Аналіз процесів масопереносу на базі чисельних моделей

Abstract

UK: Постановка проблеми. Аеротенки та відстійники найбільш поширено використовуються в технологічних схемах очищення стічних вод. Важливою проблемою є розробка ефективних спеціалізованих математичних моделей для аналізу ефективності роботи цих споруд водовідведення. Мета роботи. Розробка чисельних моделей для розрахунку процесів масопереносу у біологічних реакторах та відстійниках систем водовідведення. Методика. Для опису процесів механічного та біологічного очищення стічних вод використовуються фундаментальні рівняння механіки суцільного середовища. Для моделювання процесу переносу активного мулу, кисню та субстрату в біологічному реакторі використовуються тривимірні рівняння масопереносу. Для опису руху забруднювача у відстійнику використовується 3D рівняння конвективно-дифузійного переносу вагомої консервативної домішки. Гідродинаміка в очисних спорудах описується просторовим рівнянням Лапласу для потенцала швидкості. Для чисельного інтегрування моделюючих рівнянь використовуються кінцево-різницеві схеми. Наукова новизна. В статті розглянуті чисельні моделі для визначення концентрації кисню, активного мулу, субстрату в біореакторі. Запропоновані чисельні моделі для аналізу ефективності процесу очищення стічних вод у відстійниках. Побудовані чисельні моделі визначення поля швидкості потоку стічних вод в біореакторах та відстійниках. Запропоновані математичні моделі можуть буди використані для оцінювання ефективності роботи споруд, що здійснюють механічне та біологічне очищення стічних вод. Практична значущість. Запропоновані чисельні моделі для визначення поля швидкості в аеротенках та відстійниках, а також чисельні моделі для рішення задач оцінювання ефективності очищення стічних вод в цих спорудах. Розроблені чисельні моделі дозволяють швидко, в режимі «on-line», вирішувати прикладні задачі. Висновки. Здійснена програмна реалізація розробленої чисельної моделі. Наведено результати обчислювального експерименту.

EN: Problem statement. Aeration tanks and settling tanks are most commonly used in wastewater treatment processes. An important problem is the development of effective specialized mathematical models for analyzing the efficiency of these wastewater treatment facilities. The purpose of the article. Development of numerical models for calculating mass transfer processes in biological reactors and settling tanks of wastewater systems. Methodology. To describe the processes of mechanical and biological wastewater treatment, fundamental equations of continuum mechanics are used. To model the process of activated sludge, oxygen and substrate transport in a biological reactor, three-dimensional mass transfer equations are used. To describe the movement of a pollutant in a settling tank, a 3D equation of convective-diffusion transport of a significant conservative impurity is used. Hydrodynamics in treatment plants is described by the spatial Laplace equation for the velocity potential. Finite-difference schemes are used for numerical integration of the modeling equations. Scientific novelty. The article considers numerical models for determining the concentration of oxygen, activated sludge, substrate in a bioreactor. Numerical models are proposed for analyzing the efficiency of the wastewater treatment process in settling tanks. Numerical models are built for determining the field of wastewater flow velocity in bioreactors and settling tanks. The proposed mathematical models can be used to assess the efficiency of structures that carry out mechanical and biological wastewater treatment. Practical significance. Numerical models for determining the velocity field in aeration tanks and settling tanks, as well as numerical models for solving problems of assessing the efficiency of wastewater treatment in these structures, are proposed. The developed numerical models allow for quick, on-line, solution of applied problems. Conclusions. The developed numerical model has been implemented in software. The results of the computational experiment are presented.