XVI Байкальская Всероссийская конференция с международным участием
«Информационные и математические технологии в науке и управлении – 2012», Байкал – Иркутск
1-10 июля 2012

УДК 621.3: 622.412

ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ИНДЕКСА ИЛА В АЭРОТЕНКЕ

Е.Э. Петрова, магистрант, В.П. Тарасюк, доц., к.т.н.
(Украина, г. Донецк, Донецкий национальный технический университет)

INVESTIGATION OF THE CONVERTER FOR ELECTRONIC CONTROL
SYSTEMS OF THE SLUDGE INDEX IN THE AERATION TANK

K.E. Petrova, V.P. Tarasyuk
(Ukraine, Donetsk, Donetsk National Technical University)


Abstract
K.E. Petrova, V.P. Tarasyuk. Investigation of the converter for electronic sludge index control system in the aeration tank. The necessity of operative tracking of activated sludge in the aeration tanks as the main medium, which affects the quality of wastewater treatment. The necessity of developing a sludge index monitoring system, reflecting the sedimentation properties of the sludge. An investigation primary converter circuit electronic control system using an optical method of sludge index.
Keywords: biological wastewater treatment, sludge index, leakage flux, photovoltaics.


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

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 воздуха, подаваемого дополнительной установки аэраторов часто оказываются технически трудно осуществимыми и приводят к незначительным результатам. Поэтому лучшим выходом из ситуации является использование автоматизированных систем контроля и прогнозирования условий работы аэротенка для улучшения их работы.

Обзор существующих исследований. Основными направлениями развития автоматизации управляемых процессов биохимической очистки сточных вод, которые получили распространение в настоящее время, являются:

  1. контроль качества поступающей воды (характер загрязнения, присутствие ПАВ, значение рН, присутствие токсинов);
  2. 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 влияющих на активный ил факторов, которые определяются конструктивными особенностями сооружений, условиями их эксплуатации и составу очищаемых сточных вод.

В процессе эксплуатации очистных сооружений регистрируется множество параметров, характеризующих качество очищаемых сточных вод. Это связано с необходимостью комплексного контроля всех процессов, влияющих на физиологическое состояние организмов активного ила, а следовательно, – на результат очистки. Комплекс параметров, характеризующих состояние активного ила, полученных при диагностике, может быть использован в системах прогнозирования для выявления причин, неблагоприятно влияющие на биомассу активного ила.

Таким образом проблема технологического контроля за процессом является актуальной, особенно в условиях повышения интенсивности использования биологического метода очистки сточных вод, а оперативное отслеживание состояния активного ила позволит прогнозировать состояние биологической среды аэротенков, и как следствие, степени и качества очистки загрязненных вод. Поэтому важным является разработка электронной системы контроля параметров активного ила в аэротенке.

Целью работы является исследование измерительного преобразователя электронной системы контроля индекса ила, поскольку нарушения в режиме эксплуатации сооружений в первую очередь сказывается на образовании хлопьев активного ила и их оседании, при ухудшении седиментационных характеристик ила он плохо отделяется от очищенной воды и вымывается во вторичные отстойники.

Решение задачи.

По определению, индекс ила – величина, обратная концентрации ила в иловой фазе после получасового отстаивания (1):


I = V0.5 / d, (1)

где V0.5 – доза ила по объему, см3/дм3; d – доза ила по массе, г/дм3.
Присутствие в аналитическом выражении (1) дозы ила по объему указывает на преимущество использования измерительного устройства в виде сосуда изначально известного объема, в котором необходимый расчет дозы ила V проводился бы бесконтактным способом во избежание взбалтывания исследуемой пробы. [2] Поставленному требованию удовлетворяет оптический метод анализа мутных сред, основанный на измерении интенсивности поглощенного ими света, – турбодиметрии, который лишь в незначительной степени уступает аналитическим методам. Преимущества метода заключаются в его чрезвычайной чувствительности и скорости.

Работа посвящена исследованию измерительного преобразователя для системы контроля индекса ила, реализующей оптический метод анализа мутных сред, а именно фотопреобразования рассеянного от частиц ила света.

Суть метода, применяемого в системе обоснована в работе [2]. Предложенная структурная схема системы контроля индекса ила в аэротенке представлена на рис. 1.


Рис. 1 – Структурная схема электронной системы контроля индекса ила.

Основной принцип функционирования электронной системы заключается в определении мутности по всей длине исследуемого сосуда с илом по изменению интенсивности света, рассеянного под любым углом. На рисунке 1 обозначены: УВХ – устройство выборки и хранения, МКПС – микропроцессорная система.

Блоки освещения и фотоприемников представляют собой измерительную часть электронной системы контроля индекса ила. Блок освещения – цепь смещения светоизлучающего диода для освещения пробы. Блок фотоприемников состоит из линейки фотодиодов, расположенных вдоль сосуда с пробой. Каждый из фотодиодов включен в одинаковый преобразователь рассеянного света в выходное напряжение.

Принцип работы устройства измерительной части системы с использованием рассеянного света представлен на рис. 2. Приемник Е (фотодиод) находится за пробой на оптической оси прибора, измеряющего затухания свечения, вызванное рассеянием света, т.е. определяет мутность пробы.


Рис. 2 – Принцип измерительной части прибора с использованием рассеянного света. L – источник света (светоизлучающий диод); О1, О2 – первый и второй объективы; Pr – проба; Е – приемник (фотодиод)

Поток излучения на входе в объектив устанавливается с учетом коэффициента ввода потока излучения (2)

Фвх об1 = Фвых СВД · kвв о1, (2)

где Фвх об1 – поток излучения на входе первого объектива; Фвых СВД – поток излучения на выходе светоизлучающего диода; kвв1 – коэффициент введения потока излучения в первый объектив.

Поток излучения на выходе из первого объектива (на входе в пробу) с учетом коэффициента пропускания объектива и коэффициента ввода сигнала в пробу (3)

Фвых об1 = Фвх об1 · То · kвв пр, (3)

где Фвых об1=Фвх пр – поток излучения на выходе первого объектива (входе пробы); То – коэффициент пропускания объектива; kвв пр – коэффициент введения потока излучения в пробу.

К среде активного ила применимы законы полидисперсных суспензий с различными размерами частиц, истинное количество которых установить невозможно. При этом на концентрацию, размер частиц в пробе влияет возраст ила, характер загрязнения, степень аэрации, местоположение забора пробы относительно начала или конца коридора аэротенка.

Интенсивность пучка света, распространяющегося в поглощающей среде активного ила, описывается уравнением Бугера-Ламберта-Бера:

Iпр = Iфх пр · e-kλ · d · C, (4)

где Iвх пр – интенсивность входного излучения; То – коэффициент пропускания объектива; kλ – коэффициент поглощения, связанный с показателем поглощения k зависимостью kλ=4πk/λ, где λ – длина волны; d – диаметр сосуда; C – концентрация ила.

Из уравнения Бугера-Ламберта-Бера (5) оптическая плотность ила:

D(kλ, d, C) = ln(Iфх пр / Iпр) = kλ · d · C, (5)

где kλ – сумма коэффициентов поглощения отдельных спектральных линий составляющих ила.

Плотность ила связана с коэффициентом пропускания пробы уравнением (6):

T(kλ, d, C) = e-D(kλ, d, C), (6)

Поскольку активный ил представляет собой дисперсную систему с множеством дисперсных фаз, доли испытывают воздействие молекул среды. Кривая осаждения полидисперсной суспензии показана на рис. 3. На рисунке обозначены q1 – количество крупной фракции с размером частиц от rmax до r1, %; t1 – время оседания фракции q1; q2 – количество фракций с размером частиц от r1 до r2, %; t2 – время оседания фракции q2; q3, q4 аналогично q1, q2. Кривая оседание активного ила как зависимость объема, который занимает осадок от времени осаждения является седиментационной характеристикой на рис. 4.

Рис. 3 – Кривая оседания полидисперсной суспензии

Рис. 4 – Удовлетворительная седиментационная характеристика активного ила

Кривая оседания полидисперсной суспензии на рис. 3 и экспериментально полученная в [2] седиментационная характеристика активного ила на рис. 4 не являются прямыми и не имеют изломов, чаще всего это плавные линии. Это указывает на то, что система непрерывная динамическая. Оседание ила равномерное и плавное. К тому же скорость оседания крупных хлопьев ила (фракция q1 по сравнению с фракцией q2 на рис. 4) быстрее, поэтому они образуют осадок на дне сосуда. В таком случае рассеянный свет в низших слоях значительно меньше, чем в верхних. Более того, если для нижних слоев интенсивность рассеянного света уменьшается в верхних наоборот увеличивается благодаря оседанию более легких фаз суспензии и, как следствие, уменьшение мутности. Таким образом концентрация ила, которая влияет на интенсивность рассеивания света, в конкретном выбранном объеме dV зависит от времени осаждения и высоты от дна сосуда. В идеальном случае принимаем характер осаждения от времени и высоты C(h,t) экспоненциальным.

На рис. 5 изображено семейство характеристик зависимости концентрации активного ила в седиментационном сосуде от времени и высоты от дна, полученное путем моделирования соответствующих характеристик в системе MathCad. По концентрации на момент начала осаждения (t=0) принято С=2 мг/л (по всему объему пробы), h16>h15>..>h0. Для t>0 концентрация определяется по объему осадка и осветленной воды, поэтому в нижних слоях пробы концентрацию возрастает и превышает 2 мг/л, а в верхних наоборот уменьшается.

Аналитически зависимость концентрации от времени имеет вид (7) для верхних слоев и (8) для нижних:


C(t,a) = Cм · e-t·a,

C(t,a) = Cм – Cм · e-t·a,		 (7)

(8)

где Cм – концентрация ила по всему объему седиментационного сосуда; a – коэффициент, учитывающий коэффициент поглощения и высоту от дна сосуда, a=f(k,h) – линейная функция.


Рис. 5 - Зависимость концентрации активного ила от времени и высоты от дна сосуда

Согласно оптическому методу анализа мутных сред поток излучения на входе во второй объектив определяется как поток, вышедший из пробы, с учетом коэффициента пропускания второго объектива, равного коэффициенту пропускания первого объектива, коэффициента пропускания пробы To и коэффициента ввода излучения во второй объектив T(kλ, d, C):


Фвх об1 = Фвых СВД · kвв о1, (9)

где Фвх об2 – поток излучения на входе во второй объектив; Фвых пр – поток излучения на выходе из пробы.

Поток излучения, поступающий на фотоприемник, устанавливается с учетом коэффициента ввода оптического сигнала kвв в системе линза-фотодиод:


Фвх фп(C) = Фвх об2 · kвв, (10)

Зависимость фототока от светового потока определяется как произведение токовой чувствительности фотодиода и светового потока на входе фотоприемника:


Iфп(C) = Фвх фп(С) · SI, (11)

В предложенной системе фотоприемник – фотодиод, включенный во входную цепь преобразователя (см. рис. 6).

Напряжение на выходе преобразователя определяется как


Uфу вых(С) = Iфп(С)·10-6 + Eсм1 · R5 / (R5 + R4), (12)

где Iфп(С) – зависимость фототока от концентрации ила; R6 – сопротивление в цепи обратной связи;
E – напряжение смещения; R4, R5 – делитель напряжения.




Рис. 6 – Схема преобразователя на операционном усилителе
Рис. 7 – Зависимость фототока фотодиода SFH 229FA от светового потока, поступающего в окно

Согласно расчетам и аппроксимации зависимость фототока фотодиода SFH 229FA (см. рис. 7) от светового потока параметры схемы на рис. 6 имеют следующие значения: коэффициент усиления операционного усилителя Ku=105. Сопротивление обратной связи R6=470 Ом, R4=100 Ом, R5=910 Ом. Переменное сопротивление R3=470 Ом, R1=R2=390 Ом.

a)
б)
Рис. 8 – Семейство характеристик фототока фотодиода от концентрации ила для t=0, 2.5..15 c а) на максимальной высоте от дна сосуда; б) на середине сосуда

Поскольку концентрация ила меняется по экспоненциальному закону от времени на текущей высоте сосуда, построено семейство характеристик фототока фотодиода от концентрации ила для t от 0 до 15 хв. c шагом 2,5 мин. (см. рис. 8) в верхних и средних слоях седиментационного сосуда. При этом рисунку а) соответствуют характеристики осадка на максимальной высоте от дна сосуда (для верхнего фотодиода из блока фотодиодов), рисунку б) – характеристики, полученные для середины сосуды. На рис. 8 видно, что фототок изменяется незначительно, а скорость его изменения также уменьшается с увеличением времени отстаивания и объемом, который занимает осадок.


Рис. 9 – Зависимость напряжения на выходе
фотопреобразователя от концентрации ила

Из результатов, приведенных на рис. 8, следует, что при изменении концентрации ила по длине сосуда, а значит и индекса ила, в диапазоне от 0 до 2 мг/л ток фотодиода изменяется в незначительных пределах (1.0-1.8 нА). Выходное напряжение преобразователя для этих концентраций изменяется от 4.7 до 4.8 В. С учетом собственных шумов преобразователя на входе порядка 0.01 мВ и коэффициента преобразования усилителя (около 108 А/В) пороговая чувствительность составляет 0.01 мг/л, что удовлетворяет техническим требованиям к системе. Максимальное выходное напряжение составляет 0,1 В, что обеспечивает динамический диапазон усилителя без переключения диапазона измерения.

Зависимость напряжения на выходе фотопреобразователя от концентрации ила изображена на рис. 9 для t от 0 до 15 мин. с шагом 2,5 мин. в верхних слоях пробы.

Выводы.

  1. Аргументирована необходимость оперативного отслеживания состояния активного ила в аэротенках как основной среды, влияющей на качество очистки сточных вод.
  2. Показано, что использование оптического метода позволяет разработать электронную систему контроля седиментационных свойств ила, который дает возможность эффективного получения данных об изменении илового индекса.
  3. Определена пороговая чувствительность и диапазон изменения концентрации ила, которые составляют соответственно 0.01 мг/л от 0 до 2 мг/л.
  4. Проведено моделирование схемы первичного преобразователя, что позволило построить зависимость концентрации активного ила от времени осаждения и расстояния от дна сосуда.

Список литературы.

  1. Жмур Н.С. Технологические и биохимические процессы очистки сточных вод на сооружениях с аэротенками. – М.: АКВАРОС, 2003 г. – 512с.
  2. Петрова Е.Э., Тарасюк В.П. Обоснование структурной схемы электронной системы контроля илового индекса в аэротенке // Сборник Интернет-конференции «Інформаційні і керуючі системи в промисловості, економіці та екології», 2011, 20 листопада – 31 грудня 2011г. – 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.
  3. Ельцов С.В., Водолазская Н.А. Физическая и коллоидная химия. – Харьков: ХНУ им. В. Н. Каразина, 2005. – 216с.
  4. Хламов М.Г. Методичні вказівки до виконання курсової роботи з дисципліни “Електронні системи”. – Донецьк: ДонНТУ, 2006.
  5. Ишанин Г.Г. Источники и приёмники излучения. Пособие по решению задач / Г.Г.Ишанин, Н.К.Мальцева, В.Л.Мусяков. – СПб.: СПбГУ ИТМО, 2006, 85 с.
  6. Измерения в промышленности. Справочник под редакцией П.Профоса – М.: «Металлургия», 1990. – 384.