Състояние и предизвикателства при изграждането на ПСОВ в

Състояние и предизвикателства при изграждането на ПСОВ в България Съвременните методики за оразмеряване на съоръженията за биологично пречистване – доколко ги познаваме и как ги прилагаме проф. д. т. н. инж. Румен Арсов Университет по архитектура, строителство и геодезия Българска асоциация по водите София, 3 декември 2012 г. 1

Съвременните методики за оразмеряване на съоръженията за биологично пречистване – доколко ги познаваме и как ги прилагаме СЪДЪРЖАНИЕ Ø Основни принципи при моделиране на процесите в Ø Коментар биореакторите относно най-често прилаганите у нас съвременни оразмерителни методики за биобасейни по Технически указания на Германската асоциация по води и отпадъци - DWA (ATV) l l Ø ATV – A 131 / 2000 “Оразмеряване на едностъпални съоръжения за биологично пречистване” DWA = M 210 / 2009 “Оразмеряване на биореактори с циклично действие (SBR)” Основни изводи и предложения 2

Съвременните методики за оразмеряване на съоръженията за биологично пречистване – доколко ги познаваме и как ги прилагаме Основни принципи при моделиране на процесите в биореакторите Ø Конструктивните и технологичните модификации на биобасейните определят степента на трансформация (редуциране) на субстрата - S и прираста на биомасата - X т. е. , определят степента на пречистване Ø Степента на трансформация (редуциране) на субстрата - S и прираста на биомасата - X зависят от две основни групи фактори: 1. кинетиката на биохимичните реакции; 2. хидродинамичните процеси в реакторите от определен хидродинамичен тип (т. е. , степента на размесване) Ø Динамичното поведение на проточните биореактори със суспендирана биомаса може да се моделира адекватно само чрез едновременно отчитане на кинетиката на биохимичните и 3 хидродинамичните процеси, протичащи съвместно

Основни принципи при моделиране на процесите в биореакторите А. Кинетика на биохимичните процеси (по Monod) Скорост на прираста на биомасата, d. X/dt: Скорост на снижение на субстрата, d. S/dt: При биохимични реакции от първи ред (пълно пречистване): 4

Основни принципи при моделиране на процесите в биореакторите Б. Моделиране на хидродинамичните процеси в основните типове биореактори /Скорост на разреждане на субстрата (d. S/dt)hydrodin / 1. Реактор с идеално изтласкване (“бутален”) : v – средна постъпателна (конвективна) скорост на основния поток l – хоризонтална (надлъжна) координата по посока на основното течение 5

Основни принципи при моделиране на процесите в биореакторите 2. Реактор с идеално смесване (“смесител”): S 0 – начална концентраця на субстрата (на входа на реактора) St – концентрация на субстрата в реактора (и на изхода му) t - изчислителен времепрестой на субстрата в реактора; V – обем на реактора Q – водно количество 6

Основни принципи при моделиране на процесите в биореакторите 4. Каскаден (клетъчен) реактор: m – общ брой на клетките в реактора n – пореден номер на клетката Sn-1 – концентрация на субстрата на входа на клетка номер n Sn - концентрация на субстрата на изхода на клетка номер n 7

Основни принципи при моделиране на процесите в биореакторите 3. Дифузионен (конвенционален) реактор: D – коефициент на надлъжна турбулентна дифузия, m 2/s 8

Основни принципи при моделиране на процесите в биореакторите В. Съвместно моделиране на биохимичните и хидродинамичните процеси Проточните биореактори работят в стационарен (постоянен, стабилен) режим, който се характеризира с условието: Тогава 9

Основни принципи при моделиране на процесите в биореакторите Последното уравнение се решава в зависимост от хидродинамичния тип на биореактора и с отчитане на кинетиката на биохимичните реакции (по Monod). 1. При идеален “бутален” реактор: По дефиниция при идеалния “бутален” реактор е в сила условието: Тогава Или окончателно 10

Основни принципи при моделиране на процесите в биореакторите 2. При идеален реактор-смесител: Или окончателно: 11

Основни принципи при моделиране на процесите в биореакторите 3. При каскаден (клетъчен) реактор: Или окончателно: 12

Основни принципи при моделиране на процесите в биореакторите 4. При дифузионен (конвенционален, реален) реактор: При т. н. “реактори от закрит тип” (Dankwerts, 1953) са в сила следните гранични условия, съответно при входа (l = 0) и при изхода (l = L) на коридорния реактор: Тогава окончателното решение на първото уравнение има вида: 13

Основни принципи при моделиране на процесите в биореакторите В последното уравнение фигурират следните означения и параметри: където А – изчислителен (помощен) параметър Ре – число на Пекле (Peclet) Числото на Пекле - Ре отразява съотношението на масата, транспортирана чрез постъпателно движение (конвекция) със скорост v и тази, транспортирана чрез надлъжна турбулентна дифузия (с коефициент D): Числената стойност на критерия Ре може да се определи само експериментално, чрез изследване на модели на реактори в подходящ мащаб или на реални съоръжения. 14

Основни принципи при моделиране на процесите в биореакторите Сравнение между идеалните хидродинамични типове реактори - при идеален “бутален” реактор - при идеален реактор-смесител При една и съща степен на пречистване S/S 0, предвид горните два израза може да се запише: При обичайните за конвенционални биобасейни стойности на параметъра k 1 = 0, 6 и при tсм = 4 h се получава: т. е. в случая идеалният “бутален” реактор изисква 2 пъти по-малък 15 обем от този за реактора-смесител при един и същи ефект.

Основни принципи при моделиране на процесите в биореакторите Основни (идеални) хидродинамични типове реактори в ляво – идеален “бутален”; в дясно – идеален смесител 16

Съвременните методики за оразмеряване на съоръженията за биологично пречистване – доколко ги познаваме и как ги прилагаме Обща постановка – основни принципи Ø В последните две десетилетия авторитетни експертни групи към Международната асоциация по качеството на водите IAWQ (покъсно Международна асоциация по водите IWA) разработиха и публикуваха модели на процесите на биологично пречистване с активни утайки с отчитане на съответните кинетични, стехиометрични и хидродинамични зависимости и параметри “Activated Sludge Models – 1, 2, 3” (ASM 1, ASM 2 ASM 3) Ø По моделите ASM 1, ASM 2 ASM 3 бяха разработени редица съвременни програмни продукти (GPS-X, WEST, SIMBA и др. ), които все по-масово навлизат в рутинната практика на водещите консултантски фирми по света Ø Наред с тях по света продължава масовата практика за използване на опростени оразмерителни методики и процедури, което на този етап от развитието на санитарната техника вече може да се приеме само като първа стъпка от една по-адекватна и аргументирана оразмерителна процедура 17

Съвременните методики за оразмеряване на съоръженията за биологично пречистване – доколко ги познаваме и как ги прилагаме Коментар относно най-често прилаганите у нас съвременни оразмерителни методики за биобасейни по Техническите указания на Германската асоциация по води и отпадъци DWA (ATV) : Ø DWA/ATV – A 131 / 2000 “Оразмеряване на едностъпални пречиствателни съоръжения с активни утайки” Ø Сравняване с американската методика на корпорацията Metcalf & Eddy, базирана на модела ASM 2 на IAWQ/IWA Ø DWA – M 210 / 2009 “Оразмеряване на биореактори с циклично действие (SBR)” 18

Технологично оразмеряване на биореактори по методиката ATV - A 131 / 2000 г. Основни констатации (1) Ø Методиката се основава само на един кинетичен параметър “специфична скорост на нарастване на биомасата” – μ, коригиран с емпиричен фактор на сигурността Ø Методиката не отразява адекватно хидродинамичните условия в биореактора, които влияят в решителна степен върху крайните резултати (приет е идеален смесител) Ø Методиката се основава в решаваща степен на емпирични зависимости, валидни само при указаните специфични условия Ø Предимно емпиричният подход, на който е основана методиката, тушира последствията от липсата на теоретично обоснована база, но успешното й практическо приложение е ограничено в рамките на специфицираните в нея условия, които на практика често се надхвърлят 19

Технологично оразмеряване на биореактори по методиката ATV - A 131 / 2000 г. Основни констатации (2) Ø Общият обем на биобасейна, изчислен по методиката ATV - A 131 не зависи от водното количество, нито от концентрацията на субстрата в съоръжението и разреждането от рециркулационните утайкови и нитратни потоци Ø Кинетиката на биохимичните процеси (и съответната степен на пречистване) обаче на практика зависи от концентрацията на субстрата S в съоръжението, която се влияе както от разреждането с рециркулационните потоци, така и от хидродинамичните условия в съоръжението Ø В методиката ATV - A 131 се обръща специално внимание на прецизното определяне на оразмерителното водно количество и товара на замърсителите, което трябва да бъде извършвано на основата на многомесечни наблюдения на оттока към бъдещата пречиствателна станция и несложна статистическа обработка на данните. Това императивно изискване на методиката за съжаление се игнорира прилагането й у нас 20

Технологично оразмеряване на биореактори по методиката ATV - A 131 / 2000 г. Основни констатации (3) Ø Методиката ATV - A 131 / 2000 г. има и редица безспорни предимства, главното между които е несложната и логична оразмерителна процедура, която легитимира по специфичен начин обемите и габаритите на проточните съоръжения за биологично пречистване с активни утайки Неотчитането на споменатите по-горе основни фактори обаче налагат адекватността на така определените обеми и габарити да бъде проверена и евентуално коригирана с някой от съществуващите динамични модели и програмни продукти, отчитащи кинетиката на биохимичните процеси и специфичните хидродинамични условия Ø Въпреки, че горното изискване е заложено в тази оразмерителна методика, то се пренебрегва прилагането й у нас Ø Ø Подобна процедура за проверка на оразмерителното решение вече е залегнала в европейските норми за оразмеряване на канализационни мрежи EN 753 / 2008, транспонирана и в националния стандард БДС EN 753 / 2009 21

Сравняване на технологично оразмеряване на биореактори по методиките ATV - A 131 и Metcalf & Eddy (АСМ 2) Примери Параметри на вход биостъпало Параметри на изход биостъпало Qор = 22 464 m 3/d T = 12 o C БПК 5 = 240 mg/l НВ = 150 mg/l TKN = 35 mg/l NH 4 = 25 mg/l TP = 6 mg/l БПК 5 = НВ = NO 3 = NH 4 = Org N = TP = 30 mg/l 15 mg/l 6 mg/l 0, 5 mg/l 0 mg/l 22

Сравняване на технологично оразмеряване на биореактори по методиките ATV - A 131 и Metcalf & Eddy (АСМ 2) Динамична симулация на процесите протичащи в биологично стъпало, оразмерено чрез ATV A 131 и Metcalf&Eddy при спазено съотношение N : БПК в препоръчвания диапазон 0, 2 – 0, 5 . Параметрите NH 4, NO 3 и ХПК на изхода на биологичното стъпало, оразмерено чрез методиката ATV-A 131 (вляво) и Metcalf & Eddy при динамична симулация с програмния продукт WEST 23

Сравняване на технологично оразмеряване на биореактори по методиките ATV - A 131 и Metcalf & Eddy (АСМ 2) Динамична симулация на процесите протичащи в биологично стъпало, оразмерено чрез ATV A 131 и Metcalf&Eddy при съотношение N : БПК над препоръчвания диапазон 0, 2 – 0, 5 . Параметрите NH 4, NO 3 и ХПК на изхода на биологичното стъпало, оразмерено чрез методиката ATV-A 131 (в ляво) и Metcalf & Eddy при динамична симулация с програмния продукт WEST 24

Технологично оразмеряване на биореактори Основни проблеми при моделирането на процесите Ø Основен проблем прилагането на такъв подход и при оразмеряването на съоръженията за биологично пречистване е адекватното калибриране на динамичния модел с конкретните за съответния обект кинетични параметри и хидродинамични характеристики на биореактора Ø Определянето на достоверни стойности на горните параметри и характеристики може да бъде извършено чрез специфични експерименти в подходящо оборудвани лаборатории с последващо прилагане на мащабния подход, известен като “scale up” (т. е. , преход от модела към реалното съоръжение) Ø Прилагането на горния подход и при оразмеряването на съоръженията за биологично пречистване би спестило значителни капиталови и експлоатационни разходи чрез сравнително неголеми инвестиции в средства и време за провеждането на съответните 25 лабораторни изследвания

Технологично оразмеряване на биореактори по методиката ATV - М 210 / 2009 г. Основни констатации (1) Ø Относно методиката ATV - М 210 могат да бъдат направени същите констатации, както и относно методиката ATV - А 131: отчитане в недостатъчна степен на кинетиката на биохимичните процеси и предимно емпиричния подход при оразмеряването Ø Важно е обстоятелството, че при реакторите с циклично действие, процесите протичат в непроточни (batch) условия, при които хидродинамичните процеси са идентични с тези в проточните реактори с идеално изтласкване (“бутални”), т. е. , предопределят възможно найикономичния обем Ø Последното обстоятелство обаче не е отразено в изчислителните процедури на методиката ATV - М 210, поради това, че там се следват препоръките в методиката ATV - А 131 за проточни реактори-идеални смесители 26

Технологично оразмеряване на биореактори по методиката ATV - М 210 / 2009 г. Основни констатации (2) Ø Методиката ATV - М 210 не обвързва изрично избора на продължителността на цикъла - tz с необходимата степен на пречистване, но такава зависимост на практика съществува Ø Важно е да се има предвид, че с изменението на tz се изменя както утайковото натоварване, така и възрастта на утайките, които са пряко свързани със степента на редуциране на субстрата, т. е. – със степента на пречистване 27

Технологично оразмеряване на биореактори по методиката ATV - М 210 / 2009 г. Основни констатации (3) Ø Едно от основните изисквания в методиката е броят на реакторите – n да бъде равен на отношението на общата продължителност на цикъла – tz и времето за пълнене на реактора – t. F, т. е. n = tz / t. F Ø За съжаление в нашата проектантска практика това условие рядко се спазва, като нарушенията водят до периоди от денонощието, когато всички реактори са ангажирани със съответните технологични фази на пречистване и никой от тях не е в състояние да приеме непрекъснато постъпващия в станцията поток отпадъчни води 28

Съвременните методики за оразмеряване на съоръженията за биологично пречистване – доколко ги познаваме и как ги прилагаме Основни изводи и предложения (1) Те се съдържат в уводните бележки на т. н. “Работни листове” или “Наръчници”, както са наречени разгледаните оразмерителни методики на DWA (ATV) в самите тях, където относно прилагането им са дадени следните “Указания за потребителя Ø Всеки може свободно да ползва наръчника. Задължение за използване може да има в резултат на правни или административни предписания, договор или друга правна основа. Ø Този наръчник е важен, но все пак не и единствен източник за професионални решения. Посредством използването му никой не се освобождава от отговорност за собствените си действия или за правилното приложение в конкретния случай: това важи особено за професионалното използване на дадената от наръчника свобода на действие. ” 29

Съвременните методики за оразмеряване на съоръженията за биологично пречистване – доколко ги познаваме и как ги прилагаме Основни изводи и предложения (2) Ø “За оразмеряването на пречиствателни станции могат да се изведат индивидуални оразмерителни параметри и от опити, проведени на място. Необходимите за това опитни инсталации трябва да бъдат оборудвани най-малкото в полузаводски мащаби и да бъдат експлоатирани най-малко 9 месеца при близки до реалните условия. ” Ø “Пилотни изследвания, проведени на опитни станции или на станции в експлоатация, служат за проверка на дадена концепция и за определяне на параметрите при условия, близки до практиката. Ø Чрез такива опити оразмеряването ще е правилно и често довежда до икономия на средства. С данните могат да се получат подобрени изходни параметри за динамичното симулиране за получаване на резултати относно различни експлоатационни състояния, необхванати при опитите. ” 30

Съвременните методики за оразмеряване на съоръженията за биологично пречистване – доколко ги познаваме и как ги прилагаме Основни изводи и предложения (3) Ø “Промяната на параметрите на процеса като потребност от кислород, съдържание на сухо вещество в утайката, концентрация на субстрата и др. по времето на един цикъл в пречиствателните станции с биореактори с циклично действие е динамичен процес. Затова се препоръчва и използването на компютърни програми за динамична симулация като помощно средство. ” 31

Съвременните методики за оразмеряване на съоръженията за биологично пречистване – доколко ги познаваме и как ги прилагаме Основни изводи и предложения (4) Ø Отговорното професионално и творческо прилагане на приетите в нашата практика оразмерителни методики, в съчетание със съвремените динамични модели, програмни продукти и пилотни инсталации, може да спести излишни и недостатъчно обосновани капиталови и експлоатационни разходи, изчислени “по книга” Ø Творческото прилагане на тези оразмерителни подходи е в компетенцията на добре подготвени в тази област инженерни кадри с каквито страната ни разполага Ø Необходимо е да преостановим повсеместната практика у нас - проектирането на важните и скъпи пречиствателни станции да се извършва “по книга” и да се обърнем към реалните параметри на пречиствателните процеси и съоръжения, които във всеки отделен случай са строго специфични 32

Състояние и предизвикателства при изграждането на ПСОВ в България 33