1

Для эффективного управления процессом очистки сточных вод промышленных предприятий от фенольных соединений (на примере Бисфенола-А) с использованием усовершенствованных окислительных процессов (УФ излучения, λ = 365 нм, Н2О2, FeCl3) предложена экспоненциальная модель снижения концентрации фенольных соединений, идентифицированная в программной среде Statistica. С целью стабилизации неустойчивых параметров модели использована идея регуляризации А.Н. Тихонова, проведена процедура «гребневой регрессии». Полученная регуляризованная модель, устанавливающая зависимость степени разложения фенольных соединений в водной среде под действием физико-химических факторов (реактив фото-Фентона) от параметров процесса, является статистически значимой (R2 = 0,9995) и обладает улучшенными прогнозными свойствами, чем модель, идентифицированная по методу наименьших квадратов. С использованием регуляризованной модели снижения концентрации фенольных соединений методом множителей Лагранжа в системе MathCad определены удельные оптимальные уровни расходов FeCl3, H2O2, обеспечивающие снижение концентрации фенольных соединений в сточных водах до предельно допустимого уровня.

регуляризация

некорректные задачи

моделирование

сточные воды

усовершенствованные окислительные процессы

1. Вучков И., Бояджиева Л., Солаков Е. Прикладной линейный регрессионный анализ. – М.: Финансы и статистика, 1987. 240 с.

2. Дрейпер Н., Смит Г. Прикладной регрессионный анализ. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2007. – 912 с.

3. Елисеева И.И. Эконометрика. – М.: Издательство Юрайт, 2014. – 449 с.

4. Кармазинов Ф.В., Костюченко С.В., Кудрявцев Н.Н., Храменков С.В. Ультрафиолетовые технологии в современном мире: монография. – Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2012. – 392 с.

5. Моисеев Н.Н., Иванилов Ю.П., Столярова Е.М. Методы оптимизации. – М.: Наука, 1978. – 352 с.

6. Рабек Я. Экспериментальные методы в фотохимии и фотофизике: Т. 2. – М.: Мир, 1985. – 544 с.

7. Соколов А.В., Токарев В.В. Методы оптимальных решений. В 2 т. Т.1. Общие положения. Математическое программирование. – М.: Физматлит, 2010. – 564 с.

8. Соколов Э.М., Шейнкман Л.Э., Дергунов Д.В. Исследование снижения концентрации фенольных соединений в водных средах с использованием математического моделирования // Вестник Южного научного центра РАН. – 2013. – Т. 9, № 2. – С. 23–31.

9. Соколов Э.М., Шейнкман Л.Э., Дергунов Д.В. Нелинейная кинетика распада фенольных соединений в водной среде // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 9, Ч. 12. – С. 2677–2681.

10. Стерлигова А.Н. Управление запасами в цепях поставок. – М.: ИНФРА-М, 2009. – 430 с.

11. Сычев А.Я., Исак В.Г. Соединения железа и механизмы гомогенного катализа активации О2, Н2О2 и окисления органических субстратов // Успехи химии. – 1995. – № 64 (12). – С. 1183–1209.

12. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач. – М.: Наука, 1979. – 285 с.

13. Тихонов А.Н. О регуляризации некорректно поставленных задач // Доклады АН СССР. – 1963. – № 153(1). – С. 45–52.

14. Тихонов А.Н. Решение некорректно поставленных задач и метод регуляризации // Доклады АН СССР. – 1963. – № 151(3). – С. 501–504.

15. Тихонов А.Н., Уфимцев М.В. Статистическая обработка результатов экспериментов. – М.: Издательство МГУ, 1988. – 174 с.

17. Marta I. Litter, Natalia Quici Photochemical Advanced Oxidation Processes for Water and Wastewater Treatment // Recent Patents on Engineering. – 2010. – Vol. 4, № 3. – P. 217–241.

18. Xiangxuan Liu, Jiantao Liang, Xuanjun Wang Kinetics and Reaction Pathways of Formaldehyde Degradation Using the UV-Fenton Method // Water Environment Research. – 2011. – Vol. 83, № 5. – P. 418–426.

Сточные воды ряда отраслей промышленности (химической, фармацевтической, металлургической, целлюлозно-бумажной, горно-перерабатывающей и др.) вносят значительный вклад в загрязнение поверхностных и подземных водных объектов фенольными и трудноокисляемыми органическими соединениями. Фенол - потенциально опасное, канцерогенное вещество, представляющее значительную медицинскую проблему, даже при низких концентрациях.

Усовершенствованные окислительные процессы (AOP) играют важную роль в разложении органических веществ, содержащихся в сточных водах в широких пределах концентраций. AOP-процессы генерируют гидроксильные радикалы, которые являются сильными окислителями, способными осуществлять минерализацию широкого спектра органических веществ. Гидроксильный радикал имеет высокий окислительно-восстановительный потенциал (E0 = 2,80 В) и способен реагировать с фактически всеми классами органических соединений . Окисляющие гидроксильные радикалы могут быть инициированы фотолизом в результате фото-Фентон процесса.

Очистка сточных вод от фенольных соединений с использованием усовершенствованных окислительных процессов происходит преимущественно в фотохимических реакторах. Фотохимические реакторы, представляют собой аппараты, в которых осуществляются фотохимические реакции. Но в них не только совершаются превращения, но и протекают сопутствующие процессы массо- и теплообмена и интенсивное движение среды. От правильности выбора типа реактора, его конструкции и режима работы в наибольшей степени зависит эффективность и безопасность процесса очистки .

При использовании фотореакторов для решения различных прикладных задач эффективному облучению в них должны подвергаться большие объемы реагентов.

Важным элементом модуля фотохимической очистки в общей системе локальных очистных сооружений является система дозирования реагентов, катализатора FeCl 3 и перекиси водорода Н 2 О 2 .

Для стабильного функционирования реакторов и повышения эффективности минерализации органических соединений необходима оптимизация процесса очистки с целью определения оптимальных доз реагентов, вводимых в реактор. Оптимизация может быть основана на минимизации затрат, требуемых для осуществления запаса реагентов с учетом экологического регулирования процесса очистки. В качестве экологического регулятора может выступать функция зависимости концентрации органического загрязнителя от параметров процесса (концентраций реагентов и времени УФ-облучения), ограниченная предельно допустимым значением концентрации фенольного соединения. Функция концентрации определяется на основе статистического анализа экспериментальных данных АОР-процесса методом наименьших квадратов (МНК).

Зачастую задача определения параметров регрессионного уравнения методом наименьших квадратов является некорректно поставленной, и использование полученного уравнения при решении задачи оптимизации по определению оптимальных доз реагентов может привести к неадекватным результатам.

Таким образом, целью работы является применение методов регуляризации к построению устойчивой модели зависимости концентрации фенольного соединения от параметров процесса фотохимической очистки и идентификации оптимальных уровней расходов перекиси водорода и хлорида железа (III) при минимизации затрат на реагенты.

Для построения математической модели зависимости снижения концентрации фенольного соединения от параметров АОР-процесса при совместном воздействии перекиси водорода, хлорида железа (III) и ультрафиолетового излучения длиной волны 365 нм на фенольный загрязнитель в водной среде с целью решения задачи оптимизации по идентификации уровней расходов химических реагентов проводились экспериментальные исследования на модельных растворах, содержащих фенольные соединения (бисфенол-А, ВРА), с применением жидкостной и газовой хроматографии. При проведении оптимального планирования эксперимента оценивалось влияние УФ-излучения и окислителей на уровень разложения органического загрязнителя при различных концентрациях ВРА - x1 (50 мкг/л, 100 мкг/л); перекиси водорода H 2 O 2 - x2 (100 мг/л; 200 мг/л) и активатора - хлорида железа (III) FeCl 3 (1; 2 г/л) - x3. Модельный раствор, содержащий ВРА, перекись водорода и FeCl 3 , подвергался воздействию УФ-излучения в течение 2 часов (время облучения t - x4). Пробы отбирались через 1 и 2 часа после облучения, и измерялась остаточная концентрация ВРА (y). Измерения осуществлялись жидкостным хроматографом LC-MS/MS. Продукты полураспада в течение фотодеградации ВРА были определены с помощью газового хроматографа GS-MS .

При реализации процесса фото-Фентона (Fe2+/Н2О2/hν) для минерализации органических загрязнителей в кислой среде при рН = 3, формируется комплекс Fe(OH) 2+ :

Fe 2+ + H 2 O 2 → Fe 3+ + OH ● + OH − ;

Fe 3+ + H 2 O → Fe(OH) 2+ + H + .

Под действием УФ-облучения комплекс подвергается разложению, в результате чего образуются радикал OH● и ион Fe 2+ :

2+ + hν → Fe 2+ + OH ● .

Количественное описание фото-Фентон процесса на макроуровне, применительно к деградации органического загрязнителя в водной среде, можно описать моделью :

где 0 - начальная концентрация органического загрязнителя; 0 , 0 - начальные концентрации, активатора, содержащего ионы железа (II) и перекиси водорода соответственно; k - константа скорости реакции; r - скорость реакции; α, β, γ - порядки реакции по веществам.

При создании математической модели зависимости снижения концентрации фенольного соединения, от факторов процесса фотохимической очистки с участием реагента «фото-Фентона» будем исходить из линейных моделей или моделей, которые можно свести к линейным по коэффициентам с помощью подходящего преобразования, которые могут быть записаны в общем виде следующим образом :

где fi(x1, x2, …, xm) - произвольные функции факторов (регрессоров); β1, β2,…, βk - коэффициенты модели; ε - ошибка эксперимента.

Исходя из закона действующих масс зависимость концентрации фенольного соединения от факторов процесса математически можно представить следующим выражением:

где η - уровень остаточной концентрации BPA в момент времени t, мг/л; x1 - исходная концентрация ВРА, мг/л; x2 - концентрация перекиси водорода, мг/л; x3 - концентрация хлорида железа (III), г/л; x4 - время процесса очистки, ч; β1, β2, β3, β4, β5 - параметры модели.

Коэффициенты в модель (2) входят нелинейно, но при линеаризации путем логарифмировании по натуральному основанию, правой и левой частей уравнения (2), получим

где в соответствии с (1)

Однако при таком преобразовании случайное возмущение (ошибка эксперимента) входит в модель мультипликативно и имеет логнормальное распределение, т.е. , и после логарифмирования это дает

После линеаризации и введения новых переменных выражение (2) примет вид

где предикторные переменные X1, X2, X3, X4 и отклик Y являются логарифмическими функциями:

Y = lny, X1 = lnx1,

X 2 = lnx 2 , X 3 = lnx 3 , X 4 = lnx 4 ;

b0, b1, b2, b3, b4 - параметры модели.

Обычно в задачах обработки данных матрица эксперимента и вектор отклика известны неточно, т.е. с погрешностями, и задача определения регрессионных коэффициентов по методу наименьших квадратов неустойчива к ошибкам в исходных данных . При плохой обусловленности информационной матрицы FTF (F - матрица регрессоров) МНК-оценки обычно неустойчивы. Для преодоления плохой обусловленности информационной матрицы предложена идея регуляризации, обоснованная в работах А.Н. Тихонова .

Применительно к решению регрессионных задач идея регуляризации А.Н. Тихонова интерпретирована А.Э. Хоэрлом как процедура «гребневой регрессии». При использовании метода «гребневой регрессии» для стабилизации МНК-оценок (определяемых b = (FTF)-1FTY) регуляризация связана с добавлением некоего положительного числа τ (параметра регуляризации) к диагональным элементам матрицы FTF .

Выбор параметра регуляризации τ Хоэрл, Кеннард и Белдвин предложили осуществлять следующим образом:

где m - количество параметров (без учета свободного члена) в исходной модели регрессии; SSe - остаточная сумма квадратов, полученная по исходной модели регрессии без корректировки на мультиколлинеарность; b* - вектор-столбец коэффициентов регрессии, преобразованный по формуле

,

где bj - параметр при переменной Xj в исходной модели регрессии, определенный по МНК; - среднее значение j-й независимой переменной.

После выбора величины τ формула для оценки регуляризованных параметров регрессии будет иметь вид

где I - единичная матрица; F - матрица регрессоров; Y - вектор значений зависимой переменной.

Величина параметра регуляризации, определяемая по формуле (4), принимает значение, равное τ = 1,371·10-4.

Регуляризованная модель снижения концентрации фенольного соединения, построенная в системе Statistica с учетом формулы (5), может быть представлена в виде

где С ост и С ВРА - остаточная и начальная концентрации фенольного загрязнителя соответственно, мг/л; - концентрация перекиси водорода, мг/л; СА - концентрация хлорида железа (III), г/л; t - время, ч.

Значения коэффициента детерминации, R 2 = 0,9995, критерия Фишера F = 5348,417, превышающего критическое значение (F кр (0,01; 4,11) = 5,67), характеризуют адекватность регуляризованной модели результатам эксперимента на уровне значимости α = 0,1.

Определение оптимальных удельных значений концентраций химических реагентов (FeCl 3 , H 2 O 2), необходимых для очистки воды, при достижении минимального удельного уровня затрат представляет собой задачу нелинейного (выпуклого) программирования вида (7-9) :

(8)

где f - функция финансовых средств, связанная с запасом химических реагентов f = Z(c2, c3); gi - функция снижения концентрации фенольного соединения в водной среде в процессе физико-химической очистки, g = Cost(с1, c2, c3, t) (функция ограничения); x1, x2,…, xn - параметры процесса; x1 - начальная концентрация фенольного соединения, х1 = c1, мг/л; х2 и х3 ‒ концентрации перекиси водорода и хлорида железа (III) соответственно х2 = c2, мг/л, х3 = с3, г/л; t - время, ч; bi - предельно допустимая концентрация фенольного соединения (ПДК), мг/л.

Функцию финансовых средств, представляющую двухноменклатурную модель затрат, связанную с запасом перекиси водорода и хлорида железа (III), с учетом формулы Вильсона можно представить в виде

(10)

где Z(c2, c3) - удельные суммарные затраты, связанные с запасом, руб.; A - удельные накладные затраты одной общей поставки, руб.; c2 - удельное потребление перекиси водорода, мг/л; c3 - удельное потребление хлорида железа, г/л; I1, I2 - удельные тарифы затрат на хранение перекиси водорода и хлорида железа (III) соответственно, руб.; m1, m2 - доля цены продукции, приходящаяся на затраты на выполнение одного заказа по перекиси водорода и хлориду железа (III) соответственно; i1, i2 - доля цены продукции, приходящаяся на затраты на содержание запаса по перекиси водорода и хлориду железа (III) соответственно; k2, k3 - удельная закупочная цена единицы запаса перекиси водорода (руб./мг) и хлорида железа (III) (руб./г) соответственно.

Для решения системы (7)-(9) вводится набор переменных λ1, λ2, …, λm, называемых множителями Лагранжа, составляют функцию Лагранжа:

,

находятся частные производные и и рассматривается система n + m уравнений

(11)

c n + m неизвестными x1, x2, ..., xn; λ1, λ2, ..., λm. Всякое решение системы уравнений (11) определяет условно-стационарную точку, в которой может иметь место экстремум функции f(x1, x2, ..., xn). При соблюдении условий Куна ‒ Таккера (12.1)-(12.6) точка является седловой точкой функции Лагранжа, т.е. найденное решение задачи (7)-(9) оптимально :

Задача идентификации оптимальных параметров процесса очистки промышленных сточных вод от фенольных соединений при достижении минимального уровня текущих удельных затрат, необходимых для обесфеноливания вод, решалась при следующих исходных данных: начальная концентрация фенольного загрязнителя в сточных водах 0,006 мг/л (6ПДК); время очистки, определенное технологическим процессом, - 5 суток (120 часов); предельно допустимая концентрация загрязнителя 0,001 мг/л (b = 0,001); удельная закупочная цена единицы запаса по перекиси водорода 24,5·10 ‒6 руб./мг (k2 = 24,5·10 ‒6), по хлориду железа (III) 37,5·10 ‒3 руб./г (k3 = 37,5·10 ‒3); доля цены продукции, приходящаяся на затраты по содержанию запаса по перекиси водорода и хлориду железа, равна соответственно 10 % (i = 0,1) и 12 % (i = 0,12); доля цены продукции, приходящаяся на затраты по выполнению заказа по перекиси водорода и хлориду железа 5 % (m1 = 0,05) и 7 % (m2 = 0,07) соответственно.

Решая задачу (7)-(9) в системе MathCad, получаем точку X* с координатами

(с2*, с3*, λ*) = (6,361∙103; 5,694; 1,346·10 4),

в которой соблюдаются условия Куна - Таккера (12.1)-(12.6). Существует точка, принадлежащая области допустимых решений, в которой выполняется условие регулярности Слейтера:

Сost(c2°, c3°) = Сost (10 3 ,1) = - 7,22·10 -9 < 0.

Вид условно-стационарной точки определялся в соответствии с критерием Сильвестра применительно к матрице Гессе функции Лагранжа:

В соответствии с критерием Сильвестра матрица L является ни положительно, ни отрицательно определенной (полуопределенной) (Δ 1 = 4,772·10 -8 ≥ 0; Δ 2 = 6,639·10 -9 ≥ 0; Δ 3 = ‒5,042·10 -17 ≤ 0).

Из выполнения условий Куна - Таккера, регулярности Слейтера и на основе исследования знакоопределенности матрицы Гессе функции Лагранжа в условно-стационарной точке следует, что точка (6,361∙10 3 ; 5,694; 1,346·10 4) является седловой точкой функции Лагранжа, т.е. оптимальным решением задачи (7)-(9).

Таким образом, для снижения уровня фенолов в промышленных сточных водах с 0,006 мг/л (6 ПДК) до предельно допустимого (0,001 мг/л), потребуются удельные текущие затраты в размере 1,545 руб./л. Данное значение удельных затрат является минимальным при использовании в процессе очистки оптимальных удельных уровней расхода перекиси водорода 6,361·10 3 мг/л и хлорида железа (III) 5,694 г/л.

Методом множителей Лагранжа для технико-экономических условий (с 1 = 0,006 мг/л; t = 120 ч; b = 10 -3 мг/л; k 2 = 24,5·10 -6 руб./мг, k 3 = 37,5·10 -3 руб./г; i 1 = 10 %, i 2 = 12 %; m 1 = 5 %, m2 = 7 %) решена задача определения оптимальных удельных значений ингредиентов, используемых в качестве окислителей в фотокаталитическом процессе разложения фенольного соединения, содержащегося в промышленных сточных водах до уровня ПДК.

Идентифицированная регуляризованная математическая модель, устанавливающая зависимость уровня снижения концентрации фенольного соединения в водной среде от параметров процесса фотохимической очистки, обладает лучшими прогнозными свойствами, чем модель, определяемая по методу наименьших квадратов. С использованием полученной регуляризованной математической модели методом множителей Лагранжа решена задача математического программирования по определению оценок оптимальных удельных уровней расхода химических реагентов (FeCl 3 , H 2 O 2), являющихся устойчивыми решениями.

Рассмотренный подход к идентификации оптимальных параметров процесса фотохимической очистки с применением регуляризации позволит обеспечивать эффективное управление очисткой сточных вод от фенольных соединений.

Рецензенты:

Яшин А.А., д.т.н., д.б.н., профессор кафедры «Общая патология» Медицинского института, ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет», г. Тула;

Короткова А.А., д.б.н., профессор, заведующая кафедрой биоэкологии и туризма, ФГБОУ ВПО «Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого», г. Тула.

Работа поступила в редакцию 16.02.2015.

Библиографическая ссылка

Шейнкман Л.Э., Дергунов Д.В., Савинова Л.Н. ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ФОТОХИМИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ПРОМЫШЛЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД ОТ ФЕНОЛЬНЫХ ЗАГРЯЗНИТЕЛЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ РЕГУЛЯРИЗАЦИИ // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 4. – С. 174-179;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=37143 (дата обращения: 17.09.2019). Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»

Эпов А.Н. гл. технический специалист

Канунникова М.А. канд. техн. наук,
директор направления «Водоснабжения
и водоотведения» ООО «Домкопстрой»

Наиболее сложной системой управления в очистке сточных вод является управление сооружениями биоочистки с удалением азота и фосфора. В отличие от начала внедрения этих технологий в России в середине - конце 90-х годов, сейчас для реализации данной системы имеется широкий выбор надежных датчиков и контроллеров, позволяющих реализовывать практически любые идеи по автоматизации управления процессами. Благодаря современному оборудованию основные проблемы по созданию систем управления процессом биологической очистки с совместным удалением азота и фосфора в основном решены. С другой стороны, определение конфигурации системы АСУТП для таких технологий в практике проектирования до сих пор является проблемой и предметом совместного творчества проектировщика-технолога, проектировщика АСУ и специалистов заказчика. Решение о конфигурации и объеме системы АСУТП для современных сооружений биологической очистки принимается индивидуально для каждого конкретного проекта. Анализ проектов показывает, что системы управления проектируются как с избыточной сложностью, так и с недостаточной оснащенностью для поддержания технологического процесса.

В ранних редакциях СНиП для принятых в те годы технологий существовали основные рекомендации по объему и конфигурации систем АСУТП. Конечно, сейчас для автоматизации процессов биоочистки они значительно устарели. Можно ли определить типовой состав системы АСУТП для современных станций очистки сточных вод и тем самым избежать ошибок уже на начальной стадии разработки проекта? В зарубежной практике для выполнения таких решений используется опыт работы десятков действующих станций. Подобный подход требует значительных инвестиций в научный анализ при эксплуатации очистных сооружений с биологическим удалением азота и фосфора. В России количество сооружений, построенных по современным технологиям биоочистки, существенно меньше, чем в Европе и ряде других стран. Отсутствует целенаправленное финансирование в изучение их работы, что заставляет искать иные способы для проработки оптимальных решений.

Наилучшим вариантом, предназначенным для реализации таких задач, является математическое моделирование процессов очистки сточных вод и системы АСУТП. Применение данного метода проектирования на базе программного комплекса GPS-X совместной работы системы автоматизации и объектов очистных станций при осуществлении проектов позволяет провести подробную разработку системы, уменьшает сроки пусконаладочных работ и повышает работоспособность системы АСУТП. Это наиболее прогрессивный и эффективный метод, с помощью которого можно проанализировать работоспособность и достаточность предлагаемых решений, определить расстановку датчиков с использованием имитационной модели, выбрать оптимальный вариант схемы и установить алгоритм управления.

Математическое моделирование достаточно широко применяется в России последние 10 лет. C использованием программного комплекса GPS-X при участии авторов были проведены работы по проектированию и анализу эксплуатации свыше 20 станций очистки сточных вод общей производительности более 6 млн м3/сутки.

Накопленный опыт в применении данных методов расчета сооружений с использованием математического моделирования и анализ его результатов позволяет определить состав и предпочтительные схемы управления для процессов биологической очистки и обработки осадка.

Цель, метод и основные правила управления

При разработке типовых решений системы АСУТП биологической очистки следует разделять цели управления и методы реализации.

Цель управления - поддержание определённого показателя на заданном уровне или в заданном диапазоне. Цель диктуется биологией процесса, требованиями к очищенной воде и его экономикой.

Метод реализации - каким образом и где измерять заданную величину, и какими технологическими воздействиями поддерживать. Метод определяется конструктивным оформлением процесса.

Основные цели управления для поддержания процесса совместного биологического удаления азота и фосфора были полностью сформулированы в 2002 г. в руководстве по проектированию и эксплуатации станций с биологическим удалением фосфора . Эти рекомендации использовались в качестве базовых при математическом моделировании систем управления станций с биологическим удалением азота и фосфора. Анализ выполненных работ по моделированию позволяет определить основные правила, соблюдение которых обеспечивает получение оптимальных по конфигурации систем управления процессом.

Правило № 1 - для стабильного удаления фосфора необходим контроль процесса удаления азота. Цели контроля:

защитить анаэробную зону от попадания нитратов;

максимально удалить нитратный азот, обеспечив совместную денитрификацию и дефосфатацию.

В основе данного правила заложено использование легко окисляемой органики фосфатаккумулирующими микроорганизмами (ФАО) и гетеротрофами в анаэробных и аноксидных условиях.

Современные представления о биохимии процесса использования легко окисляемой органики и энергии полифосфатных связей в анаэробных и аноксидных условиях, используемых в современных математических моделях, представлены на рис. 1.

Ферментируемые легко окисляемые вещества (растворенное биоокисляемое ХПК) в анаэробных условиях гидролизуется с производством летучих жирных кислот (ЛЖК), при этом происходит рост факультативно аэробных микроорганизмов гидролиза и ацидофикации. Произведённые в результате гидролиза и присутствующие в воде ЛЖК (ацетата и пропионата) используются ФАО для накопления внутреннего резерва питательных веществ в виде биополимеров РНА. Для баланса степени окисления используемых ЛЖК и запасаемых субстратов используется гликоген. В качестве источника энергии - макро энергетические связи в полифосфатах. В этом процессе используется максимум ЛЖК, накапливается максимум РНА и выделяется максимум полифосфатов.

В присутствии связанного кислорода в нитритах и нитратах ферментируемая органика и часть ЛЖК используются гетеротрофными микроорганизмами в процессе денитрификации. ФАО микроорганизмы также взаимодействуют ЛЖК, но вместо использования гликогена и энергии полифосфатов часть ЛЖК окисляются с использованием связанного кислорода.

В результате резко снижается накопление запасаемых биополимеров микроорганизмами ФАО и выделение фосфора в анаэробной зоне. Из-за этого значительно падает эффективность удаления фосфора - меньше субстрата для роста ФАО в присутствии кислорода и отсутствует необходимость восстанавливать концентрацию полифосфатов в их клетках.

При поступлении нитратов и нитритов в анаэробную зону сначала происходят процессы, характерные для аноксидных условий, а затем при снижении концентрации связанного кислорода до минимума - процессы, характерные для анаэробных условий. Таким образом, эффективность накопления запасаемых биополимеров и выделение фосфора зависят от соотношения массы поступающих легко окисляемых
веществ и массы поступающего связанного кислорода.

Это хорошо подтверждается данными, полученными при обследовании и моделировании городских очистных сооружений г. Якутска (рис. 2). Масса поступающего связанного кислорода пропорциональна концентрации нитратов в конце зоны денитрификации, откуда направляется рецикл ила в анаэробную зону. Ограничение концентрации нитратов, поступающих в анаэробную зону, на уровне около 1 мг/л позволяет добиться высокого выделения в ней фосфора. Также следует отметить, что денитрификация до данного уровня протекает без снижения скорости процесса.

Правило № 2 - контроль качества очищенной воды проводится по показателям концентрации аммонийного азота. Для контроля нитрификации необходим оптимальный кислородный режим и возраст ила.

Концентрация растворенного кислорода и концентрация аммонийного азота наряду с органическими и неорганическими ингибиторами оказывают решающее влияние на скорость роста микроорганизмов нитрификаторов как первой, так и второй фазы нитрификации.
Контроль концентрации растворенного кислорода - наиболее распространенный параметр при построении схем АСУТП. Цели контроля:

обеспечить требуемую глубину очистки по БПК и азоту аммонийному;

избежать перерасхода энергии на аэрацию.

Оптимальная концентрация растворенного кислорода для процесса нитрификации определена как по литературным данным, так и экспериментально - рис. 3. Во всех случаях повышение концентрации кислорода выше оптимальной не ведет к улучшению нитрификации, а только вызывает перерасход воздуха .

Возраст ила является ключевым фактором во всех методиках расчета сооружений с биологическим удалением азота и фосфора и при эксплуатации сооружений .

В современных моделях различают следующие показатели возраста ила:

Аэробный возраст ила эта величина определяет допустимые скорости роста микроорганизмов нитрификации первой и второй фазы.
Определяется как отношение массы ила, находящейся в аэробных условиях, к массе выводимого из сооружений ила. Меньшие значения возраста принимаются при концентрациях аммонийного азота от 1 мг/л в отсутствии жёсткого нормирования по нитритам. Для достижения более глубокой нитрификации принимаются большие значения возраста ила. Также увеличение или уменьшение возраста ила связано с изменением температуры стока и наличием ингибиторов нитрификации. На рис. 4 представлена зависимость аэробного возраста ила от температуры при полной нитрификации, а также возраст ила, необходимый для начала процесса нитрификации в аэротенках.

Анаэробный возраст ила отвечает за рост микроорганизмов гидролиза и ацидофикации, происходящих в анаэробных условиях. В зависимости от необходимости получать дополнительные ЛЖК в анаэробной зоне возраст анаэробного ила составляет от 1-х до 3-х суток. Определяется как отношение массы ила в анаэробной зоне к общей массе выводимого ила.

Общий возраст ила определяет соотношение видов биомассы в биоценозе и глубину самоокисления ила. Общий возраст ила определяется как отношение массы ила во всех зонах аэротенка (анаэробной, аноксидной и аэробной) к массе выводимого с приростом ила. В каждом случае в процессе существует оптимальный возраст ила. Уменьшение общего возраста ила не позволяет получить оптимальные аэробный и анаэробный возраст ила и осуществлять процессы денитрификации. Увеличение возраста приводит к развитию процессов автолиза ила и снижению эффективности удаления фосфора (рис. 5 и рис. 6).

Приоритетность целей управления

Поскольку рассмотренные цели управления могут противоречить друг другу при работе конкретной станции, при проектировании системы управления надо определить приоритеты.

Приоритетность целей управления показана на рис. 7 и объясняется следующим образом:

. восстановление нитрификации связано с ростом нитрификаторов и может занимать до двух недель. Действия системы управления ни в коем случае не должны приводить к потере нитрифицирующих микроорганизмов. В зарубежной практике, в том числе в рекомендациях по расчёту аэротенков ATV при неблагоприятных условиях (к примеру, сезонном снижении температуры стоков) рекомендуется предусматривать возможность увеличения аэробного объема аэротенков за счет зоны денитрификации;
. восстановление денитрификации связано с перестройкой ферментативной системы и занимает от нескольких минут (переключение на другой фермент в дыхательной цепи) до нескольких часов (синтез ферментов). Следует учитывать, что при нарушении или недостаточном времени денитрификации растет концентрация нитратов в очищенной воде.
Величина концентрации азота нитратов в очищенной воде технологически может корректироваться только при наличии специальных сооружений доочистки. Поэтому при необходимости допускается при неблагоприятных условиях использовать для денитрификации часть или всю анаэробную зону аэротенка;
. восстановление удаления фосфора связано как с перестройкой ферментативной системы, так и с ростом ФАО. Восстановление процесса занимает от нескольких минут (переключения в ферментативной системе) до суток (рост концентрации ФАО в биоценозе). Концентрация фосфора легко корректируется реагентом как на стадии биологической очистки, так и при доочистке, поэтому временная потеря эффективности дефосфатации при управлении дозированием реагента не ведет к ухудшению качества очищенной воды.

Методы реализации управления

Рассмотрим, какими методами может быть реализована система управления, решающая поставленные цели, на примере схемы биологической очистки стоков с применением процесса UCT.

На рис. 8 представлена принципиальная схема процесса UCT в наиболее полном варианте реализации, включающая анаэробную зону, аноксидную зону, зону с переменным режимом (можно поддерживать различные условия - аэробные, аноксидные или периодической аэрации), аэробную зону и вторичный отстойник. Первая цель - ограничить массу азота нитратов (и нитритов) Q2CNO3 так, чтобы она была значительно меньше массы поступающих органических веществ Q1C1. Основной проблемой в этом случае является вопрос, чем померить это соотношение. Здесь, на первый взгляд, напрашиваются два варианта:
1) Измерить концентрации поступающего азота нитратов и растворенных органических или растворенных биоокисляемых веществ. Для реализации такого подхода потребуется измерять два расхода, концентрацию азота нитратов и концентрацию растворенных органических веществ химическими или биохимическими методами. Такое измерение возможно, но система получится достаточно сложной и дорогой.
2) Поскольку мы ограничиваем влияние азота нитратов - измерять их концентрацию в анаэробной зоне. Здесь надо учитывать, что при низких концентрациях азота нитратов он является лимитирующим фактором процесса денитрификации (как акцептор электронов аналогично кислороду в аэробных процессах). Следовательно, остаточная концентрация азота нитратов будет подчиняться уравнению Моно. Т.е. при низких концентрациях азота нитратов они практически не удаляются вследствие падения скорости реакции. В результате при низких концентрациях (по результатам моделирования - менее 0,1 мг/л) азота нитратов в анаэробной зоне возможны два варианта:
. низкая концентрация достигнута в результате малой массы азота нитратов, поступающей в анаэробную зону;
. низкая концентрация достигнута в результате удаления азота нитратов в анаэробной.

Таким образом, измерение окажется малочувствительным.

В руководстве по проектированию и эксплуатации станций с биологическим удалением фосфора отмечалось, что при контроле удаления азота одним из полезных измерений является измерение окислительно-восстановительного потенциала Еh. Величина Еh (при постоянном рН) определяется балансом окислителей и восстановителей в растворе, т.е. способностью принимать или отдавать электроны, а также характером окислителя и восстановителя. Величина Еh существенно падает при изменении окислителей в следующем порядке - растворенный кислород - нитриты и нитраты - сульфаты. Таким образом, использование датчика Еh позволяет оценить роль нитритов и нитратов в процессах, происходящих в анаэробной зоне, и соотношение окислителя и органики.

Поэтому использование Еh для контроля анаэробной зоны является достаточно простым и надежным методом.

Для того, чтобы поддерживать оптимальную величину Еh, в рассматриваемой технологии возможно управлять расходом Q2 и концентрацией нитратов CNO3.

Управление расходом реализуется достаточно просто за счет применения насоса с использованием частотных регуляторов, и, как правило, используется во всех схемах с процессами на основе UCT, однако это влияет на диапазон регулирования (ограничено в интервале ±30 %). Уменьшать величину расхода рецикла меньше нерационально, так как это противоречит основной задаче данного рецикла - подаче активного ила в анаэробную зону. Увеличивать более тоже нецелесообразно, так как с увеличением расхода растет не только масса подаваемого ила, но и снижает ся время нахождения в анаэробной зоне.

Для того, чтобы управлять концентрацией нитратов CNO3, есть несколько вариантов. Первый вариант - управлять массой поступающего азота в рецикле денитрификации Q4CNO3 выход за счет изменения расхода Q4. Данный принцип управления наиболее легко реализуем - концентрация нитратов измеряется непосредственно в конце зоны денитрификации, а насос регулируется частотным регулятором. Управление данным рециклом применяется в большинстве схем с удалением азота и совместным удалением азота и фосфора. Регулирование данного рецикла технически ограничено возможностями совместной работы насоса и частотного регулятора, а технологически - достижением необходимой концентрации нитратов в очищенной воде.

Аналогично массой поступающего азота Q3CNO3выход можно управлять за счет изменения расхода Q3. Данный вид управления сложней, та как, как правило, расход возвратного ила регулируется не насосом, а водосливами на камерах возвратного ила, а насос вторично регулируется по уровню в резервуаре. Также данный вид регулирования технически ограничен повышением уровня стояния ила во вторичном отстойнике LeSL (см. рис. 8) при снижении расхода рецикла. Такое регулирование применяется в технологических схемах, создаваемых на основе процесса MUCT4 - с выделением отдельной зоны денитрификации возвратного ила. При этом желательно отслеживать уровень стояния ила во вторичных отстойниках.

Другим вариантом управления массой азота, поступающей в денитрификатор (Q3 + Q4)∙CNO3выход, является регулирование концентрации азота нитратов в очищенной воде. Такой метод регулирования применяется, как правило, совместно с регулированием расхода рецикла денитрификации, при наличии зон с переменным режимом. Для регулирования нитри-денитрификации в зонах с переменным режимом используется расход воздуха Qair1.

Снижение концентрации растворенного кислорода до уровня одновременной нитри-денитрифкации или периодическое отключение подачи воздуха происходит всегда с обратной связью по концентрации азота аммонийного NH4, чтобы не нарушить процесс нитрификации. При этом обязательно вносится поправка в расчет аэробного возраста.

Для зон с периодической аэрацией аэробный возраст рассчитывается как:

где TA/TD отношение времени аэрации и денитрификации;
W - объем зоны аэротенка, м3;
ai - доза ила, г/л;
ar - доза ила в возвратном иле, г/л;
qi - расход избыточного ила, м3/сутки.

Аэротенки «карусельного» типа

В некоторых проектах для организации процесса нитри-денитрификации используются аэротенки с «карусельным» принципом перемешивания. В этом случае при организации регулирования следует различать два принципиально разных случая.

Первый случай - «короткая карусель» (рис. 9). Если на выходе из системы аэрации поддерживается концентрация растворенного кислорода, оптимальная для процесса нитрификации, то за время прохождения потока от выхода из системы аэрации до возвращения, концентрация растворенного кислорода не успевает снизиться до уровня прохождения процессов денитрификации. При этом справедливо:

где L - длина пробега от конца до начала аэрационной системы (м), v - скорость движения воды в «карусели» (м/сек), CO2 - концентрация
кислорода после аэрационной системы (мг/л), OUR - средняя скорость потребления кислорода (мгО2/г СВ в сек), ai - доза ила (г/л).
В среднем длина пробега для потери кислорода составляет 50 м.
Такие сооружения оптимально работают в режиме периодической аэрации, который контролируется по датчикам растворенного кислорода и азота аммонийного. По концентрации азота аммонийного происходит включение/выключение подачи воздуха.

Принципиально другим случаем является «длинная карусель» (L/v››CO2 / (OUR∙ai), когда время пробега позволяет снизить кислород до оптимума денитрификации и выделить в «карусели» зону денитрификации в пространстве (рис. 10).

В этом случае можно регулировать протяжённость зоны денитрификации, т.е. устраивать зону с переменным режимом в «карусели». Управление зоной переменного режима осуществляется по общему принципу - включение/выключение подачи воздуха Qair1 осуществляется по датчику азота аммонийного. При включенной системе аэрации концентрация кислорода поддерживается на оптимуме нитрификации по датчику кислорода О2(1). Подача воздуха в часть карусели, которая всегда аэробна, производится по датчику кислорода О2(2), расположенному в конце аэробной зоны и обеспечивающему начало процесса денитрификации в точке подачи стока.

Поддержание концентрации растворенного кислорода в аэрируемых зонах

Поддержание концентрации растворенного кислорода в аэрируемых зонах может происходить с использованием разных алгоритмов.
Рассмотрим подробнее их достоинства и недостатки.
Прямое регулирование расхода воздуха представлено на рис. 11.
Это самый простой в осуществлении алгоритм регулирования. Такое регулирование может осуществляться непосредственно от встроенных контроллеров приборов определения концентрации растворенного кислорода. Данный метод имеет следующие ограничения:
. Нет защиты по минимальному расходу воздуха - при снижении расхода может быть нарушена минимальная интенсивность аэрации с расслоением иловой смеси и выпадением ила на дно аэротенка.
. Нет защиты по максимальному расходу воздуха - при увеличении расхода воздуха возможны длительные перегрузки аэрационной системы.
. Нет обратной связи по азоту аммонийному.

Данный метод рекомендуется для дополнительного регулирования расхода воздуха в отдельных аэрируемых зонах по длине аэротенка, он неприменим для зон с переменным режимом и при регулировании всей системы аэрации задвижкой на главном воздуховоде, так как может приводить к нарушениям технологии очистки и снижению срока службы аэрационной системы.

Второй метод управления - однокаскадный алгоритм управления расходом воздуха (рис. 12). В этом случае по результату сравнения заданной и текущей концентрации кислорода рассчитывается новое значение расхода воздуха, которое поддерживается задвижкой по расходомеру.

Такой алгоритм регулирования значительно надежней и является основным, принимаемым для управления расходом воздуха, в том числе и одной задвижкой на главном воздуховоде.

В данном случае можно поддерживать как минимальный, так и максимальный расход воздуха, обеспечивая минимальную интенсивность аэрации и предотвращая перегрузки системы аэрации. Отсутствует только связь с концентрацией азота аммонийного.

При необходимости использования сигнала датчика азота аммонийного используется наиболее сложный двухкаскадный алгоритм регулирования (рис. 13).

В этом случае к регулированию расхода воздуха по предыдущему принципу добавляется изменение «уставки» по растворенному кислороду по результатам измерения концентрации азота аммонийного. Это самый сложный алгоритм управления и самый дорогой по приборному обеспечению. Его рекомендуется применять в зонах с переменным режимом для получения наиболее глубокой денитрификации при сохранении качества очистки по азоту аммонийному.

Управление возрастом ила

Управление возрастом ила - процесс медленный, который, в принципе, может осуществляться как системой автоматики, так и оператором. При поддержании возраста наиболее важен рассчитываемый при моделировании так называемый «динамический возраст ила» - средняя величина за последний интервал времени, соответствующий величине расчетного возраста. На многих действующих станциях контроль возраста ила не ведется или ведется неправильно, так как определения прироста рассчитывается по различным формулам (часто устаревшим).

Концентрация ила в иловом рецикле со вторичных отстойников исходя из баланса масс может быть рассчитана:

Для сооружений, где весь активный ил подается в голову аэротенков, текущая величина возраста ила может быть рассчитана следующим образом:

где SAт - общий возраст ила, Waт - общий объем аэротенка, Qi - расход избыточного ила, Ri - коэффициент рециркуляции ила.

При наличии анаэробной зоны, куда подается ил из зоны денитрификации, доза ила в ней меньше и зависит от коэффициента рециркуляции в анаэробную зону. В этом случае доза ила в анаэробной части рассчитывается:

где: aan- доза ила в анаэробной части сооружения, ai - доза ила в аноксидной и аэробных зонах, Ra - коэффициент рециркуляции в анаэробную зону.

Тогда общий возраст ила в таких сооружениях:

Такой метод расчета возраста учитывает только значения расходов и значительно проще реализуется при автоматизации управления.

Пример схемы управления для очистных сооружений

В заключение рассмотрим схему управления двух коридорным аэротенков с применением процесса UCT, разработанную с применением описанных принципов для очистных сооружений г. Киров (рис. 14).

Ограничение массы поступающих в анаэробную зону нитратов достигается за счет регулирования расхода рецикла в анаэробную зону по датчику Еh и за счет регулирования рецикла денитрификации по датчику азота нитратов NO3 в зоне денитрификации. Предусмотрено автоматическое регулирование «уставки» NO3 при невозможности достижения заданного диапазона величины Еh путем регулирования рецикла в анаэробную зону. Для использования анаэробной зоны в качестве денитрификатора в неблагоприятных условиях предусмотрено введение оператором более высокой «уставки» Еh.

Общее регулирование концентрации растворённого кислорода происходит по двухкаскадному принципу от кислородного датчика О2 и расходомера воздуха Qair общей задвижкой на воздуховоде. Достижение постоянной концентрации кислорода по длине аэротенка обеспечивается изменением плотности раскладки аэраторов. Поскольку в начале аэробной зоны колебания расхода при соблюдении заданной концентрации менее выражены, для корректировки расхода воздуха в этой зоне используется однокаскадный принцип регулирования с дополнительным датчиком кислорода.

Вычисление величины возраста ила происходит автоматически по описанному принципу за счет измерения расходов. Корректировка массы выводимого ила и оптимума возраста должна производиться оператором.

Выводы

Применение математического моделирования позволяет определить основные принципы конструирования систем автоматического управления аэротенками с биологическим удалением азота и фосфора.

Для контроля процесса удаления фосфора необходимо минимизировать влияние нитратов, поступающих с рециркуляционными потоками в анаэробную зону, для чего контролируется масса азота нитратов в рециркуляционных потоках. Основным методом контроля массы азота нитратов, поступающего в анаэробную зону, является контроль процесса денитрификации путем изменения рециркуляционных расходов
и кислородного режима в зонах с переменным режимом.

Контроль процесса в анаэробной зоне рационально проводить по датчику окислительно-восстановительного потенциала.

Для поддержания процесса нитрификации следует контролировать кислородный режим и аэробный возраст ила.

При построении системы следует придерживаться следующих приоритетов: сохранение процесса нитрификации, сохранение процесса денитрификации и лишь затем - биологическое удаление фосфора.

Полная автоматизация процессов водоочистки

Одно из ключевых преимуществ оборудования компании «Осмотикс» – это полная автоматизация процессов очистки.

Полная автоматизация процессов очистки сточных вод – участие человека сведено к минимуму.

Установка очистки управляется промышленным контроллером и функционирует в автоматическом режиме. Все происходящие процессы контролируются и управляются автоматически. Участие человека в работе системы сведено к минимуму.

Для автоматизации очистки стоков «Осмотикс» используются современные промышленные программируемые логические контроллеры производителей Schneider Electric, Omron. На базе данных систем строится отказоустойчивая система управления, в которой предусмотрена обработка аварийных ситуаций, дублирование управляющих сигналов, а так же блокировки, не позволяющие процессу выйти из предела значений, безопасного для обслуживающего персонала и эксплуатации оборудования.

Контроллер по заданному программистами алгоритму выдает управляющие сигналы на блоки управления оборудованием: частотные регуляторы, контакторы, реле и собственные блоки управления оборудования.

На оператора возлагается лишь принятие наиболее важных решений. Для работы оператора существует удобная система управления установкой, позволяющая настраивать ее работу, менять параметры процесса, следить за его состоянием.

Все параметры выводятся на экран управления и доступны оператору в любое время, хотя в автоматическом режиме его вмешательства и не требуется.

На экране управления представлены все основные показатели процесса, а так же выводятся предупредительные и аварийные сигнализации. При срабатывании критических аварийных сигнализаций контроллер автоматически скорректирует режим работы установки для недопущения аварийной ситуации.

Обратная связь с установкой происходит с помощью возвращаемых блоками управления оборудованием сигналов о работе или аварии, а так же с помощью показаний датчиков, передаваемых на контроллер с помощью электрических сигналов.

Создаваемые нами системы автоматизации позволяют с помощью различных интерфейсов, таких как RS-233, ModBus, или единичных электрических сигналов выдавать на системы управления заказчика данные о состоянии работы установки.
Так же существует возможность передачи данных по GPRS каналу на удаленные расстояния. Эти средства позволяют вести удаленный мониторинг и архив режимов работы установки за длительный промежуток времени.

Также ведется автоматическая отчетность, все параметры эксплуатации очистных сооружений «Осмотикс» доступны в виде журнала и при необходимости могут быть распечатаны, что удобно для отслеживания изменений в составе стоков и анализа работы оборудования.

Способ относится к области автоматизации процессов очистки сточных вод, в частности для очистки стоков промышленных предприятий. Способ включает нейтрализацию стоков подачей либо раствора кислоты, либо раствора щелочи для достижения заданного значения рН. Раствор кислоты или раствор щелочи подают в накопитель промышленных стоков. Стоки в зависимости от их концентрации поступают или в электрокоагулятор или в гальванокоагулятор для очистки. Регулирование качества очистки в электрокоагуляторе осуществляется регулированием тока в зависимости от электропроводности стоков. После этого проводят процесс осаждения посредством перетекания стоков из отстойника в отстойник при помощи электрических задвижек. Для ускорения процесса осаждения подают полиакриламид, нерастворенный осадок пропускают через фильтры очистки от соли и фильтры тонкой очистки, затем обезвоживают, а чистые стоки поступают в линию гальванического покрытия. Данный способ позволяет повысить качество очистки промышленных стоков для использования последних в оборотном цикле. 1 ил.

Изобретение относится к области автоматизации процессов очистки сточных вод, в частности для очистки стоков промышленных предприятий.Известен способ автоматического управления процессом коагуляции путем одновременного регулирования расхода кислоты и коагулянта в реактор и контроля цветности воды, при этом одновременно расход коагулянта регулируют в зависимости от цветности воды на выходе реактора и расход кислоты в зависимости от значения рН воды на выходе реактора (SU 1655830 A1, 15.06.1991).Однако этим способом не достигается полное осаждение ионов, что снижает качество очистки.Известен способ автоматического управления процессом очистки стоков промышленных предприятий, включающий измерение рН очищенной воды, регулирование расхода потока в аппарат, при этом измеряют окислительно-восстановительный потенциал очищенной воды, формируют сигнал установки регулятора, сравнивают его с заданным значением произведения, в результате чего формируют сигнал рассогласования и осуществляют регулирование расхода стоков промышленных предприятий при помощи регулятора через аппарат очистки в зависимости от величины рассогласования экспериментально установленной зависимости (RU 2071951 С1, 20.01.1997).Недостатком данного способа является невысокое качество очистки промышленных стоков, невозможность использования их в обратном цикле.Технический результат, достигаемый при реализации данного изобретения, заключается в повышении качества очистки промышленных стоков для использования последних в оборотном цикле.Технический результат достигается тем, что в способе автоматического управления процессом очистки стоков промышленных предприятий, включающем нейтрализацию стоков подачей либо раствора кислоты, либо раствора щелочи для достижения заданного значения рН, согласно изобретению раствор кислоты или раствор щелочи подают в накопитель промышленных стоков, затем стоки в зависимости от их концентрации поступают или в электрокоагулятор или в гальванокоагулятор для очистки, причем регулирование качества очистки в электрокоагуляторе осуществляется регулированием тока в зависимости от электропроводности стоков, после чего проводят процесс осаждения посредством перетекания стоков из отстойника в отстойник при помощи электрических задвижек, для ускорения процесса осаждения подают полиакриламид, нерастворенный осадок пропускают через фильтры очистки от соли и фильтры тонкой очистки, затем обезвоживают, а чистые стоки поступают в линию гальванического покрытия.Сравнение заявляемого изобретения с известными показывает, что применение существующих способов автоматизации не позволяет осуществить очистку сточных вод от ионов тяжелых металлов, что делает невозможным введение очищенных стоков в оборотный цикл предприятия, тогда как в заявляемом изобретении происходит полная очистка сточных промышленных вод, которая ведется ступенчато под контролем различных датчиков, позволяющих на первом этапе нейтрализовать стоки, затем в зависимости от концентрации стоков подвергнуть их электрокоагуляции либо гальванокоагуляции, при этом регулировать качество очистки с помощью переменного электрического тока путем подачи солевого раствора, произвести обезвоживание осадка с последующим его использованием, например, в гальваническом производстве, а отделенную воду использовать в оборотном водоснабжении.Представленная на чертеже схема автоматизации очистки промышленных сточных вод включает: накопитель стоков 1, датчик уровня 2, сигнализатор уровня 3, бак-дозатор кислоты 4, электрическую задвижку 5, бак-дозатор щелочи 6, электрическую задвижку 7, насос подачи стоков 8, электрокоагулятор 9, гальванокоагулятор 10, электрическую задвижку 11, солерастворитель 12, электроблокиратор 13, отстойники 14, бак-дозатор полиакриламида 15, электрозадвижку 16, емкость для очищенных стоков 17, фильтр очистки от соли 18, фильтр тонкой очистки 19, насос подачи очищенных стоков 20, электрозадвижку 21, процессор обезвоживания осадка 22, датчик рН-метра 23, рН-метр регулирующий 24, амперметр постоянного тока 25 выпрямительного агрегата электрокоагулятора, амперметр регулирующий 26, электроды 27, омметр регулирующий 28, датчик уровня 29, сигнализатор уровня 30.Способ реализуется следующим образом.Производственные стоки, например стоки гальванического цеха, подают в накопитель стоков 1. При достижении заданного верхнего уровня в накопителе стоков 1 датчик уровня 2 подает импульс сигнализатору уровня 3, который в свою очередь подает команду на подготовку стоков к очистке с заданным показанием рН. Для этого в накопитель стоков 1 автоматически подается либо раствор кислоты из бака-дозатора 4 посредством электрической задвижки 5, либо раствор щелочи из бака-дозатора 6 посредством электрической задвижки 7. После достижения в накопителе стоков 1 заданного рН, которое фиксируется с помощью датчика рН-метра 23 рН-метром регулирующим 24, рН-метр регулирующий 24 дает команду на включение насоса подачи стоков 8. В зависимости от концентрации стоков последние подают либо в электрокоагулятор 9 (при высокой концентрации), либо в гальванокоагулятор 10 (при средних или низких показателях концентрации), где и происходит очистка стоков. Регулирование качества очистки стоков в электрокоагуляторе осуществляется регулированием тока в электрокоагуляторе путем подачи солевого раствора из солерастворителя 12 в накопитель стоков 1, посредством электрической задвижки 11, управляемой амперметром регулирующим 26, подключенным к выходу амперметра постоянного тока 25 выпрямительного агрегата электрокоагулятора, с целью изменения электропроводности стоков, подающихся в электрокоагулятор 9.Если в процессе очистки значение электрического тока в электрокоагуляторе 9 опускается ниже заданного значения, электрическая задвижка 11 автоматически открывается и ток достигает заданного значения.Если в процессе очистки значение электрического тока в электрокоагуляторе 9 поднимается выше заданного значения, электрическая задвижка 11 автоматически закрывается и ток снижается до заданного значения.Регулирование качества очистки стоков в гальванокоагуляторе осуществляется регулированием подачи стоков в гальванокоагулятор с помощью электрической задвижки 21 в зависимости от концентрации стоков. Контроль и регулирование концентрации стоков в накопителе 1 осуществляется с помощью датчика 27 и омметра регулирующего 28.Для исключения сброса неочищенных стоков из электрокоагулятора 9 в аварийных ситуациях (например, засорение трубопровода при подаче солевого раствора в накопитель стоков 1) включается электроблокиратор 13.В случае, если значение электрического тока в электрокоагуляторе 9 в течение критического времени будет ниже заданного значения, происходит автоматическое отключение насоса подачи стоков 8, при этом загорается аварийное световое табло, подача стоков прекращается.Очищенные стоки из электрокоагулятора 9 и гальванокоагулятора 10 самотеком перетекают в первый отстойник 14, где происходит осаждение нерастворенного осадка. Для ускорения процесса осаждения осадка в первый отстойник 14 из бака-дозатора 15 автоматически подают полиакриламид посредством электронной задвижки 16.Для более полного осаждения нерастворенного осадка предусмотрены 2-й и 3-й отстойники 14, соединенные последовательно между собой.Такая система отстойников позволяет максимально осадить нерастворенный осадок.После проведения процесса осаждения в системе отстойников стоки самотеком поступают в емкость для очищенных стоков 17.Сигнализация уровней в емкости для очищенных стоков 17 осуществляется с помощью датчиков уровня 29 сигнализатором уровня 30.При достижении стоками датчика 29 верхнего уровня в емкости для очищенных стоков 17 происходит автоматическое включение насоса 20, который подает стоки в фильтр очистки от соли 18, а затем в фильтр тонкой очистки 19, откуда чистые стоки поступают в линии гальванического покрытия или в технологические схемы других производств.

Формула изобретения

Способ автоматического управления процессом очистки стоков промышленных предприятий, включающий нейтрализацию стоков подачей либо раствора кислоты, либо раствора щелочи для достижения заданного значения рН, отличающийся тем, что раствор кислоты или раствор щелочи подают в накопитель промышленных стоков, затем стоки в зависимости от их концентрации поступают или в электрокоагулятор, или в гальванокоагулятор для очистки, причем регулирование качества очистки в электрокоагуляторе осуществляется регулированием тока в зависимости от электропроводности стоков, после чего проводят процесс осаждения посредством перетекания стоков из отстойника в отстойник при помощи электрических задвижек, для ускорения процесса осаждения подают полиакриламид, нерастворенный осадок пропускают через фильтры очистки от соли и фильтры тонкой очистки, затем обезвоживают, а чистые стоки поступают в линию гальванического покрытия.

Введение

1. Структура систем автоматического управления

2. Диспетчерское управление

3. Контроль работы очистных сооружений

Библиографический список

Введение

Автоматизация биологической очистки сточных вод - применение технических средств, экономико-математических методов, систем контроля и управления, частично или полностью освобождающих человека от участия в процессах, происходящих в песколовках, первичных и вторичных отстойниках, аэротенках, оксшпенках и др. сооружениях на станции биологической очистки сточных вод.

Главные цели автоматизации систем и сооружений водоотведения состоят в улучшении качества водоотведения и очистки сточной воды (бесперебойность отведения и перекачки сточных вод, качество очистки сточных вод и др.); сокращении эксплуатационных затрат; улучшении условий труда.

Основной функцией систем и сооружений биологической очистки сточных вод является повышение надежности работы сооружений путем контроля состояния оборудования и автоматической проверки достоверности информации и стабильности работы сооружений. Всё это способствуют автоматической стабилизации параметров технологических процессов и показателей качества очистки сточных вод, оперативной реакции на возмущающие воздействия (изменение количества отводимой сточной воды, изменение качества очищенной сточной воды). Оперативное обнаружение способствует локализации и ликвидации аварий и сбоев в работе технологического оборудования. Обеспечение хранения и оперативной обработки данных и представление их в наиболее информативном виде на всех уровнях управления; анализ данных и выработка управляющих воздействий и рекомендаций производственному персоналу координирует управление технологическими процессами, а автоматизация подготовки и обработки документов позволяет ускорять документооборот. Конечной целью автоматизации является повышение эффективности управленческой деятельности.

1 Структура систем автоматического управления

Внутри каждой системы имеются следующие структуры: функциональная, организационная, информационная, программная, техническая.

Основой создания системы является функциональная структура, при этом остальные структуры определяются самой функциональной структурой.

По функциональному признаку каждая системы управления подразделяется на три подсистемы:

· оперативный контроль и управление технологическими процессами;

· оперативное планирование технологических процессов;

· расчет технико-экономических показателей, анализ и планирование работы системы водоотведения.

Кроме того, подсистемы могут быть разделены по критерию оперативности (длительности выполнения функций) на иерархические уровни. Группы однотипных функций одного уровня объединяются в блоки.

Функциональная структура АСУ работы очистными сооружениями приведена на рисунке 1.

Рис.1 Функциональная структура АСУ работы очистными сооружениями

2 Диспетчерское управление

Основные технологические процессы, контролируемые и управляемые диспетчером на сооружениях биологической очистки сточных вод это:

· выгрузка песка из песколовок и сырого осадка из первичных отстойников;

· стабилизация значения рН воды, поступающей в аэротенки, на оптимальном уровне;

· сброс токсичных сточных вод в аварийную емкость и последующая постепенная подача его в аэротенки;

· сброс части потока воды в накопитель или подкачка из него воды;

· распределение сточной воды между параллельно работающими аэротенками;

· распределение сточной воды по длине аэротенка для динамичного перераспределения рабочего объема между окислителем и регенератором с целью накопления ила и повышения среднесуточного качества очищенной воды;

· подача воздуха для поддержания во всем объеме аэротенка оптимальной концентрации растворенного кислорода;

· подача возвратного активного ила для поддержания постоянной нагрузки на ил по органическим веществам;

· выгрузка ила из вторичных отстойников;

· вывод избыточного активного ила из аэротенков для поддержания его оптимального возраста;

· включение в работу насосов и нагнетателей и их выключение для минимизации энергозатрат на перекачку воды, ила, осадка и воздуха.

Кроме того, с контролируемых объектов в диспетчерские пункты передаются следующие сигналы: аварийное отключение оборудования; нарушение технологического процесса; предельные уровни сточных вод в резервуарах; предельная концентрация взрывоопасных газов в производственных помещениях; предельная концентрация хлора в помещениях хлораторной.

Если это возможно, помещения диспетчерских пунктов следует Располагать недалеко от технологических сооружений (насосных станций, воздуходувных станций, лабораторий и т.д.), так как выдача управляющих воздействий производится на различные электронные и пневматические регуляторы или непосредственно на исполнительные механизмы. В диспетчерских пунктах предусматриваться вспомогательные помещения (комнаты отдыха, санузел, кладовая и ремонтная мастерская).

3 Контроль работы очистных сооружений

На основании данных технологического контроля и управления процессами прогнозируют график поступления сточной воды, ее качество и график энергопотребления для минимизации общих затрат на обработку воды. Контроль и управление этими процессами осуществляются с помощью вычислительного комплекса, работающего в режиме либо советчика диспетчера, либо автоматического управления.

Качественный контроль процесса и оптимизированное управление им могут быть обеспечены при измерении таких параметров, как степень токсичности сточной воды для микроорганизмов активного ила, интенсивность биоокисления, БПК поступающей и очищенной воды, активность ила и другие, которые нельзя определить непосредственным измерением. Указанные параметры могут быть определены путем расчета на основании измерения скорости потребления кислорода в технологических емкостях малого объема со специальным режимом нагрузки. Скорость потребления кислорода определяют по времени снижения концентрации растворенного кислорода от максимальных до минимальных заданных значений при отключении аэрации или по уменьшению концентрации растворенного кислорода за заданное время в тех же условиях. Измерение производят в установке циклического действия, состоящей из технологического блока и микропроцессорного контроллера, управляющего узлами измерителя и вычисляющего скорость потребления кислорода. Время одного цикла измерения составляет 10-20 мин в зависимости от скорости. Технологический блок может устанавливаться на мостике обслуживания аэротенка или аэробного стабилизатора. Конструкция обеспечивает работу измерителя на открытом воздухе в зимнее время. Скорость потребления кислорода может определяться непрерывно в реакторах большого объема при пост. подаче активного ила, сточной воды и воздуха. Система снабжена дозаторами с плоской струей производительностью 0,5-2 и 1ч. Простота конструкции и большие расходы воды обеспечивают высокую надежность измерения в производственных условиях. Измерители могут быть использованы для непрерывного контроля нагрузки по органическим веществам. Большую точность и чувствительность измерения скорости потребления кислорода обеспечивают манометрические системы измерения, оборудованные герметичными реакторами, давление в которых поддерживается за счет добавки кислорода. Источником кислорода служит, как правило, электролизер, управляемый импульсной или непрерывной системой стабилизации давления. Кол-во поданного кислорода является мерой скорости его потребления. Измерители этого типа предназначены для лабораторных исследований и систем измерения БПК.

Основное назначение АСУ подачей воздуха - поддержание заданных концентраций растворенного кислорода во всем объеме аэротенка Стабильную работу таких систем можно обеспечить, если использовать для управления сигнал не только кислородомера, но и расхода сточной воды или скорости потребления кислорода в активной зоне аэротенка.

Регулирование систем аэрации позволяет стабилизировать технологический режим очистки и снизить среднегодовые затраты электроэнергии на 10-20%. Доля энергозатрат на аэрацию составляет 30- 50% себестоимости биологической очистки, а удельные энергозатраты на аэрацию изменяются от 0,008 до 2,3 кВт’ч/м.

Типовые системы управления выпуском ила поддерживают заданный уровень раздела ил - вода. Фотодатчик уровня раздела устанавливают у борта отстойника в застойной зоне. Качество регулирования подобных систем может быть улучшено, если применить ультразвуковой сигнализатор уровня раздела сред. Более высокое качество очищенной воды можно получить, если применить для регулирования следящий уровнемер раздела ил - вода.

Для стабилизации илового режима не только отстойников, но и всей системы аэротенк - насосная станция возвратного ила - вторичный отстойник необходимо поддерживать заданный коэффициент рециркуляции то есть, чтобы расход выгружаемого ила был пропорционален расходу поступающей сточной воды. Уровень стояния ила измеряется для косвенного контроля изменения илового индекса или неисправности системы регулирования расхода иловой смеси.

При регулировании сброса избыточного ила необходимо вычислять количество ила, приросшего в течение суток, для удаления из системы только приросшего ила и стабилизации возраста ила. Этим обеспечиваются высокое качество ила и оптимальная скорость биоокисления. Из-за отсутствия измерителей концентрации активного ила эту задачу можно решить с помощью измерителей скорости потребления кислорода, т.к. скорость роста ила и скорость потребления кислорода взаимосвязаны. Вычислительный блок системы интегрирует количество потребления кислорода и количество удаленного ила и 1 раз в сутки корректирует заданный расход избыточного ила. Система может использоваться как при непрерывном, так и при периодическом сбросе избыточного ила.

В окситенках предъявляются более высокие требования к качеству поддержания кислородного режима из-за опасности интоксикации ила при высоких концентрациях растворенного кислорода и резкого снижения скорости очистки при малых концентрациях. При эксплуатации окситенков необходимо управлять как подачей кислорода, так и сбросом отработанных газов. Подачу кислорода регулируют либо по давлению газовой фазы, либо по концентрации растворенного кислорода в активной зоне. Сброс отработанных газов регулируют либо пропорционально расходу сточной воды, либо по концентрации кислорода в обработанном газе.

Библиографический список

1. Воронов Ю.В., Яковлев С.В. Водоотведение и очистка сточных вод/ учебник для ВУЗов: – М.: Издательство Ассоциации строительных вузов,2006 – 704с.