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


  • 279 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

Лекционен курс “Компютърно моделиране на ПСОВ ”


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