Дигитално моделирање и управување на постројка за пречистување на отпадни води

Носител на проектот: Универзитет „Св. Кирил и Методиј“ во Скопје, Машински факултет – Скопје

Главен истражувач: Проф. д-р Зоран Марков (MФС)

Истражувачи: Проф. д-р Емил Заев (МФС), Доц. д-р Радмила Колева Христова (МФС), Доц. д-р Марија Лазаревиќ (МФС), проф. д-р Дарко Бабунски.

Времетраење: 16 месеци (2025–2026 година)

Вкупна вредност: 7.994.650 денари

Начин на финансирање: Проектот е финансиран од Министерството за образование и наука (МОН) на Република Северна Македонија, врз основа на спроведен конкурс за финансирање научноистражувачки проекти.

Резиме на проектот

Проектот „Дигитално моделирање и управување на постројка за пречистување на отпадни води“ е насочен кон развој и примена на современи дигитални пристапи во областа на водните циклуси, со фокус на моделирање, симулација, мониторинг и валидација на реални процеси. Основа на истражувањето претставува дидактичка постројка преку која се опишува водниот циклус и која овозможува експериментално испитување на процесите и собирање на релевантни податоци за нивното динамичко однесување.

Во рамки на проектот се изработени дигитални модели на избрани составни елементи и процеси на постројката, со примена на соодветни нумерички и симулациски алатки, како MATLAB/Simulink и AFT Impulse. Анализирани се струјнотехнички параметри како проток, притисок и ниво на вода при процесите на полнење и празнење на резервоар, како и при преодни режими на струење на водата предизвикани од отворање/затворање на вентил. За калибрација и валидација на развиените модели, реализирани се експериментални мерења на наведените параметри со што е воспоставена интегрирана експериментално-дигитална зависност преку  која е овозможено поврзување на реалниот систем со негов математички и нумерички/симулациски модел. На тој начин е создадена основа за понатамошен развој на дигитален близнак, интелигентно управување и оптимизација на процесите на водните циклуси, но и за пречистување и мониторинг на квалитетот на водата.

Цели на проектот

Главните цели на проектот беа:

• Изработка на дигитален модел за дидактичка постројка за пречистување на отпадни води. За реализација на оваа цел беа извршени следните активности: преглед на литература за моделирање на слични постројки за вода и отпадна вода; избор на софтверски алатки за моделирање; генерирање на концепт за моделирање на постројката; избор на составни елементи и параметри кои ќе се моделираат; детално истражување и анализа на пазарот на достапна дидактичка опрема за изучување на водените циклуси; набавка и механичка монтажа на опрема, пуштање во работа и тестирање на составните елементи на опремата; изработка на упатство за работа со постројката; изработка на повеќе дигитални модели; детална анализа на резултатите од симулациите.
• Валидирање на дигиталниот модел на дидактичка постројка за пречистување на отпадна вода. За реализација на оваа цел беа извршени следните активности: изведување на експериментални мерења во лабораторија; анализa на собраните податоци податоци од мерењата и нивна обработка;  споредба на експерименталните податоци со резултатите добиени од дигиталните модели; валидација на моделите. 
• Унапредување на знаењата за дигитално управување со квалитет на вода и заштита на животната средина во контекст на Индустрија 4.0. Оваа цел опфаќа споделување на знаењата од областа на водните циклуси и отпадните води со помош на новата постројка која ќе им помогне на студентите повеќе да се доближат до реалните процеси, но и до проблемите со кои би се соочувале секојдневно како идни инженери. Начинот на работа и начинот на изучување на процесите им се презентирани на студентите преку организирање и спроведување на работилница.

Резултати од проектот

Во рамките на проектот беа реализирани сите планирани истражувачки активности.

• Направен е детален преглед на постојната литература поврзана со моделирање на хидрауличните параметри во пречистителна станица за отпадни води. Развиен е концептот на пречистителната станица и предложен е пристап за моделирање и симулација на хидрауличните процеси што се одвиваат.
• Изработени се три модели во MATLAB/Simulink и еден модел во Python, со различни пристапи за моделирање на одделни физички параметри на лабораторискиот систем. Моделирани се нивото на течност во резервоар со влезен и излезен проток, распределбата на протокот и нивото на вода во два резервоари, како и падот на притисокот. Моделот за пад на притисок е спроведен и во Simulink и во Python, при што двата пристапа даваат исти резултати. Дополнително, во моделирањето е применето PID управување.
• Направен е нумерички модел на лабораториската потстаница за водоснабдување во AFT Impulse за анализа на хидрауличните и енергетските карактеристики. Анализирани се стационарни режими при различни протоци и конфигурации на излезните гранки, како и нестационарни режими при различни брзини на отворање и затворање на вентил. Утврдено е влијанието на конфигурацијата на системот врз потребниот напор и хидрауличната моќност на пумпата, како и влијанието на брзината на затворање и отворање на вентилот врз појавата на хидрауличен удар и осцилации на притисок.
• Направена е анализа на процесот на полнење на лабораторискиот резервоар со форма на потсечен конус. Развиена е калибрациона зависност на волуменот на вода во резервоарот од висината на течноста во резерворарот. Експерименталните мерења се обработени и анализирани од аспект на повторливост. Процесот е моделиран во MATLAB, Simulink и AFT Impulse. Нумеричките резултати се валидирани со репрезентативната експериментална крива со примена на MAE, RMSE и MAPE.
• Организирана е и спроведена работилница за студенти, на која беше презентиран начинот на функционирање на опремата за мерење на параметрите на пречистителната станица за отпадни води, следењето на мерените податоци во реално време и основните фази на водниот циклус во лабораторискиот систем.

Научните резултати беа дисеминирани преку четири научни трудови од кои два објавени во меѓународни научни списанија, а два презентирани на меѓународни конференции. Објавените трудови се:

• Review of Modeling Approaches and Key Parameters in the Simulation of Wastewater Treatment Plant - Marija Lazarevikj, Radmila Koleva, Emil Zaev, Darko Babunski, Zoran Markov, Journal Water, Special Issue Water Quality, Wastewater Treatment and Water Recycling, 2nd Edition, Section: Wastewater Treatment and Reuse, Vol. 18, Issue 2, January 2026, MDPI, https://doi.org/10.3390/w18020266, IF 3.0.
• Modeling and Simulation of Wastewater Treatment Plant Physical Parameters - Radmila Koleva, Marija Lazarevikj, Emil Zaev, Darko Babunski, Zoran Markov - 19th EPIEM Conference 2026 - Building synergies for innovative digital transformation solutions, 27-29.05.2026 in Skopje, Macedonia.
• Hydraulic Modeling of Transient Flow in a Pumped Water Pipeline - Marija Lazarevikj, Radmila Koleva, Darko Babunski, Emil Zaev, Zoran Markov – Proceedings of Conference on sustainable development of energy, water and environment systems (SDEWES), 30.08-03.09.2026 in Las Palmas de Gran Canaria, Gran Canaria 2026.
• Numerical Modeling and Experimental Validation of Filling in a Frustum-Shaped Tank in a Laboratory Water Supply System - Radmila Koleva, Marija Lazarevikj, Emil Zaev, Darko Babunski and Zoran Markov, Revised and to be published in Special Issue Optimal Design of Water Distribution Systems, Section: Urban Water Management, IF 3.5.

Значење на проектот

Проектот „Дигитално моделирање и управување на постројка за пречистување на отпадни води“ е научноистражувачки проект преку кој се овозможи обновување на опремата која е достапна во Лабораторијата за автоматика и управување со системи, а воедно и за прв пат во образовна институција во С. Македонија се овозможи инсталација на опрема чија цел е изучување на водните циклуси почнувајќи од дезинфекција на вода, снабдување со вода, третман и транспорт на отпадна вода. Поради екот и актуелноста на изградбите на пречистителните станици за отпадна вода (ПСОВ) во Р. С. Македонија, од особено голема важност е постоењето на ваква опрема. Освен можноста за детално дигитално моделирање на постројката која понатаму ќе служи како водилка за изучување на процесите, збогатување на техничките знаења на студентите во оваа област, со помош на оваа опрема ќе се изучуваат и негуваат Целите на одржлив развој (SDG) кои се исклучително важни за зачувувањето на добробитот на целата планета.

Проектот има значајна научна, образовна и општествена вредност. Резултатите придонесуваат кон унапредување на знаењата во областа на дигитализацијата и Индустрија 4.0, развој на нови истражувачки и наставни содржини, како и кон подобро разбирање на можностите за дигитално управување со водните ресурси. Преку примената на современи инженерски методи, проектот придонесува кон заштита на животната средина, одржливо управување со водите и подобрување на квалитетот на водата, со потенцијал за идно пренесување на развиените методологии кон реални индустриски и комунални системи.