Оценка эффективности работы вертикальных отстойников систем водоотведения на основе численной модели

Abstract

RU: Постановка проблемы. Рациональное водопользование и повышение эффективности очистки сточных вод – одна из важнейших задач в области водоснабжения и водоотведения. Важную роль в обеспечении эффективной работы комплекса очистных сооружений играют отстойники различных типов, которые используются как на стадии механической очистки, так и для отделения очищенной воды от иловой смеси после биологической очистки. На сегодняшний день наблюдается тенденция эксплуатации отстойников, форма которых существенно отличается от классических. Такие отстойники имеют ряд внутренних конструктивных особенностей, позволяющих улучшить процесс очистки воды. В Украине для расчета отстойников систем водоотведения традиционно используют эмпирические [2; 3], алансовые [9; 13] или одномерные кинематические модели [8; 10; 12; 14; 18]. Эти модели просты и экономичны в практическом отношении, но не позволяют проектировщику учитывать гидродинамический режим работы отстойника, рассматривать широкий диапазон размеров и, что особенно важно, не учитывают в полной мере конструктивные особенности отстойников очистных сооружений. Альтернативным решением является применение CFD (Computational fluid dynamics) моделей. В Украине многомерные CFD модели, которые позволяют рассчитать поле концентрации примеси внутри отстойника с учетом формирования зоны осадка, не разрабатываются. Цель статьи. Представить данные о разработанной 2-D численной модели массопереноса в вертикальном отстойнике. Такая модель позволяет учесть при моделировании геометрическую форму отстойника, его конструктивные особенности, зону формирования осадка. Форму и размер возможной зоны формирования осадка можно предварительно оценить на основе экспериментальных данных или наблюдений на объектах и, задавая ее в разработанной математической модели, “проигрывать” различные сценарии для каждого конкретного случая. Вывод. Разработана новая численная модель расчета процесса массопереноса в канализационных вертикальных отстойниках. Применение математического моделирования на основе CFD моделей позволяет учитывать геометрические размеры отстойников, конструктивные особенности, а также кинетику отстаивания сточных вод. На основе построенной численной модели разработан специализированный код “Settler-2”, который может быть использован как инструмент решения комплекса задач, возникающих при проектировании и реконструкции вертикальных отстойников. Данный подход позволит проектировщикам быстро оценивать эффективность очистки воды на этапе обоснования проектных параметров очистного сооружения

UK: Постановка проблеми. Раціональне водокористування та підвищення ефективності очищення стічних вод – одне з найважливіших завдань водопостачання та водовідведення. Важливу роль у забезпеченні ефективної роботи комплексу очисних споруд відіграють відстійники різних типів, які використовуються як на стадії механічного очищення, так і для відокремлення очищеної води від мулової суміші після біологічного очищення. Наразі спостерігається тенденція експлуатації відстійників, форма яких суттєво відрізняється від класичних. Такі відстійники мають ряд внутрішніх конструктивних особливостей, що дозволяють поліпшити процес очищення води. В Україні для розрахунку відстійників систем водовідведення традиційно застосовову-ють емпіричні [2; 3], балансові [9; 13] або одномірні кінематичні моделі [8; 10; 12; 14; 18]. Ці моделі прості й економічні у практичному відношенні, але не дозволяють проектувальнику враховувати гідродинамічний режим роботи відстійника, варіювати в широкому діапазоні розмірів і, що особливо важливо, конструктивних особливостей відстійників очисних споруд. В Україні багатовимірні CFD (Computational fluid dynamics) моделі, які дозволяли б розрахувати поле концентрації домішки всередині відстійника з урахуванням формування зони осаду, не розробляються. Мета статті. Навести 2-D числову модель масопереносу у вертикальному відстій-нику, що дозволяє врахувати геометричну форму відстійника, його конструктивні особливості, зону формуван-ня осаду. Форму і розмір можливої зони формування осаду можна попередньо оцінити, виходячи з експеримен-тальних даних або спостережень на об’єктах і, задаючи її в розробленій математичній моделі, “програвати” різні сценарії, характерні для кожного конкретного випадку. Висновок. Розроблено нову числову модель для розрахунку процесу масопереносу в каналізаційних вертикальних відстійниках. Застосування математичного моделювання на основі CFD моделей дозволяє враховувати геометричні розміри відстійників, конструктивні особливості, а також кінетику відстоювання стічних вод. На основі побудованої числової моделі розроблено спеціалізований код «Settler–2», який може бути використаний як інструмент вирішення комплексу питань, що виникають під час проектування та реконструкції вертикальних відстійників. Такий підхід дозволить проектувальникам швидко оцінювати ефективність очищення води на етапі обґрунтування проектних параметрів очисної споруди

EN: Problem statement. Rational use and increase of efficiency of sewage treatment one of the major tasks in the field of water supply and the sewerage. Not the last part in ensuring operability of a complex of treatment facilities is played by settlers of various types which are used both at a stage of mechanical cleaning, and for division of the cleared water from silt mix after biological cleaning. Today the introduction tendency in practice of operation of settlers which form significantly differs from the classical is observed. Such settlers have a number of the internal design features allowing to improve water purification process. In Ukraine for calculation of settlers of systems of water disposal traditionally use empirical [2; 3], balance [9; 13] or one-dimensional kinematic models [8; 10; 12; 14; 18]. These models are simple and economic in practical application, but don’t allow the designer to consider a hydrodynamic operating mode of a settler, to vary in the wide range of the sizes and that is especially important, design features of settlers of treatment facilities. In Ukraine multidimensional CFD (Computational fluid dynamics) models which would allow to calculate a field of concentration of impurity in a settler taking into account formation of a zone of a deposit, aren’t developed. Purpose. The paper presents a 2-D numerical model of heat transfer in a vertical settler, allowing to take into account when modeling the geometric shape of the settler, its design features, a zone of formation of sediment. Shape and size of the possible formation zone of sediment can be pre-estimated from experimental data or observations on objects, and setting it in the developed mathematical model of “play” different scenarios specific to each case. Conclusion. In work the new numerical model for calculation of process of a mass transfer in sewer vertical settlers is presented. Application of mathematical modeling allows to consider the geometrical sizes of settlers, design features, and also kinetics of upholding of sewage. On the basis of the constructed numerical model the specialized code is developed which can be used as the tool of the solution of a complex of the tasks arising at design and reconstruction of vertical settlers which will allow designers to estimate quickly efficiency of water purification at a stage of justification of design parameters of a clearing construction is developed