Date of Award

6-2003

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Water Resources

Department

Civil and Environmental Engineering

First Advisor

Dr. Walid EI- Shorbagy

Abstract

A mathematical framework is developed for use in the optimal sizing of a wastewater treatment system comprises an activated sludge system preceded by a primary clarifier. Mathematical models predicting the performance of various unit processes are used to construct the system model. ASM3, used in the developed framework, is among the most recent and comprehensive models that closely describe the biological reactions taking place in the activated sludge system. Cost information functions including capital and operational costs of different system units are also modeled. An optimization problem is formulated with the objective to produce optimal sizes of different units with least cost and meeting the effluent requirements. The problem is a nonlinear programming problem that is solved using the General Algebraic Modeling Systems software "GAMS". The optimization model is applied to an illustrative problem producing valuable and practical results. The model is also used as an analysis tool to reveal the influence of various involved parameters and inputs upon the system performance and relevant results. Uncertainty consideration is also highlighted with an example showing an expected-value problem. Important insights about process design, modeling, and integration were gained by exercising the model. Such include the effectiveness of each unit operation, the importance and effect of sludge retention time, the effect of temperature on model performance and cost, and the effect of influent characteristics variability. Huge cost savings can be achieved by controlling the system at different temperatures. Influent characteristics variability is of great importance and considering such at the design stage contributes significantly to the designed system optimality and reliability.

Arabic Abstract

ملخص الأطروحة

يعتبر الماء بالنسبة للإنسان عصب الحياة، ونظراً لاستمرار تناقص موارد المياه فقد شكل تلوث المياه ومعالجتها هاجساً لكثير من العلماء والباحثين طوال القرن الماضي. وتعتبر مياه الصرف الصحي بعد معالجتها أحد مصادر المياه البديلة التي تستخدم بشكل أساسي لأغراض الزراعة التجميلية في الدولة.

تعالج مياه الصرف الصحي عادة في محطات معالجة تتضمن عدة عمليات متعاقبة تؤدي في النهاية إلى إنتاج مياه صالحة للاستخدام. أحد هذه العمليات هي المعالجة باستخدام الحمأة المنشطة وهي من أكثر عمليات المعالجة البيولوجية شيوعاً نظراً لما تتميز به من تكلفة منخفضة وقدرة عالية على إنتاج مياه نقية ومرونة تناسب معظم أنواع المياه المستخدمة. وعلى هذا فقد استحوذت هذه العملية البيولوجية على كثير من الاهتمام من قبل العلماء الذين وضعوا الكثير من النظريات والنماذج الرياضية التي تصف هذه العملية.

تصميم عملية الحمأة المنشطة بشكل تقليدي يعتمد بشكل أساسي على التجربة والخطأ وعلى خبرة المصمم السابقة، وفي كثير من الأحيان فإن التصميم المقترح قد لا يمثل التصميم الأكثر اقتصادية وقد لا يأخذ بالاعتبار تفاعل مختلف وحدات المعالجة مع بعضها البعض، كما أن هناك الكثير من عوامل الشك (العوامل غير المحددة) التي تدخل في تصميم هذه العملية. من هنا تظهر أهمية تطوير نموذج رياضي متكامل يجمع بين أحدث النظريات التي تصف عملية الحمأة المنشطة ومعلومات تكلفة البناء والتشغيل للوصول إلى التصميم الأمثل الذي يأخذ بالاعتبار عوامل الشك (العوامل غير المحددة)، وهو ما يمثل الهدف الرئيسي للأطروحة.

تقدم الأطروحة نموذجاً رياضياً يمكن استخدامه في تصميم نظام معالجة نموذجي يتضمن حوض ترسيب أولي بالإضافة إلى عملية الحمأة المنشطة والتي تتضمن حوض تهوية للمعالجة البيولوجية وحوض ترسيب ثانوي. يجمع النموذج بين أحدث النظريات التي تصف أداء عمليات المعالجة وبين المعادلات التي تصف تكلفة بناء وتشغيل هذه العمليات. وقد تم صياغة النموذج في إطار تصميم أمثل لمسألة تقليدية، الهدف فيها هو الوصول إلى التصميم الأكثر اقتصادية مع الوفاء بمتطلبات النقاوة المطلوبة. وقد تم استخدام برنامج GAMS في حل النموذج المطور والذي يتميز بقدرته الفعالة على حل النماذج الرياضية غير الخطية.

تقدم الأطروحة أيضاً مثالاً لتطبيق النموذج المطور بشكل عملي، حيث تم التوصل إلى نتائج هامة وعملية تبين أن استخدامات النموذج تتعدى الوصول إلى التصميم الأمثل الأكثر اقتصادية، حيث يمكن استخدامه كأداة تحليل لدراسة تأثير مختلف المتغيرات على التصميم. وبشكل عام أظهرت الدراسة العديد من النتائج المفيدة فيما يتعلق بتأثير درجات الحرارة وتأثير تغير مواصفات مياه الصرف الصحي على التصميم. كما أظهر التطبيق أن التحكم المناسب في عملية المعالجة يؤدي بشكل واضح إلى وفورات هائلة في التكلفة سواء كانت تكلفة الإنشاء أو تكلفة التشغيل.

ومن المتوقع أن يمثل النموذج المقدم في هذه الأطروحة أداة فعالة تساعد مصممي عمليات المعالجة في الوصول إلى تصاميم أكثر اقتصادية تأخذ بالاعتبار مختلف المتغيرات التي تؤثر على عملية التصميم وتفاعل مختلف عمليات المعالجة مع بعضها البعض، وهو ما تفتقر إليه معظم طرق التصميم التقليدية. كما يمكن استخدام النموذج في تقييم عمليات المعالجة تحت التشغيل واقتراح بعض الحلول لتحسين أداء هذه العمليات. وكاقتراح للأبحاث القادمة، تقترح الأطروحة تطبيق النموذج المطور على محطات المعالجة في دولة الإمارات سواء كانت تحت التشغيل أو مازالت في مرحلة التصميم.

Download
COinS