CC BY
59УДК 628.35
ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
Ж. В. Назмудинова, С. В. Соболева* Научный руководитель - В. М. Воронин
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
Е-mail: swet.soboleva2011 @yandex.ru
Исследована возможность моделирования процесса биологической очистки сточных вод в аэротенках.
Ключевые слова: сточная вода, моделирование, аэротенк.
A SIMULATION STUDY OF THE PROCESS OF BIOLOGICAL WASTEWATER TREATMENT
J. V. Nazmutdinova, S. V. Soboleva* Scientific Supervisor -V. M. Voronin
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation *E-mail: swet.soboleva2011 @yandex.ru
The possibility of modeling the process of biological wastewater treatment in aeration tanks is investigated.
Keywords: wastewater, modeling, aeration tank.
Очистка стоков промышленных предприятий и жилищно-коммунального комплекса - важнейшая задача, стоящих перед современным обществом, одним из путей решения которой является биологическая очистка сточных вод. При промывке ракетных двигателей основными загрязнителями являются органические соединения различной природы. Их можно очищать и утилизировать различными методами. Применительно к промышленным системам аэробной биологической очистки сточных вод речь идет о протекании естественных процессов самоочищения воды в наиболее благоприятных условиях культивирования микроорганизмов в аэротенках [1].
Для создания надежных методов расчета очистных сооружений, обеспечивающих требования уровня производства, необходимо применение современных методов моделирования, которые заключаются в исследовании объектов и прогнозировании их поведения по результатам наблюдения за их моделями [2]. Воспроизведение динамических свойств исследуемой системы с использованием численных методов и ПК составляет основу метода имитационного моделирования. Под имитационным моделированием понимают процесс построения сложной системы и проведения серий экспериментов с этой моделью, направленных либо на понимание специфики функционирования системы, либо на выработку стратегии управления, удовлетворяющей выбранным критериям. Основной особенностью метода имитационного моделирования является организация машинных экспериментов с моделью. Имитационное моделирование в этом отношении аналогично экспериментированию с натурными объектами, хотя модель в этом отноше-
нии представляет гораздо больше возможностей [3]. Совершенствование процессов очистки сточных вод в аэротенке становится возможным на основе количественного анализа процесса с использованием математических моделей, учитывающих как особенности кинетики биологического превращения, так и особенности гидродинамического режима. Аэробные процессы биоочистки воды реализуются, как правило, в аэротенках бассейнового типа. На сегодняшний день остаются актуальными проблемы разработки методов интенификации этих объектов и математических моделей для целей проектирования и управления. Известно, что структура биоценоза активного ила является чрезвычайно сложным, а обрабатываемые потоки жидкости включают много компонентные органические и неорганические примеси. Аппаратурное оформление процесса существенно осложняется наличием трех фаз: газ - жидкость - хлопья активного ила (условно твердая фаза).
Эффективность актов биохимического окисления, таким образом, в значительной степени определяется гидродинамической обстановкой и массообменными характеристиками аппарата. Учитывая пространственное распределение процессов, проходящих в аэротенке, гетерогенность биоценоза активного ила и многокомпонентность обрабатываемых потоков, можно предположить неоднородность массообмен-ных и биохимических стадий в разных зонах аппарата в зависимости от гидродинамических режимов и состояния активного ила.
В связи с этим в данной работе предложена математическая модель переменной структуры, имеющая системно-модульный принцип построения [4].
Решетневские чтения. 2018
Схема системы биологической очистки
Схемой предусмотрена возможность распределенного питания по субстрату и воздуху. Обобщающая стационарная модель аэротенка, учитывающая распределенность потоков:
в^+¿0 ^ - и± - ь'-и _ и (ь, X, с ) = о,
с112 0 ^ (-1 -1 '
в Ч-+ X 0 ¥ - и(Х - Х—и - и (( X, с). 0, (1)
с(I Еа1а1
в ££ + кс0 М - и ^ - с™ - и3 (Ь, X, с) = 0.
сС1 0 ^ сС1 -1 п '
Граничные условия записываются в следующем виде:
в'Ь = и (ь -ь0), при I = 0;
-X
в= и(X -X0), при I = 0;
В—С = и (С -С0), при I = 0; с(Ь сК -С
(2)
- - , при I = 1к,
с с с
где в системах (1) и (2) обозначены: Ь, X, С - текущие концентрации органических примесей, биомассы активного ила и кислорода; Ь0, X0, С0 - соответствующие концентрации на входе в аэротенк; У1(1), У2(1), У3(1) - распределенные объемные скорости потоков загрязнений, биомассы и кислорода; ^ - площадь поперечного сечения; В - коэффициент продольного перемешивания сплошной фазы; К - расход воздуха; и1, и2, и3 - соответствующие кинетические члены; и - линейная скорость сплошного потока, отнесенная ко входу.
Таким образом, уравнения (1) соответствуют од-нопараметрической диффузионной модели и учитывают распределенность параметров питания. Следует отметить, что модель (1) не учитывает некоторые гидродинамические параметры, параметры структуры активного ила и адсорбционные эффекты на хлопьях активного ила [4]. В настоящее время предложено достаточно большое количество математических моделей, описывающих кинетику очистки сточных вод [5]. Предлагаемые модели являются унифицированными для расчета различных реакторов, в которых осуществляется биологическая очистка сточных вод: аэротенка, биофильтра, биологического пруда. По-
строение математической модели процесса водоочистки предполагает адекватное описание кинетики процесса. Решение этой задачи связано с идентификацией нелинейных кинетических уравнений и обычно проводится в два этапа: получение предваритель-ных(нулевых) оценок кинетических констант и уточнение этих констант. Анализ данных аналогичных процессов водоочистки позволяет определить интервалы возможного изменения параметров модели. Построение адекватной модели процесса водоочистки предполагает адекватное отражение гидродинамической структуры потоков в аэротенке. С точки зрения практики эксплуатации биологических очистных сооружений определяющей является экспертная роль компьютерного комплекса по анализу экстремальных ситуаций, а также по обеспечению экономичной эксплуатации оборудования в номинальных режимах. Так, для промышленных систем аэрации, получены оптимальные значения расхода воздуха (в 2-2,5 раза ниже существующих), позволяющие значительно снизить энергозатраты при сохранении качества очищенной воды [6].
Таким образом, результаты моделирования позволят оценить адекватность использованной математической модели для описания динамики очистки сточных вод с целью выработки дальнейших рекомендаций и оптимального управления очистными сооружениями.
Библиографические ссылки
1. Сотникова Е. В., Дмитренко В. П., Сотников В. С. Теоретические основы процессов защиты среды обитания : учеб. пособие. СПб. : Лань, 2014. 573 с.
2. Огольцов И. И., Шеваль В. В. Особенности компьютерного моделирования автоматизированных комплексов очистки сточной воды : справочник // Инженерный журнал с приложением. М. : Изд. дом «Спектр», 2010. № 8. С. 45-51.
3. Имитационный комплекс для управления очистными сооружениями в системах экологического мониторинга / С. А. Понкратова [и др.] // Математические методы в технике и технологиях : сборник трудов XV Междунар. науч. конф. Тамбов, 2002. С. 195.
4. Вавилин В. А. Математическое моделирование процессов биологической очистки сточных вод активным илом. М. : Наука, 1979.
5. Мойжес О. В., Шотина К. В. Динамическое моделирование перспективный подход к проектированию сооружений биологической очистки сточных вод // Экология и промышленность России. 2009. № 2. С. 10-11.
6. Математическое моделирование процессов очистки сточных вод в аэротенке / С. Ю. Андреев, Б. М. Гришин, В. Г. Камбург и др. // Региональная архитектура и строительство : сборник науч. трудов. 2012. № 2. С. 114-120.
References
1. Sotnikova E. V., Dmitrenko V. P., Sotnikov V. S. Theoretical bases of habitat protection processes: textbook for bachelors of higher education in the direction of "Technosphere safety". St. Petersburg : LAN, 2014. 573 p.
2. Ogoltsov I., Cheval V. V. The peculiarities of computer simulation systems wastewater treatment / Directory. Engineering journal with the app. Publishing house "Spectrum". 2010. No. 8. P. 45-51.
3. Ponkratova S. A. [et al.] Simulation complex for management of treatment facilities in environmental monitoring systems. Mathematical methods in engineering and technology : proceedings of the XV International scientific conference, Tambov, 2002. P. 195.
4. Vavilin V. A. Mathematical modeling of biological wastewater treatment activated sludge. Moscow: Science, 1979.
5. Moises O. V., Shatina K. V. Dynamic modeling is a promising approach to the design of constructions of biological sewage treatment. Ecology and industry of Russia. 2009. No. 2. P. 10-11.
6. Mathematical modeling of wastewater treatment processes in aeration tank / S. Yu. Andreev, B. M. Grishin, V. G. Kamburg, et al. / Collection of scientific works. works "Regional architecture and construction". 2012. No. 2. P. 114-120.
© Назмудинова Ж. В., Соболева С. В., 2018
