Methodical aspects of bioreactor modeling in wastewater management

Mathematical models are generally created for the needs of the processes control and for the simulations of processes occurring at the really existing objects. For the control of the bioreactors, even for multiparameter models, it is popular to apply both calibration and application at the linear ranges of interactions. If the bioreactor runs the process based on the defined substrate with the application of the previously defined processing factor (for strains, not only species) as an effect only the determined product and the excess biomass are obtained. Also, if the process undergoes in the optimal, constant physical-chemical-biotical conditions, its mathematical description can contain the elements of not only description of transition function but also of mechanisms responsible for the process realization. A kind of bioreactor like a n-step municipal sewage treatment plant with the activated sewage sludge has the unidentified, multicomponent substrate, which differs both in the daily and weekly scale with the multispecies and variable composition. Also, such a bioreactor works in the wide extend of physical-chemical conditions and time-dependent inhibiting factors. Only the product - purified wastewater - is defined by standards and should have the appropriate parameters. It is clear that models with elements describing the process mechanisms have to be complicated and multifactor, thus, the nonlinear models are capable to describe not only the local and global maxima and minima, but also the extreme situations. The models sufficient for processes control and operation should only describe the transition function in the linear interaction of the process important factors (independent variables). That explains the background of the aim of the paper as a methodical assumption presentation of models describing bioreactors like sewage treatment plants with activated sludge together with the elements of the processes running in the particular facilities and calibration of such a model by biomonitoring.

Modele matematyczne mogą być wykorzystywane na potrzeby sterowania procesami w obiektach eksploatowanych, a także do symulacji procesów poza realnie istniejącymi obiektami. Dla sterowania obiektami, takimi jak bioreaktory, praktykowane jest - nawet dla modeli wieloczynnikowych - zarówno ich kalibrowanie, jak i stosowanie w przedziałach oddziaływań liniowych. Jeżeli bioreaktor realizuje proces zdefiniowanego substratu z użyciem zdefiniowanego czynnika procesowego (zdefiniowanego dla szczepu, a nie tylko gatunku) w efekcie uzyskiwany jest ściśle określony produkt i nadmiarowa biomasa czynnika. Ponadto, jeśli proces realizowany jest w optymalnych, ustalonych warunkach fizyczno-chemiczno-biotycznych, matematyczny model procesu może zawierać w sobie elementy opisujące nie tylko funkcje przejścia, lecz również mechanizmy odpowiadające za przebieg procesu. Bioreaktor taki jak n-stopniowa oczyszczalnia ścieków miejskich z osadem czynnym ma niezidentyfikowany, wieloskładnikowy substrat, który jest zmienny w czasie zarówno w skali dobowej, tygodniowej, jak również rocznej. Niezdefiniowany jest również czynnik procesowy o składzie wielogatunkowym i wielorodzajowym, a często nawet wielotypowym. Ponadto bioreaktor taki pracuje w szerokim zakresie warunków fizycznych, chemicznych (różnorodne i różnie przyswajalne źródła C, N, P) oraz różnorodnych i zmiennych w czasie czynników inhibitujących. Jedynie produkt - oczyszczone ścieki - jest ustawowo definiowany i musi spełniać parametry określone w pozwoleniu wodno-prawnym. Jest zatem oczywiste, że modele zawierająceelementy opisujące mechanizmy procesu muszą być rozbudowane i wieloczynnikowe (ponadto nieliniowe), jeśli mają opisywać lokalne oraz globalne maksima i minima, a także sytuacje ekstremalne. Modele przydatne dla sterowania procesami zachodzącymi w urządzeniach oczyszczalni mogą opisywać funkcje przejścia jedynie w liniowych oddziaływaniach ważnych procesowo czynników (zmiennych niezależnych). Celem opracowania jest przedstawienie zasad tworzenia modeli opisujących bioreaktor typu „oczyszczalnia z osadem czynnym” zarówno z wykorzystaniem procesów realizowanych w poszczególnych obiektach, jak i przedstawiających jedynie funkcje przejścia.