kilka refleksji o wykorzystaniu modeli matematycznych w symulacji ...

More documents

Recommendations

Info

196 czynnego, szybko zyskując powszechną akceptację środowiska akademickiego oraz projektantów i eksploatatorów oczyszczalni ścieków, co miało niewątpliwie związek z szybkim rozwojem komputerów umożliwiających zastosowanie modelu (Gernaey i in., 2004). Model ASM1 w pewnym stopniu oparty jest na założeniach wcześniejszych modeli m.in. modelu UCT opublikowanego przez Dold i współpracowników w 1980 roku (Jeppsson, 1996). Model ASM1 jest powszechnie stosowany w wielu naukowych i praktycznych projektach i co istotne, jest zawarty w bibliotekach wielu komercyjnych i niekomercyjnych programów symulacyjnych. W sposób wyczerpujący implementację ASM1 w kilku popularnych programach symulacyjnych porównano w opracowaniu Copp i współautorów (2002). Efektem dalszych prac wspomnianej grupy zadaniowej były modele będące modyfikacją, uzupełnieniem i udoskonaleniem modelu ASM1 nazwane odpowiednio ASM2, ASM2d oraz ASM3. Wyczerpujący opis i porównanie wszystkich modeli ASM znajduje się w raporcie organizacji IWA autorstwa Henze i wsp. (2000). W oparciu o modele ASM powstały modele będące ich modyfikacją np. model asmVienna (Winkler i in., 2001) lub moduł Bio-P będący uzupełnieniem modelu ASM3 (Rieger i in., 2001). Oprócz modeli z rodziny ASM, których bilans masy oparty jest na ChZT, istnieją również modele wykorzystujące bilans BZT, np. modele ASAL (Jones,1978; Chambers and Jones, 1988). Porównanie modeli opartych na BZT i ChZT dokonano w pracy Stokes i in. (2000). Odrębną kategorię modeli stanowią modele opisujące w sposób szczegółowy metabolizm organizmów biorących udział w rozkładzie zanieczyszczeń, do których należą m.in. model TUDP opisany w pracy Murnleitner i in. (1997) oraz Van Veldhuizen i in. (1999). Model systemu osadu czynnego składa się jednak nie tylko z modelu osadu czynnego (modelu przemian biochemicznych, np. ASM), lecz również z modeli innych procesów, zwłaszcza modelu sedymentacji (model osadnika) oraz modelu transferu masy (model hydrauliczny, model układu napowietrzania). Większość symulacji opisanych w literaturze (np. Mino i in., 1997, Makinia i in., 2002, Çinar i in., 1998) było prowadzonych na modelu biologicznego stopnia oczyszczania (w układzie: komora osadu czynnego i osadnik wtórny), a więc składającego się z modeli procesu osadu czynnego, reaktora i osadnika wtórnego. Najnowszym trendem w modelowaniu procesów oczyszczania ścieków jest dążenie do zawarcia w modelu calego systemu, a nie jak dotychczas jego wybranego fragmentu. Przedmiotem modelowania może być więc cała oczyszczalnia ścieków lub nawet system składający się z kanalizacji, oczyszczalni i odbiornika ścieków (Gujer, 2006). Czynnikiem utrudniającym modelowanie ciągu technologicznego całej oczyszczalni ścieków jest fakt, że nie wszystkie modele procesów oczyszczania ścieków lub przeróbki osadów mają wspólny zestaw zmiennych. Przykładami może być połączenie modelu ASM1 z modelem osadnika. Zmienną stanu w modelu osadnika jest stężenie zawiesin, podczas gdy zmienna ta nie występuje w modelu ASM1. Problem ten rozwiązano stosując zmienną złożoną, odpowiadającą stężeniu zawiesin obliczoną z odpowiednich zmiennych ASM1, która jednak nie jest zmienną stanu. Innym przykładem modeli przemian biochemicznych, które wykorzystują różny zestaw zmiennych, jest model typu ASM i model fermentacji metanowej ADM1 (Anaerobic Digestion Model No.1) opracowany przez Batstone i in., 2002 (Nopens i in., 2009). W procesie tworzenia i zastosowania modeli systemów oczyszczania ścieków metodą osadu czynnego należy wziąć pod uwagę szereg czynników przyjmując przy tym krokową metodą przejścia od początkowego etapu, jakim jest określenie celu tworzonego modelu, do końcowego etapu wykorzystania modelu do rozwiązania określonego problemu. Wyróżnia się następujące etapy tego procesu (Gernaey i in., 2004): • Określenie przeznaczenia i celu zastosowania modelu układu oczyszczalni ścieków. • Wybór odpowiednich modeli systemu osadu czynnego i procesów towarzyszących. • Wyznaczenie własności ścieków i osadu pod kątem wymagań modelowych. • Analiza danych i wyznaczenie zbioru danych charakterystycznego dla stanu ustalonego w danym okresie pracy układu rzeczywistego. • Dostosowanie parametrów modelu (kalibracja modelu). • Ocena wyników symulacji na skalibrowanym modelu w odniesieniu do postawionych wymagań. Jeśli wyniki symulacji są niezadowalające należy powtórzyć powyższe czynności do momentu uzyskania poprawnych wyników. • Zastosowanie modelu zgodnie z przeznaczeniem.
PROGRAMY SYMULACYJNE UMOŻLIWIJĄ WYKORZYSTANIE MODELI Symulator to oprogramowanie umożliwiające implementację modelu. W przypadku modelowania oczyszczalni ścieków lub jej wybranego fragmentu, pozwala on utworzenie schematu systemu z modeli odpowiednich procesów (Gernaey i in., 2004; Melcer i in., 2003). Wyróżnia się symulatory ogólnego zastosowania oraz symulatory dedykowane. W pierwszej kategorii symulatorów użytkownik wpisuje model, który ma być wykorzystany w dalszej symulacji. Czynność ta jest czasochłonna i może być zbyt skomplikowana dla osób nieznających podstaw programowania i zasad tworzenia modeli matematycznych. Jednym z najpowszechniej używanych środowisk symulacyjnych ogólnego zastosowania jest oprogramowanie MATLAB/Simulink® (http://www.mathworks.com). Symulatory dedykowane zawierają zazwyczaj bibliotekę modeli procesów oczyszczania ścieków i procesów towarzyszących, np. przeróbki osadów. Model symulowanego układu tworzy się przy pomocy schemat blokowego, w którym poszczególny blok reprezentuje model danego procesu lub kilku zespolonych procesów, np. łączący proces osadu czynnego reprezentowany przez model ASM z modelem reaktora o pełnym wymieszaniu (CSTR Reactor). Parametry modeli mogą być w wygodny sposób dostosowywane. Najpopularniejsze dedykowane programy symulacyjne to (w porządku alfabetycznym): szwajcarski AQUASIM® (http://www.aquasim.eawag.ch), kanadyjski BioWin® (http://www.envirosim.com), duński EFOR® (http://www.dhisoftware.com/efor), kanadyjski GPS-X® (http://www.hydromantis.com), niemiecki SIMBA® (http://www.ifak-system.com), brytyjski STOAT® (http://www.wrcplc.co.uk/software) oraz belgijski WEST® (http://www.hemmis.com) (Gernaey i in., 2004, Vanhooren i in., 2003). Na stronach WWW producentów wymienionych symulatorów dostępne są wersje demo oprogramowania. Według danych podanych przez producentów większość użytkowników programów BioWin®, EFOR®, GPS-X® i STOAT® stanowią konsultanci i projektanci, natomiast programy SIMBA®, AQUASIM®, WEST® cieszą się większą popularnością wśród kadry szkół wyższych (Melcer i in., 2003). Pewnym ryzykiem związanym z obsługą tzw. symulatorów dedykowanych, obsługiwanych 197 przez początkujących użytkowników jest możliwość przeoczenia założeń i ograniczeń związanych z wykorzystaniem dostępnych modeli, co nieuchronnie doprowadzi do uzyskania niewłaściwych wyników. Dodatkowe informacje na temat programów symulacyjnych, przykłady ich zastosowania i porównanie można znaleźć w publikacjach Olsson i Newell (1999) oraz w Copp (2002). ZASTOSOWANIE WŁAŚCIWIE SKALIBROWANEGO MODELU JEST WARUNKIEM POWODZENIA Zastosowanie modelu systemu osadu czynnego w symulacji pracy obiektu rzeczywistego wymaga jego kalibracji. Poprawnie skalibrowany model posiada zdolności prognostyczne pozwalające na dostatecznie zbliżone odwzorowanie zachowania rzeczywistego sytemu w zmiennych warunkach prowadzenia procesu (Vanrolleghem i in., 2003). Stąd kalibracja uznawana jest powszechnie za czynność, podczas której wybrane parametry modelu są zmieniane tak długo, aż wyniki symulacji będą zbliżone do zbioru danych określających zachowanie obiektu rzeczywistego. Można więc stwierdzić, że celem kalibracji jest uzyskanie jak najmniejszych rozbieżności pomiędzy wynikami symulacji a danymi pomiarowymi. Należy pamiętać, iż celem kalibracji nie jest uzyskanie wiernego dopasowania modelu do obiektu rzeczywistego. Model matematyczny będąc uproszczonym opisem procesów zachodzących podczas oczyszczania ścieków nie uwzględnia niektórych procesów zachodzących w świecie rzeczywistym (uznanych przez twórców danego modelu za mniej istotne). Modelowanie systemów biologicznych (jak system osadu czynnego) jest ograniczone brakiem jednego „właściwego” modelu, w przeciwieństwie do modeli niektórych dobrze poznanych zjawisk fizycznych (Vanhooren i in., 2003). Jakkolwiek uzyskanie parametrów modelu pozwalających na otrzymanie niemal doskonałych wyników symulacji dla danego okresu działania układu jest możliwe, jednak zastosowanie tak skalibrowanego modelu dla innego okresu działanie oczyszczalni ścieków obniży zdolności prognostyczne modelu. Ocena wyników symulacji powinna polegać na porównaniu wszystkich istotnych zmiennych modelowych z danymi pomiarowymi. Zaleca się, aby podczas kalibrowania modelu, uzyskać raczej zadowalający poziom dokładności względem większości zmiennych, niż niezwykle dokładnie względem jednej zmiennej
Page 1: KILKA REFLEKSJI O WYKORZYSTANIU MOD
Page 5 and 6: • Wyniki pomiarów on-line; • W
Page 7 and 8: KTÓRE PARAMETRY MODELU NALEŻY ZMI
Page 9 and 10: DOLD, P., EKAMA, G.A., MARAIS, G.V.

kilka refleksji o wykorzystaniu modeli matematycznych w symulacji ...

You also want an ePaper? Increase the reach of your titles

Delete template?

Save as template?