Пилипенко Дмитрий Вадимович

Факультет компьютерных информационных технологий и автоматики
Кафедра электронной техники
Специальность: Электронные системы
Тема работы: Обоснование и исследование структуры электронной системы контроля растворенного кислорода аэротенка очистных сооружений
Руководитель: доцент Коренев Валентин Дмитриевич

Реферат по теме выпускной работы 

«Обоснование и исследование структуры электронной системы контроля растворенного кислорода аэротенка очистных сооружений»

 I Общая характеристика работы

    Актуальность темы исследования. Ситуация с природными запасами воды в Украине очень сложная и тем более в Донецкой области, которая по соответствующим показателям находится на предпоследнем месте среди регионов Украины
    Дальнейшая эксплуатация устаревшего и энергоёмкого оборудования в водопроводном хозяйстве при наличии устоявшейся тенденции последних лет относительно приватизации энергораспределяющей системы и последующего повышения тарифов на электроэнергию может нарушить существующую систему водоснабжения до основания, или сделать стоимость её услуг непосильной для населения. 
    Состояние проблемы зашиты водоемов от загрязнений во многом определяется эффективностью систем биологической очистки. В настоящее время метод очистки сточных вод активным илом является наиболее универсальным и широко применяемым при обработке стоков, содержащих органические примеси различного происхождения.
    Использование технического кислорода, высокоактивных симбиотических иловых культур, стимуляторов биохимического окисления, различного рода усовершенствованных конструкций аэротенков, аэрационного оборудования и систем отделения активного ила позволило в несколько раз повысить производительность метода биологической очистки. Значительные резервы скрыты также в области интенсификации массообмена. Однако, дальнейшее повышение эффективности биологической очистки сточных вод и реализация различных путей ее интенсификации возможны лишь на основе математического описания процессов биоокисления и разработки способов их оптимизации и управления. Сложность решения этой задачи состоит в том, что описание биологических систем, имеющих многоуровневую организацию, требует учета взаимодействия биохимических, микробиологических, биофизических и технологических факторов. Кроме того, изъятие органических загрязнений в ходе биологической очистки является интегральным результатом одновременного и последовательного изъятия компонентов субстрата отдельными видами бактерий, составляющими биоценоз. При этом каждый из компонентов, как правило, потребляется микроорганизмами нескольких видов, способных окислять с разными скоростями соединения, близкие по химической природе, и система, описывающая совокупность этих процессов, включает большое число уравнений.
    В связи с этим основой анализа должен служить интегральный подход, предполагающий отказ от попыток раздельного описания поведения каждого из элементов системы в строго определенной форме и базирующийся на изучении статистических закономерностей поведения сложной биохимической системы в целом. Примером использования такого подхода в биологии может служить математическая теория популяций Вольтерра, отражающая общие закономерности взаимоотношений между популяцией и средой обитания без дифференциального учета поведения каждого из составляющих ее организмов.

    Связь работы с научными программами, планами, темами. Данные исследования связаны с планом КП «Донгорводоканала» по реконструкции и развития Донецких очистных сооружений, внедрением передовых систем мониторинга.

    Степень научной разработки проблемы. Исследования в обрасти технологии очистки сточных вод ведется с момента создания первой городской канализации и очистных сооружений в Англии. Самым значительным шагом в развитии очистных сооружений является использование пневматической аэрации в присутствии разного рода микроорганизмов для биологического очищения стоков. 
    Несмотря па значительные достижения в изучении динамики развития микробных популяций, при расчете основных технологических параметров очистных систем до сих пор руководствуются эмпирическими соображениями. В ряде случаев это приводит либо к неоправданному завышению объема сооружении биологической очистки, либо, наоборот, объем сооружений оказывается недостаточным для того, чтобы обеспечить нужную степень очистки и надежность работы очистного комплекса. 
    С целью улучшения показателей эффективности процесса биологической очистки, предлагается использовать математический аппарат для установления рациональных методов проведения биологической очистки сточных вод.

    Объект исследования. Объектом исследования является этап биологической очистки сточных вод в аэротенках на городских очистных сооружениях.

    Предмет исследования. Предметом исследования является процесс распределения растворенного кислорода при пневматической аэрации в аэротенке.  

    Цель и задания исследования. Целью исследования является обоснование структуры электронной системя контроля концентрации растворенного кислорода аэротенка для оптимизации энергетических затран на пневматическую аэрацию иловой смеси.
    Метод математического моделирования позволяет получить уравнения (математическую модель) для описания динамики роста микроорганизмов и потребления субстрата и рассчитать оптимальные точки измерения концентрации растворенного кислорода в аэротенке.

    Основными задачами исследования являются:
    —изучение доступных методов измерения концентрации растворенного кислорода;
    —исследование закономерностей массопереноса по сечению коридора аэротенка;
    —исследование закономерностей массопереноса по длине коридора аэротенка;
    —построение пространственной математической модели распределения растворенного кислород в аэротенке;
    —составление структуры электронной системы измерения концентрации растворенного кислорода в аэротенке. 

    Теоретические источники и методологическая основа исследования. Теоретической основой исследования является использование ряда моделей газообмена:

    —Модель стационарной диффузии. В качестве основы при анализе процесса переноса обычно используется модель сферического хлопка с однородной структурой, окруженного снаружи диффузионным пограничным слоем. В рамках такой модели оказывается возможным сформулировать задачи как стационарной, так и неустановившейся диффузии одного или одновременно нескольких реагентов и в ряде случаев получить их решения в общем виде.
    —Модель нестационарной диффузии. Физические модели нестационарного переноса находят широкое применение при анализе массопереноса на границах пузырьков и капель и к настоящему времени разработаны с известной полнотой. При анализе массообмена в рамках таких моделей предполагается, что в момент времени t = 0 поверхность контакта под влиянием тех или иных событий в микромасштабах приходит в соприкосновение с элементом жидкости из ядра потока, концентрация переходящего компонента во всех точках которого равна средней концентрации в объеме.
    —Кинетическая модель биоокисления. Описание особенностей кинетики биологического окисления базируется главным образом на результатах анализа полученных экспериментальных зависимостей, характеризующих закономерности изъятия субстрата в различных условиях, а также на теоретических посылках, вытекающих из  физической модели переноса кислорода к хлопку активного ила.

    Научная новизна полученных результатов. Научная новизна заключается в объединении ранее разрозненных моделей в единую математическую модель описания пространственного распределения растворенного кислорода в аэротенке.

    Теоретическое и практическое значение полученных результатов. Полученные результаты могут быть применены на городских очистных сооружениях для оптимизации энергопотребления, мониторинга и регулирования производительностью компрессорных станций, повышения экономической эффективности работы очистных сооружений.

    Публикации.
1. Моделирование динамических процессов биологической очистки сточных вод на очистных сооружениях. Пилипенко Д.В. Коренев В.Д. //Інформатика та комп'ютерні технології — 2008 / Матеріали 4 науково-технічної конференції студентів аспірантів та молодих учених — 25-27 листопада 2008,ДонНТУ, Донецьк — 2008 — 530с.; с іл.

2. Автоматическое управление компрессорной станцией очистных сооружений. Лупинос О.Н., Пилипенко Д.В., Федюн Р.В.

Полнотекстовые собственные публикации по данной работе представлены на этом сайте в разделе "Библиотека".

II Основное содержание

    На современных сооружениях очистки канализационных стоков осуществляются этап биологической очистки для освобождения осветленных вод от минеральных и органических загрязняющих веществ, находящихся во взвешенном, коллоидном и растворенном состоянии. Технологическая схема очистных сооружений приведена на рис.1.

Рис.1. Технологическая схема работы очистных сооружений. Flash-анимация, 16 кадров, 5,84кб, бесконечное повторение.

Основная трудность заключается в том, что удовлетворительную работу очистных сооружений необходимо обеспечить в постоянно изменяющихся условиях их эксплуатации (изменение состава, объема сточных вод, возникающие неполадки в оборудовании и т.д.). В таких условиях работы необходимо опираться на модель работы биологической очистки и вести непрерывный расчет сложных технологических параметров и прогнозировать поведения системы.

Процесс биологической очистки загрязняющих веществ ведется в аэротенках. В них происходит непосредственный контакт сточных вод с организмами активного ила в присутствии соответствующего количества растворенного кислорода и последующим отделением активного ила от очищенной воды в отстойниках. Активный ил — искусственно выращиваемый биоценоз населенный бактериями, простейшими и многоклеточными животными, которые трансформируют загрязняющие вещества и очищают сточные воды в результате биосорбции, биохимического окисления. Насыщение кислородом происходит путем барборации стоков кислородом воздуха, подаваемого через сеть перфорированных труб на дне аэротенка. 

Наиболее важными факторами, влияющими на развитие и жизнеспособность активного ила, а также качество биологической очистки, являются: температура, наличие питательных веществ, содержание растворенного кислорода в иловой смеси, значение рН, присутствие токсинов. Биологическая очистка— самый энергоемкий этап, расходующий 85% электроэнергии всех очистных сооружений для аэрации стоков. Роль активного ила состоит в проведении биологического окисления органики в сточных водах до простейших соединений и сорбции. В простейшем виде этот процесс можно описать схемой вида:

(Схема биологического окисления органики сточных вод. Flash-анимация, 12 кадров, 3,96кб, бесконечное повторение)  

Решающим фактором в работе очистных сооружений является контроль концентрации растворенного кислорода в аэротенках. Нормированное значение концентрации кислорода составляет 2мг/л в любой точке аэротенка. Для объективного анализа процесса насыщения кислородом необходимо учитывать конструкцию системы аэрации и процессы массопереноса в сечении аэротенка и по его длине. Насыщение кислородом происходит во время подъема пузырьков воздуха к поверхности и возникающим газлифтовым эффектом, создающим восходящий поток жидкости, который создает циркуляцию жидкости по сечению аэротенка. В связи с неравномерностью аэрации возникает задача создания и исследования модели аэротенка для установления законов распределения кислорода в пространственных координатах. Исследование модели необходимо для определения эффективных мест расположения датчиков концентрации растворенного кислорода.

Аэротенк, по существу, представляет собой реактор для проведения биохимического процесса окисления загрязнений. Для расчета реактора необходимо, с одной стороны, иметь данные о кинетике элементарного акта процесса биоокисления, а с другой — знать характер движения жидкости в реакторе. Для моделирования большинства конструкций эксплуатируемых сооружений подходит проточный реактор идеального вытеснения— в нем отсутствует перемешивание (диффузия) вдоль оси потока и жидкость проходит через аппарат компактной массой. Время пребывания в реакторе одинаково для всех ее компонентов. В реакторе состав жидкости изменяется длине реактора, поэтому материальный баланс по реагирующе­му веществу необходимо составлять для элементарного объема ΔV (рис.2).

Рис.2— К уравнению материального баланса реактора идеального вытеснения. Flash-анимация, 3 кадрa, 2,24кб, бесконечное повторение

Рассмотрим такой элементарный реактор, который расположен в расстоянии х от входа реактора. Если концентрация реагента на входе и выходе элементарного объема ΔV равна соответственно L(x) и L(x+Δx), то очевидно за время  Δt→0 и Δx→0 масса реагента в объеме изменится на получим дифференциальное уравнение процесса ,где -объемная скорость движения жидкости вдоль оси реактора с площадью поперечного сечения S; L— концентрация реагента, подвергающегося превращению; ρ(L) — скорость химического превращения. Дальнейшие преобразования уравнения позволяют получить выражение для определения времени (периода аэрации), необходимое на превращение реагента с концентрацией Lo до концентрации Le  

            Для изучения процессов превращения загрязнений необходимо знать интенсивность перемешивания среды реактора, а наилучшим показателем будет являться локальная скорость течения жидкости относительно центра её вращения. На рис.3 представлено сечение аэротенка и схема движения жидкости.

Рис.3— Схема движения жидкости в сечении аэротенка. Flash-анимация, 5 кадров, 7,85кб, бесконечное повторение

Вращательный момент создает восходящая газожидкостная струя из барботера. Расход жидкости удается рассчитать выражением

,

где Vп —расход воздуха; H—глубина погружения

Проведя диффиренциирование можно получить значение линейной скорости восходящего потока Vmax . В первом приближении центром вращения является пересечение диагоналей аэротенка (точка 0). Для определения скорости течения в любой точке сечения, отстающей от центра на расстоянии r, можно воспользоваться выражением

,

где , H—глубина погружения; и В— ширина аэротенка.

Анализ модели процессов массопереноса и газообмена позволит в дальнейшем обосновать точки контроля технологических параметров и оценки качества работы аэротенков, он сократит объем комплекса технических средств, повысит его информативность. Учитывая тот факт, что объем и состав стоков меняется непрерывно и зависит от времени суток, то оперативный контроль за работой аэротенков может снизить энергоемкость и повысить качество очистки стоков.

После этапа установления точек установления датчиков концентрации растворенного кислорода необходима электронная система сбора информации и её анализа. Электронная система должна выполнять следующие функции:
— питание аппаратуры и устройств системы;
— сбор показаний датчиков концентрации кислорода;
— передачу данных в лабораторию и диспетчерскую компрессорной станцией;
— хранение, архивирование полученных данных;
— ведение отчетной документации;
— анализ данных и подведение статистики работы аэротенков.

 Для рассмотрения предложена структурная схема, изображенная на рис.4.

Рис.4— Структурная схема электронной системы

Условные обозначения:
Д — датчик концентрации растворенного кислорода;
КСД —контроллер сбора данных;
ПИ — преобразователь интерфейсов;
РШ — радио-шлюз;
ПК — персональный компьютер;
ПО — программное обеспечение;
БД — база данных
УДК — устройство диспетчерского контроля.

Рассмотрим принцип работы данной схемы. КСД непрерывно следит за показаниями датчиков концентрациии растворенного кислорода (Д) и сохраняет последние результаты в собственную память. В виду значительной протяженности аэротенка, предусмотрено установка одного КСД на каждый аэротенок. По заренее определенному временному интервалу преобразователь интерфейсов (ПИ) будет опрашивать все КСД и получать с него данные. Далее данные будут передаваться в радио-шлюз (РШ) для беспроводной передачи в лабораторный комплекс и диспетчеру в компрессорную станцию. Радио-шлюз будет контролировать и распределять ресурсы радио канала, проводить индетификацию и адресацию данных. Установленный в лабораторном комплексе персональный компьютер (ПК) необходим для работы программного обеспечения (ПО) системы и работы с базой данных (БД). Диспетчеру компрессорной станцией необходимо знать текущую концентрацию растворенного кислорода в аэротенке для выработки управляющего воздействия на компрессорные агрегаты, т.е. регулирования подачи воздуха.   

 
III Аннотация

    Пилипенко Д.В. Обоснование и исследование структуры электронной системы контроля растворенного кислорода аэротенка очистных сооружений. — Рукопись.

    В работе изучается механизмы газообмена в аэротенке очистных сооружений, построение и обоснавание математических моделей различных протекающих процессов массопереноса с целью построения структурной схемы электронной системы контроля растворенного кислорода. Создание системы такого рода позволяет оптимизировать потребление электроэнергии компрессорной станцией и повышения качества биологической очистки сточных вод.

    Ключевые слова: очистные сооружения, аэротенк, растворенный кислород, газообмен, массоперенос, активный ил, турбулентность, математическая модель.

Литература

1. Брагинский Л. Н. Моделирование аэрационных сооружений для очистки сточных вод. -Л.: Химия, 1980.
2. Вавилин В. А. Математическое моделирование процессов биологической очистки сточных вод активным илом.- М.: Наука, 1979.
3. Башарин А.В. Управление электроприводами: Учебное пособие для вузов. - Л: Энергоиздат, 1982. – 357с.
4. Черкасский В.М. Насосы, вентиляторы, компрессоры: Учебное пособие для вузов. – М: Энергоатомиздат, 1984. – 316с.
5. Штерн Л.Я. Регулирование и автоматизация воздуходувных и компрессорных станций: Учебное пособие для вузов. – М: Металлургиздат., 1963. – 378с.
6. Гревцев Н.В. Москаленко Е.А. Состав и свойства осадков сточных вод. Тезисы доклада Уральской горнопромышленной декады 14-23 апреля 2008г. стр.247.
7. Жмуρ Η.С. Технологические и биохимические процессы очистки сточных вод на сооружениях с аэротенками. - М.: АКВАРОС, 2003. - 512 с.
8. Канализация населенных мест и промышленных предприятий /Н. И. Лихачев, И. И. Ларин, С. А. Хаскин и др.; Под обш. ред. В.Н. Самохина. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Стройиздат, 1981. —639с.
9. Евилевич Μ.А., Брагинский Л.Η. Оптимизация биохимической очистки сточных вод. — Л.: Стройиздат, Ленинградское. отд-ние, 1979.- 160 с.
10. Пилипенко Д.В. Коренев В.Д. Моделирование динамических процессов биологической очистки сточных вод на очистных сооружениях / Матеріали 4 науково-технічної конференції студентів аспірантів та молодих учених — 25-27 листопада 2008, ДонНТУ, Донецьк — 2008 — 530с.; с іл.

Завершение магистерской работы запланировано на 31 декабря 2009 года.