Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Только для подписчиков

Математическая модель анаэробного биореактора с закрепленной биомассой как объекта управления


https://doi.org/10.31799/1684-8853-2019-2-44-51

Полный текст:


Аннотация

Постановка проблемы: от эффективности работы биоочистных сооружений зависят производительность и экологическая безопасность предприятий. Решение задачи управления процессами анаэробной биологической очистки сточных вод существенно ограничивается сложностью описания физических и биохимических процессов, происходящих в биореакторах.

Цель: разработка обобщенной математической модели анаэробного биореактора с закрепленной биомассой как объекта системы автоматического управления, позволяющей учитывать конструктивные и технологические особенности системы очистки сточных вод.

Методы: имитационное моделирование процессов массопереноса и биохимических преобразований в анаэробном биореакторе и разработка на его основе математической модели, применимой для синтеза системы управления.

Результаты: на основе уравнений массопереноса получена обобщенная математическая модель анаэробного биореактора с закрепленной биомассой. Эта модель дополнена компонентами, учитывающими биохимические преобразования. На базе конструктивных и технологических параметров биореактора сделаны необходимые допущения, которые дают возможность сформулировать граничные и начальные условия с достаточной для инженерной практики точностью. Обоснован выбор управляемых параметров технологического процесса в анаэробном биореакторе, обеспечивающих достижение необходимой степени очистки при наименьших затратах. Полученная обобщенная математическая модель анаэробного биореактора с закрепленной биомассой позволяет выполнить имитационное моделирование биореактора в заданных условиях эксплуатации. Для этих условий построена аппроксимирующая модель, благодаря которой возможно выполнение синтеза системы управления.

Практическая значимость: разработанные алгоритмы позволяют применить полученные результаты к широкому классу действующих анаэробных биореакторов с закрепленной биомассой и построить системы управления, существенно повышающие эффективность их работы, в том числе на этапах модернизации систем очистки.


Об авторах

А. А. Ключарёв
Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения
Россия

Ключарёв Александр Анатольевич - кандидат технических наук, доцент.

Б. Морская ул. 67, Санкт-Петербург, 190000



А. А. Фоменкова
Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения
Россия

Фоменкова Анастасия Алексеевна - ассистент.

Б. Морская ул. 67, Санкт-Петербург, 190000



Список литературы

1. . Баженов В. И., Эпов А. Н., Носкова И. А. Математическое моделирование объекта очистки сточных вод. Экологический вестник России, 2011, № 4, с. 30-35.

2. Баженов В. И., Эпов А. Н., Носкова И. А. Математическое моделирование объекта очистки сточных вод. Экологический вестник России, 2011, № 5, с. 38-42.

3. Ключарев А. А., Фоменкова А. А. Проектирование секционного анаэробного биореактора. Известия Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета), 2018, № 34 (60), с. 95-100.

4. Saeed M., Fawzy S., El-Saadawi M. Modeling and simulation of biogas-fueled power system. International Journal of Green Energy, 2019, no. 16(2), pp. 125-151. doi:10.1080/15435075.2018.1549997

5. Khalekuzzaman M., Hasan M., Haque R., Alamgir M. Hydrodynamic performance of a hybrid anaerobic baffled reactor (HABR): Effects of number of chambers, hydraulic retention time, and influent temperature. Water Science and Technology, 2018, no. 78(4), pp. 968-981. doi:10.2166/wst.2018.379

6. Баженов В. И., Эпов А. Н., Носкова И. А. Использование комплексов имитационного моделирования для технологий очистки сточных вод. Водоснабжение и санитарная техника, 2014, № 2, с. 62-72.

7. Sbarciog M., Giovannini G., Chamy R., Wouwer A. V. Control and estimation of anaerobic digestion processes using hydrogen and volatile fatty acids measurements. Water Science and Technology, 2018, vol. 78, no. 10, pp. 2027-2035.

8. Draa K. C., Zemouche A., Alma M., Voos H., Darouach M. Nonlinear observer-based control with application to an anaerobic digestion process. European Journal of Control, 2019, no. 45, pp. 74-84. doi:10.1016/j.ejcon.2018.09.012

9. Li L., Peng X., Wang X., Wu D. Anaerobic digestion of food waste: A review focusing on process stability. Bioresource Technology, 2018, no. 248, pp. 20-28. doi:10.1016/j.biortech.2017.07.012

10. Пат. UA 93476 U Украины, МПК (2014.01) C02F 11/00. Анаэробный биореактор для очистки сточной воды, Л. И. Ружинская, А. А. Фоменкова: заявитель и патентообладатель: Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт». № u 2013 14720; заявл. 16.12.13; опубл. 10.10.14, Бюл. № 19. — 3 с.

11. Технологии для воды Enviro-chemie. http://www. enviro-chemie.ru/biomar/index.htm (дата обращения: 15.10.2018).

12. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М., Химия, 1971. 784 с.

13. Moletta R., Verrier D., Albagnac G. Dynamic modeling of anaerobic digestion. Water Research, 1986, vol. 20, no. 4, pp. 427-434.

14. Moletta R. Methanisation: General aspects. [La meth-anisation : Aspects generaux]. Eau, l’Industrie, Les Nuisances, 2013, no. 365, pp. 9-12.

15. Duan Z., Cruz Bournazou M. N., Kravaris C. Dynamic model reduction for two-stage anaerobic digestion processes. Chemical Engineering Journal, 2017, no. 327, pp. 1102-1116. doi:10.1016/j.cej.2017. 06.110

16. Batstone D. J., Keller J., Angelidaki R. I., Kalyuzhnyi S. V., Pavlostathis S. G., Rozzi A., Sanders W. T. M., Siegrist H., Vavilin V. A. Anaerobic Digestion Model No1 (ADMI). London, UK, IWA Publishing, 2002. 77 p.

17. Eberl H., Morgenroth E., Noguera D., Picioreanu C., Rittmann B., Loosdrecht M., Wanner O. Mathematical Modeling of Biofilms. London, UK, IWA Publishing, 2006.208 p.

18. Ружинская Л. И., Фоменкова А. А. Математическое моделирование процессов анаэробного сбраживания органического субстрата. Обзор. Scientific Journal «ScienceRise», 2014, № 4/2(4), с. 52-59. doi:10.15587/2313-8416.2014.28767

19. Zhao X., Li L., Wu D., Xiao T., Ma Y., Peng X. Modified anaerobic digestion model no. 1 for modeling methane production from food waste in batch and semi-continuous anaerobic digestions. Bioresource Technology, 2019, no. 271, pp. 109-117. doi:10.1016/j.biortech.2018.09.091

20. Li L., He Q., Zhao X., Wu D., Wang X., Peng X. Anaerobic digestion of food waste: Correlation of kinetic parameters with operational conditions and process performance. Biochemical Engineering Journal, 2018, no. 130, pp. 1-9. doi:10.1016/j.bej.2017.11.003

21. Wang P., Wang H., Qiu Y., Ren L., Jiang B. Microbial characteristics in anaerobic digestion process of food waste for methane production-A review. Bioresource Technology, 2018, no. 248, pp. 29-36. doi:10.1016/j.biortech.2017.06.152

22. Вавилин В. А. Математическое моделирование динамики сообществ анаэробных микроорганизмов. Известия Самарского научного центра Российской академии наук, 2009, т. 11, № 1(7), с. 1615-1619.

23. Carotenuto C., Guarino G., Morrone B., et al. Temperature and pH effect on methane production from buffalo manure anaerobic digestion. International Journal of Heat and Technology, 2016, no. 34(2), pp. 425-429. UDC 628.3 doi:10.31799/1684-8853-2019-2-44-51


Дополнительные файлы

Для цитирования: Ключарёв А.А., Фоменкова А.А. Математическая модель анаэробного биореактора с закрепленной биомассой как объекта управления. Информационно-управляющие системы. 2019;(2):44-51. https://doi.org/10.31799/1684-8853-2019-2-44-51

For citation: Klucharev A.A., Fomenkova A.A. Mathematical model of a fixed-biomass anaerobic bioreactor as a control object. Information and Control Systems. 2019;(2):44-51. (In Russ.) https://doi.org/10.31799/1684-8853-2019-2-44-51

Просмотров: 50


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 1684-8853 (Print)
ISSN 2541-8610 (Online)