통합 고정 장치의 성능 모델링

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 9416(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

IFAS 시스템은 폐수 처리의 일부로 오염 물질 분해를 목적으로 부유 박테리아 콜로니와 부착 박테리아 콜로니를 혼합하여 사용하기 때문에 본질적으로 복잡합니다. 이는 관련된 매개변수의 수가 너무 많기 때문에 이러한 시스템을 수학적으로 표현하려고 할 때 문제를 야기합니다. 복잡해지는 것 외에도 모델 보정 중에 많은 노력이 필요합니다. 이 문서에서는 영향력 있는 매개변수를 식별하고 68개의 동역학 및 화학양론적 매개변수의 하위 집합에서 공선성을 감지하기 위한 두 가지 민감도 분석을 통합하고 Nelder-Mead 최적화 알고리즘을 사용하여 필요한 값을 추정하는 IFAS 프로세스 모델 교정에 대한 체계적인 접근 방식을 보여줍니다. 이 매개변수 중. 이 모델은 생화학적 산소 요구량(BOD), 총 질소(TN) 및 총 부유 물질(TSS)을 포함한 세 가지 중요한 오염 물질의 제거를 고려합니다. 민감도 분석 결과는 모델에 주요 영향을 미치는 4가지 매개변수를 식별했습니다. 모델은 총 효과가 모델의 BOD 출력 감도의 92.4%와 모델의 TSS 출력 감도의 92.8%를 담당하는 수용성 기질에 대한 호기성 종속영양 수율을 포함하는 두 가지 화학량론적 매개변수에 가장 민감한 것으로 밝혀졌습니다. 수용성 기질의 무산소 종속 영양 수율은 모델의 TN 출력 감도의 54.3%를 담당하는 것으로 관찰되었습니다. 두 가지 동역학 매개변수인 호기성 종속 영양 붕괴율과 아질산염의 탈질에 대한 감소 인자는 각각 모델의 BOD 및 TN 출력 민감도의 8.0%와 13.1%에 불과했습니다. 매개변수 추정을 통해 관찰된 데이터와의 편차가 BOD, TN의 경우 ± 3.6 mg/L, ± 1.3 mg/L, ± 9.5 mg/L에 불과한 시뮬레이션의 충분한 정확도를 달성하기 위해 기본값을 약간만 조정하면 된다는 사실이 확인되었습니다. 그리고 각각 TSS. 검증 결과, 이 모델은 극심한 용존 산소 스트레스 하에서 시스템 동작을 예측하는 능력이 제한되어 있는 것으로 나타났습니다.

폐수 처리장(WWTP)의 전산 프로세스 모델은 오랫동안 그 이점을 위해 활용되어 왔습니다1. 이러한 이점에는 향상된 효율성이나 성능을 추구하거나 상황 시나리오에서 시스템 동작에 대한 통찰력을 얻기 위한 대체 설계 및 운영 시나리오 조사가 포함될 수 있습니다2. 모델링을 통해 물리적 실험으로 인해 발생하는 시간과 자원에 대한 조사의 높은 수요는 결과에 대한 신뢰도를 손상시키지 않고 상대적으로 쉽게 극복할 수 있습니다. 예를 들어, 모델을 통해 프로세스 엔지니어는 다양한 크기의 무산소 탱크를 많이 구축하지 않고도 시스템에서 충분한 탈질을 구현하는 데 필요한 무산소 탱크의 크기를 식별할 수 있습니다.

복잡한 모델은 단순화된 모델에 의해 가려졌을 시뮬레이션된 시스템에 대한 통찰력을 제공할 수 있지만 이는 물리적 시스템이 정확하게 묘사된 경우에만 적용됩니다. 생물학적 WWTP 모델의 보정은 일반적으로 필요한 데이터를 수집하는 데 필요한 시간, 노력 및 재정 자원 측면에서 모델 개발의 가장 까다로운 단계입니다2,3,4,5. 실제로 활성 슬러지(AS) 모델6,7,8,9,10의 교정을 안내하기 위해 BIOMATH, STOWA, WERF 및 HSG와 같은 여러 프로토콜이 개발되었습니다. 이러한 각 접근 방식은 뚜렷한 차이점을 제공하지만 현장 조사, 집중 샘플링 및 리소스에 대한 수요가 높은 호흡 측정/적정 측정 일괄 테스트를 통해 생성되어야 하는 대량의 데이터에 대한 공통 요구 사항을 공유합니다(중요한 검토는 3 참조). .

환경 모델로서 생물학적 폐수 처리(WWT) 프로세스 모델은 본질적으로 복잡합니다. 본질적으로 포함된 동역학 및 화학양론의 광범위한 배열로 인해 고차원적이고 비선형적입니다. 예를 들어, 초기 형태의 인기 있는 활성 슬러지 모델(ASM)조차도 생화학 반응을 설명하는 5개의 화학양론적 매개변수, 14개의 운동 매개변수 및 13개의 미분 방정식으로 구성되었습니다1. 기본 프로세스에 대한 보다 자세한 표현을 제공하거나 새로운 기술 및 오염 물질을 모델링하기 위해 이러한 모델이 추가로 개발될 때 WWT 모델이 주어진 관찰과 관련하여 과도하게 매개변수화되는 것은 놀라운 일이 아닙니다.