slide1 n.
Download
Skip this Video
Loading SlideShow in 5 Seconds..
Лекционен курс “Компютърно моделиране на ПСОВ ” PowerPoint Presentation
Download Presentation
Лекционен курс “Компютърно моделиране на ПСОВ ”

Loading in 2 Seconds...

play fullscreen
1 / 36

Лекционен курс “Компютърно моделиране на ПСОВ ” - PowerPoint PPT Presentation


  • 266 Views
  • Uploaded on

Лекционен курс “Компютърно моделиране на ПСОВ ”. Тема 2 Информационните технологии в съвременните методики за оразмеряване на съоръженията за биологично пречистване – съдържание и ограничения.

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about 'Лекционен курс “Компютърно моделиране на ПСОВ ”' - arnold


An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
slide1
Лекционен курс “Компютърно моделиране на ПСОВ”

Тема 2

Информационните технологии в съвременните методики за оразмеряване на съоръженията за биологично пречистване – съдържание и ограничения

slide2
Информационните технологии в съвременните методики за оразмеряване на съоръженията за биологично пречистване – съдържание и ограничения

СЪДЪРЖАНИЕ

  • Основни принципи при моделиране на процесите в биореакторите
  • Коментар относно най-често прилаганите у нас съвременни оразмерителни методики за биобасейни по Технически указания на Германската асоциация по води и отпадъци - DWA (ATV)
    • ATV – A 131 / 2000 “Оразмеряване на едностъпални съоръжения за биологично пречистване”
    • DWA - M 210 / 2009 “Оразмеряване на биореактори с циклично действие (SBR)”
  • Основни изводи
slide3
Информационните технологии в съвременните методики за оразмеряване на съоръженията за биологично пречистване – съдържание и ограничения

Основни принципи при моделиране на процесите в биореакторите

  • Конструктивните и технологичните модификации на биобасейните определят степента на трансформация (редуциране) на субстрата - S и прираста на биомасата - Xт.е., определят степента на пречистване
  • Степента на трансформация (редуциране) на субстрата - S и прираста на биомасата - Xзависят отдве основни групи фактори: 1. кинетиката на биохимичните реакции; 2. хидродинамичните процеси в реакторите от определен хидродинамичен тип (т.е., степента на размесване)
  • Динамичното поведение на проточните биореактори със суспендирана биомаса може да се моделира адекватно само чрез едновременно отчитане на кинетиката на биохимичните и хидродинамичните процеси, протичащи съвместно
slide4
Основни принципи при моделиране на процесите в биореакторите

А. Кинетика на биохимичните процеси (по Monod)

Скорост на прираста на биомасата, dX/dt:

Скорост на снижение на субстрата, dS/dt:

При биохимични реакции от първи ред (пълно пречистване):

slide5
Основни принципи при моделиране на процесите в биореакторите

Б. Моделиране на хидродинамичните процеси

в основните типове биореактори

/Скорост на разреждане на субстрата (dS/dt)hydrodin /

1. Реактор с идеално изтласкване (“бутален”) :

v – средна постъпателна (конвективна) скорост на основния поток

l– хоризонтална (надлъжна) координата по посока на основното течение

slide6
Основни принципи при моделиране на процесите в биореакторите

2. Реактор с идеално смесване (“смесител”):

S0 – начална концентраця на субстрата (на входа на реактора)

St– концентрация на субстрата в реактора (и на изхода му)

t- изчислителен времепрестой на субстрата в реактора;

V – обем на реактора

Q – водно количество

slide7
Основни принципи при моделиране на процесите в биореакторите

4. Каскаден (клетъчен) реактор:

m – общ брой на клетките в реактора

n – пореден номер на клетката

Sn-1 – концентрация на субстрата на входа на клетка номер n

Sn - концентрация на субстрата на изхода на клетка номер n

slide8
Основни принципи при моделиране на процесите в биореакторите

3. Дифузионен (конвенционален) реактор:

D – коефициент на надлъжна турбулентна дифузия, m2/s

slide9
Основни принципи при моделиране на процесите в биореакторите

В. Съвместно моделиране на биохимичните и хидродинамичните процеси

Проточните биореактори работят в стационарен (постоянен,

стабилен) режим, който се характеризира с условието:

Тогава

slide10
Основни принципи при моделиране на процесите в биореакторите

Последното уравнение се решава в зависимост от хидродинамичния

тип на биореактора и с отчитане на кинетиката на биохимичните

реакции (по Monod).

1. При идеален “бутален” реактор:

По дефиниция при идеалния “бутален” реактор е в сила условието:

Тогава

Или окончателно

slide11
Основни принципи при моделиране на процесите в биореакторите

2. При идеален реактор-смесител:

Или окончателно:

slide12
Основни принципи при моделиране на процесите в биореакторите

3. При каскаден (клетъчен) реактор:

Или окончателно:

slide13
Основни принципи при моделиране на процесите в биореакторите

4. При дифузионен (конвенционален, реален) реактор:

При т.н. “реактори от закрит тип” (Dankwerts, 1953) са в сила

следните гранични условия, съответно при входа (l = 0) и при изхода

(l = L) на коридорния реактор:

Тогава окончателното решение на първото уравнение има вида:

slide14
Основни принципи при моделиране на процесите в биореакторите

В последното уравнение фигурират следните означения и параметри:

където

А – изчислителен (помощен) параметър

Ре – число на Пекле (Peclet)

Числото на Пекле - Ре отразява съотношението на масата, транспортирана чрез постъпателно движение (конвекция) със скорост v и тази, транспортирана чрез надлъжна турбулентна дифузия (с коефициент D):

Числената стойност на критерия Ре може да се определи само експериментално, чрез изследване на модели на реактори в подходящ мащаб или на реални съоръжения.

slide15
Основни принципи при моделиране на процесите в биореакторите

Сравнение между идеалните хидродинамични типове реактори

- при идеален “бутален” реактор

- при идеален реактор-смесител

При една и съща степен на пречистване S/S0, предвид горните два израза може да се запише:

При обичайните за конвенционални биобасейни стойности на параметъра k1 = 0,6 и при tсм = 4 hсе получава:

т.е. в случая идеалният “бутален” реактор изисква 2 пъти по-малък обем от този за реактора-смесител при един и същи ефект.

slide16
Основни принципи при моделиране на процесите в биореакторите

Основни (идеални) хидродинамични типове реактори

в ляво – идеален “бутален”; в дясно – идеален смесител

slide17
Основни принципи при моделиране на процесите в биореакторите

1- идеален конвективен (“бутален”) биореактор; 2 – каскаден биореактор с 10 клетки; 3 – каскаден биореактор с 3 клетки; 4 - биореактор с идеално смесване

slide18
Информационните технологии в съвременните методики за оразмеряване на съоръженията за биологично пречистване – съдържание и ограничения

Обща постановка – основни принципи

  • В последните две десетилетия авторитетни експертни групи към Международната асоциация по качеството на водите IAWQ (по-късно Международна асоциация по водите IWA) разработиха и публикуваха модели на процесите на биологично пречистване с активни утайки с отчитане на съответните кинетични, стехиометрични и хидродинамични зависимости и параметри - “Activated Sludge Models – 1,2,3” (ASM1, ASM2 ASM3)
  • По моделите ASM1, ASM2 ASM3 бяха разработени редица съвременни програмни продукти (GPS-X, WEST, SIMBA и др.), които все по-масово навлизат в рутинната практика на водещите консултантски фирми по света
  • Наред с тях по света продължава масовата практика за използване на опростени оразмерителни методики и процедури, което на този етап от развитието на санитарната техника вече може да се приеме само като първа стъпка от една по-адекватна и аргументирана оразмерителна процедура
slide19
Информационните технологии в съвременните методики за оразмеряване на съоръженията за биологично пречистване – съдържание и ограничения

Коментар

относно най-често прилаганите у нас съвременни оразмерителни методики за биобасейнипо Техническите указания на Германската асоциация по води и отпадъци DWA (ATV) :

  • DWA/ATV – A 131 / 2000 “Оразмеряване на едностъпални пречиствателни съоръжения с активни утайки”
  • Сравняване с американската методика на корпорацията Metcalf & Eddy, базирана на модела ASM2 на IAWQ/IWA
  • DWA – M 210 / 2009 “Оразмеряване на биореактори с циклично действие (SBR)”
atv a 131 2000
Технологично оразмеряване на биореактори по методиката ATV - A 131 / 2000 г.

Основни констатации (1)

  • Методиката се основава само на един кинетичен параметър - “специфична скорост на нарастване на биомасата” – μ, коригиран с емпиричен фактор на сигурността
  • Методиката не отразява адекватно хидродинамичните условия в биореактора, които влияят в решителна степен върху крайните резултати (приет е идеален смесител)
  • Методиката се основава в решаваща степен на емпирични зависимости, валидни само при указаните специфични условия
  • Предимно емпиричният подход, на който е основана методиката, тушира последствията от липсата на теоретично обоснована база, но успешното й практическо приложение е ограничено в рамките на специфицираните в нея условия, които на практика често се надхвърлят
slide21
Основни принципи при моделиране на процесите в биореакторите

Зависимост между концентрацията на амония NH4на изхода на биореактора и възрастта на утайката

(означените граници илюстрират значението на фактора на сигурността SF в методиката на DWA/ATV- A 131 / 2000)

slide22
Основни принципи при моделиране на процесите в биореакторите

Зависимост между температурата на средата и възрастта на активната утайка, очераващи технологичните условия за реализиране на процесите на нитрификация (редукция на амония NH4)

atv a 131 20001
Технологично оразмеряване на биореактори по методиката ATV - A 131 / 2000 г.

Основни констатации (2)

  • Общият обем на биобасейна, изчислен по методиката ATV - A 131 не зависи директно от водното количество, нито от концентрацията на субстрата в съоръжението и разреждането от рециркулационните утайкови и нитратни потоци
  • Кинетиката на биохимичните процеси (и съответната степен на пречистване) обаче на практика зависи от концентрацията на субстрата S в съоръжението, която се влияе както от разреждането с рециркулационните потоци, така и от хидродинамичните условия в съоръжението
  • В методиката ATV - A 131 се обръща специално внимание на прецизното определяне на оразмерителното водно количество и зависещия от него товар на замърсителите, което трябва да бъде извършвано на основата на многомесечни наблюдения на оттока към бъдещата пречиствателна станция и несложна статистическа обработка на данните. Това императивно изискване на методиката за съжаление се игнорира при прилагането й у нас
atv a 131 20002
Технологично оразмеряване на биореактори по методиката ATV - A 131 / 2000 г.

Основни констатации (3)

  • Методиката ATV - A 131 / 2000 г. има и редица безспорни предимства, главното между които е несложната и логична оразмерителна процедура, която легитимира по специфичен начин обемите и габаритите на проточните съоръжения за биологично пречистване с активни утайки
  • Неотчитането на споменатите по-горе основни фактори обаче налагат адекватността на така определените обеми и габарити да бъде проверена и евентуално коригирана с някой от съществуващите динамични модели и програмни продукти, отчитащи кинетиката на биохимичните процеси и специфичните хидродинамични условия
  • Въпреки, че горното изискване е заложено в тази оразмерителна методика, то се пренебрегва при прилагането й у нас
  • Подобна процедура за проверка на оразмерителното решение вече е залегнала в европейските норми за оразмеряване на канализационни мрежи EN 753 / 2008, транспонирана и в националния стандард БДС EN 753 / 2009
atv a 131 metcalf eddy s 2
Сравняване на технологично оразмеряване на биореактори по методиките ATV - A 131 и Metcalf & Eddy (АSМ2)Примери

Параметри на изход

биостъпало

БПК5= 30mg/l

НВ = 15mg/l

NO3 = 6 mg/l

NH4 = 0,5 mg/l

Org N = 0 mg/l

TP = 2 mg/l

Параметри на вход

биостъпало

Qор = 22464 m3/d

T = 12o C

БПК5 = 240 mg/l

НВ = 150 mg/l

TKN = 35 mg/l

NH4 = 25 mg/l

TP = 6 mg/l

atv a 131 metcalf eddy s 21
. Параметрите NH4, NO3и БПК5на изхода на биологичното стъпало, оразмерено чрез методиката ATV-A131 (вляво) и Metcalf&Eddy(в дясно) при динамична симулацияс програмния продукт WEST

(цветни кодове: червен - NH4;оранжев - NO3; син – БПК5)

Сравняване на технологично оразмеряване на биореактори по методиките ATV - A 131 и Metcalf & Eddy (АSМ2)

Динамична симулация на процесите протичащи в биологично стъпало, оразмерено чрез ATV A 131 и Metcalf&Eddy при спазено съотношение N: БПК в препоръчвания диапазон 0,11 – 0,15

atv a 131 metcalf eddy s 22
. Параметрите NH4, NO3и БПК5на изхода на биологичното стъпало, оразмерено чрез методиката ATV-A131 (в ляво) и Metcalf&Eddy(в дясно) при динамична симулация с програмния продукт WEST

(цветни кодове: червен - NH4;оранжев - NO3; син – БПК5)

Сравняване на технологично оразмеряване на биореактори по методиките ATV - A 131 и Metcalf & Eddy (АSМ2)

Динамична симулация на процесите протичащи в биологично стъпало, оразмерено чрез ATV A 131 и Metcalf&Eddy при съотношение N: БПК над препоръчвания диапазон 0,11 – 0,15

slide28
Технологично оразмеряване на биореактори

Основни проблеми при моделирането на процесите

  • Основен проблем при прилагането на такъв подход и при оразмеряването на съоръженията за биологично пречистване е адекватното калибриране на динамичния модел с конкретните за съответния обект кинетични параметри и хидродинамични характеристики на биореактора
  • Определянето на достоверни стойности на горните параметри и характеристики може да бъде извършено чрез специфични експерименти в подходящо оборудвани лаборатории с последващо прилагане на мащабния подход, известен като “scale up” (т.е., преход от модела към реалното съоръжение)
  • Прилагането на горния подход и при оразмеряването на съоръженията за биологично пречистване би спестило значителни капиталови и експлоатационни разходи чрез сравнително неголеми инвестиции в средства и време за провеждането на съответните лабораторни изследвания
slide29

Университет по архитектура, строителство и геодезиякатедра “Водоснабдяване, канализация и пречистване на водите”

Автоматизиранилабораторни биореактори

atv 210 200 9
Технологично оразмеряване на биореактори по методиката ATV - М210 / 2009 г.

Основни констатации (1)

  • Относно методиката ATV - М210 могат да бъдат направени същите констатации, както и относно методиката ATV - А131: отчитане в недостатъчна степен на кинетиката на биохимичните процеси и предимно емпиричния подход при оразмеряването
  • Важно е обстоятелството, че при реакторите с циклично действие, процесите протичат в непроточни (batch) условия, при които хидродинамичните процеси са идентични с тези в проточните реактори с идеално изтласкване (“бутални”), т.е., предопределят възможно най-икономичния обем
  • Последното обстоятелство обаче не е отразено в изчислителните процедури на методиката ATV - М210, поради това, че там се следват препоръките в методиката ATV - А131 за проточни реактори-идеални смесители
  • В методиката липсват ясни указания относно необходимата процедура за доставяне на субстрат за процесите на денитрификация, протичащи в цикъла след периода на аериране (нитрификация)
atv 210 200 91
Технологично оразмеряване на биореактори по методиката ATV - М210 / 2009 г.

Основни констатации (2)

  • МетодикатаATV - М210 не обвързва методично избора на продължителността на цикъла - tzс необходимата степен на пречистване, но такава зависимост на практика съществува
  • Важно е да се има предвид, че с изменението на tzсе изменя както утайковото натоварване, така и възрастта на утайките, които са пряко свързани със степента на редуциране на субстрата, т.е. – със степента на пречистване
  • Горният ефект се дължи на варирането на водното количество и на концентрациите на замърсителите през часовете на денонощието, при което отделните SB реактори през отделните цикли са натоварени различно
  • Адекватният избор напродължителността на цикъла - tzе пряко свързан с избора на броя на реакторите
atv 210 200 92
Технологично оразмеряване на биореактори по методиката ATV - М210 / 2009 г.

Основни констатации (3)

  • Едно от основните изисквания в методиката е броят на реакторите – nда бъде равен на отношението на общата продължителност на цикъла – tzи времето за пълнене на реактора – tF, т.е.n= tz / tF
  • За съжаление в нашата проектантска практика това условие рядко се спазва, като нарушенията водят до периоди от денонощието, когато всички реактори са ангажирани със съответните технологични фази на пречистване и никой от тях не е в състояние да приеме непрекъснато постъпващия в станцията поток отпадъчни води
slide33
Информационните технологии в съвременните методики за оразмеряване на съоръженията за биологично пречистване – съдържание и ограничения

Основни изводи и предложения (1)

Те се съдържат в уводните бележки на т.н. “Работни листове” или “Наръчници”, както са наречени разгледаните оразмерителни методики на DWA (ATV) в самите тях, където относно прилагането им са дадени следните

“Указания за потребителя

  • Всеки може свободно да ползва наръчника. Задължение за използване може да има в резултат на правни или административни предписания, договор или друга правна основа.
  • Този наръчник е важен, но все пак не и единствен източник за професионални решения. Посредством използването му никой не се освобождава от отговорност за собствените си действия или за правилното приложение в конкретния случай: това важи особено за професионалното използване на дадената от наръчника свобода на действие.”
slide34
Информационните технологии в съвременните методики за оразмеряване на съоръженията за биологично пречистване – съдържание и ограничения

Основни изводи и предложения (2)

  • “За оразмеряването на пречиствателни станции могат да се изведат индивидуални оразмерителни параметри и от опити, проведени на място. Необходимите за това опитни инсталации трябва да бъдат оборудвани най-малкото в полузаводски мащаби и да бъдат експлоатирани най-малко 9 месеца при близки до реалните условия.”
  • “Пилотни изследвания, проведени на опитни станции или на станции в експлоатация, служат за проверка на дадена концепция и за определяне на параметрите при условия, близки до практиката.
  • Чрез такива опити оразмеряването ще е правилно и често довежда до икономия на средства. С данните могат да се получат подобрени изходни параметри за динамичното симулиране за получаване на резултати относно различни експлоатационни състояния, необхванати при опитите.”
slide35
Информационните технологии в съвременните методики за оразмеряване на съоръженията за биологично пречистване – съдържание и ограничения

Основни изводи и предложения (3)

  • “Промяната на параметрите на процеса като потребност от кислород, съдържание на сухо вещество в утайката, концентрация на субстрата и др. по времето на един цикъл в пречиствателните станции с биореактори с циклично действие е динамичен процес. Затова се препоръчва и използването на компютърни програми за динамична симулация като помощно средство.”
slide36
Информационните технологии в съвременните методики за оразмеряване на съоръженията за биологично пречистване – съдържание и ограничения

Основни изводи и предложения (4)

  • Отговорното професионално и творческо прилагане на приетите в нашата практика оразмерителни методики, в съчетание със съвремените динамични модели, програмни продукти и пилотни инсталации, може да спести излишни и недостатъчно обосновани капиталови и експлоатационни разходи, изчислени “по книга”
  • Творческото прилагане на тези оразмерителни подходи е в компетенцията на добре подготвени в тази област инженерни кадри
  • Необходимо е да преостановим повсеместната практика у нас - проектирането на важните и скъпи пречиствателни станции да се извършва “по книга” и да се обърнем към реалните параметри на пречиствателните процеси и съоръжения, които във всеки отделен случай са строго специфични