Главная страница
Сведения об авторах

ОПТИМАЛЬНІ СХЕМИ ВОДООЧИЩЕННЯ У ШЛЯХОБУДІВНИЦТВІ

Джигирей І. М., Квітка О. О., Національний технічний університет України «Київський политехнічний інститут», Київ, Україна

Однією з найважливіших задач, що стоїть перед розробником системи водовідведення промислового підприємства, є вибір економічно та технічно ефективної схеми очищення. Оптимальний розподіл водних потоків у схемі очищення стічних вод (СОСВ) дозволяє зменшити їх об'єм і підвищити концентрацію забруднюючих домішок у припустимих межах на вході у процеси очищення. Це дозволяє інтенсифікувати процеси і зменшити витрати на підтримку роботи СОСВ.
У даній роботі для синтезу і модернізації СОСВ запропоновано комбінований підхід, що має істотні переваги у порівнянні як з концептуальними методами, так і з методами математичного програмування. Задача синтезу розподіленої системи каналізування є задачею мінімізації суми витрат стічних вод у процесах очищення з урахуванням обмежень, що накладені на процеси, їх послідовності і розташування за умов досягнення необхідної якості очищення. Це спрощене представлення постановки задачі, оскільки замість суми витрат стічних вод у реальних розрахунках використовуються вартісні функції очисних процесів. Вартісні функції дозволяють врахувати собівартість видалення одиниці маси забруднюючої речовини залежно від витрат стічних вод у очисному процесі та вмісту заданої забруднюючої речовини у потоці, що обробляється.
Першою стадією процедури розрахунку є визначення структури СОСВ, тобто розподілу потоків стічних вод між процесами очищення за допомогою пінч-анализу, а послідовності процесів — за допомогою термодинамічного підходу, які є концептуальними методами. Водний пінч-аналіз дозволяє отримати розподіл потоків стічних вод у схемі очищення для окремої забруднюючої речовини. Загальна схема будується шляхом об'єднання схем, одержаних для окремих забруднюючих речовин. Термодинамічний підхід (т. з. ексергетичний аналіз) включається до розрахункової процедури на першій стадії у випадку, якщо послідовність процесів очищення невідома або задана нежорстко. Ексергетичний аналіз заснований на використанні першого і другого законів термодинаміки. Будь-який процес змішування технологічних водних потоків призводить до зростання ентропії системи і утруднює очищення стічних вод. Ексергія є мірою розбавлення потоків стічних вод. Зниження потенціалу рідиннофазної системи оцінюється за допомогою величини втрати ексергії при змішуванні потоків стічних вод у процесах очищення. Для кожного процесу очищення визначаються втрати ексергії при змішуванні водних потоків, процес із найменшим значенням втрат буде у схемі першим. Процедуру повторюють доти, доки не буде отримана уся послідовність процесів.
Схема, отримана на першій стадії, не може бути визначена як оптимальна з математичної точки зору, оскільки синтезована на основі концептуальних методів. Але вона є початковою точкою для проведення пошуку глобального оптимуму на другій стадії за допомогою умовного нелінійного програмування. На другій стадії формулюється задача умовної нелінійної оптимізації на основі узагальненої схеми, технологічні зв'язки якої відображаються коефіцієнтами структурного розподілу потоків. Немає потреби аналізувати усі можливі комбінації послідовностей процесів, оскільки визначення послідовності процесів очищення входить до процедури синтезу схеми. Розроблена методика дозволяє синтезувати розподілені схеми із заданою точністю, що неможливо при використанні лише концептуального підходу. Розв'язання задачі нелінійного програмування не вимагає складних методів оптимізації, оскільки на першому етапі процедури розрахунку є можливість отримати початкову точку, досить близьку до глобального оптимуму.
Процеси очищення характеризуються ефективністю очищення по кожній забруднюючій речовині, вміст якої у стічній воді необхідно зменшити до рівня допустимої концентрації перед скиданням у водойму або каналізацію. Перерозподіл потоків стічних вод у процесах приводить до значних змін об'ємної витрати потоків і концентрації забруднюючих речовин у них, що впливає на заданий ефект очищення стічних вод. Доцільно побудувати залежність коефіцієнта видалення забруднюючої речовини у процесі очищення від таких параметрів, як витрата оброблюваних стічних вод і концентрація забруднюючої речовини в потоці, що очищається. Жодна з існуючих методик синтезу розподілених СОСВ не дозволяє врахувати залежність ефективності процесів очищення від витрат оброблюваних стічних вод і концентрації забруднюючих речовин у них. Незважаючи на те, що перерозподіл водних потоків у схемі водовідведення приводить до значних змін значень як концентрації, так і витрат стічних вод, що не може не вплинути на значення коефіцієнта видалення по певному виду забруднення, це питання досі не розглядалось і залишається невирішеним.
З метою вдосконалення розрахункової процедури пропонується використовувати прості математичні моделі очисних процесів, що базуються на формулах розрахунку конструкційних параметрів установок очищення стічних вод. Ці моделі не відображають динаміки процесів очищення, але достатні для визначення змін у значенні коефіцієнта видалення окремого процесу. Вхідними змінними моделей є витрата потоку, оброблюваного у процесі очищення, концентрація забруднюючої речовини і її характеристики, конструкційні і технологічні параметри конкретної очисної установки. Кінцевими змінними — ефект очищення стічних вод від забруднюючої речовини, параметри очисних процесів.
Використання математичних моделей процесів очищення стічних вод є необхідним і доцільним для синтезу оптимально розподілених мереж водовідведення. Детерміновані моделі, сформовані на основі рівнянь розрахунку технологічних і конструкційних параметрів очисних установок, варто використовувати на предпроектній стадії вдосконалення існуючих схем каналізування стічних вод промислових підприємств. Це дозволить врахувати з інженерною точністю можливу зміну ефективності очисного обладнання, зміну технологічних параметрів роботи установок, водного балансу СОСВ. Для остаточного аналізу і оптимізації схеми очищення стічних вод рекомендується застосовувати експериментально-статистичні моделі процесів очищення, що більш точно описують роботу очисних установок по відношенню до кожного виду забруднення, з врахуванням старіння обладнання тощо. Нижче наведено приклад вдосконалення схеми очищення оборотних стічних вод асфальтобетонного заводу (АБЗ) з використанням статистичної моделі відстійного резервуара.
При роботі асфальтозмішувальної установки АБЗ відбувається інтенсивне утворення пилу. Для очищення газів, що відходять, використовується система знепилювання. Система знепилю-вання призначена для очищення газів із сушильного барабана від пилу, утилізації і подачі пилу у змішувальний агрегат для подальшого дозування і введення його до суміші у якості заповнювача. Пиловідокремлюючий агрегат включає два ступені сухого очищення і мокре пиловловлювання. Перший ступінь складається з прямоточного осьового циклону, другий — з чотирьох циклонів, до третього ступеня входять димосос і мокрий пиловловлювач (порожнистий скрубер). Водоспоживання мокрого пиловловлювача є оборотним — стічна вода від пиловловлювача проходить послідовно два відстійні резервуари, після чого подається назад до скрубера у якості вбирної рідини, де розпилюється форсунками у вигляді крапель. Була поставлена задача модернізації системи оборотного водоспоживання — водоочищення мокрого пиловловлювача.
Отримати статистичну модель відстійного резервуара за допомогою активного експерименту не було можливості, тому був проведений пасивний експеримент під час приготування дрібнозернистих асфальтобетонних сумішей. Для побудови наведеної експериментально-статистичної моделі був використаний модифікований метод випадкового балансу:

де r^в.р. — коефіцієнт видалення завислих речовин у відстійному резервуарі, %; Q_in — витрати стічних вод на вході у відстійник, м³/год; C_in — концентрація завислих речовин у вихідному потоці, г/дм³.
На рисунку представлена залежність коефіцієнта видалення завислих речовин у відстійному резервуарі від витрат стічних вод і початкової концентрації суспензії.

Залежність коефіцієнта видалення завислих речовин у відстійному резервуарі r^в.р. від витрат стічних вод Q_in і початкової концентрації суспензії C_in

Математична модель відстійного резервуара була використана для опису роботи відстійників під час оптимізації СОСВ від мокрого пиловловлювача асфальтобетонного заводу. Оптимальний розподіл потоків стічних вод, отриманий за допомогою розробленої двостадійної методики, свідчить про те, що необхідно пустити в обхід другого відстійного резервуара 1,1 м³/год із загального потоку у 3 м³/год і змішати з основним потоком на вході у мокрий пиловловлювач. У вихідній схемі у другому відстійнику осаджувалось 3,3 г/год завислих речовин, у отриманій розподіленій схемі — 2,2 г/год. Тому необхідно буде очищати другий відстійник від завислих речовин, що осіли, у півтора раза рідше, ніж при централізованому очищенні.
Застосування комбінованого підходу з використанням математичних моделей процесів очищення для проектування схем каналізування стічних вод дозволяє значно скоротити навантаження на процеси очищення. Розроблену методику було використано для побудови систем очищення стічних вод підприємств різних галузей промисловості, у т. ч. хімічної, харчової, нафтопереробної, машинобудівної і т. д. Розрахунки показують, що можливе зниження об'ємів стічних вод, що очищаються, у деяких випадках до 70% у порівнянні з централізованим очищенням.

OPTIMAL WASTEWATER TREATMENT SYSTEMS FOR HIGHWAY ENGINEERING SECTOR

Dzhygyrey I. M., Kvitka O. O., National Technical University of Ukraine «KyivPolytechnical Institute», Kyiv, Ukraine

The synthesis of distributed wastewater treatment network by hybrid approach with deterministic and statistical models of treatment processes is proposed. This is a sequential method employing such conceptual techniques as water pinch analysis and wastewater degradation concept followed by mathematical programming. Two stage design approach can be used for synthesis and also, under some conditions, for retrofit of wastewater treatment networks. Application of mathematical models of treatment processes allows to take into account the relation between the treatment process efficiency, wastewater flow rate and/or initial concentrations of contaminants. It is shown that decentralized treatment systems possess a number of advantages in comparison with existing treatment networks of industrial plants.

Главная страница

Сведения об авторах

Джигирей Ирина Николаевна, ассистент, кафедра кибернетики химико-технологических процессов, Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт», просп. Победы, 37, Киев, 03056, Украина. Тел. (044) 241-76-12, факс (044) 236-40-52. E-mail
Квитка Александр Александрович, канд. хим. наук, доц., кафедра кибернетики химико-технологических процессов, Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт», просп. Победы, 37, Киев, 03056, Украина. Тел. (044) 241-76-12, факс (044) 236-40-52. E-mail

© Независимое агентство экологической информации

Последние изменения внесены 10.07.07