Mathematical modelling of an activated sludge treatment plant

Abstract

ÖZET Bu çalışmanın amacı bir aktif çamur tesisinin dinamik modellinin kurulmasıdır. Aktif çamur sistemi yaygın olarak hem evsel hem de endüstriyel atık suların arıtılmasında kullanılır. Aktif çamur tesisi, biyolojik olayların olduğu bir havalandırma havuzundan ve çökeltme tankından oluşur. Dinamik modelemenin amacı sistemde meydana gelen reaksiyonların zamanla değişimini benzeştirmektir. îlk olarak sistemdeki biyolojik ve fiziksel olaylar matematiksel olarak ifade edilir. Havalandırma havuzunda substrat, azot ve fosfor tüketimi ile mikroorganizma büyümesi gibi biyolojik reaksiyonlar meydana gelir. Bunların matematiksel denklemleri Monod kinetiğine dayanılarak oluşturulmuştur. Çökeltme tankında fiziksel bir olay olan çökelme gerçekleşir ve bu olayın matematiksel denklemleri de Wallis Teorisine dayanır. Çökelme olayı tabakalarda tank boyunca gözlenmiştir. Bu iki unite için oluşturulan denklemler nonlineerdir. Bu denklemlerin nümerik çözümleri bu amaç için geliştirilen bilgisayar programı ile yapılır. Havalandırma havuzunda sadece substrat tüketimi değil, aynı zamanda azot ve fosfor tüketimi de dikkate alınmıştır. Mikroorganizmaların yapısını oluşturan azot veya fosfor açığı varsa, sistemin verimi azot ve fosfor mikroorganizma büyümesinde limitleyici etkiye sahip olduğu için düşer. Endüstri atık sularının bazıları azot veya fosfor içeriği bakımından fakirdir. Bu durumda istenen verime ulaşmak için limitleyici olan nutrientin (azot veya fosfor) sisteme ilave edilmesi gereklidir. Geliştirilen bilgisayar programı her zaman adımında sistemin ihtiyacı olan ilave nutrienti hesaplar. Büyük bir öneme sahip olan sıcaklığın etkisi de modelde dikkate alınmıştır. Sonuç olarak sıcaklık etkisi herhangi hava koşulları altında izlenebilir. Bu çalışmada, ortalama sıcaklık 20° C, kış şartlan için ortalama 10°C ve yaz şartları için de 30° C lik sıcaklık altında sistem davranışı incelenmiştir. Bu modelin herhangi bir atıksuya uygulanması ile sistemin çıkış substrat, azot, fosfor ve askıda katı madde konsantrasyonları hesaplanabilir. Böylece alıcı ortama verilen bu maddelerin etkileri daha iyi anlaşılabilir ve arıtma tesisinin dizaynı ve işletilmesi daha gerçekçi yapılabilir. iii

AB STRACT The goal of this study is to develop a dynamic model of the an activated sludge treatment process. An activated sludge process is used commonly for purification of domestic and industrial wastewaters. It consists of an aeration tank in which all biological reactions occur and a secondary sedimentation tank. The purpose of the dynamic model is to simulate all these reactions in the system with respect to time. First, the biological and physical reactions are expressed mathematically. Biological reactions are consumption of substrate, nitrogen, and phosphorus and generation of microorganisms in the aeration tank. Their mathematical equations are established by Monod kinetic. Settling, which is a physical reaction, takes place in the sedimentation tank and its mathematical equations are based on Wallis' Theory. Settling reactions are observed at horizontal layers throughout the tank depth. The equations that are developed for the two units of the system are nonlinear. Numeric solutions of these equations are accomplished by means of a computer program that is developed for this purpose. In the aeration tank, substrate consumption together with nitrogen and phosphorus consumption are directly connected with the microorganism growth. If there are deficiencies of nitrogen and phosphorus, which are basic nutrients for microorganisms, system efficiency will decrease because of the limiting effects of nitrogen and phosphorus. Some industrial wastewaters have poor nitrogen or phosphorus content. In that case, process needs an addition of the limiting nutrient to provide desired efficiency of the system. Developed computer program calculates the amount of additional nutrients needed in the system at each time step. Temperature effect, which has significant importance, is also considered in the model. Thus the system efficiency can be observed under any weather condition. In this study, the system is observed under average temperatures of 20°C, 10°C for average winter conditions and 30°C for average summer condition. With the application of this model on any type of wastewater, effluent concentrations of substrate, nitrogen, phosphorus and suspended solids can be calculated. So effects of these material when loaded to a receiving media can be understood better. The design and operation of wastewater treatment systems can be rendered more realistic. - n -