Експрес-розрахунок кисневого режиму в очисних спорудах
Date
2023
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, Дніпро, Ukraine
Abstract
UKR: Постановка проблеми. Ефективність біологічного очищення води суттєво залежить від концентрації розчинного кисню в об’ємі біореактора. Але під час роботи біореакторів кисневий режим змінюється, тому важливо прогнозувати концентрацію кисню для різних режимів експлуатації очисних споруд. Для розрахунку кисневого режиму використовуються спрощені математичні моделі, але такі моделі розроблені для типових біореакторів. Важливим завданням стало розроблення ефективних багатофакторних чисельних моделей для оцінювання кисневого режиму в реакторах різної геометричної форми, що відрізняються від «класичних». Мета роботи − розроблення CFD-моделі для оперативного оцінювання кисневого режиму в біореакторах. Методика. Для математичного моделювання кисневого режиму в біореакторі використовується двовимірне рівняння масопереносу, що враховує місце подачі кисню від аератора, розташованого у споруді, гідродинаміку течії в біореакторі, процес дифузії. Для розв’язання гідродинамічної задачі використано модель потенціального руху. Чисельне інтегрування моделювальних рівнянь здійснюється шляхом використання скінченно різницевих схем розщеплення. На кожному кроці розщеплення різницеві рівняння розв’язуються за допомогою явних схем. Це дозволяє просту комп’ютерну реалізацію чисельної моделі. Наукова новизна. Розроблено багатофакторну двовимірну CFD-модель, що дозволяє швидко оцінити кисневий режим у біореакторі, який використовується для очищення стічних вод. Практична значущість. Розроблена CFD-модель та комп’ютерний код можуть бути використані на етапі проектування або реінжинірингу біореакторів з метою пошуку оптимального розташування в споруді аераторів. Висновки. Здійснено програмну реалізацію розробленої чисельної моделі. Наведено результати обчислювального експерименту із дослідження процесу очищення стічних вод у відстійнику.
ENG: Problem statement. The efficiency of biological water purification depends significantly on the concentration of dissolved oxygen in the volume of the bioreactor. But during the operation of bioreactors, the oxygen regime changes, so it is important to predict the oxygen concentration for different modes of operation of treatment plants. Simplified mathematical models are used to calculate the oxygen regime, but these models are designed for typical bioreactors. An important task is the development of effective multivariate numerical models for evaluating the oxygen regime in reactors of different geometric shapes, which differ from “classical” reactors. The purpose of the article. Development of a CFD model for operational evaluation of the oxygen regime in bioreactors. Methodology. For mathematical modeling of the oxygen regime in the bioreactor, a two-dimensional mass transfer equation is used, which takes into account the place of oxygen supply from the aerator located in the building, the hydrodynamics of the flow in the bioreactor, and the diffusion process. The potential motion model was used to solve the hydrodynamic problem. Numerical integration of modeling equations is carried out by using finite-difference splitting schemes. At each splitting step, the difference equations are solved using explicit schemes. This allows a simple computer implementation of the numerical model. Scientific novelty. A multifactor two-dimensional CFD model was developed, which allows for a quick assessment of the oxygen regime in a bioreactor used for wastewater treatment. Practical significance. The developed CFD model and computer code can be used at the stage of designing or re-engineering bioreactors in order to find the optimal location of aerators in the structure. Conclusions. The software implementation of the developed numerical model was carried out. The results of a computational experiment on the study of the wastewater treatment process in a sedimentation tank are presented.
ENG: Problem statement. The efficiency of biological water purification depends significantly on the concentration of dissolved oxygen in the volume of the bioreactor. But during the operation of bioreactors, the oxygen regime changes, so it is important to predict the oxygen concentration for different modes of operation of treatment plants. Simplified mathematical models are used to calculate the oxygen regime, but these models are designed for typical bioreactors. An important task is the development of effective multivariate numerical models for evaluating the oxygen regime in reactors of different geometric shapes, which differ from “classical” reactors. The purpose of the article. Development of a CFD model for operational evaluation of the oxygen regime in bioreactors. Methodology. For mathematical modeling of the oxygen regime in the bioreactor, a two-dimensional mass transfer equation is used, which takes into account the place of oxygen supply from the aerator located in the building, the hydrodynamics of the flow in the bioreactor, and the diffusion process. The potential motion model was used to solve the hydrodynamic problem. Numerical integration of modeling equations is carried out by using finite-difference splitting schemes. At each splitting step, the difference equations are solved using explicit schemes. This allows a simple computer implementation of the numerical model. Scientific novelty. A multifactor two-dimensional CFD model was developed, which allows for a quick assessment of the oxygen regime in a bioreactor used for wastewater treatment. Practical significance. The developed CFD model and computer code can be used at the stage of designing or re-engineering bioreactors in order to find the optimal location of aerators in the structure. Conclusions. The software implementation of the developed numerical model was carried out. The results of a computational experiment on the study of the wastewater treatment process in a sedimentation tank are presented.
Description
М. Біляєв: ORCID: 0000-0002-1531-7882; П. Машихіна: ORCID: 0000-0003-3057-9204; Л. Татарко: ORCID: 000-0002-2080-6090; А. Чірков: ORCID: 0009-0005-4326-2881; М. Чирва: ORCID: 0009-0006-1416-9482
Keywords
біологічне очищення води, аеротенк, чисельне моделювання, обчислювальний експеримент, biological water treatment, aeration tank, numerical modelling, computational experiment, КГВФ
Citation
Біляєв М. М., Машихіна П. Б., Татарко Л. Г., Чірков А. О., Чирва М. В. Експрес-розрахунок кисневого режиму в очисних спорудах. Український журнал будівництва та архітектури. 2023. № 6 (018). С. 29–34. DOI: 10.30838/J.BPSACEA.2312.261223.29.1004.