Benchmark simuleringsmodeller har utvecklats för att kunna göra en objektiv utvärdering av olika styrstrategier för processerna i ett avloppsreningsverk. Modellerna har tagits fram av en arbetsgrupp inom IWA och då arbetsgruppens arbete avslutas har gruppen sammanställt status och angelägen utveckling för modellerna.
Av: Bengt Andersson
Benchmark simuleringsmodeller (BSM) började utvecklas för 15 år sedan och en arbetsgrupp inom IWA bildades (IWA Task Group on Benchmarking of Control Strategies for Wastewater Treatment Plants). Det ursprungliga syftet med BSM var att kunna göra prestandajämförelser av styrstrategier och datainsamlingsmetoder. Användningsområdet har utvidgats efter hand och BSM har blivit ett användbart verktyg för forskargrupper i hela världen inte bara för det ursprungliga syftet.
Arbetsgruppen har verkat som en paraplyorganisation, där många bidragit med resultat och framsteg och där refererad artikel hänvisar till drygt 120 referenser. Gruppen är på väg att avsluta sitt arbete och det kommer att publiceras i IWA.s vetenskapliga och tekniska rapportserie i början av 2014.
Refererad artikel har författats av arbetsgruppen och avsikten har varit att delge omvärlden gruppens erfarenheter av BSM, tydliggöra områden där kunskap fortfarande saknas och där nya möjligheter finns att tillgå samt föreslå möjliga vägar för en framtida utveckling av modeller och användningsområden.
Benchmark simuleringsmodeller
BSM är en simuleringsplattform med en definierad utformning av reningsverk, simuleringsmodeller, inkommande belastningar, testprocedurer och utvärderingskriterier anpassade för att kombinera enkelhet med realism och accepterade standarder. Modellerna är fritt tillgängliga antingen som mjukvara i ett flertal kommersiella simuleringsprogram som GPS-XTM, SIMBAR och WESTR eller som direkt kodning i C+ och FORTRAN (samtliga ekvationer och alla parametervärden är tillgängliga på webbsidan) eller i den generella plattformen MATLABR/SIMULINKR.
De BSM-modeller, som utvecklats inom ramen för arbetsgruppens arbete, bygger på etablerade processmodeller som Activated Sludge Model no. 1 (ASM1), en endimensionell sedimenteringsmodell i 10 skikt och Anaerobic Digestion Model no 1 (ADM1). Den första ansatsen (BSM1) utgjordes av ett reningsverk för nitrifikation och denitrifikation med en indatafil omfattande 14 dygn. Nästa ansats (BSM1_LT) byggde på samma utformning men med en indatafil omfattande 609 dygn för att medge en långtidsutvärdering av styrstrategierna. Genom ytterligare en ansats (BSM2) kompletterades anläggning och modeller med försedimentering och slambehandling (förtjockning, rötning och avvattning).
Det föreligger i det närmaste oändliga möjligheter att utvidga och uppgradera modellerna som befintliga BSM-plattformar baseras på och många ansatser har gjorts efter hand som refereras till i artikeln. Även om de utvecklade modellerna är väl beskrivna och enkelt kan ersätta eller komplettera ursprungliga modeller valde arbetsgruppen att inte ta med dem under utvecklingsskedet av BSM.
Utvecklingsbehov av modeller och användningsområden
Även om värdefulla verktyg inkluderats i BSM saknas viktiga delar för dess syfte och det finns ett antal olika potentiella utvecklingsvägar, vilka identifierats och diskuteras i artikeln. De avser tids- och rumsaspekter, processaspekter, modellrealismaspekter, styr- och regleraspekter och utvärderingsaspekter.
Tids- och rumsaspekter
Med ännu längre dataserier inkluderande extrema regn och torrperioder, vatten- och lufttemperaturer och snösmältningsperioder kan ambitionsnivån ökas för att utvärdera effekten av t.ex. framtida klimatförändringar. En utvidgning av BSM med modeller för ledningsnät och recipient kan skapa nya möjligheter dels för samlade grepp och åtgärder i kombinerade ledningsnät och avloppsreningsverk dels för bedömning av miljöpåverkan av utsläpp från avloppssystem. Modeller finns redan att tillgå och de kan relativt enkelt integreras i BSM.
Processaspekter
Nya processer har utvecklats för avskiljning av organiskt material och kväve sedan det första konceptet togs fram och ett stort intresse och behov finns att implementera fler processer inom ramen för BSM, som då kan benchmarkas med samma utvärderingskriterier. Modeller för processapplikationer som t.ex. karusellanläggningar (oxidationsdiken), SHARON/anammox, membranbioreaktorer (MBR) och bio-P finns redan etablerade medan modeller för processer som t.ex. fastbäddsprocesser och SBR-anläggningar ännu saknas. Då nya processer integreras i BSM är modellinterfacet viktigt för att upprätta massbalanser.
Modellrealismaspekter
Utnyttjade modeller är allmänt accepterade men innehåller brister och svagheter. Syftet med en ändring av modellerna bör i första hand vara att öka realismen och trovärdigheten och inte att öka detaljeringsnivå och komplexiteten även om det kan vara nödvändigt ibland. En sammanfattning av angelägna modellkompletteringar ges i det följande.
Activated Sludge Model ASM1 har utvecklats både till ASM2d, som inkluderar fosforavskiljning, och till ASM3, som har flera parametrar och som inkluderar mikrobiella lagringsprodukter och endogen respiration. ASM tar inte heller hänsyn till innehållet av löst mikrobiologiskt material (SMP) och resultatet blir att utgående halt av SMP är oberoende av inkommande halt, vilket har visat sig vara felaktigt. Det finns ett angeläget utvecklingsbehov av modellerna och en verifiering av defaultparametrarna för de nya modellerna.
Modeller för nitrifikation/denitrifikation, som kan ta hänsyn till att nitrit kan ackumuleras i reningsverket under instabila driftförhållanden och som har en högre detaljeringsgrad för att kunna modellera tranformationen av olika kvävefraktioner, är nödvändiga för processer som nitritation och denitritation och för att kunna bestämma produktionen av lustgas. Sådana modeller finns framtagna och det finns referenser där de har integrerats i BSM. Dessutom är det angeläget att utveckla modeller för reduktion och oxidation av svavelföreningar, som har stor betydelse vid anaeroba processer.
Använda modeller för förtjockning och avvattning är stationära massbalansmodeller och en utveckling av modellerna är angelägen eftersom processerna i allra högsta är grad dynamiska och de påverkar övriga processer i avloppsreningsverket på ett påtagligt sätt. Implementerad sedimenteringsmodell har brister genom att den inte beaktar flockegenskaperna på ett tillräckligt sätt. Den beaktar inte heller biologiska aktiviteter som hydrolys och denitrifikation i sedimenteringsbassängerna. Dessutom finns det tidsvariabla parametrar som påverkar sedimenteringsegenskaperna. Nyare modeller för sedimentering som beaktar ovanstående problematik har utvecklats och det finns referenser där de har integrerats i BSM.
Intresset för organiska föreningar (micro-pollutants, MP) ökar ständigt och nya krav föranleder ett stort behov att uppskatta belastningar och vart ämnena tar vägen i reningsverket. Modellering kan användas för att bestämma fördelningen av MP mellan partikelfas, vattenfas och gasfas och vilka processförhållanden som kan påverka denna fördelning.
Fysiokemiska processer påverkar indirekt den biologiska nedbrytningen i processerna och detta beaktas inte i ASM-modellerna. pH är exempel på en parameter som finns med i några modeller men inte i alla. Kemisk fällning är en annan viktig process som behandlas på liknande sätt.
Styr- och regleraspekter
Användning av kontinuerliga givare för styrning och reglering ger stora mängder data inte bara i avloppsreningsverket utan även i ledningsnät och recipient. Dessa datamängder kan även användas för att öka signalkvaliteten genom utvecklad felidentifiering och diagnostisering, genom en bättre estimering av icke mätbara parametrar och genom införande av en systemövergripande styrning. BSM-plattformen kan här värdera och jämföra kvaliteten på mätdata, på olika typer av estimeringsmetoder och på metodik utvecklad för en kombinerad styrning av ledningsnät och reningsverk.
Utvärderingsaspekter
Vid benchmarking måste utvärderingskriterierna kunna förenkla en komplex jämförelse till några få meningsfulla indexvärden som kan fånga styrkor och svagheter för det som skall jämföras. Nuvarande BSM-plattform baseras på tre utvärderingskriterier, utgående kvalitet, driftkostnader och risk. Det föreligger behov av att förbättra underlaget för beräkningen av dessa index. Mera detaljerade modeller för att beräkna energiförbrukning och energiproduktion är angelägna särskilt då nya processer integreras i BSM. Riskindex avser främst slamegenskaper och slamavskiljning och det beräknas med hjälp av fuzzy logics och även om beräkningstekniken är lovande erfordras valideringar mot fullskaleanläggningar.
Det föreslås även några andra index som är angelägna för utvärderingen. Kapitalkostnader och underhållskostnader har hittills försummats och hänsyn till dessa skulle behövas i form av ett kapital- och underhållskostnadsindex eftersom investeringskostnader har en stor betydelse i beslutsprocessen. Intresse finns även för modellosäkerhetskriterier eftersom en biologisk reningsprocess naturligt uppvisar stora variationer med osäkra parametrar som inkommande COD-fraktioner, temperatureffekter och påverkan av toxiska ämnen. Ett robusthetsindex har föreslagits för att kunna belysa en sådan osäkerhet. Slutligen är modellering av klimatavtryck och utsläpp av växthusgaser alltmer angeläget och ett klimatavtrycksindex bör även vara med vid en utvärdering.
Slutord
Artikeln är en systematisk genomgång av benchmark simuleringsmodeller och deras användning och utveckling, där det föreslås en rad olika utvidgningar och förbättringar av modellerna med förhoppningen att kunna stimulera andra forskargrupper till att fortsätta utvecklingen av BSM så att systemet kan fortsätta att vara ett uppdaterat verktyg för forskning, utveckling och praktiska applikationer inom området avloppsvattenrening.
Källa: U. Jeppsson, J. Alex, D.J. Batstone, L. Bendetti, J. Comas, J.B. Copp, L. Corominas, X. Flores-Alsina, K.V. Gernaey, I. Nopens, M.-N. Pons, I. Rodgrigez-Roda, C. Rosen, J.-P. Steyer, P.A. Vanrolleghem, E.J.P. Volke, D. Vrecko. Benchmark simulation models, quo vadis? Water Science & Technology 68.1 (2013) pp 1 – 15.
Hela artikeln från Water Science & Technology finns att köpa här.
