WYKORZYSTANIE METOD KOMPUTEROWYCH W TECHNOLOGII WYSOKOEFEKTYWNEGO OCZYSZCZANIA ŚCIEKÓW Jerzy MIKOSZ, Jerzy KURBIEL Politechnika Krakowska, Instytut Zaopatrzenia w Wodę i Ochrony Środowiska, ul. Warszawska 24, 31-155 Kraków STRESZCZENIE Metody komputerowych stosowane są w technologii wysokoefektywnego oczyszczania ścieków do projektowania, sterowania, optymalizacji oraz do celów badawczych. W każdym z tych obszarów zakres i stopień wykorzystania poszczególnych metod jest nieco inny. W Polsce metody komputerowe wykorzystywane są w mniejszym zakresie niż w krajach wysoko rozwiniętych, ale w ostatnich latach można zauważyć w tym zakresie znaczny postęp. Powszechnie stosowane są arkusze kalkulacyjne, bazy danych, proste programy obliczeniowe do projektowania i programy do sterowania w oczyszczalniach ścieków. Coraz szerzej stosowane są programy do dynamicznej symulacji pracy oczyszczalni ścieków, chociaż na razie nie są one integrowane z systemami sterowania procesami biologicznymi w oczyszczalniach. Zauważalne jest tez coraz częstsze stosowanie programów symulacyjnych do projektowania nowych i optymalizacji istniejących oczyszczalni. Systemy doradcze wciąż pozostają bardziej w sferze prac badawczych niż praktycznych zastosowań. SŁOWA KLUCZOWE: wysokoefektywne oczyszczanie ścieków, metody komputerowe, symulacja komputerowa, systemy doradcze WPROWADZENIE Nowoczesne oczyszczalnie ścieków wykorzystujące wysokoefektywne procesy biologicznego oczyszczania ścieków metodą osadu czynnego są układami skomplikowanymi, trudnymi do optymalnego zaprojektowania i sterowania. Zmienność ilości ścieków, ładunków zanieczyszczeń, warunków atmosferycznych, a także cykle eksploatacji poszczególnych urządzeń technologicznych oraz zdarzenia losowe decydują o dynamicznym charakterze całego układu. Wraz z rosnącym stopniem skomplikowania urządzeń i układów oraz coraz większą ilością gromadzonych i przetwarzanych danych zwiększa się zapotrzebowanie na wykorzystanie różnych metod komputerowych. Dziedzinami w których metody komputerowe są już powszechnie stosowane są: projektowanie procesów i układów technologicznych oraz ich eksploatacja. W Polsce do projektowania wykorzystuje się przede wszystkim arkusze kalkulacyjne i różne programy obliczeniowe, a w praktyce eksploatacyjnej oczyszczalni ścieków bazy danych, arkusze kalkulacyjne i proste programy sterujące. Metody te pozwalają przyspieszyć i uprościć projektowanie procesów oraz ułatwiają analizę danych gromadzonych w oczyszczalni, ale nie wprowadzają zasadniczej zmiany jakościowej. Podobne efekty można uzyskać stosując konwencjonalne metody obliczeniowe przy użyciu kalkulatora oraz spędzając więcej czasu na przeprowadzenie koniecznych obliczeń. Pojawienie się w latach 90-tych użytkowych programów do dynamicznej symulacji procesów oczyszczania ścieków oraz wzrost zapotrzebowania na optymalizację procesów oczyszczania ścieków, otworzyły nowy obszar zastosowań metod komputerowych. Zjawisko to należy postrzegać jako istotną zmianę jakościową, która wskazuje nowe kierunki rozwoju i stwarza nowe możliwości. Przykłady ze Szwecji, Kanady, USA i innych państw pokazują, że oprócz optymalizacji istniejących układów, symulacja komputerowa znajduje szerokie zastosowanie do projektowania nowych oczyszczalni, automatycznego sterowania procesami i szkolenia pracowników. Symulacja komputerowa, wraz z zaawansowanymi bazami danych i procedurami optymalizacyjnymi, stanowi również element składowy bardziej skomplikowanych układów, tzw. systemów doradczych (ang. expert systems).
PRZEGLĄD STOSOWANYCH METOD KOMPUTEROWYCH Podstawowe metody komputerowe znajdujące zastosowanie w technologii wysokoefektywnego oczyszczania ścieków obejmują: arkusze kalkulacyjne i programy obliczeniowe, bazy danych, programy wykorzystujące procedury optymalizacyjne i metody analizy systemów, programy do dynamicznej symulacji procesów i układów wraz z możliwością sterowania procesami oraz systemy doradcze. Stopień rozpowszechnienia poszczególnych metod dla różnych zastosowań jest bezpośrednio związany ze stopniem ich skomplikowania oraz dostępnością, czyli przed wszystkim ceną. Najpowszechniej stosowane są arkusze kalkulacyjne, programy obliczeniowe i bazy danych. Najrzadziej stosowane są systemy doradcze, które są programami specjalistycznymi, tworzonymi często dla konkretnego obiektu, a przez to drogimi. Ogólny podział metod komputerowych stosowanych w poszczególnych obszarach przedstawiono na rys. 1. Wykorzystanie metod komputerowych w technologii ścieków Projektowanie Eksploatacja Optymalizacja procesów Prace badawcze Arkusze kalkulacyjne i programy obliczeniowe Arkusze kalkulacyjne i programy obliczeniowe Arkusze kalkulacyjne i programy obliczeniowe Arkusze kalkulacyjne Symulacja komputerowa Sterowanie procesami (on-line) Metody analizy systemów Bazy danych Metody analizy systemów Bazy danych Symulacja komputerowa Metody analizy systemów Symulacja komputerowa Symulacja komputerowa Systemy doradcze Rys. 1. Rodzaje metod komputerowych stosowanych w technologii wysokoefektywnego oczyszczania ścieków Arkusze kalkulacyjne i programy obliczeniowe Arkusze kalkulacyjne należą do metod komputerowych często wykorzystywanych w praktyce projektowej i eksploatacyjnej. Wynika to z ich dużego rozpowszechnienia, łatwości obsługi i uniwersalności, rozumianej jako elastyczność stosowania. Programy takie jak Microsoft Excel, są nieocenionym narzędziem stosowanym do gromadzenia i przetwarzania danych, graficznej prezentacji wyników, oraz automatyzacji obliczeń. Przeciętny użytkownik wykorzystuje zazwyczaj jedynie niewielką część możliwości przetwarzania danych jakie programy te oferują, traktując je jako inteligentny kalkulator. Doświadczeni użytkownicy są w stanie wykorzystać zaawansowane funkcje arkuszy kalkulacyjnych, umożliwiające tworzenia własnych aplikacji symulacyjnych, gromadzenie danych z urządzeń pomiarowych on-line i optymalizację procesów. Programy obliczeniowe najczęściej służą do projektowania procesów i doboru urządzeń. Programy te tworzone są przy wykorzystaniu arkuszy kalkulacyjnych lub pisane w jednym z powszechnie stosowanych języków programowania. Są to programy specjalistyczne, które ułatwiają i automatyzują wykonywanie obliczeń projektowych tradycyjnie wykonywanych przy użyciu kalkulatora. Ponadto programy te zawierają informacje o podstawowych parametrach procesowych, ich wartościach i zakresach stosowania urządzeń. Programy te zwykle nie uwzględniają dynamiki pracy projektowanego układu posługując się średnimi, maksymalnymi lub minimalnymi wielkościami projektowymi. Przykładem może być program DENICOM- ATV opracowany przez firmę COMEKO S.C. wspomagający proces projektowania oczyszczalni ścieków w oparciu o wytyczne ATV lub proste programy do doboru urządzeń oferowane przez dostawców tych urządzeń.
Bazy danych Bazy danych, podobnie jak arkusze kalkulacyjne, stanowią jedną z najbardziej rozpowszechnionych metod komputerowych. W nowobudowanych oczyszczalniach baza danych najczęściej stanowi zintegrowany element systemu gromadzenia i przetwarzania danych w oczyszczalniach. Sygnały z urządzeń pomiarowych on-line i in-line są odczytywane i przetwarzane, i w określonych interwałach przesyłane do bazy danych znajdującej się w układzie sterowania oczyszczalni. Dane pochodzące z analiz laboratoryjnych lub urządzeń off-line są wprowadzane ręcznie. Bazy danych umożliwiają proste przetwarzanie danych, ich przeszukiwanie i prezentację w postaci raportów. W oczyszczalniach nie wyposażonych w zintegrowane systemy gromadzenia i przetwarzania informacji, bazy danych (np. Microsoft Access ) stosowane są jako element niezależny od całego systemu sterowania. W takim przypadku wszystkie informacje wprowadzane są tylko ręcznie. Często funkcję bazy danych pełnią arkusze kalkulacyjne. Praktyka pokazuje, że wiele nowoczesnych wysokoefektywnych oczyszczalni ścieków wyposażonych jest w systemy sterowania i przetwarzania informacji, które nie spełniają oczekiwań użytkowników. Zastrzeżenia często dotyczą zakresu i częstotliwości gromadzonych informacji, sposobu prezentowania danych, trudności w dostępie do określonych rodzajów informacji, oraz zbyt krótkiego okresu przechowywania danych. Metody analizy systemów Metody analizy systemów w technologii wysokoefektywnego oczyszczania ścieków są wykorzystywane do określenia optymalnych lub zbliżonych do optymalnych rozwiązań w zakresie doboru procesów jednostkowych i określenia ich parametrów podczas projektowania lub optymalizacji układu oczyszczania ścieków i/lub przeróbki osadów. Metody te opierają się na danych liczbowych i wykorzystują wyrażenia matematyczne do opisu funkcji celu, zależności oraz warunków ograniczających. Spośród najczęściej stosowanych metod analizy systemów należy wymienić programowanie liniowe, modele sieciowe, analizę wielokryterialną. Obecnie istnieje wiele programów komputerowych, które umożliwiają stosunkowo szybkie i efektywne rozwiązywanie problemów z dziedziny analizy systemów. Przykładami takich programów mogą być : LINDO, Management Scientist, MultiSimplex i in. Niektóre problemy, szczególnie te z dziedziny programowania liniowego, można rozwiązywać stosując narzędzia zawarte w arkuszach kalkulacyjnych. Zagadnienia wymagające wykorzystania metod analizy systemów najczęściej są stosowane podczas projektowania nowych układów i optymalizacji istniejących oczyszczalni ścieków. Symulacja komputerowa W ostatnich latach opracowano szereg modeli matematycznych opisujących procesy jednostkowe zachodzące w biologicznych oczyszczalniach ścieków. Jednak aż do połowy lat 90-tych praktyczne wykorzystanie tych modeli było ograniczone małą dostępnością komputerów i ich stosunkowo niewielkimi możliwościami obliczeniowymi. Dopiero w ostatnich latach można zaobserwować szybki rozwój komputerowych programów do symulacji pracy oczyszczalni ścieków, które w sposób zintegrowany wykorzystują dynamiczne modele matematyczne poszczególnych procesów jednostkowych takich, jak proces osadu czynnego, sedymentacji, chemicznego strącania i fermentacji. Zastosowanie odpowiednich programów symulacyjnych umożliwia prowadzenie dynamicznej symulacji pracy całej oczyszczalni lub tylko wybranej jej części bez ingerencji w rzeczywisty układ oczyszczania ścieków. Pozwala to na testowanie hipotetycznych scenariuszy eksploatacyjnych, których celem może być optymalizacja istniejącego układu technologicznego, opracowanie algorytmu zachowań w sytuacjach awaryjnych lub szkolenie pracowników obsługi. Prawidłowo przeprowadzona symulacja daje wyniki zbliżone do uzyskiwanych w rzeczywistym układzie, przy znacznie niższych kosztach i zapewniając większą elastyczność układu. Dzięki temu możliwe jest symulowanie sytuacji, których nie można sprawdzać w rzeczywistym układzie. Spośród wielu programów symulacyjnych dostępnych na rynku, większość jest zgodna ze standardem CSSL (Continuous System Simulation Language). Języki CSSL mają podobną strukturę i są pochodnymi języków wyższego poziomu takich jak FORTRAN, PASCAL lub BASIC i dzięki temu mogą wykorzystywać bogate biblioteki i znaczne możliwości obliczeniowe tych języków. Innymi istotnymi cechami tych programów jest łatwość ich użytkowania, szybkość obliczeniowa, możliwość uruchamiania w różnych systemach, procedury optymalizacyjne i estymacji parametrowej. Niektóre programy umożliwiają także graficzną definicję modelu. Cyfrowe języki symulacyjne są zaprojektowane do równoczesnego rozwiązywania równań różniczkowych metodą całkowania. Wiele programów symulacyjnych umożliwia wybór takiej metod całkowania, która jest najbardziej odpowiednia dla danego modelu. Ich struktura umożliwia znaczne uproszczenie pisanych programów, a.równania matematyczne modelu są prawie bezpośrednio zapisywane w języku zrozumiałym dla komputera. Przegląd niektórych programów symulacyjnych do ogólnych zastosowań przedstawiono w tab. I.
Tabela I. Charakterystyka niektórych programów symulacyjnych (na podstawie (Snape, 1995)) NAZWA PROGRAMU RODZAJ KOMPUTERA CHARAKTERYSTYKA ISIM IBM PC Bardzo interaktywny, łatwy w użyciu, o umiarkowanej mocy obliczeniowej. [ISIM International Simulation Ltd., Wielka Brytania] ESL Wszystkie rodzaje Posiada graficzny interfejs, umożliwia estymację parametrową na podstawie danych i programowanie za pomocą ikon, nieco trudniejszy ACSL MODEL-WORKS SIMNON SIMUSOLV MATLAB SIMULINK Wszystkie rodzaje w użytkowaniu. [ISIM International Simulation Ltd., Wielka Brytania] Posiada bardzo rozbudowaną matematykę i wiele modułów, w tym szczególnie dotyczących sterowania, posiada możliwość dodania interfejsu graficznego. [MGA Software, Concord, USA] IBM PC i Zbudowany na bazie PASCAL-a, bardzo elastyczny. Macintosh [A.Fischlin, ITE, ETH, Schlieren, Szwajcaria] IBM PC i inne Niezgodny ze standardem CSSL, bardzo interaktywny, umożliwia symulację systemów ciągłych i dyskretnych. [Dep. of Automatic Control, Lund Institute of Technology, Sweden] VAX, IBM, SUN Wszystkie rodzaje Stacje robocze, IBM PC i Macintosh Wszystkie rodzaje Stacje robocze i większe Wykorzystuje język ACSL, wygodny w użytkowaniu, posiada metody optymalizacji i estymacji parametrowej [Dow Chemical Co., USA] Bardzo potężny pakiet matematyczny, szczególnie przydatny do rozwiązywania zagadnień liniowych, posiada funkcje optymalizacyjne [The Math Works Inc.,USA] Zbudowany w oparciu o MATLAB, z poprawionymi procedurami całkowania, posiada graficzny interfejs i możliwość blokowego budowania modelu, bardzo elastyczny. [The Math Works Inc., USA] MATHEMATICA Pakiet programów matematycznych, posiada możliwość całkowania analitycznego i numerycznego. [Wolfram Res. Inc., USA] SPEEDUP Umożliwia symulację statyczną i dynamiczną dużych systemów, wyposażony w bazę danych. [Aspen Technology Inc., USA] STELLA Macintosh Umożliwia graficzne definiowanie modelu, bardzo interaktywny, słaba MADONNA IBM PC i Macintosh strona to stosowane metody numeryczne. [High Performance Sys.,USA] Bardzo elastyczny, prosty i szybki program symulacyjny z możliwością estymacji parametrowej. Wygodny w użyciu. [Kagi Shareware, USA] Osobną grupę programów symulacyjnych stanowią programy specjalistyczne przeznaczone wyłącznie do symulacji procesów wysokoefektywnego oczyszczalni ścieków. Specjalistyczne programy do symulacji procesów oczyszczania ścieków stanowią rozwinięcie ogólnych programów symulacyjnych takich, jak ISIM, ACSL, SIMULINK, poprzez przystosowanie ich do symulacji wybranych procesów oczyszczania ścieków. Poniżej przedstawiono programy symulacyjne najczęściej stosowane w technologii ścieków. ASIM v. 3.0 (Willi Guyer, EAWAG, Szwajcaria, 1994) Program ASIM pracuje w środowisku MS DOS i umożliwia dynamiczną symulację układów biologicznego oczyszczania ścieków metodą osadu czynnego z wydzielonymi strefami beztlenowymi, niedotlenionymi i tlenowymi oraz układami recyrkulacji, a także reaktorów porcjowych. Możliwe jest definiowanie sposobu sterowania procesami, zmienności temperatury i parametrów eksploatacyjnych procesu. Zastosowany sposób prezentacji wyników umożliwia graficzne porównanie wyników symulacji z wynikami obserwowanymi, a także przesyłanie danych do arkuszy kalkulacyjnych. Charakterystyczną cechą tego programu jest możliwość swobodnego definiowania i modyfikacji zastosowanego modelu kinetycznego. Kilka gotowych modeli (m.in. IAWPRC nr 1 i IAWQ nr 2) jest załączonych do programu. Program ten został opracowany przede wszystkim do celów dydaktycznych, ale może być również wykorzystywany do zastosowań inżynierskich. BioWin (EnviroSim Associates Ltd., Kanada) Program ten, pracujący w środowisku MS Windows 3.0, składa się z dwóch modułów: symulatora stanu ustalonego i symulatora dynamicznego, które umożliwiają całościową symulację układu oczyszczania ścieków. Do symulacji procesu osadu czynnego program wykorzystuje model IAWPRC nr 1 rozszerzony o proces biologicznego usuwania fosforu. W trakcie symulacji dynamicznej można zmieniać parametry procesu bez
przerywania symulacji. Wyniki symulacji prezentowane są w formie graficznej. Zaletą programu jest bardzo rozbudowana biblioteka procesów jednostkowych, które mogą być uwzględnione w układzie technologicznym oczyszczalni. Obejmują one: piaskowniki, osadniki wstępne i wtórne, przepływowe i cykliczne reaktory osadu czynnego, zbiorniki wyrównawcze, rozdzielacze, tlenową stabilizację osadu i odwadnianie osadu. Program umożliwia automatyczne obliczenia szybkości przenoszenia masy i bilansów masy, wybór jednostek i wieku osadu. Program BioWin jest praktycznie wykorzystywany przez wiele firm projektowych i doradczych do celów szkoleniowych i inżynierskich. W roku 1999 udostępniona została nowa, 32-bitowa wersja programu BioWin 32 pracującego w środowisku Windows 95/Windows NT. ASIM BIOWIN EFOR GPS-X SIMWORKS STOAT Rys. 2. Przykład definiowania układu reaktora biologicznego w różnych programach symulacyjnych.
EFOR v. 2.2 (Krüger A/S, Dania, 1993) Opisywana wersja programu pracuje w środowisku MS DOS i służy do symulacji pracy układów oczyszczania ścieków składających się z procesów sedymentacji wstępnej i wtórnej, tlenowo-niedotlenionego procesu osadu czynnego i chemicznego strącania fosforu wraz z układami pomiarów, sterowania i recyrkulacji. Do symulacji procesu osadu czynnego program wykorzystuje model IAWPRC nr 1 rozszerzony o 3 procesy opisujące chemiczne strącanie fosforu i 4 dodatkowe składniki. Ponadto zastosowany model wyróżnia dwa procesy hydrolizy (dla związków rozpuszczonych trudno- i łatwo-rozkładalnych). Do symulacji procesu sedymentacji można wykorzystać model zgodny z równaniem Vesilind a, model uproszczony (2 warstwy w osadniku) lub model sedymentacji idealnej. Program EFOR v. 2.2 jest dostępna w dwóch wersjach: wersja zwykła posiada zdefiniowany układ oczyszczania ścieków, a wersja Super umożliwia swobodną definicję układu oczyszczania przez użytkownika. Od 1998 roku dostępna jest nowa wersja programu EFOR v.3.0 pracująca w środowisku MS Windows 95/NT, która umożliwia symulację biologicznego usuwania fosforu. GPS-X v. 2.2 (Hydromantis, Inc., Ontario, Kanada, 1996) Program pracuje w środowisku UNIX i służy do definiowania modelu układu oczyszczania ścieków, jego kalibracji i symulacji przy wykorzystaniu języka ACSL. Posiada on rozbudowaną bibliotekę ponad 400 modeli procesów jednostkowych, z których można dowolnie konstruować model procesu technologicznego. Biblioteka procesów obejmuje m.in: piaskowniki, osadniki wstępne i wtórne, przepływowe i porcjowe reaktory osadu czynnego, złoża biologiczne, złoża tarczowe, filtry piaskowe, dezynfekcję, zagęszczacze grawitacyjne, odwadnianie osadu, tlenową stabilizację i fermentację osadu. Wiele procesów jednostkowych ma więcej niż jeden model, a wybór danego modelu należy do użytkownika. Zastosowane modele procesu osadu czynnego obejmują modele IAWPRC nr 1 i IAWQ nr 2 (ze zmienną i stałą temperaturą procesu), modyfikację ogólnego modelu Dold a i modelu usuwania fosforu Wentzel a, oraz modele uproszczone. Po zdefiniowaniu modelu układu technologicznego, symulację pracy tego układu można przeprowadzić przy pomocy programu SimWorks wchodzącego w skład pakietu GPS-X. Program zawiera zintegrowane moduły do estymacji parametrowej, optymalizacji i analizy czułości. Obecnie dostępna jest wersja programu GPS-X, pracująca na komputerach osobistych w środowisku Windows 95/98/NT oraz w systemach SunOS, Solaris, AIX i HP-UX. SimWorks (Hydromantis, Inc., Ontario, Kanada, 1996) Program SimWorks jest programem 32-bitowym pracującym w środowisku MS Windows 3.1/95/98/NT. Umożliwia on prowadzenie symulacji pracy układów oczyszczania ścieków zdefiniowanych uprzednio w programie GPS-X. Program ten jest dostarczany z kilkoma gotowymi typowymi układami technologicznymi z reaktorami przepływowymi i cyklicznymi, które można wykorzystać do symulacji. Układy recyrkulacji i systemy sterowania procesami mogą być swobodnie definiowane przez użytkownika. Zastosowany w układach przepływowych model procesu osadu czynnego stanowi modyfikację ogólnego modelu Dold a i modelu usuwania fosforu Wentzel a. Proces sedymentacji zdefiniowano w oparciu o model Takacs a. Program jest wyposażony w rozbudowane możliwości prezentacji wyników w postaci graficznej oraz dynamicznej wymiany danych z innymi aplikacjami. Wadą programu jest brak możliwości zmiany fizycznej konfiguracji układu technologicznego i definiowania zmian temperatury procesu podczas symulacji. STOAT v. 3.0 (Water Research Center, Wielka Brytania) Program pracuje w środowisku Windows 3.1/95/98/NT i może być wykorzystywany do symulacji procesów oczyszczania ścieków, przeróbki osadów w celach do celów projektowych, optymalizacji procesu i szkolenia. Charakterystyczną cechą programu jest to, że wykorzystuje on zarówno modele oparte na pomiarach ChZT, jak i BZT. Zakres procesów jednostkowych, które mogą być symulowane jest podobny jak w programie GPS-X. Modele procesu osadu czynnego obejmują: model IAWPRC nr 1 i IAWQ nr 2, model rowu napowietrzanego i inne modele z usuwaniem azotu i fosforu. Program jest wyposażony w moduły do prowadzenia analizy czułości, kalibracji modeli i procedury optymalizacyjne. Producent oferuje także uproszczoną wersję programu o nazwie ELP, który umożliwia tylko symulację konwencjonalnej oczyszczalni ścieków z osadem czynnym.
PRZYKŁADY STOSOWANIA SYMULACJI KOMPUTEROWEJ W TECHNOLOGII WYSOKOEFEKTYWNEGO OCZYSZCZANIA ŚCIEKÓW Stopień wykorzystania metod komputerowych w technologii wysokoefektywnego oczyszczania ścieków jest uwarunkowany przed wszystkim dostępnością odpowiednich środków (sprzęt, oprogramowanie, umiejętności) oraz odpowiednimi wymaganiami jakościowymi odnośnie końcowego produktu. Wymagania te mogą wynikać z wewnętrznie obowiązujących procedur (np. konieczność wykonywania rysunków w AutoCAD, gromadzenia danych w określony sposób, stosowania konkretnych programów do symulacji itp.) lub mogą być związane z obowiązującymi normami i przepisami lub życzeniami zleceniodawcy. Powyższe uwarunkowania powodują, że bardziej zaawansowane metody komputerowe, takie jak symulacja komputerowa, systemy doradcze, programy optymalizacyjne) stosowane są w Polsce przez duże firmy oraz ośrodki akademickie, podczas gdy mniejsze firmy (za wyjątkiem firm wysoko wyspecjalizowanych) ograniczają stosowanie metod komputerowych do ich najprostszych form (arkusze kalkulacyjne, bazy danych). Osobną grupę użytkowników stanowią oczyszczalnie ścieków. Dysponują one zwykle programami do półautomatycznego sterowania pracą układów technologicznych oraz gromadzenia i przetwarzania danych. Jednak zakres, wykorzystania tych programów rzadko wychodzi poza bieżące sterowanie pracą oczyszczalni i przygotowywanie standardowych raportów. W dalszej części referatu przedstawiono kilka przykładów wykorzystania symulacji komputerowej w technologii wysokoefektywnego oczyszczania ścieków. Projektowanie układów technologicznych W projektowaniu układów technologicznych już niemal standardowo używa się arkuszy kalkulacyjnych, programów obliczeniowych oraz programów do komputerowego wspomagania projektowania (AutoCAD i in.). Coraz częściej stosuje się także programy do symulacji komputerowej w celu określenia konkretnych wartości parametrów eksploatacyjnych i/lub sprawdzenia jak będzie pracował zaprojektowany układ w różnych warunkach. Poniżej przedstawiono dwa przykłady wykorzystania programu symulacyjnego w dziedzinie projektowania układów technologicznych wysokoefektywnego oczyszczania ścieków wykonane na PK. Przykład: Badania symulacyjne dla potrzeb modernizacji oczyszczalni Czajka w Warszawie Podstawą wykonania badań symulacyjnych była koncepcja modernizacji i rozbudowy miejskiej oczyszczalni ścieków Czajka w Warszawie opracowana przez Proeko Sp. z o.o. Przedmiotem badań symulacyjnych był proponowany w ramach modernizacji i rozbudowy nowy układ technologiczny oczyszczania ścieków, obejmujący: istniejące podłużne osadniki wstępne; reaktory osadu czynnego pracujące w zmodyfikowanym systemie Bardenpho z wydzielonymi komorami beztlenowymi, niedotlenionymi i tlenowymi oraz komorą predenitryfikacji dla osadu recyrkulowanego; podłużne osadniki wtórne; układy recyrkulacji ścieków wewnątrz reaktora i osadu w ramach układu biologicznego. Celem badań było sprawdzenie czy zaproponowany w koncepcji modernizacji oczyszczalni układ umożliwi uzyskanie zakładanych efektów technologicznych. Układ poddany badaniom symulacyjnym uwzględniał podział na obiekty istniejące poddane modernizacji i obiekty planowane. Dlatego w modelu układ biologicznego oczyszczania ścieków podzielono na dwie nitki technologiczne: nitka 1obejmowała obiekty istniejące, a nitka 2 obiekty nowo projektowane (rys. 3). Do nitki 1 dopływało 32% ścieków, a pozostałe ścieki były kierowane do nitki 2. Osadniki wstępne Reaktory biologiczne Reaktory biologiczne nitka 1 nitka 2 Osadniki wtórne Osadniki wtórne Rys. 3. Schemat układu technologicznego będącego przedmiotem symulacji w oczyszczalni Czajka Badania przeprowadzono przy wykorzystaniu programu symulacyjnego SimWork. Dane wejściowe do symulacji komputerowej obejmowały m.in. parametry procesu technologicznego przyjęte w koncepcji w tym szczególnie odnośnie temperatury procesu t = 12 ºC, tlenowego wieku osadu WO = 8.3 d oraz zakładanego stężenia osadu w reaktorze X = 4000 g sm/m 3.
Na podstawie wyników przeprowadzonych badań symulacyjnych stwierdzono, że proponowany układ technologiczny umożliwia uzyskanie zakładanej w koncepcji jakości ścieków oczyszczonych w odniesieniu do związków organicznych i związków azotu przy założonych parametrach technologicznych procesu. Wyniki pokazały, że wartość BZT 5, stężenie zawiesiny ogólnej, N-NH 4 i Nog. w ściekach oczyszczonych nie przekroczą wartości określonych w przyjętym w koncepcji wymaganym stopniu oczyszczania ścieków. Stężenie fosforu ogólnego w ściekach oczyszczonych biologicznie może w pewnych warunkach (niekorzystny skład ścieków surowych) nieznacznie przekraczać wartość 1 gp/m 3 określoną jako dopuszczalną w koncepcji. Jednak ze względu na fakt, że koncepcja przewidywała symultaniczne chemiczne strącanie fosforu, co nie zostało uwzględnione w symulacji komputerowej, układ powinien umożliwić spełnienie założonych wymagań odnośnie stężenia fosforu w ściekach oczyszczonych. Stwierdzono również, że ewentualne zmniejszenie stężenia związków organicznych w ściekach surowych może mieć negatywny wpływ na efektywność usuwania związków N i P w procesie wielofazowego osadu czynnego. Zalecono zastosowanie układu wzbogacania ścieków w łatwo przyswajalne związki węgla poprzez generację LKT w zagęszczaczach osadu wstępnego, co może stanowić jeden ze sposobów rozwiązania tego problemu. Przykład: Badania symulacyjne dla potrzeb modernizacji oczyszczalni GOŚ-ŁAM w Łodzi Celem badań była ocena możliwości zwiększenia docelowej przepustowości Grupowej Oczyszczalni Ścieków Łódzkiej Aglomeracji Miejskiej (GOŚ/ŁAM) do 300 000 m 3 /d. Obecnie biologiczna część oczyszczalni ścieków GOŚ/ŁAM obejmuje dwa pracujące ciągi technologiczne, z których każdy składa się z dwóch nitek technologicznych. Ciąg I pracuje w systemie Phoredox, a ciąg II w systemie zbliżonym do UCT. Maksymalna przepustowość obu ciągów wynosi około 220 000 m 3 /d. Podstawowym kryterium do określenie docelowej przepustowości oczyszczalni było spełnienie wymagań jakości ścieków oczyszczonych według przepisów polskich oraz zgodnych z normami Unii Europejskiej. Przedmiotem badań symulacyjnych było określenie możliwości oraz warunków zwiększenia obciążenia pojedynczego ciągu technologicznego w części oczyszczania biologicznego do 100 000 m 3 /d przy zastosowaniu systemu zmodyfikowanego UCT. Po zgromadzeniu niezbędnych danych oraz skalibrowaniu i zweryfikowaniu modelu przeprowadzono badania symulacyjne. Wyniki badań symulacyjnych, do których wykorzystano wykalibrowany model komputerowy II ciągu technologicznego z oczyszczalni ścieków GOŚ/ŁAM pracującego w systemie MUCT przy natężeniu dopływu ścieków Q = 100 000 m 3 /d i jakości ścieków dopływających zgodnej z założeniami projektowymi stwierdzono, że optymalna wielkość recyrkulacji wewnętrznej z komory tlenowej do komory niedotlenionej wynosi 200% Q. Śledząc zmiany stężenia poszczególnych wskaźników w ściekach oczyszczonych przy stopniowym zwiększaniu natężenia dopływu ścieków do II ciągu od 50 000 m 3 /d do 140 000 m 3 /d zauważono, że po przekroczeniu wartości Q = 110 000 m 3 /d następowało radykalne zwiększenie stężenia azotu amonowego w odpływie. Związane to było z załamaniem procesu nitryfikacji na skutek zbyt niskiego wieku osadu ( wypłukanie bakterii nitryfikacyjnych przy tlenowym wieku osadu < 7 d). Równocześnie zaobserwowano nieco mniejsze stężenie fosforu ogólnego w odpływie. Chociaż zmniejszeniu stopnia nitryfikacji można zapobiec poprzez wydłużenie wieku osadu i zwiększenie stężenia biomasy, to zalecono żeby do jednego ciągu (MUCT, recyrkulacja. wewnętrzna 200% Q, stężenie osadu ok. 4 000 g/m 3 ) nie doprowadzać się więcej niż 100 000 m 3 /d. Badania symulacyjne wykazały, że przy przyjęciu danych wejściowych odnośnie składu ścieków wg uznanej za racjonalną zasady prawdopodobieństwa, możliwe jest osiągnięcie jakości ścieków oczyszczonych spełniających normy polskie i normy UE przy przepływach do 100 000 m 3 /d, pod warunkiem zastosowania wewnętrznej recyrkulacji ścieków 200% Q, przy zaprojektowaniu wszystkich reaktorów w systemie MUCT. Eksploatacja wysokoefektywnych oczyszczalni ścieków Eksploatacja wysokoefektywnych oczyszczalni ścieków stwarza największe możliwości wykorzystania metod komputerowych w postaci zintegrowanych systemów do gromadzenia i przetwarzania danych, automatycznego sterowania procesami, a także symulacji komputerowej wykorzystywanej do bieżącej optymalizacji procesów i szkolenia obsługi. Układy takie stanowią standardowe wyposażenie wielu oczyszczalni w krajach rozwiniętych. W Polsce wciąż są one rzadkością, a ekonomiczne, organizacyjne i ekologiczne korzyści z ich stosowania nie są w pełni dostrzegane. Przykładem wykorzystania symulacji komputerowej w praktyce eksploatacyjnej są opisane poniżej prace wykonane w latach 1997-98 w Politechnice Krakowskiej. Przykład: Oczyszczalnia ścieków w Jaśle Oczyszczalnia ścieków w Jaśle została zaprojektowana na średnio dobową ilość ścieków 20 000 m 3 /d ze znacznym udziałem ścieków przemysłowych. W ostatnich latach nastąpiło znaczne zmniejszenie ilości ścieków
dopływających do oczyszczalni przy równoczesnym utrzymaniu się stężenia zanieczyszczeń na prawie niezmienionym poziomie. Sytuacja ta skłoniła kierownictwo oczyszczalni do rozważenia w listopadzie 1998 roku celowości wyłączenia jednej nitki technologicznej układu biologicznego i skierowania całego przepływu ścieków oczyszczonych mechanicznie do drugiego czynnego reaktora biologicznego. Konsultacje w tej sprawie przeprowadził Zakład Technologii Wody i Ścieków Politechniki Krakowskiej. Jako podstawę do wydania opinii postanowiono wykorzystać wyniki symulacji komputerowej przy wykorzystaniu opracowanego wcześniej modelu symulacyjnego układu biologicznego oczyszczalni ścieków w Jaśle. Przedmiotem badań symulacyjnych była nowa strategia eksploatacyjna polegająca na skierowaniu całego przepływu ścieków oczyszczonych mechanicznie do jednego reaktora biologicznego, a następnie do dwóch istniejących osadników wtórnych. Celem badań było określenie warunków umożliwiających wdrożenie nowej strategii bez istotnego pogorszenia jakości ścieków oczyszczonych oraz wykonanie analizy czułości modelu. Badania symulacyjne prowadzono według kilku scenariuszy odpowiadających różnym warunkom eksploatacyjnym (różna temperatura ścieków, różne obciążenie ładunkiem zanieczyszczeń organicznych). Wyniki badań wykazały, że wyłączenie jednego ciągu technologicznego w oczyszczalni w Jaśle, może być dokonane w przy temperaturze ścieków co najmniej 16 C, tzn. poza okresem zimowym. W okresie letnim nawet dwukrotne zwiększenie obciążenia osadu ładunkiem związków organicznych nie spowoduje przekroczenia dopuszczalnych wartości stężenia zanieczyszczeń w odpływie. Badania symulacyjne pozwoliły także określić konkretne wartości parametrów takich jak stężenie i wiek osadu, stężenie O 2 i in., które powinny być utrzymane. Optymalizacja procesów technologicznych Optymalizacja procesów technologicznych może być rozpatrywana jako element eksploatacji oczyszczalni ścieków (jeżeli jest ona stosowana w sposób regularny, ciągły) lub jako osobna dziedzina zastosowań metod komputerowych (jeżeli jest stosowana okazjonalnie, na zlecenie). Pierwszy przypadek zachodzi w wielu oczyszczalniach w krajach wysoko rozwiniętych (m.in. w znanych Autorom oczyszczalniach Bromma i Himmersfjärden w Szwecji wykorzystujących do tego celu program GPS-X ). Drugi przypadek jest równie często spotykany w tych państwach, a ostatnio coraz częściej także w Polsce. Przykładem tego mogą być badania optymalizacyjne przeprowadzone w oczyszczalniach w Zamościu i Nowym Targu. Przykład: Oczyszczalnia ścieków w Zamościu W oczyszczalni ścieków w Zamościu przeprowadzono badania, których celem było opracowanie symulacyjnego modelu komputerowego układu reaktor biologiczny osadnik wtórny dla tej oczyszczalni, a następnie wykorzystanie go do optymalizacji stopnia recyrkulacji wewnętrznej pod kątem efektywności usuwania związków C, N i P. Opracowany model został wykalibrowany i zweryfikowany. Dane wejściowe do symulacji pochodziły ze specjalnie zaprojektowanego i wykonanego programu badań analitycznych składu ścieków i właściwości osadu czynnego. Badania pozwoliły stwierdzić, że optymalny stopień recyrkulacji wewnętrznej jest równy 325% Q. Symulacja pokazała, że wprowadzenie tej zmiany pozwoli podwyższyć efektywność procesu denitryfikacji o około 4% i spowoduje zmniejszenie stężenia azotu ogólnego w ściekach oczyszczonych o około 2,6 g/m 3, a także poprawi stabilność pracy układu reaktor biologiczny-osadnik wtórny zmniejszając wahania stężeń wszystkich form azotu w ściekach oczyszczonych i stężenia biomasy w reaktorze biologicznym. Zalecone zmiany zostały wprowadzone w oczyszczalni w grudniu 1998 roku. Kontrola analityczna i obserwacje prowadzone w następnych miesiącach pokazały, że wyniki z symulacji komputerowej bardzo dobrze prognozowały rzeczywiste efekty technologiczne zaobserwowane w oczyszczalni. Przykład: Oczyszczalnia ścieków w Nowym Targu Badania przeprowadzone w oczyszczalni ścieków w Nowym Targu miały na celu przeprowadzenie optymalizacji długości i struktury cyklu reaktora SBR oraz wykonanie prognozy efektów technologicznych. Oczyszczalnia ścieków w Nowym Targu w stopniu biologicznego oczyszczania ścieków wykorzystuje technologię cyklicznych reaktorów osadu czynnego typu SBR. W warunkach prowadzenia procesu przy stosunkowo krótkim czasie trwania fazy napowietrzania podczas cyklu 6h, efektywność usuwania zanieczyszczeń, w tym przede wszystkim związków azotu, jest w dużym stopniu uzależniona od temperatury procesu. Dlatego szczególną uwagę poświęcono zagadnieniu określenia czasu napowietrzania ścieków w fazie napełniania i reakcji, co ma zasadnicze znaczenie dla usuwania związków biogennych w reaktorach SBR. Wyniki badań symulacyjnych wskazały na konieczność wydłużenia cyklu pracy z obecnych 6 do 8 godzin, co umożliwi wydłużenie czasu napowietrzania osadu z wcześniej stosowanych 2,25 h do 5 h. Wydłużenie cyklu
o 2h spowoduje zmniejszenie hydraulicznej przepustowości oczyszczalni o ok. 25%. Dlatego uznano, że uzasadnione jest stosowanie cyklu 8h w warunkach jesienno-zimowych, przy mniejszym dopływie ścieków. Badania pokazały, że wydłużenie czasu napowietrzania w warunkach niskiej temperatury ścieków (6 C) pozwoli wyraźnie poprawić efektywność biologicznej nitryfikacji (z ok. 50% do prawie 80%) oraz biologicznej defosfatacji (z ok. 45% do ok. 75%). Zmiana ta tylko nieznacznie wpłynie na zwiększenie efektywności biologicznej denitryfikacji (z ok. 70% do ok. 80% usuwania N ogólnego), a praktycznie nie będzie miała wpływu na usuwania związków organicznych. Przy temperaturze ścieków ok. 14 C, wprowadzenie cyklu 8h i wydłużenie czasu napowietrzania praktycznie nie będzie miało wpływu na efektywność usuwania związków C, N i P, powodując tylko nieznaczny wzrost efektywności nitryfikacji. PODSUMOWANIE Metody komputerowe stanowią narzędzie, które właściwie użyte, może być pomocne przy projektowaniu, eksploatacji i optymalizacji procesów i układów wysokoefektywnego oczyszczania ścieków. Stopień i zakres wykorzystania tych metod jest różny w każdym z wymienionych obszarów. Najbardziej rozpowszechnione w Polsce są proste i łatwo dostępne metody (arkusze kalkulacyjne, bazy danych, proste programy obliczeniowe i sterujące), rzadziej spotykane w praktyce są programy symulacyjne oraz zintegrowane programy obejmujące zbieranie i przetwarzanie danych w oczyszczalni oraz dynamiczne sterowanie pracą układów technologicznych z wykorzystaniem procedur optymalizacyjnych. Systemy doradcze nie są obecnie praktycznie stosowane w technologii wysokoefektywnego oczyszczania ścieków w Polsce, a i w innych krajach ich wykorzystanie ma charakter bardziej badawczy niż eksploatacyjny. Zmiany zachodzące w dziedzinie wykorzystania metod komputerowych w technologii wysokoefektywnego oczyszczania ścieków wskazują na wyraźny trend stosowania coraz bardziej zaawansowanych metod komputerowych. Spowodowane jest to zarówno wymaganiami formalno-prawnymi (konieczność wykonania badań symulacyjnych przy projektowaniu procesów, odpowiedni sposób gromadzenia i przetwarzania danych w oczyszczalni, itp.), jak i czynnikami ekonomicznymi (malejące ceny sprzętu komputerowego, oprogramowania). Należy spodziewać się, że w najbliższych latach powszechne stanie się stosowanie programów symulacyjnych oraz procedur optymalizacyjnych do projektowania układów technologicznych i będzie się to odbywało kosztem prostych programów obliczeniowych. W średnich i dużych oczyszczalniach ścieków prawdopodobnie stosowane będą coraz bardziej zaawansowane zintegrowane systemy doradcze, obejmujące gromadzenie i przetwarzanie danych w trybie on-line, sterowanie urządzeniami i procesami technologicznymi wraz z ich bieżącą optymalizacją. Można przypuszczać, że w małych oczyszczalniach ścieków zmiany będą znacznie wolniejsze i wykorzystywane będą proste i tanie programy do sterowania procesami i przetwarzania danych w rybie off-line. BIBLIOGRAFIA ASIM. 1994. Program komputerowy do symulacji systemów osadu czynnego. Wersja 3.0. Chen, J., Beck, M.B. 1997. Towards designing sustainable urban wastewater infrastructures: A screening analysis. Wat. Sci. Tech. vol. 35, nr 9, 99-112. EFOR. 1993. Program komputerowy do symulacji oczyszczalni ścieków. Wersja 2.2. Mikosz, J. 1999. Zastosowanie dynamicznej symulacji komputerowej do wyboru strategii biologicznego usuwania związków biogennych ze ścieków miejskich. Rozprawa doktorska, Politechnika Krakowska Mikosz, J. Kurbiel. J. 2000. Analiza i ocena obliczeń procesowych oczyszczania ścieków w GOŚ/ŁAM przy pomocy dynamicznej symulacji komputerowej. Opracowanie na zlecenie POL-INVEST Sp. z o.o., Politechnika Krakowska. SimWorks Run-Time Environment. Program komputerowy do symulacji, analizy i diagnozy oczyszczalni. Wersja 2.2, luty 1996. Snape, J.B., Dunn I.J., Ingham, J., Přenosil, J.E. Dynamics of Environmental Bioprocesses. Modelling and Simulation. VCH Verlagsgesellschaft mbh: Weinheim, Niemcy 1995. http://www.dhi.dk/softcon/papers/055/055.html http://www.envirosim.com http://www.hydromantis.com
APPLICATION OF COMPUTER METHODS IN HIGH-EFFECTIVE WASTEWATER TREATMENT ABSTRACT In the field of high-effective wastewater treatment the computer methods are used for designing, control, optimization, and for research. In each of those areas the range and the scope of application of a specific method is different. In Poland the range of computer method applications is lesser than in more developed countries, although in recent years some progress has been noticed. Widely used are spreadsheets, databases and simple calculation programs used for designing and programs that control operation of wastewater treatment plants. More often are applications of programs for dynamic simulation of biological wastewater treatment processes at treatment plants, but usually they are not fully integrated with wastewater treatment plant control and monitoring systems. Dynamic computer simulation programs are becoming more widely used in designing of the new and optimization of the existing wastewater treatment plants. Expert systems still remain in the area of research than practical applications.