KAPOSVÁRI EGYETEM GAZDASÁGTUDOMÁNYI KAR INFORMATIKA TANSZÉK
Egyszerű mintapélda egy szabályozott bioreaktor optimális tervezésére
Szommer Károly IV. évf., folyamatszabályozó mérnök szak
Témavezető neve: Dr. Csukás Béla egyetemi docens
Tartalomjegyzék
1. Bevezetés ............................................................................................................................ 3 2. Irodalmi összefoglaló ......................................................................................................... 3 3. A vizsgált reaktor és az alkalmazott egyszerű modell bemutatása ..................................... 5 4. A különböző szabályozási megoldások vizsgálata ............................................................. 7 4.1 A tanulmányozott irányítási megoldások ................................................................... 7 4.2 A kisebb zavarással végzett kísérletek bemutatása .................................................. 10 4.3 A vizsgált szabályozási megoldások értékelése és az előnyösebb megoldások kiválasztása ..................................................................................................................... 21 4.4 A kedvező megoldások vizsgálata nagyobb zavarással ........................................... 21 4.5 Áttekintő értékelés és módosítási javaslat ................................................................ 27 4.6 A kedvező megoldások vizsgálata lépcsőzetesen változó (pufferolt) zavarással ..... 28 5. Az eredmények értékelése ................................................................................................ 32 6. Irodalomjegyzék ............................................................................................................... 34
2
1. Bevezetés
Munkámban egy biogáz mellékterméket előállító anaerob szennyvíztisztító folyamat egyszerűsített modelljének példáján tanulmányoztam a fermentor néhány lehetséges szabályozási, illetve vezérlési struktúrájának alkalmazását. Az irányítási cél az elbontandó szerves hulladék koncentrációjában bekövetkező változás által okozott zavarás kiküszöbölése volt. A szakirodalomból vett identifikált Monod típusú modellre egyszerű számítási algoritmust készítettem az explicit Euler módszert felhasználva Excel táblákban. Négy különböző irányítási struktúrát vizsgáltam, amelyek a következők voltak: beáramlás nyílt hatásláncú vezérlése, beáramlás visszacsatolásos szabályozása, kiáramlás visszacsatolt szabályozása, kiáramlás feed-forward vezérlése. Kisebb és nagyobb zavarásokat alkalmazva hasonlítottam össze a négy megoldás alkalmazhatóságát. Megállapítottam, hogy a beáramlás nyílt hatásláncú vezérlése, valamint a beáramlás visszacsatolásos szabályozása a vizsgált paraméterek mellett alkalmatlanok a feladat megoldására, mert csak szennyvíz felhalmozódás árán teljesíthetők a kilépő koncentrációra vonatkozó előírások. A legjobb megoldásnak a kiáramlás feed-forward vezérlése bizonyult, ami változatlan betáplálási sebesség mellett határérték alatti emissziót biztosított, nagyobb biogáz termelés mellett. Megállapítottam továbbá, hogy a belépő koncentrációk hirtelen változását puffertartály alkalmazásával csillapítva a megoldás nagyobb zavarás mellett is jól működik. Példán szemléltettem, hogy mi történik akkor, amikor a rendszer a túl nagy zavarás hatására instabillá válik. Megállapítottam, hogy a legjobb megoldás mellett is csillapodó lengés van a kilépő szennyezőanyag koncentrációban. Ennek káros hatása a kilépő áram pufferelésével kiküszöbölhető.
2. Irodalmi összefoglaló
A mechanikai és kémiai szennyvíztisztítás csak a szennyező szerves anyagok összetevőinek egy részére, illetve bizonyos koncentrációja felett oldható meg reális költségen és káros anyag emisszió nélkül. A kevéssé szennyezett vizeket biológiai úton, a szennyezőanyagokat felvevő, ezeket átalakító mikroorganizmusok segítségével lehet megtisztítani. Az aerob tisztítás során a szerves szennyezőanyagok a mikroorganizmusok
3
tápanyagaként széndioxiddá oxidálódnak. Az anaerob tisztításnál pedig rothadás útján főleg metán tartalmú biogázra bomlanak le a szerves anyagok. Ezen folyamatok egy része autokatalitikus és instabil, ezért megfelelő modell nélkül sem tervezni sem szabályozni nem lehet őket. A szakirodalom elemzése alapján megállapítható, hogy az 1980-as évek úttörő munkáit 2000 körül újra felfedezték, és 2007-től egy harmadik intenzív szakasz kezdődött. A szakirodalom döntő része a szennyvíziszapok feldolgozását tanulmányozza. Nagy segítséget nyújtott egy kézirat irodalmi áttekintése [CSUKÁS, 2008] a szakirodalom kiválasztásában. Az
ismertetett
modellekben
[BATSTONE,
2000
A],
[BATSTONE,
2000
B]
poliszacharidokat, fehérjéket és zsírokat is tartalmazó komplex (vágóhídi) hulladékok anaerob feldolgozásának modellezésével, és a modell identifikálásával foglalkoztak. A cikkek közt szerepelt az előző két modell egy két lépcsős változata is [BLUMENSAAT, 2005], amelyben egy termofil fermentorban történik a hidrolízis, valamint kezdődik a savképződés, majd ezzel egy sorba kapcsolt mezofil fermentorban játszódik le a metánképződés döntő többsége. Egy 2008-ban megjelent cikk [FEZZANI, 2008 A] az előző cikkekre támaszkodva olíva olaj feldolgozás szennyvizének és szilárd hulladékainak felhasználására mutat be egy bizonyos mértékig leegyszerűsített, egyéb szempontból pedig pontosított modellt. Egy másik, ugyanezen a területen publikált szakirodalom [FEZZANI, 2008 B] azt mutatja be, hogy ebben az esetben elosztott paraméterű csőreaktor modellt lehet és célszerű alkalmazni. Másik kettő 2008-as cikk [MU, 2008], [TARTAKOVSKY, 2008] egy háromzónás, és az iszap, valamint folyadékzónán belül elosztott paraméterű csőreaktort ismertet szennyvizek anaerob feldolgozására. A szakirodalomban korlátozottan kevert és nagyon nagy méretű anaerob fermentorok modell bázisú vizsgálatát nem találtam, azonban fontos ezeknek a vizsgálata is, mert egyre nagyobb szükség lesz komplex biomasszák feldolgozására, és ez egyre növekvő készülékeket jelent, amiknek a keverését csak korlátozottan lehet megoldani. Három irodalmi forrás [WARD, 2008 A], [WARD, 2008 B], [HE, 2007] kifejezetten magas poliszacharid tartalmú illetve mezőgazdasági eredetű források elhasználásával foglalkozik. Az első említett cikk nagyon jó áttekintést nyújt, de az utóbbi kettőnek közvetlen hasznosíthatósága nincs.
4
3. A vizsgált reaktor és az alkalmazott egyszerű modell bemutatása
A vizsgálatokhoz egy koncentrált paraméterű identifikált Monod típusú modellt használtam az 1. táblázatban látható paraméterekkel [SIMEONOV, 1999]. Ez az AMP1 modell [ACEVES-LARA, 2005] egy erősen egyszerűsített változata. Ez a reaktor egy kísérleti reaktor, a térfogata V = 3 liter. A reaktorba F térfogatárammal s0 szennyezőanyag koncentrációval érkezik a szennyvíz. Két kilépési lehetősége van az anyagnak: az egyik hogy gázként távozik metán, szén-dioxid, hidrogén, stb. formájában, aminek a döntő részét a metán képezi, a másik pedig hogy folyékony állapotban Fk kilépési térfogatárammal távozik s koncentrációjú szubsztrát, x koncentrációjú biomassza, xb koncentrációjú bomlástermék. A reaktor feladata, hogy 0.05 liter szennyvizet megtisztítson naponta, és a kiengedett szennyvíz szennyezőanyag koncentrációja 0.4mg/l vagy az alatt legyen. Ezen célok egyike sem sérülhet, vagy csak nagyon kis mértékben, hogy azt kompenzálni lehessen. Ezek betartása mellett másodlagos, de szintén fontos cél a biogáz termelésének maximalizálása.
A leíró egyenletek a következők:
dx µ max F = x − bx − x dt K + s V ds F = −k1 x + ( s 0 − s) dt V
q = k2 x dxb F = Dx − x dt V
ahol t = 0 időpillanatban x = x0, s = s0
5
Az összefüggésekben
x,[mg/l] a biomassza koncentrációja, xb,[mg/l] a biomassza bomlástermékeinek koncentrációja, s,[mg/l] a szubsztrát koncentrációja, s0,[mg/l] a belépő szubsztrát koncentrációja, F,[l/nap] a beáramló szennyvíz mennyisége, V,[l] a reakcióelegy térfogata, t,[nap] az idő, k1 a fajlagos biogáz termelés sebességi tényezője, k2 a fajlagos szubsztrát fogyasztás sebességi tényezője, b,[1/nap] a bomlási tényező, K,[mg/l] a Monod egyenlet állandója, µ,[1/nap] pedig a Monod egyenletben a biomassza maximális növekedésének sebességi tényezője.
1. táblázat. A modell identifikált paraméterei
µmax
0.35
K
2.3
b
0.035
k1
6.7
k2
16.8
A folyamat autokatalitikus, tehát olyan biológiai folyamat, amelynek az egyik terméke magát a folyamatot gyorsítja, így instabillá válik, és nehezen kezelhető. A modell megoldása explicit Euler módszerrel és a Microsoft Excel felhasználásával történt, amiből egy kiragadott példa a 2. táblázatban látható.
6
2. táblázat: Explicit Euler módszer szemléltetése Microsoft Excel munkalapon Idő, nap
V, liter s0, mg/l Fb, l/nap X, mg 0 3 5 0,05 0,022 0,1 3 5 0,05 0,021966 0,2 2,999999 5 0,05 0,021934 0,3 2,999998
5
x, mg/l S, mg s, mg/l Xb, mg xb, mg/l G, liter q, l/nap 0,007333 0,8 0,266667 0 0 0 0 0,007322 0,808927 0,269642 0,000077 0 0,01344 0 0,007311 0,817861 0,27262 0,00015375 2,57E-05 0,026993 0,0672
0,05 0,021902 0,007301 0,826802 0,275601 0,00023026 5,13E-05
0,04066 0,089978
Fk 0,05 0,050007 0,050013 0,050019
A differenciálegyenletekből véges differenciát kellett képezni és így sorról sorra az Excel munkalapon adott időlépésekkel megoldhatóvá vált a feladat. Néhány példa az Excelben használt függvényekből:
B3=MAX(B2+(D2-N2)*$P$25;$P$18) E3=E2+E2*$P$25*($P$5*H2/($P$6+H2)-$P$7-N2/B2) G3=G2+$P$25*(C2*D2-N2*H2-$P$8*E2) N3=MAX(N2+$P$30*($P$27-H3);0)
4. A különböző szabályozási megoldások vizsgálata
4.1 A tanulmányozott irányítási megoldások
Négy különböző irányítási (vezérlési illetve szabályozási) struktúrát próbáltam ki. Az 1. ábrán egy nyílt hatásláncú vezérléses megoldás található, ahol a vezérlő egy előírt algoritmus segítségével számítja a betáplálási sebességet. A modell egy kísérleti méretű modell, térfogata V=3 liter és a tisztítandó anyagmennyiség 0.05 liter/nap. A 2. megoldás visszacsatoláson alapul, amit a 2. ábrán jól láthatunk. A szabályozó méri a kiáramló koncentrációt, és ez alapján avatkozik bele a beáramlási sebességbe. Az 1. és 2. ábrán a beáramló és a kiáramló anyagmennyiség egyenlő, tehát a reaktorban a biomassza térfogata állandó.
7
1. ábra: A beáramló mennyiség vezérlése állandó terhelésre: Fbe=0.25/s0
2. ábra: A beáramló mennyiség visszacsatolt szabályozása
A 3. és 4. megoldásnál a reaktorban változó térfogatú biomasszával számolunk és nem a betáplálást, hanem a kibocsátást szabályozzuk.
8
A 3. ábrán látható, hogy a mérés a bioreaktorból kilépő anyagból történik. A P szabályozás a mért jelet egy alapjelhez viszonyítja, számolja az eltérést, majd a szabályozó megfelelő módon beavatkozik a rendszerbe. A 4. ábrán egy nyílt hatásláncú feed-forward szabályozás történik. Függetlenül a reaktorban található körülményektől, ez a szabályozó a betáplált anyagok paramétereiből számolja a reaktorból kibocsátható anyagmennyiség változását. Utóbbi két megoldásnál a betáplálási sebesség állandó.
3. ábra: A kiáramlás (reaktor térfogat) visszacsatolt szabályozása
4. ábra: A kiáramlás (reaktor térfogat) feed-forward szabályozása
9
Az ötödik megoldásnál a 3. megoldást alakítottam át úgy, hogy a betáplált szennyezőanyag-koncentráció úgy érkezzen a rendszerbe, mintha az egy pufferolás következtében nem hirtelen, hanem lépcsőzetesen emelkedne. Ugyanezt alkalmaztam a hatodik megoldásnál, ahol a 4.-et alakítottam át ilyen módon. Ezen megoldásoknál is (mivel a 4. és 5.-ből származnak) a betáplálási sebesség állandó. A feladat adott mennyiségű és adott koncentrációjú szennyvíz feldolgozása, valamint a modell felkészítése zavarásra (ami jelen esetben hirtelen megemelkedett szennyező koncentrációt jelent). Vizsgáltam az adott megoldási módokat rövidebb (365 nap), hosszabb távon (500 nap), az eredeti modellnél nagyobb mértékű zavarással, valamint pufferelés-szerűen betáplált szennyezőanyaggal is.
4.2 A kisebb zavarással végzett kísérletek bemutatása
Most bemutatom az egyes megoldások részletes eredményeit. Az 1. megoldás egy előre meghatározott algoritmust használ, ahogy ez az ábrán is látható. Az algoritmus tudja, hogy az adott szennyezőanyag-koncentrációhoz milyen betáplálási sebességet kell alkalmazni. Ez egyben előny is és hátrány is. Előny, mert nem fordulhat az elő, hogy a rendszer instabillá válik, a folyamat rendben végrehajtódik. Az 5. ábrán látható a zavarás mértéke. Látszik, hogy a 200. napon az 5mg/l szennyezőanyag-koncentráció hirtelen megemelkedik 7mg/l-re.
Zavarás
8 7 s0, mg/l
6 5 4 3 2 1 0 0
100
200
300 Idő, nap
400
500
600
s0, mg/l
5. ábra: normál zavarás
10
Beavatkozás 0,06
F, l/nap
0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0 0
100
200
300
400
500
600
Idő, nap Fb, l/nap
6. ábra: 1. megoldás beavatkozása
A 6. ábrán jól látjuk, hogy az 1. megoldásunk hogy reagált a zavarásra: a belépő anyagmennyiséget lecsökkentette, épp a 200. napon. Ezen az ábrán jól látható, hogy az 1. megoldás nagyobb tárolótartályok nélkül maximálisan csak egy adott mennyiségű szennyvizet képes megtisztítani. Nagyobb tisztítandó anyagmennyiség esetén ez a megoldás nem járható, ugyanis a tárolótartályok is idővel megtelnének, azt pedig nem tehetjük meg, hogy folyamatosan új és új tisztítótelepeket készítünk. Az 1. megoldásunk tisztítókapacitása tehát fix.
0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0
100
200
300
400
500
0,018 0,016 0,014 0,012 0,01 0,008 0,006 0,004 0,002 0 600
x, mg/l
s, mg/l
Szubsztrát(s) és biomassza(x) koncentráció változása
Idő, nap s, mg/l
x, mg/l
7. ábra: 1. megoldás szubsztrát és biomassza koncentrációváltozása
11
Mivel az 1. megoldásnál a betáplálási sebesség és a reaktortérfogat is állandó, ezért ebből egyértelműen következik, hogy a kiáramlási sebesség megfelel a betáplálási sebességnek. A reaktor térfogatában lévő elegyről feltételeztük, hogy tökéletesen kevert, ezért a kiáramló anyag minősége megegyezik a reaktorban található anyag minőségével, szerkezeti, kémiai és biológiai tulajdonsága is ugyanaz. A 7. ábrán látható az 1. megoldás szubsztrát és biomassza koncentrációváltozása. Ezt a kettő tulajdonságot azért is szemléltetem egyszerre egy grafikonon belül, hogy jól láthatóvá tegyem a szubsztrát és biomassza közötti összefüggést. Jól látható, hogy amint a szubsztrát egy adott szint fölé kerül (ez a baktériumok tápláléka), a biomassza növekedésnek indul, majd elkezdi fogyasztani a szubsztrátot egészen addig, amíg azt túl nem fogyasztja, és a kevés táplálék miatt a biomassza koncentrációja elkezd lecsökkenni.
Biomassza bomlástermékeinek képződése 0,04
xb, mg/l
0,03 0,02 0,01 0 -0,01
0
100
200
300
400
500
600
Idő, nap xb, mg/l
8. ábra: 1. megoldás biomassza bomlástermékeinek képződése
A 8. ábrán látható a bomlástermék-képződés. Látható az összefüggés a 7. ábrán található biomassza-koncentrációval. A 9. ábrán a nem éppen elhanyagolható melléktermék képződés látható: a biogáz. Amint azt már korábban említettem, az 1. megoldási módszer a betáplálási sebességet változtatja a bemenő szennyezőanyag-koncentráció függvényében, így a tisztítási kapacitása alulmarad azokkal a megoldásokkal szemben, ahol a betáplálási sebesség fix. Ez magával rántja azt is, hogy a biogáz-termelése az 1. megoldásnak nagyon kicsi. A megoldás a reaktorban található aktuális körülményeket nem figyelembe véve vezérli az egész folyamatot.
12
Fajlagos biogáz termelés 0,4 0,35
q, l/nap
0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 0
100
200
300
400
500
600
Idő, nap q, l/nap
9. ábra: 1. megoldás fajlagos biogáz termelés
A csillapodó lengést a grafikonokban jól láthattuk, azonban ez a lengés oly mértékű, hogy a stabilitást nem befolyásolja. A 2. megoldási mód, aminek a vázlata a 2. ábrán látható egy visszacsatolt szabályozást alkalmaz, amely méri a reaktorból kijövő anyag minőségét, és ennek függvényében avatkozik bele a beáramlási sebességbe. A zavarás megegyezik az 1. megoldásban használt zavarással, ami az 5. ábrán látható. Mivel ez a megoldás figyelembe veszi a reaktorban található körülményeket (tökéletesen kevert rendszerről van szó, így a reaktorban található anyagi minőség megegyezik a kiáramló anyagi minőséggel), ezért finomabban és sokkal precízebben tud beavatkozni a folyamatba. A beavatkozás a 10. ábrán látható.
13
Beavatkozás 0,07 0,06 F, l/nap
0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0 0
100
200
300
400
500
600
Idő, nap Fb, l/nap
10. ábra: 2. megoldás betáplálási sebesség
Jól látható, hogy egy megfelelő időben tett megfelelő mértékű beavatkozás a rendszer stabilitását megfelelően tudja tartani. Az előírt tisztítási norma 0.05 l/nap, ami ebben az esetben csak alig sérül. Nagyon fontos, hogy a tisztítási norma ne sérüljön, mert akkor a szennyezőanyag felhalmozódik. Az első kettő megoldásban a tisztítási sebesség akár nagyobb is lehet, ha azt a rendszer elbírja, míg a többi megoldásban a tisztítás fix 0.05 l/nap sebességgel halad. A 200. napon történő zavaráskor egy időre megfelelően lecsökkentette a rendszer a betáplálási sebességet, majd sikerült ismét visszaállni a normára.
Szubsztrát(s) és biomassza(x) koncentráció változása 0,018
0,6
0,016
0,5
0,014 0,012 0,01
0,3
0,008
x, mg/l
s, mg/l
0,4
0,006
0,2
0,004 0,1
0,002
0 0
100
200
300
400
500
0 600
Idő, nap s, mg/l
x, mg/l
11. ábra: 2. megoldás szubsztrát és biomassza koncentráció változása
14
A 11. ábrán látható, hogy a 2. megoldás mennyire stabilan tudja tartani a szubsztrát- és biomassza-koncentrációt. Látható, hogy a zavarás után a biomassza-koncentráció egy magasabb értékre áll be, de a szubsztrát koncentrációja visszaáll egy adott értékre.
Biomassza bomlástermékeinek képződése 0,12
xb, mg/l
0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0 0
100
200
300
400
500
600
Idő, nap xb, mg
12. ábra: 2. megoldás biomassza bomlástermékeinek képződése
A 12. ábrán látható, hogy a bomlástermékek képződése beáll egy adott szintre. Itt is jól látható az összefüggés a 11. ábrával, hogy fix koncentrációjú biomassza fix mennyiségű bomlásterméket képez.
Fajlagos biogáz termelés 0,4 0,35
q, l/nap
0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 0
100
200
300
400
500
600
Idő, nap q, l/nap
13. ábra: 2. megoldás fajlagos biogáz termelés
15
Ahogy az várható volt, ezek után a fajlagos biogáz termelés is egy idő múlva beáll egy adott szintre, ami a 13. ábrán látható. A zavarás előtt is beállt egy adott szintre, majd a zavarás után is látható, hogy kezd stabilizálódni. Ez a stabilitás előnyt jelent abban az esetben, amikor nem tudjuk a biogázt tárolni nagy mennyiségben, és a felhasználás fix. Bár ez a megoldás is a betáplálási sebességet változtatja, a tisztítási norma mégsem sérül olyan mértékben, hogy azt mondhassuk: ez a megoldás nem megfelelő. Megfelelő, de nem minden esetben. Ha egy dinamikusan változó tisztítási sebességre van szükségünk, akkor ez a megoldás nem megfelelő, mivel a tisztítási sebesség itt is elég korlátozott. A 3. megoldás már nagyban eltér az első kettőtől. Mind működésében, mind vezérlésében különbözik azoktól. A megoldás vázlata a 3. ábrán látható. Ebben az esetben a kiáramlási sebességet változtatjuk, a beáramlási sebesség fix, 0.05 liter/nap, ami a norma. A reaktorban található körülményeket egy műszer méri, majd a szabályozó kiszámítja az alapjeltől való eltérés mértékét, és ennek függvényében avatkozik bele a kiáramlási sebességbe. A reaktorban található reakcióelegy térfogata változik. Csak adott anyagminőség esetén engedjük ki a tisztított szennyvizet, mivel a környezetet nem terhelhetjük. A zavarás ebben az esetben is megegyezik az 1. megoldásnál használt zavarással, ami az 5. ábrán látható. A 14. ábrán láthatjuk a rendszer legfőbb két paraméterét: a szubsztrát- és biomassza-koncentrációját. Látható, hogy a 3. megoldás nagyon kileng és csak hosszú idő alatt áll be viszonylag stabil-közeli állapotba. Ha a 200. nap körüli időpontok eredményeit nézzük, láthatjuk, hogy a zavarás az amúgy sem stabilnak nevezhető rendszert nagymértékű kilengésre kényszerítette. Egy nagyobb mértékű zavarással a rendszer már nehezen birkózik meg.
16
Szubsztrát(s) és biomassza(x) koncentráció változása 0,8
0,02
0,7
0,018 0,016 0,014
0,5 0,4
0,012 0,01
0,3
0,008
x, mg/l
s, mg/l
0,6
0,006
0,2
0,004
0,1
0,002
0 0
100
200
300
400
0 600
500
Idő, nap s, mg/l
x, mg/l
14. ábra: 3. megoldás szubsztrát és biomassza koncentrációváltozása
A 15. ábrán látható a biomassza bomlástermékeinek képződése. Ezen a grafikonon is látható az a kilengés, ami a 14. ábrán észrevehető. A biomassza-képződés késleltetve indul meg, ez a 15. ábrán is látható.
Biomassza bomlástermékeinek képződése
xb, mg/l
0,04 0,035 0,03 0,025 0,02 0,015 0,01 0,005 0 -0,005 0
100
200
300
400
500
600
Idő, nap xb, mg/l
15. ábra: 3. megoldás biomassza bomlástermékeinek képződése
A biogáz-termelés a 16. ábrán látható. Viszonylag stabil, bár a kilengés itt is érződik. A termelés mértéke nem sokkal múlja alul a 2. megoldásét, azonban elmaradt tisztításról ebben az esetben nem beszélhetünk. A normát teljesíti, bár a kimenő tisztított szennyvíz
17
pufferolás nélkül nem kerülhet vissza a természetbe, hiszen csak 0.4 mg/l szubsztrát tartalmú anyag kerülhet ki a jelen példa szerint, és a kilengés hatására hol nagyobb, hol kisebb ez az érték. Amennyiben puffertartályokat használunk, ez a különbség kiegyenlíthető, és így egyenletesen terhelhetjük a környezetet.
Fajlagos biogáz termelés
q, l/nap
0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 -0,05 0
100
200
300
400
500
600
Idő, nap q, l/nap
16. ábra: 3. megoldás fajlagos biogáz termelés
A 4. megoldás, ami a 4. ábrán látható, szintén fix betáplálási sebességet használ. Ebben az esetben egy vezérlő a belépő anyagtulajdonságok függvényében szabályozza a kiáramlási sebességet, un. feed-forward szabályozással. Ebben az esetben is a reaktorelegy térfogata változik, ezáltal az áthaladási sebességet csökkentjük le, így a baktériumoknak lesz ideje megtisztítani a szennyvizet. A zavarás mértéke most is megegyezik az előző megoldásoknál használttal, ami az 5. ábrán található. Az összehasonlítás csak akkor lehetséges, ha ugyanolyan körülményt biztosítunk mindegyik reaktornak.
18
Szubsztrát(s) és biomassza(x) koncentráció változása 0,025
0,8 0,7
0,02
s, mg/l
0,5
0,015
0,4 0,01
0,3
x, mg/l
0,6
0,2 0,005 0,1 0 0
100
200
300
400
500
0 600
Idő, nap s, mg/l
x, mg/l
17. ábra: 4. megoldás szubsztrát és biomassza koncentráció változása
A 17. ábrán láthatjuk, hogy a reaktor a kezdeti feltételekkel milyen stabilan indult, majd a 200. napon a zavarás hatására óriási kilengés következett be. A reaktor majdnem elveszítette a stabilitását, ami igencsak veszélyes, ugyanis egy ilyen baleset bekövetkezése után az egész rendszert ismét ki kell mosni, feltölteni, újraindítani, ami sok többletköltségbe valamint időbe kerül, és a tisztítás is leáll arra az időre. Ez a megoldás viszonylag hamarabb áll be, mint a 3., így észrevehetjük azt, hogy egy újabb szennyezőanyag-koncentrációnövelés lehetséges egy adott stádium elérése után. Ez az észrevétel felveti a reaktor előtti puffertartályok kérdését. A 18. ábrán a biomassza bomlástermékeinek képződését láthatjuk. A bomlástermékek képződése egy bizonyos idő után (amint a rendszer stabillá válik) beáll egy adott szintre.
19
Biomassza bomlástermékeinek képződése
xb, mg/
0,04 0,035 0,03 0,025 0,02 0,015 0,01 0,005 0 -0,005 0
100
200
300
400
500
600
Idő, nap xb, mg/l
18. ábra: 4. megoldás biomassza bomlástermékeinek képződése
Az utolsó ábra, amit ezzel a megoldással kapcsolatban bemutatok a fajlagos biogáz termelés, ami a 19. ábrán látható. A termelés viszonylag kis idő alatt stabilizálódik, és a zavaráskori kilengés ellenére is csak kis instabilitás fedezhető fel benne a 200. nap után. Ennek a megoldásnak a legnagyobb a bruttó biogáz termelése 500 nap alatt, valamint ez az a megoldás, ami a nagy biogáz termelés mellett a beérkező szennyvizet teljes mértékben megtisztította.
Fajlagoss biogáz termelés 0,4 0,35 0,3 q, l/nap
0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 -0,05 0
100
200
300
400
500
600
Idő, nap q, l/nap
19. ábra: 4. megoldás fajlagos biogáz termelés
20
4.3 A vizsgált szabályozási megoldások értékelése és az előnyösebb megoldások kiválasztása
Összefoglalva az eddigieket kijelenthetem, hogy az első kettő megoldás nem teljesítette a tisztítási követelményeket mennyiségben, bár a 2. megoldás nem sok tisztítandó szennyvizet hagyott hátra. A zavarás ellenére is a 2. megoldás rendkívül stabil tudott lenni, míg az 1., a 3. és a 4. kilengéssel reagált. Az 1. igen kismértékű kilengéssel, a 3. és a 4. viszont már oly mértékben elvesztette a stabilitását, hogy egy nagyobb zavarással (10 mg/l szennyezőanyag-koncentráció betáplálásával a 200. naptól) a rendszer teljesen összeomlott. A 3. és a 4. megoldásban jó, hogy a tisztítandó szennyvíz teljes egésze felhasználásra kerül, csak az instabilitást kell valahogy megszüntetni. Biogáz termelésben is előkelő helyet foglal el ez a kettő megoldás, így célszerű ezekkel foglalkozni.
4.4 A kedvező megoldások vizsgálata nagyobb zavarással
Ezeket a modelleket megnövelt zavarással is elkészítettem, így jobban tudom szemléltetni az egyes megoldások erősségeit-gyengeségeit. A zavarás a 20. ábrán látható.
Zavarás 12
s0, mg/l
10 8 6 4 2 0 0
100
200
300
400
500
600
Idő, nap s0, mg/l
20. ábra: Megnövelt zavarás
21
Az 1. megoldást módosítottam először, ami úgy reagált, ahogy azt vártam. A megnövelt zavarásra még alacsonyabb betáplálási sebességgel reagált, így tartva fenn a rendszer működőképességét. A betáplálási sebességet a 21. ábrán láthatjuk.
Beavatkozás 0,06
F, l/nap
0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0 0
100
200
300
400
500
600
Idő, nap Fb, l/nap
21. ábra: 1. megoldás betáplálási sebesség megnövelt zavarással
Mivel az 1. megoldás is hajlamos a kilengésre, ezért alaposabban átvizsgáltam a szubsztrát- és biomassza-koncentráció változását az időben, és azt a megállapítást teszem, hogy az 1. megoldás jól szerepelt a megnövelt zavarás esetén is, a rendszert stabilan tudta tartani, bár a kilengés itt is látható a 22. ábrán, a mértéke szinte alig változott a normál zavarással ellátott rendszeréhez képest, így használható.
0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0
100
200
300
400
500
0,018 0,016 0,014 0,012 0,01 0,008 0,006 0,004 0,002 0 600
x, mg/l
s, mg/l
Szubsztrát(s) és biomassza(x) koncentráció változása
Idő, nap s, mg/l
x, mg/l
22. ábra: 1. megoldás szubsztrát és biomassza koncentrációváltozása megnövelt zavarással
22
A megnövelt zavaráshoz megváltozott bomlástermék képződés is tartozik, amely a 23. ábrán látható.
Biomassza bomlástermékeinek képz ődése 0,06 0,05 xb, mg/l
0,04 0,03 0,02 0,01 0 -0,01 0
100
200
300
400
500
600
Idő, nap xb, mg/l
23. ábra: 1. megoldás biomassza bomlástermékeinek képződése megnövelt zavarással
Fajlagos biogáz termelés 0,4 0,35
q, l/nap
0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 0
100
200
300
400
500
600
Idő, nap q, l/nap
24. ábra: 1. megoldás fajlagos biogáz termelés megnövelt zavarással
A 24. ábrán látható a fajlagos biogáz termelés, amely egy kicsit alulmaradt a normál zavarással működő rendszerhez képest. A pontos értékek a 3. és 4. táblázatban láthatóak.
23
A 2. megoldás volt a legmegfelelőbb a megnövelt zavarással vizsgált rendszerek közül. A zavarás a 21. ábrán látható. A grafikonokon látszik, hogy megfelelően kezelte a hirtelen koncentrációváltozást, kilengés ismét nem tapasztalható.
Beavatkozás 0,07 0,06 F, l/nap
0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0 0
100
200
300
400
500
600
Idő, nap Fb, l/nap
25. ábra: 2. megoldás betáplálási sebessége megnövelt zavarás esetén
A betáplálási sebesség, amelyet a 25. ábra mutat csak ideiglenesen csökkent le, majd sikeresen visszaállt az elvárt tisztítási sebességre. Ezt a megoldást tudjuk használni egy ilyen nagy mértékű, hirtelen koncentrációváltozás esetén is.
Szubsztrát(s) és biomassza(x) koncentráció változása 0,7
0,03
0,6
0,025 0,02
0,4 0,015 0,3
x, mg/l
s, mg/l
0,5
0,01
0,2
0,005
0,1 0 0
100
200
300
400
500
0 600
Idő, nap s, mg/l
x, mg/l
26. ábra: 2. megoldás szubsztrát és biomassza koncentráció változása megnövelt zavarás esetén
24
Ahogy ezt a 26. ábrán is láthatjuk, a rendszer semmiféle instabilitást nem mutat, teljesen stabilan működik, nem fenyegeti az a veszély, hogy összeomlik, elfogy a biomassza. A kimenő anyag szennyezőanyag-tartalma is csak egy kis időintervallumban lépi túl a megengedett 0.4 mg/l határt, így elég csak ebben az időben puffertartályokat használni. A megnövelt szennyezőanyag-koncentráció betáplálás, ezáltal megnövekedett biomassza koncentráció egyértelmű következménye a megnövekedett bomlástermék képződés, ami a 27. ábrán látható.
xb, mg/l
Biomassza bomlástermékeinek képz ődése 0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0 0
100
200
300
400
500
600
Idő, nap xb, mg
27. ábra: 2. megoldás biomassza bomlástermékeinek képződése megnövelt zavarás esetén
A tisztítás után a második legfontosabb paraméter jelen esetben a biogáz termelés. Ebben az esetben, ellentétben az 1. megoldással, a biogáz termelés megnőtt, amit a 28. ábra mutat.
25
Fajlagos biogáz termelés 0,6
q, l/nap
0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0
100
200
300
400
500
600
Idő, nap q, l/nap
28. ábra: 2. megoldás fajlagos biogáz termelés megnövelt zavarással
A 3. megoldás nem tűrte az ilyen mértékű zavarást. A már amúgy is kilengő rendszerek olyan mértékű kilengést produkáltak, ami a rendszerek teljes összeomlásához vezetett. A 29. ábrán látható a 3., míg a 30. ábrán látható a 4. rendszer hibás működése. A 3. megoldás szabályozója egy ilyen esetben rosszul működik, a rendszert tönkreteszi.
Szubsztrát(s) és biomassza(x) koncentráció változása 0,04
1,2
0,035 0,03
0,6
0,025
0,4
0,02
0,2
0,015
0 -0,2
0
100
200
300
400
-0,4
500
x, mg/l
s, mg/l
1 0,8
0,01 600 0,005 0
Idő, nap s, mg/l
x, mg/l
29. ábra: 3. megoldás szubsztrát és biomassza koncentrációváltozása megnövelt zavarás esetén
26
Szubsztrát(s) és biomassza(x) koncentráció változása 1,4
0,045
1,2
0,04 0,035
0,8
0,03
0,6
0,025
0,4
0,02
0,2
0,015
0 -0,2
0
100
200
300
400
-0,4
500
x, mg/l
s, mg/l
1
0,01 600 0,005 0
Idő, nap s, mg/l
x, mg/l
30. ábra: 4. megoldás szubsztrát és biomassza koncentrációváltozása megnövelt zavarás esetén
A 4. megoldás egészen a zavarásig megfelelően működik, majd a biomassza koncentrációt olyan magas szintre engedi, hogy a szubsztrát elfogy. Ez a kilengés (ahogy a szubsztrát elfogy) a rendszert hibás működésbe hozza, de a matematikai megoldás számol tovább. A szubsztrát koncentrációja nem léphet negatív értékbe.
4.5 Áttekintő értékelés és módosítási javaslat
Az elmaradt szennyeződéstisztítás és a bruttó biogáz-termelés adott időre vonatkoztatva normál (7mg/l) zavarással a 3. táblázatban, míg megnövelt (10mg/l) zavarással a 4. táblázatban látható. Jól látható, hogy az 1. megoldás az elmaradt tisztítás miatt nem használható, és a biogáz termelése is csekély a többi megoldáshoz képest. A 3. és a 4. megoldás nem működött megfelelően a megnövelt zavarással, instabilitást mutatott, amely a rendszer összeomlásához vezetett.
27
3. táblázat: Bruttó biogáz-termelés kisebb zavarással normál zavarás elmaradt tisztítás liter/365 nap liter/500 nap 1. megoldás
42.87
107
145
2. megoldás
5.12
129
187
3. megoldás
0
129
182
4. megoldás
0
132
189
4. táblázat: Bruttó biogáz-termelés megnövelt zavarással erős zavarás
elmaradt tisztítás liter/365 nap liter/500 nap
1. megoldás
75.02
105
140
2. megoldás
7.88
160
244
3. megoldás
instabil
instabil
instabil
4. megoldás
instabil
instabil
instabil
Észrevehető azonban, hogy a 3. és 4. megoldás a kismértékű zavarás után stabilizálódott, majd készen állt egy újabb zavarásra. Ezt egy hirtelen nagy koncentrációjú zavarás esetében úgy oldható meg a valós életben, hogy puffertartályokat használunk.
4.6 A kedvező megoldások vizsgálata lépcsőzetesen változó (pufferolt) zavarással
A 3. és 4. megoldáshoz elkészítettem egy másik zavarást, ami a 31. ábrán látható. Ezzel a zavarással a rendszer előtti puffertartályokat szemléltetem. Hol kisebb, hol nagyobb tartályokat használok, így a zavarás nem egyenletesen növekszik sem koncentrációban, sem időben.
28
Zavarás 12 10 s0, mg/l
8 6 4 2 0 0
100
200
300
400
500
600
Idő, nap s0, mg/l
31. ábra: lépcsőzetesen változó zavarás
Először a 3. megoldást vizsgáltam a puffereléssel, ami így megfelelően működött. Ez a 32. ábrán látható. A kilengések a zavarás változásakor megnőttek, de a rendszernek volt ideje csillapodni, így az újabb zavarást már képes volt eltűrni, és a kimenetnél egy másik puffertartállyal határérték alatti szennyezőanyag koncentrációt lehet elérni.
Szubsztrát(s) és biomassza(x) koncentráció változása 0,025
0,8 0,7
s, mg/l
0,5
0,015
0,4 0,01
0,3 0,2
x, mg/l
0,02
0,6
0,005
0,1 0 0
100
200
300
400
500
0 600
Idő, nap s, mg/l
x, mg/l
32. ábra: 3. megoldás szubsztrát és biomassza koncentráció változása puffereléssel
29
A megnövekedett biomassza koncentráció megnövekedett bomlástermék képződést eredményezett, valamint megnövekedett biogáz termelést. A bomlástermék képződés a 33. ábrán látható, míg a biogáz termelés a 34. ábrán. A pufferelés a 3. megoldásnál bevált, a rendszer képes volt kezelni a nagyobb koncentrációjú szennyvizet is, nem omlott össze.
Biomassza bomlástermékeinek képz ődése 0,05 0,04 xb, mg/l
0,03 0,02 0,01 0 -0,01
0
100
200
300
400
500
600
Idő, nap xb, mg/l
33. ábra: 3. megoldás biomassza bomlástermékeinek képződése puffereléssel
Fajlagos biogáz termelés 0,5
q, l/nap
0,4 0,3 0,2 0,1 0 -0,1
0
100
200
300
400
500
600
Idő, nap q
34. ábra: 3. megoldás fajlagos biogáz termelés puffereléssel
A 4. megoldást is megvizsgáltam puffereléssel, és ez a megoldás is megfelelően szerepelt. A 35. ábra a kilengéseket mutatja, amik a koncentrációváltozások következtében jönnek létre. Látható, hogy a szubsztrát koncentráció 0.4 mg/l-hez tart, míg a biomassza
30
koncentrációja egyre magasabb értékre áll be. Jól látható, hogy ez a megoldás puffereléssel egy magasabb szennyezőanyag koncentrációjú szennyvizet is megtisztít úgy, hogy a tisztítási norma nem sérül.
Szubsztrát(s) és biomassza(x) koncentráció változása 0,7
0,03
0,6
0,025 0,02
0,4 0,015 0,3
x, mg/l
s, mg/l
0,5
0,01
0,2
0,005
0,1 0 0
100
200
300
400
0 600
500
Idő, nap s, mg/l
x, mg/l
35. ábra: 4. megoldás szubsztrát és biomassza koncentráció változása puffereléssel
A 36. ábrán látható a biomassza bomlástermékeinek képződése, míg a 37. ábrán láthatjuk a jóval fontosabb fajlagos biogáz termelést. Mivel a tisztítási norma nem sérül sem szennyezőanyag koncentrációban, sem pedig tisztított anyagmennyiségben, így egyértelmű, hogy több biogázt is termel az adott megoldás.
Biomassza bomlástermékeinek képz ődése 0,06 0,05 xb, mg/
0,04 0,03 0,02 0,01 0 -0,01 0
100
200
300
400
500
600
Idő, nap xb, mg/l
36. ábra: 4. megoldás biomassza bomlástermékeinek képződése puffereléssel
31
Fajlagos biogáz termelés 0,5
q, l/nap
0,4 0,3 0,2 0,1 0 -0,1
0
100
200
300
400
500
600
Idő, nap q, l/nap
37. ábra: 4. megoldás fajlagos biogáz termelés puffereléssel
5. Az eredmények értékelése
Az 1. megoldás (ld. 1. ábra) a zavarást, sőt a megnövelt zavarást is jól tűri, azonban a biogáz termelése alulmarad a többi megoldáséhoz képest. A 2. ábrán látható 2. megoldási mód a zavarást, és a megnövelt zavarást is jól tűri. A 3. és a 4. megoldás a zavarásra csillapodó lengéssel reagál, ami nehezen stabilizálódik, ugyanígy az 5. és 6. megoldás is, amelynek alapja a 3. és 4. megoldás. A P szabályozó ezekben az esetekben egy bizonyos zavaráson felül már nem képes stabilizálni a rendszert, így az akár működésképtelenné válik. A biogáz-termelés a nem pufferelt megoldások közül a 4. esetében a legnagyobb. Összefoglalva rövidtávon és kisebb terheléssel/terhelésváltozással előzetes pufferelés nélkül a 4. megoldás bizonyul megfelelőnek a szennyvíztisztítás és a biogáz-termelés terén is. Ha a rendszerben nagyobb mértékű zavarás nem következik be, megfelelően elvégzi a feladatát, és több szennyvizet is tisztít, mint a 2. megoldás. Azonban figyelembe kell venni azt is, hogy már a rendszer megindításakor is ingadozást mutat ez a megoldás a 2. megoldással szemben, így a kimenő anyag szubsztrát koncentrációja hol meghaladja, hol alulmúlja az előírtat. Ezt egy megfelelő puffertartállyal ki lehet küszöbölni. Ez a megoldás közelebb is áll a valós helyzethez, mivel a koncentráció ilyen hirtelen nem növekedhet meg, így az is előfordulhat, hogy a valóságban csak egy viszonylag kis méretű puffertartályt kell használni. A kutatás igazolja, hogy ha sikerül valamilyen módszerrel a 4. megoldást stabilizálni, akkor abban az irányban elindulva nagyobb tisztítási és termelési kapacitást lehet elérni. A megoldásokban egyszerű P szabályozó szerepelt. További stabilizálóként a PI, esetleg a PID
32
szabályozót is ki kell próbálni. Abban az esetben, ha a rendszert nagyobb mértékű zavarás is érheti, amit pufferelni nem lehetséges, akkor a jelenlegi 4. megoldás szerinti rendszer összeomlik, így nem biztonságos, ez esetben a 2. megoldást kell választani. Amennyiben maximális biogáz-termelésre szeretnénk összpontosítani, úgy a 2. megoldást kell választanunk. Akár szándékosan is terhelhetjük a rendszerünket nagyobb mértékben, és a többi megoldással szemben jelentősen több biogázt tudunk nyerni. Hátránya azonban, hogy a feldolgozási sebesség csökkenhet, így a szennyvíztisztítás elmarad a képződéstől, ami nem engedhető meg a jelen feladat szerint. Azonban érdemes további kutatásokat végezni az adott anyagmennyiségből kinyerhető biogáz maximalizálására. Amennyiben dinamikusan változtatható szennyvíztisztítási kapacitást szeretnénk elérni, akkor a 4. megoldást kell választanunk, és azt tovább kell fejlesztenünk, ugyanis a 2. megoldásnak kisebb a maximális tisztítási kapacitása.
33
6. Irodalomjegyzék
[BATSTONE, 2000 A]: Batstone, D. J., Keller, J., Newell R. B., Newland, M., (2000) Modelling anaerobic degradation of complex wastewater. I: model development. Bioresource Technology, 75, 67-74.
[BATSTONE, 2000 B]: Batstone, D. J., Keller, J., Newell R. B., Newland, M., (2000) Modelling anaerobic degradation of complex wastewater. II: parameter estimation and validation using slaughterhouse effluent. Bioresource Technology, 75, 75-85.
[BLUMENSAAT, 2005]: Blumensaat, F., Keller, J., (2005) Modelling of two-stage anaerobic digestion using the IWA Anaerobic Digestion Model No. 1 (ADM1). Water Research, 39, 171-183.
[CSUKÁS, 2008]: Csukás, B., Varga M., (2008) Préselt répaszelet anaerob fermentációján alapuló biogáz előállítás számítógépi modellezésének előzetes vizsgálata. Tanulmány irodalmi áttekintésének kézirata. Kaposvár
[DOCHANIN, 2001]: Dochanin D., Vanrolleghem P., (2001) Dynamical Modelling and Estimation in Waste Water Threatment Processes. IWA. Publishing.
[FEZZANI, 2008 A]: Fezzani, B., Cheikh, R. B., (2008) Modelling of the mesophilic anaerobic co-digestion of olive mill wastewater with olive mill solid waste using anaerobic digestion model No. 1 (ADM1). Bioresource Technology, 99, 6565-6577.
[FEZZANI, 2008 B]: Fezzani, B., Cheikh, R. B., (2008) Implementation of IWA anaerobic digestion model No. 1 (ADM1) for simulating the thermophilic anaerobic co-digestion of olive mill wastewater with olive mill solid waste in a semi-continuous tubular digester. Chemical Engineering Journal, megjelenés alatt.
34
[HE, 2007]: He, P. J., Lü, F., Shao, L. M., Pan, X. J., Lee, D. J., (2007) Kinetics of enzymatic hydrolysis of polysaccharide-rich particulates. Journal of the Chinese Institute of Chemical Engineers, 38, 21-27.
[MU, 2008]: Mu, S. J., Zeng, Y., Wu, P., Lou, S. J., Tartakovsky, B., (2008) Anaerobic digestion model no. 1-based distributed parameter model of an anaerobic reactor: I. Model development. Bioresource Technology, 99, 3665-3675.
[SIMEONOV, 1999]: I. S. Simeonov, (1999) Mathematical modeling and parameters estimation of anaerobic fermentation processes. Bioprocess Engineering (21) 377-381.
[TARTAKOVSKY, 2008]: Tartakovsky, B., Mu, S. J., Zeng, Y., Lou, S. J., Guiot, S. R., Wu, P., (2008) Anaerobic digestion model No. 1-based distributed parameter model of an anaerobic reactor: II. Model validation. Bioresource Technology, 99, 3676-3684.
[WARD, 2008 A]: Ward, A.J., Hobbs, P. J., Holliman, P. J., Jondes, D. L., (2008) Optimisation of the anaerobic digestion of agricultural resources. Bioresource Technology, megjelenés alatt.
[WARD, 2008 B]: Ward, A.J., Hobbs, P. J., Holliman, P. J., Jondes, D. L., (2008) Optimisation of the anaerobic digestion of agricultural resources. Bioresource Technology, megjelenés alatt.
35
