Способ определения концентрации рециркулирующего ила в системе биологической очистки сточных вод
METHOD FOR DETERMINING THE CONCENTRATION OF RECYCLING SLUDGE IN A SYSTEM FOR BIOLOGICAL WASTE WATER TREATMENT

Способ относится к области водоотведения, а также способам определения концентраций взвешенных веществ после биологической очистки сточных вод на канализационных очистных сооружениях.
К недостатку существующих способов расчета, например, по СП 32.13330.2018 «Канализация. Наружные сети и сооружения» или по учебному пособию «Глубокая очистка городских сточных вод» (авторы Б.Г. Мишуков, Е.А. Соловьева изд. 2014), относится то, что расчет вторичного отстойника осуществляется по параметрам очищенной сточной воды на его границах. Определяемые параметры при реализации таких способов являются в значительной степени усредненными величинами и не учитывают процессы, происходящие внутри. В тоже время концентрация ила в рециркуляционном потоке из середины вторичного отстойника оказывает сильное влияние на качество удаления загрязняющих веществ из сточных вод, а ее точное определение в указанных способах не является целью и выполняется условно. Поэтому применение этих методов не позволяет прогнозировать и управлять процессом очистки сточных вод.
Наиболее близким аналогом к заявляемому способу служит патент на изобретение RU №2656687, Система и способ для моделирования и расчета химико-технологических систем, G06N 7/00, G09B 25/02, опубл. 06.06.2018, Бюл. №16, включающий следующие шаги:
а) создание пользователем новой химико-технологической схемы или выбор и/или редактирование пользователем созданной или существующей химико-технологической схемы из набора химико-технологических схем посредством интерфейса ввода-вывода на клиентской стороне, сохраненных на сервере, где химико-технологическая схема описывает химико-технологическую систему, характеризующуюся, по крайней мере, одним химико-технологическим процессом, причем химико-технологическая схема состоит из модулей химико-технологической схемы, связанных входными и выходными потоками, и расчет аппаратов химико-технологической схемы выполняется расчетными модулями, реализованными в виде элементов Сервисной Шины Предприятия;
б) выбор и добавление модулей химико-технологической схемы в химико-технологическую схему и задание пользователем входных параметров химико-технологической схемы и/или параметров модулей химико-технологической схемы, включающих, по крайней мере, параметры входного потока и/или выходного потока для химико-технологической схемы, и/или параметры аппаратов химико-технологической схемы, и/или параметры для модулей химико-технологической схемы, и/или выбор расчетных модулей для модулей химико-технологической схемы;
в) передача данных, полученных в пунктах а) и б) с описанием химико-технологической схемы на сервер в виде HTTP-запроса для расчета химико-технологической схемы;
г) преобразование полученных со стороны пользователя данных на сервере в конфигурационное задание в формате Сервисной Шины Предприятия;
д) проведение расчета посредством обработки Сервисной Шиной Предприятия конфигурационного задания, причем химико-технологические потоки представлены сообщениями Сервисной Шины Предприятия и модули химико-технологической схемы представлены элементами Сервисной Шины Предприятия;
е) отправка результатов расчета химико-технологической схемы на клиентскую сторону в виде HTTP-ответа.
Имеется вариант развития, когда задаваемые параметры модулей химико-технологической схемы включают задание, по крайней мере, одного входного потока модуля химико-технологической схемы.
Имеется вариант развития, когда модулю химико-технологической схемы соответствует, по крайней мере, один расчетный модуль химико-технологической схемы, выполненный в виде программного модуля, реализованного на языке программирования.
Имеется вариант развития, когда расчетные модули создаются пользователем на языке Сервисной Шины Предприятия в дополнение к ранее созданным расчетным модулям.
Имеется вариант развития, когда модули химико-технологической схемы преобразуют входящие потоки в выходящие потоки аппаратов.
Имеется вариант развития, когда интерфейс пользователя является веб-интерфейсом
Имеется вариант развития, когда расчетные модули преобразуются на сервере в элементы Сервисной Шины Предприятия.
Имеется вариант развития, когда характеристики потоков химико-технологической схемы моделируются сообщениями Сервисной Шины Предприятия, которые включают химико-технологические параметры потоков, такие как: давление; температуру; расход, концентрации химических элементов.
Имеется вариант развития, когда Сервисная Шина Предприятия может быть построена с использованием фреймворка для интеграции корпоративных приложений «Spring Integration» основанном на ядре «SpringFramework».
Имеется вариант развития, когда описание химико-технологической схемы включено в конфигурационный файл, представленный в формате сохранения данных, например XML.
Имеется вариант развития, когда после окончания расчета химико-технологической схемы результаты расчета добавляются в конфигурационный файл в виде свойств элементов Сервисной Шины Предприятия.
Имеется вариант развития, когда конфигурационный файл сохраняется на сервере и может быть запрошен пользователем для восстановления исходной химико-технологической схемы.
Имеется вариант развития, когда описание химико-технологической схемы включает упрощенное описание модулей химико-технологической схемы, позволяющее производить быстрый расчет химико-технологической схемы.
Имеется вариант развития, когда конфигурационный файл сохраняется в базе данных.
Имеется вариант развития, когда расчетные модули подключаются к серверу для расчета, по крайней мере, одного модуля химико-технологической схемы.
Имеется вариант развития, когда модули химико-технологической схемы могут быть скомпонованы в цепочки модулей химико-технологической схемы, описывающих, по крайней мере, один аппарат, причем такая цепочка рассчитывается, по крайней мере, одним выбранным для нее расчетным модулем.
Имеется вариант развития, когда цепочка модулей химико-технологической схемы сохраняется на сервере отдельно от химико-технологической схемы в виде блока химико-технологической схемы или модуля химико-технологической схемы.
Имеется вариант развития, когда цепочка модулей химико-технологической схемы может быть добавлена в химико-технологическую схему в виде блока модулей химико-технологической схемы или модуля химико-технологической схемы.
Имеется вариант развития, когда рассчитанные на сервере характеристики цепочки модулей химико-технологической схемы, включая входные, выходные и промежуточные потоки и их характеристики, хранятся вместе с цепочкой модулей и используются для расчета химико-технологической схемы, в которую такая цепочка модулей химико-технологической схемы была добавлена.
Имеется вариант развития, когда модулю химико-технологической схемы сопоставляется элемент Сервисной Шины Предприятия, при помощи которого на сервере выполняется расчет данного модуля химико-технологической схемы.
Имеется вариант развития, когда расчет модуля химико-технологической схемы проводится на разных серверах, в зависимости от настроек Сервисной Шины Предприятия.
Для указанного способа характерна ограниченная область применения, поскольку он позволяет осуществлять только моделирование и расчет схемы по конфигурационному заданию (без разработки модели всей системы) путем применения расчетных модулей, преобразующих входящие потоки в выходящие потоки элементов и цепочек элементов схемы. По этой причине известными являются только входные и выходные потоки, характеризующиеся, по меньшей мере, расходами и концентрациями веществ. При этом значения параметров внутри каждого элемента остаются неизвестными. Для некоторых технологических процессов это является существенным ограничением. В частности, для технологических схем биологической очистки сточных вод, в которых автоматизированное управление осуществляется по алгоритмам, предусматривающим поддержание на требуемом уровне концентраций веществ не только на выходе, но и внутри элементов. Для этого их необходимо не только измерять, но и прогнозировать. Например, при определении концентрации рециркулирующего ила, откачиваемого из вторичных отстойников, где она зависит от ее расхода, а также расхода и концентрации потока на выходе. С применением известного способа концентрацию рециркулирующего ила определить невозможно.
Задачей настоящего изобретения является расширение области применения известного способа.
Поставленная задача решена так, что в известном способе, включающем, по меньшей мере, следующие шаги:
а) создание новой схемы или редактирование созданной, или существующей схемы, описывающей систему, причем схема состоит из элементов схемы и цепочек элементов схемы, связанных входными и выходными потоками, характеризующимися, по меньшей мере, расходами и концентрациями веществ, и расчет элементов и цепочек элементов схемы выполняется соответственно расчетными модулями элементов и расчетными модулями цепочек элементов схемы,
б) задание входных параметров схемы и/или измеряемых параметров элементов схемы и цепочек элементов схемы, выбор расчетных модулей для элементов схемы и цепочек элементов схемы,
в) проведение расчетов с использованием данных, полученных в пунктах а) и б),
г) представление результатов расчетов,
в соответствии с настоящим изобретением:
в качестве системы принимают систему биологической очистки сточных вод,
в качестве схемы принимают технологическую схему системы биологической очистки сточных вод,
в качестве элементов схемы принимают, по меньшей мере, аэротенк/аэротенки, вторичный отстойник/отстойники, имеющие в плане круглую форму, выполненные так, что выходной поток из аэротенка/аэротенков является входным потоком вторичного отстойника/отстойников  насосную станцию циркуляции активного ила, при этом, выходной поток вторичного отстойника/отстойников разделяют на первый  и второй  выходные потоки, при этом
выполняют декомпозицию вторичного отстойника/отстойников на совокупность концентрически расположенных и подэлементов, имеющих первый и второй выходные потоки, n≥1, и расположенных по ходу движения входного потока от центра во все стороны в радиальном направлении, так, что
первый выходной поток (i-1)-го подэлемента  является входным потоком i-го подэлемента, i=1, 2, …, n,
первый подэлемент вторичного отстойника/отстойников соединен с входным потоком вторичного отстойника/отстойников, а последний подэлемент вторичного отстойника/отстойников - с первым выходным потоком вторичного отстойника/отстойников,
вторые выходные потоки каждого подэлемента соединены с вторым выходным потоком вторичного отстойника/отстойников, являющимся входным потоком насосной станции циркуляции активного ила,
в качестве концентраций веществ принимают концентрации ила.
Кроме того:
в качестве задаваемых параметров вторичного отстойника/отстойников принимают
макс
отс
габаритные размеры, как минимум радиус вторичного отстойника R и глубину H отстойника,
0
концентрацию ила во входящем потоке вторичного отстойника/отстойников Х, равной концентрации ила в выходном потоке аэротенка/аэротенков,
I
II
расходы первого Q и второго Q выходных потоков вторичного отстойника/отстойников,
i
i+1
1
i+1
i
n
макс
в качестве задаваемых параметров цепочек подэлементов вторичного отстойника принимают, внутренний t и наружный r радиус, r=dR, r=r+dR, а r=R, где  а i=1, 2, …, n,
сp
среднюю скорость осаждения ила во вторичном отстойнике/отстойниках u,
функцию распределения  гидравлической крупности ила во входном потоке вторичного отстойника,
в качестве расчетного модуля цепочек элементов схемы применяют модуль/модули, выполненный/выполненные с возможностью определения
вх
массового расхода ила M во входном потоке вторичного отстойника/ отстойников,
расходов первого  и второго  выходного потоков концентрических подэлементов вторичного отстойника/отстойников, при этом  и
скоростей движения  в первых выходных потоках в i-ом подэлементе с векторами, направленными горизонтально от центра вторичного отстойника/отстойников во все стороны в радиальном направлении и скоростей движения  во вторых выходных потоках в i-ом подэлементе с векторами, направленными вертикально вниз,
скоростей осаждения i-ой фракции ила, оседающей в i-ом подэлементе вторичного отстойника
массового расхода ила в первом  и втором  выходных потоках i-го подэлемента вторичного отстойника,
массового расхода ила в первом  и втором  выходных потоках вторичного отстойника, определяемых, как  и
I
II
концентраций ила в первом  X и втором X выходном потоке вторичного отстойника.
Отличительными признаками заявленного Способа определения концентрации рецеркулирующего ила в системе биологической очистки сточных вод являются:
1. Выбор в качестве системы биологической очистки сточных вод;
2. Выбор в качестве схемы технологической схемы системы биологической очистки сточных вод;
3. Принятие в качестве элементов схемы, по меньшей мере, аэротенк/аэротенки, вторичный отстойник/отстойники, имеющие в плане круглую форму, выполненные так, что выходной поток из аэротенка/аэротенков является входным потоком вторичного отстойника/отстойников, насосную станцию циркуляции активного ила;
4. Разделение выходного потока вторичного отстойника/отстойников на первый и второй выходные потоки;
5. Выполнение декомпозиции вторичного отстойника/отстойников на совокупность концентрически расположенных подэлементов имеющих первый и второй выходные потоки и расположенных по ходу движения входного потока от центра во все стороны в радиальном направлении;
6. Соединение первого выходного потока i-1-го подэлемента с входным потоком i-го подэлемента;
7. Соединение первого подэлемента вторичного отстойника/отстойников с входным потоком вторичного отстойника/отстойников;
8. Соединение последнего подэлемента вторичного отстойника/отстойников с первым выходным потоком вторичного отстойника/отстойников;
9. Соединение вторых выходных потоков каждого подэлемента вторичного отстойника/отстойников с вторым выходным потоком вторичного отстойника/отстойников;
10. Соединение второго выходного потока вторичного отстойника/отстойников с входным потоком насосной станции циркуляции активного ила;
11. Выбор в качестве концентраций веществ концентрации ила;
макс
отс
12. Дополнительный выбор в качестве задаваемых параметров вторичного отстойника/отстойников габаритных размеров, как минимум радиуса вторичного отстойника R и его глубины Н;
13. Дополнительный выбор в качестве задаваемого параметра вторичного отстойника/отстойников концентрации ила во входящем потоке вторичного отстойника/отстойников;
14. Дополнительный выбор в качестве задаваемого параметра вторичного отстойника/отстойников расходов первого и второго выходных потоков вторичного отстойника/отстойников;
15. Дополнительный выбор в качестве задаваемого параметра цепочек подэлементов вторичного отстойника внутреннего и наружного радиуса подэлемента вторичного отстойника;
16. Дополнительный выбор в качестве задаваемого параметра средней скорости осаждения ила во вторичном отстойнике/отстойниках;
17. Дополнительный выбор в качестве задаваемого параметра функции распределения гидравлической крупности ила,
18. Применение в качестве расчетного модуля цепочек элементов схемы модуля/модулей, массового расхода ила входном потоке вторичного отстойника/отстойников;
19. Применение в качестве расчетного модуля цепочек элементов схемы модуля/модулей, выполненного/выполненных с возможностью определения расходов первого и второго выходного потоков концентрических подэлементов вторичного отстойника/отстойников;
20. Применение в качестве расчетного модуля цепочек элементов схемы модуля/модулей, выполненного/выполненных с возможностью определения скоростей движения в первых выходных потоках в подэлементах вторичного отстойника с векторами, направленными горизонтально от центра вторичного отстойника/отстойников во все стороны в радиальном направлении и вторых выходных потоках с векторами, направленными вертикально вниз;
21. Применение в качестве расчетного модуля цепочек элементов схемы модуля/модулей, выполненного/выполненных с возможностью определения скоростей осаждения фракции ила, оседающей в каждом подэлементе вторичного отстойника;
22. Применение в качестве расчетного модуля цепочек элементов схемы моду ля/моду лей, выполненного/выполненных с возможностью определения массового расхода ила в первом и втором выходных потоках каждого подэлемента вторичного отстойника;
23. Применение в качестве расчетного модуля модуля/модулей, выполненного/выполненных с возможностью определения массового расхода ила в первом и втором выходных потоках вторичного отстойника,
24. Применение в качестве расчетного модуля модуля/модулей, выполненного/выполненных с возможностью определения концентраций ила в первом и втором выходном потоке вторичного отстойника.
По сведениям, имеющимся у авторов, отличительный признак №1, 2, 3, 4, в технической литературе известен, а остальные - нет, что отвечает условию патентоспособности «новизна».
Совместное применение в заявляемом устройстве указанных отличительных признаков позволяет получить положительный эффект, который заключается в том, что расширяется область применения известного способа, т.к. он может быть применен для определения параметров технологического процесса очистки сточных вод с учетом изменения характеристик сточной воды по ходу движения потоков во вторичном отстойнике/отстойниках. Это достигается благодаря наличию отличительных признаков №1-24, т.к. в результате применения настоящего изобретения появляется возможность определять характеристики очищенной воды и рециркулиющего потока в процессе очистки сточных вод за счет учета изменения параметров потока при осаждении ила во всех элементах вторичного отстойника/отстойников.
Предлагаемый авторами способ отличается от прототипа.
На фиг. 1 представлен пример схемы технологического процесса.
На фиг. 2 представлен пример варианта задания параметров схемы.
На фиг. 3 представлена схема подэлементов вторичного отстойника с определяемыми параметрами.
На фиг. 4 представлен пример варианта результатов определения концентрации рециркулирующего ила.
Осуществление изобретения.
На этапе а) создают новую схему (фиг. 1) или редактируют созданную, или существующую схемы, описывающую систему, причем схема состоит из элементов схемы и цепочек элементов схемы, связанных входными и выходными потоками, характеризующимися, по меньшей мере, расходами и концентрациями веществ.
При этом:
- в качестве системы принимают систему биологической очистки сточных вод;
- в качестве схемы принимают технологическую схему системы биологической очистки сточных вод, см. фиг. 1;
- в качестве элементов схемы принимают, по меньшей мере, аэротенк/аэротенки 1, вторичный отстойник/отстойники 2, имеющие в плане круглую форму, при этом
- поток 3 является выходным потоком из аэротенка/аэротенков 1 и входным потоком вторичного отстойника/отстойников 2,
- выходной поток вторичного отстойника/отстойников 2 разделяют на первый 4 и второй 5 выходные потоки вторичного отстойника/отстойников;
- второй выходной поток 5 вторичного отстойника/отстойников является входным потоком насосной станции циркуляции активного ила 6.
В соответствии с настоящим изобретением допускаются различные варианты использования второго выходного потока 5 вторичного отстойника/отстойников, например, когда насосная станция циркуляции активного ила 6 по напорным трубопроводам 7 и 8 подает активный ил в разные точки аэротенка/аэротенков 1 и/или по напорным трубопроводам 7 и 9 - подавать ил на обработку.
На этапе б) задаются входными параметрами схемы и/или измеряемыми параметрами элементов схемы и цепочек элементов схемы, осуществляют выбор расчетных модулей для элементов схемы и цепочек элементов схемы.
При этом (фиг. 2):
в качестве концентраций веществ принимают концентрацию ила, которая, например, может быть определена по результатам эксперимента или при помощи датчиков, принцип действия которых базируется на комбинированном методе поглощения рассеянного инфракрасного света или любым другим известным способом;
0
концентрацию ила Х во входящем потоке 3 вторичного отстойника/отстойников 2 принимают равной концентрации ила в выходном потоке аэротенка/аэротенков 1, которая может быть определена по результатам эксперимента или при помощи датчиков, принцип действия которых базируется на комбинированном методе поглощения рассеянного инфракрасного света или любым другим известным способом;
макс
отс
макс
отс
принимают габаритные размеры, как минимум радиус R вторичного отстойника/отстойников 2 и глубину Н, которые могут быть определены из проектно-сметной документации, например R = 9 м и H = 3,7 м;
I
II
I
3
II
3
принимают расходы первого Q и второго Q выходных потоков вторичного отстойника/отстойников 2, которые могут быть определены из проектно-сметной документации или на этапе пуско-наладочных работ, например Q=187,5 м/ч и Q=190 м/ч,
i
i+1
1
i+1
i
n
макс
в качестве параметров цепочек подэлементов вторичного отстойника/отстойников 2 принимают, внутренний r и наружный rрадиус, r=dR, r=r+dR, a r=R, где  a i=1, 2, …, n, например n=9, dR=1 м;
сp
принимают среднюю скорость u осаждения ила во вторичном отстойнике/отстойниках 2, которая может быть определена любым известным способом, например по результатам экспериментального исследования седиментационных свойств ила;
принимают функцию распределения  гидравлической крупности ила, например по результатам экспериментального исследования седиментационных свойств ила.
На этапе в) с использованием данных, полученных в пунктах а) и б), проводят расчет элементов и цепочек элементов схемы расчетными модулями элементов и расчетными модулями цепочек элементов схемы.
При этом (фиг. 3):
- выполняют декомпозицию вторичного отстойника/отстойников 2 на совокупность концентрически расположенных n подэлементов 10, 11, … 18, n≥1, расположенных по ходу движения входного потока 3 от центра во все стороны в радиальном направлении, так, что:
- первый выходной поток 19 1-го подэлемента вторичного отстойника/отстойников 10  является входным потоком 2-го подэлемента вторичного отстойника/отстойников 11, первый выходной поток 20 2-го подэлемента вторичного отстойника/отстойников 11  является входным потоком 3-го подэлемента вторичного отстойника/отстойников 12 и т.д., при этом
- первый подэлемент 10 вторичного отстойника/отстойников соединен с входным потоком вторичного отстойника/отстойников 3, а последний подэлемент 18 - с первым выходным потоком вторичного отстойника/отстойников 4;
- вторые выходные потоки 27, 28, …, 35 каждого подэлемента 10, 11, …, 18 соответственно соединены с вторым выходным потоком 5, являющимся входным потоком насосной станции циркуляции активного ила 6;
В качестве расчетного модуля цепочек элементов схемы применяют модуль/модули, выполненный/выполненные с возможностью определения:
- массового расхода ила во входном потоке вторичного отстойника/отстойников,
- расходов второго  выходного потока концентрических подэлементов вторичного отстойника/отстойников (см. фиг 4, строка 37)
при этом
- расходов первого  выходного потоков концентрических подэлементов вторичного отстойника/отстойников (см. фиг 4, строка 38)
при этом
- скоростей движения  в i-ом подэлементе вторичного отстойника в первых выходных потоках с векторами, направленными горизонтально от центра вторичного отстойника/отстойников во все стороны в радиальном направлении (см. фиг 4, строка 39)
- скоростей движения  в i-ом подэлементе вторичного отстойника во вторых выходных потоках с векторами, направленными вертикально вниз (см. фиг 4, строка 40)
- скоростей осаждения i-ой фракции ила, осевшей в i-ом подэлементе вторичного отстойника (см. фиг 4, строка 41)
- массового расхода ила  во втором выходном потоке в i-ом подэлементе вторичного отстойника (см. фиг 4, строка 42)
- массового расхода ила  в первом выходном потоке в i-ом подэлементе вторичного отстойника (см. фиг 4, строка 43)
- массового расхода ила  в первом выходном потоке вторичного отстойника
- массового расхода ила  в втором выходном потоке вторичного отстойника
I
- концентраций ила X в первом выходном потоке вторичного отстойника
- концентраций ила  во втором выходном потоке вторичного отстойника
На этапе г) представляют результаты расчетов,
При этом
I
- концентрации ила Х в первом выходном потоке вторичного отстойника/отстойников принимают
II
- концентраций ила Х во втором выходном потоке вторичного отстойника/отстойников принимают
Технический результат заключается в расширении области применения известного способа, позволяющем определять параметры выходных потоков с учетом процессов в аппаратах (устройствах), что позволяет повысить качество и надежность биологической очистки сточных вод.
Таким образом для предлагаемого способа характерна «промышленная применимость».