Введение к работе
Актуальность темы: В «Концепции развития внутреннего водного транспорта Российской Федерации на период до 2015 года» в качестве одной из задач по улучшению условий функционирования отрасли выделена задача обеспечения безопасности судоходства, включая экологическую безопасность эксплуатации судов, в соответствии с требованиями международных и национальных документов к обработке (очистке) судовых отходов.
Практическая реализация этих требований должна обеспечиваться путем использования водоохранных технических средств и соответствующих технологий обработки судовых отходов. Однако, существующая система сбора и обработки судовых отходов в значительной степени была сформирована, исходя из технических возможностей и потребностей внутреннего водного транспорта в предыдущие десятилетия. В настоящее время вид, количество и расположение внесудовых водоохранных технических средств зачастую определяются без учета структуры и технического состояния обслуживаемого флота, планируемого открытия водных путей России для судов под флагом иностранных государств, что приводит к неправильным оценкам потребностей в капиталовложениях, эксплуатационных расходах и к снижению эффективности функционирования системы. Очевидно, что в современных условиях необходимы новые методы принятия организационных (управленческих) решений.
При рассмотрении экологического аспекта безопасности эксплуатации судов особое внимание уделяется предотвращению загрязнения водной среды нефтесодержащими водами (НВ), представляющими особую опасность в связи с подвижностью и стойкостью к процессам химического и биологического разложения.
Проблема предотвращения загрязнения водоемов НВ в результате эксплуатации судов решается путем разработки и внедрения технологий по очистке НВ с использованием судовых и внесудовых технических средств. Однако постоянное ужесточение требований в области охраны окружающей среды приводит к тому, что используемые технологии зачастую не обеспечивают степень очистки, отвечающую действующим нормативам, и тем более не имеют перспектив на использование в будущем. Одной из причин такого положения является то, что применяемое типовое оборудование для очистки НВ основано на механических способах обработки. В тоже время при обработке других видов судовых отходов (сточные воды, мусор) используются вполне эффективные методы.
Совокупность этих обстоятельств определяет необходимость проведения исследований по поиску наиболее эффективных и экономически выгодных методов и технологий сбора и обработки судовых отходов. Таким образом, задачу совершенствования системы сбора и обработки отходов необходимо решать комплексно, как путем оптимизации размещения и использования внесудовых водоохранных технических средств, так и внедрения более эффективных технологий очистки судовых нефтесодержащих вод.
Научная задача данной диссертационной работы заключается в разработке эффективных направлений совершенствования системы сбора и очистки судовых отходов, обеспечивающей повышение безопасности эксплуатации и автономности плавания судов.
Цель работы – совершенствование системы сбора и обработки судовых отходов путем использования методов математического моделирования речной транспортной сети для оптимизации размещения внесудовых водоохранных технических средств и применения электрофлотационной технологии для очистки судовых нефтесодержащих вод.
Для достижения поставленной цели задачами исследований являются:
-
Анализ состояния существующей системы сбора и обработки судовых отходов как источника обеспечения безопасности эксплуатации судов для окружающей среды и обоснование путей ее совершенствования.
-
Разработка методики моделирования внесудовой подсистемы сбора и обработки отходов на речной транспортной сети и создание имитационной модели для оценки вариантов размещения внесудовых водоохранных технических средств.
-
Исследование кинетики электрофлотации водных эмульсий нефтепродуктов и оценка влияния различных параметров процесса электрофлотации на эффективность очистки судовых нефтесодержащих вод.
-
Разработка практических рекомендаций по использованию электрофлотаторов для очистки судовых нефтесодержащих вод.
Объект исследования – система сбора и обработки судовых отходов.
Предметом исследования являются математические модели для оценки вариантов размещения внесудовых водоохранных технических средств и электрофлотационный метод очистки нефтесодержащих вод.
Методы исследований: системный анализ, математическое моделирование, математическая статистика, лабораторное моделирование процесса электрофлотационной очистки судовых нефтесодержащих вод.
Научная новизна диссертационной работы:
-
Для системы сбора и обработки отходов на речной транспортной сети разработана методика построения математической модели. Показано, что такая система представляет собой двухфазную многоканальную систему массового обслуживания (СМО) и ее математическое моделирование наиболее рационально выполнять по типовой непрерывно-стохастической схеме (Q-схеме), способом имитационного моделирования на основе метода статистических испытаний (Монте-Карло) с использованием детерминированного алгоритма (алгоритма постоянного приращения по времени).
-
Разработан моделирующий алгоритм внесудовой подсистемы сбора и обработки судовых отходов на речной транспортной сети.
-
Определена структура исходной информации для машинной реализации модели.
-
Построена математическая модель системы сбора нефтесодержащих вод пассажирского флота «Столичной Судоходной Компании» на основе разработанной методики.
-
Исследована кинетика электрофлотационного извлечения нефтепродуктов из нефтесодержащих вод. Получены регрессионные уравнения, выражающие зависимость степени очистки от основных параметров процесса.
-
Оценено влияние флотореагентов на процесс электрофлотационного извлечения нефтепродуктов из нефтесодержащих вод. Определен наиболее эффективный для интенсификации данного процесса флотореагент – алюмокремниевый флокулянт-коагулянт.
-
Определены оптимальные значения рабочих параметров электрофлотаторов на основе теоретического анализа гидродинамики процесса, опытных данных по кинетике электрофлотации и полученных регрессионных уравнений.
Практическая значимость полученных результатов исследований заключается в использовании разработанной методики моделирования внесудовой подсистемы сбора и обработки судовых отходов и метода электрофлотации для очистки судовых нефтесодержащих вод с рекомендуемым оборудованием:
при планировании размещения водоохранных технических средств для сбора судовых отходов на реальной речной транспортной сети;
при совершенствовании технических средств очистки нефтесодержащих вод на судах;
в ходе выполнения дальнейших исследований в области поиска наиболее эффективных путей и методов предотвращения загрязнения водной среды судовыми отходами;
в учебном процессе МГАВТ в курсе «Экология водного транспорта», «Охрана окружающей среды».
Достоверность и обоснованность полученных результатов исследований, выводов и рекомендаций подтверждается корректным применением теории системного анализа и статистической обработки экспериментальных данных, использованием в ходе экспериментов аттестованной аппаратуры и приборов, корректностью и логической обоснованностью допущений, принятых при разработке математических моделей.
Реализация результатов исследований:
при планировании работы внесудовых водоохранных технических средств в «Столичной Судоходной Компании» (подтверждено актом внедрения);
в учебном процессе кафедры физики и химии, а также на Факультете дополнительного профессионального образования МГАВТ (подтверждено актом внедрения);
при выполнении научно-исследовательских работ МГАВТ.
Положения, выносимые на защиту:
-
Научно-методические принципы построения имитационной математической модели внесудовой подсистемы сбора и обработки отходов на речной транспортной сети.
-
Результаты теоретического и экспериментального изучения кинетики электрофлотационной очистки нефтесодержащих вод.
-
Методы расчета времени электрофлотации и объемного расхода нефтесодержащих вод для обеспечения требуемой степени очистки.
-
Практические рекомендации по планированию размещения водоохранных внесудовых технических средств и совершенствованию технических средств очистки нефтесодержащих вод.
Личный вклад автора. Автором разработана методика построения имитационной модели системы сбора и обработки судовых отходов, выполнен теоретический анализ гидродинамики и кинетики электрофлотации судовых нефтесодержащих вод, выполнены экспериментальные исследования электрофлотации нефтесодержащих вод, осуществлен научно обоснованный выбор электрофлотационного оборудования.
Апробация работы. Полученные результаты исследований представлялись и получили одобрение на семинарах «Экологическая безопасность регионов России», Пенза, 1998 г. и «Проблемы, способы и средства защиты окружающей среды от загрязнений нефтью и нефтепродуктами», ГУП «ВИМИ», 6-9 апреля 1999 г.; конференции «Безопасность XXI века». СПб, 2000 г.; XXIV научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов МГАВТ.
Публикации. Материалы исследований опубликованы в 12 печатных работах, в том числе: четыре статьи – в журналах, входящих в перечень ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка использованных источников в количестве 97 работ и 5 приложений. Общий объем работы составляет 168 страниц машинописного текста, в том числе 143 страницы основного текста, содержащего 33 рисунка и 32 таблицы, и 25 страниц приложений.
