Ваш браузер устарел. Рекомендуем обновить его до последней версии.
Поля, помеченные символом *, обязательны для заполнения.
Компьютерное моделирование

Математическое компьютерное моделирование сооружений очистки сточных вод

Для того что бы определить необходимость и преимущества применения математического компьютерного моделирования процессов, происходящих на сооружениях очистки сточных вод, следует ответить на ряд вопросов: 

1. Что такое математическое моделирование 2. Каковы его преимущества 3. Чем полезен данный метод при проектировании и эксплуатации станций биологической очистки сточных вод 4. И, наконец, стоит ли бояться применения компьютерного моделирования в силу его сложности

1. Что такое математическое моделирование сооружений очистки сточных вод?

  1. Математическое моделирование является наиболее точным методом расчета сооружений, использующее наиболее современные представления о процессах, происходящих в сооружениях очистки сточных вод.   В принципе любой расчет сооружений, использующий  математические зависимости, описывающие работу сооружений, является математической моделью данных сооружений. Основной вопрос заключается в точности и возможностях такой  математической модели.

Для расчета сооружений очистки сточных вод можно использовать три основных подхода:

  • расчет на основании СНиП и его приложений или аналогичных источников (рекомендаций научных организаций, зарубежных методик расчета и т.п.);
  • стехиометрический расчет с использованием подходов современного математического моделирования;
  • применение современных математических моделей  с моделированием установившейся ситуации и  динамическим моделированием.

При этом количество одновременно используемых формул возрастает по мере усложнения расчета. Расчеты, основанные на СНиП, могут выполняться с использованием обычного калькулятора. Для использования стехиометрических расчётов предпочтительнее использовать общедоступные компьютерные программы, чаще всего Excel.  Для использования более сложных математических моделей используется специализированные компьютерные программы, особенно это относится к динамическому моделированию, где происходит совместное численное интегрирование десятков дифференциальных уравнений.

Для каждого метода имеются свои достоинства и недостатки.

Первый подход позволяет достаточно быстро получить приблизительную картину работы сооружений, т.е. ответить на вопрос будет/не будет работать и качественно оценить работу сооружений (хорошо/плохо). Этот подход мало приемлем для оптимизационных расчетов, так как изменение любого параметра системы требует практически полного перерасчета, что весьма трудоемко. Тем не менее, на основе СНиП 2 -04.03.85  создавались методики оптимизации и оценки производительности сооружений биоочистки. Одной из наиболее точных и современных методик позволяющих рассчитывать современные процессы очистки сточных вод  с использованием калькулятора  является  немецкая методика ATV-A131, сложность расчетов по которой приближается к построению математических моделей, поэтому на ее основе чаще создается индивидуальный расчет на базе Excel.

Стехиометрический расчет и расчет с использованием динамического моделирования исходят из фракционированной величины химического потребления кислорода ХПК, которая определяется более точно и главное является балансовой величиной. Наиболее часто применяемые для расчета «в ручную» расчетные подходы исходят из величины биологического потребления кислорода за 5 суток БПК5 (а так же БПК7 или БПКполное) как показателя концентрации органических веществ.  Данная величина не только сложна в определении, но и результаты определения зависят от многих факторов (состава воды, влиянием нитрификации в пробах, свойствами используемой биомассы).

Величина ХПК и фракционированного ХПК удобна тем, что позволяет (в отличие от наиболее принятой у нас величины БПК) полностью описать материальный баланс  по органическим загрязнениям, затратам кислорода, образованием избыточного ила и осадков. Пример такого подхода представлен на схеме 1. 

Баланс ХПК при аэробной обработкеБаланс ХПК при аэробной обработке

Стехиометрические расчеты оптимально использовать для предварительного выбора технологической схемы и оценки энергоэффективности процессов в стационарном состоянии.  В данном случае используется значительно меньше уравнений, чем при динамическом моделировании. При этом  разрабатывается индивидуальная математическая модель существующих сооружений, которая позволяет оценить потоки масс загрязнений, биомассы, растворенного кислорода, биогенных элементов, выработку метана, общие энергозатраты и подбор основного технологического оборудования (мешалок, насосов, аэраторов, воздуходувок, фильтр-прессов, дисковых фильтров, уф-установок для обеззараживания, станций дозирования реагента, флотаторы) для оптимальной работы первичных отстойников, аэротенков, вторичных отстойников. Применение данного типа математических моделей позволяет обосновывать применение современных энергосберегающих технологий, в том числе и мембранных аэрационных систем.

Применение динамического моделирования требует наиболее сложного математического аппарата и применения специализированных программ или программных комплексов предназначенных для компьютерного математического моделирования станций очистки сточных вод. В СССР разработка математических моделей активно проводилась группой  ИВП АН СССР  и до середины 90-х годов в России под руководством В.А. Вавилина. Разрабатываемые в то время математические модели вполне соответствовали описанию  процесса и точности мирового уровня. Были созданы такие математические модели как «Азот», «Азот2», «Метан». Модель «Азот 2»  была успешно использована при проектировании первых крупных сооружений нитри-денитрификации в России на Люберецкой станции  в 1996-1997 году. Опыт ее применения показал, что при соответствующей настройке удалось получить высокую точность расчетов и внедрить в практику  ранее не использовавшийся в крупных масштабах процесс очистки.

Решающий прорыв в области создания современных моделей сооружений очистки сточных вод, позволивший сделать их средством проектирования и исследования режимов станций очистки сточных вод, был сделан международной группой специалистов – исследовательской группы по моделированию процессов с активным илом International Water Association (IWA) под руководством М. Хенце.  Этой группой были созданы модели ряда ASM – activated sludge model. Модель ASM1, созданная в 1986 году, описывала процессы аэробного окисления органических веществ и нитри-денитрификации. Современные математические модели  создаваемые группами ведущих мировых специалистов позволяют описывать все основные процессы применяемые в очистке сточных вод, в том числе и наиболее сложные биологические процессы удаления азота и фосфора.)

2. Каковы преимущества математического метода моделирования сооружений очистки 

 Для использования современных программных комплексов, в которых строится математическая модель конкретной станции очистки сточных вод важны, как возможность использования различных современных моделей, в первую очередь биологической очистки сточных вод, так и удобство интерфейса комплекса и его связь со стандартными программами для оформления результата математического моделирования.

Нами предлагается моделирование сооружений очистки сточных вод с    использованием одного из самых современных программных комплексов  - комплекса GPS-X (Канада). На сегодняшний день мы являемся официальными сертифицированными специалистами с многолетним опытом работы при проектировании очистных сооружений на базе данного комплекса.

Каковы преимущества математического моделирования сооружений очистки сточных вод?

Первым преимуществом применения математических моделей станций очистки сточных вод является значительно более высокая точность расчетов, чем при применении других методов.  Это преимущество связано с более детальным и точным описанием процессов очистки.

Вторым весьма значимым преимуществом математического моделирования очистных сооружений является возможность быстрой проработки нескольких вариантов технологических схем. Созданная и грамотно настроенная исходная компьютерная математическая модель очистной станции позволяет прорабатывать на её базе различные варианты технологии схем, сравнивать данные варианты и определять оптимальную. При этом возникает уникальная возможность получить рабочую  виртуально модель станции биологической очистки без существенных  затрат денег, какие бы потребовались в случае достичь оптимальной схемы технологического процесса на практике с значительными финансовыми и временными затратами как на стадии реконструкции так и при создании новой станции. 

Третьим преимуществом применения метода математического моделирования для очистных сооружений является возможность построения модели станции совместно с системой автоматического управления.  Т.е. в этом случае строится не только математическая модель процессов, но взаимосвязанная с ней математическая модель системы управления. Это позволяет проектировать и  оптимизировать системы автоматического управления процессом очистки сточных вод с максимальной эффективность управления   и минимальным количеством оборудования.

3. Что может дать метод математического моделирования для проектирования и эксплуатации станций очистки сточных вод

Математические модели станций очистки сточных вод при проектировании позволяют, в первую очередь, избежать ошибок при выборе оптимальной технологической схемы. Если сооружения очистки сточных вод рассчитываются без применения математического моделирования выбор технологии практически полностью зависит от опыта проектировщика и компетентности персонала заказчика в области новых, а иногда и новейших достижений в очистке стоков. Очевидно, что здесь крайне велика роль субъективных факторов. С использованием математических моделей «проигрывается» несколько различных вариантов технологии с оценкой как технологических параметров, так и основных эксплуатационных затрат. Таким образом, модель выступает в роли инструмента независимой оценки предложенных технологических вариантов.

При этом для наилучшего варианта с ее помощью оптимизируются как размеры отдельных сооружений, так и соотношения размеров зон (анаэробная, аноксидная, аэробная) в сооружениях. Далее для выбранных процессов полностью отрабатывается конфигурация системы автоматического управления. При этом время проектирования не возрастает, так как время необходимое на математическое моделирование (от одного до двух месяцев) компенсируется отсутствием расчётов технологических схем «в ручную».

Для эксплуатации очистных сооружений математическое моделирование процесса очистки сточных вод позволяет провести глубокий анализ режима эксплуатации станции и полезно как при разработке регламентов эксплуатации, так и при разработке программ модернизации.

4. Стоит ли боятся применения метода математического моделирования процессов очистки сточных вод в силу его сложности?

Вряд ли большинство пользователей, к примеру, системой Windows, или при отправке сообщения по электронной почте, задумываются о том, сколько операций в двоичных кодах в этот момент производит их компьютер. Для любого пользователя здесь важна возможность печатать, считать, просматривать и изменять документы или общаться – т.е. результат.

С другой стороны, если пользователь не знает и не умеет применять программы, установленные на компьютере, результат может оказаться совсем не тот, какой ожидается. Еще хуже если пользователь пытается использовать непрофессиональные непроверенные программы. В этом случае можно не только не получить ожидаемый результат, но и нарушить работу остального программного обеспечения.

Точно так же и с применением математического моделирования процессов очистки сточных вод.  Для использования данного метода необходимо использовать проверенные в мировой практике продукты и знать методы их использования и понимать технологические процессы, происходящие на станциях очистки сточных вод.

Безусловно, для этого требуется серьезная подготовка. Но ведь это справедливо для всех современных программных продуктов.  Если, скажем, есть необходимость сделать трехмерный макет автомобиля в большинстве случаев нет необходимости изучать программы трехмерной графики. Такую проработку сделают с использованием стандартных программ граммотные менеджеры любого крупного салона.

Поэтому применения метода математического моделирования, безусловно, не надо опасаться, но для этого его должны выполнять граммотные специалисты на проверенном программном комплексе. 

И в заключение  - в новой редакции СНиП математическое моделирование процессов биологической очистки рекомендуется как основной метод для расчёта сооружений с биологическим удалением азота и фосфора.