Пилипенко Дмитро Вадимович

Факультет компьютерних інформаційних технологій та автоматики
Кафедра електронної техніки
Спеціальність: Електронні системи
Тема работи: Обгрунтування та дослідження структури електронної системи контролю розчиненого кисню аеротенка очисних споруд
Керівник: доцент Коренєв Валентин Дмитрович

Реферат по темі випускної роботи

 «Обгрунтування та дослідження структури електронної системи контролю розчиненого кисню аеротенка очисних споруд»

 I Загальна характеристика роботи

    Актуальність теми дослідження. Ситуація з природними запасами води в Україні дуже складна і, тим більше, в Донецькій області, яка за відповідними показниками знаходиться на передостанньому місці серед регіонів України 
Подальша експлуатація застарілого і енергоємниого обладнання у водопровідному господарстві при наявності  тенденції останніх років, щодо приватизації енергорозподіляючьої системи та подальшого підвищення тарифів на електроенергію, може порушити існуючу систему водопостачання, або зробити вартість її послуг непосильною для населення. 
    Стан проблеми захисту водойм від забруднень, багато в чому визначається ефективністю систем біологічної очистки. В даний час, метод очистки стічних вод активним мулом є найбільш універсальним і широко застосовується при обробці стоків, що містять органічні домішки різного походження.
   Використання технічного кисню, високоактивних сімбіотіческіх мулових культур, стимуляторів біохімічного окислення, різного роду вдосконалених конструкцій аеротенків, аераційного обладнання та систем відділення активного мулу, дозволило в кілька разів підвищити продуктивність методу біологічної очистки. Значні резерви приховані також у галузі інтенсифікації масообміну. Однак, подальше підвищення ефективності біологічної очистки стічних вод та реалізація різних шляхів її інтенсифікації можливі лише на основі математичного опису процесів біоокісленія та розробки способів їх оптимізації та управління. Складність розв'язання цього завдання полягає в тому, що опис біологічних систем, що мають багаторівневу організацію, вимагає врахування взаємодії біохімічних, мікробіологічних, біофізичних та технологічних факторів. Крім того, вилучення органічних забруднень в ході біологічної очистки є інтегральним результатом одночасного та послідовного вилучення компонентів субстрату окремими видами бактерій, складовими біоценози. При цьому кожен з компонентів, як правило, споживається мікроорганізмами декількох видів, здатних окислюється з різними швидкостями з'єднання, близькі по хімічній природі, і система, що описує сукупність цих процесів, що включає велику кількість рівнянь.
    У зв'язку з цим, основою аналізу повинен бути інтегральний підхід, який передбачає відмову від спроб роздільного опису поведінки кожного з елементів системи в суворо визначеній формі і базується на вивченні статистичних закономірностей поведінки складної біохімічної системи в цілому. Прикладом використання такого підходу в біології може служити математична теорія популяцій Вольтерра, що відбиває загальні закономірності взаємовідносин між популяцією і середовищем існування без дифференциального обліку поведінки кожного з складових її організмів.

    Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дані дослідження пов'язані з планом КП «Донгорводоканала» з реконструкції та розвитку Донецьких очисних споруд, впровадження передових систем моніторингу.

    Ступінь наукової розробки проблеми. Дослідження в облості технології очистки стічних вод, ведеться з моменту створення першої міської каналізації та очисних споруд в Англії. Найбільш значним кроком у розвитку очисних споруд є використання пневматичної аерації в присутності різного роду мікроорганізмів для біологічного очищення стоків.
    Незважаючи на значні досягнення у вивченні динаміки розвитку мікробних популяцій, що при розрахунку основних технологічних параметрів очисних систем до сих пір керуються емпіричними міркуваннями. У ряді випадків це призводить або до невиправданого завищення обсягу спорудженні біологічного очищення, або, навпаки, обсяг споруд виявляється недостатнім для того, щоб забезпечити потрібну ступінь очищення і надійність роботи очисного комплексу.
    З метою покращення показників ефективності процесу біологічного очищення, пропонується використовувати математичний апарат для встановлення раціональних методів проведення біологічного очищення стічних вод.

    Об'єкт дослідження. Об'єктом дослідження є етап біологічної очистки стічних вод в аеротенках на міських очисних спорудах.

    Предмет дослідження. Предметом дослідження є процес розподілу розчиненого кисню при пневматичної аерації в аеротенках.

    Мета та завдання дослідження. Метою дослідження є обгрунтування структури електронної системи контролю концентрації розчиненого кисню аеротенках для оптимізації енергетичних затрат на пневматичну аерацію мулової суміші. 
    Метод математичного моделювання дозволяє отримати рівняння (математичну модель) для опису динаміки росту мікроорганізмів і споживання субстрату і розрахувати оптимальні точки виміру концентрації розчиненого кисню у аеротенках.

    Основними завданнями дослідження є: 
    —вивчення доступних методів виміру концентрації розчиненого кисню; 
    —дослідження закономірностей масопереносу по перетину коридору аеротенках; 
    —дослідження закономірностей масопереносу по довжині коридору аеротенках; 
    —побудову просторової математичної моделі розподілу розчиненого кисеню у аеротенку; 
    —складання структури електронної системи виміру концентрації розчиненого кисню у аеротенку.

    Теоретичні джерела та методологічна основа дослідження. Теоретичною основою дослідження є використання ряду моделей газообміну:

    —Модель стаціонарної дифузії. В якості основи при аналізу процесу переносу зазвичай використовується модель сферичної бавовни з однорідною структурою, оточеного зовні дифузійним прикордонним шаром. В рамках такої моделі виявляється можливим сформулювати завдання як стаціонарного, так і не встановлинної дифузії одного або одночасно кількох реагентів і в ряді випадків одержати їх рішення в загальному вигляді.
    —Модель нестаціонарної дифузії. Фізичні моделі нестаціонарного переносу знаходять широке застосування при аналізі масопереносу на кордонах бульбашок та крапель і до теперішнього часу розроблені з відомою повнотою. При аналізі масообміну в рамках таких моделей передбачається, що в момент часу t = 0 поверхню контакту під впливом тих чи інших подій в мікромасштабах приходить зіткнення з елементом рідини и ядра потоку, концентрація перехідного компоненту у всіх точках якого дорівнює середньої концентрації в об'ємі.
    —Кінетична модель біоокісленія. Опис особливостей кінетики біологічного окислення базується головним чином на результатах аналізу отриманих експериментальних залежностей, що характеризують закономірності вилучення субстрату в різних умовах, а також на теоретичних посилка, що випливають з фізичної моделі переносу кисню до бавовни активного мулу.

    Наукова новизна отриманих результатів. Наукова новизна полягає в об'єднанні, раніше розрізнених моделей в єдину математичну модель опису просторового розподілу розчиненого кисню в аеротенках.

    Теоретичне і практичне значення отриманих результатів. Отримані результати можуть бути застосовані на міських очисних спорудах для оптимізації енергоспоживання, моніторингу та регулювання продуктивністю компресорних станцій, підвищення економічної ефективності роботи очисних споруд.

    Публікації.
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. //

Повнотекстові власні публікації по даній роботі представлені на цьому сайті в розділі "Бібліотека".

II Основний зміст

    На сучасних спорудах очищення каналізаційних стоків здійснюються етап біологічного очищення для звільнення освітленимх вод від мінеральних та органічних забруднюючих речовин, які знаходяться в підвішеному, колоїдному і розчиненим стані. Технологічна схема очисних споруд наведена на рис.1.

Рис.1. Технологічна схема роботи очисних споруд. Flash-анімація, 16 кадрів, 5,84кб, нескінченне повторення

Основна складність полягає в тому, що задовільну роботу очисних споруд необхідно забезпечити у постійно змінюючих умовах їх експлуатації (зміна складу, обсягу стічних вод, виникаючі неполадки в обладнанні і т.д.). У таких умовах роботи необхідно спиратися на модель роботи біологічного очищення і вести безперервний розрахунок складних технологічних параметрів і прогнозувати поведінки системи. 

Процес біологічного очищення забруднюючих речовин ведеться в аеротенках. В них відбувається безпосередній контакт стічних вод з організмами активного мулу в присутності відповідної кількості розчиненого кисню і наступним відділенням активного мулу від очищеної води у відстійниках. Активний мул — штучно вирощуваний біоценоз населений бактеріями, найпростішими і багатоклітинними тваринами, які трансформують забруднюючі речовини та очищують стічні води в результаті біосорбціі, біохімічного окислення. Насичення киснем відбувається шляхом барбораціі стоків киснем повітря, що подається через мережу перфорованих труб на дні аеротенках. 

Найбільш важливими факторами, що впливають на розвиток та життєздатність активного мулу, а також якість біологічної очистки, є: температура, наявність поживних речовин, вміст розчиненого кисню в мулових суміші, значення рН, присутність токсинів. Біологічна очистка— найбільш енергоємних етап, витрачається 85% електроенергії всіх очисних споруд для аерації стоків. Роль активного мулу полягає в проведенні біологічного окислення органіки в стічних водах до найпростіших сполук і сорбції. У найпростішому вигляді цей процес можна описати схемою виду:

Вирішальним фактором в роботі очисних споруд є контроль концентрації розчиненого кисню у аеротенках. Нормовані значення концентрації кисню становить 2мг / л в будь-якій точці аеротенках. Для об'єктивного аналізу процесу насичення киснем, необхідно враховувати конструкцію системи аерації та процеси масопереносу в перерізі аеротенках і по його довжині. Насичення киснем відбувається під час підйому пухирців повітря до поверхні і виникаючим газліфтовим ефектом, створюють висхідний потік рідини, що створює циркуляцію рідини по перетину аеротенках. У зв'язку з нерівномірністю аерації виникає завдання створення і дослідження моделі аеротенках для встановлення законів розподілу кисню в просторових координатах. Дослідження моделі необхідно для визначення ефективних місць розташування датчиків концентрації розчиненого кіслорода. Аеротенк, по суті, являє собою реактор для проведення біохімічного процесу окислення забруднень. Для розрахунку реактора необхідно, з одного боку, мати дані про кінетики елементарного акту процесу біоокісленія, а з іншого — знати характер руху рідини в реакторі. Для моделювання більшості конструкцій експлуатованих споруд підходить проточний реактор ідеального витіснення— в ньому відсутнє перемішування (дифузія) уздовж осі потоку та рідина проходить через апарат компактною масою. Час перебування в реакторі однаково для всіх її компонентів. У реакторі складу рідини змінюється довжині реактора, тому матеріал баланс по реагуючих речовині необхідно складати для елементарного об'єму ΔV (рис.2).

Рис.2— До рівнянь матеріального балансу реактора ідеального витіснення

Розглянемо такий елементарний реактор, який розташований на відстані х від входу реактора. Якщо концентрація реагенту на вході і виході елементарного об'єму ΔV равна відповідно L(x) та L(x+Δx), то очевидно за час  Δt→0 та Δx→0 маса реагента в об'ємі зміниться на отримаєм діфференціальне рівнення процеса ,де —об'ємна швидкість руху рідини уздовж осі реактора з площею поперечного перерізу S; L—концентрація реагенту, що піддаються перетворення; ρ(L)— швидкість хімічного перетворення. Подальші перетворення рівняння дозволяють отримати вираз для визначення часу (періоду аерації), необхідний на перетворення реагенту з концентрацією Lo до концентрації Le  

            Для вивчення процесів перетворення забруднень, необхідно знати інтенсивність перемішування середовища реактора, а найкращим показником буде локальна швидкість течії рідини щодо центру її обертання. На рис.3 представлен переріз аеротенка та схема руху рідини.

Рис.3— Схема руху рідини у перерізі аеротенка

Обертальні момент створює висхідна газорідинної струмінь з барботера. Витрата рідини вдається розрахувати виразом

,

де Vп —витрата повітря; H—глибина занурення

Провівши діффіренціювання можна отримати значення лінійної швидкості висхідного потоку Vmax . У першому наближенні центром обертання є перетин діагоналей аеротенка (точка 0). Для визначення швидкості течії в будь-якій точці перетину, відстає від центра на відстані r, можна скористатися виразом

,

де , H—глибина занурення; и В— ширина аеротенка.

Аналіз моделі процесів масопереносу і газообміну дозволить в подальшому обгрунтувати точки контролю технологічних параметрів і оцінки якості роботи аеротенків, він скоротить обсяг комплексу технічних засобів, що підвищить його інформативність. Враховуючи той факт, що обсяг і склад стоків змінюється безперервно і залежить від часу доби, то оперативний контроль за роботою аеротенків може знизити енергоємність і підвищити якість очищення стоків.

Після етапу встановлення точок встановлення датчиків концентрації розчиненого кисню, необхідна електронна система збору інформації та її аналізу. Електронна система повинна виконувати такі функції:
— живлення апаратури і пристроїв системи; 
— збір свідчень датчиків концентрації кисню; 
— передачу даних в лабораторію і диспетчерську компресорної станції; 
— зберігання, архівування отриманих даних; 
— ведення звітної документації; 
— аналіз даних і підведення статистики роботи аеротенків.

 Для розгляду запропонована структурна схема зображена на рис.4.

Рис.4— Структурная схема єлектронної системи

Умовні позначення:
Д — датчик концентрації розчиненого кисню;
КСД —контроллер сбору даних;
ПИ — перетворювач інтерфейсів;
РШ — радіо-шлюз;
ПК — персональний комп'ютер;
ПО — програмне забезпечення;
БД — база даних
УДК — пристрій диспетчерського контролю.

Розглянемо принцип роботи даної схеми. КСД безперервно стежить за показаннями датчиків концентрації розчиненого кисню (Д) і зберігає останні результати у власну пам'ять. З причини значної протяжності аеротенка, передбачено встановлення одного КСД на кожен аеротенок. За певний часовий інтервал перетворювач інтерфейсів (ПІ) буде опитувати всі КСД і отримувати з нього дані. Далі дані будуть передаватися в радіо-шлюз (РШ) для бездротової передачі в лабораторний комплекс і диспетчеру в компресорну станцію. Радіо-шлюз буде контролювати та розподіляти ресурси радіо каналу, проводити індетіфікацію і адресаціяю даних. Встановлений у лабораторному комплексі персональний комп'ютер (ПК) необхідний для роботи програмного забезпечення (ПЗ) системи та роботи з базою даних (БД). Диспетчеру компресорної станцією необхідно знати поточну концентрацію розчиненого кисню у аеротенках для вироблення керуючого впливу на компресорні агрегати, тобто регулювання подачі повітря.

 
III Анотація

    Пилипенко Д.В. Обгрунтування та дослідження структури електронної системи контролю розчиненого кисню аеротенка очисних споруд. — Рукопис.

    В роботі вивчається механізми газообміну у аеротенках очисних споруд, побудова та обогрунтування математичних моделей різних протікаючих процесів масопереносу з метою побудови структурної схеми електронної системи контролю розчиненого кисню. Створення системи такого роду дозволяє оптимізувати споживання електроенергії компресорної станцією і підвищення якості біологічної очистки стічних вод.

    Ключові слова: очисні споруди, аеротенок, розчинений кисень, газообмін, масоперенос, активний мул, турбулентність, математична модель.

Література

1. Брагінский Л. Н. Моделювання аераційних споруд для очистки стічних вод. -Л.: Хімія, 1980.
2. Вавілін В. А. Математичне моделювання процесів біологічної очистки стічних вод активним мулом.- М.: Наука, 1979.
3. Башарин А.В. Управління електроприводами: Навчальний посібник для вузів. - Л: Энергоіздат, 1982. – 357с.
4. Черкасский В.М. Насоси, вентилятори,компресори: Навчальний посібник для вузів. – М: Энергоатоміздат, 1984. – 316с.
5. Штерн Л.Я. Регулювання та автоматизація воздуходувних і компресорних станцій: Навчальний посібник для вузів. – М: Металлургіздат., 1963. – 378с.
6. Гревцев Н.В. Москаленко Е.А. Склад і властивості опадів стічних вод. Тези доповіді Уральської гірничопромисловому декади 14-23 квітня 2008р. стр.247.
7. Жмуρ Η.С. Технологічні та біохімічні процеси очищення стічних вод на спорудах з аеротенках. - М.: АКВАРОС, 2003. - 512 с.
8. Каналізація населених місць і промислових підприємств /Н. И. Лихачев, И. И. Ларин, С. А. Хаскин и др.; Под заг. ред. В.Н. Самохина. — 2-е ізд., перероб. и доп. — М.: Стройіздат, 1981. —639с.
9. Евилевич Μ.А., Брагинский Л.Η. Оптимізація біохімічного очищення стічних вод. — Л.: Стройіздат, Ленінградське. від-ня, 1979.- 160 с.
10. Пилипенко Д.В. Коренев В.Д. Моделювання динамічних процесів біологічної очистки стічних вод на очисних спорудах / Матеріали 4 науково-технічної конференції студентів аспірантів та молодих учених — 25-27 листопада 2008, ДонНТУ, Донецьк — 2008 — 530с.; с іл.

Завершення магістерської роботи заплановано на 31 грудня 2009 року.