XIII международная молодежная научная конференция «СЕВЕРГОЭКОТЕХ-2012», г. Ухта, Республика Коми
21-23 марта 2012 г.
Магистрант Петрова Е.Э., доц., к.т.н., Тарасюк В.П.
Донецкий национальный технический университет, г.Донецк
ОБОСНОВАНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ
КОНТРОЛЯ ИЛОВОГО ИНДЕКСА В АЭРОТЕНКЕ
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.
![Рис. 1 — Зависимость объема, занимаемого активным илом с удовлетворительными седиментационными характеристиками, от времени осаждения Рис. 1 — Зависимость объема, занимаемого активным илом с удовлетворительными седиментационными характеристиками, от времени осаждения](article52.jpg)
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
I = V0.5 / d, | (1) |
где I — иловый индекс, см3/г; V0.5 — 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.
![Рис. 2 — Конструкция измерительное устройства Рис. 2 — Конструкция измерительное устройства](../diss/ref_pic3.jpg)
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 Uп=5 В не превышает 3,5 В (рис. 3).
Зависимость выходного напряжения фотопреобразователя от фототока Uвых=f(Iф), 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 λмакс=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.
![Рис. 3 — а) Принципиальная схема фотопреобразователя, б) Зависимость выходного напряжения фотопреобразователя от энергетической освещенности Рис. 3 — а) Принципиальная схема фотопреобразователя, б) Зависимость выходного напряжения фотопреобразователя от энергетической освещенности](article64.jpg)
![Рис. 4 — Зависимость фототока кремниевого фотодиода, используемого в фотопреобразователе, от мощности светового излучения. Рис. 5 — Зависимость выходного напряжения фотопреобразователя от фототока Рис. 4 — Зависимость фототока кремниевого фотодиода, используемого в фотопреобразователе, от мощности светового излучения. Рис. 5 — Зависимость выходного напряжения фотопреобразователя от фототока](article65.jpg)
Рис. 5 — Зависимость выходного напряжения фотопреобразователя от фототока
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 (Uмакс=6 В) и допустимым током (Icom=+/-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.
![Рис. 6 — Структурная схема электронной системы Рис. 6 — Структурная схема электронной системы](../diss/ref_pic2.jpg)
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.
- Алексеев Л.С. Контроль качества воды: Учебник — 3е изд., перераб. и доп. — М.: ИНФРА — М, 2004. —
154 с. - Болотина О.Т. Состав и свойства активного ила в условиях регенерации. Водоснабжение и санитарная техника, 1960. №10.
- Жмур Н.С. Технологические и биохимические процессы очистки сточных вод на сооружениях с
аэротенками. — М.: АКВАРОС, 2003 г. — 512с. - Standard ATV-DVWK-A 131E. Dimension of Single-Stage Activated Sludge Plants. — 2000. — 57 p.
- Kayser R. New German design for single stage activated sludge plants. // Water Science and Technology. —
2000. — Vol. 41. — № 9. — pp. 139-145. - 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.
- Хенце М. Очистка сточных вод / М.Хенце, П.Армоэс, Й.Ля-Кур-Янсен, Э.Арван. – М.: Мир, 2009 г. – 480 с.
- Водоотведение и очистка сточных вод / С.В.Яковлев, Я.А.Карелин, Ю.М.Ласков, В.И.Калицун — М.: Стройиздат 1996, с. 588 — 594.
- 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.