Att sätta upp en reningsverksmodell

Denna del av inläggsserien fokuserar på att gå igenom vad som behöver tas hänsyn till när en modell av ett helt reningsverk ska sättas upp. Innehållet i denna artikel är baserad på Guidelines for using activated sludge models av Rieger et al. (2013). Denna artikel sammanfattar en femstegsprocedur för att sätta upp reningsverksmodeller som presenteras i Rieger et al. (2013) och lämnar några exempel på olika delmodeller som kan användas.
1. Reningsverkslayout

Baserat på vad som har bestämts i tidigare delar av modelleringsprojektet är det i denna del av projektet som modellen av reningsverket börjar ta sin form. För varje processenhet ska detaljnivån för varje ingående delmodell samt alla nödvändiga/önskade förenklingar och antaganden definieras. Beslutet om vilken detaljnivå som krävs för ett visst syfte bör inkludera en senior modellerare för att säkerställa att all nödvändig dynamik modelleras. En för detaljrik modell kommer att öka tidsåtgången som krävs för att sätta upp modellen och tiden det tar att köra den. Onödiga detaljer kommer att kräva mer data och kommer att öka insatsen som krävs för att kalibrera och validera modellen.  Om modellen å andra sidan inte är tillräckligt detaljerad finns risken att den inte blir tillräckligt noggrann för att kunna uppnå syftet med modellerings-projektet.

2. Delmodellsstruktur

En reningsverksmodell består av flera delmodeller och varje modellerad processenhet inom reningsverket modelleras genom att använda en eller flera delmodeller. De flesta kommersiella simuleringsprogramvaror har ett grafiskt gränssnitt där olika delmodeller, eller kombinationer av delmodeller, representeras av olika ikoner eller figurer. Ikonerna kan dras och släpas in i ett designfönster där olika processenheter kopplas ihop för att beskriva flöden på reningsverket. I detta steg översätts det existerande flödesschemat (som verket drivs enligt) och omblandnings-förhållandena som råder verket för att beskriva hydrauliken i modellen. Valet av delmodell för att beskriva en viss process kommer att ha påverkan på modelleringsresultatet och grundliga överväganden bör ligga till grund för det slutgiltiga valet av modeller som ska användas. Särskilt viktigt är att se till att delmodellerna som väljs noggrant kan beskriva flöden, omblandning och sedimentation inom verket och de nödvändiga biologiska reaktioner som krävs för modelleringssyftet. I tabellen nedan sammanfattas några vanliga delmodeller enligt Rieger et al. (2013).

Typ av delmodell Delmodeller
Hydraulik- och transportmodeller
Reaktormodeller (ex. totalomblandade med fast eller variabel volym)
Flödesschema: reaktorkonfiguration och kombinering (ex. “tanks-in-series”
Returslam- och interna recirkulationsflöden
Överskottsslamflöde
Flödesfördelning
Sedimenteringsmodeller
Punktsedimenteringsmodeller
Ideala sedimenteringsmodeller
Skiktade sedimenteringsmodeller
CFD-baserade sedimenteringsmodeller (ovanligt)
Reaktiva sedimenteringsmodeller
Inputmodeller
Inflödesmodell:  för att karaktärisera mätvärden till tillståndsvariabler
Driftsinställnignar och andra inputs
Konstanter (ex. börvärden för regulatorer)
Energiinput för ytluftare och andra processenheter
Outputmodeller
Kombinerade variabler (CODTOT, BOD, TSS etc.)
Energi- eller kostnadsmodeller
Biokinetiska modeller
Activated sludge model no. 1 (ASM1)/ASM2D/ASM3, etc.
Temperaturberoende
Luftningsmodeller
Modell för att översätta luftflöde till kLa
Syreöverföringsmodell
Modeller för luftningsutrustning (diffunderare, rör och blåsmaskiner)
Fosforfällningsmodeller
Dosering av järn- eller aluminiumsalter
Modeller för kalcium- och magnesiumfosfatutfällning
Andra delmodeller
Regulatormodeller, sensormodeller och ställdonsmodeller
pH-modell
Gasöverföring
Delmodeller för att modellera hela reningsverksanläggningen (modeller för inflöde, slamhantering etc.)
Anaerobic digestion model no. 1 (ADM1), modell för rötning
Modeller för temperatur, driftskostnader, energi, koldioxidavtryck, omvandling av växthusgaser till kolekvivaletnter, etc.
3. Kopplingar till databaser eller filer

När modellstrukturen väl är på plats i simuleringsprogramvaran behöver inputdata tillhandahållas. För statiska modellkörningar behövs uppmätta (eller uppskattade) medelkoncentrationer och flöden och för dynamiska modellkörningar behövs tidsseriedata kopplat till den valda input-modellen för att fraktionera data korrekt. Vissa programvaror tillåter kopplingar till externa databaser medan andra kräver att data matats in i ett intern dataformat. Oavsett hur data matas in kommer input-modellen att beräkna värden för alla tillståndsvariabler vilka sen blir indata till processmodellen.

4. Grafer och tabeller

Kalibrering behöver typiskt grafer och tabeller som innehåller både simulerade och uppmätta värden. Vissa programvaror tillhandahåller paket för statistisk utvärdering av modellens anpassningsgrad till empiriska data. Outputen från modellen bör presenteras på ett sådant vis att det går att jämföra reningsverkets prestanda för olika scenarier. Grafer och tabeller som är informationsrika eller tillhandahåller information vid viktiga punkter i verket bör användas (exempelvis om utgående ammoniumhalter alltid är nära noll kan koncentrationsprofilen i reaktorerna möjliggöra en bättre insikt i verkets effektivitet än en graf av utgående ammonium).

5. Modellgranskning

När modellen har satts upp bör testkörningar genomföras för att se till att modellen fungerar och att den är korrekt implementerad i mjukvaran där den har satts upp, att den innehåller alla nödvändiga delprocesser och att den producerar outputs inom rimliga förväntade intervall (trots att modellen inte är kalibrerad). Beräkningstiden bör också undersökas för att verifiera att den är rimlig för att klara av projektkraven. Simuleringstiden är viktig faktor att ta hänsyn till då antalet modellkörningar och scenarier som analyseras inom ett modelleringsprojekt kan kräva mycket tid. För stora projekt med komplicerade modeller kan det till och med vara intressant att undersöka möjliga inställningar för den numeriska lösaren för att optimera simuleringstiden.