3D Modeling of Biological Wastewater Treatment in Aeration Tank

Loading...
Thumbnail Image
Date
2020
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Дніпровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, Дніпро
Abstract
ENG: Purpose. The main purpose of the article is to develop a 3D CFD model for modeling the process of biological wastewater treatment in an aeration tank. Methodology. For mathematical modeling of the process of biological wastewater treatment in the reactor, taking into account the flow hydrodynamics, geometric shape of the aeration tank, convective-diffusion transfer of the substrate and activated sludge, a 3D CFD model was built. The model is based on the three-dimensional equation of motion of an ideal liquid and the equation of mass conservation for the substrate, activated sludge. The field of sewage flow rate in the aeration tank is calculated based on the velocity potential equation. The process of biological transformation of the substrate is calculated on the basis of the Monod model. The splitting scheme was used for numerical integration of the equations of convective-diffusion transfer of activated sludge and substrate. The splitting is carried out in such a way to take into account the transfer of substrate (activated sludge) in only one direction at each step of splitting. The calculation of the unknown value of the substrate (activated sludge) concentration is carried out according to an explicit scheme. The Richardson method is used to numerically integrate the three-dimensional equation for the velocity potential, and the unknown value of the velocity potential is calculated by an explicit formula. Euler's method is used for numerical integration of equations describing the process of substrate transformation and change in activated sludge concentration (Monod model). Findings. The software implementation of the constructed 3D CFD model is carried out. A description of the structure of the developed software package is provided. The results of a computer experiment to study the process of wastewater treatment in an aeration tank with additional elements are presented. Originality. A new multifactor 3D CFD model has been developed, which allows quick assessing the efficiency of biological treatment in an aeration tank. Practical value. The constructed 3D CFD model can be used to analyze the efficiency of the aeration tank under different operating conditions at the stage of sketch design of wastewater treatment systems.
UKR: Мета. Основною метою статті є розробка тривимірної CFD-моделі для моделювання процесу біологічного очищення стічних вод в аеротенку. Методика. Для математичного моделювання процесу біологічного очищення стічних вод у реакторі, з урахуванням гідродинаміки потоку, геометричної форми аеротенка, конвективно-дифузійного переносу субстрату та активного мулу, побудовано тривимірну CFD-модель. В основу моделі покладено тривимірне рівняння руху ідеальної рідини та рівняння збереження маси для субстрату й активного мулу. Поле швидкості потоку стічних вод в аеротенку розраховано на базі рівняння для потенціалу швидкості. Процес біологічного перетворення субстрату розраховано на базі моделі Monod. Для чисельного інтегрування рівнянь конвективно-дифузійного переносу активного мулу та субстрату використано схему розщеплення. Розщеплення здійснено так, щоб на кожному кроці враховувався перенос субстрату (активного мулу) лише в одному напрямку. Розрахунок невідомої величини концентрації субстрату (активного мулу) виконано за явною схемою. Під час чисельного інтегрування тривимірного рівняння для потенціалу швидкості використано метод Річардсона, розрахунок невідомого значення потенціалу швидкості здійснено за явною формулою. Для чисельного інтегрування рівнянь, що описують процес трансформації субстрату та зміну концентрації активного мулу (модель Monod), використано метод Ейлера. Результати. Здійснено програмну реалізацію побудованої тривимірної CFD-моделі. Описано структуру розробленого пакету програм. Подано результати проведеного комп’ютерного експерименту з дослідження процесу очищення стічних вод в аеротенку з додатковими елементами. Наукова новизна. Розроблено нову багатофакторну тривимірну CFD-модель, що дозволяє швидко оцінити ефективність біологічного очищення стічних вод в аеротенку. Практична значимість. Побудована CFD-модель може бути використана для аналізу ефективності роботи аеротенку за різних умов експлуатації та на етапі ескізного проектування систем очищення стічних вод.
RUS: Цель. Основной целью статьи является разработка трёхмерной CFD-модели для моделирования процесса биологической очистки сточных вод в аэротенке. Методика. Для математического моделирования процесса биологической очистки сточных вод в реакторе, с учетом гидродинамики потока, геометрической формы аэротенка, конвективно-диффузионного переноса субстрата и активного ила, построена трёхмерная CFD-модель. В основу модели положено трехмерное уравнение движения идеальной жидкости и уравнение сохранения массы для субстрата и активного ила. Поле скорости потока сточных вод в аэротенке рассчитано на базе уравнения для потенциала скорости. Процесс биологического превращения субстрата рассчитано на базе модели Monod. Для численного интегрирования уравнений конвективно-диффузионного переноса активного ила и субстрата использована схема расщепления. Расщепление осуществлено так, чтобы на каждом шагу учитывался перенос субстрата (активного ила) только в одном направлении. Расчет неизвестной величины концентрации субстрата (активного ила) осуществлен по явной схеме. Для численного интегрирования трехмерного уравнения для потенциала скорости использован метод Ричардсона, расчет неизвестного значения потенциала скорости осуществлен по явной формуле. Для численного интегрирования уравнений, описывающих процесс трансформации субстрата и изменение концентрации активного ила (модель Monod), использован метод Эйлера. Результаты. Осуществлена программная реализация построенной трёхмерной CFD -модели. Описана структура разработанного пакета программ. Представлены результаты проведенного компьютерного эксперимента по исследованию процесса очистки сточных вод в аэротенке с дополнительными элементами. Научная новизна. Разработана новая многофакторная трёхмерная CFD-модель, позволяющая быстро оценить эффективность биологической очистки сточных вод в аэротенке. Практическая значимость. Построенная CFD-модель может быть использована для анализа эффективности работы аэротенка при различных условиях эксплуатации и на этапе эскизного проектирования систем очистки сточных вод.
Description
M. Biliaiev: ORCID 0000-0002-1531-7882; M. Lemesh: ORCID 0000-0002-1230-8040; O. Gunko: ORCID 0000-0001-9257-763X; V. Zadoia: ORCID 0000-0001-9408-4978; P. Mashykhina: ORCID 0000-0003-3057-9204; Z. Yakubovska: ORCID 0000-0002-9893-3479
Keywords
water treatment, biological water treatment, mathematical modeling, aeration tank, Monod model, очищення води, біологічне очищення води, математичне моделювання, аеротенк, модель Monod, очистка воды, биологическая очистка воды, математическое моделирование, аэротенк, КГВ, КЕМ
Citation
Biliaiev M. M., Lemesh M. V., Gunko O. Y., Zadoia V. O., Mashykhina P. B., Yakubovska Z. M. 3D Modeling of Biological Wastewater Treatment in Aeration Tank. Наука та прогрес транспорту. 2020. № 6 (90). С. 5–14. DOI: 10.15802/stp2020/224619.