Математическое моделирование объекта очистки сточных вод

Построение математических моделей используется в условиях, когда механизм описываемого явления изучен недостаточно. Наблюдая за реакцией исследуемой системы, составляют гипотетическую модель явления, которая затем эмпирически проверяется в различных условиях с целью уточнения отдельных ее параметров. Поисковые модели могут использоваться, в том числе, и для описания основных стадий очистки сточных вод, как это. Авторы статьи рассматривают приводимые материалы исключительно как пример. В случае конкретных очистных сооружений цель и задачи исследований соответствуют реальным условиям существующих очистных сооружений и оборудования, показателям качества сброса очищенных вод в водоем, а также требованию заказчика

Актуальность: Время диктует необходимость ускоренной разработки проектов нового строительства и/или реконструкции сооружений водоотведения. В условиях практически устаревших норм СНиП (2.04.03-85) и отсутствия Технологического регламента требуется справляться с достаточно сложными задачами: соответствие используемых технологий очистки и оборудования лучшим мировым стандартам с повышенной эффективностью и/ или КПД, жесткие Российские требования к ПДС, автоматизация процессов с целью энергосбережения и стабилизации качества очистки, использование энергии биогаза. Механизм взаимосвязанных сложных и многочисленных технологических расчетов очистных сооружений водоотведения, включая системы обработки осадка сточных вод и их доочистку с использованием средств математического моделирования, до настоящего времени недостаточно изучен. Достаточно нерегулярно анализировались математически с использованием современных средств моделирования отдельные узлы технологической схемы очистки сточных вод, по большей части аэротенков с выделением зон под процессы дефосфотации, денитрификации и нитрификации. Правильный выбор эффективных технологических схем, носящий комплексный характер, из множества существующих позволил бы с высокой точностью реализовывать на практике цепочку сооружений водоотведения контролируемых средствами автоматизации, которые призваны компенсировать неравномерность поступления исходной технологической нагрузки по расходам и концентрациям загрязнений. А также с математической точностью перераспределять нагрузки на отдельные единичные сооружения очистки сточных вод, учитывая множественные внутренние рециркуляционные контуры, очереди строительства, сооружения обработки осадка и стадию доочистки.

Новизна: Предложен метод оптимизации и ускоренной разработки проектно- технологических и конструкторских решений на базе использования современных средств математического моделирования. Предложенный метод был реализован для проектно- технологических и конструкторских вариантов реконструкции и нового строительства, включая сооружения обработки осадков сточных вод и их доочистки. Метод предполагает использование программного комплекса GPS-X (Канада) и позволяет формировать любую схему очистки сточных вод с обработкой осадков на базе математических модулей сооружений (механической, биологической, физико - химической очистки и дезинфекции) различных гидродинамических структур. Данный подход позволил ЗАО «ВИВ» обеспечить внедрение технологии удаления азота и фосфора на 12 объектах общей производительностью 2 млн. 200 тыс. м 3/сут. 

Метод, освоенный ЗАО «ВИВ» позволяет сократить в разы время, а также затраты на разработку ТЭО проектов, сооружений очистки сточных вод, и включает следующие стадии:

• Отбор на месте не менее 144 проб и их респирометрический анализ (разработка «ВИВ»)

• Определение характера изменения скорости дыхания ила и кинетических коэффициентов по длине сооружений.

• Построение управляемой по колебаниям притока и концентраций математической модели, включающей все стадии очистки: механическую, биологическую с удалением биогенов, обеззараживание и обработку осадка с рекуперацией газов.

• Подбор оправданного по затратам оборудования, способного автоматически изменять характеристики адекватно колебаниям потоков и концентраций в увязке со своей цепочкой сооружений.

• Сравнение вариантов технологических схем, оптимизация процессов и сооружений очистки.

Поставка оборудования, его шефмонтаж и технологическая наладка на объекте.

Математическое моделирование

Цель математического моделирования – выбор оптимальной технологической схемы очистки сточных вод до требуемых норм по органическим  загрязнениям (ХПК, БПК), по биогенным элементам (формы азота, фосфор). 

Учесть взаимодействие между тремя процессами, для которых необходимы различные условия, и спроектировать установки, в которых такие процессы протекают, без применения математического моделирования довольно сложно.

Программный комплекс GPSX 5.0 (Hydromantis, Inc. (Канада) http://www.hydromantis.com/ GPS-X.html) позволяет формировать любую схему очистки сточных вод с обработкой осадков на базе математических модулей сооружений (механической, биологической, физикохимической очистки и обеззараживания). Это реализует для практики (новое строительство и реконструкция) возможность абсолютно точного учета баланса масс в сложных условиях реальной неравномерности поступления исходной технологической нагрузки по расходам и концентрациям загрязнений. В ходе расчетов имеется возможность моделирования и оптимизации системы управления. При динамическом моделировании управления воздухом возможно обосновать экономию электроэнергии при внедрении управляемых воздуходувок. Моделирование сбраживания осадка позволяет наиболее точно предсказывать степень распада и получения биогаза.

Математическое моделирование выполняется в несколько этапов:

1. Построение и настройка модели очистных сооружений при существующем технологическом режиме работы;

2. На основании настроенной модели оценивается применимость различных технологических схем удаления биогенных элементов для существующих объемов, качества поступающей воды и конструктивных особенностей. Результат моделирования – выбор оптимальной технологической схемы реконструкции. 

Настройка модели (существующий технологический режим)

На рис. 1 (2.1). изображена блок-схема очистных сооружений, которая включает поступающий сток (1), первичные отстойники (2), аэротенки (3) и вторичные отстойники (4).

Первым этапом построения модели является последовательное детальное описание поступающего стока и сооружений, входящих в существующую технологическую схему

Конечным продуктом моделирования являются графики, описывающие основные технологические параметры. На этапе построения модели существующего режима работы канализационных очистных сооружений, наибольший интерес вызывают графики тех параметров, которые можно сравнить с существующими, предоставленными Заказчиком. Например, различие между значениями по ХПК, взвешенным веществам на входе по модели и реальными значениями не превышает 10%. Сравнивая данные, полученные в ходе математического моделирования, и измеренные данные по наиболее чувствительным параметрам (рис. 2-4 (2.2 – 2.4) можно сказать, что математическая модель настроена верно.

Моделирование процесса нитри-денитрификации

Анализ существующего технологического режима позволил сделать вывод, что после первая треть регенератора (регенератору соответствуют первые 4 условные зоны аэротенка) используется технологически неэффективно и может использоваться как резервный объем для дальнейшей реконструкции сооружений, а именно для реализации процесса нитри-денитрификации. Сохранение части регенератора и рассредоточенного впуска воды позволяет максимально сохранить достоинства существующей конструкции аэротенка и минимизировать работы по реконструкции при переходе на технологию удаления азота. Графическое описание предлагаемой технологической схемы представлено на рис. 5 (3.1).

Моделирование работы предлагаемой технологии при существующем среднем расходе позволило получить следующие данные (табл. 1 (3.1).

В целом, как показали результаты моделирования, при реализации данного процесса качество очищенной воды будет соответствовать установленным нормативным требованиям и предложенная схема очистки с удалением азота может быть рекомендована для реализации в существующих объемах очистных сооружений.

Моделирование процессов совместного удаления соединений азота и фосфора

При моделировании процесса удаления фосфора в существующих сооружениях для выбора технологической схемы наиболее важной являлась возможность перехода от процесса удаления азота к процессу совместного биологического удаления азота и фосфора с внесением минимальных конструктивных изменений. Поэтому была выбрана схема процесса типа А2/О с частичной подачей сточных вод перед основной анаэробной зоной для снижения влияния нитратов. Предлагаемая технологическая схема представлена на рис. 7 (4.1).

В соответствии с данной технологической схемой, сохраняется существующая подача возвратного ила. Первоначально к илу добавляется 25% сточных вод для удаления остатка нитратов, поступивших с возвратным илом. Далее по ходу движения иловой смеси выделяется анаэробная зона, где происходит выделение фосфатов и накопление внутриклеточного резерва питательных веществ микроорганизмами дефосфотации. В дальнейшем осуществляется процесс с периодической по ходу движения сточных вод нитри-денитрификацией.

Заметно, что конструктивно полученные сооружения минимально отличаются от принятых для удаления азота. Это важно, поскольку удаление азота- предполагается внедрением как первоначальный этап реконструкции. Будущее очистных сооружений, так или иначе в совместном удалении азота и фосфора.

Моделирование биологического удаления фосфора в условиях существующих гидравлических нагрузок и концентраций поступающей воды показало, что процесс происходит достаточно активно, однако концентрации в очищенной воде как по фосфатам, так и по взвешенным веществам не удовлетворяют требованиям.

Для получения лучших результатов по удалению фосфора и снижению выноса ила были рассмотрены следующие технологические приемы:

• для увеличения концентрации органических веществ, участвующих в процессе биологического удаления фосфора было оставлено в работе два первичных отстойника;
• был сокращен расход поступающих сточных вод по среднему притоку на 15%;
• для увеличения эффективности вторичных отстойников при возрастающем в силу уменьшения поступающего расхода коэффициенте рециркуляции был изменен уровень ввода ила во вторичном отстойнике (увеличена глубина «юбки»);
• уменьшение нагрузки на вторичные отстойники и увеличение эффективности их работы позволило уменьшить расход избыточного ила на 33% (несколько увеличив дозу ила в аэротенке).

Результаты моделирования показали, что при снижении поступающего расхода на существующие сооружения на 15% и конструктивно простом решении перехода на процессы совместного удаления азота и фосфора могут быть достигнуты хорошие показатели качества очищенной воды. 

Производительность сооружений дополнительного блока определена исходя из расчетной производительности станции и определенной производительности существующих сооружений.

Для совместного удаления биогенных элементов на вновь строящемся блоке принят процесс MUCT (рис. 8 (4.2).), в соответствии с которым возвратный активный ил поступает в зону денитрификации возвратного ила и оттуда дополнительными насосами (рецикл MUCT) перекачивается в начало аэротенков. Денитрификация сточных вод осуществляется как в зоне денитрификации возвратного ила, так и в последующей карусельной зоне нитри-денитрификации. Данный процесс, как было неоднократно показано ранее, с точки зрения удаления биогенных элементов обеспечивает лучшее качество очистки, чем процесс А2/О, принятый для существующего блока. Однако, он значительно более сложен в конструктивном решении.

Моделирование работы предлагаемой технологии позволило получить следующие данные (табл. 2 (4.1)).

Проектом реконструкции также предусматривается:

• Изменение схемы обработки осадка с использованием сбраживания осадка и возврата энергии;

• Доочистка сточных вод с использованием однослойных фильтров с крупнозернистой загрузкой;

• Ультрафиолетовое обеззараживание;

• Автоматизация процессов очистки сточных вод

На рис. 9 (5.1). представлена комплексная схема очистки сточных вод с результатом её математической обработки. Приводятся изменения параметров (по времени и по длине сооружений, а также положения контроллеров или технологических параметров).

Приводятся изменения параметров (по времени и по длине сооружений, а также положения контроллеров или технологических параметров)

Определение фракций ХПК в сточных водах и их использование в расчетах современных технологий биоочистки.

Для характеристик концентраций органических веществ в сточных водах длительное время использовались показатели ХПК и БПК. Однако при расчете современных технологий биологической очистки их оказалось недостаточно. Для моделирования наиболее сложных технологий совместного удаления азота и фосфора «наиболее важным шагом в развитии и примени стехиометрических и динамических моделей явилось детальное описание ХПК, при котором фракционирование играет основную роль. Присутствие или формирование легкоокисляемого ХПК (Sa фракция в современных моделях) является основным фактором характеристики поступающего стока, наиболее  важным для потенциальной возможности удаления фосфора. Собственно величины БПК и ХПК мало влияют на конструирование процессов удаления фосфора. Характеристики ХПК по окисляемости так же наиболее эффективны для описания явления вспухания ила, так как кинетическая конкуренция нитчатых и флоколообразующих микроорганизмов за легкоокисляемый субстрат является главным механизмом селекции, взывающим преимущество одного из видов. Так же, отмечается, что анализ БПК изначально не предназначался для целей проектирования станций.

Наиболее часто применяемыми в моделировании являются следующие фракции:

• Растворенное ХПК – биоокисляемое (легкоокисляемое) и инертное;

• ХПК взвешенных веществ - биоокисляемое (меделнноокисляемое, скорость определяется гидролизом) и инертное.

Для моделей описывающих удаление фосфора доплнительно выделяются летучие жирные кислоты - ЛЖК - потребляемые фосфатаккумулирующими микроорганизмами (ХПК ФАО) и быстроферментируемое ХПК (до ЛЖК ) Фракционирование ХПК представлено на рис. 10 (6.1).

Распределение фракций зависит от многих причин - особенностей формирования водопотребления, наличия промстоков, поступления ливневых вод даже от времени нахождения воды в коллекторах (при длительном времени нахождения частично происходит гидролиз). Распределение фракций ХПК для некоторых стран представлено на рис. 11 (6.2). 

Рисунок показывает, что распределение фракций достаточ- .нартс хынзар ялд ястеачилто он Аналогичная картина может наблюдаться и для разных объектов внутри одной страны. Так для ЮАР концентрации фракции Ss (наиболее важной для расчетов технологий удаления биогенных элементов) колеблется от 68 до 135 мг/л. 

Использование фракционированного ХПК в моделях описывающих полный цикл очистки, включая обработку осадка, может быть пояснено следующей схемой (рис. 12 (6.3).

Инертное растворенное ХПК проходит все стадии очистки и определяет минимальное ХПК в очищенной воде. Взвешенное инертное ХПК и взвешенное биоокисляемое ХПК частично задерживаются в первичных отстойниках, причем их соотношение в дальнейшем определяет эффективность сбраживания сырого осадка и количество получаемого метана. Оставшееся после первичных отстойников инертное ХПК взвешенных веществ впрямую переходит в активный ил, формируя часть прироста. 

Растворенное биоокисляемое ХПК обуславливает часть прироста ила и затрат кислорода. В схемах с дефосфатацией и денитрификацией эта часть так же обуславливает возможность получения ЛЖК для микроорганизмов фосфат аккумуляторов и денитрифакцию с высокими скоростями процесса. 

Биоокисляемое ХПК взвешенных веществ сначала гидролизуестя до лекгоокисляемой еелад и икинагро йоннеровтсар используется таким же образом. Скорости процесса при использовании биоокисляемого ХПК взвешенных веществ лимитируются скоростью гидролиза.

Соотношение инертного взвешенного ХПК, приросшего ила, бионеокисляемой фракции ила (определяется отдельно при калибровке моделей) - определяет биоразлогаемость избыточного ила при сбраживании.

Для определения фракционного состава по ХПК предложены методы, в основе которых для оценки биоокисляемости используются респирометры. Эти методы считаются наиболее надежными и позволяют получать не только фракционный состав по ХПК, но и ряд других важнейших коэффициентов, используемых при моделировании. Например коэффициент прироста, коэффициенты полунасыщения по субстрату и кислороду и др. В то же время респирометрическое оборудование не является общедоступным для лабораторий станций очистки сточных вод, в результате чего фракционирование ХПК превращается в задачу, решаемую научными лабораториями.  

Развитие лабораторной техники, на наш взгляд, позволяет разработать методику для определения фракционного состава ХПК с одновременным получением других традиционных показателей. Решающее значение при этом имеет появление на рынке приборов и методик позволяющих проводить точное определение БПК. Известно, что определение БПК 5 и БПК полное методом разведения используемое в нашей стране как стандартный метод имеет ряд существенных недостатков. На величину получаемую в качестве БПК 5 влияют такие факторы как: степень адаптации используемого ила к веществам в данной сточной воде, перемешивание, освещенность, мутность. БПК пол менее зависит от данных показателей, и в конечном итоге является некоторой достаточно точной оценкой концентрации биоокисляемых веществ. Уже в 70 – 80 годы наиболее точным считалось определение БПК пол с использованием кинетической кривой построенной по точкам, определяемым в ходе анализа. Для городской сточной воды при описании кинетики БПК ниболее часто используется выражение БПКт = БПК пол * (1-10^-Kt). При использовании WTW Oxitop (рис. 13 (6.4) имеется возможность определения БПК полного как предельной величины экспоненциальной функции описывающей БКК (t). При этом определение БПК проводится в соответствии со стандартной методикой прибора с подавлением нитрификации и получением большого числа точек в течении эксперимента. 

Параллельно так же ставится опыт с тем же активным илом и стандартным субстратом, содержащим только легкоокисляемую органику (раствором глюкозы и глютаминовой кислоты в соотношении 1/1 с общим ХПК =41,435 мг/л).

Соотношение легкокисляемого ХПК и потребления кислорода определенного как предел БПК описывается следующим балнсом массы по ХПК и кислороду

COD biox = O2 + Y* fsi*COD biox

где:

lim BODs (t) – БПК полное растворенной фракции определенной как предел экспоненциальной функции БКК (t). 

Y – максимальный коэффициент прироста гетеротрофов. 

fsi – бионеокисляемая компонента ХПК ила. 

В результате соотношение ХПК и БПК пол может быть представлено формулой 

K = COD biox/BODf = 1/(1+Y* fsi)

Зависимость К от степени самоокисления ила (от 35 до 60%) и коэффициента прироста представлена на рис 14 (6.5). 

С учетом того, что при времени определния БПК 20 сут (обычно применя6тся для определения БПК пол) и температуры 20С окисляется 40% ила для среднего значения прироста теоретически коэффициент К должен составить 1,5.

На рис 6.6 представлен типичный график обработки БПК контрольной пробы. БПК пол для стандартного раствора составило 27,9 мг/л.

Коэффициент К составил 1,485.

Другие эксперименты по определению данной величины представлены в таблице 3 (6.1).

Результаты показывают, что хотя диапазон изменения коэффициента соотношения биоокисляемого ХПК к БПК зависит в основном от применяемого ила. И близок к теоретическому, Его предпочтительно определять в каждом эксперименте, особенно при использовании специфической биомассы адаптированной к промстокам

При определнии соотношения ХПК лекгоокисляемого к БПКп возможно определить величины Ss и Si для фильтрованной пробы 

COD Ss = lim BODs (t)*kCOD

COD Si = COD St – СOD Ss

где 

COD Ss – ХПК легкоокисляемой органики в растворенной форме

COD St – ХПК растворенное общее 

COD Si – ХПК растворенное инертное

Далее учитывая что:

tDOC= СODSs+CODSi+CODXs+CODXi

где 

CODt – ХПК общее (натуральной пробы)

CODXs – ХПК биоокисляемое взвешенных веществ

CODXi – ХПК бионеокисляемое взвешенных веществ 

Можно путем анализов общей пробы найти следующие величины:

COD ts = lim BODt (t)*kCOD

COD ti = CODt – CODts

COD Xs = CODts – COD Ss

COD Xi = CODti-CODSi

где

COD ts - общее биоокисляемое ХПК в натуральной пробе

COD ti - общее инертное ХПК в натуральной пробе

Таким образом, могут быть вычислены основные фракции ХПК. Типичные кривые по определению БПК пол для фильтрованной и натуральной пробы представлены на рис. 16 и 17 (6.7 и 6.8).

Общая точность определения фракционного состава в данном случае будет зависеть не только от точности определения БПК, но и от точности определения ХПК. Для определения ХПК общего, растворенного и коллоидной части в минимум 2х повторностях в данных экспериментах использовался COD реактор (рис 6.4) с последующим определением ХПК на спектрофотометре (методика стандартная для приборов НАСН).

Результаты определений ХПК общего, растворенного и коллоидной части для разных проб представлены в таблице 4 (6.2).

Так же в таблице 4 (6.2) представлено значение удельного ХПК взвешенных веществ, которое требуется для расчетов по модели

В таблице 5 (6.3) представлены результаты определения ХПК по фракциям биоокисляемости. 

При этом, наряду с информацией по фазовому распределению и фракционированию ХПК по биоокисляемости, так же в ходе анализа наиболее точным методом величина БПК полн и кинетический коэффициент по БПК. Кинетический коэффициент дает дополнительную информацию об окисляемости сточной воды и соотношении БПК 5 и БПКпол.(5:6).

Таким образом, сточная вода характеризуется в соответствии со стандартным анализом.