Jakub Hlavínek, Dagmar Zvěřinová, Tomáš Macsek, Petr Hluštík, Jakub Raček, Petr Hlavínek

Úvod

MIKE WEST je velmi schopný a uživatelsky přijatelný softwarový nástroj určený pro dynamické modelování a simulaci čistíren odpadních vod (ČOV) a dalších systémů vztažených ke kvalitě vody. [1] Je navržen pro provozní personál, inženýry a výzkumníky, kteří se zaměřují na fyzikální, biologické a chemické procesy na ČOV. Software obsahuje databázi základních i modifikovaných matematických modelů ASM (activated sludge model) a disponuje rozsáhlou knihovnou technologických procesů, což umožňuje modelovat a vyhodnocovat rozsáhlé množství typů ČOV. [2]

Představení řešené lokality a technologický popis

V rámci spolupráce se Svazem vodovodů a kanalizací Žďársko byl vytvořen model čistírenské linky ČOV Žďár nad Sázavou a to na základě podkladů od provozovatele ČOV. Jedná se o mechanicko-biologickou ČOV projektovanou pro 34 500 EO, která vypouští vyčištěné odpadní vody do řeky Sázavy.

Obr. 1 Blokové schéma ČOV Žďár nad Sázavou [3]
Obr. 1 Blokové schéma ČOV Žďár nad Sázavou [3]

Mechanický stupeň ČOV se skládá z lapáku štěrku, strojních jemných česlí, lapáku písku a usazovací nádrže. Následuje biologický stupeň tvořený aktivačními a dosazovacími nádržemi.

Usazovací nádrž

Stupeň pro odstranění usaditelných látek obsažených v odpadní vodě je tvořen usazovací nádrží. Usazovací nádrž (UN) je koncipována jako kruhová s průměrem 20 m a hloubkou u okraje 2,4 m. Celkový objem UN je 847 m3. Návrhová maximální doba zdržení je 0,4 hodiny s povrchovým hydraulickým zatížením 3,6 m3/m2/hod. Stírání plovoucích nečistot je nepřetržité a je realizováno skimmery instalovanými na pojezdovém mostu. [3]

Aktivační nádrže

Biologický stupeň se skládá ze dvou původních a dvou nových aktivačních nádržích. Průtok do jednotlivých nádrží je regulován v rozdělovací komoře. V běžném provozu jsou odpadní vody pouštěny do původních aktivačních nádrží, odkud proudí čištěné vody do nových aktivačních nádrží. V rozdělovací komoře taktéž dochází k odlehčení dešťových průtoků na maximální návrhový průtok pro biologický stupeň v množství 200 l/s. [3]

Původní aktivační nádrže

Aktivační nádrže, které jsou celkem dvě, jsou navrženy o délce 21,6 m a šířce 7,5 m, kde šířka koridorů je 3,65 m. Hloubka nádrží je 3,4 m, což vytváří celkový objem 1070 m3 [2]. Vzduch je do systému dodáván z dmýchárny a distribuován nerezovým potrubním systémem s následným rozptýlením jemnobublinnými aeračními elementy. Dvě dmychadla jsou zařazena jako provozní a jedno dmychadlo je rezervní [3]. Chod dmychadel je řízen časovým spínáním 30 min zapnuto a 5 min vypnuto.

Nové aktivační nádrže

Nové aktivační nádrže jsou navrženy jako oběhové o délce 32,5 m, celkové šířce 9,7 m a šířce koridoru 4,75 m. S dimenzovanou hloubkou vody 5 m je pak celkový funkční objem každé z nádrží 3000 m3 [3].

Zdrojem vzduchu pro aeraci jsou rotační objemová dmychadla s dvouotáčkovými motory. Čtyři dmychadla jsou provozní a jedno dmychadlo je rezervní [3]. Chod dmychadel je řízen časovým spínáním 60 min zapnuto a 25 min vypnuto.

Dosazovací nádrže

ČOV tvoří dvě dosazovací nádrže, nová a stará, které mají odlišné parametry. Aktivovaná směs tak přitéká na rozdělovací objekt, kde dojde k rozdělení průtoku pro obě dosazovací nádrže. Průtok je rozdělen v poměru 3:2 ve prospěch nové dosazovací nádrže. [3]

Původní dosazovací nádrž

Dosazovací nádrž byla navržena jako kruhová s průměrem nádrže 20 m a návrhovou hloubkou 2,05 m poskytuje objem 800 m3. Plocha nádrže je 314 m2. Nádrž je dimenzována na maximální dobu zdržení 1,4 hod s povrchovým hydraulickým zatížením 0,9 m3/m2/hod a povrchovým látkovým zatížením 7,4 kg/m2/h. [3]

Nová dosazovací nádrž

Dosazovací nádrž je navržena jako kruhová s průměrem nádrže 20 m a hloubkou 4,5 m a poskytuje objem 1475 m3. Plocha nádrže je 314 m2. Nádrž je dimenzována na maximální dobu zdržení 1,7 hod s povrchovým hydraulickým zatížením 1,37 m3/m2/hod a povrchovým látkovým zatížením 11 kg/m2/hod. [3]

Rozdělovací objekt vratného kalu

Vratný kal je u obou dosazovacích nádrží čerpán do objektu, kde je podle systému provozu aktivačních nádrží rozdělován do jednotlivých sekcí. Při sériovém zapojení nádrží je vratný kal čerpán a vracen do systému před původní aktivační nádrže. [3]

Vytvoření modelu

Při vytvoření modelu je nejdůležitější krok výběr výpočtového modelu, kterým bude ČOV modelována. V rámci modelování ČOV Žďár nad Sázavou byl vybrán model ASM2dModTemp, který umožňuje simulaci odstraňování organického znečištění, nitrifikaci, denitrifikaci a organické a chemické srážení fosforu.  Každý z modelů pracuje s velkým množstvím vstupních parametrů, které v reálném provozu není možné zajistit, nebo je velmi těžké tyto parametry obvyklou cestou získat. Zaužívaná praxe u většiny provozovatelů je sledování základních ukazovatelů znečištění jako je BSK5, CHSKCr, NL, N a P. Tyto údaje pro model nejsou dostatečné, a proto je nutné tyto souhrnné parametry frakcionalizovat na parametry, které používá výpočetní model. Postup frakcionalizace vstupů pro model ASM2dModTemp je znázorněn na obr. 2.

Obr. 2 Frakcionalizace vstupů na vstupy, které používá výpočetní model. Každé spojení má svou váhu, která určuje jaká část vstupního parametru je zastoupená v parametru pro model. Na obrázku je znázorněna frakcionalizace CHSK (COD), NL (TSS), TKN (Kjeldahův dusík) a TP (celkový fosfor) do výpočetních parametrů modelu
Obr. 2 Frakcionalizace vstupů na vstupy, které používá výpočetní model. Každé spojení má svou váhu, která určuje jaká část vstupního parametru je zastoupená v parametru pro model. Na obrázku je znázorněna frakcionalizace CHSK (COD), NL (TSS), TKN (Kjeldahův dusík) a TP (celkový fosfor) do výpočetních parametrů modelu

Sestavení jednotlivých technologických bloků

Dalším krokem je sestavení všech technologických prvků v procesech čištění odpadních vod a spojení těchto prvků hranami. Hrany jsou děleny na tři druhy:

  • tok čištěného média – v modelu znázorněno modře;
  • tok kalů -  v modelu znázorněno hnědě;
  • tok signálu - v modelu znázorněno červeně.
Obr. 3 Sestavení technologických prvků ČOV Žďár nad Sázavou [2]
Obr. 3 Sestavení technologických prvků ČOV Žďár nad Sázavou [2]

Každý prvek v modelu je pak definovaný reálnými parametry, které vycházejí z podkladů od provozovatele:

zdroj znečištění – frakcionalizace, časová řada o objemech a kvalitě na přítoku na ČOV;  

usazovací nádrž – typ UN, rozměry, odtahovaný objem primárního kalu;

aktivační nádrž – typ AN, rozměry, rozdělení na segmenty;;

aerace – parametre aeračních elementů, parametry dmychadel

časové spínače – nastavení časového spínání;

dosazovací nádrž – typ DN, rozměry, odtahovaný objem primárního kalu;

odtoky – de-frakcionalizace (složení výpočtových parametrů do sledovaných parametrů);

rozdělovače proudu – nastavení poměrů rozdělení proudu.

Kalibrace

Kalibrace modelu spočívá v upřesňování vah spojení v defragmentačním kroku mezi vstupy, které je schopný provozovatel dodat a vstupy, se kterými pracuje matematický model. Model byl kalibrován na reálných datech z období roků 2015-2017.

Vedle znečištění na přítoku bylo k dispozici i měřené znečištění na odtoku. Po sestavení modelu, vložení parametrů, výběru schématu pro frakcionalizaci a defrakcionalizaci byl na základě parametrů na výstupu model zkalibrován. K dosažení požadovaného výsledku byla potřeba výrazně přidat na aeračních zařízeních a kalibrace spočívala především v odbourání biologického znečištění.

Obr. 4 Parametry odtoku z ČOV Žďár nad Sázavou po kalibraci [2]
Obr. 4 Parametry odtoku z ČOV Žďár nad Sázavou po kalibraci [2]

Závěr

Soubory výsledků obdržené z nakalibrovaného programu MIKE WEST, poskytují zajímavé doplňující informace ohledně provozních parametrů a interních procesů ČOV jako jsou např. koncentrace rozpuštěného kyslíku v nádržích a doba zapracování ČOV. Program MIKE WEST nabízí vedle procesních hodnot ve všech nádržích, které byly předmětem výpočtu, i možnost vykreslit grafy s libovolnými ukazateli v jakékoliv nádrži nebo prvku ČOV. Tímto způsobem můžeme sledovat koncentrace znečištění na odtoku, průběhy koncentrace kyslíku v různých částech oběhových aktivačních nádržích, koncentraci nerozpustných látek v dosazovacích nádržích nebo funkce aerátoru. [2]

Z důvodu nutnosti kalibrace modelu na reálných datech je použití nekalibrovaného modelu pro návrh nové ČOV spíše orientační a vymezuje nám základní oblasti fungování takovéto ČOV.

Hodnota programu MIKE WEST je především v optimalizaci provozu. V případě, že jsou dostupná data, je kalibrovaný model velmi užitečným prostředkem pro zjištění provozních parametrů, modifikaci provozních scénářů a posouzení investičních variant pro obnovu nebo intenzifikaci ČOV.  [2]

Literatura

  1. WEST. MIKE Powered by DHI [online]. Copyright © DHI [cit. 19.02.2019]. Dostupné z: https://www.mikepoweredbydhi.com/products/west
  2. Hlavínek J. Software WEST pro výpočet čistíren odpadních vod. Brno, 2019. 72 s., Diplomová práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav vodního hospodářství obcí. Vedoucí práce Ing. Petr Hluštík, Ph.D.
  3. RACLAVSKÝ J., HLAVÍNEK P., HLUŠTÍK P., RAČEK J., ÚTERSKÝ M. Odborné posouzení stávajícího technického stavu ČOV Žďár nad Sázavou a návrh vhodných investičních opatření. Brno, 2015.

Poděkování

Článek byl vytvořen v rámci řešení projektu č. LO1408 "AdMaS UP - Pokročilé stavební materiály, konstrukce a technologie" podporovaného Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy v rámci účelové podpory programu „Národní program udržitelnosti I"." Tento článek je výsledkem spolupráce se Svazem vodovodů a kanalizací Žďársko.

Autoři

Ing. Jakub Hlavínek, Centrum AdMaS, Fakulta stavební, Vysoké učení technické v Brně, Purkyňova 651/139, 612 00 Brno

Ing. Dagmar Zvěřinová, Svaz vodovodů a kanalizací Žďársko, Vodárenská 2, 591 01 Žďár nad Sázavou

Ing. Tomáš Macsek, Centrum AdMaS, Fakulta stavební, Vysoké učení technické v Brně, Purkyňova 651/139, 612 00 Brno

Ing. Petr Hluštík, Ph.D., Centrum AdMaS, Fakulta stavební, Vysoké učení technické v Brně, Purkyňova 651/139, 612 00 Brno

Ing. Jakub Raček, Ph.D., Centrum AdMaS, Fakulta stavební, Vysoké učení technické v Brně, Purkyňova 651/139, 612 00 Brno

prof. Ing. Petr Hlavínek, CSc., MBA, Centrum AdMaS, Fakulta stavební, Vysoké učení technické v Brně, Purkyňova 651/139, 612 00 Brno

Recenze

Článek byl recenzován. Recenze jsou uloženy v redakci.

Bibliografická citace

Hlavínek, J., Zvěřinová, D., Macsek, T., Hluštík, P., Raček, J., Hlavínek, P. Implementace softwaru MIKE WEST na ČOV Žďár nad Sázavou. Vodovod.info - vodárenský informační portál[online]. 2.4.2019, 04/2019, [cit. 2019-04-02]. Dostupný z WWW: http://vodovod.info. ISSN 1804-7157. 

English Summary

MIKE WEST is a modelling software for dynamic modelling and simulation of wastewater treatment plant processes. The aim of this article is a demonstration of the software application for processes simulation at WWTP Žďár nad Sázavou. The article shows modelling and calibration of the model on real operation data for future optimization of processes at the WWTP.