kilka refleksji o wykorzystaniu modeli matematycznych w symulacji ...

More documents

Recommendations

Info

200 w systemach oczyszczania ścieków. Do najczęściej wykorzystywanych w praktyce i najobszerniej opisanych w literaturze należy grupa modeli ASM (Activated Sludge Models) opracowanych przez grupę zadaniową organizacji IWA (Langergraber i in., 2004). Zbiór raportów grupy zadaniowej zawierających szczegółowy opis modeli ASM opublikowano w Henze i in. (2000). Wybór modelu przemian biochemicznych jest uzależniony od celu projektu, doświadczeń osoby opracowującej model danego obiektu i oczekiwań przyszłego użytkownika modelu (np. eksploatatora, doradcy), a zwłaszcza od procesów biochemicznych (ewentualnie chemicznego strącania fosforanów) zachodzących w oczyszczalni (np. usuwanie substancji organicznych, związków azotu, fosforu). Warto wziąć pod uwagę, że większość opracowań (teoretycznych i praktycznych) dotyczy modeli ASM, a zwłaszcza modelu ASM1, dlatego korzystając z mniej popularnych modeli należy zachować szczególną ostrożność (Langergraber i in., 2004). Metoda osadu czynnego jest wykorzystywana w oczyszczaniu nie tylko ścieków komunalnych lecz również ścieków przemysłowych zawierających związki organiczne np. z zakładów petrochemicznych, celulozowni, czy garbarni. Modele ASM zostały opracowane dla systemów oczyszczających ścieki komunalne. W niektórych przypadkach mogą być one bezpośrednio zastosowane do ścieków przemysłowych np. z przemysłu spożywczego. Często jednak właściwości dopływu i specyfika działania danej oczyszczalni ścieków przemysłowych znacznie odbiegają od systemów dla ścieków komunalnych, dlatego zastosowanie modelu ASM jest niemożliwe. W tym przypadku konieczne jest opracowanie modelu uwzględniającego charakterystykę procesu. W tym celu możliwe jest wykorzystanie jednego z dostępnych modeli, jako punktu wyjściowego (Melcer i in., 2003). MODEL MATEMATYCZNY WYMAGA BARDZIEJ SZCZEGÓŁOWEGO OPISU SKŁADU ŚCIEKÓW Ścieki są wieloskładnikową mieszaniną materii organicznej i nieorganicznej. W modelach osadu czynnego ASM i w wielu innych, właściwości ścieków określone są za pomocą wskaźników (tzw. frakcji modelowych) odbiegających od zbioru oznaczeń i pomiarów wykonywanych rutynowo w oczyszczalniach ścieków komunalnych. W celu określenie stężeń poszczególnych frakcji modelowych wykonuje się zarówno analizy fizyko-chemiczne (filtracyjne) i/lub biologiczne (respirometryczne i miareczkowe) (Petersen, 2000). Wyniki symulacji zależą od jakości danych wejściowych, stąd przewidywane przeznaczenie skalibrowanego modelu określa metodę i dokładność wyznaczenia poszczególnych frakcji. Najdokładniejsza charakterystyka ścieków wymagana jest, jeśli model będzie wykorzystywany w celach projektowych (Henze i in., 2000). Względna zawartość poszczególnych frakcji modelowych w ściekach dopływających do danej oczyszczalni jest w przybliżeniu stała, natomiast stężenie tych frakcji może podlegać znacznym wahaniom w perspektywie godzinowej i dziennej (Henze i in., 2000) Jeśli niemożliwe jest wykonanie analizy jakości ścieków pod kątem wymagań modelowych, lecz dostępne są typowe wyniki analizy ścieków (np. ChZT, N-NH4, zawartość zawiesin), wtedy wyznaczenie frakcji modelowych można wykonać na podstawie danych literaturowych dla określonej strefy klimatycznej, rodzaju kanalizacji, stopnia oczyszczenia ścieków (ścieki surowe lub oczyszczone mechanicznie) (np. Ekama i in., 1986; Henze, 1992; Henze i in., 2000; Koch i in., 2000; Lesouef i in., 1992; Melcer i in., 2003; Hulsbeek i in., 2002). Metody fizyko-chemiczne, z których najczęściej wykorzystywaną jest metoda filtracyjna, pozwalają scharakteryzować ścieki w krótkim czasie i małym nakładem pracy. Metoda ta pozwala wyznaczyć wartość ChZT frakcji rozpuszczonej i nierozpuszczonej natomiast nie dostarcza bezpośrednich informacji na temat ich biodegradowalności. Metody biologiczne pozwalają na uzyskanie informacji na temat charakterystyki ścieków na podstawie obserwacji zachowania systemu osadu czynnego. Fakt, że frakcje modelowe w modelach typu ASM zdefiniowano ze względu na ich podatność na biodegradację, pozwala uznawać wyniki analiz biologicznych za bardziej miarodajne niż analizy fizykochemiczne. Zastosowanie metod biologicznych, mimo niewątpliwych korzyści jest związane z większymi nakładem pracy i środków finansowych oraz umiejętnością poprawnej interpretacji wyników. Metody biologiczne służą głównie do wyznaczania stężenia frakcji biodegradowalnych i biomasy. Wg Petersen (2000) wyznaczenie poszczególnych frakcji modelowych w oparciu o wyniki analiz fizykochemicznych może prowadzić do błędnych wyników. Metody fizyko-chemiczne pozwalają na poprawne wyznaczenie frakcji azotowych natomiast podział na poszczególne frakcje związków określanych za pomocą ChZT obarczony jest dozą niepewności.
KTÓRE PARAMETRY MODELU NALEŻY ZMIENIĆ W TRAKCIE KALIBRACJI? Modele osadu czynnego, podobnie jak modele matematyczne innych procesów, są uproszczeniem i przybliżeniem rzeczywistości i jako takie wymagają dostosowania w zależności od warunków prowadzenia procesu. W celu wyznaczenia parametrów modelu biokinetycznego wykorzystuje się najczęściej metody biologiczne polegające w znacznej mierze na pomiarze zmian stężenia tlenu oraz form azotu i fosforu na skutek działalności mikroorganizmów. Podczas planowania zakresu doświadczeń mających na celu wyznaczenie parametrów modelu powinny zostać wykorzystane wyniki analizy czułości. Analiza czułości służy do identyfikacji parametrów modelu mających największy wpływ na zmienne modelowe. Jako „parametr” należy rozumieć nie tylko współczynniki modelu biochemicznego (np. ASM), lecz także frakcje zanieczyszczeń w dopływie oraz parametry eksploatacyjne. Przedmiotem dodatkowych badań powinny być parametry mające największy wpływ na zmienne modelowe, natomiast parametrom o znikomym wpływie mogą zostać przypisane wartości domyślne (Melcer i in., 2003). Analizę czułości najczęściej wykonuje się w trakcie symulacji pracy systemu w stanie ustalonym z wykorzystaniem odpowiednio uśrednionych danych z układu rzeczywistego. DOSTOSOWANIE PARAMETRÓW MODELU Nie jest wskazane dostosowywanie wartości danego parametru, jeśli wyniki symulacji nie są wrażliwe na jego zmiany. W przypadku, gdy zmiana wartości parametru jest nieunikniona, powinna być ona wykonana we właściwym kierunku zgodnie z uznaniem i doświadczeniem wykonawcy. W inny przypadku zmiany parametrów związane są z niebezpieczeństwem, iż model nie będzie odzwierciedlał rzeczywistości. W danej chwili wartość tylko jednego parametru może być zmieniana. Niektóre parametry są ze sobą ściśle powiązane, dlatego niemożliwa jest ocena wpływu jednoczesnej zmiany kilku parametrów. Dla każdej pary parametrów znajdujących się w interakcji tylko parametr wykazujący większy wpływ na wyniki symulacji powinien być dostosowywany. We wstępnej symulacji wykorzystuje się domyślne wartości parametrów stechiometrycznych i kinetycznych modelu 201 osadu czynnego (podane w literaturze lub zawarte w oprogramowaniu symulacyjnym). Uznaje się, że domyślny zbiór parametrów nie powinien być poddawany znacznym modyfikacjom, będących najczęściej rezultatem błędnego scharakteryzowania sytemu (np. ilości osadu nadmiernego, frakcji modelowych w ściekach, hydrodynamiki komór osadu czynnego). Należy podkreślić, że domyślne wartości parametrów wyznaczone na podstawie badań dla ścieków komunalnych mogą być nieodpowiednie zarówno dla ścieków przemysłowych, jak i ścieków o dużym udziale przemysłowych wód odpadowych (Melcer i in., 2003; Hulsbeek i in., 2002). WERYFIKACJA POPRAWNOŚCI KALIBRACJI MODELU Podczas weryfikacji kalibracji modelu wartości jego parametrów pozostają niezmienione. Dane pomiarowe wykorzystane podczas weryfikacji powinny pochodzić z okresu odmiennego od użytego podczas kalibracji. Różnice te mogą wynikać z odmiennej temperatury, wieku osadu, warunków eksploatacyjnych (np. liczby pracujących osadników) (Langergraber i in., 2004; Sin i in., 2005). PROTOKOŁY KALIBRACYJNE – STANDARDOWA PROCEDURA KALIBRACJI Ważnym źródłem informacji związanych z praktycznymi aspektami kalibracji są tzw. protokoły kalibracyjne (z ang. calibration protocols), które opracowano z myślą o usystematyzowaniu przebiegu procesu kalibracji i wyznaczeniu jednolitych kryteriów umożliwiających określenie i porównanie wyników symulacji Motywacją do opublikowania protokołów kalibracyjnych był fakt, że dotychczasowo opisane w literaturze symulacje procesów oczyszczania ścieków zazwyczaj różniły się pod wieloma względami, utrudniając lub uniemożliwiając ich porównanie i ocenę. Najpopularniejsze protokoły kalibracyjne zostały opracowane przez organizacje europejskie HSG (Hochschulgruppe, grupa badaczy z krajów niemieckojęzycznych) (Langergraber i in., 2004), STOWA (Hulsbeek in., 2002), BIOMATH (Department of Applied Mathematics, Biometrics and Process Control, Ghent University, Belgium) (Vanrolleghem i in., 2003) oraz północnoamerykańską WERF (Water Environment Research Foundation) (Melcer i in., 2003). W artykule Sin i in. (2005) przedstawiono analizę SWOT (analizę
Page 1 and 2: KILKA REFLEKSJI O WYKORZYSTANIU MOD
Page 3 and 4: PROGRAMY SYMULACYJNE UMOŻLIWIJĄ W
Page 5: • Wyniki pomiarów on-line; • W
Page 9 and 10: DOLD, P., EKAMA, G.A., MARAIS, G.V.

kilka refleksji o wykorzystaniu modeli matematycznych w symulacji ...

Create successful ePaper yourself

Delete template?

Save as template?