM PC. Na Rys. 1 pokazano schemat technologiczny układu oczyszczania ścieków, który był używany do prowadzenia symulacji procesu biologicznego usuwania związków biogennych ze ścieków miejskich na oczyszczalni w Zamościu. Ponieważ przedmiotem badań był układ reaktor biologiczny-osadnik wtórny, dlatego osadnik wstępny istniejący w tym układzie został wyłączony poprzez odpowiednie ustawienie jego parametrów eksploatacyjnych.

4 Dostosowanie modelu komputerowego do rzeczywistego układu usuwania związków biogennych na oczyszczalni w Zamościu wymagało następujących działań: a) zdefiniowania układu i wielkości poszczególnych urządzeń, a także sekwencji i wielkości stref w reaktorze biologicznym b) odpowiedniego skonfigurowania układów recyrkulacji c) wprowadzenia niektórych danych eksploatacyjnych i parametrów technologicznych procesów d) określenia współczynników kinetycznych procesów biochemicznych w reaktorze oraz charakterystykę procesu sedymentacji w osadniku wtórnym. Wartości większości współczynników kinetycznych zostały określone w trakcie kalibracji statycznej i dynamicznej modelu komputerowego. Rys. 1 Schemat technologiczny używany do symulacji procesu biologicznego usuwania związków biogennych ze ścieków miejskich na oczyszczalni w Zamościu przy użyciu programu SimWorks (przed modyfikacją układów recyrkulacji) [1]. 5. KALIBRACJA MODELU Kalibracja tak zdefiniowanego modelu układu reaktor biologiczny-osadnik wtórny przeprowadzona została dwustopniowo. Najpierw przeprowadzono kalibrację statyczną modelu, używając do tego celu wyników 14-dniowych badań przeprowadzonych w ramach I etapu badań analitycznych. Kalibracja statyczna nie uwzględniała zmienności parametrów w czasie i miała stanowić pierwsze przybliżenie do określenia wartości współczynników kinetycznych poszczególnych grup mikroorganizmów wchodzących w skład osadu czynnego. Następnie przeprowadzono kalibrację dynamiczną do której wykorzystano wyniki badań przeprowadzonych w II etapie badań analitycznych, która uwzględniała zmienność składu ścieków i parametrów pracy oczyszczalni w czasie 24 godzin. Kalibracja statyczna modelu Kalibracja statyczna modelu polegała na przeprowadzeniu serii symulacji przy różnych wartościach podstawowych współczynników kinetycznych procesów zachodzących w reaktorze biologicznym. Współczynniki o podstawowym znaczeniu dla procesów usuwania związków biogennych to między innymi:

5 - maksymalne szybkości przyrostu autotrofów (μ Amax ), heterotrofów (μ Hmax ) oraz heterotrofów akumulujących fosfor (μ PHmax ); - szybkości rozkładu autotrofów (b A ), heterotrofów (b H ) oraz heterotrofów akumulujących fosfor (b PH ) - odpowiednie stałe nasycenia (Ks A, Ks H, Ks PH ) - inne współczynniki, np. opisujące proces hydrolizy, wydajności przyrostu poszczególnych grup mikroorganizmów i inne, o nieco mniejszym znaczeniu dla przebiegu procesów oczyszczania. Kalibrację prowadzono aż do uzyskania zadowalającej zgodności wyników symulacji z wynikami rzeczywistych pomiarów na oczyszczalni. Jako wartości do których odnoszono wyniki kalibracji przyjęto wartości średnie stężeń podstawowych zanieczyszczeń w ściekach odpływających z osadnika wtórnego w ciągu 14 dni badań (I etap). Do orientacyjnej oceny zgodności wyników symulacji z wartościami rzeczywistymi zastosowano tzw. wskaźnik zgodności (WZ) będący sumą kwadratów względnych różnic stężeń podstawowych wskaźników zanieczyszczeń: ChZT, zawiesiny, N-NH 4, N-NO 3 i Pog oraz stężenia biomasy w reaktorze. Wyniki przeprowadzonej kalibracji statycznej wraz z odpowiednimi wartościami współczynników kinetycznych przedstawiono w Tabeli 2. W Tabeli 3 zestawiono symulowane stężenia zanieczyszczeń w odpływie z osadnika wtórnego wraz z odpowiadającymi im stężeniami rzeczywistymi dla najkorzystniejszego uzyskanego wskaźnika WZ. Tab. 2 Wyniki symulacji statycznej modelu układu reaktor-osadnik wtórny na oczyszczalni w Zamościu wyrażone za pomocą wskaźnika zgodności (WZ). Kolejna seria symulacji: μ Amax μ Hmax μ Phmax (bez lim. P) μ PHmax (lim.p) b A b H b PH Ks A Ks H Ks PH WZ 1 0,75 3,2 0,9 0,42 0,04 0,62 0,04 1,0 5,0 0,18 28,08 2 0,75 5,0 0,9 0,42 0,04 0,62 0,04 1,0 5,0 0,18 11,05 3 0,75 5,0 4,0 0,42 0,04 0,62 0,04 1,0 5,0 0,18 3,79 4 0,75 5,0 4,0 0,2 0,04 0,62 0,04 1,0 5,0 0,18 2,87 5 0,75 5,0 4,0 0,2 0,04 0,5 0,04 1,0 5,0 0,18 2,53 6 0,75 5,0 4,0 0,2 0,04 0,5 0,01 1,0 5,0 0,18 1,72 7 0,75 5,0 4,0 0,2 0,04 0,5 0,01 1,1 5,0 0,18 1,49 8 0,75 5,0 4,0 0,2 0,045 0,5 0,01 1,1 5,0 0,18 1,28 Przyjęto: 0,75 5,0 4,0 0,2 0,045 0,5 0,01 1,1 5,0 0,18 Tab. 3 Zestawienie stężeń symulowanych z odpowiadającymi im stężeniami rzeczywistymi dla wskaźnika WZ = 1,28. Wskaźnik Wartość symulowana Wartość rzeczywista Względna różnica ChZT sączone, mg/l 40,8 41,7 0,98 Zawiesina ogólna, mg/l 21,7 25,1 0,87 N-NH4, mg/l 1,2 1,3 0,91 N-NO3, mg/l 8,4 6,2 1,36 P ogólny, mg/l 0,3 0,2 1,26 Stężenie biomasy, mg/l ,93 Kalibracja dynamiczna modelu Wartości współczynników kinetycznych uzyskane w wyniku kalibracji statycznej stanowiły punkt wyjścia do przeprowadzenia kalibracji dynamicznej modelu. Celem kalibracji dynamicznej było dokładniejsze określenie wartości tych

6 współczynników w taki sposób, żeby dynamiczna reakcja modelu na zmiany składu ścieków dopływających do reaktora w ciągu doby była zbliżona do reakcji rzeczywistego układu. Należy przy tym pamiętać, że odpowiedź modelu na zmiany na wejściu nigdy nie będzie idealnie odpowiadała rzeczywistości. Dzieje się tak dlatego, że model zawsze idealizuje warunki panujące na oczyszczalni, nie uwzględniając np. braku pełnego wymieszanie w reaktorze, zmiany temperatury ścieków, ilości powietrza dostarczanego do układu i pewnych nie rejestrowanych czynności eksploatacyjnych. Podczas dynamicznej kalibracji modelu zmieniano szybkości przyrostu poszczególnych grup mikroorganizmów oraz szybkości ich rozpadu w zakresach około ±10% w stosunku do wartości otrzymanych w wyniku kalibracji statycznej. Na Rys. 2 pokazano kilka wykresów używanych podczas kalibracji dynamicznej modelu dla różnych wartości współczynników kinetycznych procesu w porównaniu z rzeczywistą zmiennością stężeń zanieczyszczeń w ściekach oczyszczonych. 6 Symulacja N-NH4 w odpływie (dla różnych szybkości przyrostu autotrofów A, 1/d) 6 Symulacja N-NH4 w odpływie (dla różnych wartości szybkości rozkładu autotrofów ba, 1/d) Symulacja fosforu rozpuszczonego w odpływie (dla różnych szybkości przyrostu heterotrofów PH, 1/d) 0.5 Symulacja fosforu rozpuszczonego w odpływie (dla różnych wartości szybkości rozkładu autotrofów bph, 1/d) Symulacja stężenia zawiesiny w odpływie 4.0 Symulacja stężenia O2 w komorze nitryfikacji Rys. 2 Przykładowe wykresy używane do kalibracji dynamicznej modelu układu reaktor biologiczny-osadnik wtórny na oczyszczalni w Zamościu. (Punkty oznaczają wartości z badań laboratoryjnych; grubą ciągłą linią oznaczono wartości uzyskane z kalibracji statycznej).

7 W wyniku tak przeprowadzonej kalibracji dynamicznej modelu określono następujące wartości współczynników kinetycznych (w nawiasie podano wartości uzyskane z kalibracji statycznej): - szybkość przyrostu autotrofów μ A = 0.74 (0,75) - szybkość przyrostu heterotrofów μ H = 5,0 (5,0) - szybkość przyrostu heterotrofów akumul. P μ PH = 4,0 (4,0) - szybkość rozkładu autotrofów b A = 0,045 (0,045) - szybkość rozkładu heterotrofów b H = 0,50 (0,50) - szybkość rozkładu heterotrofów akumul. P b PH = 0,012 (0,01) Dla powyższych wartości współczynników kinetycznych przeprowadzono weryfikację modelu na zbiorze danych niezależnych przyjmując na wejściu do modelu średnie stężenia zanieczyszczeń dopływające do reaktora biologicznego w listopadzie 1997 roku.. Uzyskano wartość wskaźnika zgodności WZ równą Biorąc pod uwagę fakt, że w listopadzie analizy były pobierane nie tak systematycznie, jak w okresie badań analitycznych w grudniu, wynik ten wskazuje na poprawne przeprowadzenie dynamicznej modelu. 6. MOŻLIWOŚCI ZASTOSOWANIA MODELU Właściwie skalibrowany, a następnie zweryfikowany na niezależnym zestawie danych model może stać się cennym narzędziem, które może być użyte do testowania hipotetycznych scenariuszy na oczyszczalni, bez ingerowania w rzeczywisty proces eksploatacyjny. Należy przy tym pamiętać o ograniczeniach wynikających z modelu, a testowane scenariusze nie powinny bardzo odbiegać od warunków dla których model został skalibrowany. Testowanie różnych scenariuszy mogących prowadzić do optymalizacji procesu usuwania związków biogennych będzie przedmiotem dalszych prac prowadzonych w ramach tych badań. Jednym z możliwych zastosowań modelu komputerowego jest optymalizacja procesu poprzez zwiększenie efektywności zintegrowanego usuwania związków C, N i P w reaktorze biologicznym. Prosty przykład takiego zastosowania modelu przedstawiono poniżej: Przykład: Na oczyszczalni w Zamościu ścieki doprowadzane są do reaktora biologicznego poprzez komorę beztlenową (defosfatacji) oraz komorę predenitryfikacji. Ścieki te rozdzielana są w stosunku odpowiednio: 20% i 80% (wartości przybliżone). Zmienną niezależną n jest względna ilość ścieków oczyszczonych mechanicznie doprowadzanych do komory predenitryfikacji, a celem zadania jest określenie takiej wartości n przy której wartość funkcji F(n) wyrażającej względną jakość ścieków oczyszczonych osiągnie swoje minimum. Funkcja celu: Min F(n) = (C ChZT /150) + (C N /20) + (C P /1,5) gdzie: n zmienna będąca stosunkiem ilości ścieków doprowadzanych do komory predenitryfikacji do całości dopływających do reaktora

8 Wartość funkcji F(n) C jest średnim stężeniem danego zanieczyszczenia w ściekach oczyszczonych dla ChZT, N i P (we wzorze wartość ta została odniesiona do odpowiednich stężeń określonych w pozwoleniu wodno-prawnym). Po przeprowadzeniu serii symulacji komputerowych uzyskano wyniki, które w formie graficznej przedstawiono na Rys Współczynnik n Rys. 3 Wykres przebiegu funkcji F(n) uzyskany w wyniku symulacji w przykładzie optymalizacji układu biologicznego na oczyszczalni w Zamościu. Z przebiegu krzywej na wykresie można wnioskować, że najlepszą jakość odpływu można by uzyskać dla wartość n=0,4-0,5 czyli w przybliżeniu dla równomiernego rozdziału ścieków do komory beztlenowej i komory predenitryfkacji. Jednak ostateczne wnioski będzie można sformułować dopiero po wykonaniu większej liczby symulacji dla różnego składu ścieków dopływających i różnych warunków pracy oczyszczalni. Zagadnienie to będzie przedmiotem dalszych badań na oczyszczalni w Zamościu. 7. WNIOSKI Przedstawione wyniki badań wskazują na szerokie możliwości zastosowania dynamicznej symulacji komputerowej na oczyszczalniach ścieków z wysokoefektywnym usuwaniem związków biogennych. Wykorzystane do tego celu mogą być dostępne na rynku specjalistyczne programy komputerowe do dynamicznej symulacji układu biologicznego na takiej oczyszczalni. Komputerowy model wymaga starannej kalibracji statycznej i dynamicznej, oraz weryfikacji jego pracy na niezależnym zestawie danych. Do wykonanie kalibracji modelu potrzebne są szczegółowe dane na temat ilości i jakości ścieków dopływających do reaktora biologicznego oraz odpływających z osadnika wtórnego oraz dane na temat parametrów prowadzonych procesów biologicznych. Najlepiej żeby dane takie powinny pochodziły z urządzeń pomiarowych zainstalowanych on-line na oczyszczalni ścieków. Jednak w warunkach braku takich urządzeń możliwe jest

9 skalibrowanie modelu na podstawie właściwie zaplanowanych serii badań analitycznych składu ścieków surowych i oczyszczonych. Podczas badań, których cząstkowe wyniki zostały tutaj przedstawione, zdołano wykonać kalibrację oraz weryfikację modelu układu reaktor osadnik wtórny uzyskując zadowalającą zgodność z wynikami z rzeczywistego układu. Pozwoliło to na rozwiązanie stosunkowo prostego zadania optymalizacyjnego, którego wyniki zostaną poddane weryfikacji na rzeczywistym układzie reaktora biologicznego na oczyszczalni w Zamościu w dalszej części badań. W przyszłości planuje się wykorzystanie opracowanego modelu do testowanie innych scenariuszy optymalizacyjnych. WYKORZYSTANE MATERIAŁY [1] SimWorks Run-Time Environment. Program do dynamicznej symulacji pracy oczyszczalni ścieków, Hydromantis, Inc., Ontario, Kanada [2] Jeppsson U., Modelling Aspects of Wastewater Treatment Processes. Rozprawa doktorska, Lund University, Department of Industrial Electrical Engineering and Automation, Lund, Szwecja, [3] IAWPRC Activated Sludge Model No. 1. Raport naukowo-techniczny nr 1. Lipiec [4] IAWQ Activated Sludge Model No. 2. Raport naukowo-techniczny nr 3. [5] Henze M. i in. Wastewater Treatment. Biological and Chemical Processes. Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg-New York, 1995.