ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов – одна из актуальных проблем современности. Взаимосвязь «вода – здоровье человека» – один из главнейших приоритетов природоохранной деятельности. Снижение уровня загрязнений водных экосистем и ликвидация их источников признается Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) главной стратегической задачей охраны здоровья населения.

Очистные сооружения канализации крупных городов, как правило, выполнены по типовым проектам с традиционной технологией обработки осадков, предусматривающей их сбраживание и обезвоживание на иловых картах. Основная масса загрязнений, выделяемых в процессе очистки сточных вод на городских очистных сооружениях (ГОС), накапливается на их территории (на иловых полях, в шламонакопителях, на полигонах, в отвалах и т.д.). При хранении осадков имеют место сбросы и смывы их в водоемы.

Общий объем осадков, выделяемых в процессе очистки сточных вод на ГОС в городах России, колеблется в широких диапазонах и обычно составляет 0,5–1,5 % от объема сточных вод. Например, на ГОС г. Н. Новгорода объем осадков составляет ~ 4000 м3 в сутки. Из них: сброженного осадка после метантенков – 0,44 %, влажностью 97,8 %; после первичных отстойников – 0,1 %, влажностью 93,8 %; после вторичных отстойников – 0,91 %, влажностью 99,37 %; уплотненного избыточного активного ила – 0,33 %, влажностью 97,5 %.

Более 80 % осадков в РФ подсушиваются на иловых полях – низкоэффективных, экологически опасных сооружениях, требующих к тому же отчуждения значительных земельных участков. Низкая эффективность, отсутствие свободных земель, использование маломеханизированных процессов уборки и транспортирования осадков вызывают необходимость замены иловых площадок на высокопроизводительные механические системы обезвоживания.

Обработка осадков, образующихся на ГОС, является одной из наиболее актуальных задач в области обеспечения экологической безопасности городов, в последние годы она выдвигается в число наиболее трудных, дорогостоящих и наименее разработанных проблем в области очистки сточных вод.

Научно-исследовательская работа выполнялась в период с 1999 по 2005 год в соответствии с федеральной целевой программой (ФЦП) «Оздоровление экологической обстановки на реке Волге и ее притоках, восстановление и предотвращение деградации природных комплексов Волжского бассейна», Программой «Возрождение Волги» и законом Российской Федерации «Об охране окружающей природной среды».

Целью диссертационной работы является совершенствование существующих и исследование новых технологически целесообразных, высокоэффективных, экологически безопасных приемов и технологий обработки осадков сточных вод (ОСВ), обладающих высоким уровнем надежности, гибкости и автоматизации.

Для реализации цели поставлены и решены следующие задачи:

1. Выполнена оценка существующих технологий систем обезвоживания осадков.
2. Проведены исследования по интенсификации гравитационного уплотнения осадков с использованием высокоэффективных реагентов.
3. Установлены закономерности механического обезвоживания осадков с учетом расчетной зависимости процесса фильтр-прессования от основных технологических факторов (давления, вида и дозы реагента, продолжительности процесса и др.).
4. Изучено влияние магнитной обработки на обезвоживание ОСВ.
5. Разработаны математические модели станции и ее подсистем.
6. Обоснованы и решены математические задачи оптимизации технологических параметров системы обезвоживания ОСВ.
7. Предложены математические и структурные модели иерархических систем при различных технико-экономических условиях работы.

Научная новизна работы заключается:

- в комплексном проведении исследований по интенсификации гравитационного процесса уплотнения осадков с использованием высокоэффективных реагентов и омагничивания;

- в установлении закономерностей механического процесса обезвоживания осадков в зависимости от технологических факторов;

- в проведении экспериментальных и производственных исследований новых технологических приемов и схем обработки осадков;

- в получении графоаналитических зависимостей, описывающих процессы обработки осадков;

- в математической постановке и решении задач оптимизации технологических параметров.

Практическая значимость и реализация работы. В результате исследований уплотнения избыточного активного ила отечественными реагентами наиболее эффективными оказались суперфосфат и «Окшара», при применении которых влажность уплотненного осадка составляет ~ 91 %. Низкотемпературный нагрев уплотненного ила (~ 50–70° С) позволил сократить продолжительность уплотнения ила до 2 ч при одновременном снижении дозы реагентов.

Внедрение механического обезвоживания осадка позволило снизить нагрузку на иловые поля и обеспечить их эксплуатацию без превышения регламентированной удельной нагрузки (0,9 м3/м2 в год). При механическом обезвоживании осадка исключается длительность его просушки на иловых полях (~3–5 лет), что является важным природоохранным фактором.

На НСА был смонтирован блок из двух ленточных фильтр-прессов фирмы «Andritz» (Австрия). Производительность одного фильтр-пресса до 35,5 м3/ч сброженного ила при непрерывной работе.

Годовой экономический эффект от внедрения механического обезвоживания составил 1,5 млн рублей в ценах 2006 года.

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 5 всероссийских и международных конференциях в г.г. Нижний Новгород, Пенза в 1999–2006 гг.

По материалам диссертации имеется 19 публикаций (12 статей, 4 тезиса докладов, три отчета, в т.ч. две статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ).

Методы исследований. В диссертации проводились теоретические и экспериментальные исследования, включающие работу с моделями и натурными установками.

Достоверность полученных результатов оценена с помощью современных математических методов обработки результатов. Экспериментальные данные, полученные на моделях, соответствуют результатам на промышленных установках.

На защиту выносятся:

- результаты комплексных исследований оценки эффективности работы существующих технологий очистки сточных вод и обработки осадков;

- результаты экспериментально-теоретических исследований с обоснованием экономической целесообразности и технической возможности работы станции по новым технологиям;

- математический подход к построению моделей, основанный на пассивном сборе информации при предварительно известных интервалах изменения отдельных факторов;

- математические модели отдельных подсистем станции аэрации;

- математическая модель процесса обезвоживания осадка.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Общий объем работы 204 страницы машинописного текста, включая 65 рисунков, 53 таблицы, библиографический список из 173 наименований и три приложения.

Автор выражает особую благодарность за научную, консультативную и практическую помощь профессорам В.В. Найденко и Л.Н. Губанову.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цель и задачи, отмечена научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе дан литературный обзор, в котором рассматривается современное состояние обработки, обезвреживания и утилизации осадков сточных вод ГОС. Отмечен вклад в развитие технологий обработки и утилизации осадков российских и зарубежных ученых.

Проанализированы состав и свойства осадков, методы обезвоживания осадков (гравитационные, механические, термические, реагентные и биохимические), направленные на подготовку последних к дальнейшему использованию или хранению, а также возможные направления утилизации осадков и их депонирования. По результатам анализа литературных данных сформулированы выводы и намечены задачи исследований.

Во второй главе рассмотрена технологическая схема очистки сточных вод на НСА с краткой характеристикой систем механической, биологической очистки стоков и обработки осадков. Отмечено, что способы обработки осадков сточных вод, используемые на станции, до настоящего времени имеют ряд недостатков как с экономической, так и с технологической точек зрения.

Третья глава посвящена интенсификации процесса гравитационного уплотнения осадков сточных вод на НСА. На первом этапе исследования проводились с избыточным активным илом, образующимся при биохимической очистке сточных вод на станции. В качестве реагентов использовались: сернокислое и хлорное железо, известь, серная кислота, аммофос, суперфосфат, «Окшара». «Окшара» – отход производства уксусной кислоты и уксуснокальциевого порошка. Она представляет собой порошок темно-серого цвета, содержащий до 80 % СаSО4 (гипса), до 4 % уксуснокислого кальция, до 12 % серной кислоты и примесей уксусной кислоты. В фракционном составе имеют преобладание частицы размером менее 1 мм (63–72 %).

Для определения технологической и экономической целесообразности применения железосодержащих коагулянтов при интенсификации процесса уплотнения активного ила проведены исследования по изучению кинетики его уплотнения. Результаты этого цикла исследований приведены в виде графических зависимостей, представленных на рис. 1.

Рис.1. Изменение влажности и pH уплотненного ила в зависимости от дозы реагента:

1–рН ила, обработанного Fe Cl3; 2–рН ила, обработанного Fe2 (SO4)3; 3–влажность ила, обработанного Fe2 (SO4)3; 4–влажность ила, обработанного Fe Cl3; 5–влажность ила в контроле. Продолжительность уплотнения: в опыте–4 ч; в контроле–9 ч

Анализ графических зависимостей показывает, что применение железосодержащих коагулянтов при дозах от 5 до 25 % от сухого вещества ила неэффективно. Данный цикл исследований указывает на необходимость дополнительного утяжеления хлопьев ила. Предположение подтверждается экспериментальными данными, полученными при подкислении ила. Подкисление ила серной кислотой незначительно снижает влажность уплотненной части. Однако при этом наблюдается увеличение начальной скорости разделения жидкой и твердой фаз по мере снижения рН. Наиболее высокая скорость уплотнения достигается при рН~2,0, что, по-видимому, объясняется более интенсивным выделением свободной воды. Уплотненный ил после обработки имеет удельное сопротивление в 1,5 раза выше, чем исходный (необработанный).

Исследовалась также возможность применения извести при гравитационном уплотнении ила. Эксперименты свидетельствуют о том, что обработка ила известью (~36 % СаО) приводит (после 4-часового уплотнения) к снижению влажности ила до 95,4–96,2 %. Одновременно с этим рН среды поднимается до величины, обеспечивающей стабилизацию ила, что является очевидным преимуществом известковой обработки.

Совместная обработка ила известью и солями железа в различном соотношении (с целью его уплотнения) практически обеспечивала аналогичный результат. Влажность уплотненного ила 95,2 % (максимальный эффект) достигалась при дозировании 16,7 % Fe2(SO4)3 и 25,2 % СаО от массы сухого вещества ила. При этом объем твердой фазы снижался в 2,8 раза от исходного.

Для выяснения изменения удельного сопротивления ила и влажности был выполнен специальный цикл исследований. Ил обрабатывался реагентами: аммофос, суперфосфат, «Окшара». Как показали опыты, с увеличением дозы реагентов (суперфосфата, «Окшары») уменьшается удельное сопротивление ила. Так, при обработке неуплотненного ила суперфосфатом дозой 25 г/л удельное сопротивление ила снижается в 1,8 раза. Аналогичная картина наблюдается и при использовании «Окшары» (рис. 2).

r1010, см/г; W,%

Рис. 2. Изменение удельного сопротивления и влажности уплотненного ила

в зависимости от дозы реагента:

1–влажность ила, обработанного суперфосфатом; 2–влажность ила, обработанного «Окшарой»; 3–удельное сопротивление ила при обработке «Окшарой»; 4–удельное сопротивление ила при обработке суперфосфатом

Анализ экспериментальных данных показывает, что оптимальными дозами для «Окшары» и суперфосфата являются 25 г/л, что отвечает соотношению 5 г реагента к 1кг сухого ила. Равнозначные результаты по остаточной влажности и различие в начальных скоростях уплотнения свидетельствуют о более предпочтительном использовании «Окшары».

Влияние низкотемпературного нагрева ила на скорость его уплотнения и его характеристики изучались с использованием реагентов – «Окшара» и суперфосфат. Цикл исследований показал, что низкотемпературный нагрев позволяет существенно увеличить скорость уплотнения. При дозировках 5 и 15 г/л она увеличивается в 1,5–1,8 раза. Это позволяет сократить продолжительность уплотнения до 1,5–2 ч, что является крайне необходимым для производственных условий, т.к. имеется возможность в сокращении объема уплотнителя в 5–6 раз (рис.3-4).

V, мл

Рис.3. Кинетика уплотненного ила, нагретого до 70оС

в присутствии суперфосфата в дозах:

1– 5 г/л; 2–15 г/л; 3–25 г/л; 4–35 г/л; 5–45 г/л

Сравнивая конечные влажности, можно отметить некоторое преимущество «Окшары», для которой при температуре 50–70° С получены одинаковые результаты. В то же время при использовании суперфосфата только при 70° С удалось получить одинаковую влажность. Нагрев до 50° С не дает хорошего результата. Анализ влияния низкотемпературного нагрева на водоотдачу ила показал следующее: доза реагентов 5 г/л не позволяет снизить удельное сопротивление; дозы реагентов 15 г/л и выше положительно влияют на водоотдающую способность; после 4-часового уплотнения удельное сопротивление ила значительно снижается от начального его значения (неуплотненный ил); наиболее низкие значения получены для варианта «Окшара» при +70° С, которые оказались стабильными в интервале доз «Окшары» 15–45 г/л.

V, мл

Рис. 4. Кинетика уплотненного ила, нагретого до 70°С

в присутствии «Окшары» в дозах:

1–5 г/л; 2–15 г/л; 3–25 г/л; 4–35 г/л; 5–45 г/л

Для изучения влияния магнитного поля на обезвоживание осадков были проведены специальные исследования. Омагничивание проводилось на установке АМО-25У производительностью 25 м3/ч. Сила тока во всех опытах устанавливалась 10А. Опыты проводились как без использования реагентов, так и с их применением. Омагничивание осадка было однократным, трех- и пятикратным. Исследования показали: магнитная обработка неуплотненного ила несколько ухудшает его свойства и приводит к незначительному снижению удельного сопротивления; безреагентная магнитная обработка сброженного осадка незначительно влияет на его удельное сопротивление и ее использование в технологии обезвоживания нецелесообразно.

В четвертой главе изучены вопросы совершенствования технологий обработки осадков на НСА. Проанализированы: состав осадков, поступающих на обезвоживание; стадии обработки осадка на сооружениях цеха обработки осадков (ЦОО); работа сооружений участка механического обезвоживания осадка.

Для оптимизации технологических параметров работы фильтр-прессов была выполнена серия экспериментов по выбору: оптимальной концентрации раствора реагентов; оптимальной скорости движения лент; оптимального давления фильтрующих лент.

Результаты экспериментов по определению оптимальной концентрации раствора реагента приведены в табл. 1.

Т а б л и ц а 1

Номер опыта	Производительность установки,м3/ч, при различных концентрациях реагента, %
	0,07	0,1	0,15	0,2
1	33,8	35,2	33,1	31,0
2	34,2	35,4	33,4	31,2
3	34,4	35,7	33,3	31,2
4	34,0	35,0	33,0	30,0
5	34,2	35,0	33,4	31,3
6	33,8	34,8	32,8	30,9
7	34,1	35,2	33,0	31,0

Из табличных данных следует, что оптимальная концентрация рабочего раствора реагентов составляет 0,1 %.

Исследования по выбору оптимальной скорости движения лент проводились при давлении лент 5,0 кгс/см2. Результаты исследований приведены в табл. 2.

Т а б л и ц а 2

Номер опыта	Влажность осадка, %, при скорости фильтрующих лент, м/мин
	2,25	2,5	2,75	3,0
1	75,0	75,0	76,2	78,8
2	74,2	74,8	75,9	79,2
3	75,0	75,2	76,1	80,0
4	76,0	76,8	77,8	80,1
5	75,4	75,8	77,2	80,0
6	75,2	75,4	77,0	79,8
7	74,8	75,2	77,0	79,2

При скорости движения лент ниже 2,25 м/мин происходит выпадение осадка из роликовой зоны фильтр-пресса. Эксперименты показывают, что уменьшение скорости движения лент ниже 2,5 м/мин существенного эффекта обезвоживания не дает, т.к. увеличивается количество загрязнений от выпадающего осадка. Оптимальная скорость движения лент составляет 2,5 м/мин.

Результаты выбора оптимального давления фильтрующих лент при скорости их движения 2,5 м/мин представлены в табл. 3.

Т а б л и ц а 3

Номер опыта	Влажность исходного осадка, %	Влажность обезвоженного осадка, %, при давлении фильтрующих лент, кгс/см2
		3	4	5	6
1	97,2	80,0	78,5	75,7	74,2
2	97,0	79,4	78,4	75,0	74,0
3	97,0	79,7	78,5	74,8	74,2
4	96,8	79,0	77,9	74,2	73,5
5	97,2	79,8	78,2	75,9	74,8
6	97,4	80,3	78,8	77,0	75,2
7	97,5	82,0	79,4	77,8	75,4

На основании анализа и сопоставления табличных данных можно сделать вывод, что оптимальное давление лент составляет 5,0 кгс/см2, а дальнейшее его повышение до 6 кгс/см2 увеличивает содержание загрязнений в фугате (табл.4).

Т а б л и ц а 4

Номер опыта	Влажность поступающего осадка, %	Содержание взвешенных веществ в фугате, мг/л, при давлении фильтрующих лент, кгс/см2
		3	4	5	6
1	97,2	325	380	425	625
2	97,0	340	385	410	670
3	97,0	345	370	380	560
4	96,8	355	355	450	585
5	97,2	375	400	430	630
6	97,4	350	375	375	645
7	97,5	330	380	415	710

В процессе эксплуатации использовались флокулянты: феннопол К506, К508 (фирма «Кемира»); KAT – FLOC F498 (фирма «КЕМ-ТРОН»); цетаг-87 (фирма «Сиба»); аккофлок С483 (фирма «Мицуи-Сайтек»). Наиболее эффективным оказался флокулянт «Праестол – 611» (фирма Штокхаузен).

Глава пятая посвящена изучению и построению моделей с последующей оптимизацией направлений технологических систем НСА.

При проектировании и эксплуатации ГОС крупных городов решается главная цель – достижение максимального эффекта работы с минимальными затратами. На НСА это условие может быть выполнено для получения минимального количества элементов (сооружений, агрегатов, аппаратов) в каждом цехе при достижении заданной цели:

, (1)

где – общее число структурных элементов, присутствующих в нулевой момент времени.

Структурная адаптация любой системы НСА может осуществляться в сторону роста числа элементов (+N) или в сторону их убывания (–N). Тогда реальная технико-экономическая проблема управления структурами может быть представлена в следующем виде:

. (2)

Приведенные зависимости (1) и (2) можно представить в символической форме:

. (3)

При анализе существующих систем (изучении особенностей их функционирования) основное внимание сосредоточено на следующих четырех элементах: эксперимент, модель, показатели эффективности (критерии оптимальности), критерии решений.

Критерий оптимального процесса управления данной структурой можно выразить в интегральной форме:

, (4)

где F – заданная функция своих аргументов.

Задача определения оптимального управления заключается в том, чтобы подобрать такие функции времени Ul(t),…,Uр(t), при которых критерий G получает экстремальное значение (минимальное или максимальное). Требование минимизации критерия оптимальности может быть заменено требованием минимизации концевого значения координаты системы х0(t), которая определяется дополнительным дифференциальным уравнением первого порядка

; х0(0) = 0. (5)

С учетом вышеуказанных уравнений получается тождество

G = х0(Т). (6)

Формально можно устранить зависимость правых частей выражений от времени путем введения координаты хn+1 = t с помощью дополнительного дифференциального уравнения

; хn+l(0) = 0. (7)

Для компактности уравнение (7) представляется в векторной форме:

. (8)

Принадлежность векторов и к определенной области значений и согласно вышеуказанным условиям выражается в виде обозначений: ; .

В дальнейшем рассматривается непрерывно управляемая система как система, обладающая динамическими свойствами. Ее описание можно осуществить дифференциальными уравнениями

, (9)

где ; ; ; х(t) – фазовое состояние системы в текущий момент времени t; U(t) – действующее на систему непрерывное управление в момент времени t; t0 – момент, соответствующий началу процесса управления системой; tf – фиксированный или свободный момент времени, соответствующий окончанию процесса управления системой.

Необходимым условием при синтезе модели организации является выполнение задач контроля состояния и осуществления необходимых управлений системой, что определяется в общем случае зависимостью y(t)=F[u(t),t], либо посредством уточненной функции типа y(t)=ф[u(t), x(t)c, x(t)y, t].

Процесс оптимизации разбивается на два этапа: на первом решается задача внутренней оптимизации (оптимизация параметров, определяющих техническое состояние объекта, объем и качество выпускаемой продукции на каждой установке); на втором осуществляется внешняя оптимизация (главные параметры всех установок, объем, качество и себестоимость выпускаемой продукции всей технологической схемы).

Структура модели имеет следующий вид:

, (10)

где хi – факторы, определяющие работу данного агрегата; у – параметр, входящий в регрессионную модель внешней задачи.

Определение коэффициентов множественной регрессии осуществляется с помощью методов оптимального управления экспериментом. Планирование эксперимента позволяет варьировать одновременно все факторы и получать количественные оценки основных эффектов и эффектов взаимодействия. В практике существуют условия для существования двух типов задач: с применением методов планирования при активном эксперименте и с применением методов планирования при пассивном эксперименте.

Для трехмерного случая кодированный план в первом случае геометрически может быть интерпретирован в виде куба (рис. 5), 8 вершин которого определяют 8 экспериментальных точек.

Рис. 5. Кодированный план, геометрически интерпретированный в виде куба

Уравнение регрессии обладает следующими свойствами:

; ;, (11)

где k – число независимых факторов; N – общее число экспериментов.

Коэффициенты уравнения регрессии определяются по методу наименьших квадратов следующим образом:

, (12)

где х – матрица планирования эксперимента; хТ – транспонированная матрица.

В трехмерном случае матрица моментов (хTх) имеет вид:

. (13)

Матрица, обратная матрице моментов (хTх)-1, равна

а . (14)

Таким образом, вычисляются все постоянные коэффициенты, входящие в регрессионную зависимость

. (15)

В общем виде любой коэффициент уравнения регрессии bj определяется скалярным произведением столбца у на соответствующий столбец xj, делен-

ным на число опытов N.

Предполагается, что конечный набор параметров и интервалы их изменения заранее известны. Тогда для пространства Bn обобщенный параметр оптимизации имеет вид

(16)

где Yi – частные показатели, в которые предварительно преобразуются параметры; YiЄ [0;1]; Y,Yi – математические ожидания при заданных условиях эксперимента.

Глава шестая посвящена построению и анализу математических моделей НСА. Сооружения, установки и агрегаты рассмотрены как множество М, которое разбивается на подмножества и образует линейное пространство.

Обобщенный параметр оптимизации определяется как

(17)

где М – общий минимум для всей области.

В составе технологической схемы НСА имеются следующие основные этапы ОСВ и обработки осадков: механическая очистка, биологическая очистка, доочистка, обработка осадков. На сооружения механической очистки (решетки, песколовки, первичные отстойники) и биологической очистки (аэротенки, вторичные отстойники), а также биологического пруда разработаны математические модели.

Математическая модель УМОО представляется в виде:

у = а1х1 + а2х2 + а3х3 + а13х1х3 + а23х2х3 + а11х21 + а22х22 + а33х23. (18)

Интервал изменения производительности установки у1 м3/ч. В нормированном виде первый параметр оптимизации имеет вид

= , или = . (19)

Влажность поступающего осадка находится в интервале %. Влажность обезвоженного осадка определяется интервалом %. Интервал изменения механического обезвоживания определяется границами у2%. Большее граничное значение задается с учетом условий контракта с фирмой «Andritz». Отсюда второй параметр оптимизации

= , или = . (20)

Третий параметр оптимизации определяется содержанием взвешенных веществ в фугате. Границы интервала определяются величинами у3, и тогда в нормированном виде третий параметр оптимизации имеет вид

= , или = . (21)

Обобщенный параметр оптимизации принимает следующий вид:

, или . (22)

Для оптимизации технологического процесса обезвоживания осадка использовались не зависимые между собой факторы: концентрация раствора реагента, %; скорость движения фильтрующих лент, м/мин; давление фильтрующих лент, кгс/см2. Интервалы изменения каждого фактора характеризуются величинами: для х1 х1 %; для х2 х2 м/мин; для х3 х3 кгс/см2.

Получено 13 равенств, которые после математической обработки принимают следующий вид:

–0,6 = – а1 – а2 + 0,3а3 + а12 – 0,3а13 – 0,3а23 + а11 + а22 + 0,09а33;

–0,385 = –0,3а1 – а2 – 0,3а3 + 0,3а12 – 0,09а13 – 0,3а23 + 0,09а11 + а22 + 0,09а33;

–0,33 = –а1 – 0,3а3 – 0,3а23 + а22 + 0,09а33;

–0,325 = 0,5а1 –а2 + 0,3а3 - 0,5а12 + 0,15а13 – 0,3а23 + 0,25а11 + а22 + 0,09а33;

–0,32 = а1 – а2 – 0,3а3 – а12 + 0,3а13 –0,3а23 + а11 + а22 + 0,09а33;

–0,21 = -а1 – а2 + 0,3а3 + а12 + 0,3а13 – 0,3а23 + а11 + а22 + 0,09а33;

–0,415 = –а1 – 0,3а2 + 0,3а3 + 0,3а12 – 0,3а13 – 0,09а23 + а11 + 0,09а22 + 0,09а33; (23)

–0,325 = –а1 + 0,3а2 + 0,3а3 – 0,3а12 – 0,3а13 + 0,09а23 + а11 + 0,09а22 + 0,09а33;

–0,05 = –а1 + а2 + 0,3а3 – а12 – 0,3а13 + 0,3а23 + а11 + а22 + 0,09а33;

–0,27 = –а1 – 0,3а2 – а3 + 0,3а12 + а13 + 0,3а23 + а11 + 0,09а22 + а33;

–0,325 = –а1 – 0,3а2 – 0,3а3 + 0,3а12 + 0,3а13 + 0,09а23 + а11 + 0,09а22 + 0,09а33;

–0,335 = –а1 – 0,3а2 + 0,3а3 + 0,3а12 –0,3а13 - 0,09а23 + а11 + 0,09а22 + 0,09а33;

–0,59 = –а1 – 0,3а2 + а3 + 0,3а12 – а13 – 0,3а23 + а11 + 0,09а22 + а33.

Для определения коэффициентов методами линейного программирования одно из этих равенств принято за функцию цели. Равенство преобразуется так, чтобы максимум функции от равенства был равен нулю. За целевую функцию принято первое равенство. Максимальное значение этого выражения при нормированных величинах а1, а2,…,а23 равно 3,99. При вычитании этой величины из равенства образуется следующая функция цели:

max (–а1 – а2 + 0,3а3 + а12 –0,3а13 – 0,3а23 + а11 + а22 + 0,09а33 < 3,99). (24)

Для доказательства существования допустимого решения складываются со 2-го по 13-е равенства (в группах по четыре равенства в каждом) и выделяются базисные переменные а1, а2, а3:

1,2а1 – 4а2 + 1,2а3 = 1,2а12 – 0,36а13 + 1,2а23 – 1,24а11 – 4а22 – 0,36а33 – 1,36 – 4а1 +

+0а2 + 1,2а3 = 0а12 + 0,6а13 + 0а23 – 4а11 – 2,18а22 – 0,36а33 – 0,9 – 4а1 – 1,2а2+ (25)

+0а =1,2а12 + 0а13 + 0а23 – 4а11 – 0,36а22 – 2,18а33 – 1,52.

Детерминант этой системы равен ,

отсюда:

а1 = 0,28а12 + 0,01а13 + 0,06а23 + 0,22а11 – 0,04а22 + 0,39а33 + 0,25;

а2 = 0,06а12 + 0,17а13 – 0,22а23 + 0,44а11 + 0,41а22 + 0,51а33 + 0,44; (26)

а3 = 0,93а12 + 0,33а13 + 0,21а23 – 0,44а11 – 0,93а22 + 1,01а33 + 0,08.

Функция цели при определенных а1, а2, а3 имеет вид

max (0,299а12 – 0,701а13 – 0,227а23 + 0,868а11 +1,941 а22 – 1,208а33 – 4,886). (27)

В итоге решения получаем:

а1 = 0,25; а2 = 0,44; а3 = 0,08; а12 = 0; а13 = 0; а23 = 0; а11 = 0; а22 = 0; а33 = 0,

и тогда: а1 = –0,25; а2 = –0,06; а3 = –0,42; а12 = –0,5; а13 = –0,5; а23 = 0,5.

Допустимая модель участка механического обезвоживания осадков принимает вид

у = –0,25х1 – 0,06х2 – 0,42х3 – 0,5х1х2 – 0,5х1х3 – 0,5х2х3. (28)

Для определения максимально допустимых значений факторов модели выражение последовательно продифференцировано (величина у по х1, х2, х3) и полученные выражения приравнены к нулю, и тогда образуется система следующих уравнений:

(29)

При решении системы получаем х1 = –0,23; х2 = 0,61; х3 = 0,11. В пересчете на размерные величины имеем: расчетная концентрация раствора – 0,077 %; расчетная скорость движения лент – 2,4 м/мин; расчетное давление фильтрующих лент – 4,7 кгс/см2.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Осадки, накопленные на иловых полях и образующиеся на ГОС, представляют серьезную экологическую, эпидемиологическую и санитарно-гигиеническую опасность. Переработка и утилизация осадков, образующихся на сооружениях очистки сточных вод крупных городов, является одной из наиболее актуальных проблем.

2. Пуск в эксплуатацию (1975–1990 гг.) сооружений биологической очистки сточных вод позволил очищать все сточные воды г. Н. Новгорода перед сбросом в р. Волгу до утвержденных нормативов.

Объем сырого осадка составляет ~ 700 м3/сут при влажности ~ 94 % и зольности ~ 40–41 %. Количество избыточного активного ила составляет ~ 2900–3000 м3/сут при влажности ~ 99,2 %.

3. Из испытанных отечественных реагентов для уплотнения избыточного ила станции наиболее эффективными являются суперфосфат и отходы производства уксусной кислоты «Окшара». Оптимальная доза реагентов для уплотнения ила составила 10–15 г/л (1,50–2 г/кг сухого вещества), которая обеспечивает влажность уплотненного осадка до 91%.

4. Низкотемпературный нагрев ила (~ 50–700 С) существенно увеличивает начальную скорость его уплотнения, что позволяет сократить продолжительность данной стадии до 2-х ч, при одновременном снижении дозы вводимых реагентов.

5. Производительность двух фильтр-прессов составляет 1600–1700 м3/сут. Оптимальная концентрация раствора реагентов составляет 0,1 %; оптимальная скорость движения лент – 2,5 м/мин; оптимальное давление лент – 5 кгс/см2. Внедрение фильтр-прессов позволяет значительно снизить нагрузку на иловые поля и обеспечить их эксплуатацию без превышения регламентированной удельной нагрузки (0,9 м3/м2 в год).

6. Предложены математические и структурные модели иерархических систем и сооружений при различных технико-экономических условиях работы.

7. Разработаны математические модели отдельных сооружений станции аэрации.

8. Определены оптимальные параметры работы участка механического обезвоживания осадка.

9. Годовой экономический эффект от внедрения механического обезвоживания составил 1,5 млн рублей в ценах 2006 г.

Основные результаты работы изложены в следующих публикациях:

1. Луков, С. А. Производственные исследования новых реагентов [Текст] / Е. А. Горбачев, С. А. Луков // Изв. ЖКА. Гор. хоз-во и экология. – 1996. – № 4. – С. 61–62.
2. Луков, С. А. Проблемы обработки осадков городских сточных вод [Текст] / С. А. Луков // Труды аспирантов Нижегородского государственного архитектурно-строительного университета. – Н. Новгород, 1998. – Сб. 4. – С. 32–36.
3. Луков, С. А. Интенсификация процессов гравитационного уплотнения осадков [Текст] / Л. Н. Губанов, С. А. Луков // Изв. ЖКА. Гор. хоз-во и экология. – 1999. – № 4. – С. 54–58.
4. Луков, С. А. Интенсификация процессов обезвоживания осадков городских сточных вод [Текст] / Л. Н. Губанов, С. А. Луков, А. А. Машенков // Вторичные ресурсы: социал.-экон. и технол. аспекты : сб. материалов Междунар. науч.-практ. конф. – Пенза, 1999. – С. 6.
5. Луков, С. А. Интенсификация процесса гравитационного уплотнения избыточного активного ила [Текст] / Л. Н. Губанов, С. А. Луков, А. А. Машенков // Вторичные ресурсы: социал.-экон. и технол. аспекты : сб. материалов Междунар. науч.-практ. конф. – Пенза, 1999. – С. 25.
6. Луков, С. А. Обработка промывных вод и осадков водопроводных станций на очистных сооружениях канализации г. Н. Новгорода [Текст] / С. А. Луков // Архитектура и строительство-2000 : тез. докл. науч.-техн. конф. / Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т. – Н. Новгород, 2000. – Ч. 6. – С. 37–38.
7. Луков, С. А. Обработка осадков сточных вод Нижегородской станции аэрации на ленточных фильтр-прессах [Текст] / С. А. Луков // Архитектура и строительство-2000 : тез. докл. науч.-техн. конф. / Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т. – Н. Новгород, 2000. – Ч. 6. – С. 38–39.
8. Луков, С. А. Интенсификация обезвоживания осадков омагничиванием [Текст] / Л. Н. Губанов, С. А. Луков, Н. Л. Лампси // Архитектура и строительство-2000 : тез. докл. науч.-техн. конф. / Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т. – Н. Новгород, 2000. – Ч. 6. – С. 125.
9. Луков, С. А. Выбор оптимального давления фильтрующих лент на ленточном пресс-фильтре VS-201F [Текст] / С. А. Луков, Е. А. Горбачев // Водохозяйственный комплекс России: состояние, проблемы, перспективы : сб. материалов 11 Всерос. науч.-практ. конф. / РИО ПГСХА. – Пенза, 2004. – С. 78–79.
10. Луков, С. А. Интенсификация процесса уплотнения избыточного активного ила [Текст] / С. А. Луков, Е. А. Горбачев // Водохозяйственный комплекс России: состояние, проблемы, перспективы : сб. материалов 11 Всерос. науч.-практ. конф. / РИО ПГСХА. – Пенза, 2004. – С. 79–81.
11. Луков, С. А. Интенсификация гравитационного уплотнения избыточного активного ила низкотемпературным нагревом [Текст] / С. А. Луков // Сб. трудов аспирантов и магистрантов. Технические науки / Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т. – Н. Новгород, 2005. – С. 120–122.
12. Луков, С. А. О проблеме обработки осадков сточных вод. [Текст] / С. А. Луков // Сборник трудов аспирантов и магистрантов. Технические науки / Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т. –Н. Новгород, 2005. – С. 122–125.
13. Луков, С. А. Интенсификация процесса гравитационного уплотнения осадков сточных вод [Текст] / Е. А. Горбачев, С. А. Луков // Великие реки – 2005 : тез. докл. междунар. науч.-пром. форума / Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т. – Н. Новгород, 2005. – Т. 2. – С. 208–210.

14. Луков, С. А. Математическая модель и оптимизация работы участка механического обезвоживания осадка [Текст] / С. А. Луков, Е. А. Горбачев, В. Н. Дементьев // Города России: проблемы стр-ва, инженер. обеспечения, благоустройства и экологии : сб. материалов VIII Междунар. науч.-практ. конф. / РИО ПГСХА. – Пенза, 2006. – С. 106–111.

15. Луков, С. А. Интенсификация гравитационного уплотнения ила реагентами при низкотемпературном нагреве [Текст] / Е. А. Горбачев, С. А. Луков // Достижения науки и техники АПК. – 2006. – № 12. – С. 46–47*.

16. Луков, С. А. Совершенствование технологии обработки осадков сточных вод в Нижнем Новгороде [Текст] / С. А. Луков // Водоснабжение и санитар. техника. – 2006. –№ 12. – С. 30–32*.

* - публикации в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ.

Подписано в печать______________ Формат 6090 1/16

Бумага газетная. Печать трафаретная. Объем 1 печ.л.

Тираж 100 экз. Заказ №________

__________________________________________________________________

Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет,

603950, Н. Новгород, Ильинская, 65

Полиграфический центр ННГАСУ, 603950, Н.Новгород, Ильинская, 65