АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

Сточные воды представляют собой гетерогенные смеси бытового, производственного или атмосферного происхождения, содержащие примеси органического и минерального происхождения, находящиеся в нерастворенном, коллоидном и растворенном состоянии [4, 44].

Бытовые сточные воды образуются в жилых и административных зданиях, в бытовых помещениях предприятий от умывальников, раковин (моек), ванн, унитазов и трапов - напольных приборов с решетками. Бытовые сточные воды поступают в канализационную сеть для последующей очистки на очистных сооружениях.

Производственные сточные воды образуются в различных технологических процессах предприятий. К ним относятся отработанные технологические растворы, кубовые остатки, технологические и промывные воды, воды барометрических конденсаторов, вакуум-насосов и охлаждающих систем; шахтные и карьерные воды; воды от мытья оборудования и производственных помещений и другие.

Атмосферные сточные воды образуются на территориях населенных пунктов и промышленных предприятий в процессе выпадения атмосферных осадков.

Количество, состав и концентрации загрязняющих веществ в производственных сточных водах зависят от вида производства и характера технологического процесса, состава исходного сырья и выпускаемой продукции и других факторов.  Степень загрязнения сточных вод оценивают концентрацией веществ, содержащихся в ней. Оценку проводят по следующим основным показателям: ХПК (общая концентрация органических веществ); БПК (концентрация органических соединений, окисляемых биологическим путем); концентрация взвешенных веществ; активной реакции среды; степени минерализации; концентрации биогенных элементов (азота, фосфора, калия) и другие вещества [12].

Бытовые сточные воды содержат загрязняющие вещества минерального и органического происхождения. Содержание взвешенных веществ органического происхождения в бытовых стоках составляет в среднем 100...300 мг/дм3. Содержание растворенных органических загрязнений оценивается по показателям БПК и ХПК потребления кислорода, которые находятся в диапазоне по БПК - 100...400 мг/дм3, по ХПК - 150....600 мг/дм3 [5, 103].  

Методы очистки сточных вод разделяют на механические, биологические, физико-химические методы, дезинфекцию сточных вод, термическую утилизацию.

К механическим методам очистки относят фильтрование, осаждение, флотацию стоков. Механический метод применяют для удаления из сточных вод твердых нерастворимых компонентов. Оборудованием для механической очистки служат решетки, сита, отстойники, песколовки.  Механические методы очистки позволяют удалять из бытовых стоков до 70% нерастворимых минеральных загрязнений, из промышленных - до 95% [6, 19].

Биологическую очистку сточных вод проводят с целью удаления из них взвешенных и растворимых органических и неорганических соединений до предельно допустимых концентраций.  Биологические методы очистки сточных вод разделяют по типам микроорганизмов, участвующих в переработке загрязняющих веществ на [13, 109]:

- очистка стоков аэробными микроорганизмами, жизнедеятельность которых зависит от наличия растворенного кислорода в воде;

- очистка стоков анаэробными микроорганизмами, жизнедеятельность которых проходит в водной среде без кислорода.

Физико-химические методы очистки позволяют удалять из сточных вод тонкодисперсные и растворенные в них неорганические вещества. К основным методам физико-химической очистки относятся коагуляция, адсорбция, ионный обмен, флотация, экстракция, диализ и др.

Обеззараживание сточных вод проводят методами хлорирования, озонирования и ультрафиолетового облучения. Выбор метода обеззараживания зависит от объекта использования, объема и типа сточных вод, санитарно-гигиенических норм к качеству сбрасываемых стоков в водные объекты и др [4, 45].

Термические методы очистки применяют для удаления из сточных вод вредных веществ. Для очистки минерализованных сточных вод из термических методов используют выпаривание, адиабатное испарение, вымораживание и кристаллизацию из растворов и др [7, 211].

Выбор метода зависит от объема сточных вод, их состава и теплотворной способности, экономичности процесса и требований, предъявляемых к очищенным водам, к примеру на современных предприятиях пищевой промышленности, в частности молочных заводов, широко используется биологический метод очистки сточных вод. Это объясняется тем, что он основан на способности микроорганизмов перерабатывать загрязняющие вещества [13, 211], поэтому его применение позволяет удалять широкий спектр загрязняющих веществ. Он обеспечивает высокую степень очистки и имеет сравнительно низкие эксплуатационные расходы [11, 98].

Как отмечают М.А. Назаров и А.В. Старынин биологический метод очистки сточных вод является наиболее практичным во многих отношениях, но отличается сложностью протекающих процессов и невозможностью контроля отдельных технологических параметров [9, 526], поэтому разработка новых эффективных методов и средств, использующих на этапах водоочистки, средства автоматизации и управления является актуальной задачей современного водокоммунального хозяйства.

Обратимся к анализу ряда конструкторских решений в данной области.

Анализ механизма биологической очистки сточных вод, педставленный в публикации С.Е Денисова и соавторов показал, что основным недостатком существующих схем является их низкая эффективность, за счет длительного времени обработки, сложности процесса управления и регулирования параметрами качества воды на выходе. Мощные компрессоры, осуществляющие барботирование (процесс пропускания газа через слой жидкости), при этом не дают требуемого эффекта, поскольку механизм растворения кислорода в воде не обеспечивает его высокую концентрацию длительное время [2, 50]. При этом на последних этапах биологической очистки наблюдается «кислородное голодание» микроорганизмов, что сказывается и на процессе окисления органических соединений. Регенерация микроорганизмов также осуществляется на этапе барботирования [14, с. 178]. Однако пузырьки кислорода могут только разбить сгустки (скопления) микроорганизмов (флокулы) и не обеспечивают управление параметрами размеров простейших, от которых в значительной степени зависит скорость происходящих окислительных процессов.

Для повышения эффективности биологической очистки сточных вод С.Е. Денисов, С.П. Максимов, Т.А. Микляева предлагают использовать роторный аппарат с модуляцией потока РАМП [3]. Устройство интенсифицирует процесс растворения кислорода в обрабатываемой среде за счёт увеличения площади межфазной поверхности без увеличения объёма подаваемого воздуха. Кроме того, гидродинамическое и акустическое воздействие позволяет управлять процессом размерной регенерации на микроорганизмы, что значительно повышает способность их к длительному активному очищению водной среды от растворенных примесей.

Относительно небольшие размеры аппарата, простая схема включения его в цепочку активации возвратной части активного ила для подачи в аэротенк, позволяет автоматизировать процесс и эффективно управлять параметрами обрабатываемой среды (рис. 1) [3, 123]

http://meridian-journal.ru/uploads/2020/02/3226-5.PNG

Рис.1 - Укрупненная схема включения РАМП

В схеме, согласно рисунка 1 предусматривается и подогрев части возвратного ила в холодный период года, что позволит активизировать жизненные функции бактерий. Среды, подлежащие гидроакустической обработке, как правило, не имеют постоянных физических характеристик, таких как плотность, вязкость и др., поэтому основные геометрические параметры устройства, от которых напрямую зависит эффективность обработки сред, такие как размеры равномерно расположенных отверстий в роторе и статоре не являются оптимальными для конкретных условий работы аппарата. Кроме того, частота создания акустических колебаний ограничивается частотой вращения широко распространенных асинхронных двигателей, используемых в качестве прямого привода вращения ротора, что ограничивает область использования устройства. Поэтому в дальнейшей работе С.Е. Денисовым, С.П. Максимым и Т.А. Микляевой предлагается повышение эффективности РАМП путем изменения его конструкции за счет оптимизации импульсного гидродинамического и акустического воздействия на обрабатываемую проточную среду путем регулирования геометрических параметров отверстий статора и (или) ротора, а также расширения диапазона возможных частот акустических колебаний (рис. 2) [3, 124].

Рис.2 - Схема модернизированного роторного аппарата с модуляцией потока

 

Предложенная авторами конструкция позволяет корректировать в процессе работы и такие параметры как скважность импульса (периода следования импульсов к их длительности), а так же время самого импульса, соответственно предложенные мероприятия обеспечат эффективное управление регенерацией простейших микроорганизмов, насыщение среды кислородом за счёт увеличения площади межфазной поверхности без увеличения объёма подаваемого воздуха, что значительно повысит качество и скорость процесса биологической очистки сточных вод.

Ряд авторов предлагают к реализации технологический процесс биологической очистки сточных вод в аэробном биореакторе. Так, М.А. Назаров и Д.В. Пушин разработали аэротенк-нитрификатор, кготорый представляет собой аэробный биореактор, в котором под действием гетеротрофных микроорганизмов, находящихся в активном иле, осуществляется конверсия биогенных загрязнений [8;9;10].

Данная установка может быть  представлена в виде проточного резервуара (рис. 3), через который проходят потоки сред, характеризуемые концентрациями основных компонентов [10, 167] - субстрата (загрязняющих веществ) Сс, биомассы ила Си, растворенного кислорода Ск (далее также индекс «и» будет присвоен параметрам, характеризующим биомассу ила, «с» - субстрат; «к» - растворенный кислород).

Рис.3 - Структурная схема процесса преобразования компонентов сточных вод при их биологической очистке в аэротенке

 

На основании проведенного анализа, М.А. Назаровым и Д.В. Пушиным выявлены особенности функционирования аэротенка как объекта управления [9, 526]. С учетом сформулированных допущений авторами произведено математическое описание биологической очистки, которое связывает основные контролируемые координаты - концентрации субстрата (загрязняющих веществ), биомассы ила, растворенного кислорода; управляющие воздействия - расход рециркуляционного ила, расход воздуха; возмущения - концентрация загрязняющих веществ на входе в установку, расход сточных вод через биореактор [8, 657]. Предложенная математическая модель в дальнейшем может быть использована при создании систем автоматизации процессов водоочистки.

А.А. Брылкин в своем исследовании предлагает к использованию установку очистки для удаления примесей из смешанных сточных вод, включающих производственные, пластовые (метанольные), хозяйственно-бытовые и поверхностные стоки, с последующей закачкой очищенных вод в пласт. В основу работы установки автором предлагается заложить технологии (рис. 4) [1, 10]:

- отстаивания и фильтрации механических примесей на фильтрах.

- обработки сточных вод реагентами с последующим отделением связанных примесей в виде ила;

- сорбционной очистки сточных вод от нефтепродуктов;

- реагентногообескислороживания воды;

- механического обезвоживания осадка.

На основании технологической схемы А.А. Брылкиным была разработана функциональная схема автоматизации, которая исходя из рисунка 5 охватывает только процессы участков механической и реагентной очистки и является нижним уровнем автоматизации, предназначена для контроля, сигнализации, управления технологическими параметрами и технологическим оборудованием непосредственно на объекте, а также для передачи основных текущих параметров и сигнализации состояния оборудования на верхний уровень автоматизации [1, 15].

Рис.4 - Технологическая схема автоматизации

 

Рис.5 - Функциональная схема автоматизации

Оборудование, подлежащее автоматизации включает в себя:

-        Емкости: Е-03, Е-04, Е-05

-        Насосы: Н-01 (3шт), Н-03 (3шт), Н-02(2шт), Н-04, Н-05, Н-06 ,Н-07, Н- 08.

-        Фильтры: Ф-02.

-        Коалесцер Кс-01.

Управление насосами Н-01/1...Н-01/-3 предполагается со щита, автоматизации №1 в режиме - 1основной, 2резервных.

Контроллер управляет насосами в режиме - основной/ резервный. При отказе основного насоса или при понижении давления в напорном трубопроводе происходит автоматическое переключение на резервный насос. Щит автоматизации №1 оснащен световой сигнализацией состояния насосов, кнопками дистанционного управления.

Управление насосами Н-02 осуществляет со щита автоматизации №2. Контроллер управляет насосами в режиме - основной/ резервный.

При отказе основного насоса или при понижении давления в напорном трубопроводе происходит автоматическое переключение на резервный насос.

Работа установки предусматривается в автоматическом режиме без постоянного присутствия персонала. Также предусматриваются местный (со щитом управления) режим, который по задумке автора будет состоять из нескольких экранов, участка механической обработки (рис. 6) и участка реагентной очистки (рис. 7) [1, 16].

Рис.6 - Экран участка механической очистки

На экране механической очистки А.А. Брылкиным предусмотрена индикация работы и аварии каждого насоса по перепаду давления. Так же предусмотрена индикация давления на вводном и выходящем трубопроводе каждого насоса системы. На экране реагентной очистки, показана система управления двумя дозировочными наосами H04, H05. На экране идет индикация уровней заполнения емкостей с реагентом. Насосы останавливаются по минимальному уровню в резервуаре (рис. 7) [1, 17].

Рис.7 - Экран участка реагентной очистки

Так же автором разработан экран с настройкой перепада по которому насос будет уходить в аварию (рис. 8) [1, 16].

Рис.8 - Экран настройки насосов

При уходе основного насоса в аварию, запускается резервный насос. При уходе всех насосов система останавливается, при нажатии кнопки сброс неисправностей сбрасываются все аварии

Подводя итог представленному научному опыту, следует отметить, что очистка сточных вод имеет первостепенное значение для здоровья и благополучия населения. В то время как наука и механика очистки сточных вод продолжают развиваться, возможно, самой большой проблемой является то, что установка и обслуживание очистных сооружений должны всегда быть «локальными». Нельзя создать мега-очистную сооружению. Очистка стоков является локальной проблемой и требует локального решения в связи, с чем применение современных технологий автоматизации в очистных сооружениях обеспечит интенсификацию производства и даст существенный экономический эффект.

Библиографический список:

  1. Брылкин А.А. Установка очистки и перекачки сточных ВОД // Дневник науки. - 2018. - № 6 (18). - С. 7-19.
  2. Денисов С.Е Анализ механизма биологической очистки сточных вод / С.Е Денисов, О.В. Маршалов, С.П. Максимов // В сборнике: Строительство и экология: теория, практика, инновации. Сборник докладов I Международной научно-практической конференции. 2015. - С. 49-51.
  3. Денисов С.Е. Автоматизация и управление процессом биологической очистки сточных вод / С.Е. Денисов, С.П. Максимов, Т.А.Микляева // Естественные и математические науки в современном мире. - 2015. - № 30. - С. 121-127.
  4. Дудоров В.Е. Методы очистки сточных вод, виды очистных сооружений и инновации в области очистки сточных вод / В.Е. Дудоров, Д.Н.Хисматулина, Э.Р. Исхакова // Наука среди нас. - 2019. - № 4 (20). - С. 43-48.
  5. Кадырова А.М. Определение необходимой степени очистки сточных вод от основных видов загрязнений // Наука в современных условиях: от идеи до внедрения. - 2015. - № 1. - С. 101-104.
  6. Квитка Л.А. Очистка сточных вод: Методические указания / Л.А. Квитка, Э.Е. Назаркин М.: ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА, 2018. - 67 с.
  7. Кичигин В.И. Моделирование процессов очистки воды. Гриф МО РФ / В.И. Кичигин. - М.: Ассоциация строительных вузов (АСВ), 2017. - 491 c.
  8. Назаров М.А. Идентификация технологического процесса очистки сточных вод в аэробном биореакторе как объекта автоматизации / М.А. Назаров, Д.В. Пушин / Традиции и инновации в строительстве и архитектуре. Строительные технологии: Сб. статей, 2019. - С. 653-658.
  9. Назаров М.А. К задаче автоматизации управления кислородным режимом аэротенков для биологической очистки сточных вод предприятий пищевой промышленности / М.А. Назаров, А.В.Старынин // Традиции и инновации в строительстве и архитектуре. Строительные технологии: Сб. статей, 2017. - С. 525-527.
  10. Назаров М.А. Технологический процесс биологической очистки сточных вод в аэротенке как объект управления / М.А. Назаров, Д.В. Пушин // Механизация и автоматизация строительства: сборник статей. Самара: СамГТУ, 2018. - С. 165-169.
  11. Рульнов А.А., Евстафьев К.Ю. Автоматизация систем водоснабжения и водоотведения. М.: Инфра-М, 2017. - 208 с.
  12. Состав бытовых сточных вод и их биологическая очистка [Электронный ресурс]. - Режим доступа - URL: https://mir-klimata.info/archive/2013_5/sostav_bitovih_stochnih_vod_i_ih/ (Дата обращения 20.01.2020).
  13. Харькина О.В. Эффективная эксплуатация и расчет сооружений биологической очистки сточных вод. Волгоград: Панорама, 2015. - 433 с.
  14. Хенце М. Очистка сточных вод. Биологические и химические процессы / М. Хенце, П. Армоэс, Й. Ля-Кур-Янсен и др. - М.: Мир, 2006. – 480 с.