Αριθμητικό μοντέλο πρόβλεψης πεδίων θερμοκρασίας και χημικά απαιτούμενου οξυγόνου (COD) σε αναερόβια δεξαμενή λυμάτων. Εφαρμογή στη βελτιστοποίηση σχεδιασμού
Authors: Καρτέρης Απόστολος 
Published: January 2014

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.