Computer Simulation of Biological Wastewater Treatment Processes in Aerotanks With Plates
Loading...
Date
2020
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Дніпровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, Дніпро
Abstract
EN: Purpose. Efficiency determination of the aeration tank at the stage of design or reconstruction of bioreactors in which biological wastewater treatment is carried out requires the use of special mathematical models and calculation methods. The main purpose of the article is to develop CFD models for evaluating the operation efficiency of aeration tanks. Methodology. A numerical model has been developed for the computer calculation of the biological wastewater treatment process in aerotanks, taking into account hydrodynamics. The model is based on two-level mass conservation equations for the substrate and activated sludge and the velocity potential equation. The process of biological transformation of the substrate is calculated based on the Monod model. For the numerical integration of the mass transfer equations of activated sludge and substrate, the alternating-triangular difference splitting scheme is used. In this case, the basic equations are divided into two equations of a more simplified form. For the numerical integration of the equations for the velocity potential, it is split into two one-dimensional equations. Further, each equation is solved according to explicit scheme. For the numerical integration of equations that describe the process of substrate transformation based on the Monod model, the Euler method is used. Findings. The software implementation of the constructed numerical model has been carried out. The results of a computational experiment on the study of the wastewater treatment process in an aeration tank with plates are presented. This leads to the conclusion that the quality control of wastewater treatment in aeration tanks is possible with the help of plates. Originality. A multivariate CFD model has been developed, which makes it possible to quickly assess the efficiency of the aeration tank. A feature of the model is the ability to evaluate the operation of the aeration tank, taking into account its geometric shape and location of additional plates in the construction. Practical value. The constructed numerical model can be used during calculations in the case of designing aeration tanks, or in determining the efficiency of wastewater treatment under new operating conditions.
UK: Мета. Визначення ефективності роботи аеротенків на етапі проєктування або реконструкції біореакторів, у яких здійснюється біологічне очищення стічних вод, вимагає використання спеціальних математичних моделей і методів розрахунку. Основною метою статті є розробка CFD-моделі для оцінки ефективності роботи аеротенка. Методика. Для комп’ютерного розрахунку процесу біологічного очищення стічних вод в аеротенку, з урахуванням гідродинаміки, розроблена чисельна модель. В основу моделі покладено двовимірні рівняння збереження маси для субстрату та активного мулу та рівняння для потенціалу швидкості. Процес біологічного перетворення субстрату розраховано на базі моделі Monod. Для чисельного інтегрування рівнянь масопереносу активного мулу та субстрату використано поперемінно-трикутну різницеву схему розщеплення. При цьому базові рівняння розщеплено на два рівняння більш спрощеного вигляду. Для чисельного інтегрування рівняння для потенціалу швидкості здійснено його розщеплення на два одновимірних рівняння. Далі кожне рівняння розв’язано за явною схемою. Для чисельного інтегрування рівнянь, що описують процес трансформації субстрату на базі моделі Monod, використано метод Ейлера. Результати. Здійснено програмну реалізацію побудованої чисельної моделі. Наведено результати обчислювального експерименту з дослідження процесу очищення стічних вод в аеротенку за рахунок використання додаткових елементів у споруді–пластин. Це дозволяє зробити висновки, що управління якістю очищення стічних вод в аеротенках можливе за допомогою застосування пластин. Наукова новизна. Розроблено багатофакторну CFD-модель, що дозволяє швидко оцінити ефективність роботи аеротенка. Особливістю моделі є можливість оцінки роботи аеротенка з урахуванням його геометричної форми та розташування в споруді додаткових пластин. Практична значимість. Побудована чисельна модель може бути використана під час проведення розрахунків у випадку проєктування споруд аеротенків або під час визначення ефективності очищення стічних вод за нових умов експлуатації.
RU: Цель. Определение эффективности работы аэротенка на этапе проектирования или реконструкции биореакторов, в которых осуществляется биологическая очистка сточных вод, требует использования специальных математических моделей и методов расчета. Основной целью статьи является разработка CFD-модели для оценки эффективности работы аэротенков. Методика. Для компьютерного расчета процесса биологической очистки сточных вод в аэротенках, с учётом гидродинамики, разработана численная модель. В основу модели заложены двухуровневые уравнения сохранения массы для субстрата и активного ила и уравнение для потенциала скорости. Процесс биологического преобразования субстрата рассчитан на базе модели Monod. Для численного интегрирования уравнений массопереноса активного ила и субстрата использована попеременно–треугольная разностная схема расщепления. При этом базовые уравнения разделены на два уравнения более упрощенного вида. Для численного интегрирования уравнения для потенциала скорости осуществлено его расщепление на два одномерных уравнения. Далее каждое уравнение решено по явной схеме. Для численного интегрирования уравнений, описывающих процесс трансформации субстрата на базе модели Monod, использован метод Эйлера. Результаты. Осуществлена программная реализация построенной численной модели. Приведены результаты вычислительного эксперимента по исследованию процесса очистки сточных вод в аэротенке за счет использования дополнительных элементов в сооружении – пластин. Это проводит к выводу, что управление качеством очистки сточных вод в аэротенках возможно с помощью применения пластин. Научная новизна. Разработана многофакторная CFD-модель, позволяющая быстро оценить эффективность работы аэротенка. Особенностью модели является возможность оценки работы аэротенка с учетом его геометрической формы и расположения в сооружении дополнительных пластин. Практическая значимость. Построенная численная модель может быть использована при проведении расчетов в случае проектирования сооружений аэротенков или при определении эффективности очистки сточных вод в новых условиях эксплуатации.
UK: Мета. Визначення ефективності роботи аеротенків на етапі проєктування або реконструкції біореакторів, у яких здійснюється біологічне очищення стічних вод, вимагає використання спеціальних математичних моделей і методів розрахунку. Основною метою статті є розробка CFD-моделі для оцінки ефективності роботи аеротенка. Методика. Для комп’ютерного розрахунку процесу біологічного очищення стічних вод в аеротенку, з урахуванням гідродинаміки, розроблена чисельна модель. В основу моделі покладено двовимірні рівняння збереження маси для субстрату та активного мулу та рівняння для потенціалу швидкості. Процес біологічного перетворення субстрату розраховано на базі моделі Monod. Для чисельного інтегрування рівнянь масопереносу активного мулу та субстрату використано поперемінно-трикутну різницеву схему розщеплення. При цьому базові рівняння розщеплено на два рівняння більш спрощеного вигляду. Для чисельного інтегрування рівняння для потенціалу швидкості здійснено його розщеплення на два одновимірних рівняння. Далі кожне рівняння розв’язано за явною схемою. Для чисельного інтегрування рівнянь, що описують процес трансформації субстрату на базі моделі Monod, використано метод Ейлера. Результати. Здійснено програмну реалізацію побудованої чисельної моделі. Наведено результати обчислювального експерименту з дослідження процесу очищення стічних вод в аеротенку за рахунок використання додаткових елементів у споруді–пластин. Це дозволяє зробити висновки, що управління якістю очищення стічних вод в аеротенках можливе за допомогою застосування пластин. Наукова новизна. Розроблено багатофакторну CFD-модель, що дозволяє швидко оцінити ефективність роботи аеротенка. Особливістю моделі є можливість оцінки роботи аеротенка з урахуванням його геометричної форми та розташування в споруді додаткових пластин. Практична значимість. Побудована чисельна модель може бути використана під час проведення розрахунків у випадку проєктування споруд аеротенків або під час визначення ефективності очищення стічних вод за нових умов експлуатації.
RU: Цель. Определение эффективности работы аэротенка на этапе проектирования или реконструкции биореакторов, в которых осуществляется биологическая очистка сточных вод, требует использования специальных математических моделей и методов расчета. Основной целью статьи является разработка CFD-модели для оценки эффективности работы аэротенков. Методика. Для компьютерного расчета процесса биологической очистки сточных вод в аэротенках, с учётом гидродинамики, разработана численная модель. В основу модели заложены двухуровневые уравнения сохранения массы для субстрата и активного ила и уравнение для потенциала скорости. Процесс биологического преобразования субстрата рассчитан на базе модели Monod. Для численного интегрирования уравнений массопереноса активного ила и субстрата использована попеременно–треугольная разностная схема расщепления. При этом базовые уравнения разделены на два уравнения более упрощенного вида. Для численного интегрирования уравнения для потенциала скорости осуществлено его расщепление на два одномерных уравнения. Далее каждое уравнение решено по явной схеме. Для численного интегрирования уравнений, описывающих процесс трансформации субстрата на базе модели Monod, использован метод Эйлера. Результаты. Осуществлена программная реализация построенной численной модели. Приведены результаты вычислительного эксперимента по исследованию процесса очистки сточных вод в аэротенке за счет использования дополнительных элементов в сооружении – пластин. Это проводит к выводу, что управление качеством очистки сточных вод в аэротенках возможно с помощью применения пластин. Научная новизна. Разработана многофакторная CFD-модель, позволяющая быстро оценить эффективность работы аэротенка. Особенностью модели является возможность оценки работы аэротенка с учетом его геометрической формы и расположения в сооружении дополнительных пластин. Практическая значимость. Построенная численная модель может быть использована при проведении расчетов в случае проектирования сооружений аэротенков или при определении эффективности очистки сточных вод в новых условиях эксплуатации.
Description
M. Biliaiev: ORCID 0000-0002-1531-7882, M. Lemesh: ORCID 0000-0002-1230-8040, V. Biliaieva: ORCID 0000-0003-2399-3124, P. Mashykhina: ORCID 0000-0003-3057-9204, Z. Yakubovska: ORCID 0000-0002-9893-3479
Keywords
water purification, numerical modeling, aerotank, model Mono, CFD models, biological cleaning, wastewater, activated sludge, concentration of pollutants, очищення води, чисельне моделювання, аеротенк, модель Monod, CFD-моделі, біологічне очищення, стічні води, активний мул, концентрація забруднювальних речовин, очистка воды, численное моделирование, аэротенк, модель Monod, CFD-модели, биологическая очистка, сточные воды, активный ил, концентрация загрязняющих веществ, КГВ
Citation
Biliaiev M. M., Lemesh M. V., Biliaieva V. V., Mashykhina P. B., Yakubovska Z. M. Computer simulation of biological wastewater treatment processes in aerotanks with plates. Наука та прогрес транспорту. 2020. № 5 (89). С. 5–14. DOI: 10.15802/stp2020/218302.