Раздел IV Методи, процеси и съоръжения за пречистване на битови отпадъчни води

1. Раздел IVМетоди, процеси и съоръжения за пречистване набитови отпадъчни води Тема 19 Технологично оразмеряване на биореактори Основни видове оразмерителни процедури (модели): • Концептуални модели (базирани на опростяващи концепции) • Емпирични модели (базирани на експерименти на физически модели или натурни наблюдения) • Биохимически базирани модели (базирани на кинетични и стехиометрични зависимости) • Модели със смесен подход

2. Раздел IV, Тема 19 Технологично оразмеряване на биореактори Концептуални модели • Класически - базирани на концептуалните технологични параметри: • Концентрация на биомасата – a, g/l, kg/m3 • Изчислителен хидравличен времепрестой (време за аериране) – t , [h] • Възраст (изчислителен времепрестой) на биомасата в системата – Ту ,[d] • Обемно хидравлично натоварване – Rq , [h-1] • Обемно органично натоварване (по БПК5)– RL , [kg/m3.d] • Натоварване на утайката - Rу, [kg/kg.h] • Прираст на биомасата – Пр, kg/m3 • Рециркулационно отношение (степен на рециркулация) - n • Кислородна необходимост ( специфична потребност от О2) – qo , [g О2 /h] Оразмерителната процедура се свежда до избор на такъв изчислителен хидравличен времепрестой и съответен обем на биобасейна, които осигуряват попадането на числените стойности на останалите технологични параметри в емпирично препоръчваните граници, характерни за определена степен на пречистване (виж Тема 14).

3. Раздел IV, Тема 19 Технологично оразмеряване на биореакториКонцептуални модели Връзка между натоварването – Rу, възрастта – Tуи прираста – Пр на активната утайка (по DEGREMONT)

4. Раздел IV, Тема 19 Технологично оразмеряване на биореактори Емпирични модели • Модел (оразмерителна процедура) на Imhoff Основава се на следните емпирични параметри и препоръчваните за тях стойности в зависимост от желаната степен на пречистване: • Обемно органично натоварване (по БПК5)– RL , [kg/m3.d] • RL = 1,0 kg/m3.dпри пълно пречистване (η = 90 – 95 %) • RL = 0,5 kg/m3.dпри пълно пречистване с нитрификация • RL = 1,8 kg/m3.dпри непълно пречистване (η = 60 – 80 %) • Специфичен брой жители – Nж , ж/m3.d • Nж = 25 ж/m3.d при пълно пречистване (η = 90 – 95 %) • Nж = 12 ж/m3.d при пълно пречистване с нитрификация • Nж = 50 ж/m3.d при непълно пречистване (η = 60 – 80 %) Оразмеряването се свежда до определяне на обема на биобасейна при даден органичен товар (по БПК5)на входа на съоръжението – Q.L5 , [kg/d] чрез използване на някои от горните емпирични параметрии съответните им стойности.

5. Раздел IV, Тема 19 Технологично оразмеряване на биореактори Биохимично базирани модели • Activated Sludge Model No1 (ASM1) – IAWQ, Prof. Henze at al., 1987 • Activated Sludge Model No2 (ASM2) - IAWQ, Prof. Henze at al., 1995 • Activated Sludge Model No3 (ASM3) – IAWQ, Prof. Gujer at al., 1999 • Модел на Metcalf & Eddy Inc., Wastewater Engineering: Treatment, Disposal and Reuse (USA, 1972, 1979, 1991, 2003, Prof. Tchobanoglous) • Оразмерителни методи, разработени в катедра “ВКПВ” при УАСГ • Методика на Р. Арсов, 1987 • Методика на И. Рибарова, 1995 (под ръководството на Р. Арсов) • Методика на М. Колева, 2008 (под ръководството на Р. Арсов)

6. Раздел IV, Тема 19 Технологично оразмеряване на биореакториМодел на Metcalf & Eddy Inc.,Prof. Tchobanoglous Оразмеряването се базира на кинетичните зависимости на Monod, използвани в следните им модификации: ; , или , откъдето при известно μm се определя възрастта на активните утайки θx. Тя се завишава с избран коефициент на сигурност (safety factor SF = 2 – 3). След това от дясната част на втората зависимост се определя скоростта на окисление на субстрата U. При реактор-смесител е валидна зависимостта , от където се определя изчислителния времепрестой . Концентрацията на субстрата в пречистените отпадъчни води се определя със следната модификация на зависимостите на Monod:

7. Раздел IV, Тема 19 Технологично оразмеряване на биореакториActivated Sludge Model No1 (ASM1), Prof. Henze at al. Основни сведения: • Моделът е базиран изцяло на кинетиката на Monod • Моделът включва процесите на аеробно отстраняване на разтворени и суспендирани въглерод-съдържащи и азот-съдържащи субстрати (нитрификация/денитрификация) • Моделът включва чрез съответни стехиометрични зависимости основните физични, физико-химични и химични процеси, които влияят на биохимичната кинетика • Моделът отразява поотделно кинетиката на хетеротрофните и автотрофните микроорганизми в активните утайки, които са активни по отношение на съответните субстрати • Моделът включва процесите на хидролиза (втечняване, разтваряне) на суспендираните субстрати • Моделът е представен рационално във вид на таблица (т.н. матрица на Peterson), включваща 8 реда (8 вида процеси) и 13 колони (13 параметъра), както и 20 стехиометрични константи и изрази, отразяващи връзките между параметрите, участващи в съответните кинетични зависимости

8. Раздел IV, Тема 19 Технологично оразмеряване на биореакториActivated Sludge Model No1 (ASM1), Prof. Henze at al. Основни сведения: • Моделът е предназначен за изследване на поведението на биореакторите в динамични условия, но може да се използва и за технологичното им оразмеряване при избрани стационарни (оразмерителни) състояния • Прилагането на модела изисква предварителното определяне на 20 кинетични и стохиометрични параметъра (в лабораторни или натурни условия), което е трудно и не винаги възможно. За улеснение са дадени и техни примерни стойности • Моделът има редица ограничения (несъвършенства), някои от които са отстранени в ASM3

9. Раздел IV, Тема 19 Технологично оразмеряване на биореакториActivated Sludge Model No2 (ASM2), Prof. Henze at al. Основни сведения (освен тези, споменати при разглеждането на ASM1) : • Моделът е разширение на ASM1 с отразяване на кинетиката на процесите на биологично отстраняване на фосфора • Моделът включва 19 компонента (различни видове субстрати и микроорганизми) участващи в процесите на биохимична трансформация, както и 38 стехиометрични константи и изрази, отразяващи връзките между параметрите, участващи в съответните кинетични зависимости • Моделът включва кинетиката на хидролизните процеси (втечняването на суспендираните субстрати) в трите основни видове биореактори – аеробен, безкислороден и анаеробен • Моделът включва 19 кинетични и стехиометрични зависимсти • Моделът има редица ограничения (несъвършенства), включително опростяващи приемания относно процесите на биологично отстраняване на фосфора

10. Раздел IV, Тема 19 Технологично оразмеряване на биореакториActivated Sludge Model No3 (ASM3), Prof. Gujer at al. Основни сведения (освен тези, споменати при разглеждането на ASM1) : • Моделът е усъвършенстван вариант на ASM1 • В този модел са избегнати някои от недостатъците на ASM1 • Моделът включва акумулирането (задържането) на органични субстрати като нов процес • Кинетиката на лизисните процеси са сведени до кинетика на ендогенно дишане • Хетеротрофите и автотрофите са отчетливо отделени при описанието на съответната кинетика (за разлика от ASM1, където тяхното специфициране е доста неточно) • Моделът е представен и чрез алгоритъм, позволяващ директното му прилагане при изграждането на компютърен програмен продукт

11. Раздел IV, Тема 19 Технологично оразмеряване на биореакториОразмерителна методика на Р. Арсов, 1987 г. Основни сведения: • Методиката се отнася за технологичната схема UCT за биологично отстранаяване на азот и фосфор от отпадъчни води на населени места. За практическото й използване е създаден съответен програмен продукт (инсталиран в мрежата на ХТФ) • Методиката е базирана на кинетиката на Monod при оразмеряването на анаеробния, безкислородния и аеробния биореактори като смесители с отчитане на специфична част от бомасата, активна в съответния биореактор, както и на съответния вид субстрат. Кинетичните параметри са със стойности, публикувани от холандски изследователи (Rensinkatal., 1982) • При оразмеряването на анаробния биореактор в уравнението на Monod относно израза за μ е включено разширението на Herbert, отчитащо субстратното инхибиране (по отношение на висшите мастни киселини с къси вериги - SCVA като субстрат:μ = μm .S/(Ks + S + S/KSCVA) • При оразмеряването на аеробния биореактор, методиката отчита снижението на БПК в анаеробния и безкислородния биореактори преди него

12. Раздел IV, Тема 19 Технологично оразмеряване на биореакториОразмерителна методика на И. Рибарова, 1995 г. Основни сведения: • Методиката (означавана и с абревиатурата NDEPR) се отнася за технологичните схеми UCT и MUCT (с или без отделен фермантатор),за биологично отстранаяване на азот и фосфор от отпадъчни води на населени места • Методиката е базирана на кинетиката на Monod при оразмеряването на анаеробния, безкислородния и аеробния биореактори като смесители с отчитане на специфична част от биомасата, активна в съответния биореактор, както и на съответния вид субстрат. Кинетичните параметри относно биологичните процеси за отстраняване на азота са получени при лабораторни изследвания на авторката в кат. “ВКПВ”) • За практическото използване на методиката е създаден съответен програмен продукт (инсталиран в мрежата на ХТФ)

13. Раздел IV, Тема 19 Технологично оразмеряване на биореактори Модели със смесен подход • Модел на СНиП 2.04.03-85, Строительные нормы и правила. Канализация. Наружние сети и сооружения (Русия, 1985 г.) • Модел на ATV – DVWK - A 131 (Германия, 1991, 2000 г.)

14. Раздел IV, Тема 19 Технологично оразмеряване на биореакториМодел на СНиП 2.04.03-85,Русия, 1985 г. Основни сведения: • Методиката се отнася само до оразмеряване на класически биобасейни (аеробни биореактори), работещи при средно утайково натоварване и конструирани с или без регенератори за рециркулиращите активни утайки • Методиката използва индиректно кинетиката на Monod чрез прилагане на израз за специфичната скорост на разграждане на субстрата с отчитане на инхибирането от (евентуален) кислороден недостиг и от продуктите на разграждане при самоокислението на биомасата (виж Тема 14) • Предложени са две формули за определяне на общия изчислителен времепрестой, съответно за реактор-смесител и за “бутален” (всъщност за коридорен дифузионен) реактор. Първата е съобразена стриктно с кинетиката на Monod и разреждането в реактор-смесител, а втората съдържа емпирична константа (увеличаваща изчислителния времепрестой с 50 % спрямо теоретичния)

15. Раздел IV, Тема 19 Технологично оразмеряване на биореакториМодел на СНиП 2.04.03-85,Русия, 1985 г. Основни сведения: • Изчислителният времепрестой в регенератора за активни утайки се опрeделя по емпирична формула със структура, аналогична на тази на Streeter-Phelps (за редукцията на БПК в реките – виж Теми 5 и 6), но с друга (съответна за случая) стойност на коефициента за скоростта на разграждане • За случая с регенератор, изчислителният времепрестой в биобасейна се определя като разлика между общия изчислителният времепрестой, определен чрез специфичната скорост на разграждане на субстрата (по кинетиката на Monod) и този, определен за регенератора (по Streeter-Phelps) • Предложена е подробна емпирична методика за определяне на параметрите на елементите на аерационните системи (пневматична и механична)

16. Раздел IV, Тема 19 Технологично оразмеряване на биореакториМодел на ATV – DVWK - A 131, Германия, 2000 г. Основни сведения: • Методиката е предназначена за технологично оразмеряване на съоръжения за биологично отстраняване на въглерод (БПК), азот и фосфор в различни технологични схеми: • конвенционална (без нитрификация) • с нитрификация и стабилизиране на биомасата • с нитрификация в схема с биобасейн-нитрификатор и пред-денитрификатор • със симултанна, циклична или алтернативна (А/О) нитрификация/денитрификация • с предвключен анаеробен биореактор (при биологично отстраняване на фосфора) • със симултанно физико-химично отстраняване на фосфора в биобасейна • Методиката включва определяне на необходимата възраст на биомасата в аеробната зона tTS,aerв зависимост от технологичната схема и температурата на средата, като реципрочна стойност на кинетичния параметър на Monod- специфична скоростμ. Така определената възраст на биомасата обаче се умножава на емпирична основа с т.н. “фактор на сигурността” – SF > 1, (SF = 1,2 – 1,8)

17. Раздел IV, Тема 19 Технологично оразмеряване на биореакториМодел на ATV – DVWK - A 131, Германия, 2000 г. Основни сведения: • Общата възраст на биомасата tTS,Bem в схеми с нитрификатор/денитрификатор се определя чрез съотношението VD/VBB, съответно на обемa на денитрификатора - VDи общия изчислителен обем на биореакторите - VBB • Съотношението VD/VBB при различните технологични схеми се предписва в методиката на емпирична основа в зависимост от съотношението на масите на нитратите, отправяни за денитрификация и на въглерод-съдържащите органични вещества (БПК5), постъпващи в денитрификатора • Общият обем на биореакторите VBB в схема с нитрификация/денитрификация се определя като отношение на наличната в системата биомаса МТS,BB и приетата (предписана) нейна концентрация • Наличната в системата биомаса МТS,BB се определя като произведение на общата възраст на биомасата tTS,Bem и нейния денонощен прираст ÜSd, изчислен по полуемпирични формули