Krühne, Ulrich

Biologisk fosfatfjernelse fra spildevand er blevet udviklet betydeligt gennem de sidste årtier og rensningsanlægi hele verden benytter denne proces. Idet drift og regulering af processen i høj grad afhænger af de daglige og sæsonbetonede udsving i spildevandets sammensætning, er tilfredstillende resultater ikke garanteret. Selvom videnskabelig indsigt og praktisk erfaring har medført en øget forståelse af de primære processer, er kemisk udfældning af fosfat stadig nødvendig inden den biologiske fjernelse påbegyndes. Hovedområderne i denne afhandling omfatter forståelsen af fænomenerne, der er skyld i den til tider begrænsede effektivitet af biologisk fosfatfjernelse med henblik på udvikling af drifts- og reguleringsstrategier, som kan øge effektiviteten. Den eksperimentielle undersøgelse af biologisk fosfatfjernelse er udført på et alternerende pilotanlæg, der behandler kommunalt spildevand. Pilotanlægget er udstyret med et automatisk målesystem baseret på strømnings-injektions-analyse (flow injection analysis FIA) princippet. Kontinuerlige sammensætningsanalyser af ammonium (NH4-N), nitrat (som NOx-N) og fosfat (PO4-P) har dermed været muligt på alle vigtige steder af anlægget. På basis af eksisterende litteratur og analyse af tidligere data fra pilotanlægget, er driftsbetingelserne hvor den biologiske fosfatfjernelse mislykkes, blevet bestemt. Formålet var at kunne reproducere disse data ved nye eksperimenter, der kunne anvendes til videre undersøgelser. Anlæggets opførsel er blevet undersøgt inden perioder, hvor spildevandet er blevet fortyndet som følge af forøget hydraulisk belastning med efterfølgende reetablering af nominelle koncentrationer og hydraulisk belastning. En sådan procesforstyrrelse resulterer i en forhøjet fosfatkoncentration i udløbet umiddelbart efter reetablering af normale driftsforhold. I den første del af projektet blev der fokuseret på at undersøge en udvidet version af aktiveret slam model nr. 2 (activated sludge model No. 2 ASM2) med inkludering af denitrifikation af fosfatakkumulerende organismer. Det blev undersøgt hvorvidt det er muligt at kalibrere modellen således at den svarer til pilotanlægget. Det var muligt ved hjælp af en simpel evolutionær metode at bestemme et parametersæt, der gav det ønskede resultat. Parametersættet blev ikke ændret under undersøgelsesforløbet. Den udviklede dynamiske model blev benyttet til udvikling af drifts- og reguleringsstrategier. På baggrund af simuleringer af modellen er tilføjelse af eksterne kulstofforbindelser (external carbon source addition ECSA) blevet udviklet for hjælpe fosfatfjernelsen. Ved tilføjelse af ekstra kulstofforbindelser kunne interne, akkumulerede kulstofreserver blive bevaret på et højt niveau, indikeret af poly-hydroxy-alcanoate (PHA) målinger og undgåelse af fosfatakkumulering i udløbet fra anlægget. Eksperimentielle undersøgelser viser at ECSA, sammen med reduktion af beluftningen i perioder med lav koncentration af organisk materiale, kan forbedre og stabilisere den biologiske fosfatfjernelse. En identifikation af det minimal PHA niveau, der stadig muliggør succesfuld biologisk optagelse af fosfat har ikke været muligt. Svigtende fosfatoptagelse kunne observeres undersøgt med hjælp af modellen. Simuleringer antyder at lave PHA koncentrationer ikke er den eneste faktor, som påvirker reetableringen af biologisk fosfatfjernelse efter forstyrrede perioder. Antallet af fosfatakkumulerende organismer i systemet kan også have stor betydning. I den sidste del af afhandlingen benyttes forståelsen af drifts undersøgelser til at udvikle en modelunderstøttet reguleringsstrategi (model predictive control MPC) til biologisk fosfatfjernelse under påvirkning af lave indløbskoncentrationer. Strategien er baseret på tilføjelse af kulstofforbindelser for at holde mængden af interne kulstof forbindelser på et højt niveau. En simpel modelbaseret komponent estimerer de ikke målte, opløste organiske forbindelser og interne PHA koncentrationer. Denne komponent forbedrer den robuste virkning af kulstoftilføjelse væsentligt. Effekten af den modelbaserede strategi sammenlignes med en simpel feed-forward reguleringsstrategi, der også er baseret på estimering af ikke målte organiske indløbskoncentrationer. Det viser sig, at såvel simpel feed-forward og mere avancerede reguleringsstrategier kan forbedre biologisk fosfatfjernelse uden større effekt på de andre biologiske processer. Mængden af tilføjede kulstofforbindelser kan reduceres betydeligt uden at øge udløbskoncentrationen af fosfat på bekostning af øget kompleksitet af reguleringsstrategien.The biological phosphorus removal (BPR) from wastewater has developed considerably during the last decades and is applied in many present wastewater treatment plants (WWTP) all over the world. The process performance and the control of the BPR are under the influences of daily and seasonal variations of the influent wastewater concentrations and are not yet always guaranteed. Even though the scientific knowledge and practical experience has reached a high level of understanding of the involved key-processes it is still necessary to apply chemical precipitation of phosphorus during the time periods, where the complete BPR can not be achieved. The understanding of the main phenomena involved into such failure of BPR and the development of operational or control strategies to overcome these deficiencies are the main areas of investigation of this thesis. Investigations of the failure of BPR have been performed on an alternating pilot plant, receiving municipal wastewater. The pilot plant is equipped with an automatic measurement system based on the flow injection analysis (FIA) principle. Continuos analysis of the ammonium (NH4-N), nitrate (as NOx-N) and phosphorus (PO4-P) was performed in all important places of the plant. Based on literature studies and investigations of the available pilot plant measurement data experimental designs were developed to produce operational conditions where the BPR failed. The process was investigated during periods of low influent concentrations and increased hydraulic load, with subsequent re-establishment of normal conditions. A process disturbance of this type results in an increase in the phosphate concentration level in the effluent, shortly after the wastewater returns to normal strength. During the first part of the thesis it was examined if an extended version of the activated sludge model No. 2 (ASM2) including denitrification by phosphate accumulating organisms (PAO) can be calibrated and validated on the existing system. A set of parameter was determined through a simple evolutionary parameter estimation strategy. This parameter set was used during the whole investigation. The prediction of the dynamic model was used for development of new operational and control strategies. Based on the model simulations an external carbon source addition (ECSA) was designed in order to overcome the BPR process failure. With the help of such addition, the internal carbon storage compounds could be maintained at a high level, indicated by poly-hydroxyalcanoate (PHA) measurements and the accumulation of phosphorus in the effluent could be avoided. Experimental investigations imply that the ECSA together with a reduction of aeration time during periods of low organic influent concentration could improve and stabilise the BPR. The identification of a minimum PHA level, necessary to ensure complete BPR, was however not possible. The failure of BPR was sometimes observed even when comparatively high internal PHA concentrations were present. The experiments where therefore further investigated with help of the model. The study indicates that a PHA limitation is not the only factor affecting the recovery of the BPR process during such periods. The actual amount of PAO present in the system during and after such disturbance can play a role in the deterioration of BPR. In the last part of the thesis the obtained understanding through the operational investigations was used for the design of a model predictive control (MPC) strategy for the BPR system under low influent concentrations. The MPC strategy is based on the addition of an ECSA keeping the internally stored carbon products at a high level. A simple modelbased observer estimating the unmeasured influent soluble organic or internal PHA concentrations is used. This observer improves the robustness operation of the addition significantly. The MPC control performance is compared to a simple feed-forward control design, which also is based on the estimated organic influent concentrations. It is shown that the simple feed-forward as well as the more advanced MPC strategies can improve the BPR without major interference with the other biological processes. With increasing complexity of the strategy the amount of external added carbon could be significantly reduced while the effluent PO4-P concentration could be kept below the required concentration of 1mgP/L

Online Research Database In Technology

Stabilisation of Biological Phosphorus Removal from Municipal Wastewater

http://orbit.dtu.dk/ws/files/6259290/Ulrich_Kr%C3%BChne_PhD_Thesis.pdf

Stabilisation of Biological Phosphorus Removal from Municipal Wastewater

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Online Research Database In Technology