ОБОСНОВАНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ
КОНТРОЛЯ ИЛОВОГО ИНДЕКСА В АЭРОТЕНКЕ

Общий анализ проблемы и постановка задачи исследований.

Рост городов, бурное развитие промышленности и сельского хозяйства, улучшение культурно-бытовых условий и ряд других факторов всё больше усложняет проблемы обеспечения водой. Дефицит пресной воды становится мировой проблемой. В водоёмы попадает огромное количество жидких, твердых и газообразных веществ, причиняющих или создающих неудобства, делая воду водоемов опасной для использования, нанося ущерб народному хозяйству, здоровью и безопасности населения. Основными источниками загрязнения окружающей природной среды являются промышленные предприятия, электростанции, транспорт, бытовые стоки.

Основная задача поддержания экологического благополучия окружающей среды при попадании в нее сточных вод – их очистка. Применение того или иного метода очистки в каждом конкретном случае определяется характером загрязнения и степенью вредности примесей. На сегодняшний день самый оптимальный способ очистки сточных вод — биологический. В основе метода аэробной очистки лежит работа аэротенка — емкости, заполняемой стоками, которые принудительно насыщаются кислородом. Аэробные бактерии в созданных в аэротенке благоприятных условиях начинают интенсивно размножаться, образуя большие колонии аэробов, флокулы, питанием для которых служат органические вещества, а продуктами жизнедеятельности являются углекислый газ, вода и стабилизированный активный ил [1-3].

Жесткие условия эксплуатации при несовершенстве технологического режима приводят к систематическим нарушениям условий работы аэротенков. Попытки улучшить работу существующих сооружений путем изменения системы впуска сточных вод, увеличения расхода подаваемого воздуха, дополнительной установки аэраторов часто оказываются технически трудновыполнимыми и приводят к незначительным результатам.

Цель работы.

Основными направлениями развития автоматизации управляемых процессов биохимической очистки сточных вод, получившими распространение в настоящее время, являются:

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

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. Экологические условия в аэротенках обеспечиваются совокупностью многочисленных воздействующих на активный ил факторов, определяемых конструктивными особенностями сооружений, условиями их эксплуатации и составом очищаемых сточных вод.

В процессе эксплуатации очистных сооружений регистрируется множество параметров, характеризующих качество очищаемых сточных вод, что связано с необходимостью комплексного контроля всех процессов, влияющих на физиологическое состояние организмов активного ила, а, следовательно, — на результат очистки. Диагностика состояния активного ила и выявление причин, неблагоприятно на него воздействующих, — центральная задача при эксплуатации сооружений биологической очистки.

Очевидно, что актуальность проблемы технологического контроля за процессом возрастает по мере повышения интенсивности использования биологического метода очистки сточных вод, а оперативное отслеживание состояния активного ила даст возможность прогнозирования состояния биологической среды аэротенка, и как следствие, степени и качества очистки загрязненных вод.

Анализ существующих решений.

Существующие современные методики расчета процессов очистки, разработанные в странах западной Европы, Немецкой водной ассоциацией DWA [4, 5], учеными России [6], используют различные подходы и дают близкие результаты. В практических целях может быть использован любой подход. Однако существенное улучшение их результатов возможно при условии внедрения экспресс-контроля физико-химических условий в реальном масштабе времени, прогнозирования на основе полученных результатов методами математического моделирования состояния аэротенка. Группа ученых М.Хенце, П.А.Армоэс, Й.Ля-Кур-Янсен, Э.Арван уже занимаются подобной задачей; в своей книге [7] они излагают методики расчета аэротенков при различных комбинациях известных параметров сточных вод и особенностей построения систем прогнозирования.

Основная часть.

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. Это приводит не только к ухудшению качества очищенной воды, но и к значительному уменьшению количества функционирующего ила в аэротенках, увеличению влажности избыточного активного ила и увеличению затрат на обработку осадка.

Задача обеспечения высокого качества очистки сводится к поддержанию удовлетворительного физиологического состояния активного ила и его ферментативной активности.

Ил с хорошими свойствами хлопьеобразования должен быть обеспечен хорошим перемешиванием и достаточным содержанием растворенного кислорода. При нормально идущих процессах очистки масса активного ила представляет собой хлопья с плотностью в среднем 1.1 – 1.37 г/см³ и размером от 53 до 212 мкм [3].

На рис. 1 показана осаждаемость активного ила при удовлетворительных седиментационных характеристиках и высоком качестве очистки, обеспечиваемом таким илом.

Информацию о флокуляции и осаждаемости ила дает иловый индекс. Индекс ила — величина, обратная концентрации ила в иловой фазе после получасового отстаивания. Аналитический расчет осуществляется по формуле

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

Хорошо оседающий ил осаждается со скорость осаждения 1 м/ч и более с образованием зоны осветления, хорошо уплотняясь, не занимая большого объема после окончательного уплотнения [3].

Способность занимать наименьший объем после 30-ти минутного отстаивания указывает на хорошие седиментационные свойства ила.

Учет параметров ила на очистных сооружениях коммунального предприятия «Донецкгорводоканал» осуществляют лабораторным путем: методами отбора проб, выращивания и подсчета колоний бактерий и т.д. Этот процесс не только трудоемок, неудобен, но и требует от обслуживающего персонала немалых знаний в области химии и микробиологии наряду с техническим образованием. Таким образом видна актуальность разработки структуры электронной системы контроля параметров активного ила как основной составляющей процесса биологической очистки сточных вод в аэротенках.

Поскольку в аналитическое выражение илового индекса (1) включена доза ила по объему, то есть объема, занимаемого осадком за определенное время отстаивания, очевидно преимущество использования измерительного устройства в виде сосуда заведомо известного объема, в котором необходимый расчет дозы ила V производился бы бесконтактным способ во избежание взбалтывания исследуемого осадка. Поставленному требованию удовлетворяет оптический способ.

Предлагаемая конструкция измерительного устройства (рис. 2) имеет отверстие для заполнения сосуда иловой смесью 4.

По всей длине сосуда расположены фотопреобразователи 3, а в верхней части сосуда — светоизлучатель 2. Датчик уровня жидкости 1 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 измерительного устройства.

Фотоприемник представляет собой преобразователь освещенности в напряжение в интегральном исполнении на основе фотодиода и операционного усилителя. Выходное напряжение фотопреобразователя при напряжении питания U_п=5 В не превышает 3,5 В (рис. 3).

Зависимость выходного напряжения фотопреобразователя от фототока U_вых=f(I_ф), полученная в моделированием схемы преобразователя на рис. 3 с помощью MultiSim, представлена на рис. 5.

Освещение осуществляется с помощью светоизлучателя, в качестве которого использован светодиод с длиной волны λ_макс=640 нм. Для возбуждения светоизлучателя использована схема ТТЛ-формирователя с активным высоким уровнем. Светодиод смещен в прямом направлении и испускает свет при открытом транзисторе. Сигнал открытия транзистора поступает с микроконтроллера.

Для коммутации выходов фотопреобразователей освещенности ко входу устройства выборки-хранения (УВХ), а далее к АЦП, использовано мультиплексорное дерево из аналоговых мультиплексоров на интегральных микросхемах MAX4638 (8 входов) и МАХ4639 (сдвоенный, 2х4 входа). Уровень коммутируемых мультиплексорами напряжений ограничивается напряжением питания (U_макс=6 В) и допустимым током (I_com=+/-100 мА). Мультиплексоры подобраны так, что выходные параметры фотопребразователя не превышают допустимых параметров мультиплексоров. Управление мультиплексорами осуществляется при помощи кода выборки, поступающего от микроконтроллера. Сигналы, коммутированные мультиплексорным деревом, поочередно преобразуются с помощью АЦП и записываются в память микроконтроллера. Далее светоизлучатель отключается, микроконтроллер производит расчет дозы ила по объему и индекса ила.

Через 3 минуты алгоритм повторяется.

По истечении 30 минут строится седиментационная характеристика на дисплее.

Микропроцессорная система на основе микроконтроллера управляет блоками взаимодействия с измерительным устройством, электромеханизмом забора пробы, блоком коммутации, преобразованием сигнала с помощью АЦП, устройствами ввода-вывода: блоком кнопок, графическим дисплеем, интерфейсом для интеграции с персональным компьютером RS232.

Структурная схема электронной системы приведена на рис. 6.

Выводы.

• аргументирована необходимость оперативного отслеживания состояния активного ила в аэротенке как основной среды, влияющей на качество очистки сточных вод;
• показана необходимость разработки системы контроля илового индекса, отражающего седиментационные свойства ила;
• показано, что использование оптического метода позволяет разработать систему контроля седиментационных свойств ила, которая дает возможность эффективно получать данные об изменении илового индекса;
• предложена структура электронной системы контроля илового индекса оптическим методов на основе микрокопроцессорной системы.

Библиографические ссылки.

1. Алексеев Л.С. Контроль качества воды: Учебник — 3е изд., перераб. и доп. — М.: ИНФРА — М, 2004. — 154 с.
2. Болотина О.Т. Состав и свойства активного ила в условиях регенерации. Водоснабжение и санитарная техника, 1960. №10.
3. Жмур Н.С. Технологические и биохимические процессы очистки сточных вод на сооружениях с
   аэротенками. — М.: АКВАРОС, 2003 г. — 512с.
4. Standard ATV-DVWK-A 131E. Dimension of Single-Stage Activated Sludge Plants. — 2000. — 57 p.
5. Kayser R. New German design for single stage activated sludge plants. // Water Science and Technology. — 2000. — Vol. 41. — № 9. — pp. 139-145.
6. 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.
7. Хенце М. Очистка сточных вод / М.Хенце, П.Армоэс, Й.Ля-Кур-Янсен, Э.Арван. – М.: Мир, 2009 г. – 480 с.
8. Водоотведение и очистка сточных вод / С.В.Яковлев, Я.А.Карелин, Ю.М.Ласков, В.И.Калицун — М.: Стройиздат 1996, с. 588 — 594.
9. Сборник Интернет–конференции «Інформаційні і керуючі системи в промисловості, економіці та екології», 2011, 20 листопада — 31 грудня 2011 р. — 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.