НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНІЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

ДЖИГИРЕЙ Ірина Миколаївна

УДК 628.3:658.512:66.011

СИНТЕЗ І ОПТИМІЗАЦІЯ СХЕМ ОЧИЩЕННЯ СТІЧНИХ ВОД ПРОМИСЛОВИХ ПІДПРИЄМСТВ

05.17.21 – Технологія водоочищення

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі кібернетики хіміко-технологічних процесів Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: | кандидат хімічних наук, доцент

КВІТКА Олександр Олександрович,

Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України, доцент кафедри кібернетики хіміко-технологічних процесів

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор

ЗАПОЛЬСЬКИЙ Анатолій Кирилович

Національний університет харчових технологій Міністерства освіти і науки України, професор кафедри біохімії та екології харчових виробництв

доктор технічних наук, професор

ШАПОРЕВ Валерій Павлович,

Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри хімічної техніки та промислової екології

Провідна установа: | Харківська національна академія міського господарства Міністерства освіти і науки України, кафедра інженерної екології міст

Захист відбудеться “30травня 2007 р. о 14 годині 30 хвилин на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.13 в Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, просп. Перемоги, 37, корп. 4, велика хімічна ауд.

З дисертацією можна ознайомитись у науково-технічній бібліотеці ім. Г. Денисенка Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, просп. Перемоги, 37.

Автореферат розісланий “13квітня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

Д 26.002.13, к.т.н., доц. | Т.І. Мотронюк |

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одним із головних завдань, які поставлені перед українськими під-приємствами в умовах ринкової економіки, є не лише якісне очищення стічних вод, а й розроблен-ня та впровадження при цьому ресурсо- та енергозберігаючих заходів. Для підвищення ефектив-ності роботи та екологічної безпеки промислових підприємств необхідне створення систем очи-щення стічних вод, що передбачають вирішення важливої інженерно-екологічної задачі – формування оптимальної мережі водних технологічних потоків.

Висока водоємність та відсутність досконалих технологічних схем очищення стічних вод характерні для більшості вітчизняних промислових підприємств. Світовий досвід показує, що одним з можливих рішень проблеми економічної ефективності очищення стоків підприємств є створення схем очищення стічних вод з розподіленими матеріальними потоками (СОСВРП). Такі схеми дозволяють зменшити вміст забруднюючих речовин перед скиданням очищених стоків до допустимої норми при мінімальних капітальних і експлуатаційних витратах.

Відома низка методів розроблення оптимальних схем очищення стічних вод, які можна поді-лити на два основні напрями: концептуальні підходи та математичне програмування. Незважаючи на те, що і концептуальні підходи, і методи оптимізації узагальнених технологічних схем очищен-ня стічних вод є досить привабливими, аналіз літературних джерел свідчить, що вони мають суттє-ві недоліки. Труднощі застосування концептуальних підходів полягають у неможливості отриман-ня результатів, оптимальних з математичної точки зору. Методи математичного програмування призводять до формування задач, розв’язування яких вимагає використання складних методів оптимізації, реалізованих за допомогою існуючих математичних пакетів. Крім того, жоден із методів не дозволяє врахувати зміну ефективності процесів очищення в залежності від об’єму стічних вод у потоках, що очищаються, та концентрації в них забруднюючих речовин.

Це обумовлює актуальність досліджень, спрямованих на розроблення та впровадження про-цедур підтримки прийняття рішень при проектуванні оптимальних СОСВРП. Тому запропонована нова методика, яка включає два етапи – синтезу і оптимізації. Це дозволяє врахувати переваги і недоліки обох напрямів розроблення СОСВРП промислових підприємств. Приділена увага формулюванню і застосуванню математичних моделей процесів очищення, що дають змогу врахувати зміну ефективності процесів очищення під час оптимізаційного пошуку розподілу потоків стічних вод у схемах, а також зміну витрат стічних вод у процесах очищення та інші специфічні параметри.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота є складовою наукових досліджень кафедри кібернетики хіміко-технологічних процесів Національ-ного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” – “Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі” у відповідності до державних програм України, що стосуються охорони навколишнього середовища у рамках постанови Кабінету Міністрів України від 22.06.1994р. № 429 „Про реалізацію пріоритет-них напрямків розвитку науки і техніки”, постанови Верховної Ради України “Про концепцію роз-витку водного господарства України”, №1390-ХIV, 14.01.2000 р.

Робота виконувалась згідно до завдань держбюджетної теми №2998 Міністерства освіти та науки України „Розробка енергозберігаючих та екологічних гібридних технологічних процесів знешкодження шкідливих викидів” (№ держреєстрації 0106U006722, наказ МОН України №654 від 16.11.2005 р.). Дисертаційна робота безпосередньо пов’язана зі спільним науково-дослідниць-ким проектом „Комп’ютерне моделювання та проектування складних технологічних систем” в рам-ках угоди про співробітництво між Національним технічним університетом України „Київський політехнічний інститут” та Жешувським технологічним університетом ім. І. Лукашевича „Жешувська політехніка(Польща, м. Жешув) в галузі вищої освіти та хімічної інженерії (2004-2009 рр.).

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є розроблення методики синтезу оптималь-них схем очищення стічних вод промислових підприємств. У відповідності до поставленої мети у роботі сформульовані такі завдання: проаналізувати сучасний стан проблеми проектування СОСВРП; розробити методику синтезу СОСВРП; застосувати математичні моделі процесів очищення стічних вод у процедурі оптимізації СОСВРП; розробити математичний опис алгоритму синтезу та оптимізації СОСВРП; перевірити методику проектування СОСВРП на промислових об’єктах; виробити та впровадити рекомендації щодо оптимізації схем очищення стічних вод промислових підприємств.

Об’єктом дослідження в роботі є технологічні схеми очищення стічних вод про-мислових підприємств.

Предметом дослідження є оптимізація розподілу потоків стічних вод у схемах водоочищен-ня промислових підприємств.

Методи дослідження. Для вирішення поставлених завдань використано комплекс сучасних методів. На першому етапі комбінованої процедури синтезу схем водоочищення застосовано метод знаходження розподілу водних потоків – пінч-аналіз СОСВРП, та метод визначення послідовності очисних процесів у схемах очищення стічних вод – термодинамічний підхід. На другому етапі використано умовне нелінійне програмування та математичне моделювання процесів очищення стічних вод. Розв’язування задачі оптимізації узагальненої технологічної схеми проводили за допомогою методу “покриття кластерів” із адаптацією. Обробку результатів пасивного експерименту здійснювали модифікованим методом випадкового балансу.

Наукова новизна одержаних результатів:

- вперше розроблено методику синтезу та структурної модернізації системи очисних споруд промислових підприємств за двохетапним підходом, що включає синтез та оптимізацію схем водоочищення;

- пінч-аналіз СОСВРП трансформовано в аналітичну форму шляхом виключення його графічної складової;

- розроблено методику математичного опису узагальненої СОСВРП на основі відображення технологічних зв’язків коефіцієнтами розділення водних потоків і обґрунтовано використання методу “покриття кластерів” із адаптацією для її оптимізації;

- для синтезу та оптимізації СОСВРП запропоновано та сформульовано математичні моделі процесів очищення стічних вод, а саме горизонтального відстійника, масловловлювача, пневмо-флотатора, пластинчастого електрокоагулятора безперервної дії, біофільтра з площинним заванта-женням, аеротенка-змішувача без регенераторів і з регенератором;

- отримано експериментально-статистичну модель відстійного резервуару, яка була викорис-тана для модернізації схеми водоочищення асфальтобетонного заводу.

Практичне значення одержаних результатів. Показано, що структурна оптимізація техно-логічних схем водоочищення дає змогу зменшити об’єм стічних вод і підвищити вміст забруд-нюючих речовин на вході у процеси очищення. Це, у більшості випадків, призводить до підвищен-ня ефективності очисних процесів і зменшення грошових витрат на експлуатацію системи очи-щення стічних вод. Розроблений розрахунковий алгоритм синтезу СОСВРП дозволяє отримати оптимальний розподіл потоків стічних вод при створенні нових схем водоочищення і перерозподіл матеріальних потоків при модернізації діючих систем очищення стоків промислових підприємств. Запропоновані математичні моделі процесів очищення можуть бути використані не лише у роз-робленій методиці, але й в інших напрямках, наприклад, для уточнення змінних параметрів роботи очисних споруд взагалі. Видано рекомендації щодо модернізації систем очищення стічних вод гальванічних цехів концерну “Веркон” та заводу “КиївПродМаш”, схеми очищення стоків пиво-варного заводу “Оболонь”, Київського склотарного заводу, заводу “РІАП”. Розроблено і впровад-жено у компанії “Екохім-інжинірінг” нову методику та алгоритм синтезу і оптимізації схем очи-щення стічних вод для проектування систем водоочищення промислових підприємств. Впровад-жені методика та алгоритм використані при розробці проектів систем очищення стічних вод про-мислових підприємств (Стаханівський завод технічного вуглецю, ТОВ ПБК “Радомишль”) і для удосконалення схеми очищення стічних вод асфальтобетонного заводу шляхово-будівельного під-приємства. Результати дисертаційної роботи впроваджено в навчальний процес на кафедрі кібер-нетики хіміко-технологічних процесів Національного технічного університету України “КПІ” і на кафедрі хімічної інженерії Жешувського технологічного університету (м. Жешув, Польща).

Особистий внесок здобувача:

?

?

?

?

?

?

Внесок співавторів публікацій складається в загальному науковому керівництві, участі в постановці мети і задач дослідження, а також обговоренні результатів.

Апробація результатів роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на V міжнародній науково-практичній конференції студентів, аспірантів та моло-дих вчених “Екологія. Людина. Суспільство” (м. Київ, 2002), щорічних міжнародних наукових конференціях “Математичні методи у техніці і технологіях” (м. Санкт-Петербург, 2003;
м. Кострома, 2004; м. Казань, 2005; м. Воронеж, 2006), ІІІ Всеукраїнській науково-практичній конференції студентів, аспірантів та молодих вчених “Крок у майбутнє” (м. Київ, 2003), щорічних науково-практичних конференціях міжнародного водного форуму “АКВА Україна” (м. Київ,
2003–2006), міжнародних конференціях словацького інженерно-хімічного товариства (Словакія, 2004–2006), VII міжнародній конференції “Process integration, modeling and optimization for energy saving and pollution reduction – 2004” (м. Прага, Чехія, 2004), ІІ міжнародній конференції “Співробітництво для вирішення проблеми відходів”(м. Харків, 2005), конференції молодих вчених ІКХХВ “Колоїдно-хімічні проблеми охорони довкілля” (м. Київ, 2005),
XVII міжнародному конгресі “Chemical Engineering, Chemical Equipment Design and Automation – 2006” (м. Прага, Чехія, 2006), конференції Міжнародного союзу теоретичної і прикладної хімії “1st International IUPAC conference on Green-Sustainable Chemistry” (м. Дрезден, Германія, 2006), міжнародній науково-практичній конференції “І Всеукраїнський з’їзд екологів” (м. Вінниця, 2006).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 25 праць, у тому числі 6 статей у фахових виданнях, зокрема стаття у зарубіжному науковому журналі, 19 – тези доповідей на міжнародних та українських конференціях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, трьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг дисертації – 229 сторінок, в тому числі основна частина – 163 сторінки. Дисертація містить 32 таблиці та 52 рисунки, п’ять додатків на 51 сторінці. Бібліографія містить 106 назв та розташована на 10 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність проблеми, сформульовано мету дисертаційної роботи та задачі дослідження, показаний зв’язок з науковими програмами, розкриті наукова новизна та практичне значення роботи, наведено відомості про апробацію роботи та публікації, а також відмічено особистий внесок автора.

У першому розділі “Сучасний стан проблеми розроблення схем очищення стічних вод промислових підприємств” на основі аналізу світової та вітчизняної науково-технічної літератури показані перспективність і ефективність впровадження схем очищення стічних вод із оптимально розподіленими матеріальними потоками. Розглянуті системи водоочищення, які використовуються на промислових підприємствах, розкрите поняття СОСВРП.

Виконано аналіз літературних джерел, які стосуються сучасного стану і розвитку питань, пов’язаних з темою дисертації. Показано, що концептуальні методи, зокрема пінч-аналіз СОСВРП і термодинамічний підхід, є досить ефективними, але одержуваний розподіл потоків у схемі водоочищення, який є результатом, не можна охарактеризувати як оптимальний з математичної точки зору. Розглянуті сучасні методи оптимізації узагальненої СОСВРП вимагають складних алгоритмів пошуку оптимуму, оскільки цільова функція і обмеження мають неопуклий характер, що призводить до “застрявання” процедури пошуку у локальних оптимумах.

Обґрунтовано необхідність створення двохетапної методики синтезу СОСВРП, яка включає використання моделей процесів очищення. Наведена класифікація математичних моделей технологічних процесів, виявлені переваги і недоліки їх застосування при розробці схем очищення стічних вод. Показана можливість використання моделей процесів очищення, сформованих на основі рівнянь розрахунку конструкційних і експлуатаційних параметрів очисних споруд. На основі розглянутого матеріалу сформульовано задачі дослідження.

У другому розділі “Методика синтезу і оптимізації схем очищення стічних вод” пропонується вирішення задачі розроблення схеми очищення стічних вод промислового підприємства із оптимально розподіленими матеріальними потоками за допомогою двохетапного підходу.

Розподіл потоків повинен відповідати мінімальним грошовим витратам на видалення забруднюючих речовин із стічних вод промислового підприємства. Відомо, що капітальні та експлуатаційні витрати на більшість операцій очищення стічних вод пропорційні загальному об’єму стічних вод, що очищуються. Тому задачу синтезу водоочисної мережі можна представити як

, (1)

де ц – цільова функція; –

кількість процесів очищення стічних вод у технологічній схемі;

k – порядковий номер процесу очищення;

– об’єм стічних вод на вході у k-ий процес очищення, м3/год.

Такий опис цільової функції є спрощеним, оскільки не включає інформацію про вартість обробки стічної води у процесах очищення. Для того, щоб врахувати грошові витрати, цільова функція ц повинна відображати залежність вартості видалення забруднюючих речовин у очисних процесах від об’єму стічних вод. Запропоноване використання вартісних функцій капітальних і експлуатаційних витрат для явної оцінки економічної доцільності проектів модернізації. Синтез оптимальної схеми проводиться за умов, що кінцева концентрація забруднюючих речовин не буде перевищувати встановлені допустимі норми, тобто, гранично допустимих концентрацій забруднюючих речовин. Передбачена можливість введення додаткових обмежень, зокрема верхньої або нижньої межі концентрації забруднюючої речовини на вході в процес очищення, обов’язкове вилучення або включення певного технологічного зв’язку тощо.

Для знаходження оптимального розподілу потоків стічних вод у процесах очищення пропонується використовувати на першому етапі (синтез схеми очищення стічних вод) пінч-аналіз СОСВРП і для визначення послідовності очисних процесів у схемі водоочищення – термодинамічний підхід, запропонований проф. Р. Смітом (Манчестерський університет, Великобританія). Змішування водних технологічних потоків різного походження призводить до зростання сумарної ентропії системи у результаті розбавлення інгредієнтів. Це збільшує енергетичні, а отже економічні витрати на наступну обробку стічної води. Термодинамічний підхід до розрахунку оптимальної послідовності процесів очищення у технологічній схемі дозволяє оцінити ступінь розсіювання компонентів рідиннофазної системи за рахунок розбавлення водних потоків при їх недоцільному змішуванні. Втрати ексергії використовуються для оцінки зниження потенціалу рідиннофазної системи при змішуванні технологічних водних потоків, і, як наслідок, ступеню розсіювання складових інгредієнтів стічних вод.

Оскільки пінч-аналіз СОСВРП є графоаналітичним методом, тому в дослідженні вирішена окрема задача виключення графічної складової з метою алгоритмізації метода.

На другому етапі (оптимізація СОСВРП) розроблюваної методики пропонується формувати узагальнену схему очищення стічних вод на основі відображення технологічних зв’язків коефіцієнтами розділення водних потоків, що призводить до отримання цільової функції і обмежень з відносно невеликою кількістю змінних. Це, у свою чергу, дозволяє проводити пошук оптимального значення цільової функції за допомогою простих методів. Обґрунтовано використання методу “покриття кластерів” із адаптацією для оптимізації узагальненої схеми очищення стічних вод на основі порівняльного аналізу методів умовної оптимізації для типових прикладів синтезу СОСВРП.

На основі загальноцитованих прикладів проведено порівняльний аналіз двохетапної методики та існуючих процедур синтезу СОСВРП. Показано, що розроблена процедура та алгоритм дозволяють отримати мінімальне значення цільової функції при нижчих витратах обчислювальних ресурсів і за допомогою розробленого алгоритмічного забезпечення. Показано можливість використання розробленої методики для модернізації схем очищення стічних вод промислових підприємств широкого класу, зокрема підприємств харчової, верстатобудівної, машинобудівної галузей та шкірообробного заводу (табл. 1).

Таблиця 1

Результати оптимізації схем очищення стічних вод промислових підприємств

за допомогою двохетапного підходу

Підприємство,

відділення підприємства | Потоки стічних вод, що надходять до системи очищення,

м3/год | Очисні процеси, що входять до системи водоочищення | Забруднюючі речовини | Сумарні об’єми стічних вод, що обробляються у процесах очищення, м3/год

вихідна схема | оптимальна схема | зменшення, %

Гальванічний цех верстатобудівного заводу1) | (1) відділення №1 – 7;

(2) відділення №2 –

3 | (І) хромова ванна;

(ІІ) кислотно-лужна ванна;

(ІІ) відстійник | Cr (VI)

Zn (ІІ)

Fe (ІІІ) | 20 | 17.7 | 11 | Гальванічний цех заводу продоволь-чого машинобуду-вання2) | (1) промивні води відділення хромування – 5;

(2) промивні води відділень лужного лудіння і оксидування – 3.5 | (І) реактор;

(ІІ) фільтри полістирольні |

Cr (VI)

Zn (ІІ)

Fe (ІІІ) | 17 | 14.4 | 15 | Шкірообробний завод3) | (1) юхтового виробництва – 100;

(2) цеху хромування – 25 | (І) грабельні решітки;

(ІІ) попереднє відстоювання;

(ІІІ) відстійник | завислі речовини, жири, ХСК*), сульфати, хлориди,

Cr (ІІІ) | 375 | 227 | 39 | Пляшкомиюче відділення пивоварного виробництва4) | від машини:

(1) №1 – 6;

(2) №2 – 40;

(3) №3 – 16;

(4) №4 – 8 | (І) відстоювання;

(ІІ) нейтралізація | pH,

завислі речовини | 140 | 78 | 44 |

1) ВАТ “Веркон”, 2) ВАТ “завод “КиївПродМаш”, 3) ЗАТ “Завод “Чинбар”, 4) ВАТ “Оболонь”

*) хімічне споживання кисню

Серед задач, що їх вирішено у розділі, представлено розширення можливостей пакету алгоритмів “Екологія” за рахунок розробки на основі запропонованої методики нового компонента для підтримки прийняття рішень при проектуванні схем водоочищення. Пакет “Екологія” створений на кафедрі кібернетики хіміко-технологічних процесів НТУУ “КПІ” і призначений для проектувальників, що займаються дослідженням і розрахунками технологічних схем та їх елементів, в тому числі, схем водо- та газоочищення. Розроблене алгоритмічне забезпечення (програмний комплекс “WWTN Design”) застосовано для генерації проектних рішень при модернізації СВВОРП промислових підприємств (табл. 1 і 2). В розділі наведено коротку характеристику підприємств–об’єктів дослідження, обґрунтовано проектні рішення щодо оптимального розподілу технологічних зв’язків у схемах водоочищення ВАТ “Веркон”, ВАТ “завод “КиївПродМаш”, ЗАТ “Завод “Чинбар”, ВАТ “Оболонь”.

Таблиця 2

Результати оптимізації схем очищення стічних вод промислових підприємств

із застосуванням математичних моделей процесів очищення

Підприємство | Забруднюючі речовини | Очисні процеси, що входять до системи водоочищення | Застосовані математичні моделі очисних процесів | Сумарні витрати оброблюваних стічних вод у процесах очищення, м3/год

вихідна схема | оптимальна схема | зменшення, %

Склотарний завод1) | завислі речовини, сульфати,

хлориди, нафтопродукти, ХСК | (І) маслоуловлювач

(ІІ) відстійник | маслоуловлювач, горизонтальний відстійник | 14.8 | 12.6 | 15 | Пивоварне виробництво2) | ХСК, БСКповне,

завислі речовини, спливаючі речовини | (І) відстійник;

(ІІ) аеротенк-змішувач без регенераторів |

горизонтальний відстійник,

аеротенк-змішувач без регенераторів | 2280 | 2000 | 12 | Завод по виготовленню реагентів, індикаторів та аналітичних препаратів3) | завислі речовини,

масла,

pH,

ХСК | (І) маслоуловлювач

(ІІ) нейтралізатор

(ІІІ) відстійник | маслоуловлювач, горизонтальний відстійник | 13.5 | 11.6 | 14 |

1) ЗАТ “КСТЗ”, 2) ВАТ “Оболонь”, 3) ВАТ “Завод “РІАП”

У третьому розділі “Математичні моделі процесів очищення та їх застосування в оптимізації схем очищення стічних вод” показана можливість застосування математичних моделей очисних процесів при розробленні СОСВРП. Моделі дозволяють врахувати залежність ефективності окремого процесу очищення відносно певної забруднюючої речовини від таких параметрів, як об’єм водного потоку, що очищується, та вміст забруднюючої речовини на вході в очисну споруду

, (2)

де - коефіцієнт видалення j-ої забруднюючої речовини даним процесом очищення, %;

- початкова концентрація j-ої забруднюючої речовини, мг/дм3;

- сукупність конструкційних і технологічних параметрів даного процесу очищення.

Додатково математична модель може включати залежність втрат стічних вод на виході з очисної установки від об’єму вхідного потоку та вмісту в ньому забруднюючої речовини.

Сформовані математичні моделі очисних процесів, які необхідні для отримання оптимального розподілу потоків стічних вод у схемах водоочищення промислових підприємств, що модернізуються, а саме горизонтального відстійника, масловловлювача, пневмофлотатора, пластинчастого електрокоагулятора безперервної дії, біофільтра з площинним завантаженням, аеротенка-змішувача без регенераторів і з регенератором. Математична модель біофільтра з площинним завантаженням застосована на другому етапі розрахункової процедури для оптимізації типової схеми очищення стічних вод підприємства з виробництва м’ясної продукції. Схема водоочищення включає наступні очисні споруди: відстійник, пневмофлотатор, електрокоагулятор та біофільтр із площинним завантаженням.

Математична модель біофільтра сформована на основі методу розрахунку апарату з площинним завантаженням за критеріальним комплексом. Цей метод, запропонований
проф. Ю.В. Вороновим, ґрунтується на відомій функціональній залежності між БСК5 (біологічне споживання кисню за п’ять діб) очищених стічних вод і низкою інших чинників, що характеризують процес очищення стічних вод на біофільтрах. Модель біофільтра з площинним завантаженням описується залежностями

при

і (3)

при

за умови

мг/дм3

де

;

– коефіцієнт видалення по БСК5 у біофільтрі, %;

T – середньозимова температура, °С;

P – поруватість матеріалу, що завантажується, %;

H – висота шару завантаження, м;

– діаметр секцій біофільтру, м;

– кількість секцій біофільтру;

– об’єм стічних вод на вході у біофільтр, м3/год;

– БСК5 на вході у біофільтр, мг О2/дм3;

– БСК5 на виході з біофільтра, мг О2/дм3;

? питома поверхня завантаження, м2/м3.

Для оптимізації схеми водоочищення м’ясокомбінату були також застосовані математичні моделі горизонтального відстійника, пневмофлотатора та електрокоагулятора з алюмінієвими електродами. Розрахунки показують, що перерозподіл мережі водних потоків у вихідній загальностічній схемі може призвести до зміни ефективності процесів очищення для певних забруднюючих речовин. Наприклад, коефіцієнт видалення завислих речовин у відстійнику має значення 50% у схемі з розподіленими потоками (35% - для вихідної схеми) за рахунок зменшення витрат стічних вод з 390 м3/год до 230 м3/год і збільшення початкової концентрації завислих речовин з 550 мг/дм3 (у централізованій схемі) до 700 мг/дм3 у схемі з розподіленими потоками. За допомогою математичної моделі відстійника розраховані витрати стічних вод, що відбирають з осадом і становлять 12 м3/год. Ефективність біофільтра збільшується по БСК5 із 90% (вихідна схема) до 92% (оптимізована схема) згідно моделі (3).

Перерозподіл водної мережі дозволяє зменшити витрати стічних вод у відстійнику на 40%, у пневмофлотаторі – на 23% (рис. 1). Розрахунки показали, що на відстоювання доцільно відправляти найбільш забруднені стічні води – промислово-жирні, в обсязі 230 м3/год. Після відстоювання ці стіч-ні води змішуються з промислово-брудними і подаються на флотацію, оскільки при пневмофлотації і наступній електрокоагуляції видаляється основна маса жирів. Низько концентровані господарсько-побутові стоки можна подавати безпосередньо на електрокоагуляцію.

Рис. 1. Оптимізована схема очищення стічних вод м’ясокомбінату:

1 – промислово-жирний потік стічних вод (230 м3/год);

2 – промислово-брудний потік стічних вод (100 м3/год);

3 – господарчо-побутовий потік стічних вод (50 м3/год);

4-7 – потоки стічних вод (25 м3/год, 220 м3/год, 300 м3/год і 380 м3/год, відповідно);

І – відстійник;

ІІ – пневмофлотатор;

ІІІ – електрокоагулятор;

ІV – біофільтр з площинним завантаженням

Вартісні функції були отримані, виходячи із середньої вартості очищення стічних вод за допомогою різних очисних технологій у країнах ЄС; вартість капі-тальних витрат при цьому не враховували. Вартість гравітаційного відстоювання складає 0.065, флотаційного очищення – 0.128, електрохімічного очищення – 0.413, біофільтрації – 0.342 € за один м3/год. Витрати на експлуатацію вихідної схеми становлять 770 тис. €/рік. Експлуатаційні витрати на підтримку роботи оптимізованої схеми водоочищення складають 710 тис. €/рік, що на 9% менше ніж на вихідну схему.

Була сформована математична модель маслоуловлювача на основі розрахункових залежностей для одержання конструкційних параметрів даної установки. Ефективність процесу окремо розраховується для завислих речовин та маслопродуктів, також можливо визначити зменшення об’єму стічних вод на виході з маслоуловлювача за рахунок відбирання осаду та спливаючих речовин. Математичні моделі відстійника і маслоуловлювача були використані в процедурі пошуку оптимального розподілу водних потоків у централізованій схемі очищення стічних вод склотарного заводу (рис. 2).

Рис. 2. Вдосконалена схема очищення стічних вод склотарного заводу:

1 – 5.7 м3/год; 2 – 1.2 м3/год; 3 – 0.5 м3/год;

4, 5 – спливаючі речовини та осад, що відбирають (0.07 м3/год);

6 – осад, що відбирають (0.06 м3/год);

І – маслоуловлювач; ІІ – відстійник

Оптимізація водної мережі схеми очищення стічних вод дозволяє зменшити витрати стічних вод у маслоуловлювачі з 7.4 до 5.7 м3/год, тобто немає необхідності направляти на очищення у першу очисну установку потоки стічних вод складального та керамічного цехів. У відстійнику повинні оброблятись стічні води лише цеху основного виробництва і складального цеху. Забруднена вода керамічного цеху повинна бути змішана із очищеною водою першого та другого потоків перед скиданням у міську каналізацію. Оптимізацію системи водоочищення пивоварного виробництва проводили з використанням ма-тематичних моделей відстійника та аеротенка-змішувача без регенераторів. Зокрема, застосування моделі аеротенка дало змогу врахувати зміну коефіцієнта видалення по БСК (загальне біологічне споживання кисню) через перерозподіл водних потоків у схемі. Вихідне значення коефіцієнта видалення по БСК () складає 70 % для початкового значення БСК () 1120мг О2/дм3 і об’єму стічних вод () 1070 м3/год. У процесі пошуку оптимального розподілу потоків стічних вод у схемі водоочищення коефіцієнт видалення по БСК в аеротенку-змішувачі був величиною, що змінюється; вона залежить від початкового значення БСК і об’єму стічних вод при інших незмінних параметрах моделі. Ефективність другого процесу по БСК виросла до значення =74 % при =1150 мгО2/дм3 і =900 м3/год в отриманій схемі водоочищення (рис. 3).

Рис. 3. Залежність коефіцієнта видалення по БСК
від об’єму стічних вод і значення БСК у вхідному потоці:

1 – значення для діючої схеми водоочищення;

2 – значення для вдосконаленої схеми

Показано, що використання математичних моделей процесів очищен-ня стічних вод є необхідним і доцільним для синтезу мереж водоочищення з опти-мально розподіленими водними потока-ми. У табл. 2 наведені результати опти-мізації схем водоочищення промислових підприємств з використанням моделей процесів очищення на другому етапі розрахунків. Для попередньої оцінки оптимального розподілу потоків стічних вод у схемі водоочищення рекомендується використовувати моделі очисних процесів, які сформовані на основі існуючих розрахункових залежностей, оскільки отримання статистичних моделей вимагає проведення активного чи пасивного експерименту, що потребує чималих матеріальних і часових витрат. На стадії впровадження проекту модернізації є сенс отримати експериментально-статистичні залежності та виконати переоцінку оптимального розподілу водних потоків за допомогою цих моделей.

Із використанням розробленого алгоритму модернізована схема оборотного водоспоживання-водоочищення асфальтозмішувальної установки асфальтобетонного заводу шляхово-будівельного підприємства (рис. 4). Існуюча схема водоспоживання мокрого пиловловлювача (скрубер) асфальтозмішувальної установки включає два відстійні резервуари, математичний опис яких вимагає одержання і засто-сування статистичної моделі процесу відстоювання. Тому був проведений пасивний експеримент, обробка даних якого модифікованим методом випадкового балансу дозволила отримати математичну модель відстійного резервуару (рис. 5)

Рис. 4. Вдосконалена схема очищення стічних вод:

1-3 – секції резервуарів;

І – відстійний резервуар №1;

ІІ – відстійний резервуар №2;

П – глуха діагональна перегородка зі збірним жолобом

Рис. 5. Залежність коефіцієнта видалення завислих речовин у відстійному резервуарі від об’єму стічних вод і початкової концентрації завислих речовин

, (4)

де – концентрація завислих речовин у вхідному потоці, мг/дм3;

– об’єм стічних вод, м3/год.

Експериментально-статистична модель була використана для оптимізації схеми водоочищення стічних вод від мокрого пиловловлювача асфальтобетонного заводу ВАТ “Шляхово-будівельне управління №41”. Спроектована локальна схема водоочищення із змен-шенням витрат стічних вод у другому з відстійних резервуарів на 37%. Оптимальний розподіл потоків стічних вод, отриманий за допомогою розробленої методики, свідчить, що необхідно пускати в обхід другого відстійного резервуару 1.1 м3/год із загального потоку 3 м3/год і змішувати з очищеною стічною водою на вході у мокрий пиловловлювач. У вихідній схемі в другому відстійнику осаджується 3.3 кг/год завислих речовин, в отриманій схемі – 2.2 кг/год. Вирівнювання складу потоку стічних вод перед поданням на форсунки порожнистого скрубера вимагає встановлення резервуара-усереднювача. Обґрунтована можливість переобладнання третьої секції другого відстійника в усереднювач. Впровадження згаданих заходів на асфальтобетонному заводі дозволило очищати відстійний резервуар №2 від завислих речовин, що осіли, у півтори рази рідше.

ВИСНОВКИ

1. Виходячи з необхідності впровадження у промисловість раціональних схем водоочищення та підвищення ефективності процесів очищення стічних вод, проведено дослідження технологічних схем очищення стічних вод з розподіленими матеріальними потоками (СОСВРП). Запропоновано нову методику синтезу і оптимізації систем очищення стічних вод промислових підприємств та впроваджено алгоритм для підтримки проектних рішень при розробленні та модернізації технологічних схем промислового водоочищення.

2. Розроблена методика синтезу СОСВРП використовує принцип структурної оптимізації та відрізняється від відомих у цьому напрямку підходів тим, що включає етапи синтезу та оптимізації узагальненої технологічної схеми з використанням математичних моделей очисних процесів. Це дозволяє врахувати залежність ефективності процесів очищення від об’єму стічних вод та початкового вмісту забруднюючих речовин.

3. Запропоновано новий спосіб проведення пінч-аналізу, як важливої складової етапу синтезу СОСВРП. Пінч-аналіз СОСВРП трансформовано в аналітичну форму шляхом виключення графічної частини даного методу. Запропоновано математичний опис узагальнених СОСВРП на основі відображення технологічних зв’язків коефіцієнтами розділення водних потоків. Обґрунтовано використання методу “покриття кластерів” із адаптацією для оптимізації структури узагальнених СОСВРП на основі порівняльного аналізу методів умовної оптимізації. Розроблено та реалізовано математичний опис алгоритму синтезу СОСВРП.

4. Проведено порівняльний аналіз запропонованої двохетапної методики та існуючих процедур синтезу СОСВРП. Показано, що нова методика дозволяє отримати СОСВРП із мінімальними загальними об’ємами стічних вод, що очищуються, за допомогою розробленого алгоритмічного забезпечення при менших витратах обчислювальних ресурсів.

5. Запропоновано застосування математичних моделей процесів очищення на етапі оптимізаційного пошуку розподілу потоків стічних вод у СОСВРП з метою підвищення точності результатів структурної оптимізації та для врахування зміни ефективності очисних споруд. Сформовано загальні вимоги до математичних моделей очисних процесів, які можуть бути застосовані у запропонованій методиці розроблення СОСВРП. Сформульовано математичні моделі очисних споруд, а саме: горизонтального відстійника, масловловлювача, пневмофлотатора, пластинчастого електрокоагулятора безперервної дії, біофільтра з площинним завантаженням, аеротенка-змішувача без регенераторів і з регенератором. Отримана експериментально-статистична модель відстійного резервуару була використана для модернізації схеми водоочищення асфальтобетонного заводу.

6. Методика синтезу і оптимізації СОСВРП, що запропонована, та розроблене алгоритмічне забезпечення були використані:

- при розробленні пропозицій щодо модернізації схем очищення стічних вод гальванічного цеху верстатобудівного концерну “Веркон” і гальванічного цеху ВАТ “Завод “КиївПродМаш”, шкірообробного заводу ЗАТ “Чинбар”, ВАТ “Оболонь”, ЗАТ “Київський склотарний завод”, ВАТ “РІАП”, ВАТ “Оболонь”;

- при розробленні проектів систем водоочищення Стаханівського заводу технічного вуглецю та ТОВ ПБК “Радомишль”;

- під час реконструкції схеми очищення стічних вод асфальтобетонного заводу ВАТ “Шляхово-будівельне управління №41”.

Встановлено, що оптимізація розподілу технологічних потоків у схемах водоочищення, що розглядались, дозволяє зменшити об’єми стічних вод в очисних спорудах у середньому на 20% у порівнянні зі схемами до оптимізації. Аналіз варіантів схем очищення стічних вод досліджуваних підприємств показує можливість зменшення очікуваних сумарних річних зведених витрат промислових підприємств на очищення стічних вод до 10% порівняно з вихідними схемами.

7. Практично важливими результатами роботи є те, що:

- сформовано математичні моделі очисних процесів, які можуть бути застосовані для моделювання і прогнозів ефективності очисних споруд в умовах варіації об’ємів і складу потоків стічних вод, що очищуються;

- створено алгоритмічне забезпечення для розрахунку та модернізації схем водоочищення промислових підприємств;

- запропонована методика може бути використана для оптимізації схем водоочисного господарства широкого класу підприємств хімічної, машинобудівної, харчової та споріднених галузей.

Розроблені методика та алгоритми знайшли застосування у наукових дослідженнях та у навчальному процесі на кафедрі кібернетики хіміко-технологічних процесів НТУУ “КПІ” (м. Київ) і на кафедрі хімічної інженерії Жешувського технологічного університету (м. Жешув, Польща).

Список опублікованих праць за темою дисертації

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

16.

17.

18.

19.