Таблица 11.2. Пример стандартного набора констант, использованных в компьютерных моделях процесса с активным илом (20° С)

аЭта константа использовалась в моделях в различных выражениях, определя­ ющих скорость процесса.

11.5. Моделирование систем с биопленкой

Модели систем с биопленкой усложняются в связи с необходимо­ стью учета диффузионных ограничений. Попытки применять для биопленок модели, разработанные для активного ила, оказались несостоятельными, поскольку явления, типичные для биопленок, не могут быть смоделированы без учета их зонной структуры. В различных зонах протекают различные процессы, что объясняется различием окислительно-восстановительных условий. Типичный пример — аэробная денитрификация в толще воды, когда из-за диф­ фузионных ограничений для проникания кислорода во внутренних слоях биопленки создаются аноксические условия (см. разд. 7.1.2). Другим примером могут служить условия процесса нитрифика­

ции, описанные в разд. 6.1.2. Рост нитрифицирующих бактерий в биопленке имеет совершенно другой механизм, критерий которого сравним с критерием выноса биомассы и возраста ила в реакторе с активным илом. Критерий нитрификации в биопленке, описанный

вразд. 6.1.2, является упрощенным по сравнению с гораздо более детальной моделью происходящих в биопленке процессов.

Сложность заключается в том, что в структуру модели для биопленки должен быть вписан известный процесс, идущий в активном иле. Структура модели включает диффузию субстрата

вбиопленку и продуктов реакции из биопленки, рост биопленки

идинамику изменения популяции внутри нее, как это описано в разд. 5.12. Многие из параметров модели определены нечетко из-за меньшей совместимости априорных знаний о структуре модели и представлений о ее параметрах.

Приемлемым примером использования моделей биопленок мо­ гут послужить условия протекания нитрификации в реакторах с биопленкой.

Пример 11.2. Модель нитрификации в биопленках Данный пример основан на применении модели биопленки

AQUASIM [3]. Матрица процесса представлена в табл. 11.3. Процесс, происходящий в любой точке биопленки, определяется отвечающими этой точке конкретными условиями (отличающимися от условий в толще воды). Набор параметров данного процесса не отличается от аналогичного набора параметров процесса с активным илом. Это же относится и к соответствующим параметрам процесса, перечислен­ ным в табл. 11.4. Отличие состоит лишь в том, что в рассматриваемом примере коэффициенты диффузии субстратов и продуктов также являются важными параметрами. Они перечислены в табл. 11.5.

Модель применяли к системе из четырех последовательно расположенных реакторов идеального перемешивания, обрабаты­ вающих коммунальные стоки [4, 5]. При этом предполагалось, что биопленка толщиной 3 мм равномерно распределена по всем четырем реакторам. В первом реакторе нитрификации не происходит, поскольку нитрифицирующие бактерии вытесняются гетеротроф­ ными организмами. В последующих реакторах нитрифицирующие бактерии могут конкурировать с гетеротрофными организмами, и в этих реакторах нитрификация происходит с невысокими скоростями, которые можно рассчитать. Расчетное пространственное распределе­ ние гетеротрофных и нитрифицирующих бактерий представлено на рис. 11.1. Обозначены пространственные скорости реакции.

Нитрифицирующие бактерии являются доминирующими в третьем реакторе, поскольку в воде осталось мало органического вещества.

Понятно, что активные бактерии составляют внешний слой (0,5- 1,0 мм) биопленки, остальная ее часть является неактивной из-за исчерпания субстрата. Это пример того, как параметр может оказать­ ся не идентифицируемым из экспериментальных данных. Толщина биопленки не влияет на результаты в том диапазоне концентраций, который здесь рассматривается. Кроме того, не существует способа определения толщины биопленки из данных о работе реактора с био­ пленкой. Толщину биопленки можно найти экспериментально только при использовании избыточной нагрузки на биофильтр, см. разд. 5.2.

На рис. 11.2 представлены величины скоростей реакции, уста­ новленные экспериментально и рассчитанные с помощью откалибро­ ванной модели. Эти данные характеризуют два типа обработанных стоков, поступающих со станции очистки без нитрификации. Первый поступает непосредственно из последнего отстойника, а второй про­ ходит дополнительную обработку на обычном фильтре для удаления взвешенных веществ, который используется перед стадией нитрифи­ кации на биофильтре. Приведенные на рисунке кривые демонстри­ руют двухкомпонентный переход от реакции с порядком 1/ 2, лими­ тированной диффузией аммония, к реакции нулевого порядка по ам­ монию, лимитированной диффузией кислорода в биопленке. Форма кривых может ввести в заблуждение, поскольку кажется, что она опи­ сывается простой кинетикой Моно. Однако такое истолкование было бы ошибочным, поскольку кинетика Моно не учитывает ни изменений толщины биопленки, что может быть важным, ни зонного деления биопленки, например одновременного протекания денитрификации.

Скорости реакций в фильтрованной воде выше, поскольку нагрузка по органическому веществу снижается, что благопри­ ятствует развитию нитрифицирующих бактерий по сравнению с гетеротрофными бактериями.

Испытания пилотных установок стоят гораздо больше, чем про­ ведение компьютерного моделирования, но они дают более реаль­ ную информацию о работе будущей полномасштабной установки. Пилотные установки используют в основном по двум различным причинам.

Основная цель создания и испытания пилотной установки — продемонстрировать, что выбранная конструкция позволяет вы­ полнять необходимую работу. Это наиболее распространенная мотивация. В соответствии с этой задачей пилотная установка работает на протяжении всего периода проведения исследований

Таблица 11.5. Коэффициенты диффузии в нит­ рифицирующей биопленке при 25° С [4, 26, 27]

в режиме аналогичному тому, в котором будет работать полномас­ штабная станция.

Пилотная установка создается и используется исключительно с целью идентифицировать/верифицировать параметры проекти­ рования. Необходимо идентифицировать, какие параметры дей­ ствительно важны. Это нелегкая задача, поскольку часто период работы пилотной установки невелик, а стоимость эксперимента высока. При одном подходе верифицируют стандартные значе­ ния нагрузки, при другом — параметры, использованные для мо­ делирования. Наиболее перспективным является второй подход, он обеспечивает большее количество информации на единицу стоимости, вложенной в пилотную установку. Основная задача состоит в том, чтобы в результате работы пилотной установки искомые параметры могли стать идентифицируемыми. Это может потребовать таких изменений нагрузки на реактор, которые не совпадают с предполагаемыми нагрузками на полномасштабную станцию. В своем экстремальном выражении идея заключается в том, чтобы довести работу пилотной установки до грани срыва и даже далее и таким образом определить границы безопасного функционирования полномасштабной станции.

Эти принципы мы проиллюстрируем в примерах 11.3 и 11.4, связанных с одним из сложных моментов в проектировании: обеспечении надежной нитрификации в процессе нитрификации/денитрификации при удалении азота.

Пример 11.3. Проектирование температурного режима нитрифика­ ции

Нитрификация чувствительна к температуре (рис. 3.7 и 6.2), поэтому температура является важным параметром при проектиро­ вании станций в зонах умеренного климата. Различие в температуре проведения процесса всего лишь в один градус сильно сказывается

Рис. 11.2. Экспериментально определенные скорости нитрификации в биопленке при различных концентрациях аммония в толще воды [4].

Использовали данные о температуре подаваемых на очистку стоков за последние пять лет, предшествовавших модернизации станции. На температуру в реакторе влияют следующие факторы. Положительное влияние оказывают температура подаваемого стока, солнечное излучение, механическая энергия и энергия, выделяю­ щаяся в биологическом процессе. Температурные потери связаны с испарением и конвекцией, вызванной ветрами, длинноволновым излучением, таянием выпавшего снега и поглощением в почве. Эти явления были промоделированы с тем, чтобы предсказать температуру в аэротенке в зимний период времени.

Изменения температуры могут быть кратковременными и дли­ тельными.

При кратковременном понижении температуры процесс нитрифи­ кации может нарушиться, и станция будет работать хуже до тех пор, пока температура будет оставаться низкой.

При длительном понижении температуры скорость роста нитри­ фицирующих бактерий будет ниже скорости их выноса из реактора. Через какое-то время нитрифицирующие организмы будут вытесне­ ны из реактора, и для восстановления их численности потребуются недели.

Последняя ситуация гораздо более серьезна, чем первая.

На рис. 11.3 проведен статистический анализ работы аэротенка при низких температурах [6]. Каждая кривая отражает наименьшие значения средних текущих температур за соответствующее число

Рис. 11.3. Результаты статистического анализа процесса при низких температурах на очистной станции; показано число дней с температурой ниже указанной температуры за 1 г. и за 5 лет (заштрихованные области отражают неопределенность оценки результатов, связанную с оценкой эффекта теплопереноса) [6].

дней за прошедший период (за год и за пять лет). Понижение темпе­ ратуры воды в реакторе по сравнению с температурой поступающего стока составляло 2-3° С в зависимости от степени шероховатости поверхности реактора. Заштрихованная область отражает неопреде­ ленность оценки. Самая низкая температура за пятилетний период составляет 6,5 °С. Средняя низких температур за 10 сут равна 8,5 °С за каждые 5 лет и 10,5 °С за каждый год.

Было решено основывать проектирование на наименьших значе­ ниях средних температур за 10-дневный период (что соответствует половине возраста ила) за пять лет. Из рисунка видно, что эта температура составляет 8,5 0С, тогда как предполагавшееся ранее проектное значение составляет 7° С, что соответствует самой низкой зафиксированной температуре поступающего на очистку стока. Такое различие в температурах обеспечивает значительную экономию.

использовать переход к полной аэрации, в том числе и в реакторах с аноксическими условиями. Смысл такого перехода заключается в следующем: нарушение нитрификации, вызываемое кратковремен­ ным изменением, может приводить к весьма серьезным последствиям, поскольку наличие аммония сразу же сказывается на состоянии принимающих водоемов (потребление кислорода и токсичность), а спустя какое-то время проявляется и влияние накапливающегося общего азота (эвтрофикация).

Пример 11.4. Прогнозирование скорости нитрификации Нитрифицирующие организмы весьма чувствительны к присут­

ствию ингибиторов, см. разд. 3.4.4. Этот эффект в течение 8 лет изучался на пилотной установке до того, как была предпринята модернизация очистной станции в Копенгагене [6-9].

Для проверки хода процесса нитрификации пилотная установка работала при самой низкой из зафиксированных температур, т. е. при 7°С. Как было показано в примере 11.3, в проект станции была заложена температура 8,5 °С, однако, чтобы работа пилотной установки была непрерывной, поддерживалась температура 7°С. Пилотная установка была спроектирована, исходя из следующих данных: возраст ила 17 сут, температура 7 °С (см. рис. 6.2). Несмот­ ря на то, что фактор скачков температуры был исключен, процесс нитрификации был нарушен из-за ингибирования. В результате было предпринято детальное многолетнее исследование работы пилотной установки. В первые годы, когда наблюдалось наиболее сильное торможение процесса, скорость нитрификации составляла около 80% обычной величины, кроме того, возникали ситуации, приводящие к полной гибели нитрифицирующих организмов, что требовало перезапуска процесса, длившегося в течение недель.

Построить работу пилотной установки (не говоря уже о полно­ масштабной системе) так, чтобы можно было определить значение конкретного параметра, достаточно сложно. Однако в данном случае необходимо было идентифицировать факторы, приводящие к срыву процесса.

Пилотная станция сконструирована типичным для Дании обра­ зом: режим работы реакторов меняется от аэробного до аноксиче­ ского, как это показано на рис. 7.13. Преимущество такого режима работы в том, что условия все время изменяются, а это обеспечивает получение максимальной информации при мониторинге. Система все время приводится в возбужденное состояние, таким образом обеспечивается необходимое количество данных для анализа.

Решено было определять скорость нитрификации, чтобы не оставалось сомнений относительно причин остановки процесса. На выработку надежного режима работы и определение соответству­ ющих данных потребовался год. Скорость реакции определялась тремя способами:

-путем отбора проб для периодического определения скорости нитрификации;

-путем измерения снижающейся концентрации аммония и повы­ шающейся концентрации нитрата в процессе нитрификации;

-путем моделирования нагрузки на пилотную установку, ее режима работы и эффективности.

Все это будет описано в разд. 11.4.

Эксперименты, проводимые в периодическом режиме

Периодические эксперименты выполнялись стандартным способом с использованием ила из пилотного реактора [10]. Скорость нитри­ фикации рассчитывалась по уменьшению концентрации аммония и увеличению концентрации нитрата.

Мониторинг работы пилотной установки

Измерения скорости реакции нитрификации по понижению кон­ центрации аммония в процессе работы установки затруднены тем, что вклад в содержание аммония вносит как входящий поток, так и скорость аммонификации в аэротенке. Целесообразнее пользо­ ваться информацией о возрастании концентрации нитрата, если можно пренебречь одновременно протекающей денитрификацией. Поскольку концентрации веществ изменяются в том диапазоне, где имеет значение величина Ks, то следует учитывать эту нелинейность.

Экспериментальные методики совершенствовались до тех пор, пока результаты определения скорости всеми тремя методами не оказались вполне сравнимыми. В такой ситуации вполне можно полагать, что определяемые изменения скорости действительно объясняются ингибирующими эффектами.

Скорость была нормализована к концентрации нитрифициру­ ющих бактерий, которая определялась из уравнения массового баланса в реакторе за период, соответствующий возрасту ила:

по азоту, г N/сут, V —общий объем ила, м3

Индекс «А» относится к нитрифицирующим бактериям, индекс «общ» —к общей биомассе.

Это нормализованное значение скорости сравнивалось с пред­ полагаемым нормализованным значением скорости, полученным из выражения:

где га ,норм —сравнительная скорость нитрификации в расчете на единицу массы нитрифицирующих бактерий, г N /(r БВБд •ч),

га,т / га,2о = ехр[(Т - 20)>гМэа]|

где ра,макс —максимальная скорость нитрификации при 20°С, сут-1 ; Y а —коэффициент прироста нитрифицирующих бактерий, г БВБ/г N.

Под экспонентой стоит корректирующий температурный фак­ тор, в котором Т —температура, отличающаяся от 20° С, х — корректирующий температурный фактор для скорости роста нит­ рифицирующих бактерий.

При проведении расчетов использовались следующие значения:

/4А,макс = 0,86суТ ,

Y A = 0,16 г БВБ/г N,

х = 0,088 град-1

Из этих данных получено следующее значение сравнительной нормализованной скорости нитрификации для 7 °С:

ГА,норм = 58 г N /(r БВБа •ч),

которое было использовано в качестве стандарта при изучении работы пилотной установки.

На рис. 11.4 показаны изменения фракции нитрифицирующих бактерий в двух пилотных установках за год. Эти изменения в основном являются результатом изменения состава подаваемых на обработку стоков и ингибирования нитрифицирующих бакте­ рий.

Исследования нитрификации на станции очистки были допол­ нены детальными экспериментами по изучению ингибирующего влияния подаваемых на очистку стоков и стоков в бассейнах канализования [11]. Как выяснилось, ингибирование вызывается стоками промышленных зон. Это обстоятельство послужило нача­ лом кампании мониторинга и оповещения населения.

Рис. 11.5 показывает влияние принятых мер на скорость нит­ рификации в период с момента идентификации проблемы до мо­ мента пуска полномасштабного реактора, по завершении которого ингибирование уже не поддавалось определению. Как показывают приведенные ниже данные, скорость нитрификации на обеих установках превысила сравнительную нормализованную скорость. Несмотря на большой разброс данных, эта тенденция, наблюдаемая за период в б лет, достаточно заметна.

01.94 04.94 07.94 10.94 01.95

Месяц, год

Рис. 11.6. Отношение количества нитрифицирующих бактерий к обще­ му количеству биомассы в двух пилотных установках [6].

В ходе выполнения процесса было решено не снижать проект­ ную скорость нитрификации, а бороться с источником ингибиро­ вания. Экономия, явившаяся результатом такого решения, была весьма значительной и безусловно компенсировала затраты на пи­ лотные исследования. Возможно, что на многих станциях очистки в Европе также придется решать проблему чувствительности нитри­ фицирующих бактерий к ингибированию при низких температурах. Эти проблемы ранее не возникали, поскольку станции служили только для удаления ВПК.

На рис. 11.6 показана нормализованная скорость реакции нит­ рификации, определенная в периодическом режиме по выделе­ нию нитрата. Для сравнения представлены результаты измере­ ния концентрации нитрата в режиме работающего реактора в полномасштабной установке за первый год ее работы. Конечные результаты колеблются вблизи значения сравнительной скорости, которая поддерживалась как проектная скорость.

Этот пример показывает, сколько усилий необходимо прило­ жить для того, чтобы определить в модельной системе всего лишь один параметр —скорость нитрификации. В процессе исследования были также определены и другие параметры, например Ks (см. следующий пример). Остальным параметрам, включая прирост биомассы, значения были присвоены по умолчанию.

11.6. Анализ действующих станций/ пилотных установок

Компьютерное моделирование является мощным инструментом для анализа эксплуатационных характеристик станций очистки воды, понимания причин сбоев в их работе и способов ее улучшения.

1 1 .6 .1 . Идентификация проблемы

Следует понимать, что существующие модели содержат много функциональных зависимостей и много параметров, одни из ко­ торых универсальны, тогда как другие определяются местным климатом, характеристиками поступающих на обработку стоков, популяцией бактерий и принципом действия станции. Как уже отмечалось в разд. 11.3, контролировать все функции и параметры работающей станции не представляется возможным. Некоторые параметры должны быть приняты как универсальные, а некоторые должны быть подобраны путем подгонки модели или определены из эксперимента. Между двумя группами параметров не существует четкой границы, поскольку станция должна работать при хорошо продуманных изменениях режима с тем, чтобы выбранные для анализа параметры были идентифицируемыми. Чем больше изме­ нений, тем лучше.

Ключевой момент состоит в определении цели анализа, на достижение которой должен быть направлен мониторинг, режим управления станцией и дополнительные эксперименты. Простая подгонка модели может не выявить информации, оправдывающей стоимость проекта.

1 1 .6 .2 . Создание экспериментальной программы

Многие параметры можно определить только посредством экспери­ ментальных методов. Программа ASM1 [1] содержит описание раз­ личных экспериментов, которые необходимы для идентификации ряда важных параметров. Другой подход к эксперименту состоит в контроле за работой станции посредством либо частого отбора проб для химического анализа, либо использования датчиков, установленных непосредственно в работающей системе.

Первоначально для решения проблемы был выбран частый отбор проб, однако, его стоимость и затрачиваемые усилия делают такой подход малопривлекательным. В последние годы благодаря