En nolldimensionell biofilmsmodell för dynamisk simulering av en biofilmsprocess med rörligt bärarmaterial (MBBR) utvecklades baserad på aktivtslammodell ASM1. Modellen var enkel att kalibrera utan komplexa bestämningar av biofilmstrukturen.
Av: Bengt Andersson
Processer med biofilm på fasta bärarmaterial har kommit till allt större användning i olika applikationer. Simuleringsmodeller för biofilmsprocesser har utvecklats med olika komplexitet från enklare endimensionella till mera komplexa två- och tredimensionella modeller. Trenden har varit att gå från de mera komplexa modellerna till de enklare. Även de enklare modellerna är emellertid svåra att använda med komplicerade kalibreringsprotokoll.
Då avloppsreningsverket i Hesperange i Luxemburg moderniserades och uppgraderades med en biofilmsprocess med rörligt bärarmaterial (MBBR) letade man efter en enklare modell som stöd för processmodellering, som kunde användas i det dagliga ingenjörsarbetet. Det observerades att biofilmen på bärarmaterialet hade en komplex tredimensionell struktur, som inte låg i linje med en enkel 1D modell utan passade mer in i en aktivtslammatris. Tankar väcktes därför att modellera MBBR med aktivtslammodell ASM1 och det resulterade i 0DBFM, en nolldimensionell biofilmsmodell, som dynamiskt kan förutsäga utgående avloppsvattenkvalitet som funktion av variationerna i inkommande avloppsvatten.
I refererad artikel ges en kortfattad beskrivning av modellen och av resultatet av inledande studier för simulering med data från en pilotskaleanläggning med MBBR.
Presentation av 0DBFM
0DBFM baseras på ASM1 och på Monodkinetik. Monodmodellen ger ett funktionellt samband mellan specifik tillväxt och substratkoncentration i vätskan. ASM1 har använts flitigt under lång tid och omfattande kunskaper och erfarenheter finns från olika tillämpningar. 0DFMB baseras således på existerande och väletablerad kunskap om biologisk avloppsvattenrening och biokemi. Modellen körs tillsammans med aktivtslammodell ASM1 i en GPS-X simulator, där kinetiska parametrar tas fram av ASM1 och överförs till 0DBFM.
Massbalanserna i 0DBFM är analoga med massbalanserna i ASM1 med den enda skillnaden att biofilmen stannar kvar i reaktorn. Modellen har presenterats i Petersens matris format och den innehåller 29 processer, 21 tillståndsvariabler och 28 parametrar. De biokemiska konverteringarna är de samma som i ASM1, de tillämpas på biomassan på bärarna och på den suspenderade biomassan och de är en funktion av substratkoncentrationen i vätskemassan. Hänsyn till massflödesbegränsningar genom diffusion tas genom de anpassade halvmättnadsförhållandena i Monod-termerna i modellen.
0DBFM inkluderar påväxten på biofilmen av suspenderade ämnen från vätskemassan och lösgöringen av biofilmen till vätskemassan, vilket är nödvändigt för massbalansen och för att kunna särskilja hydraulisk uppehållstid och biofilmsålder. Påväxthastigheten har antagits vara proportionell mot kvadraten på slamhalten i reaktorn medan lösgöringshastigheten antogs vara proportionell mot kvadraten på mängden biofilm på bärarmaterialet.
Modellen skiljer mellan hydraulisk uppehållstid (HRT) och uppehållstid av biomassan på bärarna (biofilmsåldern, BA). BA beräknas som mängden slam på biofilmen i förhållande till lösgöringshastigheten och parametern kan endast uppskattas eftersom den inte går att mäta.
I ASM1 implementeras Monodmodellen för att beskriva de makrokinetiska funktionerna i aktivtslamprocessen och en explicit beskrivning av koncentrationsgradienterna i aktivtslamflockar behövs inte. 0DBFM utnyttjar inte biofilmsstukturen och inga parametrar, som relaterar till strukturen på biofilmen, t.ex. biofilmstjocklek, behöver därför bestämmas.
Kinetikparametrar erhålls från respirometri och kan ligga till grund för modellkalibrering. I annat fall kan modellen startas med default-värden från ASM1. Ytterligare kalibrering kan göras genom iterativa steg, där påväxt- och lösgöringskonstanterna justeras i ett första steg för att matcha mängden biofilmpartiklar i tanken. I ett andra steg kan lösgöringshastigheten justeras ytterligare för att skapa erforderlig biofilmsålder och nitrifikationshastighet med beaktande av ammonium- och nitratkoncentrationerna. I Steg 2 ändras mängden biofilm och påväxthastigheten kan behöva justeras igen. Både steg 1 och steg 2 är således iterativa procedurer.
Utvärdering och diskussion
Modellen utvärderades genom försök i en pilotanläggning med två reaktorer i serie och en sedimentering. Reaktorerna fylldes med Kaldnes K1 bärare med en fyllnadsgrad av 50 resp. 65 %. Under den första perioden var båda reaktorerna aeroba och under den andra perioden var den första reaktorn oluftad för denitrifikation med en slamrecirkulation.
Försök under nio dygn med fördenitrifikation visade en mycket god överensstämmelse mellan simulerade och uppmätta värden av ammonium och nitrat. Det 0-dimensionella konceptet i ASM1 stämde väl för 0DBFM, vilket konfirmerades genom respirometri i laboratoriet. Erhållna respirografer kännetecknade typiska endogena och exogena respirationsfaser och respirogrammen kunde simuleras med ASM1. De kinetiska parametrarna överfördes till biofilmsmodellen och det faktum att respirogrammen hade samma form som respirogram från aktivt slam bekräftade modellansatsen att använda en aktivtslammodell.
Även om modellen är ganska komplex och explicit respekterades den gyllene regeln att modeller skall vara så enkla som möjligt och så komplexa som behövs.
Slutsatser
Utveckling av en nolldimensionell biofilmsmodell från aktivtslam modell ASM1 visade att
- överensstämmelsen mellan simulerade och uppmätta värden i pilotskala var mycket god
- modellen var enkel att kalibrera med hjälp av respirometri utan erforderlig bestämning av parametrar för biofilmsstrukturen
- modellen är så enkel som möjligt och så komplex som behövs
Källa: M. Plattes. Presentation and evaluation of the zero-dimensional biofilm model 0DBFM. Water Science & Technology 79.1 (2019), pp 35 – 40.
Hela artikeln från Water Science & Technology finns att köpa här.
