Содержание к диссертации
Стр.
Введение 7
1. Анализ состояния компьютерных информационных систем,
моделей и оборудования для решения экологических проблем очистки
сточных вод 13
1.1. Существующие информационные системы и базы данных по
экологическим вопросам 13
Обзор типов информационных систем 13
Состояние информационных компьютерных систем и
баз данных по экологическим проблемам 19
1.2. Анализ существующего оборудования и схем для очистки
сточных вод и утилизации осадков 23
Мембранные установки 26
Мембранные биореакторы 41
Анализ существующего оборудования и схем для утилизации осадков сточных вод 45
Методы оценки эффективности инвестиций в очистное оборудование 58
1.3. Анализ математических моделей аппаратов для очистки и утилизации
осадков сточных вод 64
Моделирование процесса микрофильтрации 64
Математические модели процесса биохимической очистки 72
Моделирование процесса сушки в пульсационных установках 80
Выводы 85
1.4. Постановка задачи исследования 86
2. Интегрированный подход к моделированию и разработке
информационных систем 88
Системный анализ как основа блочного принципа моделирования.... 88
Разработка интегрированного подхода к компьютерной среде моделирования 93
Основные принципы автоматизированного построения моделей 97
Комплексное использование моделей 98
Открытость, блочность и структурная идентичность 100
Соответствие сложности модели целям исследования 103
Оптимизация модели 103
Упрощение модели на основе аппарата чувствительности 104
2.4. Объектно-ориентированное программирование для создания
среды моделирования 110
Выводы 113
3. Разработка информационной системы для выбора очистного
оборудования 114
3.1. Разработка алгоритма для выбора оборудования 114
Классификация вредных факторов сточных вод 114
Стадии обработки сточных вод 117
Алгоритм выбора метода и аппарата на стадии обработки 121
Алгоритм выбора методов по стадиям обработки 127
3.2. Структура информационной системы и ее функции 130
Структура системы 130
Функции системы 134
Режимы работы системы 137
Расчетные функции системы 139
Управление базами данных 144
Сервисные функции системы 153
Расширение системы 155
Выводы 156
4. Математические модели современного оборудования для очистки
сточных вод и утилизации отходов 158
4.1. Математические модели процесса микрофильтрации на различных
мембранных элементах 158
Структура модели микрофильтрации на базе объектно -ориентированного моделирования 158
Математическая модель трубчатого керамического элемента... 169
Математическая модель плоско-параллельного элемента 190
Математическая модель патронного элемента 194
Проектирование схем мембранного разделения 207
4.2. Математические модели мембранных биореакторов для очистки
сточных вод 216
4.2.1. Структура обобщенной модели мембранных биореакторов
на базе объектно - ориентированного моделирования 216
4.2.2. Основы автоматизированного построения кинетики
биосинтеза в биореакторе 219
Кинетика роста биомассы 221
Кинетика накопления продукта 224
Кинетика утилизации субстрата 226
4.2.2.4. Кинетические модели с учетом гидродинамики 226
4.2.3. Разработка математической модели мембранного биореактора.. 229
Типы мембранных биореакторов 229
Математическая модель мембранного биореактора ... 231
4.3. Моделирование процессов обезвоживания в пульсационных аппаратах. 239
Расчет тепловых и аэродинамических параметров пульсационной топки 240
Моделирование процесса сушки в выхлопной трубе 249
4.4. Экономический анализ использования очистного оборудования 256
Общие положения 256
Выбор критерия сравнительного экономического анализа схем
очистки сточных вод 257
4.4.3. Разработка методики расчета срока окупаемости установки по
очистке сточных вод химической промышленности 258
4.4.4. Оценка ущерба от загрязнения водных объектов сточными
водами 262
Выводы 267
5. Разработка технологических схем очистки сточных вод различных
химических производств на основе предлагаемого подхода 268
Схема очистки сточных вод лакокрасочных производств 268
Схема очистки сточных вод производства каучука и резины 274
Схема очистки сточных вод гальванического производства 285
Пример стоков гальванохимического производства 285
Подбор методов по стадиям обработки 286
Результат подбора схемы очистки 290
5.4. Подбор оборудования для очистки нефтесодержащих стоков 292
Состав стока автозаправочных предприятий 292
Формирования запроса и критерий отбора 293
5.5. Составление схемы очистки предприятия по производству спирта.. 296
Характеристики стока и врежные факторы 296
Сосоавление последовательности обоработки 296
Выводы 299
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО ДИССЕРТАЦИИ 300
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 302
ПРИЛОЖЕНИЕ 321
Приложение 1 322
Приложение 2 347
Приложение 3 348
Приложение 4 349
Приложение 5 352
Приложение 6 359
Приложение 7. Примеры представления информации по схемам очистки
сточных вод в ИИС 365
Очистка сточных вод от нефтепродуктов (мойка автотранспорта) 365
Очистка сточных вод от нефтепродуктов (ливневая канализация) 367
Очистка сточных вод от красителей до норм ПДК 369
Очистка сточных вод постов мойки автотранспорта с использованием
мембранного модуля 372
Глубокая очистка сточных вод от ионов тяжелых металлов
до ПДК комбинированным методом 374
Приложение 8. Акты внедрений 377
Введение к работе
Современное состояние промышленности и экологическая ситуация в России требует развития нового подхода к правильному и быстрому выбору схем очистки сточных вод и газовых выбросов. Особенно это актуально для больших мегаполисов. Например, Москва в списке городов РФ числится одним из городов с высокой степенью загрязнения воздуха, воды и почвы. На территории города расположено свыше 5 тысяч промышленных предприятий и организаций, в том числе около 2,5 тысяч автотранспортных хозяйств, 13 тепловых электростанций и их филиалов (ТЭЦ), 63 тепловых районных квартальных станций (РТС и КТС), 103 отопительных котельных, более 1200 промышленных и коммунально-бытовых котельных (КБК). Их стоки и выбросы различны и многообразны. По этой причине выдача рекомендаций по их очистке или утилизации очень затруднительна. Данную проблему невозможно решить, используя глобальный и единый подход. Решение возможно только на базе всестороннего изучения состава стоков, их классификации, а затем подбора соответствующего очистного оборудования.
Одним из перспективных подходов, способствующих выбору и внедрению оборудования и технологий для очистки сточных вод, является развитие информационных систем, содержащих большой объем сведений по существующим схемам очистки и новому очистному оборудованию.
В настоящее время существует большое количество информационно-справочных систем в области охраны окружающей среды, которые объединяют информацию по экологическому мониторингу, по токсикологическим характеристикам веществ, оценке уровня загрязнений окружающей среды. Однако не существует пока информационной системы, обобщающей методы и оборудование для очистки сточных вод.
В связи с вышесказанным, актуальным является разработка интегрированного подхода к моделированию и построению информационных систем на базе современных компьютерных технологий с
целью автоматизированного выбора технологических схем и отдельного оборудования для очистки сточных вод различных производств; а также создание и внедрение нового высокоэффективного оборудования для очистки и утилизации осадков сточных вод.
Информационная система поможет посредством INTERNET-технологии инженерам и ученым, работающим на различных предприятиях, рассмотреть существующее и выбрать необходимое оборудование для очистки сточных вод. У департаментов промышленности, транспорта, энергетики появится возможность доступа к новым технологиям и образцам российского оборудования, что позволит провести сравнение с западными образцами и оценить экономическую эффективность в случае отказа от закупки дорогостоящего оборудования по импорту.
Основные научные исследования и практические работы выполнены в соответствии с координационным планом научно-исследовательских работ АН РФ по направлению «Теоретические основы химической технологии», проектов и заданий Государственного комитета Российской Федерации по охране окружающей среды и Правительства Москвы.
В диссертационной работе, выполненной в Российском химико-технологическом университете им. Д.И. Менделеева, решались следующие задачи:
исследование сточных вод различных производств и деление их на классы в зависимости от состава;
построение алгоритма выбора технологической схемы или отдельного очистного оборудования на основе постадийного принципа обработки сточных вод;
разработка структуры и оболочки информационной системы для выбора очистного оборудования, способствующей облегчению и ускорению процесса составления технологической схемы очистки сточных вод Химических предприятий;
разработка интегрированного подхода к построению информационной системы и моделей, что позволяет говорить об новом классе компьютерных информационных технологий: об информационной интеллектуальной системе, совмещающей функции поиска, экспертизы и расчета;
развитие принципов объектно-ориентированного моделирования и использование их для разработки обобщенных моделей процесса фильтрации на мембранах, процесса биоочистки, обезвоживания и выделения ценных компонентов из сточных вод;
проектирование новых установок на основе передовых технологий для очистки сточных вод, используя возможности созданной информационной системы;
исследование возможного внедрения перспективного высокоэффективного оборудования для очистки сточных вод: мембранных модулей, мембранных биореакторов и пульсационных сушилок в технологические схемы для очистки сточных вод;
создание и внедрение полупромышленных установок (мембранный модуль, мембранный биореактор, пульсационная сушилка) для очистки сточных вод и утилизации осадков;
разработка анализа экономической эффективности использования
очистных технологий.
Вышеперечисленные задачи решались в следующем порядке.
В первой главе диссертации проанализированы существующие информационные системы, модели и оборудование для решения проблемы очистки сточных вод.
На основе анализа существующего оборудования и схем для очистки сточных вод и утилизации осадков были выделены наиболее перспективные методы и оборудование, выбраны параметры, характеризующие степень очистки. Установлено, что перспективным методом очистки является биоочистка. Оборудование для биоочистки - это отстойники, аэротенки,
биофильтры и мембранные биореактора, которые являются наиболее применимыми для городских условий из-за их компактности. Тонкую очистку и выделение ценных примесей обеспечивают мембранные комплексы. Для утилизации осадков в последние годы за рубежом используются пульсационные сушилки, характеризующиеся низким энергопотреблением и капитальными затратами и отсутствием требований к начальной консистенции сточных вод.
Проведенный обзор литературы позволил выделить перспективное оборудование и рассмотреть существующие модели этого оборудования.
На основе анализа литературных источников и поиска в INTERNET было выявлено большое количество информационно-справочных систем в области охраны окружающей среды, которые объединяют информацию по экологическому мониторингу, по токсикологическим характеристикам веществ и по оценке уровня загрязнений окружающей среды. Однако не существует пока информационной системы, обобщающей методы и оборудование для очистки сточных вод.
Во второй главе рассмотрен интегрированный подход к
моделированию и построению информационных систем, развиты основные
принципы современного моделирования и построения среды моделирования
на компьютерах. Развиты принципы генерации моделей на основе объектно-
ориентированного и структурного программирования. Показаны реализация
и использование «полиморфизма, инкансуляции и открытости» при
построении моделей и информационных систем. Рассмотренный
интегрированный подход к моделированию и построению информационных систем, предполагающий использование их друг в друге, позволяет резко сократить время моделирования и расчетов, использовать соответствующей сложности модель для различных задач (проектирование, автоматизация, контроль), а также «собрать» модель из моделей более низкого уровня, использовав принципы, так называемых, «calls» технологий моделирования.
Развитие этих принципов показано на конкретных примерах в следующих главах.
В третьей главе представлена разработанная информационная система для выбора очистного оборудования, что позволяет максимально ускорить процесс составления технологической схемы очистки сточных вод. С целью автоматизированного выбора аппаратов был разработан алгоритм, в основу которого было положено деление всего процесса обработки стоков на четыре стадии: предварительная, первичная, вторичная и глубокая доочистка. Каждой стадии соответствует своя группа методов и оборудования.
Информационная система предполагает различные режимы работы: обычный, эксперта, поисковый. Ядром системы является Навигатор, связывающий все части системы (базы данных, экспертную, расчетную) и включающий в себя все функции управления.
При разработке информационной системы использованы концепции объектно-ориентированного и структурного программирования, что позволяет расширять системы с использованием возможностей INTERNET. Информационная система реализована в интегрированной среде разработки Delphi 3 и представляет удобный для пользователя интерфейс. В информационной системе заложены расчетные функции, рассмотренные в четвертой главе.
В четвертой главе представлены разработанные модели современного очистного оборудования, выделенного в первой главе. Рассмотрены модели, алгоритмы и результаты расчетов различных мембранных элементов (трубчатого, плоско-параллельного, рулонного, патронного), а также основные принципы и модели составления схем разделения и очистки с использованием мембран. Кроме того, рассмотрены модели для проектирования очистных сооружений на основе мембранных биореакторов и пульсационные сушилки для утилизации осадков. Разработанные модели использовались для проектирования различных очистных сооружений, которые были реализованы в виде опытно-промышленных установок.
В пятой главе была показана работа интеллектуальной информационной системы на примерах выбора оборудования для очистки стоков лакокрасочного производства, производства каучука и резины, гальванического производства, предприятий коммунального хозяйства (на примере автозаправочных станций), а также предприятий по производству спирта. Выбранные схемы очистки сточных вод были рекомендованы в производства, что подтверждено актами внедрения.
Автор выражает глубокую благодарность научному консультанту профессору Меныпутиной Н.В., зав. кафедрой КХТП профессору Гордееву Л.С, доценту Гончаровой СВ. за консультации и замечания по диссертации и помощь в работе.
