Charakterystyka dobru współczynników kinetycznych

W praktyce kalibracji podlegają parametry biochemiczne, rzadziej współczynniki stechiometryczne. Kalibracja więcej niż kilku współczynników kinetycznych czy stechiometrycznych na raz jest, z uwagi na niezbędny, bardzo długi, czas symulacji, niewykonalna.

110

Tab. 1. Współczynniki biochemiczne modelu ADM1 wykorzystane do kalibracji.

Nazwa parametru Jednostka Parametry domyślne [6] Dwustopniowa fermentacja osadówściekowych warunki mezo/termofilowe I [7] Dwustopniowa fermentacja osadówściekowych warunki mezo/termofilowe II [8] Kofermentacja gnojowicy z roślinami energetycznymi [9] Kofermentacjaścieków z tłoczni oleju z wytłokami warunki mezo/termofilowe [10, 11] Kofermentacja organicznej frakcji odpadów komunalnych z osadami ściekowymi [12] Fermentacja roślin wodnych (ligninoceluloza) [13] Modelowanie procesu fermentacji glonów [14] Fermentacja wytłoków z oliwek [15] Fermentacja kiszonki odpadów zielonych I [16] Fermentacja kiszonki odpadów zielonych II [17] Modelowanie procesu suchej fermentacji odpadów organicznych [18]

k_dis d^-1 0,5 1/0,5 0,4/

0,9 0,006/

0,03 0,5 0,4 0,05/

0,02 0,15

k_hyd_ch ^d-1 10 0,31 - /0,35 1,017 3,18

k_hyd_pr d^-1 10 0,31 - /0,2 0,3842 1,04

k_hyd_li ^d-1 10 0,31 -0,063 0,999 3,07

K_S_su kgCOD/m³ 0,5 - /1,5 2,48

K_S_aa ^kgCOD/m3 0,3 - /0,6

k_m_c4 d^-1 20 13,7 15,55 13,7

K_S_c4 ^kgCOD/m3 0,2 0,357 0,045 0,357

K_Ih2_c4 kgCOD/m³ 1,0E-05 5,0E-08

k_m_pro d^-1 13 9 / 16 12,5/45 5,5 - /11 2,02 5,5

K_S_pro kgCOD/m³ 0,1 0,2/0,4 0,3/3 0,392 - /0,1 0,03 0,392

K_Ih2_pro kgCOD/m³ 3,5E-06 3,5E-5/

7,0E-6 4,6E-08

k_m_ac d^-1 8 9 / 25 6,5/14 7,1 9/21,31 21 8,34 4,4 11,1/4,8 8,16

K_S_ac kgCOD/m³ 0,15 0,15/0,4 - /0,6 0,65/

0,96 0,518 0,96 0,026

K_I_nh3 M 0,0018 0,0011 0,0028/

0,0247

pH_UL_ac ^- 7 8

pH_LL_ac - 6 6 5,2

K_S_h2 ^kgCOD/m3 7,0E-06 - /1,0E-5 3,0E-05 0,13 5,6E-05 3,0E-05

XX wartości domyślne XX zanotowane najniższe wartości XX zanotowane najwyższe wartości

111

Podjęto próbę przeanalizowania współczynników wybieranych do kalibracji modelu ADM1 oraz realnie występujący zakres zmienności wartości współczynników w realizowanych badaniach.

Dokonano przeglądu badań symulacyjnych realizowanych w latach 2005-2012. Do analizy wybrano jedynie te badania, w których podejmowano działania mające na celu kalibrację modelu.

Eliminuje to całą, liczną grupę zagadnień z zakresu benchmarkingu gospodarki osadowej lub całych oczyszczalni ścieków, które w swoich założeniach działają na modelu z przyjętymi bazowymi współczynnikami kinetycznymi i stechiometrycznymi. W tabeli 1 przedstawiono współczynniki kinetyczne wykorzystane do kalibracji modelu ADM1. W opracowaniu skupiono się na współczynnikach biochemicznych, pominięto współczynniki stechiometryczne wykorzystywane do kalibracji incydentalnie.

Ze wszystkich 36 współczynników biochemicznych w procesie kalibracji wykorzystywano jedynie 18. W przypadku pozostałych współczynników pozostawiano wartości podstawowe.

Największa liczba współczynników, które określano w ramach jednych badań to 11. W pozostałych przypadkach ilość ta wahała się w zakresie od 3 do 9 współczynników. Dwa najczęściej wykorzystywane w procesie kalibracji współczynniki biochemiczne to: stała szybkości dezintegracji (kdis) oraz maksymalna szybkość poboru kwasu octowego (km,ac). Dla kdis pomijając jeden odosobniony przypadek stwierdzono przyjmowanie wartości bardzo zbliżonych do wartości podstawowej. Podobna sytuacja miała miejsce w przypadku km,ac dla procesu fermentacji prowadzonej w warunkach mezofilowych, jednak dla warunków termofilowych wyniki kalibracji zawsze były wyraźnie wyższe niż wartość podstawowa. Kolejną często wykorzystywaną w kalibracji grupą współczynników jest: maksymalna szybkość poboru (k_m,pro) oraz stała nasycenia (kS,pro) dla kwasu propionowego. Dla warunków mezofilowych powyższe parametry zostały przyjęte na poziomach kilkakrotnie niższych niż wartości podstawowe.

4. Podsumowanie

W artykule scharakteryzowano grupy współczynników kinetycznych oraz stechiometrycznych modelu ADM1. Zestawiono współczynniki biochemiczne modelu, które wyznaczone zostały na drodze kalibracji. Zebrano współczynniki kinetyczne wygenerowane przez kilkanaście zespołów badawczych. Analizowane wyniki obejmowały modelowanie procesu fermentacji jedynie osadów ściekowych, procesy kofermentacji osadów ściekowych z inną materią organiczną, a także modelowanie procesu fermentacji mono składników (glony, kiszonka). - Przeanalizowano parametry modelu pod kątem przyjętych wartości na tle wartości podstawowych.

W niektórych przypadkach stwierdzono wyraźną różnicę dla wyników kalibracji niektórych parametrów w porównaniu do wartości podstawowych. Informacje uzyskane w wyniku analizy posłużą do optymalizacji procesu kalibracji modelu ADM1 dla procesu wspólnej fermentacji osadów ściekowych oraz odpadów organicznych. Rozsądna droga postępowania wydaje sie być rozwijanie technik numerycznych pozwalających na przyspieszenie oraz dokładniejsze dopasowanie współczynników modelu, jak na przykład: algorytmy genetyczne, sztuczne sieci neuronowe i inne. Dodatkowo pożądane są działania w kierunku określenia analizy wrażliwości modelu przy wykorzystaniu go w konkretnych przykładach do opisu procesu kofermentacji.

Zadanie współfinansowane ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

112

Literatura

[1] G. Tchobanoglous, F.L Burton., H.D. Stensel, Wastewater engineering treatment and reuse, Metcalf & Eddy Inc., Mc Graw Hill 2003.

[2] N.V. Gunaseelan, Anaerobic digestion od biomass for methane production: a review, Biomass and Bioenergy 1997, Vol, 13 No. 1/2, 83-114.

[3] J. Mata-Alvarez , S. Mace, P. Llabres, Anaerobic digestion of organic solid wastes. An overview of research achievements and perspectives, Bioresource Technology 2000, Vol. 74, 3-16.

[4] D.J. Batstone, J. Keller, I. Angelidaki, S.V. Kalyuzhnyi, S.G. Pavlostathis, A. Rozzi, W.T.M.

Sanders, H. Siegrist, V.A. Vavilin, Anaerobic Digestion Model No. 1 (ADM1), IWA Publishing, London, UK 2002.

[5] R. KLEEREBEZEM, M. C. M. VAN LOOSDRECHT, Critical analysis of some concepts proposed in ADM1, IWA Publishing, London, UK 2002. Water Science & Technology, 2006, Vol 54 No 4 51–57.

[6] C. ROSEN U. JEPPSSON, Aspects on ADM1 implementation within the BSM2 framework, Technical report no. LUTEDX/(TEIE-7224)/1-35/2006, Department of Industrial Electrical Engineering and Automation, Lund University, Sweden 2006.

[7] F. BLUMENSAAT, J. KELLER, Modelling of two-stage anaerobic digestion using the IWA Anaerobic Digestion Model No. 1 (ADM1), Water Research 2005 Vol. 39 171–183.

[8] M.J. LEE, C.W. SUH, Y.T. AHN, H.S. SHIN, Variation of ADM1 by using temperature-phased anaerobic digestion (TPAD) operation, Bioresource Technology 2009 Vol. 100 2816–2822.

[9] M. LUBKEN M. WICHREN, Modeling the energy balance of an anaerobic digester fed with cattle manure and renewable energy corps, Water Research 2007 Vol. 41 4085-4096.

[10] F BOUBAKER, B.C. RIDHA, Modelling of the mesophilic anaerobic co-digestion of olive mill wastewater with olive mill solid waste using anaerobic digestion model No. 1 (ADM1), Bioresource Technology 2008 Vol. 99 6565–6577.

[11] F BOUBAKER, B.C. RIDHA, Implementation of IWA anaerobic digestion model No. 1 (ADM1) for simulating the thermophilic anaerobic co-digestion of olive mill wastewater with olive mill solid waste in a semi-continuous tubular digester, Chemical Engineering Journal 2008 Vol. 141 75–88.

[12] K. DERBAL, M. BENCHEIKH-LEHOCINE, F. CECCHI, A.-H. MENIAI, P. PAVAN, Application of the IWA ADM1 model to simulate anaerobic co-digestion of organic waste with waste activated sludge in mesophilic condition, Bioresource Technology 2009 Vol. 100 1539–

1543

[13] K.H ZHAO, Z.B. YUE, B.J. NI, Y. MU, H.Q. YU, H. HARADA, Modeling anaerobic

digestion of aquatic plants by rumen cultures: Cattail as an example, Water Research 2009 Vol.

43 2047–2055

[14] F. MAIRET, O. BERNARD, M. RAS, L. LARDON, J.P. STEYER, Modeling anaerobic digestion of microalgae using ADM1, Bioresource Technology 2011 Vol. 102 6823–6829 [15] E.C. KOUTROULI, H. KALFAS, H.N. GAVALA, I.V. SKIADAS, K. STAMATELATOU, G

LYBERATOS, Hydrogen and methane production through two-stage mesophilic anaerobic digestion of olive pulp, Bioresource Technology 2009 Vol. 100 3718–3723

[16] K. KOCH, M. LÜBKEN, T. GEHRING, M. WICHERN, H. HORN, Biogas from grass silage – Measurements and modeling with ADM1, Bioresource Technology 2010 Vol. 101 8158–8165

[17] T. THAMSIRIROJ, A.S. NIZAMI, J.D. MURPHY, Why does mono-digestion of grass silage fail in long term operation?, Applied Energy 2012 Vol. 95 64–76

[18] L. YU, Q. Zhao, J. Ma, C. Frear, S. Chen, Experimental and modeling study of a two-stage pilot scale high solid anaerobic digester system, Bioresource Technology 2012 Vol. 124 8–17

113

S

ADM1

-

This paper shows the characteristic of Anaerobic Digestion Model no. 1 and possibilities for using the ADM1 for mathematical modelling co-digestion waste activated sludge with others organic compounds or waste. Co-digestion will be developed increasingly, already now in many WWTP some organic compounds are added to process for increasing methane production.

Fundamental threat for co-digestion is possibility to breakdown of the process. ADM1 model was developed to minimize that risk. Basic problem in mathematical modelling is calibration.

Adjustment all of kinetic coefficients is not possible. The results of adjusting of kinetic coefficients from some research facilities was presented. These coefficients were analyzed and compared to default values.

114

Mechanizm działania bisfosfonianów