Jätevesilaitosten mallinnus

Abstract

TäTässä työssä tarkastellaan jäteveden biologiseen puhdistukseen käytettävän aktiiviliete-prosessin kuvaamista matemaattisen mallintamisen avulla. Jäteveden puhdistus on jo vanha keksintö ja aktiivilieteprosessikin on otettu ensimmäisen kerran pilot- käyttöön vuonna 1914. Myös jätevesilaitosten matemaattinen mallintaminen on ollut pitkään tunnettu tekniikka ja ensimmäiset dynaamiset mallit kehitettiin 1950–luvulla.

Työn alkuosassa on tarkasteltu jätevesilaitosten matemaattista mallintamista kirjallisuus-lähteiden pohjalta. Tarkastelun painopiste on suunnattu erilaisiin matemaattisiin malleihin ja mallintamisen kehitykseen. Mallintamisen ohessa on kiinnitetty huomiota aktiiviliete-prosessiin ja siihen vaikuttaviin tekijöihin. Mallintamiseen vaikuttavista tekijöistä erityistä huomiota on kiinnitetty ilmastukseen, bakteerien kasvuun ja selkeytykseen sekä niiden vaikutuksiin prosessin kannalta.

Matemaattisen mallintamisen tarkastelun jälkeen työssä on pohdittu CFD–mallintamisen hyödyntämismahdollisuuksia aktiivilieteprosessien kuvaamisessa. Mallintamisosiossa on tarkasteltu Activated Sludge Model No. 3 (ASM 3) mallin rakennetta ja sisältöä sekä sen eri tekijöiden vaikutuksia malliin. Työn tässä osassa on tarkasteltu myös hapensiirtoa ilmastuksessa ilmakuplista veteen ja selkeytystä osana aktiivilieteprosessia. Tässä osiossa on käyty läpi myös kaikki prosessin kannalta oleelliset yhtälöt, esimerkiksi reaktionopeus- ja massataseyhtälöt.

The research question of this master's thesis is to examine the activated sludge process, which is used in wastewater treatment, through mathematical modelling. Wastewater treatment is an old invention and the activated sludge process has also been taken into practice as a pilot-use in 1914. Furthermore, the mathematical modelling of wastewater plants is also a long well-known technical science. The very first dynamic mathematical models were developed in 1950's.

At the beginning of this essay there is an overview of mathematical modelling of waste-water plants based on literature. The overview is focused on different existing mathematical models and their history. Besides modelling there is also some focus on the activated sludge process and the factors, which are important effectors in the process. In this essay the following effectors are specially considered: aeration, growth of microbies and clarification.

After examining the mathematical modelling the possibilities of using the CFD-modelling in describing the activated sludge process has been studied. Here the structure and contents of the Activated Sludge Model Number 3 (ASM 3) are examined as well as how different parts of the model affect the function of the model. In this part of this essay the air transmission from air bubbles to water and clarification has also been studied as a part of the activated sludge process. In addition, all the necessary equations for the process has been considered, for example, reaction rate and mass balance equations.

At the end of this essay there is a description of the spreadsheet model, which has been developed on the base of the ASM 3 –model. The spreadsheet model represents the function of Fortum Ltd's wastewater plant in Porvoo. The principles and the effectors of the Excel-model has been examined through different aspects. There is also a study of how the different effectors affect the results of the model. When examining the function of the model the two following things among others has been described: the input of the starting values and the results the model can produce. Finally, there is a short discussion on how the model should be developed in the future to help more the modelling of different plants.