Development of a mathematical model for a secondary settling tank in wastewater treatment plants with control purposes

Abstract

İkincil çökeltme tankları, atık su arıtma tesislerinde yer alan önemli süreçlerden biridir. Sürecin tasarım ve istenen değerlerde çalıştırılması için matematiksel modeline sıklıkla başvurulur. İkincil çökeltme tanklarının modellenmesi, çamur taneciklerinin çökelmesinden dolayı doğrusal olmayan ve yüksek derecede birbirine bağlı dinamikler ortaya çıkmaktadır bu sebeple oldukça zor bir problem haline dönüşür. Yağmur ve taşma gibi bozucuların etkilerini kaldırmak için çökeltme sürecini formüle etmek ve geri beslemeli kontrol çözümleri sağlamak amacıyla bir süreç kontrol mühendisliği yaklaşımı gerekmektedir. Bu araştırmanın temel amacı, tipik bir atıksu arıtma tesisinin ikincil çökeltme tankının yer alan tüm önemli dinamikleri kapsayan bir matematiksel modelini geliştirmektir. Geliştirilen model, bilgisayar simülasyonları için yeterince basit ve geri beslemeli kontrol uygulamaları için elverişlidir ayrıca çökeltme tankındaki asılı katıların sıkıştırma, dağılma ve engellenmiş çökeltme özelliklerini manevra özgürlüğü de kazandırır. Gerçekçi koşullarda geliştirilen modeli test etmek için bilgisayar simülasyonları yapılmış ve sonuçlar analiz edilmiştir. Geliştirilen modelin etkinliğini ve geri beslemeli kontrol çözümleri için olası uygulamayı ortaya koymak için simülasyon sonuçları tartışılmıştır.

Sedimentation is one the most important processes in the understanding of wastewatertreatment plants, and secondary settling tanks have been frequently investigated withmathematical models for design and operation. Modeling of secondary settling tankshas been a difficult problem due to highly coupled dynamics and non-linearity in thesettling of sludge particles. A process control engineering approach is required toformulate the settling process and provide feedback control solutions for compensationof disturbances like rainfall and overflow. The main purpose of this research is todevelop a mathematical model that covers all significant dynamics involved in thesecondary settling tank of a typical wastewater treatment plant. The developed modelis simple enough for computer simulations and convenient for feedback controlapplications, and it allows for freedom to maneuver with hindered settling,compression and dispersion properties of the suspended solids in a settling tank.Computer simulations are performed for testing the developed model in realisticconditions, and results are analyzed. A discussion of the simulation results is presentedto reveal the efficacy of the developed model and possible implementation forfeedback control solutions.