Modelli matematici per impianti di trattamento delle acque reflue

2. Modelli matematici per impianti di trattamento delle acque reflue Lorenzo Benedetti BIOMATH, Università di Gent, Belgio Methis Environmental b.v.b.a., Gent, Belgio

3. Contenuti della presentazione • Cosa è un modello • Modelli per impianti di trattamento • Usi dei modelli dinamici

4. Cosa è un modello – modello concettuale • La base di tutti i modelli di simulazione è un modello concettuale, che descrive adeguatamente il sistema e i processi fisici, chimici e microbiologici più rilevanti per l’applicazione del modello. • Diversi strumenti per diversi obiettivi (“blackbox” vs. modelli deterministici). • Complessità vs. uso.

5. Cosa è un modello – modello matematico I modelli matematici trasferiscono i modelli concettuali in una formulazione matematica, che include le equazioni di bilancio per la continuità, il momento e l’energia, e le equazioni di stato dipendenti dal sistema (variabili di stato – insieme di variabili indipendenti che determina univocamente lo stato del sistema).

6. Cosa è un modello – modello numerico • Implementazione di un modello matematico in un algoritmo numerico. • Un algoritmo numerico deve garantire la soluzione per diverse condizioni iniziali e al contorno e per diverse geometrie. • Condizioni iniziali: inizializzazione delle variabili all’inizio della simulazione. • Sono disponibili diversi algoritmi per l’integrazione (e.g. Eulero, Runge-Kutta).

7. Cosa è un modello – software di simulazione • Strumenti che facilitano l’uso dei modelli (interfaccia grafica). • Implementazione dei modelli. • Configurazione del sistema. • Preparazione degli esperimenti (virtuali). • Visualizzazione dei risultati.

8. Cosa è un modello – software di simulazione

9. Cosa è un modello – perché modellare? • Ricerca • Migliore conoscienza di (parti di) processi complessi • Progettazione • Confronto di diverse variabili (e.g. volumi, ricircoli, etc.) • Analisi di impianti esistenti • Estensione degli impiani • Ottimizzazione della gestione • Controllo • Test di diverse strategie di controllo • Diagnosi • Identificazione di malfunzionamenti

10. Cosa è un modello – sommario Un assioma basilare nella modellistica è: non estrapolare troppo la validità del tuo modello !

11. Modelli per WWTP – reattori ideali • Completely stirred tank reactor – CSTR • CSTR in serie • CSTR con volume variable • reattore plug-flow

12. Modelli per WWTP – processi di trasporto • Esperimenti con tracciante • per misurare lo HRT del sistema • Proprietà della sostanza tracciante • le stesse proprietà di trasporto dell’acqua (stessa diffusione molecolare, no sedimentazione) • no influenza su miscelazione e flusso (temperatura, densità) • no reazioni e no adsorbimento • economico, alta solubilità in acqua e facile da analizzare • concentrazione di base bassa e/o costante

13. Best fit: N=2, V1=V2 Modelli per WWTP – processi di trasporto

14. Best fit: N=2, V1=V2 Modelli per WWTP – processi di trasporto

15. Modelli per WWTP – modello bio-cinetico • Activated Sludge Models (ASM) dallaInternational Water Association (IWA) • Degradazione della materia organica • Consumo di ossigeno e produzione di fanghi • Rimozione dei nutrienti • Azoto (nitrificazione/denitrificazione) • Fosforo (bio-P, precipitazione) • Possono essere estesi • pH, tossicità, sostanze specifiche • Variabili di stato divise in: • S: composti solubili (NH4, NO3, PO4, DO, rbCOD, etc.) • X: composti particolati (sbCOD, inerti, eterotrofi, autotrofi, etc.)

16. Modelli per WWTP – sedimentazione • Sedimentatori secondari • Separazione fanghi attivi / effluente • Sedimentazione e ispessimento dei fanghi attivi • Stoccaggio dei fanghi in caso di eventi di pioggia in sistemi combinati • Tipi di modelli • Modelli concettuali: descrivono i movimenti e lo stoccaggio dei fanghi • Modelli 1D: descrizioni semplificate dei processi di sedimentazione e ispessimento • Modelli 2D e 3D: considerazione del flusso, sedimentazione, turbolenze, etc. • Solo le variabili di stato X (particolati) sono soggetti a sedimentazione

17. Modelli per WWTP – sedimentazione

18. Modelli per WWTP – dati e calibrazione • Calibrazione in stato stazionario • Dati di progettazione e operativi (volumi, portate, capacità delle pompe,…) • Dati raccolti di routine (solidi, DO, temperatura,…; in/out COD, BOD, NH4, PO4,…) • Calibrazione dinamica • misure in/out e intermedie di parametri interessanti con e.g. 2 volte 1 settimana di campionamenti compositi di 2 ore

19. sistema studiato sistema ottimizzato esperimenti realtà modellazione implementazione realtà virtuale simulazioni modello del sistema soluzione del problema Uso dei modelli dinamici

20. Grazie per l’attenzione ! lorenzo.benedetti@biomath.ugent.be lorenzo.benedetti@methis-env.com