МОДЕЛИРОВАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ЧАСТИ ЭЛЕКТРОННОЙ
СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ИНДЕКСА ИЛА

Ведение. Современные темпы развития промышленного производства, технологических процессов с каждым годом все более усугубляют экологическую ситуацию, обусловленную сбросами загрязненных сточных вод в окружающую среду. Основной задачей для решения существующей проблемы является их очистка. Применение того или иного метода очистки в каждом конкретном случае определяется характером загрязнения и степенью вредности примесей. На сегодняшний день оптимальным способом очистки сточных вод является метод аэробной биологический очистки, в основе которого лежит работа аэротенка с биологической массой активного ила.

Несовершенство технологического режима приводит к систематическим нарушениям условий работы аэротенков, поэтому для улучшения качества очистки вод актуальным является использование автоматизированных систем контроля и прогнозирования условий работы аэротенка.

Обзор существующих исследований. В настоящее время автоматизация управляемых процессов биохимической очистки сточных вод развивается в двух направлениях:

1. Контроль качества воды, поступающей (характер загрязнения, присутствие ПАВ, значение рН, присутствие токсинов).
2. Контроль технологического процесса очистки (температура, наличие питательных веществ, содержание растворенного кислорода в иловой смеси, иловый индекс и др.).

В условиях повышения интенсивности использования биологического метода очистки сточных вод важным является разработка электронной системы контроля параметров активного ила в аэротенке с возможностью дальнейшего прогнозирования состояния биологической среды аэротенков, и как следствие, степени и качества очистки загрязненных вод, поскольку популяции флокулообразующих бактерий составляют в иле (90-95)%, их состояние, активность и адаптивность к экологическим условиям аэротенков определяют устойчивость и эффективность биохимического окисления загрязняющих веществ, присутствующих в сточных водах.

Целью работы является обоснование структурной схемы электронной системы контроля индекса ила, поскольку нарушения в режиме эксплуатации сооружений в первую очередь сказывается на образовании хлопьев активного ила и их осадке, при ухудшении седиментационных характеристик ила он плохо отделяется от очищенной воды и вымывается из вторичных отстойников.

Выбор метода. Аналитический расчет индекса ила осуществляется по формуле :

где V_0.5 — доза ила по объему, см³/дм³; d — доза ила по массе, г/дм³.

Для удовллетворительной работы доза ила в аэротенках не должа превышать 3 г/дм³ [1].

Присутствие в аналитическом выражении (1) дозы ила по объему указывает на преимущество использования измерительного устройства в виде сосуда изначально известного объема, в котором необходимый расчет дозы ила V проводился бы бесконтактным способом во избежание взбалтывания исследуемой пробы [2]. Поставленному требованию удовлетворяет оптический метод анализа мутных сред, основанный на измерении интенсивности поглощенного ими света, — турбодиметрии, который лишь в незначительной степени уступает аналитическим методам. Преимущества метода заключаются в его чрезвычайной чувствительности и скорости.

Таким образом, в электронной системе контроля индекса ила использован измерительный преобразователь, реализующей оптический метод анализа мутных сред, а именно фотопреобразования рассеянного от частиц ила света.

Решение задачи. Предлагаемая электронная система контроля индекса ила состоит из измерительной части системы преобразования и управления на основе микропроцессора. Измерительная часть представлена седиментационным сосудом, по всей длине которого расположены фотопреобразователи на основе фотодиодов, а в верхней части сосуда светоизлучатель. Датчик уровня жидкости срабатывает при заполнении необходимого объема пробы, сигнал от которого поступает в микропроцессорную систему, где формируется сигнал остановки электромеханизма забора пробы. После заполнения емкости исследуемая жидкость отстаивается в течение 30 минут, причем каждые 3 минуты включается освещение и производится измерение освещенности по всей длине сосуда с помощью фотоприемников, судя по которой можно сделать вывод о плотности осадка по всей длине измерительной емкости. Структурная схема системы контроля индекса ила представлена на рис. 1.

В предлагаемой структурной схеме УВХ — устройство выборки и хранения, МКПС — микропроцессорная система, блок коммутации — мультиплексор аналоговых сигналов.

Поскольку среда активного ила по длине сосуда неоднородна, освещенность по всей длине сосуда можно описать совокупностью уравнений освещенности на каждом измеряемом уровне от дна сосуда E={E₁, E₂,.., E_n}.

Объем осадка (2) определяется по уровню освещенности фотодиодов E₁≥E₂≥...E_m>>E_m+1≥E_m+2≥..≥E_n, где E₁ — фотодиод у дна сосуда, E_n — фотодиод вверху сосуда, E_m>>E_m+1 — граница осадка и осветленной воды;

где l — расстояние между фотодиодами; m — число фотодиодов, зарегистрировавших осадок; d — диаметр сосуда.

Принцип работы устройства измерительной части системы основан на измерении рассеянного света фотодиодом, включенным в фотопреобразователь. Напряжение на выходе i фотопреобразователя определяется выражением:

где E_{вх фп i} = E_i — освещенность на i уровне измерения, зависимость от концентрации.

На рис. 2 приведены промоделированные зависимости концентрации от времени отстаивания и высоты, на рис. 3 — напряжения на выходе фотопреобразователя от концентрации ила.

Рис. 2 — Зависимость концентрации активного ила от времени и высоты от дна	Рис. 3 — Зависимость напряжения на выходе фотопреобразователя от концентрации

Из результатов, приведенных на рис. 2 и рис. 3, следует, что при изменении концентрации ила по длине сосуда, а значит и индекса ила, в диапазоне от 0 до 2 мг/л выходное напряжение преобразователя для этих концентраций изменяется от 4.7 до 4.8 В. С учетом собственных шумов преобразователя на входе порядка 0.01 мВ и коэффициента преобразования усилителя (около 10⁸ А/В) пороговая чувствительность составляет 0.01 мг/л, что удовлетворяет техническим требованиям к системе.

Выводы.

1. Аргументирована необходимость оперативного отслеживания состояния активного ила в аэротенках.
2. Показано, что использование оптического метода позволяет разработать электронную систему контроля илового индекса.
3. Промоделирована измерительная часть системы, что позволило получить зависимости концентрации активного ила от времени осаждения и расстояния от дна сосуда и выходного напряжения фотопреобразователя от концентрации ила.

Список литературы.

1. Жмур Н.С. Технологические и биохимические процессы очистки сточных вод на сооружениях с аэротенками. — М.: АКВАРОС, 2003 г. — 512с.
2. Петрова Е.Э., Тарасюк В.П. Обоснование структурной схемы электронной системы контроля илового индекса в аэротенке // Сборник Интернет-конференции «Інформаційні і керуючі системи в промисловості, економіці та екології.», 2011», 20 листопада — 31 грудня 2011г. — Технологічний інститут Східноукраїнського національного університету ім. Володимира Даля (м. Сєвєродонецьк), 2011. — Электронные данные. — Режим доступа: URL: http://193.108.240.69/moodle/file.php/1/conf3/Statji/ SISTEMY_KONTROLYA_ILOVOGO_INDEKSA.doc — Дата доступа: декабрь 2011.