Abstract

W rozprawie przedstawiono opracowanie i zastosowanie mechanistycznego modelu matematycznego w systemie osadu czynnego z biologicznym usuwaniem biogenów, do opisu którego zastosowano rozszerzony model dwustopniowej nitryfikacji. Głównym celem badań było zidentyfikowanie ograniczeń w modelowaniu pełnoskalowych technologii oczyszczania ścieków, ze szczególnym uwzględnieniem procesów częściowej nitryfikacji (nitrytacji) oraz pełnego utleniania amoniaku (ang. complete ammonia oxidation – comammox). Jednym z głównych wyzwań w tym obszarze jest określenie parametrów kinetycznych oraz kalibracja modeli. W badaniu wykorzystano mechanizmy kinetycznej konkurencyjności pomiędzy bakteriami utleniającymi amoniak (ang. ammonia oxidizing bacteria – AOB) i bakteriami utleniającymi azotyny (ang. nitrite oxidizing bacteria – NOB), przy czym proces usuwania azotu był kontrolowany poprzez stężenie tlenu rozpuszczonego (ang. dissolved oxygen – DO) i wiek osadu czynnego (ang. solids retention time – SRT).

Dokonano oceny koncepcyjnego dwustopniowego modelu nitryfikacji, uwzględniającego aktywność mikroorganizmów comammox podczas rozruchu i eksploatacji sekwencyjnego reaktora porcjowego (ang. sequencing batch reactor – SBR). Reaktor pracował w podwyższonej temperaturze, w ograniczonych warunkach tlenowych i był zasilany był ściekami zawierającymi wysokie stężenia amoniaku. Przeprowadzono pięciotygodniowe badania wypłukiwania osadu równolegle w dwóch laboratoryjnych reaktorach SBR (V=10L), w warunkach ograniczonego (0,5 mgO2/l) i nieograniczonego (2,0 mgO2/l) stężenia DO, w temperaturze 30 ̊C. Biomasę wyjściową stanowił osad czynny pobrany z komunalnej oczyszczalni ścieków, a reaktory zasilano rozcieńczonymi odciekami z beztlenowej stabilizacji osadów ściekowych. SBR w warunkach niskiego DO pracował przy SRT wynoszącym 4 doby, a stężenie amoniaku (NH4-N) w dopływie wynosiło 410–550 mgN/l. Natomiast SBR w warunkach wysokiego DO rozpoczął pracę przy SRT wynoszącym 2,5 doby, a po 5-dobowej fazie rozruchu, SRT zredukowano do 2 dób, przy stałym stężeniu NH4-N w dopływie wynoszącym 282 mgN/l. 

Zaproponowano dwie koncepcje modeli opartych o biokinetyczny model ASM1 (ang. Activated Sludge Model No. 1), uwzględniające konkurencję kinetyczną pomiędzy AOB, NOB i comammox Nitrospira. Przeprowadzono lokalną analizę wrażliwości (ang. local sensitivity analysis – LSA) w celu zidentyfikowania najważniejszych parametrów kinetycznych nowo opracowanego modelu, co pomogło określić ich wpływ na wyniki symulacji. Do identyfikacji par najbardziej wrażliwych parametrów wykorzystano macierz współczynników korelacji. W szczególności zbadano kluczowe parametry kinetyczne, takie jak stała szybkości wzrostu AOB (μAOB), stała szybkości wzrostu mikroorganizmów comammox (μCMX) oraz stała nasycenia tlenem dla NOB (KO,NOB), pod kątem ich wpływu na zdolności predykcyjne modelu.

Wydajność modelu oceniono przy użyciu wskaźników statystycznych, w tym średniej kwadratowej błędu (ang. root square mean error – RSME), średniego błędu bezwzględnego (ang. mean absolute error – MAE) oraz wskaźnika efektywności Nasha-Sutcliffe'a (ang. Nash-Sutcliffe efficiency – NSE). Rozszerzony model dwustopniowej nitryfikacji, uwzględniający aktywność comammox, dokładnie opisywał zachodzące przemiany azotu (R2>0,80) w długoterminowych eksperymentach w SBR w warunkach nieograniczonego DO. Walidacja modelu za pomocą testów porcjowych wykazała bardzo dobrą wydajność modelu, szczególnie przy wyższych stężeniach DO, z niskimi wartościami RMSE i MAE. Skorygowane szybkości wzrostu AOB (μAOB) i NOB (μNOB) były zgodne z wartościami literaturowymi dla modeli dwustopniowej nitryfikacji, natomiast parametry kinetyczne comammox były nieco wyższe od wartości literaturowych – stała szybkości wzrostu (μCMX) wynosiła 0,82 d-1, a stała nasycenia tlenem (KO,CMX) – 0,61 mgO2/l.

Wyniki badań wykazały istotny wpływ stężenia DO na dokładność wyników symulacji modelu dwustopniowej nitryfikacji.  Podkreślono konieczność uwzględnienia odrębnych ścieżek utleniania związków azotu w procesie comammox, szczególnie w warunkach niskiego stężenia DO. Szczególną uwagę zwrócono na mechanizmy ograniczające dostępność substratu, procesy inhibicji, właściwości adaptacyjne nieaklimatyzowanej biomasy oraz wypłukiwanie biomasy w fazie rozruchu.

Wyniki badań dostarczają nowych informacji na temat złożonej dynamiki procesów nitryfikacji w warunkach zmiennych stężeń substratów. Wnioski z przeprowadzonych badań mają istotne znaczenie dla optymalizacji pracy układów oczyszczania ścieków
i ulepszania metod modelowania, co podkreśla praktyczne znaczenie i zastosowanie przeprowadzonych badań.

Author (1)