Лекционен курс “Компютърно моделиране на ПСОВ ”

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

2. 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

3. 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

4. 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):

5. 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

6. 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

7. 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

8. Основни принципи при моделиране на процесите в биореакторите 3. Дифузионен (конвенционален) реактор: D – коефициент на надлъжна турбулентна дифузия, m2/s

9. 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

10. 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

11. Основни принципи при моделиране на процесите в биореакторите 2. При идеален реактор-смесител: Или окончателно:

12. Основни принципи при моделиране на процесите в биореакторите 3. При каскаден (клетъчен) реактор: Или окончателно:

13. 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:

14. 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.

15. 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.

16. Основни принципи при моделиране на процесите в биореакторите Основни (идеални) хидродинамични типове реактори в ляво – идеален “бутален”; в дясно – идеален смесител

17. 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

18. 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

19. 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)”

20. 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

21. 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)

22. 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)

23. 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

24. 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

25. 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

26. . 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

27. . 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

28. 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

29. Университет по архитектура, строителство и геодезиякатедра “Водоснабдяване, канализация и пречистване на водите” Автоматизиранилабораторни биореактори

30. 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)

31. 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

32. 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

33. 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.”

34. 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.”

35. 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.”

36. 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