Эколого-экономический и инновационный потенциал блочно-модульных очистных сооружений сточных вод
На правах рукописи
МАНЖИЛЕВСКАЯ СВЕТЛАНА ЕВГЕНЬЕВНА
ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ И ИННОВАЦИОННЫЙ ПОТЕНЦИАЛ БЛОЧНО-МОДУЛЬНЫХ ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ СТОЧНЫХ ВОД
05.23.19 Экологическая безопасность строительства и городского хозяйства
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Волгоград - 2013
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования
«Ростовский государственный строительный университет»
Научный руководитель:
| Доктор технических наук, профессор | Серпокрылов Николай Сергеевич |
| Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор | Суржко Олег Арсеньевич ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный политехнический университет (Новочеркасский политехнический институт) имени М.И. Платова», профессор кафедры «Водное хозяйство, инженерные сети и защита окружающей среды» |
| кандидат технических наук Ведущая организация: | Тертишников Игорь Викторович директор Волгоградского филиала ФГБУН «Институт катализа им. Г.К. Борескова» Сибирского отделения РАН ФГБОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет» г. Курск |
Защита состоится 12 декабря 2013 г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.026.05 при ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1 (корп. Б, ауд. 203).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО
«Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет».
Автореферат разослан 08 ноября 2013 г.
| Ученый секретарь диссертационного совета | Фокин Владимир Михайлович |
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Обеспечение устойчивого развития населенных мест включает комплексную оценку и регулирование защищенности природной среды от воздействия проектируемых и действующих строительных объектов, в т. ч. и водохозяйственных, к которым относятся и блочно - модульные очистные сооружения сточных вод (БМОС).
Российская академия архитектуры и строительных наук (РААСН) выдвинула парадигму взаимодействия человека и градосферы на перспективу до 2100 г., в которой глобальные проблемы людей предусматривается решать путем составления гуманитарных балансов биотехносферы регионов, стран и планеты Земля с установлением минимальных критериев состояния землепользования, водоснабжения и водоотведения, энергетики, воздушного бассейна с обозначением вектора перевода их на уровень, обеспечивающий устойчивое развитие.
В рамках указанной парадигмы БМОС влияют на жизнедеятельность поселений и городов по всем критериям состояния: землепользования (отчуждение и загрязнение территорий), водоснабжения и водоотведения (степень очистки вод, сбрасываемых в водоемы), энергетики (энергопотребления в процессах обработки вод и твердой фазы), воздушного бассейна (выделения парниковых газов, СО2 и СН4). Однако нет оценки баланса их взаимодействия, обобщенного критерия оценки влияния БМОС в частных случаях, на конкретных территориях (муниципальное образование, поселок, город), где они расположены. Кроме того не учитываются изменения влияния БМОС на качество окружающей среды на различных этапах жизненного цикла (монтаж, пуско-наладка, сервис, техобслуживание, утилизация). Хотя стандарты ИСО 14000 и стандарты серии ГОСТ Р ИСО 14000 предъявляют требования оценки влияния промышленных объектов на качество окружающей среды именно на протяжении всего жизненного цикла.
Стандарты серии ГОСТ Р ИСО 14000 не предлагают методологий оценки такого влияния для индивидуальных объектов, а также не предназначены для регулятивных целей на объекте. Это означает, что в настоящее время не существует строгой научной основы для сведения результатов оценки влияния жизненного цикла на качество окружающей среды к единому критерию, и в каждом конкретном случае требуется индивидуальный подход.
Учет требований перечисленных выше стандартов особенно актуален в связи со вступлением России в ВТО.
Обобщенной характеристикой при оценки воздействия на природную среду может быть критерий экологической безопасности БМОС, а на этапе обоснования и выбора типа БМОС - ресурсно-экологический потенциал (РЭП).
Работа выполнялась в соответствии с тематическими планами кафедры «Водоснабжение и водоотведение» РГСУ в рамках государственной программы «Архитектура и строительство» по госбюджетной теме № 01.9.40001739 «Совершенствование процессов очистки природных и сточных вод южного региона страны с учетом экологических требований"
Целью работы является повышение уровня защищенности природной среды как основного фактора обеспечения экологической безопасности, экономичности и надежности в течение жизненного цикла БМОС и их отдельных элементов.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
– оценить вклад БМОС в реализацию методов обеспечения экологической безопасности городского водного комплекса на базе ресурсно-экологического потенциала;
– сформулировать критерий экологической безопасности БМОС на основе уточненной методики модифицированного коэффициента готовности с учетом внедрения инноваций;
– разработать модели расчета числа отказов БМОС на блочных станциях в процессе эксплуатации, как составного элемента экологической безопасности с учетом LCC (life cycle costs – затраты жизненного цикла) и модифицированного коэффициента готовности;
– разработать мероприятия по снижению экологического и экономического ущерба при отказах в работе элементов БМОС сточных вод;
– разработать рекомендаций для составления регламента по безубыточной и экологически безопасной эксплуатации БМОС.
Основная идея работы состоит в обосновании и разработке рекомендаций по повышению экологической безопасности БМОС и их составных элементов с применением критерия экологической безопасности, учитывающего внедрение инновационных решений по очистке сточных вод в течение жизненного цикла очистных сооружений, включая пусконаладочные и ремонтные работы.
Предмет исследований – взаимодействие БМОС хозяйственно-бытовых и производственных сточных вод с объектами городского хозяйства и с экологическими факторами.
Методы исследований – аналитическое обобщение известных научных и практических результатов, методы технологического анализа, статистическая обработка результатов исследований на ПЭВМ по стандартным программам.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована моделированием изучаемых процессов и подтверждена удовлетворительной сходимостью полученных результатов, выполненных в лабораторных и опытно-промышленных условиях.
На защиту выносятся следующие основные положения:
– оценка вклада БМОС в реализацию методов обеспечения экологической безопасности городского водного комплекса на базе ресурсно-экологического потенциала;
– критерий экологической безопасности БМОС на базе уточненной методики расчета модифицированного коэффициента готовности с учетом внедрения инновационных разработок по сокращению выбросов в окружающую среду;
– рекомендации по регулированию качественных и количественных характеристик БМОС при минимальных затратах, позволяющих достичь стабильных качественных показателей окружающей среды;
– расчет числа отказов и безубыточности эксплуатации на блочных сооружениях с учетом модифицированного коэффициента готовности и внедрения инноваций в течение жизненного цикла очистных сооружений, как составного элемента экологической безопасности объекта;
– расчет эффективности капитальных вложений для БМОС сточных вод с учетом мероприятий по снижению экологического и экономического ущерба от загрязнений окружающей среды при возможных отказах и показателя LCC.
Научная новизна:
– получена оценка вклада БМОС в реализацию методов обеспечения экологической безопасности городского водного комплекса на базе ресурсно-экологического потенциала;
– предложен критерий экологической безопасности БМОС с учетом внедрения инновационных разработок по сокращению выбросов в окружающую среду;
– обоснована методология определения срока службы блочных станций с учетом всего жизненного цикла их работы и влияния на качество окружающей среды;
– предложена модель и методика расчета безубыточности работы БМОС сточных вод, исходя из минимума затрат и требований экологической безопасности.
Практическое значение работы:
– составлены рекомендации по снижению эколого-экономического ущерба при сбоях в работе элементов блочных насосных станций;
– предложены мероприятия и технические решения по повышению экологической надежности эксплуатации БМОС сточных вод и снижению эксплуатационных расходов.
Реализация результатов работы. Рекомендации диссертационной работы использованы:
– в проектах институтов ОАО «Институт «Ростовский Водоканалпроект», ООО «Северо-Кавказский Гипрокоммунводоканал», г. Ростов-на-Дону;
– при создании и внедрении БМОС в практику очистки сточных вод, ООО "Акватрат", г. Ростов-на-Дону;
– в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный строительный университет» (каф. «Водоснабжение и водоотведение») при подготовке бакалавров, магистров и инженеров по специальностям 270112 «Водоснабжение и водоотведение», 280202 «Инженерная защита окружающей среды» и направлениям 270800 «Строительство», 280700 «Техносферная безопасность».
Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на: Международных научно-практических конференциях института инженерно-экологических систем РГСУ (Ростов-на-Дону, 2009 - 2012 гг.); VII Межд. науч.-практ. конф., "Технологии очистки воды", «ТЕХНОВОД-2012»: г. Санкт-Петербург, 18 - 21 апр. 2012 г.; Конференции международной водной ассоциации, г. Санкт-Петербург, 6 - 9 октября 2012 г.
Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации изложены в 14 работах, в т. ч. 4 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 2 учебных пособия, в 2 патента РФ.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложений, общий объем 165 страниц, содержит 31 рисунок, 24 таблицы, 46 формул, список литературы из 145 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснованы актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований, приведены положения научной новизны и практической значимости полученных результатов. Представлены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе диссертации на основе анализа литературы отмечено, что БМОС выполняют одну из функций биосферосовместимого города в рамках подсистем городского хозяйства, осуществляющих водоснабжение и водоотведение, входящих в гуманитарный баланс биотехносферы. Однако до настоящего времени оценки экологической безопасности БМОС как элемента водохозяйственного комплекса населенных мест не проводилось. В этом направлении рассмотрены особенности блочно-модульных очистных сооружений сточных вод (производительность 25-500 м3/сут) и основные требования к ним. Сформулировано, что одной из задач на этапе проектирования БМОС является выбор номенклатуры нормируемых показателей надежности, включая затраты на предотвращения загрязнения окружающей среды в течение жизненного цикла.
Большой спектр выпуска установок делает процедуру выбора БМОС актуальной многопараметрической задачей, включающей технологические, природоохранные, социальные, ментальные и экономические аспекты, что во многом определяется стандартами серии ГОСТ Р ИСО 14000 с некоторыми корректировками и что требует проведения дополнительных экспериментально-теоретических исследований.
Исходя из литературного анализа, сделан вывод, что актуальным является разработка критерия экологической безопасности БМОС как элемента водного комплекса города с учетом выбросов диоксида углерода в атмосферу; компоновки БМОС с максимальной экономией пространства для минимизации размеров площадки размещения и, соответственно, величин санитарно-защитных зон; глубокой очистки сточных вод, сбора и очистки газовых выбросов, включая дезодорацию, обработки твердой фазы.
Во второй главе проведена теоретическая оценка влияния БМОС на окружающую среду как элемента водного комплекса населенных мест.
Эффективность любого природоохранного технологического процесса, в т. ч. и установок по очистке сточных вод оценивается ресурсно-экологическим потенциалом (РЭП), который дает совместную оценку ресурсосбережения и воздействия на окружающую среду вариантов технологий на базе частных ресурсных и экологических коэффициентов, методология которого может быть с дополнением применена и для водного комплекса населенных мест.
Для этого используем ресурсно-экологическую шкалу оценки.
Частными ресурсными (Р) коэффициентами РЭП для БМОС являются: Кч1Р – снижение материалоемкости БМОС за счет компактности и транспортной совместимости; Кч2Р – экспресс-контроль режима очистки вод по окислительно-восстановительному потенциалу; Кч3Р – вторичное использование воздуха для эрлифтов зоны нитрификации; Кч4Р – снижение количества обслуживающего персонала; Кч5Р – снижение потребности в электроэнергии на аэрацию; Кч6Р – продолжительность жизненного цикла.
Таблица 1 – Ресурсно-экологическая шкала оценок БМОС в рамках БСГ
| Количественные значения | Качественная оценка степени воздействия на окружающую среду по коэффициенту | ||
| обобщенному, КОБРЭП | ресурсному, КчiР | экологическому КчnЭ | |
| > 1,01 | недопустимая | неудовлетвор-я | опасная |
| 0,81 1,00 | допустимая | достаточ-я | сильная |
| 0,80 0,631 | средосовместимая | удовлетвор-я | средняя |
| 0,63 0,371 | средозащитная | средняя | удовлетвор-я |
| 0,37 0,201 | минимальная | хорошая | слабая |
| 0,20 0,01 | отсутствие | высокая | отсутствие |
Частными экологическими (Э) коэффициентами РЭП для БМОС являются: Кч1Э – снижение нагрузки загрязнений группы азота на гидросферу; Кч2Э – то же, фосфора; Кч3Э – то же, органических веществ; Кч4Э – то же, неорганических; Кч5Э – то же, общего солесодержания; Кч6Э – снижение нагрузки загрязнений по органическим веществам на литосферу; Кч7Э – снижение выбросов в атмосферу углекислого газа за счет потребления его нитрификаторами при использовании отработанного воздуха в эрлифтах.
Значение каждого частного коэффициента вычисляется в виде отношения фактического показателя, полученного при очистке сточных вод БМОС, к нормативу или имеющемуся аналогу технологии.
После теоретического или экспериментального определения величин частных ресурсных КчiР и экологических КчnЭ коэффициентов вычисляется обобщенный показатель КОБРЭП процесса БМОС:
, (1)
После нахождения КОБРЭП, по (табл. 1), определяется качественная оценка воздействия на окружающую среду БМОС.
Исходя из значений КОБРЭП и обобщенной оценки (табл. 1), соответствующей качественной ресурсной или экологической характеристике процесса, устанавливаются количественные значения границ частного коэффициента КчiРЭП (расчетом, экспериментом, методом экспертных оценок и т.д.). Далее, используя отношения по типу (2), обосновываются пределы изменения выходных показателей процесса, разрабатываются способы и техника их достижения.
Например, для вычисления Кч2Э – коэффициента снижения нагрузки загрязнений по фосфору на гидросферу при сравнении БМОС и стационарных ОСК с нормами на сброс в рыбохозяйственный водоем используем отношение (2):
, (2)
где CРБМ и CРСОСК, мг/л, – содержание фосфора в очищенных сточных водах, БМОС и стационарными ОСК; ПДКР – предельно допустимая концентрация фосфора.
Выявление технологических параметров процесса БМОС, необходимых для вычисления РЭП, потребовало проведения теоретических и экспериментальных исследований.
В рамках нахождения ресурсных коэффициентов проведен анализ эксплуатационной стоимости типовых и БМОС, рассмотрены показатели LCC – затраты жизненного цикла как базовый анализ проектирования и работы БМОС.
С целью обеспечения наименьших затрат при нормативном качестве очистки сточных вод проведено экономико-математическое моделирование на примере станции производительностью 100 м3/сут типовой и БМОС (рис. 1). Выявлено, что с экономической точки зрения более выгодно осуществлять строительство БМОС, чем для строительства типовых очистных сооружений. К тому же площадка для размещения БМОС в 2.2 раза меньше, а санитарно защитная зона - меньше на 50 м. Анализ зависимости отказов и времени восстановления различных элементов БМОС сточных вод, включая трубопроводы, арматуру и насосное оборудование, показал, что основной вклад в затраты на восстановление работы систем очистки сточных вод вносят отказы работы насосного оборудования, так как вероятность отказов, продолжительность восстановления и стоимость ремонта для них наибольшие.
Рис. 1 – Зависимость стоимости (тыс.руб) от производительности (м3/сут) типовой и блочно-модульной канализационной станции
В современных условиях для выбора оптимальных технологических схем очистки сточных вод целесообразно проводить технико-экономическую оценку с учетом LCC с определенной адаптацией к российским условиям. Для этого предложено использовать точку безубыточности, как порог рентабельности и обобщенный критерий экологической безопасности БМОС.
В третьей главе исследован эколого-технологический потенциал, определены параметры надежности БМОС и предложен обобщающий критерий экологической безопасности КЭБ.
Оценка эколого-экономической эффективности проектно-технологических решений, направленных на снижение воздействия на окружающую среду, основывается на определении показателя эффективного срока эксплуатации водоочистного оборудования, определяемый моментом времени, когда ожидаемый материальный ущерб от текущих отказов до капитального ремонта будет равным стоимости капитального ремонта (3):
Tм=ti1+ti2+ti3++tin, (3)
где Тм – время эксплуатации; ti1 – время до первого отказа; tin – время до n-ого отказа от (n-1).
Время отказа зависит от соотношения эксплуатационных затрат и материального ущерба за весь срок работы и фактического срока безаварийной эксплуатации существующих станций. Материальный ущерб складывается из следующих составляющих: плата за сверхлимитное загрязнение окружающей среды; затраты, связанные с ликвидацией отходов (вывоз, проведение рекультивационных работ и т. п.); восстановление эффективности очистки вод по параметрическим данным режима работы; упущенная выгода от простоя оборудования. Обобщающим показателем сравнительной эффективности капитальных вложений является срок окупаемости Ток или коэффициент эффективности капитальных вложений (Е) проектно-технических решений (рис. 2).
Рис. 2 – Показатели основных затрат в тыс. руб. на изготовление установок из различных материалов
Расчеты по оценке конструктивно-технологических решений БМОС, обеспечивающих минимум затрат при требуемой степени очистки, показали: безаварийный срок эксплуатации составляет 4 года независимо от материала изготовления станции; коэффициент эффективности капитальных вложений максимальный – 0,35, что отвечает требованиям технически-рационального использования модульно-блочных станций.
При этом на практике расчетов вероятность безотказной работы БМОС рекомендуется определять по (4):
, (4)
где N0 - число узлов (агрегатов) станции в начале эксплуатации; n(tp) – число узлов (агрегатов), отказавших в течение времени tp.
При эксплуатации БМОС требуется оценка состояния, в котором она будет находиться в каждый момент времени с учетом ремонтопригодности, восстанавливаемости, а также вывода на рабочий режим, что описывается коэффициентами надежности: технологической готовности, Ктг; технического использования, Кти; сохранения эффективности очистки сточных вод, Кэ; полезной работы, Кпр; экологической эффективности Кэл (табл. 2). Суммарно это состояние описывается модифицированным коэффициентом готовности (5):
, (5).
Однако КМГ не учитывает влияние БМОС на окружающую среду и внедрения новых разработок. Нами предложен обобщающий критерий экологической безопасности КЭБ (табл. 1) с учетом (5).
Таблица 2 – Составляющие критерия экологической безопасности БМОС
| Коэффициент | Расчетная формула | Характеристика |
| Технологи-ческой готовности | Ктг = То/(То+Тп) | Вероятность того, что очистная установка (ОУ) окажется работоспособной в произвольный момент времени, включая период Тп, в течение которого ведется пуск ОУ при поступлении сточных вод. |
| Технического использования | Кти = То/(То+ Тп+Тр) | Отношение математического ожидания времени обеспечения нормативной очистки сточных вод ОУ за некоторый период эксплуатации То к сумме математических ожиданий То, времени пуска Тп и времени ремонтов Тр за тот же период эксплуатации. |
| Сохранения эффективности очистки | Кэ = Qт/Qд | Характеризует степень влияния отказов элементов ОУ на эффективность очистки сточных вод. Определяется отношением объема нормативно очищенных сточных вод Qт к общему объему Qд обработанных сточных вод. |
| Полезной работы | КПР = (Трб– Тв)/Тр | Отношение разности времени работы Трб и вывода на режим Тв ОУ ко времени очистки сточных вод Тр за один и тот же период. |
| Экологической эффектив-ности | КЭЛ = ПН/(ПН+ПД) | Отношение платы за сброс нормативно очищенной сточной воды ПН (1 тариф) к сумме ПН и дополнительной платы за сверхнормативный сброс недостаточно очищенных сточных вод ПД (5 тарифов). |
| Выбросы в атмосферу | КАТ = (СТ–СБ )/СТ | СТ - концентрация выбросов СО2 от типовой ОУ, СБ - то же от блочной ОУ |
| Размещение отходов | КОТ =(МОТТ–МОТБ)/МОТТ | МОТТ - масса отходов от типовой ОУ, МОТБ - то же от блочной ОУ |
| Инновации | - | 0.8 |
В современных условиях и в связи со вступлением России в ВТО возникает необходимость учитывать не только стандартные параметры оценки, но и степень внедрения инновационных решений. Коэффициент инноваций позволяет учитывать соотношение средней стоимости импортного и отечественного оборудования и значение его определяется методом вариационной статистики. На примере насосного оборудования в БМОС рассчитано (расчет приведен в диссертации) минимальное значение коэффициента инновации, которое равно 0.8. Данную величину принимаем на первом этапе как постоянную, по мере накопления статистических данных ее значение будет уточнено.
Тогда (4) примет вид (6):Тогда (2) примет вид:
(6)
Это позволит учитывать не только стандартные параметры надежности, но и степень внедрения инновационных решений и защиты окружающей среды. Выполненные по (5) расчеты показывают, что БМОС имеют вероятность безотказной работы (0.93 – 0.96), а типовые – (0.52 – 0.55).
Это позволит учитывать не только стандартные параметры надежности, но и степень внедрения инновационных решений и защиты окружающей среды. Выполненные по (5) расчеты показывают, что БМОС имеют вероятность безотказной работы (0.93 – 0.96), а типовые – (0.52 – 0.55).
Полученные зависимости (5,6) указывают на направление повышение экологической безопасности БМОС совершенствованием его конструктивных и технологических решений: например, оптимизацией условий распределения сточных вод на входе в емкостные сооружения, что предотвращает появление транзитных струй и «застойных» зон, повышает коэффициент использования объема, что в итоге снижает нагрузку на окружающую среду.
Для БМОС с учетом дефицита площадей требуются условия распределения вод, минимизирующие зону смешения, для чего необходимо найти оптимальные условия расположения отражательной перегородки, создающей турбулентный режим смешения с жидкостью в резервуаре.
Исследования проводились по методологии математического планирования эксперимента (ДФЭ типа 25-2), измерения проводились с тремя повторностями в каждой точке.
В результате эксперимента получены адекватные уравнения регрессии:
Y1 = 0,7 – 0,043X1 – 0,075X4, (7)
Y2 = 0,184 – 0,017X2 – 0,02X4 – 0,019X5. (8)
Полученные уравнения регрессии представляют собой математические модели параметров оптимизации процесса смешения входящих сточных вод с жидкостью в резервуаре. Обобщенная оптимизация процесса с применением функции желательности Харрингтона позволила определить расстояние отражателя от входа трубы в горизонтальной плоскости в резервуар – 5 см и 25 см, что на 12 – 15% снижает требуемую подачу кислорода за счет вовлечения его турбулентным смешением.
Методом вариационной статистики установлено, что величина коэффициента инновации, обеспечивающего нормативную величину надежности эксплуатации БМОС, должна быть не менее 0.95.
В четвертой главе исследована экологическая безопасность БМОС при работе в промышленных условиях. Проведенный анализ затрат в течение жизненного цикла БМОС показал, что расходы на демонтаж оборудования составляют 1% от общей стоимости эксплуатации, на ремонт — 10%, на оплату потребляемой электроэнергии — до 84%. Таким образом, приоритетным показателем при выборе БМОС является его энергоэффективность.
Наибольший вклад в эффективность работы и энергозатраты БМОС вносит блок биологической очистки. Для снижения их внутризонная рециркуляция иловой смеси за счет перекачивания биомассы по ходу движения жидкости в аэротенке. Для перекачивания ее в данном случае рационально применить эрлифты, используя при этом в качестве энергоносителя отработанный воздух, собираемый нижними частями конструкции эрлифтов – газосборными козырьками, расположенными в зоне нитрификации. При этом существенно снижаются выбросы углекислого газа в атмосферу за счет его использования микроорганизмами - нитрификаторами (табл. 3). Применение отработанного воздуха в качестве газа в эрлифте циркуляции биомассы (табл. 3) позволяет снизить концентрации диоксида углерода в газовых выбросах в окружающую среду в 5 - 7 раз и затраты электроэнергии на 10%. Также применение решений по монтажу станций (патент № 107799) сокращает сроки строительства и запуска в эксплуатацию БМОС на 3 - 4 недели.
Таблица 3 – Показатели очистки сточных вод с применением внутризонной рециркуляции на ОС г.Югорска, мг/л
| Наименование показателя | До реконструкции | В период пусконаладки | После реконструкции | |||
| вход | выход | вход | выход | вход | выход | |
| Азот нитритов | 0,05 | 0,85 | 0,28 | 0,23 | 0,19 | 0,08 |
| Азот нитратов | 0,14 | 1,82 | 0,1 | 39,4 | 2,7 | 16,6 |
| Азот ммонийн. | 33,86 | 37,05 | 55,8 | 2,23 | 62,1 | 3,48 |
| Взв.в-ва | 60,05 | 27,5 | 147,5 | 35,5 | 179 | 6,5 |
| БПК5 | 50 | 16,65 | 101,4 | 8,05 | 87,75 | 6,85 |
| ХПК | 88.5 | 27.2 | 127,6 | 31,9 | 160,6 | 16,0 |
| Фосфат-ион | 12.2 | 10.1 | 11,8 | 9,1 | 13 | 9,06 |
| СО2 | - | 0,85 | - | 0,12 | - | 0,15 |
Обработкой данных эксплуатации по (5) получена ресурсно-экологическая оценка БМОС по сравнению со стационарными очистными сооружениями производительностью 100 м3/сут: по обобщенному коэффициенту КОБРЭП = 0.46, что качественно соответствует средозащитному потенциалу (при ресурсном коэффициенте КчiР = 0.48 – среднее воздействие на окружающую среду и экологическом КчnЭ = 0,44 – удовлетворительное воздействие). Соответственно, для стационарных ОСК получено КОБРЭП = 0.65, что качественно соответствует средосовместимому потенциалу (КчiР = 0.68 и КчnЭ = 0,62 удовлетворительное воздействие на окружающую среду). Таким образом, при расходах сточных вод до 500 м3/сут БМОС более средосовместимые, чем стационарные установки, и поэтому рекомендуются к расширенному практическому использованию.
Стадия пуско-наладочных работ сооружений аэробной биологической очистки достигает 90 суток. В то же время, применение бактериальных препаратов (рис. 3) при пуске ОСК г. Югорска сокращает этот срок до 30 – 35 суток что, соответственно, повышает экологическую безопасность станции в целом за снижения нагрузки на водоем и экологических платежей за сброс.
Рис.3 – Иловый индекс по объему в нитрификаторе и денитрификаторе с введением (ряд 1) и без введения биопрепарата (ряд 2)
Экспресс-контроль процесса очистки по скорости потребления аэробной биомассой растворенного кислорода позволяет принимать оперативные решения по управлению режимом аэрации БМОС. Последнее позволит увеличить коэффициент сохранения эффективности очистки сточных вод в нитрификаторе и надежность очистных сооружений в целом.
 а у= -0,422х+1,905 R2=0,724 |  б у= -0,454х+1,543 R2=0?731 |
 в y= -0?594x+2,893 R2=0,764 |  г y= -0?017x+2,592 R2=0,892 |
Рис.4 – Экологические показатели высоконагружаемого аэротенка: а – второй, б – третий коридор, в – прикрепленный ил; г – нитрификатор
В пятой главе проведена комплексная эколого-экономическая оценка реализации БМОС. Обобщающим показателем сравнительной эффективности капитальных вложений является срок окупаемости или коэффициент эффективности капитальных вложений Е проектно-технических решений.
В практике проектирования и эксплуатации БМОС (для сравнения вариантов или с другими эксплуатируемыми объектами) принято определять следующие технико-экономические показатели: капиталовложения (руб.) на 1 кВт установленной мощности; коэффициент использования установленного оборудования за рабочий период; затрата электроэнергии (кВтч) на 1000 м3 обработанной воды; ежегодные эксплуатационные расходы (руб.) на 1 га используемой площади. Для определения этих показателей насосного оборудования разработаны программы для ПЭВМ.
Разработана программа расчета на ПЭВМ точки безубыточности, по которой определена точка безубыточности ряда действующих станций (рис. 5).
Для блочно-модульной станции E-200Б производительностью 200 м/сут и эксплуатационными затратами 7070 руб. на 1000м3 точка безубыточности составила 1178 м3 за 5 суток (рис. 5), т. е. расход составил 236 м3/сут, что позволяет увеличить производительность БМОС 17,8%.
Рис.5 – Расчет точки безубыточности с помощью ПЭВМ при разработке проектно-технологических решений по экологической безопасности БМОС для блочно-модульной станции E-200Б
Введем коэффициент безубыточности КБ, представляющий отношение объема фактически перекачиваемых вод QФ (в год, месяц, сутки) к паспортным QП или фактических затрат ЗБ к пороговому ПН (нулевому) значению прибыли, полученной при перекачке вод:
КБ= QФ/QП = ЗБ/ПН, (9)
При этом диапазон изменения КБ может быть в пределах 0,5 – 1,5.
Совокупная вероятность безотказной работы БМОС с учетом точки безубыточности PС(tp) примет вид:
, (10)
Тогда, чтобы обеспечить PС(tp) в пределах 0.95, как это требуют нормативные документы для систем водоснабжения и водоотведения, при КБ = 1, при значении КБ = 1.1 может быть понижена до (0.95/1.1) 0.86, КБ при значении КБ = 1.5 – до (0.95/1.5) 0.63.
Учитывая, что для обеспечения технической надежности, требуется резервирование насосов и оборудования, то снижение ее до P(tp) = 0.63 – 0.86 будет иметь существенный экономический эффект, при условии подачи требуемых объемов вод потребителю. В то же время при снижении перекачки требуемых объемов вод КБ меньше 1 нормативная надежность P (tp) = 0.95 насосных станций обеспечена не будет, т. е. модернизация не приведет к ожидаемому эффекту.
С учетом полученных РЭПрес и РЭПэк по (1)определим обобщенное значение ресурсно – экологического потенциала БМОС:
Переходя от количественного значения функции оценки), обобщенно качественно влияние БМОС на окружающую среду оценивается как «слабая степень воздействия».
Соответственно, для стационарных ОСК получено КОБОБЩРЭП = 0.65, что качественно соответствует средосовместимому потенциалу (при этом КчiР = 0.68 и КчnЭ = 0,62 удовлетворительное воздействие на окружающую среду). То есть, ри расходах сточных вод до 500 м3/сут БМОС более, чем стационарные установки, соответствуют концепции биосферносовместимого города.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ
1. Установлено, что по ресурсно-экологическому потенциалу БМОС соответствуют концепции серии стандартов ГОСТ Р ИСО 14000 и вносят вклад в обеспечение экологической безопасности городского водного комплекса и поэтому рекомендуются к расширенному практическому использованию.
2. Обоснован и предложен критерий экологической безопасности БМОС с учетом внедрения инновационных разработок по сокращению выбросов в окружающую среду, который рекомендуется применять при проектировании и эксплуатации БМОС сточных вод.
3. Предложена модель и методика оценки работы БМОС сточных вод, исходя из минимума затрат с учетом всего жизненного цикла и требований экологической безопасности к их работе, а также разработана программа расчета затрат на ПЭВМ.
4. При использовании инновационных решений БМОС по вторичному использованию отработанного воздуха в эрлифтах до 7 раз снижены выбросы углекислоты в атмосферу и сокращены сроки строительства и запуска в эксплуатацию БМОС на 3 - 4 недели.
5. Предложены мероприятия и инженерные решения по повышению надежности эксплуатации БМОС сточных вод и снижению эксплуатационных расходов, увеличивающие жизненный цикл до 50% и снижающие воздействие на окружающую среду.
6. Показано, что при производительности очистных сооружений до 500 м3/сут технологически, экологически и экономически целесообразно применять БМОС вместо типовых станций. К тому же БМОС имеют также возможность поэтапного наращивания производственной мощности системы, с учетом меняющихся условий эксплуатации и требований экологической безопасности.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ОТРАЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ
Публикации в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях:
1. Петренко, С. Е. Повышение эффективности и надежности очистки сточных вод на разных стадиях эксплуатации очистных сооружений [Электронный ресурс] // С. Е. Петренко, Н. С. Серпокрылов, Е. В. Борисова и др. // Электронный журнал «Инженерный Вестник Дона». - 2013. - № 2. - URL: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n2y2013/1602
2. Петренко, С. Е. Параметры надежности эксплуатации насосных станций и мероприятия по их повышению [Электронный ресурс] С. Е. Петренко // Электронный журнал «Инженерный Вестник Дона». - 2010. - №4. - URL: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4y2010/256
3. Петренко, С. Е. Эффективность капитальных вложений при выборе блочно-модульных установок очистки сточных вод [Текст] / С. Е. Петренко, Н.С. Серпокрылов, Л.К. Петренко // Вестник ВолгГАСУ. Серия: Строительство и архитектура. - 2009. - №15. - С. 141-143
Патенты
4. Пат. №108059 Российская Федерация, Комплект несъемной опалубки для возведения стен здания / В.И. Смирнов, С.Е. Петренко, Д.О. Горшкова и др. - № 2011120777, опубл. 10.09.2011.
5. Пат. №107799 Российская Федерация, Устройство водопроводного ввода в одноэтажные жилые дома из фибропенобетона / Н.С. Серпокрылов, В.И. Смирнов, С.Е. Петренко и др. – №2011113054, опубл. 27.08.2011.
Отраслевые издания и материалы конференций
6. Петренко, С. Е. Охрана и рациональное использование природно-ресурсного потенциала [Текст] / С. Е. Петренко, Н. С. Серпокрылов, Л. К. Петренко // Известия Ростовского государственного строительного университета. - 2008. - № 12. - С. 216-220
7. Петренко, С. Е. Количественное выражение риска при возможных авариях блочных насосных станций [Текст] / С. Е. Петренко // Экономика и управление: Материалы межвузовской научно-практической конференции студентов и молодых ученых. Выпуск 11. – Новочеркасск: Типография Новочеркасской государственной мелиоративной академии, 2009. - C. 183-189
8. Петренко, С. Е. Методы оценки и организация управления эколого-экономическими рисками на предприятиях строительной индустрии [Текст] / С. Е. Петренко, Н. С. Серпокрылов, Л. К. Петренко // Строительство – 2009: Материалы юбилейной научно-практической конференции. Институт инженерно-экологических систем. – Ростов н/Д.: РГСУ, 2009. - С.25-27
9. Петренко, С. Е. Порядок организации и проведения производственного экологического контроля [Текст] / С. Е. Петренко, Л. К. Петренко // Строительство – 2010: Материалы международной научно-практической конференции. Институт промышленного и гражданского строительства. – Ростов н/Д.: РГСУ, 2010. С. 125-127
10. Петренко, С. Е. Влияние затрат жизненного цикла на конструктивные решения малых очистных сооружений сточных вод [Текст] С. Е. Петренко // Строительство – 2011: Материалы международной научно-практической конференции. Институт инженерно-экологических систем. – Ростов н/Д.: Рост. гос. строит. ун-т, 2011. - С. 76-77
11. Петренко, С. Е. Оценка износа оборудования насосных станций с позиции LCC [Текст] / С. Е. Петренко, Н. С. Серпокрылов // Экономика и управление: Материалы межвузовской научно-практической конференции студентов и молодых ученых. Выпуск 14. – Новочеркасск: Типография Новочеркасской государственной мелиоративной академии, 2011. - C. 143-145
12. Петренко, С. Е. Оценка износа оборудования насосных станций с позиции LCC. [Текст] / С. Е. Петренко // Материалы конференции международной водной ассоциации. – Санкт-Петербург, 2012
13. Петренко, С. Е. Анализ безубыточности в маркетинговой деятельности очистных сооружений сточных вод [Текст] / С. Е. Петренко // Технологии очистки воды «ТЕХНОВОД-2012»: Материалы VII Межд. науч.-практ. конф.; г. Санкт-Петербург, 18 – 21 апр. 2012 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. (НПИ). – Новочеркасск: «Лик», 2012. - С. 159 - 163
Личный вклад соискателя в опубликованных в соавторстве работах: [1,3,] постановка задач исследования, проведение расчетов, [6,8,9,11] постановка задач исследований, выдвижение идей.
Прим. Фамилия Петренко С.Е. была заменена на фамилию Манжилевская С.Е. 3.08.2013г. (Документ прилагается)
МАНЖИЛЕВСКАЯ СВЕТЛАНА ЕВГЕНЬЕВНА
ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ И ИННОВАЦИОННЫЙ ПОТЕНЦИАЛ БЛОЧНО-МОДУЛЬНЫХ ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ СТОЧНЫХ ВОД
05.23.19 Экологическая безопасность строительства и городского хозяйства
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Подписано в печать 16.10.2013. Заказ № ___. Тираж 100 экз. Печ. л. 1,0
Формат 6084 1/16.
Бумага писчая. Печать плоская.
Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет
400074, Волгоград, ул. Академическая, 1.
Сектор оперативной полиграфии ЦИТ.
