Αριθμητικό μοντέλο πρόβλεψης πεδίων θερμοκρασίας και χημικά απαιτούμενου οξυγόνου (COD) σε αναερόβια δεξαμενή λυμάτων. Εφαρμογή στη βελτιστοποίηση σχεδιασμού

Abstract

The objectives of this thesis was to develop a three dimensional (3-D) algorithm that predicts temperature and Chemical Oxygen Demand (COD) of an anaerobic pond, to calibrate and validate the mathematical model based on experimental data series collected by the candidate from a full-scale experimental anaerobic pond and finally, the utilization of the COD simulation model, as a predictive tool of the performance of modified design scenarios aiming to improve the anaerobic ponds COD removal. The computational hydrodynamic, biochemical and thermal energy model was developed on a specialized software environment of computational fluid dynamics (FLUENT), based on the numerical method of solving fluid mechanics equations according to the finite volume technique. The experimental anaerobic pond, from which data that was required for the computational model verification was collected, was a covered anaerobic pond part of a pilot-experimental station of municipal wastewater treatment with Natural Systems, designed by the National Agricultural Research Foundation (NAGREF), at Sindos in Thessaloniki, and operates since 1996. The experimental pond, which was covered with a floating cover made by geomembrane, operated on a batch flow mode supplied with pre-screened, untreated wastewater from the nearby municipal Wastewater Treatment Plant of Thessaloniki, Greece, at a flow rate of 150 m3/day. The time-dependent solution concerned a 13th month period, similar to the period of experimental data collection. Boundary conditions of the model were incorporated by external sub-programs written in C++. The pre-processor GAMBIT was employed to develop the geometric model and mesh of the pond model. Numerical simulation was validated with temperature measurements and COD sample analyses, taken from the full scale experimental plant. The experimental job required for the verification of the simulating model was to accomplish temperature measurements and COD laboratory analyses from samples taken from the pond. In the initial stage, the temperature predictive model of the covered anaerobic pond was developed and validated, since it was the necessary base, for the COD model development. Boundary conditions included: · Ηourly mean ambient air temperature, · Mean monthly soil temperature profile, · Mean daily influent wastewater temperature and · Mean daily influent wastewater velocity The mean relative error of the simulated temperature data series, in comparison to the respective measured values (out of 164 temperature values), was 9.34% that is a strongly satisfactory result. In order to support the model validity and reliability of predicting the temperature field of an anaerobic pond, the temperature model was applied on a second similar experimental anaerobic pond, part of a wastewater treatment plant with Natural Systems at Meze of France, from which operational and performance results have been presented in the bibliography. The mean relative error was low as 7%. It is thus confirmed, that the temperature simulation model of the experimental anaerobic pond, corresponds and describes well the natural process.

Οι αντικειμενικοί στόχοι αυτής της διατριβής ήταν η ανάπτυξη ενός τρισδιάστατου (3D) αλγόριθμου πρόβλεψης της θερμοκρασίας και του Χημικά Απαιτούμενου Οξυγόνου (COD) μιας αναερόβιας δεξαμενής σταθεροποίησης λυμάτων, η ρύθμιση και επαλήθευση του ομοιώματος αυτού με αξιοποίηση σειράς πειραματικών μετρήσεων που πραγματοποίησε ο υποψήφιος σε παρόμοια, πλήρους κλίμακας δεξαμενή και η χρησιμοποίηση του μοντέλου προσομοίωσης COD, ως εργαλείου πρόβλεψης της απόδοσης εναλλακτικών σεναρίων σχεδίασης αναερόβιας δεξαμενής με τελικό στόχο τη βελτίωση της απομάκρυνσης COD. Το μικτό υδροδυναμικό-βιοχημικό-ενεργειακό υπολογιστικό μοντέλο αναπτύχθηκε με βάση το εξειδικευμένο πρόγραμμα υπολογιστικής ρευστομηχανικής, FLUENT και την αριθμητική μέθοδο επίλυσης των εξισώσεων ρευστομηχανικής με πεπερασμένους όγκους. Η πειραματική δεξαμενή στην οποία πραγματοποιήθηκαν οι μετρήσεις που απαιτήθηκαν για την επαλήθευση του υπολογιστικού μοντέλου, ήταν μια καλυμμένη αναερόβια δεξαμενή η οποία αποτελεί μέρος της πιλοτικής - πειραματικής εγκατάστασης επεξεργασίας υγρών αποβλήτων με Φυσικά Συστήματα στην περιοχή της Σίνδου - Θεσσαλονίκης η οποία κατασκευάστηκε από το ΕΘΙΑΓΕ (Εθνικό Ίδρυμα Αγροτικής Έρευνας) και τέθηκε σε λειτουργία το 1996. Η πειραματική δεξαμενή με επιπλέον κάλυμμα (floating cover) από γεωμεμβράνη, λειτουργούσε ως στιγμιαίας πλήρωσης και δεχόταν 150m3/d υγρά αστικά λύματα από τη Μονάδα Βιολογικού Καθαρισμού Θεσσαλονίκης τα οποία είχαν υποστεί προεπεξεργασία εσχάρωσης. Το φαινόμενο εξετάστηκε ως μη-μόνιμο και η αριθμητική προσομοίωση κάλυπτε διάρκεια 13 μηνών, σύμφωνα με την περίοδο συλλογής δεδομένων. Οι οριακές συνθήκες ενσωματώθηκαν στο μοντέλο μέσω εξωτερικών υποπρογραμμάτων σε γλώσσα C++. Το γεωμετρικό μοντέλο και το πλέγμα της δεξαμενής αναπτύχθηκε στο υποπρόγραμμα GAMBIT. Η πειραματική έρευνα για την επαλήθευση του αριθμητικού μοντέλου, αποτελούνταν από σειρά μετρήσεων θερμοκρασίας και εργαστηριακών αναλύσεων COD στην πειραματική δεξαμενή. Πρώτος στόχος ήταν η ανάπτυξη και επαλήθευση του μοντέλου πρόβλεψης του θερμοκρασιακού πεδίου της καλυμμένης αναερόβιας δεξαμενής, το οποίο ήταν απαραίτητο υπόβαθρο για την ανάπτυξη του COD μοντέλου. Οριακές συνθήκες στο μοντέλο αυτό κάλυπταν τα εξής μεγέθη: · Μέση ωριαία θερμοκρασία ατμοσφαιρικού περιβάλλοντος (αέρα) · Μέσο μηνιαίο θερμοκρασιακό προφίλ του περιβάλλοντος εδάφους · Μέση ημερήσια θερμοκρασία των εισερχόμενων αποβλήτων · Μέση ημερήσια ταχύτητα εισόδου των εισερχόμενων αποβλήτων Το ποσοστό σφάλματος των τιμών θερμοκρασίας που υπολογίστηκαν με το μοντέλο σε σύγκριση με τις πειραματικές μετρήσεις (164 μετρήσεις θερμοκρασίας) ήταν 9,34%, τιμή που είναι ιδιαίτερα χαμηλή. Για να ενισχυθεί η εγκυρότητα και η αξιοπιστία του μοντέλου στο να προβλέπει το θερμοκρασιακό πεδίο μιας αναερόβιας δεξαμενής, το μοντέλο εφαρμόστηκε και σε μία δεύτερη παρόμοια πειραματική αναερόβια δεξαμενή που αποτελεί μέρος των εγκαταστάσεων Φυσικών Συστημάτων επεξεργασίας στο Meze Γαλλίας, αποτελέσματα της οποίας έχουν παρουσιαστεί στη βιβλιογραφία. Το μέσο ποσοστό σφάλματος ήταν 7% που ήταν επίσης ιδιαίτερα χαμηλό. Έτσι τελικά συμπεραίνεται, ότι το θερμοκρασιακό μοντέλο προσομοίωσης της πειραματικής αναερόβιας δεξαμενής ανταποκρίνεται και περιγράφει καλά το αντίστοιχο φυσικό φαινόμενο.