Modelli matematici per impianti di trattamento delle acque reflue

Lorenzo Benedetti

BIOMATH, Università di Gent, Belgio

Methis Environmental b.v.b.a., Gent, Belgio

Contenuti della presentazione

• Cosa è un modello

• Modelli per impianti di trattamento

• Usi dei modelli dinamici

Cosa è un modello – modello concettuale

• La base di tutti i modelli di simulazione è un modello concettuale, che descrive adeguatamente il sistema e i processi fisici, chimici e microbiologici più rilevanti per l’applicazione del modello.

• Diversi strumenti per diversi obiettivi (“blackbox” vs. modelli deterministici).

• Complessità vs. uso.

Cosa è un modello – modello matematico

I modelli matematici trasferiscono i modelli concettuali in una formulazione matematica, che include le equazioni di bilancio per la continuità, il momento e l’energia, e le equazioni di stato dipendenti dal sistema (variabili di stato – insieme di variabili indipendenti che determina univocamente lo stato del sistema).

Cosa è un modello – modello numerico

• Implementazione di un modello matematico in un algoritmo numerico.

• Un algoritmo numerico deve garantire la soluzione per diverse condizioni iniziali e al contorno e per diverse geometrie.

• Condizioni iniziali: inizializzazione delle variabili all’inizio della simulazione.

• Sono disponibili diversi algoritmi per l’integrazione (e.g. Eulero, Runge-Kutta).

• Strumenti che facilitano l’uso dei modelli (interfaccia grafica).

• Implementazione dei modelli.

• Configurazione del sistema.

• Preparazione degli esperimenti (virtuali).

• Visualizzazione dei risultati.

Cosa è un modello – software di simulazione

Cosa è un modello – software di simulazione

• Ricerca

• Migliore conoscienza di (parti di) processi complessi

• Progettazione

• Confronto di diverse variabili (e.g. volumi, ricircoli, etc.)

• Analisi di impianti esistenti

• Estensione degli impiani

• Ottimizzazione della gestione

• Controllo

• Test di diverse strategie di controllo

• Diagnosi

• Identificazione di malfunzionamenti

Cosa è un modello – perché modellare?

Un assioma basilare nella modellistica è:

non estrapolare troppo la validità del tuo modello !

Cosa è un modello – sommario

• Completely stirred tank reactor – CSTR

• CSTR in serie

• CSTR con volume variable

• reattore plug-flow

Modelli per WWTP – reattori ideali

• Esperimenti con tracciante

• per misurare lo HRT del sistema

• Proprietà della sostanza tracciante

• le stesse proprietà di trasporto dell’acqua (stessa diffusione molecolare, no sedimentazione)

• no influenza su miscelazione e flusso (temperatura, densità)

• no reazioni e no adsorbimento

• economico, alta solubilità in acqua e facile da analizzare

• concentrazione di base bassa e/o costante

Modelli per WWTP – processi di trasporto

Modelli per WWTP – processi di trasporto

Li concentration in effluent of AS01

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0 20 40 60 80

Time (h)

Li (mg/l)

MeasuredSimulated

Best fit: N=2, V1=V2

Modelli per WWTP – processi di trasporto

Best fit: N=2, V1=V2

Li concentration in effluent of AS02

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0 20 40 60 80

Time (h)

Li (mg/l)

SimulatedMeasured

• Activated Sludge Models (ASM) dallaInternational Water Association (IWA)

• Degradazione della materia organica

• Consumo di ossigeno e produzione di fanghi

• Rimozione dei nutrienti

• Azoto (nitrificazione/denitrificazione)

• Fosforo (bio-P, precipitazione)

• Possono essere estesi

• pH, tossicità, sostanze specifiche

• Variabili di stato divise in:

• S: composti solubili (NH4, NO3, PO4, DO, rbCOD, etc.)

• X: composti particolati (sbCOD, inerti, eterotrofi, autotrofi, etc.)

Modelli per WWTP – modello bio-cinetico

• Sedimentatori secondari

• Separazione fanghi attivi / effluente

• Sedimentazione e ispessimento dei fanghi attivi

• Stoccaggio dei fanghi in caso di eventi di pioggia in sistemi combinati

• Tipi di modelli

• Modelli concettuali: descrivono i movimenti e lo stoccaggio dei fanghi

• Modelli 1D: descrizioni semplificate dei processi di sedimentazione e ispessimento

• Modelli 2D e 3D: considerazione del flusso, sedimentazione, turbolenze, etc.

• Solo le variabili di stato X (particolati) sono soggetti a sedimentazione

Modelli per WWTP – sedimentazione

Modelli per WWTP – sedimentazione

• Calibrazione in stato stazionario

• Dati di progettazione e operativi (volumi, portate, capacità delle pompe,…)

• Dati raccolti di routine (solidi, DO, temperatura,…; in/out COD, BOD, NH4, PO4,…)

• Calibrazione dinamica

• misure in/out e intermedie di parametri interessanti con e.g. 2 volte 1 settimana di campionamenti compositi di 2 ore

Modelli per WWTP – dati e calibrazione

Uso dei modelli dinamici

sistema ottimizzato

sistema studiato

esperimenti

realtà virtuale

realtà

modello del sistema

mo

del

lazi

on

e

soluzione del problema

simulazioni

imp

lem

enta

zio

ne

Grazie per l’attenzione !

lorenzo.benedetti@biomath.ugent.be

lorenzo.benedetti@methis-env.com