Магістр ДонНТУ Петрова Катерина Едуардівна






ПЕТРОВА
Катерина Едуардівна

Факультет комп'ютерних інформаційних
технологій та автоматики

Кафедра електронної техніки

Спеціальність „Електронні системи“

РОЗРОБКА ТА ОБГРУНТУВАННЯ СТРУКТУРНОЇ
СХЕМИ ЕЛЕКТРОННОЇ СИСТЕМИ КОНТРОЛЮ
ПАРАМЕТРІВ АКТИВНОГО МУЛУ НА ОЧИСНИХ
СПОРУДАХ

Науковий керівник:
доц., к.т.н. Тарасюк Вікторія Павлівна


РЕФЕРАТ

Зміст реферату


Вступ

Сучасні темпи розвитку промисловості і сільського господарства з кожним роком вимагають все більші обсяги водних ресурсів для задоволення потреб міст, населених пунктів, заводів, фабрик. Очевидно, що одночасно зі збільшенням споживання води промисловістю та сільським господарством зростає і її забруднення, оскільки головним джерелом забруднення водного середовища є стічні води.

У Донецькому регіоні зосереджено п'ята частина промислового потенціалу держави. Тут розташовано близько 1,5 тис. великих промислових підприємств; близько 70% виробленої в області продукції реалізується на зовнішньому ринку. За обсягом реалізованої продукції в структурі промислового виробництва більше 82% припадає на екологічно небезпечні виробництва: металургійну (48%) і видобувну (12%) промисловості, електроенергетику (10%), хімічну, нафтохімічну і коксохімічну промисловість (13%). У той же час Донецька область займає в Україні перше місце щодо скидання забруднених стічних вод [1, 2].

Основна маса стічних вод в Донецькій області, як і на всій території України (близько 80% від загального обсягу очищеної води), очищається на біологічних очисних спорудах, які є потужним захисним екраном.

У табл. 1 представлено порівняльну характеристику основних методів очищення стічних вод.

Таблиця 1 – Порівняльна характеристика основних методів очищення стічних вод.

Метод очищення
Сутність методу, переваги, недоліки
Механічний Нерозчинні частинки видаляють грубої фільтрацією, уловлювачами і відстійниками. Колись це був основний спосіб обробки стоків більшості підприємств. Зараз його використовують лише для попередньої очистки стоків
Хімічний На деяких очисних спорудах використовуються хімічні реагенти для очищення стоків. Після реакції з реагентами нечистоти випадають в осад. Осаджені частки вилучаються механічним способом. Хімічний спосіб має малу ефективність при очищенні стічних вод, що містять багато різних за своєю структурою нечистот
Електролітичний Через воду пропускають електричний струм, що викликає випадання в осад більшості розчинених речовин. Незважаючи на те, що такий спосіб має високу ефективність, одним з його істотних недоліків є висока енерговитратність
Біологічний Найбільш ефективний і економічний спосіб. Мінералізація відбувається завдяки біологічним процесам, здатності бактерій активного мулу обробляти розчинені речовини, що містяться в побутових стоках. Такий спосіб підходить для вод, різних за походженням свого забруднення. У природних умовах побутові стоки подаються на поля для зрошення, де їх переробляють бактерії, що знаходяться в ґрунті. Біологічний метод використовується також в автономних станціях по очищенню стічних вод (СОСВ). Ефективність станцій біологічної очистки досягає 98%. Вода на виході порівнюється за якістю з технічною водою і може використовуватися для відповідних потреб [3].

З наведеної в табл. 1 порівняльної характеристики методів очищення очевидно, що біологічний метод найбільш ефективний для очищення стоків різного складу і його ефективність може досягати 98%.

В основі методу біологічної аеробної очистки лежить робота аеротенку та біологічно активної маси — активного мулу.

Активний мул — бактерії і найпростіші, що мешкають колоніями у вигляді зважених у воді пластівців. У присутності кисню мікроорганізми поглинають і окислюють органічні речовини. Після переробки порції цих речовин активний мул треба відокремити від очищеної води і повернути в забруднені стоки, де процес поглинання (очищення) продовжиться.

Аеротенк — ємність (зазвичай прямокутної форми) з активним мулом і пристроєм розпилення повітря, який перемішує стічну воду і насичує киснем [4, 5].

1. Актуальність теми

В даний час споруди очищення стічних вод в нашій країні працюють неефективно через моральний і фізичний знос обладнання, недостатній рівень автоматизації та недостатню кваліфікації персоналу, внаслідок нестачі даних для прийняття рішень. Це викликано тим, що ряд значень параметрів важко визначаються через відсутність відповідних вимірювальних засобів.

Жорсткі умови експлуатації при недосконалості технологічного режиму призводять до систематичних порушень умов роботи аеротенків. Спроби покращити роботу існуючих споруд шляхом зміни системи впуску стічних вод, збільшення витрати повітря, що подається додатковою установкою аераторів часто виявляються технічно важко здійсненними і призводять до незначних результатів. Тому кращим виходом із ситуації є використання автоматизованих систем контролю та прогнозування умов роботи аеротенках для поліпшення їх роботи.

2. Постановка завдання досліджень

Автоматизація керованих процесів біохімічної очистки стічних вод в даний час розвивається в двох напрямках:

  1. Контроль якості води, що надходить (характер забруднення, присутність ПАР, значення рН, присутність токсинів);
  2. Контроль технологічного процесу очищення (температура, наявність поживних речовин, вміст розчиненого кисню в мулової суміші, муловий індекс та ін) [6].

Популяції флокулоутворюючих бактерій складають в мулі (90-95)%, їх функціональний стан, активність і адаптивність до екологічних умов аеротенків визначають стійкість і ефективність біохімічного окислення забруднюючих речовин, присутніх у стічних водах. Екологічні умови в аеротенках забезпечуються сукупністю факторів, що впливають на активний мул, які визначаються конструктивними особливостями споруд, умовами їх експлуатації і складу стічних вод, що очищуються.

У процесі експлуатації очисних споруд регіструється багато параметрів, що характеризують якість стічних вод, що очищуються. це пов'язано з необхідністю комплексного контролю всіх процесів, що впливають на фізіологічний стан організмів активного мулу, і, як слід, на результат очищення. Комплекс параметрів, що характеризують стан активного мулу, отриманих при діагностиці, може бути використаний в системах прогнозування для виявлення причин, що несприятливо впливають на біомасу активного мулу.

Таким чином проблема технологічного контролю за процесом є актуальною, особливо в умовах підвищення інтенсивності використання біологічного методу очищення стічних вод, а оперативне відстеження стану активного мулу дозволить прогнозувати стан біологічної середи аеротенків, і як слід, ступені та якості очищення забруднених вод. Тому завданням є розробка електронної системи контролю параметрів активного мулу в аеротенку.

3. Мета роботи:

  1. Розробка та обґрунтування структурної схеми електронної системи контролю індексу мулу, оскільки порушення в режимі експлуатації споруд у першу чергу впливають на утворенні пластівців активного мулу та їх осадженні, при погіршенні седиментаційних характеристик мулу він погано відділяється від очищеної води та вимивається у вторинні відстійники.
  2. Моделювання електронної системи контролю індексу мулу.

4. Огляд існуючих рішень

З кожним роком кількість розробок і методик розрахунку, що застосовуються на спорудах очистки стічних вод, зростає.

4.1. Світові

У США для розрахунку аеротенків найбільший розвиток отримала методика, розроблена в 1993 р. агентством з екологічного захисту EPA [7]. У країнах Західної Європи для розрахунку обсягів споруд - методика розрахунку аеротенків для видалення біогенних елементів, розроблена Німецькою водною асоціацією DWA [8, 9]. Найбільш поширеною загальновизнаною методикою в Європі вважається німецький стандарт ATV-DVWK-A 131E [8]. В основу розрахунку аеротенків покладено визначення мінімального аеробного віку активного мулу, необхідного для збереження та акумуляції в ньому нітріфікуючих бактерій [10]. Група вчених Хенце М., Армоес П.А., Ля-Кур-Янсен Й., Арвай Е. у своїй книзі [11] викладають методики розрахунку аеротенків при різних комбінаціях відомих параметрів стічних вод, а також займаються розробкою систем моделювання і прогнозування.

Корпорація HACH-Lange об'єднала найбільших світових виробників аналітичних систем аналізу якості води: HACH (США), Dr. Lange (Німеччина), Polymetron (Франція), American Sigma (США), LACHAT (США), Hydrolab (США), Radiomert analytical (Данія). HACH-Lange пропонує готові рішення для польового, лабораторного та промислового аналізу. Досконалі портативні і лабораторні прилади з запрограмованими методиками аналізу в поєднанні з готовими до вживання дозованими реактивами скорочують час аналізу та зводять імовірність помилки вимірювань до мінімуму. Промислові аналізатори HACH-Lange призначені для безперервної роботи, мають величезний ресурс, прості у використанні, відрізняються низькою витратою реагентів і вимагають мінімального обслуговування. Прості і випробувані методики HACH-Lange заслужили широке визнання по всьому світу як у досвідчених аналітиків, так і у непрофесійних користувачів [12].

Лабораторія Hydrolab розробляє багатопараметричні інструменти визначення якості води, побудовані на основі сучасних датчиків [13]. У Данії дослідженнями та розробкою нових екологічно чистих і стійких технологій займається департамент інженерної екології (навколишнього середовища) [14]. Діяльність інституту та наукових досліджень, навчання та інновацій орієнтована на теми: інженерія відхідних ресурсів, міське водне будівництво, інженерія водних ресурсів, екологічна хімія і мікробіологія. У Фінляндії розробкою програмного забезпечення для експрес-дослідження в галузі мікробіології „Bioscreen C“ займається компанія Transgalactic Ltd. Система „Bioscreen C“ представляє собою пристрій-інкубатор для моніторингу росту культури на 200 проб в одному корпусі. Мікробіологічні криві зростання (каламутності від часу) і складні мікробіологічні розрахунки генеруються автоматично на більш ніж 20 аркушах MS Excel [15]. Чималий внесок у дані теми біологічної очистки води, властивостей активного мулу вчених інженерного відділу водних ресурсів Королівського технологічного інституту (Royal Institute of Technology (KTH), Стокгольм, Швеція) [16].

Значний внесок у розробку сучасних методів розрахунку споруд біологічної очистки з видаленням сполук азоту та фосфору внесено вченими з Санкт Петербурга [17]. В основу розрахунку покладено добове навантаження на мул по БПК Нi (кг/кг·добу), на підставі якої потім визначається необхідна маса мулу в спорудах і місткість аеротенках. Проблемою розробки типових проектів сучасних споруд очищення від органічних і біогенних (азоту і фосфору) елементів займається працівники Московського інституту комунального господарства ВНІТІБП Баженов В.І., Денисов А.А., автори роботи „Проектування сучасних комплексів біологічного очищення стічних вод“. Баженова В.І. отримана рециркуляційна модель біохімічних процесів, що забезпечує високу ступінь кореляції аналітичних залежностей з даними експериментальних досліджень і надійність застосування при проектуванні промислових очисних споруд. На підставі проведених досліджень розроблено методичні рекомендації щодо оптимізації рециркуляційної моделі біохімічних процесів аеробної біологічної очистки та методичні рекомендації з інженерних питань проектування споруд аеробної біологічної очистки стічних вод підприємств агропромислового комплексу [18]. Робота виконана у Всеросійському науково-дослідному і технологічному інституті біологічної промисловості РАСГН і Московському інституті комунального господарства і будівництва.

Маршалів О.В., Качанов Е.А., Рижкова В.А., Абубікорова Ю.Р., студенти та аспіранти філії ЮУрГУ р. Златоуста, метою проведених досліджень ставлять розробку методу інтенсифікації процесу біологічного водоочищення стічних вод. Ними опублікована робота „Математичне моделювання процесу біологічної очистки стічних вод флокулюючих активним мулом“ [19]. В результаті встановлено, що одним з важливих параметрів, що впливають на швидкість біологічної очистки, є розмір флокул активного мулу. Впливаючи на мул з метою диспергування пластівців, можна інтенсифікувати процес очищення.

4.2. Національні

На національному рівні розробкою методів доочищення стічних вод за допомогою водоростей і вищих водних рослин займається Відділ біотехнологій та фіторесурсів Інституту біології південних морів ім. А.О. Ковалевського. Національна академія наук України. Вавіліним В.А., Васильєвим В.Б. написана книга „Математичне моделювання процесів біологічної очистки стічних вод активним мулом“ [20]. В основі представлених в книзі розрахунків лежить експериментальне дослідження кінетичних характеристик активного мулу.

Єсін М.А. (НПФ «Екополімер», м. Харків) на підставі базових критеріїв розрахунку запропонована методика розрахунку аеротенків з видаленням сполук азоту та фосфору [10].

Великий внесок в національні розробки в області водоочистки внесли Горносталь С.А., преп., НУЦЗУ, Кириченко І.К., д-р фіз.-мат. наук, проф., УИПА, спільниками А.П., д-р фіз.-мат. наук, проф., НУЦЗУ. Ними досліджено можливість покращення якості біологічної очистки стічних вод в аеротенках, встановлено, що при реалізації системи очищення у вигляді аеротенк-витіснювач можна зменшити концентрацію забруднень, що скидаються в природні водойми, приблизно в 20 разів і підвищити екологічну безпеку очисних споруд [21]. На основі запропонованої математичної моделі біологічної очистки стічних вод в аеротенках проведено аналіз роботи аеротенках в різних умовах в залежності від точок подачі, інтенсивності подачі стічних вод і концентрації забруднень в стічних водах, що надходять на очистку. На основі узагальнення моделей біологічної очистки в ідеальних аеротенках зроблена спроба описати явища очищення в реальних спорудах. Показано, що такі моделі не придатні для цих цілей. Запропоновано нову математичну модель, результати розрахунків за якою дозволять розробити рекомендації щодо запобігання надзвичайних ситуацій, пов'язаних з попаданням у водойму недостатньо очищених стічних вод [22, 23, 24].

4.3. Локальні

У Донецькому національному технічному університеті питанням біохімічної очистки займаються Федюн Р.В., Попов В.А., Найдьонова Т.В. (Каф. „Автоматизовані системи управління“), в їх роботі „Принципи побудови динамічної моделі процесу біохімічної водоочистки“ проведена декомпозиція процесу біохімічної водоочищення на технологічні модулі. Обгрунтована структура моделі процесу біохімічної водоочистки з урахуванням зв'язності параметрів технологічних модулів [6].

Найдьонова Т.В., Юрченко Р.В. (Каф. „Автоматизовані системи управління“) виділили комплекс контрольованих параметрів технологічного процесу очищення стічних вод для розробки ефективної моделі системи автоматичного контролю седиментаційних властивостей мулу в аеротенках [25].

Приходченко Б.В., Тарасюк В.П. в роботі „математична модель аеротенків коридорного типу, Що працює в умів технологічного процесу біологічного етап очищення стічніх вод“ [26] наводять результати побудови математичної моделі технологічного процесу біологічного етапу очищення стічних вод аж до етапу біохімічних перетворень, що відбуваються в аеротенках. У статті детально розглянуто математичний апарат для визначення гідродинамічної структури потоків в аеротенках коридорного типу. Також визначено основні елементи структурної схеми комп'ютерної інформаційно-вимірювальної системи.

5. Вибір методу контролю.

Завдання забезпечення високої якості очищення зводиться до підтримки задовільного фізіологічного стану активного мулу та його ферментативної активності. Найбільш важливим фактором, що впливає на розвиток і життєдіяльність активного мулу, є температура, присутність поживних речовин, вміст розчиненого кисню в муловій суміші, значення рН, присутність токсинів [4].

Інформацію про флокуляцію та осадження мулу дає муловий індекс. За визначенням, індекс мулу — величина, зворотна концентрації мулу в муловій фазі після півгодинного відстоювання (1):


I = V0.5 / d, (1)

де V0.5 — доза мулу за об'ємом, см3/дм3; d — доза мулу за масою, г/дм3.

Для задовільної роботи вод доза мула в аэротенках не повинна перевищувати 3 г/дм3 [4].

На рис. 1 показано осадження активного мулу при задовільних седиментаційних характеристиках та високій якості очищення, що забезпечується таким мулом.

Рис. 1 — Осадження активного мулу при задовільних седиментаційних характеристиках
Рис. 1 — Осадження активного мулу при задовільних седиментаційних характеристиках

Проведена математична модель показує, що для забезпечення задовільних умов життєдіяльності мулу та задовільного режиму експлуатації споруд необхідно підтримувати стабільність індексу мулу.

Присутність в аналітичному виразі (1) дози мулу за об'ємом вказує на переваги використання вимірювального пристрою в виді ємності поперед відомого об'єму, в якому необхідний розрахунок дози мулу V проводився б безконтактним способом для запобігання збовтування проби, що досліджується. Поставленій вимозі задовольняє оптичний метод аналізу каламутних серед, заснований на виміру інтенсивності поглинання ними світла, — турбодіметрії, який лише в незначній степені уступає аналітичним методам. Переваги метода полягає в його чутливості та скорості [27].

Таким чином, в електронній системі контролю індексу мула використано вимірювальний перетворювач, що реалізує оптичний метод аналізу каламутних серед, а власне фотоперетворювач розсіяного світла від частинок мулу.

6. Рішення завдання

Запропонована електронна система контролю індексу мулу складається з вимірювальної частини, системи перетворення та керування на основі мікропроцесора. Структурну схему системи контролю індексу мулу представлено на рис. 2.

Рис. 2 — Структурна схема електронної системи контролю індексу мулу
Рис. 2 — Структурна схема електронної системи контролю індексу мулу

Основний принцип функціонування електронної системи полягає в визначенні каламутності за всією довжиною судини з мулом, що досліджується по зміні інтенсивності світла, розсіяного під любим кутом. На рис. 2 позначено: ПВХ — пристрій вибірки та зберігання, МКПС — мікропроцесорна система.

Вимірювальна частина представляє собою блок освічення, блок фотоприймачів і седиментаційну судину (рис. 3), за всією довжиною якого розташовані фотоперетворювачі 3 на основі фотодіодів, а в верхній частині судини випромінювач світла 2. Запропонована конструкція вимірювального пристрою має отвір для заповнення судини муловою сумішшю 4. Датчик рівня рідини 1 спрацьовує при заповнені необхідного об'єму проби, сигнал від якого надходить до мікропроцесорної системи, де формується сигнал зупинення електромеханізму забору проби.

Рис. 3 — Конструкція вимірювального пристрою
Рис. 3 — Конструкція вимірювального пристрою

Освітлення здійснюється за допомогою випромінювача світла, у якості якого використано світлодіод. Для збудження випромінювача світла використано схему ТТЛ-формувача з активним високим рівнем.

Після заповнення ємності досліджена рідина відстоюється протягом 30 хвилин, при цьому кожні 3 хвилини вмикається освітлення і проводиться вимір освітлення за всією довжиною судини за допомогою фотоприймачів, по якій можна зробити висновок про щільність осаду, а значить і об'єм, що займає осад, за всією довжиною вимірювального пристрою.

Для комутації виходів фотоперетворювачів освітленості до входу пристрою вибірки та зберігання (ПВХ), а далі до АЦП, використано мультіплексорне дерево з аналогових мультіплексорів. Управління мультіплексорами здійснюється за допомогою кода виборки, що надходить від мікроконтролеру. Сигнали, що комутуються мультіплексорним деревом, по черзі перетворюються за допомогою АЦП і записуються в пам'ять мікроконтролера. Далі випромінювач мікроконтролер здійснює розрахунок дози мулу за об'ємом і індекс мулу.

Після 30 хвилин будується седиментаційна характеристика.

Мікропроцесорна система на основі мікроконтролера управляє блоками взаємодії з вимірюючим пристроєм, електромеханізмом забору проби, блоком комутації, перетворенням сигналу за допомогою АЦП, пристроєм вводу-виводу: блоком кнопок, графічним дисплеєм, інтерфейсом для інтеграції з персональним комп'ютером RS232.

Алгоритм функціонування системи приведено на рис. 4.

Рис. 4 — Алгоритм функціонування вимірюючої частини системи контролю індексу мулу
Рис. 4 — Алгоритм функціонування вимірюючої частини системи контролю індексу мулу
(анімація: 7 кадрів, 5 циклів повторення, 136 Кб)

Принцип роботи пристрою вимірювальної частини системи з використанням розсіяного світла представлено на рис. 5.

Рис. 5 — Принцип вимірювальної частини пристрою з використанням розсіяного світла
Рис. 5 — Принцип вимірювальної частини пристрою з використанням розсіяного світла L — джерело світла (випромінюючий діод); О1, О2 — перший та другий об'єктиви; Pr — проба; Е — приймач (фотодіод)

Приймач Е (фотодіод) знаходиться за пробою на оптичній вісі пристрою, що вимірює загасання світіння, що викликано розсіюванням світла — визначає каламутність проби [28].

Оскільки активний мул являє собою дисперсну систему з безліччю дисперсних фаз, частки відчувають вплив молекул середовища. Крива осадження полідисперсної суспензії показана на рис. 6. На рисунку позначено q1 — кількість найбільшої фракції з розміром частинок від rmax до r1, %; t1 — час осідання фракції q1; q2 — кількість фракцій з розміром часинок від r1 до r2, %; t2 – час осідання фракції q2; q3, q4 аналогічно q1, q2 [29]. Крива осадження активного мулу як залежність об'єму, який займає осад від часу осадження, є седиментаційною характеристикою, що приведено вище на рис. 1.

Рис. 6 — Крива осадження полідисперсної суспензії
Рис. 6 — Крива осадження полідисперсної суспензії

Крива осідання полідисперсної суспензії на рис. 1 та експериментально отримана у [4] седиментаційна характеристика активного мулу на рис. 6 не є прямими і не мають зламів, найчастіше це плавні лінії. Це вказує на те, що система безперервна динамічна. Осідання мулу рівномірне і плавне. До того ж швидкість осідання крупних пластівців мулу (фракція q1 у порівнянні з фракцією q2 на рис. 4) швидше, тому вони утворюють осад на дні судини. В такому разі розсіяне світло у нижчих шарах значно менше, ніж у верхніх. Більш того, коли для нижніх шарів інтенсивність розсіяного світла зменшується, у верхніх навпаки збільшується завдяки осідання більш легких фаз суспензії та, як слід, зменшується каламутність. Таким чином концентрація мулу, що впливає на інтенсивність розсіювання світла, в конкретному вибраному об'ємі dV залежить від часу осідання та висоти від дна судини.

В ідеальному випадку приймаємо характер осідання від часу і висоти C(h,t) експоненціальним.

На рис. 7 зображено сімейство характеристик залежності концентрації активного мулу в седиментаційній судині від часу та висоти від дна, що отримано шляхом моделювання відповідних характеристик у системі MathCad. За концентрацію на момент початку осадження (t=0) прийнято С=2 мг/л (за всім об'ємом проби), h16>h15>..>h0. Для t>0 концентрація визначається за об'ємом осаду та освітленої води, тому у нижніх шарах проби концентрація зростає і перевищує 2 мг/л, а у верхніх навпаки зменшується.

Аналітична залежність концентрації від часу має вигляд (2) для верхніх шарів і (3) для нижніх:


C(t,a) = Cм · e-t·a,

C(t,a) = Cм — Cм · e-t·a,		 (2)

(3)

де Cм — концентрація мулу за всім об'ємом седиментаційної судини; a — коефіцієнт, що враховує коефіцієнт поглинання та висоту від дна судини; a=f(k,h) — лінійна функція.


Рис. 7 — Залежність концентрації активного мулу від часу і висоти від дна судини
Рис. 7 — Залежність концентрації активного мулу від часу і висоти від дна судини

Оскільки середа активного мулу за довжиною судини неоднорідна, освітленість за всією довжиною судини може описуватись сукупністю рівнянь освітленості на кожному рівні виміру рівня від дна судини E={E1, E2,.., En}.

Об'єм осаду (4) визначається за рівнем освітленості фотодіодів E1≥E2≥...Em>>Em+1≥Em+2≥..≥En, де E1 — фотодіод у дна судини, En — фотодіод зверху судини, Em>>Em+1 — межа осаду і освітленої води;


V = m · l · π · d2 (4)

де l — відстань між фотодіодами; m — кількість фотодіодів, що зареєстрували осад; d — діаметр судини.

Принцип роботи пристрою вимірювальної частини системи полягає в виміру розсіяного світла фотодіодом, ввімкненим до фотоперетворювача. Напруга на виході i фотоперетворювача визначається виразом:


Uфп вих i = f(Eвх фп i(C)) (5)

де Eвх фп i=Ei — освітленість на i рівні виміру, залежність від концентрації.

Фотоперетворювач являє собою перетворювач оствітленості у напругу на основі фотодіода, ввімкненого до вхідної ланки операційного підсилювача (рис. 8).

Рис. 8 — Схема фотоперетворювача на операційному підсилювачі
Рис. 8 — Схема фотоперетворювача на операційному підсилювачі

Напруга на виході перетворювача визначається як


Uфу вих(С) = Iфп(С)·10-6+Eзм1 · R5 / (R5 + R4) (6)

де Iфп(С) — залежність фотоструму від концентрації мулу; R6 — опір в ланцюзі зворотного зв'язку; E — напруга зміщення; R4, R5 — дільник напруги [30, 31, 32].

Оскільки концентрація мулу змінюється за експоненціальним законом від часу на поточній висоті судини, побудовано сімейство характеристик фотоструму фотодіода від концентрації мулу для t від 0 до 15 хв. з шагом 2,5 хв. (див. рис. 9) в верхніх і середніх шарах седиментаційної судини. При цьому рисунку а) відповідають характеристики осадку на максимальній висоті від дна судини (для верхнього фотодіода з блока фотодіодів), рисунку б) — характеристики, отримані для середини судини. На рис. 9 видно, що фотострум змінюється незначно, а швидкість його зміни також уменшується зі збільшенням часу відстоювання і об'ємом, який займає осад.

З результатів, приведених на рис. 9 видно, що при зміні концентрації мулу за довжиною судини, а значить і індексу мулу, в діапазоні от 0 до 2 мг/л струм фотодіода змінюється в незначних межах (1.0-1.8 нА). Вихідна напруга перетворювача для цих концентрацій змінюється від 4.7 до 4.8 В. З урахуванням власних шумів перетворювача на виході порядку 0.01 мВ і коефіцієнта перетворення підсилювача (біля 108 А/В) порогова чутливість складає 0.01 мг/л, що задовольняє технічним вимогам до системи. Максимальна вихідна напруга складає 0,1 В, що забезпечує динамічний діапазон підсилення без перемикання діапазону виміру.

Напруга на виході i-го фотоперетворювача на максимальній висоті від дна судиниНапруга на виході i-го фотоперетворювача на середині судини
Рис. 9 — Сімейство характеристик фотоструму фотодіода віт концентраці мулу для t=0, 2.5..15 хв.
а) на максимальній висоті від дна судини; б) на середині судини

Залежність напруги на виході фотоперетворювача від концентрації мулу зображено на рис. 9 для t от 0 до 15 хв. з шагом 2,5 хв. в верхніх шарах проби.

Напруга на виході i-го фотоперетворювача
Рис. 10 — Залежність напруги на виході фотоперетворювача від концентрації мулу

Висновки

У проведеній роботі:

  1. Аргументовано необхідність оперативного відстеження стану активного мулу як основної середи, що впливає на якість очищення стічних вод.
  2. Показано, що використання оптичного методу дозволяє розробити електронну систему контролю седиментаційних властивостей мулу, який дає можливість ефективного отримання даних про зміну мулового індексу.
  3. Запропоновано структуру електронної системи контролю мулового індексу оптичним методом на основі мікропроцесорної системи.
  4. Визначено порогову чутливість і діапазон зміни концентрації мулу, які складають відповідно 0,01 мг/л от 0 до 2 мг/л.
  5. Проведено моделювання схеми первинного перетворювача, що дозволило побудувати залежність концентрації активного мулу від часу осадження та відстані від дна судини, залежність вихідних параметрів перетворювача віт концентрації мулу та часу осадження.

При написанні даного реферату кваліфікаційну роботу магістра ще не завершено. Дата завершення роботи: 1 грудня 2012 р. Повний текст і матеріали за темою роботи можуть бути отримані у автора або наукового керівника після вказаної дати.

Список літератури

  1. Доклад о состоянии окружающей среды в Донецкой области. Под ред. С.Третьякова, Г.Аверина. — Донецк: 2007 г. — 116 с.
  2. Мухин В.В. Гигиеническая оценка микробного загрязнения и обеззараживания сточных шахтных вод Донецкой области / В.В.Мухин, Г.В.Бакун, А.Д.Амирбеков // Актуальные проблемы транспортной медицины. — 2008. — № 4 (14). — с. 65 — 71.
  3. Компания «Ювента-Групп». Профессиональная очистка производственных и бытовых сточных вод. — http://waterclean.com.ua/biologicheskaya-ochistka-stochnyih-vod.html.
  4. Жмур Н.С. Технологические и биохимические процессы очистки сточных вод на сооружениях с аэротенками. — М.: АКВАРОС, 2003 г. — 512 с.
  5. Яковлев С.В. Водоотведение и очистка сточных вод / С.В.Яковлев, Я.А.Карелин, Ю.М.Ласков, В.И.Калицун. — М.: Стройиздат 1996, с. 588 — 594.
  6. Федюн Р.В. Принципы построения динамической модели процесса биохимической водоочистки / Р.В.Федюн, В.О.Попов, Т.В.Найденова. Наукові праці ДонНТУ. Серія «Обчислювальна техніка та автоматизація». — 2010 — Вип. 18 (169). — c. 172 — 179.
  7. Process Design Manuel for Nitrogen Control. — U.S. Environmental Protection Agency. (EPA/625/R-93/010 ). — Office of Research and Development. — Cincinnati, OH. — 1993. — 311р.
  8. Standard ATV-DVWK-A 131E. Dimension of Single-Stage Activated Sludge Plants. – 2000. – 57 p.
  9. Kayser R. New German design for single stage activated sludge plants. // Water Science and Technology. — 2000. — Vol. 41. — № 9. — pp. 139 — 145.
  10. Есин М.А. Современные подходы при расчете сооружений биологической очистки с удалением соединений азота и фосфора / «Науковий вісник будівництва». Збірник наукових праць. — Випуск 57, 2010. — URL: http://www.nbuv.gov.ua/portal/natural/Nvb/2010_57/esin.pdf.
  11. Хенце М. Очистка сточных вод / М.Хенце, П.Армоэс, Й.Ля-Кур-Янсен, Э.Арван. — М.: Мир, 2009 г. — 480 с.
  12. Продукция корпорации HACH-Lange. — http://www.hach.ru/.
  13. Environment Protection: Hydrometry, Water Quality, Meteorology. — URL: http://www.hachhydromet.com/web/ott_hach.nsf/id/pa_home_e.html
  14. The Department of Enveronmental Engineering. — URL: http://www.env.dtu.dk/English.aspx
  15. Microbiology Reader Bioscreen C. — URL: http://www.bionewsonline.com/b/5/bioscreen_c_reader.htm
  16. Королевский технологический институт (Royal Institute of Technology (KTH), Стокгольм, Швеция). — URL: http://www.kth.se.
  17. Мишуков Б.Г. Технология удаления азота и фосфора в процессах очистки сточных вод / Б.Г.Мишуков, Е.А.Соловьева, В.А.Керов, Л.Н.Зверева. — СПб.: Издательство журнала «Вода: технология и экология», 2008. — 144 с.
  18. Баженов В.И. Комплексная рециркуляционная модель биохимических процессов аэробной биологической очистки: Автореф. дис. канд. техн. наук. — Щелково: ВНИТИБП, 2008. — 56 с.
  19. Маршалов О.В. Математическое моделирование процесса биологической очистки сточных вод флокулирующим активным илом / О.В.Маршалов, Е.А.Качанов, В.А.Рыжкова, Ю.Р.Абубикорова // Материалы докладов Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР-2007» / Математическое моделирование в технике, экономике и менеджменте. Моделирование в естественных и технических науках. — c. 150 — 152.
  20. Вавилин В.А., Васильев В.Б. Математическое моделирование процессов биологической очистки сточных вод активным илом. — М.: Наука, 1979. — 119 с.
  21. Созник А.П. Анализ работы аэротенков и пути повышения их экологической безопасности / А.П.Созник, С.А.Горносталь // Вісник Lонецького національного університету. Сер. А: Природничі науки, 2010, вип. 2. — c. 274 — 279.
  22. Горносталь С.А. Анализ результатов математического моделирования процессов биологической очистки сточных вод в аэротенках / С.А.Горносталь, А.П.Созник // Проблеми надзвичайних ситуацій. Збірка наукових праць. Випуск 11, 2010. — c. 45 — 49.
  23. Горносталь С.А. Моделирование процессов биологической очистки в идеальных и реальных аэротенках / С.А.Горносталь, Е.А.Петухова, А.П.Созник // Проблеми надзвичайних ситуацій. Збірка наукових праць. Випуск 10, 2009. — c. 61 — 65.
  24. Горносталь С.А. Оценка результатов натурных измерений и математического моделирования процессов биологической очистки сточных вод в аэротенках / С.А.Горносталь, И.К.Кириченко, А.П.Созник // Проблеми надзвичайних ситуацій. Збірка наукових праць. Випуск 12, 2010. — c. 67 — 77.
  25. Найденова Т.В. Атоматизация контроля седиментационных свойств ила в аэротенках / Т.В.Найденова, Р.В.Юрченко // Наукові праці ДонНТУ. Серія «Обчислювальна техніка та автоматизація». — 2011 — Випуск 21 (183). — c. 33 — 39.
  26. Приходченко Б.В. Математична модель аеротенку коридорного типу, що працює в умовах технологічного процесу біологічного етапу очищення стічних вод / Б.В.Приходченко, В.П.Тарасюк // Наукові праці ДонНТУ. Серія «Обчислювальна техніка та автоматизація». — 2011 — Випуск 20 (182). — c. 192 — 198.
  27. Булатов М.И. Практическое руководство по фотометрическим методам анализа / Булатов М.И., Калинкин И.П. Практическое руководство по фотометрическим методам анализа. — 5е изд., перераб. — Л.: Химия, 1986. — 432 с.
  28. Измерения в промышленности: Справ. изд. в 3-х кн. Кн. 3. Способы измерения и аппаратура: Пер. с нем. / Под ред. П.Профоса. — 2е изд., перераб. и доп. – М.: Металлургия, 1990. — 344 с.
  29. Ельцов С.В. Физическая и коллоидная химия / С.В.Ельцов, Н.А.Водолазская. — Харьков: ХНУ им. В.Н.Каразина, 2005., — 216с.
  30. Аксененко М.Д. Микроэлектронные фотоприемные устройства / М.Д.Аксененко, М.Л.Бараночников, О.В.Смолин. — М.: Энергоатомиздат, 1984. — 208 с., ил.
  31. Хламов М.Г. Методичні вказівки до виконання курсової роботи з дисципліни “Електронні системи”. – Донецьк: ДонНТУ, 2006.
  32. Ишанин Г.Г. Источники и приемники излучения / Г.Г.Ишанин, Н.К.Мальцева, В.Л.Мусяков. Источники и приемники излучения: Пособие по решению задач. — СПб.: СПбГУ ИТМО, 2006. — 85 с.
  33. Игнатов А.Н. Оптоэлектронные приборы и устройства: Учеб. пособие. — М.: Эко-Трендз, 2006. — 272 с: ил.

До верху