Математическое моделирование процесса аэробной очистки сточных вод предприятий пищевой промышленности

УДК 628.3

В. Я. Пономарев, Э. Ш. Юнусов, Г. О. Ежкова

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА АЭРОБНОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ПРЕДПРИЯТИЙ ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Ключевые слова: математическое моделирование, сточные воды, предприятия пищевой промышленности,

аэробная биологическая очистка.

Целью работы является разработка программного комплекса, математически описывающего процессы аэробной очистки сточных вод в аэротенке, имеющем блочно-модульный принцип построения.

Проведение имитационных экспериментов с использованием программного комплекса позволяет получать достаточно адекватную модель процесса биологической очистки сточных вод, хорошо согласующуюся с практическими результатами эксплуатации реакторов биологической аэробной очистки. Применение данного программного продукта будет способствовать развитию представлений о таком сложном процессе как аэробная очистка сточных вод и улучшению методов проектирования соответствующих биореакторов и управления ими.

Key words: mathematical modeling, wastewater, food processing, aerobic biological treatment.

The purpose is to develop a program complex mathematically describes the processes of aerobic treatment of wastewater in the aerotank having a modular construction principle.

Conducting simulation experiments using the program complex allows get enough adequate model of the process of biological wastewater treatment, agrees well with the practical results of the operation of the reactor biological aerobic treatment. The use of this software product will promote understanding of this complex process as aerobic wastewater treatment and improved methods of designing appropriate bioreactors and management.

Очистка промышленных стоков пищевых предприятий - важнейшая из задач, стоящих перед современным обществом, одним из путей решения которой является аэробная биологическая очистка сточных вод. 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.

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 [1].

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 отношении представляет гораздо больше возможностей. Существенное преимущество имитационного эксперимента по сравнению с натурным состоит в быстроте, сравнительной дешевизне и доступности самого богатого многообразия возможных вариантов, предусмотренных экспериментатором [2].

Несмотря на многолетний опыт исследования и эксплуатации аэротенков, возможности эффективной очистки сточных вод в этих сооружениях еще не полностью реализуются.

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.

Целью работы являлась разработка программного комплекса, математически описывающего процессы очистки сточных вод предприятий пищевой промышленности в аэротенках ячеечной структуры.

Анализ ряда действующих производств позволил получить обобщенную модель переменной структуры для процесса водоочистки в аэротенке, имеющую блочно-модульный принцип построения (рис.1).

Рис. 1 - Упрощенная схема аэротенка вытеснителя ячеечной структуры: Ljn - исходная сточная вода, Lout - очищенная сточная вода, Хм, Xj, XN - концентрация биомассы в рассматриваемых ячейках, Lj.1, Lj, LN - концентрация загрязнения в рассматриваемых ячейках, Cj.i, Cj, Cn - концентрация кислорода в рассматриваемых ячейках, Rj -коэффициент рециркуляции, F - расход сточной воды, Xr - доза возвратного активного ила

В процессах с использованием активного ила пищей (субстратом) для бактерий являются компоненты сточной воды. Поскольку сточные воды содержат различные органические вещества, следует ожидать, что и активный ил, растущий на таком субстрате, будет иметь сложную многовидовую структуру. Например, имеются данные, что из активных илов нефтеперерабатывающих предприятий было выделено 575 различных микроорганизмов [3]. Таким образом, специфика процесса биологической очистки состоит в наличии гетерогенной популяции микроорганизмов, потребляющих многокомпонентный субстрат.

В настоящее время предложено достаточно большое количество математических моделей, описывающих кинетику очистки сточных вод [4].

Предлагаемые модели являются унифицированными для расчета различных реакторов, в которых осуществляется биологическая очистка сточных вод: аэротенка, биофильтра, биологического пруда.

Построение 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 предварительных (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. Проведенные экспериментальные исследования структуры потока в реальных аэротенках в зависимости от способа организации подачи сточной воды (сосредоточенная и равномерно - рассредоточенная при различной объемной скорости потока и фиксированном расходе воздуха) позволяют принять в качестве гидродинамической модели ячеечную модель структуры потоков [5].

Математическая модель процесса водоочистки для аэротенка ячеечной структуры составлена в виде системы дифференциальных уравнений материального баланса, описывающих динамику изменения концентраций загрязнений, активного ила и растворенного кислорода. На рисунке 2 представлена схема аэробной переработки стоков, стрелками на ней указаны потоки информации между системой и внешним окружением.

Разрабатываемый имитационный комплекс является инструментальным средством при разработке систем управления процессами водоочистки на стадии предпроектной проработки, а именно, имитационного воспроизведения в ускоренном масштабе времени динамики объектов управления, обработки алгоритмов управления в режиме имитации объекта и систем управления. В работе использовались методы и рекомендации профессора Сироткина А. С., который обобщил систему дифференциальных уравнений используемых в расчетах данного программного комплекса [2, 5]. Авторы выражают благодарность профессору Сироткину А.С. за консультации и помощь в работе.

Основой моделирующего комплекса является обобщенная модель переменной структуры для биологической очистки сточных вод в аэротенке, имеющая системно-модульный принцип построения.

Комплекс реализован с использованием Borland Delphi c применением языка программирования Object Pascal. В структуру комплекса входят следующие основные подсистемы:

• информационно-статистическая подсистема;

• моделирующая программа процесса водоочистки.

Каждая подсистема состоит из характеризующих ее блоков. Каждому блоку модели соответствует набор программных модулей, имеющих список параметров, необходимых для реализации ввода-вывода информации в модуль. За счет использования параметров реализована связь модуля с остальными модулями и с пользователем.

Основой работы имитатора является программное ядро, которое обеспечивает выполнение следующих функций:

1. Генерирует моделирующую программу процесса водоочистки и системы управления из набора блоков, описывающих отдельные стадии процесса очистки, его технологического окружения;

2. Осуществляет имитацию работы системы, позволяющую изучить влияние различных способов управления на технологические и конструктивные параметры процесса водоочистки.

Результаты работы имитатора содержат текущие значения технологических и техникоэкономических показателей, характеризующих качество процесса водоочистки.

Блок схема программы расчета процесса анаэробной очистки сточных вод представлена на

рис. 3.

Результатом работы программного комплекса является выдача пользователю рекомендаций по оптимальному ведению процесса водоочистки.

Для проведения расчетов по динамической модели используются фактические данные эксплуатации очистных сооружений.

1П т

и

Х1П: С\/

Опя.

К,

л

А,

V,

п

Кь

Кс,

Уь

Уъ

Цта>

Хи=ХД/

и01Л

С

к А

1000

-А

О

1 + 2 (п -О

ИЧ (о

о

!'Ч

СИ-1иЧ_а'ч(1+К.)(| 1 1 ),!

уг \Lout (1-1) ^ои1 (0/ ГЛи

С]Х, _а.,(1 + К|)(у .у ),п ^ у Асо/^глм

^ = 0^^)(с(и)-С(|))+^а(а _Qj.bR,

Ихг^и^+Ц

Ри=-(1/У1)[|1тХ1У(К1+Ц]

Ка=-(1/У2)[ЦтХи(Кс+Ь)]

С*=[468/(31,6 + 4-0,9

I—0Ut7

Хои1,

Сои{,

Ро

Рис. 2 - Математическая модель аэробной очистки сточных вод: 1нП - начальная концентрация загрязнения (БПК), Х|П - начальная концентрация биомассы, Су -концентрация растворенного кислорода в поступающей воде, Q|jq - расход сточной воды, V - объем аэротенка, ^ - коэффициент рециркуляции, Aj - доза ила в аэротенке, ^ -иловый индекс, П - число ячеек аэротенка, ц тах 1 - максимальная удельная скорость роста биомассы, К - константа сродства биомассы Х к субстрату 1_, Кс - константа полунасыщения для кислорода, У1 - экономический коэффициент образования биомассы Х, У2 - экономический коэффициент потребления кислорода

На имитационной модели были проанализированы следующие эксплуатационные ситуации (рис. 4):

• Работа системы очистки в режимах нормальной эксплуатации. В процессе экспериментального моделирования изменяли расход поступающей сточной воды при стабилизированном значении концентрации возвратного ила и коэффициента рециркуляции. Показано, что концентрация загрязнений на выходе неустойчива и стабилизируется на заданном уровне в зависимости от величины входных параметров.

• Модель показывает предотвращение дестабилизирующего воздействия «залпового» сброса на работу очистных сооружений. Наблюдается стабильная работа аэротенка в случаях повышения концентрации сточных вод.

Анализ особенностей стартового периода системы показывает, уменьшение его продолжительности при повышении начальной концентрации субстрата, что хорошо согласовывается с особенностями эксплуатируемых систем биологической очистки.

Однако при превышении предельно-допустимой величины концентрации субстрата происходит разбалансирование системы.

Рис. 3 - Блок схема имитационного комплекса

Модель также прогнозирует уменьшение стартового периода при повышении начальной концентрации биомассы. При больших значениях концентрации биомассы происходит интенсивное первоначальное потребление субстрата и затем постепенный выход системы в стационарное состояние вследствие инерционности системы.

Анализ хемостатных кривых, характеризующих выход системы в стационарное состояние в зависимости от скорости разбавления й, позволяет утверждать, что при критической скорости разбавления йкр ~ дтах происходит дестабилизация системы.

Схема организации потоков аэротенка - важный фактор, влияющий на степень очистки и устойчивость работы аэротенка в условиях интенсивных органических нагрузок. Рассредоточенная подача сточной воды в ячейки дает возможность уменьшить нагрузку на ил по органическим загрязнениям при залповых сбросах, но в то же время приводит к снижению интенсивности очистки.

Увеличение числа ячеек приводит к увеличению эффективности и глубины очистки и в конечном итоге позволяет получить имитационную модель аппарата «идеального» смешения -хемостата.

средоточенным пуском

средоточенным пуском

Степень очистки

О 20 40

Концентрация биомассы

,14 0,13 0,12 0,11 0,1 0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01

N

-4- ----- --

і

: Г"

і- !—

"

! 1. ! ! \ ! і 1.

і:::::::::::

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1 000 1 100 1 200 1 300 1 400 1 500

Концентрация биомассы (Х) в системе с рассредоточенным пуском

Концентрация субстрата

0,16 0,150,140,130,120,11 -0,1 -0,090,080,070,060,050,040,030,020,01 - ' '

: і : : :

! ! ! ! !

! І-- ! ! ! !

: : ;

: : : : :

! ! ! ! !

:

!

!

: :::::::

: : : : : :

! ! !!!!!!!!!

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1 ООО 1 100 1 200 1 300 1 400 1 500

Концентрация субстрата (Ь) в системе с рассредоточенным пуском

Степень очистки

100 200 300 400 500

700 800 900 1 000 1 100 1 200 1 300 1 400 1 500

Степень очистки в системе со средоточенным пуском

Рис. 4 - Графическое представление расчетов

Степень очистки в системе с рассредоточенным пуском

Проведение имитационных экспериментов с использованием программного комплекса позволяет получать достаточно адекватную модель процесса биологической очистки сточных вод, хорошо согласующуюся с практическими результатами эксплуатации реакторов биологической аэробной очистки.

Проведение имитационных экспериментов с использованием предложенной модели позволяет выявить ключевые закономерности процесса водоочистки, в частности влияние концентрации органических загрязнений на эффективность процесса очистки, интенсивности

144

аэрации на качественный состав сточной воды. Модель также показывает эффективность и целесообразность рассредоточенной подачи сточных вод, что позволяет повысить стабильность работы аэротенка и увеличить эффективность очистки вследствие перераспределения нагрузки по органическим веществам по длине реактора.

Универсальность предложенного алгоритма для расчетов параметров процесса водоочистки позволяет использовать имитационный комплекс на очистных сооружениях предприятий химической, нефтехимической и пищевой промышленности и ряда других отраслей.

Литература

1. Огольцов И.И., Шеваль В.В. / Особенности компьютерного моделирования автоматизированных комплексов очистки сточной воды / Справочник. Инженерный журнал с приложением. Издательский дом "Спектр". - 2010. - №8.- С. 45-51

2. Понкратова С.А., Сироткин А.С., Нуруллина Е.Н., Ипполитов К.Г., Имитационный комплекс для управления очистными сооружениями в системах экологического мониторинга. - Математические методы в технике и технологиях: Сборник трудов XV Международной научной конференции, Тамбов, 2002, с. 195 /

3. 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.

4. Пономарев, В.Я. Математическое моделирование процесса биологической очистки сточных вод предприятий пищевой промышленности // Чижова М.А., Юнусов Э.Ш., Ежкова Г.О., Решетник О.А. // Вестник Казан. технол. ун-та. -2010. - № 9. - С. 601-609

5. Сироткин А.С., Понкратова С.А., Шулаев М.В., Современные технологические концепции аэробной биологической очистки сточных вод. - Казань: КГТУ, 2002. - 164 с.

© В. Я. Пономарев - канд. техн. наук, доц. каф. технологии пищевых производств КНИТУ, v.y.ponomarev@gmail.com; Э. Ш. Юнусов - канд. биол. наук, доцент той же кафедры, Г. О. Ежкова -д-р биол. наук, проф. той же кафедры.