Consultant expert, Dr. Muhammad Taha Modelling Aspects of Wastewater Treatment Processes Industrial Electrical Engineering and Automation (IEA)
On Sale
$0.00
$7.99
Consultant expert, Dr. Muhammad Taha
Modelling Aspects of
Wastewater Treatment Processes
Industrial Electrical Engineering and Automation (IEA)
Lund Institute of Technology (LTH)
P.O. Box 118
S-221 00 LUND
SWEDEN
ISBN 91-88934-00-4
CODEN:LUTEDX/(TEIE-1010)/1-444/(1996)
Printed in Sweden by Reprocentralen, Lund University
Lund 1996
ii Modelling Aspects of Wastewater Treatment Processes
Abstract
Wastewater treatment processes are inherently dynamic because of the
large variations in the influent wastewater flow rate, concentration and
composition. Moreover, these variations are to a large extent not possible
to control. The adaptive behaviour of the involved microorganisms
imposes further difficulties in terms of time-varying process parameters.
Mathematical models and computer simulations are essential to describe,
predict and control the complicated interactions of the processes. The
number of reactions and organism species that are involved in the system
may be very large. An accurate description of such systems can therefore
result in highly complex models, which may not be very useful from a
practical, operational point of view. The thesis contains a thorough discus-
sion on aspects concerning the mathematical modelling of the activated
sludge, sedimentation and biofilm processes.
A reduced order dynamic model, describing an activated sludge process
performing carbonaceous removal, nitrification and denitrification with
reasonable accuracy, is presented. The main objective is to combine know-
ledge of the process dynamics with mathematical methods for estimation
and identification. The identifiability of the model is investigated using
both off-line and on-line methods, and its dynamic behaviour is validated
by simulations of a recognized model. The information required by the
identification algorithms are based on directly measurable real-time data.
The simplified model may serve as a tool for predicting the dynamic
behaviour of an activated sludge process, since the parameters can be
tracked on-line during varying operating conditions. The model is aimed
for operation and control purposes as an integral part of a hierarchical
control structure.
The main objective of the work on settler modelling is to support and
enlighten recent theoretical results. A new settler model is compared to a
traditional layer model by means of numerical simulations. Emphasis is put
on the numerical solution’s ability to approximate the analytical solution of
the conservation law written as a non-linear partial differential equation.
The new settler model is consistent in this respect. Several problems that
occur when integrating a model of the biological reactor with a model of
iii
the settler are also discussed. In particular, the concentrations of the
biological components of the particulate material are of importance for an
accurate description of the sludge that is recycled to the biological reactor.
Two one-dimensional algorithms have been evaluated. The first algorithm
is commonly used and some of its inherent problems are discussed. The
second algorithm, which is preferred, is a new analytically derived method.
Few attempts have been made to take into account the influence of higher
order organisms in biofilm systems when developing or applying mathe-
matical models. This work describes a simplified modelling approach to
include some possible effects of higher order organisms on nitrification,
based on a proposed hypothesis of their oxygen consumption in the
biofilm. Three different models are developed and investigated. Model
simulations are validated using data from a laboratory experiment using
continuous-flow suspended-carrier biofilm reactors, where the predators
were selectively inhibited. The proposed models are capable of reproduc-
ing several of the observed effects. They are primarily aimed at capturing
the steady-state behaviour of the biofilm but may also prove to be a useful
basis for describing the dynamics of the process.
iv Modelling Aspects of Wastewater Treatment Processes
Preface
This thesis contains my work on Modelling Aspects of Wastewater Treat-
ment Processes at the Department of Industrial Electrical Engineering and
Automation (IEA), Lund Institute of Technology, Lund, Sweden. In order
to improve the comprehensibility of the thesis it is divided into five
different parts, where Part I and Part V contain a General Introduction to
Mathematical Modelling and Conclusions, respectively. Part II contains
my work in the field of Modelling the Activated Sludge Process, Part III
deals with Modelling the Settling Process and Part IV contains some new
aspects of importance when Modelling Biofilm Processes. Although the
different processes are related and in practice normally combined within a
wastewater treatment plant, I believe that this division will make it easier
for the reader to locate areas related to his/her special interests.
Several parts of the
الخبير الاستشاري الدكتور محمد طه
جوانب النمذجة
عمليات معالجة مياه الصرف الصحي
الهندسة الكهربائية الصناعية والأتمتة (IEA)
معهد لوند للتكنولوجيا (LTH)
ص. المربع 118
S-221 00 لوند
السويد
ردمك 91-88934-00-4
الكود: LUTEDX / (TEIE-1010) / 1-444 / (1996)
طبع في السويد من قبل Reprocentralen ، جامعة لوند
لوند 1996
ii نمذجة جوانب عمليات معالجة مياه الصرف الصحي
الملخص
عمليات معالجة المياه العادمة ديناميكية بطبيعتها بسبب
اختلافات كبيرة في معدل تدفق المياه العادمة المؤثرة وتركيزها و
تعبير. علاوة على ذلك ، فإن هذه الاختلافات غير ممكنة إلى حد كبير
ليتحكم. السلوك التكيفي للكائنات الحية الدقيقة المعنية
يفرض مزيدًا من الصعوبات فيما يتعلق بمعلمات العملية المتغيرة بمرور الوقت.
النماذج الرياضية والمحاكاة الحاسوبية ضرورية لوصف ،
التنبؤ والتحكم في التفاعلات المعقدة للعمليات. ال
عدد التفاعلات وأنواع الكائنات الحية التي تشارك في النظام
قد تكون كبيرة جدًا. يمكن لذلك وصف دقيق لهذه الأنظمة
ينتج عنه نماذج معقدة للغاية ، والتي قد لا تكون مفيدة جدًا من a
وجهة نظر عملية وتشغيلية. تحتوي الأطروحة على مناقشة شاملة-
حول الجوانب المتعلقة بالنمذجة الرياضية للمفعل
عمليات الحمأة والترسيب والغشاء الحيوي.
نموذج ديناميكي منخفض الترتيب ، يصف عملية الحمأة المنشطة
إجراء إزالة الكربون والنترة ونزع النتروجين مع
دقة معقولة. الهدف الرئيسي هو الجمع بين المعرفة
حافة ديناميكيات العملية مع الطرق الرياضية للتقدير
وتحديد الهوية. يتم التحقق من قابلية التعرف على النموذج باستخدام
يتم التحقق من صحة سلوكها الديناميكي
عن طريق محاكاة نموذج معترف به. المعلومات المطلوبة من قبل
تعتمد خوارزميات تحديد الهوية على بيانات فورية قابلة للقياس مباشرة.
قد يعمل النموذج المبسط كأداة للتنبؤ بالديناميكية
سلوك عملية الحمأة المنشطة ، حيث يمكن أن تكون المعلمات
تعقبها عبر الإنترنت خلال ظروف التشغيل المتغيرة. النموذج يهدف
لأغراض التشغيل والتحكم كجزء لا يتجزأ من التسلسل الهرمي
هيكل التحكم.
الهدف الرئيسي للعمل على نمذجة المستوطنين هو دعم و
تنوير النتائج النظرية الأخيرة. تتم مقارنة نموذج المستوطنين الجديد بـ
نموذج الطبقة التقليدية عن طريق المحاكاة العددية. يتم التركيز
حول قدرة الحل العددي على تقريب الحل التحليلي لـ
قانون الحفظ المكتوب كمعادلة تفاضلية جزئية غير خطية.
نموذج المستوطنين الجديد ثابت في هذا الصدد. العديد من المشاكل التي
تحدث عند دمج نموذج للمفاعل البيولوجي مع نموذج
ثالثا
المستوطن ايضا. على وجه الخصوص ، تركيزات
المكونات البيولوجية للمواد الجسيمية ذات أهمية بالنسبة ل
وصف دقيق للحمأة المعاد تدويرها في المفاعل البيولوجي.
تم تقييم اثنين من الخوارزميات أحادية البعد. الخوارزمية الأولى
شائع الاستخدام ويتم مناقشة بعض المشاكل الكامنة فيه. ال
الخوارزمية الثانية المفضلة هي طريقة مشتقة تحليليًا جديدة.
بذلت محاولات قليلة لمراعاة تأثير أعلى
ترتيب الكائنات في أنظمة الأغشية الحيوية عند تطوير أو تطبيق المواد
نماذج الرياضيات. يصف هذا العمل نهج النمذجة المبسطة ل
تشمل بعض التأثيرات المحتملة للكائنات عالية الرتبة على النترجة ،
بناءً على فرضية مقترحة لاستهلاكهم للأكسجين في
بيوفيلم. تم تطوير ثلاثة نماذج مختلفة والتحقيق فيها. نموذج
يتم التحقق من صحة عمليات المحاكاة باستخدام بيانات من تجربة معملية باستخدام
مفاعلات الأغشية الحيوية المعلقة ذات التدفق المستمر ، حيث الحيوانات المفترسة
تم منعه بشكل انتقائي. النماذج المقترحة قادرة على إعادة إنتاج-
العديد من التأثيرات المرصودة. هم يهدفون في المقام الأول إلى الاستيلاء
سلوك الحالة المستقرة للبيوفيلم ولكن قد يكون مفيدًا أيضًا
أساس لوصف ديناميات العملية.
iv جوانب نمذجة عمليات معالجة مياه الصرف الصحي
مقدمة
تحتوي هذه الأطروحة على عملي حول نمذجة جوانب معالجة مياه الصرف الصحي-
عمليات منة في قسم الهندسة الكهربائية الصناعية و
الأتمتة (IEA) ، معهد لوند للتكنولوجيا ، لوند ، السويد. مرتب
لتحسين قابلية الفهم للأطروحة يتم تقسيمها إلى خمسة
أجزاء مختلفة ، حيث يحتوي الجزء الأول والجزء الخامس على مقدمة عامة لـ
النمذجة والاستنتاجات الرياضية ، على التوالي. يحتوي الجزء الثاني
عملي في مجال نمذجة عملية الحمأة المنشطة ، الجزء الثالث
يتعامل مع نمذجة عملية التسوية ويحتوي الجزء الرابع على بعض الجديد
الجوانب ذات الأهمية عند نمذجة عمليات بيوفيلم. على الرغم من أن
عمليات مختلفة مرتبطة وعمليًا يتم دمجها بشكل طبيعي داخل
محطة معالجة مياه الصرف الصحي ، أعتقد أن هذا التقسيم سيجعل الأمر أسهل
للقارئ لتحديد المجالات المتعلقة باهتماماته الخاصة.
عدة أجزاء من
Modelling Aspects of
Wastewater Treatment Processes
Industrial Electrical Engineering and Automation (IEA)
Lund Institute of Technology (LTH)
P.O. Box 118
S-221 00 LUND
SWEDEN
ISBN 91-88934-00-4
CODEN:LUTEDX/(TEIE-1010)/1-444/(1996)
Printed in Sweden by Reprocentralen, Lund University
Lund 1996
ii Modelling Aspects of Wastewater Treatment Processes
Abstract
Wastewater treatment processes are inherently dynamic because of the
large variations in the influent wastewater flow rate, concentration and
composition. Moreover, these variations are to a large extent not possible
to control. The adaptive behaviour of the involved microorganisms
imposes further difficulties in terms of time-varying process parameters.
Mathematical models and computer simulations are essential to describe,
predict and control the complicated interactions of the processes. The
number of reactions and organism species that are involved in the system
may be very large. An accurate description of such systems can therefore
result in highly complex models, which may not be very useful from a
practical, operational point of view. The thesis contains a thorough discus-
sion on aspects concerning the mathematical modelling of the activated
sludge, sedimentation and biofilm processes.
A reduced order dynamic model, describing an activated sludge process
performing carbonaceous removal, nitrification and denitrification with
reasonable accuracy, is presented. The main objective is to combine know-
ledge of the process dynamics with mathematical methods for estimation
and identification. The identifiability of the model is investigated using
both off-line and on-line methods, and its dynamic behaviour is validated
by simulations of a recognized model. The information required by the
identification algorithms are based on directly measurable real-time data.
The simplified model may serve as a tool for predicting the dynamic
behaviour of an activated sludge process, since the parameters can be
tracked on-line during varying operating conditions. The model is aimed
for operation and control purposes as an integral part of a hierarchical
control structure.
The main objective of the work on settler modelling is to support and
enlighten recent theoretical results. A new settler model is compared to a
traditional layer model by means of numerical simulations. Emphasis is put
on the numerical solution’s ability to approximate the analytical solution of
the conservation law written as a non-linear partial differential equation.
The new settler model is consistent in this respect. Several problems that
occur when integrating a model of the biological reactor with a model of
iii
the settler are also discussed. In particular, the concentrations of the
biological components of the particulate material are of importance for an
accurate description of the sludge that is recycled to the biological reactor.
Two one-dimensional algorithms have been evaluated. The first algorithm
is commonly used and some of its inherent problems are discussed. The
second algorithm, which is preferred, is a new analytically derived method.
Few attempts have been made to take into account the influence of higher
order organisms in biofilm systems when developing or applying mathe-
matical models. This work describes a simplified modelling approach to
include some possible effects of higher order organisms on nitrification,
based on a proposed hypothesis of their oxygen consumption in the
biofilm. Three different models are developed and investigated. Model
simulations are validated using data from a laboratory experiment using
continuous-flow suspended-carrier biofilm reactors, where the predators
were selectively inhibited. The proposed models are capable of reproduc-
ing several of the observed effects. They are primarily aimed at capturing
the steady-state behaviour of the biofilm but may also prove to be a useful
basis for describing the dynamics of the process.
iv Modelling Aspects of Wastewater Treatment Processes
Preface
This thesis contains my work on Modelling Aspects of Wastewater Treat-
ment Processes at the Department of Industrial Electrical Engineering and
Automation (IEA), Lund Institute of Technology, Lund, Sweden. In order
to improve the comprehensibility of the thesis it is divided into five
different parts, where Part I and Part V contain a General Introduction to
Mathematical Modelling and Conclusions, respectively. Part II contains
my work in the field of Modelling the Activated Sludge Process, Part III
deals with Modelling the Settling Process and Part IV contains some new
aspects of importance when Modelling Biofilm Processes. Although the
different processes are related and in practice normally combined within a
wastewater treatment plant, I believe that this division will make it easier
for the reader to locate areas related to his/her special interests.
Several parts of the
الخبير الاستشاري الدكتور محمد طه
جوانب النمذجة
عمليات معالجة مياه الصرف الصحي
الهندسة الكهربائية الصناعية والأتمتة (IEA)
معهد لوند للتكنولوجيا (LTH)
ص. المربع 118
S-221 00 لوند
السويد
ردمك 91-88934-00-4
الكود: LUTEDX / (TEIE-1010) / 1-444 / (1996)
طبع في السويد من قبل Reprocentralen ، جامعة لوند
لوند 1996
ii نمذجة جوانب عمليات معالجة مياه الصرف الصحي
الملخص
عمليات معالجة المياه العادمة ديناميكية بطبيعتها بسبب
اختلافات كبيرة في معدل تدفق المياه العادمة المؤثرة وتركيزها و
تعبير. علاوة على ذلك ، فإن هذه الاختلافات غير ممكنة إلى حد كبير
ليتحكم. السلوك التكيفي للكائنات الحية الدقيقة المعنية
يفرض مزيدًا من الصعوبات فيما يتعلق بمعلمات العملية المتغيرة بمرور الوقت.
النماذج الرياضية والمحاكاة الحاسوبية ضرورية لوصف ،
التنبؤ والتحكم في التفاعلات المعقدة للعمليات. ال
عدد التفاعلات وأنواع الكائنات الحية التي تشارك في النظام
قد تكون كبيرة جدًا. يمكن لذلك وصف دقيق لهذه الأنظمة
ينتج عنه نماذج معقدة للغاية ، والتي قد لا تكون مفيدة جدًا من a
وجهة نظر عملية وتشغيلية. تحتوي الأطروحة على مناقشة شاملة-
حول الجوانب المتعلقة بالنمذجة الرياضية للمفعل
عمليات الحمأة والترسيب والغشاء الحيوي.
نموذج ديناميكي منخفض الترتيب ، يصف عملية الحمأة المنشطة
إجراء إزالة الكربون والنترة ونزع النتروجين مع
دقة معقولة. الهدف الرئيسي هو الجمع بين المعرفة
حافة ديناميكيات العملية مع الطرق الرياضية للتقدير
وتحديد الهوية. يتم التحقق من قابلية التعرف على النموذج باستخدام
يتم التحقق من صحة سلوكها الديناميكي
عن طريق محاكاة نموذج معترف به. المعلومات المطلوبة من قبل
تعتمد خوارزميات تحديد الهوية على بيانات فورية قابلة للقياس مباشرة.
قد يعمل النموذج المبسط كأداة للتنبؤ بالديناميكية
سلوك عملية الحمأة المنشطة ، حيث يمكن أن تكون المعلمات
تعقبها عبر الإنترنت خلال ظروف التشغيل المتغيرة. النموذج يهدف
لأغراض التشغيل والتحكم كجزء لا يتجزأ من التسلسل الهرمي
هيكل التحكم.
الهدف الرئيسي للعمل على نمذجة المستوطنين هو دعم و
تنوير النتائج النظرية الأخيرة. تتم مقارنة نموذج المستوطنين الجديد بـ
نموذج الطبقة التقليدية عن طريق المحاكاة العددية. يتم التركيز
حول قدرة الحل العددي على تقريب الحل التحليلي لـ
قانون الحفظ المكتوب كمعادلة تفاضلية جزئية غير خطية.
نموذج المستوطنين الجديد ثابت في هذا الصدد. العديد من المشاكل التي
تحدث عند دمج نموذج للمفاعل البيولوجي مع نموذج
ثالثا
المستوطن ايضا. على وجه الخصوص ، تركيزات
المكونات البيولوجية للمواد الجسيمية ذات أهمية بالنسبة ل
وصف دقيق للحمأة المعاد تدويرها في المفاعل البيولوجي.
تم تقييم اثنين من الخوارزميات أحادية البعد. الخوارزمية الأولى
شائع الاستخدام ويتم مناقشة بعض المشاكل الكامنة فيه. ال
الخوارزمية الثانية المفضلة هي طريقة مشتقة تحليليًا جديدة.
بذلت محاولات قليلة لمراعاة تأثير أعلى
ترتيب الكائنات في أنظمة الأغشية الحيوية عند تطوير أو تطبيق المواد
نماذج الرياضيات. يصف هذا العمل نهج النمذجة المبسطة ل
تشمل بعض التأثيرات المحتملة للكائنات عالية الرتبة على النترجة ،
بناءً على فرضية مقترحة لاستهلاكهم للأكسجين في
بيوفيلم. تم تطوير ثلاثة نماذج مختلفة والتحقيق فيها. نموذج
يتم التحقق من صحة عمليات المحاكاة باستخدام بيانات من تجربة معملية باستخدام
مفاعلات الأغشية الحيوية المعلقة ذات التدفق المستمر ، حيث الحيوانات المفترسة
تم منعه بشكل انتقائي. النماذج المقترحة قادرة على إعادة إنتاج-
العديد من التأثيرات المرصودة. هم يهدفون في المقام الأول إلى الاستيلاء
سلوك الحالة المستقرة للبيوفيلم ولكن قد يكون مفيدًا أيضًا
أساس لوصف ديناميات العملية.
iv جوانب نمذجة عمليات معالجة مياه الصرف الصحي
مقدمة
تحتوي هذه الأطروحة على عملي حول نمذجة جوانب معالجة مياه الصرف الصحي-
عمليات منة في قسم الهندسة الكهربائية الصناعية و
الأتمتة (IEA) ، معهد لوند للتكنولوجيا ، لوند ، السويد. مرتب
لتحسين قابلية الفهم للأطروحة يتم تقسيمها إلى خمسة
أجزاء مختلفة ، حيث يحتوي الجزء الأول والجزء الخامس على مقدمة عامة لـ
النمذجة والاستنتاجات الرياضية ، على التوالي. يحتوي الجزء الثاني
عملي في مجال نمذجة عملية الحمأة المنشطة ، الجزء الثالث
يتعامل مع نمذجة عملية التسوية ويحتوي الجزء الرابع على بعض الجديد
الجوانب ذات الأهمية عند نمذجة عمليات بيوفيلم. على الرغم من أن
عمليات مختلفة مرتبطة وعمليًا يتم دمجها بشكل طبيعي داخل
محطة معالجة مياه الصرف الصحي ، أعتقد أن هذا التقسيم سيجعل الأمر أسهل
للقارئ لتحديد المجالات المتعلقة باهتماماته الخاصة.
عدة أجزاء من