Modelowanie procesów biologicznego oczyszczania ścieków Grzegorz Łagód lagood@fenix.pol.lublin.pl Instytut Inżynierii Ochrony Środowiska Politechnika Lubelska

Wstęp Przyczyną powstawania ścieków jest konieczność wykorzystywania wody zarówno w procesach przemysłowych, jak i bytowo gospodarczych, a także konieczność odprowadzania wód opadowych z powierzchni osiedli. Ścieki sanitarne, ścieki przemysłowe oraz wody przypadkowe i infiltracyjne razem stanowią mieszaninę ścieków miejskich, dopływających do odbiornika poprzez urządzenia oczyszczalni.

Oczyszczalnia ścieków jako bioreaktor Wykorzystanie biomasy mikroorganizmów heterotroficznych do usuwania zanieczyszczeń ze ścieków, w szczególności węgla organicznego oraz pierwiastków biogennych jest jednym z najskuteczniejszych oraz najtańszych sposobów przeprowadzania tego typu operacji. Oczyszczalnie ścieków z częścią biologiczną są w istocie ogromnymi bioreaktorami, w których przy użyciu odpowiedniego czynnika procesowego (błony biologicznej lub osadu czynnego) przeprowadzane są procesy biologicznego oczyszczania ścieków.

Istnieje w literaturze przedmiotu wiele opracowań gdzie procesy zachodzące w bioreaktorach opisywane są modelami matematycznymi. Bioreaktory tam opisywane zawierają w sobie dobrze zdefiniowany czynnik procesowy – konkretne, jednogatunkowe populacje mikroorganizmów, oraz dobrze zdefiniowany substrat.

Skład pożywki znany jest i dokładnie kontrolowany Skład pożywki znany jest i dokładnie kontrolowany. Dobrze znany jest także produkt, którego właściwości powinny być, i zwykle są zgodne z przyjętymi założeniami. Czynnik procesowy jest w takich bioreaktorach w dużym stopniu zdefiniowany pod względem funkcjonalnym jak i morfologicznym.

W przypadku oczyszczalni ścieków z osadem czynnym, lub błoną biologiczną sytuacja mocno się komplikuje. Substrat (ścieki) rzadko jest do końca zdefiniowany zarówno pod względem składu, temperatury oraz zróżnicowania swoich właściwości w funkcji czasu. Ważne jest jednak aby zarówno na etapie projektowania jak i eksploatacji oczyszczalni „surowe” ścieki miały dokładnie określone parametry technologicznie.

Produkt powinien być zdefiniowany w przypadku oczyszczalni – oczyszczone ścieki muszą odpowiadać przyjętym normom prawnym. Jednak podstawowym problemem przy modelowaniu układów oczyszczania ścieków jest wielogatunkowość czynnika procesowego. Czyli biomasy osadu czynnego, lub błony biologicznej.

Modele podstawowe W klasycznych bioreaktorach związki biomasy X z substratem S opisane są cytowanymi w literaturze modelami, gdzie zakłada się, że istnieją proste zależności typu: substrat jest lub też nie jest czynnikiem limitującym liczebność osobników biologicznego czynnika procesowego. W takim układzie ilość biomasy zmienia się na skutek eksploatacji (konsumpcji) substratu, zaś produkt odprowadzany jest razem z nadmiarem biomasy i nie inhibuje procesu.

Ważnym aspektem, na który powinno się zwracać uwagę przy rozważaniu zagadnień biologicznego oczyszczania ścieków, jest empiryczne podejście do konstrukcji modeli. Z wielu czynników mogących wywierać wpływ na rozwój mikroorganizmów, lub całej ich populacji należy w każdym konkretnym przypadku wybrać czynniki decydujące, o największym w danych warunkach znaczeniu.

Następnym krokiem jest eksperymentalne wyznaczenie zależności prędkości wzrostu biomasy od stężenia substancji limitującej. Najprościej wzrost biomasy X(t) można opisać prostym równaniem autokatalitycznym, zakładając nielimitowany dostęp mikroorganizmów do składników pokarmowych.

µ - specyficzna (względną lub właściwa) szybkość wzrostu – jest stała w przypadku, gdy zasoby wszystkich substancji biogennych stanowiących pożywkę mikroorganizmów są nieograniczone. Rozwiązanie równania opisuje wówczas wykładniczy wzrost biomasy.

Model wzrostu limitowanego W przypadku, gdy którykolwiek ze składników pokarmowych zaczyna ograniczać wzrost mikroorganizmów w układzie, mamy do czynienia ze spadkiem wartości µ. Tego rodzaju sytuację można przedstawić za pomocą związków o różnej postaci analitycznej.

µm – maksymalna specyficzna szybkość wzrostu (d-1), Najczęściej stosowana jest funkcja hiperboliczna zaproponowana przez Monoda, która opisuje zależność pomiędzy specyficzną szybkością wzrostu µ a stężeniem składnika limitującego (substratu) S. µm – maksymalna specyficzna szybkość wzrostu (d-1), KS – stała odpowiadająca stężeniu substratu, przy którym specyficzna szybkość wzrostu mikroorganizmów osiąga połowę wartości maksymalnej (stała Monoda) (gm-3).

maintenance energy requirement -1 -1* qmXB 3 hydrolysis, fast j Process Component i Process Rate ρj 1 (SS) 2 (XS1) 3 (XS2) 4 (XS3) 5 (XB) 6 (- SO) 1 aerobic growth -1/YH (1-YH)/YH μH(SS/(KS+SS)XB 2 maintenance energy requirement -1 -1* qmXB 3 hydrolysis, fast kh1((XS1/XB)/(KX1+XS1/XB))XB 4 hydrolysis, medium kh2((XS2/XB)/(KX2+XS2/XB))XB 5 hydrolysis, slow kh3((XS3/XB)/(KX3+XS3/XB))XB

WNIOSKI Modelowanie procesów oczyszczania ścieków jest bardzo dynamicznie rozwijającą się dziedziną wiedzy gdyż wraz z rozwojem metod komputerowych dostarcza inżynierom coraz więcej informacji na temat możliwego przebiegu procesów biologicznego oczyszczania ścieków. Informacje uzyskane podczas modelowania matematycznego wspomnianych powyżej procesów pozwalają sprawdzić miedzy innymi, czy dane obiekty i technologie sprawdzą się w konkretnych warunkach jeszcze przed realizacją inwestycji (np.: GPS-X).

WNIOSKI Większość istniejących skomplikowanych modeli matematycznych (np.: ASM1, ASM2, ASM3) opisujących procesy biologicznego oczyszczania ścieków bazują w swoich podstawowych założeniach na modelu zaproponowanym przez Monoda. Od dłuższego czasu w źródłach literaturowych oczyszczalnie ścieków z częścią biologiczną traktowane są jak specyficzne bioreaktory.

Koniec