ОБОСНОВАНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ
КОНТРОЛЯ ИЛОВОГО ИНДЕКСА В АЭРОТЕНКЕ

Общий анализ проблемы и постановка задачи исследований.

Современные темпы развития промышленности и сельского хозяйства с каждым годом требуют все большие объемы водных ресурсов для удовлетворения нужд городов, населенных пунктов, заводов, фабрик, а также для оросительных систем земледелия. Очевидно, что одновременно с увеличением потребления воды промышленностью и сельским хозяйством растет и ее загрязнение, поскольку главным источником загрязнения водной среды являются сточные воды.

В Донецком регионе сосредоточена пятая часть промышленного потенциала государства. Здесь расположено около 1,5 тыс. крупных промышленных предприятий; около 70% произведенной в области продукции реализуется на внешнем рынке. По объему реализованной продукции в структуре промышленного производства более 82% приходится на экологически опасные производства: металлургическую (48%) и добывающую (12%) промышленности, электроэнергетику (10%), химическую, нефтехимическую и коксохимическую промышленность (13%). В то же время Донецкая область занимает в Украине первое место по сбросу загрязненных сточных вод.

По данным Государственного управления охраны окружающей природной среды в Донецкой области (по состоянию на 2009 год) индексы промышленного производства и показателей загрязнения окружающей среды в Донецкой области для наглядности представлены на рис. 1 [5].

Судя по рис. 1, при практически стабильном значении индекса промышленного производства индекс сбросов загрязненных вод почти не изменяется, начиная с 2002 года. Эти данные подтверждают необходимость поиска решения проблемы путем повышения эффективности очистки сточных вод, улучшения существующих методов и развития новых перспективных, за счет внедрения новых технологий.

Основная масса сточных вод в Донецкой области, как и на всей территории Украины (около 80% от общего объема очищенной воды), очищается на биологических очистных сооружениях, которые являются мощным защитным экраном.

При этом в настоящее время более 70% станций очистки сточных вод (ОСВ) в нашей стране работают неэффективно по причине морального и физического износа оборудования, недостаточного уровня автоматизации и недостаточной квалификации персонала, вследствие недостатка данных для принятия решений. Это вызвано тем, что ряд значений параметров трудно определяемы из-за отсутствия соответствующих измерительных средств.

В основе метода биологической очистки в аэротенках лежит очистка воды с помощью биологически активной массы – активного ила [2].

Активный ил — сообщество бактерий и простейших, обитающих колониями в виде взвешенных в воде хлопьев. В присутствии кислорода микроорганизмы поглощают и окисляют органические вещества. После переработки порции этих веществ активный ил надо отделить от очищенной воды и вернуть в загрязненные стоки, где процесс поглощения (очистки) продолжится.

Аэротенк — емкость (обычно прямоугольной формы) с активным илом и устройством распыления воздуха, который перемешивает поступающую сточную воду и насыщает кислородом.

В процессе деградации органических веществ в аэротенках основная роль принадлежит гетеротрофным флокулообразующим бактериям, микроорганизмам, объединенных биополимерным гелем в хорошо защищенное и организованное структурно-функциональное целое — хлопок активного ила. Популяции флокулообразующих бактерий составляют в иле 90-95%, их функциональное состояние, активность и адаптивность к экологическим условиям аэротенков определяют устойчивость и эффективность биохимического окисления загрязняющих веществ, присутствующих в сточных водах.

Цель работы.

Проведенный анализ показывает, что наилучший результат даст оперативное отслеживание состояния активного ила и прогнозирование на основе полученных результатов методами математического моделирования состояния аэротенка.

Данной проблемой занимаются научно-исследовательских и проектно-конструкторских организаций всех стран. С каждым годом количество разработок и методик расчета, применяемых на сооружениях очистки сточных вод, растет. В США для расчета аэротенков наибольшее развитие получила методика расчёта аэротенков, разработанная в 1993 г. агентством по экологической защите EPA [3]. В странах Западной Европы для расчета объемов сооружений – методика расчета аэротенков для удаления биогенных элементов, разработанная Немецкой водной ассоциацией DWA [4, 5]. При расчете аэротенков по всем этим методикам результаты получаются близкими, и в практических целях может быть использован любой подход. Значительный вклад в разработку современных методов расчета сооружений биологической очистки с удалением соединений азота и фосфора выполнен учеными из Санкт Петербурга [6]. В основу расчета положена суточная нагрузка на ил по БПК Нi (кг/кг·сут), на основании которой затем определяется необходимая масса ила в сооружениях и вместимость аэротенка. Наиболее распространенной общепризнанной методикой в Европе считается немецкий стандарт ATV-DVWK-A 131E [5]. В основу расчета аэротенков заложено определение минимального аэробного возраста активного ила, необходимого для сохранения и аккумуляции в нем нитрифицирующих бактерий. Группа ученых М.Хенце, П.А.Армоэс, Й.Ля-Кур-Янсен, Э.Арван в своей книге [7] излагают методики расчета аэротенков при различных комбинациях известных параметров сточных вод, а также занимаются разработкой систем моделирования и прогнозирования. Все перечисленные методики базируются на лабораторном анализе. Существенное улучшение их результатов возможно при условии внедрения экспресс-контроля в реальном масштабе времени и физико-химических условий.

Возникает задача разработки электронной системы контроля параметров активного ила в аэротенке.

Решение задачи.

Задача обеспечения высокого качества очистки сводится к поддержанию удовлетворительного физиологического состояния активного ила и его ферментативной активности. Наиболее важными факторами, влияющими на развитие и жизнеспособность активного ила, являются температура, наличие питательных веществ, содержание растворенного кислорода в иловой смеси, значение рН, присутствие токсинов [8].

Зависимость скорости биологического процесса от температуры можно описать уравнением Вант-Гоффа:

где μ_макс — максимальная удельная скорость роста, ч^-1, сут^-1; χ — температурная константа, град^-1.

Для аэробной очистки выражение (1) применимо в интервале температур от 0 до 30°С. При 32–40°С скорость потребления субстрата практически не меняется. а при дальнейшем повышении температуры до 45°С обычно резко снижается практически до нуля [9].

Нагрузка на ил — это соотношение количеств поданных загрязнений и массы ила в единицу времени. За меру массы ила принимают 1 г сухого вещества ила. За меру количества загрязнений принимают их количественные эквиваленты — биохимическое потребление кислорода (БПК), химическое потребление кислорода (ХПК). Нагрузка на ил оценивается как общее количество органических загрязнений, поступающих в сооружение, отнесенное к общему количеству сухой массы беззольной части ила:

где Z — зольность ила, доли; s_i — концентрация загрязнений во входном потоке сточных вод; Q — входной поток (расход) сточных вод, м³/ч; Q_ил — поток (расход) возвратного ила, м³/ч; V — объем сточных вод, м³.

Время контакта активного ила с загрязненными сточными водами определяется таким технологическим параметром как период аэрации, который вычисляется как

где W — объем аэрируемых сооружений, м³; q — часовой расход сточных вод, м³/ч [2].

Среднюю дозу ила (по всему объему аэротенка и регенератора) опеределяют согласно:

где W₁, W₂, W₃ — объемы коридоров аэротенков и регенераторов, м³; a₁, a₂, a₃ — доза активного ила в каждом коридоре, г/м³ [2].

Нарушение в режиме эксплуатации сооружений в первую очередь сказывается на хлопьеобразовании и осаждаемости активного ила. При ухудшении седиментационных характеристик ила он плохо отделяется от очищенной воды и вымывается из вторичных отстойников. Информацию о флокуляции и осаждаемости ила дает иловый индекс. По определению, индекс ила — величина, обратная концентрации ила в иловой фазе после получасового отстаивания (5):

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

Для удовлетворительной работы вторичных отстойников обычных (наиболее распространенных) конструкций при очистке городских сточных вод доза ила в аэротенках не должна превышать 3 г/дм3.

На рис. 2 показана осаждаемость активного ила при удовлетворительных седиментационных характеристиках и высоком качестве очистки, обеспечиваемом таким илом.

Проведенная математическая модель показывает, что для обеспечения удовлетворительных условий жизнедеятельности ила и удовлетворительного режима эксплуатации сооружений необходимо поддерживать стабильность индекса ила.

Учет параметров ила на сооружениях биологической очистки в нашей стране осуществляются лабораторным путем: методом отбора необходимого количества иловой смеси, отстаиванием в стеклянном сосуде, измерением объема осадка вручную и подсчета илового индекса. При этом в течение получасового отстаивания объем оседающего ила необходимо фиксировать каждые 3 минуты. Этот процесс трудоемок и неудобен. Поэтому разработка отечественных электронных систем контроля параметров активного ила крайне важна. Кроме того, использование системы контроля индекса ила, функционирующего на основе оптического метода, приведет к более точному определению илового индекса в аэротенках.

Погруженное в аэротенк измерительное устройство системы определяет индекс ила при оптическом контроле его уровня в процессе осаждения. Структурная схема электронной системы контроля илового индекса приведена на рис. 3.

На рисунке 3 обозначено: 1 — фоточувствительный элемент; 2 — усилитель аналогового сигнала; 3 — излучатель световых импульсов; 4 — реле открытия и закрытия впускного отверстия; 5 — цифро-аналоговый преобразователь; 6 — микроконтроллер; 7 — источник питания; 8 — генератор световых импульсов; 9 — мультиплексор аналоговых сигналов; 10 — аналогово-цифровой преобразователь; 11 — усилители аналогового сигнала; 12 — дисплей; 13 — клавиатура; 14 — узел интерфейса.

Система состоит из измерительного устройства (ИУ) и функционального устройства (ФУ). Измерительное устройство представляет собой емкость из светонепроницаемого стекла, которая имеет отверстие для заполнения сосуда иловой смесью. Дно имеет расширение для беспрепятственного оседания хлопьев активного ила даже при больших его объемах и без разбавления. В центре сосуда по всей его длине расположены фотодатчики, а в верхней части сосуда — светоизлучатель [10].

Функциональное устройство включает в себя микроконтроллер 6, управляющий блоками взаимодействия с измерительным устройством и устройствами ввода-вывода: клавиатурой 10, графическим дисплеем 12, интерфейсом для интеграции с персональным компьютером.

По сигналу контроллера 6 ЦАП 5 преобразует сигнал до уровня 5 В. С помощью следующего за ним усилителя 11, аналоговый сигнал усиливается до значения, необходимого для запуска реле 4. Электропривод открывает отверстие на время, необходимое для заполнения седиментационной емкости иловой смесью. Затем отверстие закрывается и в течение 30 мин производится отстаивание пробы. Контроллера 6 каждые 3 минуты запускает генератор световых импульсов 8, который формирует световые импульсы определенной частоты. При этом частота подобрана так, чтобы осуществлялась согласованная работа светоизлучающего устройства 3 и фотоприемника 1. Максимальная эффективность системы достигается в случае, когда источник света и детектор правильно подобраны, и их спектральные характеристики перекрываются как можно сильнее. В видимой области спектра высокую чувствительность имеют сернисто-кадмиевые фоторезисторы. С включением светодиода 3 фоторезисторы 1 фиксируют интенсивность распространения световых волн в пробе. Фототок, диапазон значений 0..1 мА, изменяет напряжение на нагрузке, которое затем усиливается усилителем аналоговых сигналов 2 в диапазоне 0..5 В и подается на входы 8-канального мультиплексора аналоговых сигналов 9. Мультиплексор при помощи кода выборки, поступающего от микроконтроллера, производит поочередный выбор одного сигнала с интервалом времени, необходимым для преобразования одного сигнала с помощью АЦП 10 и записи в память микроконтроллера. Далее светоизлучатель отключается, микроконтроллер производит расчет дозы ила по объему и индекса ила. По полученным данным на графическом дисплее 13 строится кривая седиментации. Через интервал времени в 3 минуты алгоритм повторяется.

Выводы.

1. На основании анализа технологического процесса очистки сточных вод в аэротенке определена необходимость экспресс-контроля седиментационных характеристик активного ила.
2. Показана необходимость разработки системы контроля илового индекса вследствие малой эффективности существующего лабораторного способа оценки.
3. Показано, что использование оптического метода позволяет разработать систему контроля седиментационных свойств ила, которая позволит эффективно получать данные об изменении илового индекса.
4. Предложена структура электронной системы контроля индекса ила оптическим методов на основе микроконтроллера.

Использованная литература.

1. Доклад о состоянии окружающей среды в Донецкой области / Под ред. С.Третьякова, Г.Аверина. — Донецк: 2007 г. — 116 с.
2. Жмур Н.С. Технологические и биохимические процессы очистки сточных вод на сооружениях с
   аэротенками. — М.: АКВАРОС, 2003 г. – 512с.
3. 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.
4. Kayser R. New German design for single stage activated sludge plants. // Water Science and Technology. — 2000. — Vol. 41. — № 9. — pp. 139 – 145.
5. Standard ATV-DVWK-A 131E. Dimension of Single-Stage Activated Sludge Plants. — 2000. — 57 p.
6. Мишуков Б.Г. Технология удаления азота и фосфора в процессах очистки сточных вод / Мишуков Б.Г., Е.А.Соловьева, В.А.Керов, Л.Н.Зверева. — СПб.: Издательство журнала «Вода: технология и экология», 2008. — 144 с.
7. Очистка сточных вод / М.Хенце, П.Армоэс, Й.Ля-Кур-Янсен, Э.Арван. — М.: Мир, 2009 г. — 480 с.
8. Федюн Р.В. Принципы построения динамической модели процесса биохимической водоочистки / Р.В.Федюн, В.О.Попов, Т.В.Найденов // Наукові праці ДонНТУ. Серія «Обчислювальна техніка та автомактизація». — 2010 — Вип. 18 (169). — С. 172 – 179.
9. 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.
10. Продукция корпорации HACH-Lange. — http://www.hach.ru/.