Методы математического моделирования динамики процессов окисления в системе биологической очистки воды

• Автор: Смирнов, Николай Васильевич
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Петрозаводск
• Количество страниц: 114 с. : ил.

Оглавление
Введение
1 Состояние вопроса математического моделирования процесса биологической очистки сточных вод
1.1 Основные этапы и сооружения биоочистки
1.2 Подходы к математическому описанию
процесса биоочистки
1.3 АБМ-модели
1.4 Выводы но главе
2 Математическое моделирование процесса биологической очистки в аэротенках промежуточного типа
2.1 Описание процесса
2.2 Математическая модель процесса биоочистки
2.3 Параметрическая идентификация модели
2.4 Результаты
3 Оптимизация процесса биоочистки
3.1 Дискретное управление процессом биологической очистки в аэротенках промежуточного типа
3.1.1 Построение модели управления процессом биоочистки
3.1.2 Результаты вычислительных экспериментов
3.2 Выбор оптимальной схемы кредитования в задаче инвестирования очистных сооружений
3.2.1 Модель модернизации очистных сооружений за счет
кредитно-инвестиционных ресурсов
3.2.2 Результаты вычислительных экспериментов
3.3 Результаты

4 Математическое моделирование процесса биоочистки в
аэротенках-смесителях
4.1 Задача оптимизации расхода кислорода
4.1.1 Инвариантное множество математической модели
процесса биоочистки
4.1.2 Алгоритм оптимизации расхода кислорода
4.1.3 Результаты вычислительных экспериментов
4.2 Модель стабилизации процесса биоочистки
4.3 Результаты
Заключение
Список сокращений и условных обозначений
Литература
Приложение А. Листинг компоненты программного комплекса . 97 Приложение Б. Листинг компоненты программного комплекса . 107 Приложение В. Листинг компоненты программного комплекса .
Приложение Г. Акт внедрения

Введение
Актуальность темы. Экологическая обстановка в регионе напрямую зависит от качества воды в региональных водных объектах. За последние десятилетия концентрации субстратов в сточных водах значительно увеличились. Существующие технологии не всегда могут обеспечить необходимую степень очистки сточных вод, в результате исследование процессов биологической очистки приобрело особенно важное значение. Формальное описание и создание математических моделей этих процессов в настоящее время стало необходимым элементом исследований.
Математическому моделированию процесса биоочистки сточных вод и расчету очистных сооружений посвящены работы Вавилина В. А., Васильева В. Б., Брагинского JI. Н., Жмур Н. С., Карюхиной Т. А., Яковлева С. В. и др. В конце 80-х гг. XX века была предложена модель процесса биоочистки ASM1. Авторы этой модели Хенце М. (Henze М.), Гуйер В. (Gujer W.), Мацуо Т. (Matsuo Т.) и др. задали направление для большого количества дальнейших исследований, которые в своих работах продолжили Ванроллегем П. А. (Vanrolleghem Р. А.), Дочейн Д. (Dochain D), Найте К. Д. (Knightes С. D.), Чай К. (Chai Q.) и др. Проблема удаления соединений азота из городских и промышленных сточных вод путем нитрификации и денитрификации определила главное направление исследований последних десятилетий.
Большие финансовые затраты на процесс биоочистки обусловливают востребованность минимизации этих затрат. Таким образом, оптимизация процесса биологической очистки сточных вод представляет особенный научный и практический интерес.
Степень разработанности. Многие существующие математические модели процесса биоочистки, например, предложенные Вавилиным В. А. и др., построены на основе уравнений материального баланса. Эти модели не учитывают насыщение микроорганизмов субстратом, кислородом и прочие факторы,

(2.8) и (2.10) соответственно заменяются на уравнения:
Э* = - Яя)-------------------------------------(2.12)
1 + е ^ Ч
Хв = <2{Х’£ - Хн) - Р~хн, (2.13)

где V и, Усь — расходы активного ила и сточных вод соответственно, /3 — параметр, характеризующий удельную скорость роста гетеротрофов за счет окисления субстратов, не являющихся легко биоразложимой органикой. Таким образом, динамика процесса описывается системой с переменной структурой.
Концентрации на входе в каждый компартмент вычисляются по формулам (2.1)-(2.4). Рисунки 2.4 - 2.7 отражают изменение концентраций во времени при прохождении выделенного объема смеси Уе1 через аэротенк (по всей длине). «Всплески» соответствуют моментам времени прохождения этим объемом участков входа сточных вод. В такие моменты времени концентрация субстрата увеличивается за счет поступления его со сточными водами, а концентрация микроорганизмов уменьшается за счет разбавления иловой смеси.

80 100 МИН

Рис. 2.4: Динамика концентрации легко биоразложимого органического
субстрата в аэротенке