Разработка методов расчёта, проектирования и эксплуатации отстойников и систем инженерной защиты водных объектов от стока, образованного при таянии загрязнённого снега

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Разработка методов расчёта, проектирования и эксплуатации отстойников и систем инженерной защиты водных объектов от стока, образованного при таянии загрязнённого снега

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Специальность:

05.23.07 -Гидротехническое строительство

05.23.04 -Водоснабжение, канализация,

строительные системы охраны водных ресурсов

Дёмина Ольга Николаевна

Москва, 2010

Работа выполнена в Федеральном государственном учреждении высшего профессионально образования Брянской государственной сельскохозяйственной академии на кафедре природообустройства и водопользования (ФГОУ ВПО БГСХА)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Василенков Валерий Фёдорович

Федеральное государственное учреждение высшего профессионально образования «Брянская государственная сельскохозяйственная академия»

(ФГОУ ВПО БГСХА)

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ханов Нартмир Владимирович

ФГОУ ВПО Московский государственный университет природообустройства

кандидат технических наук, доцент

Ивченко Лариса Владимировна

ФГОУ ВПО Брянская государственная сельскохозяйственная академия

Ведущая организация: ГНУ Всероссийский Научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации Россельхозакадемии

Защита диссертации состоится « » 2011 года в часов на заседании диссертационного совета Д220.045.02 при Федеральном государственное учреждении высшего профессионально образования Московского государственного университета природообустройства по адресу:127550 Москва, ул.Прянишникова, д.19, зал заседаний учёного совета (1 учебный корпус, ауд.201), тел./факс:8(495)976-10-46

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Федеральном государственное учреждении высшего профессионально образования Московского государственного университета природообустройства и на официальном сайте ФГОУ ВПО МГУП www.msuee.ru.

Автореферат разослан « » 20 года

Учёный секретарь

диссертационного совета Евдокимова И.М.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В настоящее время вопросы охраны водных ресурсов от загрязнения приобретают исключительное значение в связи с усилением техногенного воздействия на окружающую природную среду, так как состояние природных вод находится в прямой зависимости от условий формирования городских стоков.

Относительная простота отстойных сооружений обусловливает их широкое применение для очистки сточных вод, однако расчёты по определению оптимальных параметров их конструкции не всегда обеспечивают максимальную экологическую безопасность поверхностных водоёмов при минимальных затратах на их строительство. Особенное значение должно уделяться отстойникам, принимающим поверхностный сток, образующийся с водосборных территорий промышленных площадок, временных снегосвалок, дорожных покрытий и обочин дорог, а так же с территорий, примыкающих к промышленным предприятиям.

Для снижения техногенной нагрузки на водные объекты от стока, образованного при таянии загрязнённого снега, необходимы следующие природоохранные мероприятия:

1.Осуществление оптимизации основных конструктивных параметров и работы горизонтального отстойника для осаждения тонких фракций стока, образованного при таянии загрязнённого снега, способного работать при различных режимах с максимальной эффективностью при обеспечении максимальной экологической безопасности водоёмов.

2. Создание строительной системы эффективного управления поверхностным стоком для осуществления максимально возможного осаждения взвешенных веществ в гидрографической сети, используя возможность самоочищения воды.

Работа выполнялась в соответствии с целевой государственной территориальной программой восстановления и охраны водных объектов по Брянской области. Она так же соответствует федеральной целевой комплексной научно-технической программе «Экологическая безопасность России» раздел 7 -«Приоритетные для России прикладные проблемы глобальной экологической безопасности» и раздела 10 -«Рациональное использование природных ресурсов». Цель исследования согласуется с задачей выполнения Россией международных обязательств, отражённых в «Конвенции о защите и использовании трансграничных водотоков и международных озёр». Тема исследований соответствует координационно-тематическому плану Брянской Государственной Сельскохозяйственной Академии (2007-2010 г.г.).

Цель исследований - Разработка методов расчёта и проектирования отстойников и систем инженерной защиты водных объектов от стока, образованного при таянии загрязнённого снега, способов повышения эффективности и условий надёжной эксплуатации горизонтальных отстойников на основе создания кинетических моделей и изучения факторов, определяющих максимальное осаждение наносов.

Для достижения поставленной цели потребовалось решение ряда задач:

1)Построить модель изменения объёма заиления горизонтального отстойника по длине.

Разработать рекомендации по определению оптимальной рабочей длины отстойника и объёма заиления, подлежащего изъятию.

2)Разработать рекомендации по оптимизации основных конструктивных параметров горизонтального отстойника.

3)Выявить факторы, определяющие максимальное осаждение наносов в отстойнике.

4)Построить и проверить экспериментально модель процесса осаждения цементной пыли в снежном покрове.

5)Построить модель изменения концентрации растворённого углекислого газа по длине водотока.

6)Разработать методику оценки эколого-экономической эффективности строительства системы эффективного управления отведением талого стока в водоём.

7)Разработать рекомендации и показать на примерах возможность использования кинетических моделей, полученных в ходе исследований, как инструмента проектирования и анализа функционирования очистных сооружений с целью повышения их производительности.

Методика исследований. Методической базой работы является метод математического моделирования, нашедший широкое применение в химии, физике, биохимии и клеточной биологии. В рамках этого подхода строятся и анализируются кинетические модели, которые представляют собой систему дифференциальных уравнений, содержащих большое количество параметров.

Оптимизация конструктивных параметров горизонтального отстойника и его работы в процессе эксплуатации осуществлялась с помощью метода неопределённых множителей Лагранжа, позволяющем свести задачу оптимизации с ограничениями к задаче, решаемой методами исследования функций классического анализа.

Адекватность расчётных результатов реальности проверяется сравнением с экспериментальными данными, полученными в ходе собственных полевых исследований, лабораторных анализов и результатами наблюдений других исследователей. Оценка результатов полевых опытов и расчётов осуществлялась в соответствии с правилами контроля качества воды водоёмов и водотоков, осуществляемых Общегосударственной службой наблюдения и контроля за загрязнённостью объектов природной среды (ОГСНК).

Все используемые приборы для полевых измерений имеют сертификат Государственного стандарта и занесены в Государственный Реестр средств измерений.

Научная новизна результатов исследований

- построена модель заиления горизонтального отстойника;

-разработаны рекомендации по оптимизации основных конструктивных параметров горизонтального отстойника;

-выявлены факторы и предложены способы осуществления максимального осаждения наносов в отстойнике;

-построена кинетическая модель процесса осаждения цементной пыли в снежном покрове;

- построена модель изменения концентрации растворённого углекислого газа по длине водотока и даны рекомендации по его регулированию;

-разработана методика оценки эколого-экономической эффективности строительства системы эффективного управления отведением талого стока в водоём.

Практическая значимость работы и достоверность результатов

Полученные кинетические модели могут найти применение в различных задачах очистки поверхностных сточных вод и охраны водных объектов: оценка возможного загрязнения природных вод; проектирование сооружений инженерной защиты водных объектов; прогнозирование объёма заиления горизонтальных отстойников; как инструмент анализа существующих сооружений.

В диссертации разработаны практические методы расчёта отстойников и систем инженерной защиты водных объектов Брянска и Брянской области:

Использование практических рекомендаций даёт экономический эффект в результате экономии материальных ресурсов при строительстве очистных сооружений и предотвращённого ущерба водным объектам.

Результаты расчётов апробированы на большом экспериментальном полевом материале; на экспериментальных данных, полученных другими исследователями в данной и других областях науки; модели базируются на основополагающих законах сохранения вещества.

Основные положения, защищаемые в работе

-методы расчёта основных конструктивных параметров горизонтального отстойника;

-методы повышения производительности и управления работой отстойника в процессе эксплуатации;

-комплекс кинетических моделей процесса осаждения цементной пыли в снежном покрове, изменения концентрации растворённого углекислого газа по длине водотока, заиления горизонтального отстойника;

-методика оценки эколого-экономической эффективности строительства системы эффективного управления отведением талого стока в водоём.

Апробация работы

Результаты исследований по теме диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава ФГОУ ВПО «Брянская Государственная Сельскохозяйственная Академия» (2007-2009). Автор участвовал с докладом в международных научно-технических конференциях «Проблемы энергетики, природопользования, экологии» г.Брянск (2008, 2009 г.г.) , «Современные энерго- и ресурсосберегающие, экологически устойчивые технологии и системы сельскохозяйственного производства» г.Рязань (2009 г.). Автор принимал участие во Всероссийском молодежном конкурсе научных работ, посвященных тематике «Чистая вода» в номинации: «Управление качеством водных ресурсов при комплексном использовании водных объектов», в конкурсе на лучшую научную работу аспирантов и молодых учёных по естественным, техническим и гуманитарным наукам в вузах Брянской области «Современные научные достижения». Рекомендации по оптимизации основных конструктивных параметров горизонтального отстойника были изложены на заседании научно-технического совета ОАО «Брянскгипроводхоз»- одобрены и рекомендованы к внедрению. Выполненные исследования в установленном порядке рекомендованы к внедрению в строительство.

Структура и объём работы. Диссертация написана на русском языке, включает 179 страниц текста из 6 глав, список литературы из 143 наименований, 40 рисунков, 50 таблиц и 4 приложения.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, определены цель и задачи исследований, отмечена её научная новизна и практическая значимость полученных результатов, приведена информация о структуре диссертации и апробация ряда результатов.

В первой главе дан анализ водоотведению поверхностного стока в городе Брянске и Брянской области, процессам загрязнения снежного покрова, представлена характеристика талого стока. Рассмотрены работы отечественных и зарубежных учёных по изучаемой проблеме: Василенко В.Н., Назаров И.М., Фридман Ш.Д., Янин Е.П., Сает Ю.Е., Ревич Б.А Климкова В.Ф. и др.

Анализ результатов проведенных ранее исследований показал, что уровень нагрузки химическими компонентами талого стока зависит от многих факторов и среди главных: уровень загрязнённости атмосферы, качественный и количественный состав аэрозолей, интенсивность, периодичность и продолжительность как количества осадков, выпадающих в холодное время года, так и непосредственно самого периода снеготаяния, площадь и характер покрытия водосборной территории. Основными загрязняющими компонентами талого стока, формирующегося на селитебных территориях, являются взвешенные вещества, нефтепродукты, хлориды, тяжёлые металлы (Дикаревский В.С. и др, 1990, Систер В.Г., Корецкий В.Е., 2004, Tone Merete Muthanna и др, 2007).

В промышленных районах формирование техногенных геохимических аномалий в снеговом покрове в значительной мере обусловлено поступлением и последующим осаждением именно промышленной пыли. Пылевой выброс предприятий характеризуется широкой ассоциацией элементов, коэффициенты концентрации которых, варьируясь, могут достигать очень высоких значений (Янин Е.П., 2000, 2005). Особенно интенсивно в пыли концентрируются тяжёлые металлы, накапливаясь в тонких фракциях (<2мкм) (Волох А.А., 1998, Yang Shao-jin и др, 2000, Коугия М.В., 2000). Очень велик выброс пыли цементными заводами (на их долю приходится основной объём пылевыбросов в производстве стройматериалов) (Янин Е.П., 2004). Исследования состава пыли, образующейся в ходе технологических процессов на цементных заводах, показали, что она обогащена Li, V, Cr, Mn, Cu, Zn, Ag, Sb, W, Tl, Pb, Bi, As, Cd, Hg, Ni (Сает Ю.Е и др, 1990, Челноков А.А., Плышевский С.В., 1998, Логинов В.Ф. и др ,1998).

Во второй главе дана характеристика природоохранных мероприятий, направленных на снижение антропогенной нагрузки на водные объекты и активизации процессов самоочищения воды.

Наиболее экономным способом утилизации вывозимого с магистралей города снега является его складирование с последующим естественным таянием. В этом случае строительство отстойника является необходимым условием организации отведения талого стока в водоёмы. Относительная простота отстойных сооружений обусловливает их широкое применение, однако расчёты по определению оптимальных параметров их конструкции не всегда обеспечивают максимальную экологическую безопасность поверхностных водоёмов при минимальных затратах на их строительство. Конструкция отстойника должна обеспечивать как можно более полное использование его объема (Розанов Н.П. и др, 1978) и осаждение частиц необходимого диаметра (Ибад-Заде Ю.А. и др, 1972).

Рядом авторов выявлена зависимость от рН воды скорости осаждения в ней частиц разных размеров и полноты гравитационного разделения по удельному весу дисперсий разной крупности (Абишев Д.Н и др.2007, Р.В. Мягкая 2001).

Долины временных и постоянных водотоков и водоёмов являются естественной системой, в которой происходят процессы самоочищения снеговой воды до поступления в водные объекты. В настоящее время в области изучения процессов самоочищения отечественными и зарубежными учёными выполнены разнообразные исследования. Изучение содержания растворённого углекислого газа имеет важное значение, так как он играет важную роль для протекающих в воде процессов (Латыпова В.З., 2000).

Третья глава посвящена методике экспериментальных исследований. Сделано: обоснование проводимых экспериментов, выбор объектов исследований, полевых и лабораторных методов, определение гидрологических и гидравлических параметров; проведение натурных исследований в разные года для детального определения коэффициентов моделей.

Лабораторные и аналитические работы по анализу проб осуществляли в Брянской ГСХА. Определение водородного показателя проводилось рН-метром фирмы «HANNA Instruments International» и портативным иономером фирмы «Аквилон» И-500. Отбор проб снега проводился снегомером, створы намечались по прямой линии в направлении преобладающих ветров. Гранулометрический состав загрязняющих веществ (ила, цементной пыли, продуктов разрушения асфальтового покрытия) определялся по методу Сабанина. Общая щелочность талой воды определялась в соответствии с ГОСТ Р 52963-2008. Исследования выполнялись по схеме математика Ляпунова А.А.: 1.Достаточно полное эмпирическое изучение процессов; 2.Разработка математической теории, на базе которой строятся модели; 3.Получение исходных эмпирических данных, необходимых для функционирования моделей. Производство расчётов на основе моделей и их сличение с реальностью, в случае необходимости - улучшение модели.

В четвёртой главе приведены результаты анализов экспериментальных исследований. Результаты исследования заиления существующих отстойников позволили построить математическую модель изменения объёма заиления горизонтального отстойника по длине.

водоотведение поверхностный сток самоочищение

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.1. Схематизация процесса заиления отстойника

Мутность потока в любом сечении изменяется во времени прямо пропорционально средней скорости потока в этом сечении: (1)

А скорость потока по мере заиления и мутность в любом сечении увеличиваются пропорционально слою заиления в данном сечении:

(2)

Подставив выражение для скорости (2) в уравнение (1) получим:

 (3)

Тогда объём выходящих наносов в единицу времени:

.

где q2 - удельный расход воды на 1 п.м. во втором сечении (см. рис. 1);

m- плотность наносов в отложениях, h- слой воды во втором сечении.

Принимая линию заиленного дна в пределах длины осаждения в виде прямой линии, находим слой заиления на входе в отстойник из пропорции: ; . Тогда объём входящих наносов в единицу времени:

,

где hвх- постоянный слой воды на входе в отстойник.

Таким образом, объем заиления отстойника от входного створа 1-1 до рассматриваемого створа 2-2 (рис.1.) на 1м ширины отстойника за время dt выражается следующим уравнением материального баланса:

(4)

где -коэффициент, характеризующий форму кривой заиления; dW- приращение слоя заиления в рассматриваемом сечении 2-2.

В уравнение баланса вводим обобщенные параметры:

, ,

Как показывают ранее проведенные исследования разных природных явлений в разных средах, скорость торможения процесса прямо пропорциональна квадрату количества продукта:

(5)

Из условия прекращения поступления наносов во входной створ NW=0 можно найти выражение для равновесной величины слоя заиления W?:

. (6)

Уравнение баланса для слоя заиления имеет вид:

, (7) ;

для слоя воды:

(8)

Перейдя от временной координаты «t» к пространственной «?», разделив обе части уравнения (7) на скорость , после интегрирования при начальных значениях ?=0, W=W0 получаем уравнение изменения слоя заиления по длине отстойника на определенный момент времени:

 (9)

где - равновесный слой заиления отстойника с учётом поступления наносов во входной створ.

Для нахождения параметров W0, , µ1WH-N необходимо экспериментальные значения слоя заиления через определённый промежуток длины отстойника нанести на график с ординатой и абсциссой W?..

Для нахождения W0 нужно задаться сначала значением W0 близким к нулю, а затем, постепенно увеличивая его методом последовательных приближений, добиться на графике линейной зависимости от W?.

Продолжив эту прямую до пересечения с осью абсцисс и осью ординат, на оси ординат получим отрезок, численно равный , а на оси абсцисс отрезок, равный Wст. Зная длину отрезка можно найти µ1WH-N:

,

где цм - длина отрезка, отсекаемого на оси ординат.

Предложенную выше модель можно использовать для определения изменения объёма заиления по длине отстойника на определенный момент времени, заменив параметр W(слой заиления) на Y(объем заиления):

(10)

Используя изложенную выше методику, на основании экспериментальных данных (в данном случае данные по заилению 1-й секции горизонтального отстойника, принимающего технологическую воду цементного предприятия, находящегося в г.Фокино Брянской области), определены следующие параметры модели (рис. 2 а):

Y0 =7 м3, Yст=50 м3, ц=0,42, µ1YH-N = 0,15 1/м, Q=0,2 м3/с

Экспериментальные данные и рассчитанные по уравнению (10) нанесены на график (рис. 2 б). Согласие результатов расчета и экспериментальных данных дает все основания для практического использования математической модели при прогнозировании заиления отстойников, выбора путей повышения их производительности и определения оптимальной длины сооружений в зависимости от поступающего расхода (мутности), определения объёма заиления, подлежащего изъятию из отстойника.

Размещено на http://www.allbest.ru/

а б

Рис.2. а) График линейной зависимости (Y)

б)График кривой, описывающей заиление отстойника в г.Фокино Брянской области;

Представленная модель проверена на экспериментальных данных по заилению горизонтальных отстойников, полученных Хачатряном А.Г., Шапиро Х.Ш., Шаровой З.И. (1966); Ибад-Заде Ю.А., Нуриевым Ч.Г. (1972), Фазыловым А.Р. (1987). Получена хорошая сходимость.

Длина отстойника согласно уравнению (10):

(11), где .

Предлагается принимать, что период снеготаяния составляет 12 дней и делится на 4 периода по аналогу суточного хода расходов воды, измеренных на Нижнедевицкой стоковой станции (Шамов Г.И, 1979). Каждый день периода снеготаяния при определённой обеспеченности характеризуется своим расходом и мутностью.

Поэтому, имея расчётные длины по уравнению (11), получая 12 величин, оптимальных для каждого дня снеготаяния, сделав сливную перегородку, передвигаемую по длине отстойника, можно подстроиться под постоянно меняющуюся мутность периода снеготаяния и полнее использовать допустимые пределы загрязнения водоприёмника.

Определение объёма заиления, подлежащего изъятию из отстойника.

Уравнение (10) даёт в общем случае S-образную кривую нарастания объёма заиления по длине отстойника. В конце отстойника объём заиления приближается к стационарному состоянию , если это позволяет длина отстойника, кинетическая кривая снова становиться пологой. Таким образом, изымаемый объём наносов (V) должен располагаться между начальным Yнач и конечным участком Yk. Если принять за производительность отстойника «q»- количество наносов, изымаемое с единицы длины рабочего объема отстойника (Vр), то

;.

Тогда (12) . Оптимальная длина рабочей части отстойника:

(13).

Отсюда

, (14)

где , ,, .

Для нахождения значений Yнач и Yk воспользуемся методом неопределённых множителей Лагранжа. Составляем функцию Лагранжа с ограничением (), выбранным в результате анализа экспериментальных данных об изменении объёмов заиления по длине горизонтальных отстойников:

Производим дифференцирование (условие дифференцируемости функции: ), получаем систему уравнений, приравниваем их к нулю и находим: =0.185, 0.815. Т.е. Yнач=0.185, а Yk=0.815. В этом случае величина фактора Х=0.212, т.е. 85 % от максимально возможного Х=0.25 и производительность отстойника практически целиком зависит от , м1Yн-N.. Ограничение может быть скорректировано в процессе эксплуатации, и тогда точка оптимума передвинется по прямой . Графическое исполнение расчётов представлено на рисунке 3. Схематизация процесса заиления отстойника с выделением участка, с которого необходимо осуществлять изъятие ила - на рисунке 4.

Рис. 3. Графическое исполнение расчётов по методу Лагранжа



Рис 4.Схематизация процесса заиления отстойника с выделением участка, с которого необходимо осуществлять изъятие ила.

Исследования снежного покрова проводились на территории, прилегающей к предприятию «Мальцовский портландцемент» (г. Фокино, Брянская область).

Рис.5. Схема изменения концентрации пыли по длине воздушного потока

Составляем уравнение баланса пыли на участке d? по направлению ветра для точечного источника выбросов (рис.5).

Массовый расход пыли в начальном сечении участка: Wн= (г/c), где q - количество выбрасываемого из трубы газа в единицу времени (м3/с) с концентрацией (г/м3).

В конце участка d? массовый расход пыли составит:

W= (г/с)

Расход осевшей пыли Z на площади

В•d?(м2): Z= (г/с),

где щ- скорость осаждения фракций пыли (м/с).

Уравнение баланса массы пыли имеет вид:

-= > -

Концентрация не осевшей пыли в столбе воздуха в пределах пылевого факела пропорциональна весу пыли, которая может осесть на 1 см2 поверхности снежного покрова W: , где k - коэффициент разбавления.

Сначала оседает крупная пыль, к центру факела доля мелких фракций возрастает, и средневзвешенная скорость осаждения растёт пропорционально осреднённому по ширине сечения весу пыли Z/B: ,где k1 - коэффициент пропорциональности.

Уравнение баланса примет вид: .

Дифференцируем выражение : .

Получаем уравнение баланса в виде: .

Поскольку количество выбрасываемого из трубы газа в единицу времени есть величина постоянная, окончательно запишем (15)

Или (15*), где м1 - скоростной коэффициент, равный .

Таким образом, уравнения 15 и 15* описывают взаимодействие двух компонентов системы Z и W. Обозначим равновесную массу пыли в снеге через Z? при .

С учётом вторичного подъёма взвешенной пыли уравнение (1) примет вид:

С учётом выражения при условии стационарности процесса

() запишем уравнение баланса массы пыли:

(16)

Интегрирование уравнения (16) при начальных значениях ?=0, Z = Z0

приводит к аналитическому выражению, описывающему кривые изменения массы пыли в снеге на единичной площади на любом удалении от источника загрязнения:

. (17)

Для нахождения параметров Z0, Z?, м1Wн необходимо экспериментальные данные по массе загрязнений в снеге нанести на график, по ординате которого откладывать значения , а по абсциссе Z?, тогда прямая отсечет на оси ординат отрезок, равный , а на оси абсцисс отрезок, равный Z?.

Зная длину отрезка ??, можно найти м1 Wн : , где цµ - отрезок, отсекаемый на оси ординат. Для нахождения Z0 нужно задаться сначала значением Z0 близким к нулю, а затем, постепенно увеличивая его методом последовательных приближений, добиться на графике линейной зависимости ц от Z?.

Используя изложенную выше методику определения параметров модели, экспериментальные точки, полученные в результате исследования снежного покрова северо-западного направления от предприятия «Мальцовский портландцемент» от 16.02.06 г., нанесены на график (рис.6б), спрямлены при Z0= 6 мг / см2 и найдены значения: Z?= 34,5 мг/см2, =0,63, м1Wн = 0,0025 1/м. Для сравнения рассчитанные по уравнению и экспериментальные данные нанесены на график (рис. 6а).

Согласие результатов расчёта и эксперимента даёт все основы для практического использования модели. Предложенная модель позволяет получить достоверную информацию о загрязнении снежного покрова на определённой водосборной территории и прогнозировать мутность талого стока, поступающего в водные объекты.

Размещено на http://www.allbest.ru/

А б

Рис. 6. а) График изменения концентрации пыли в снеге. б) График зависимости (Z)

В результате исследования талого стока была выявлена связь рН и СО2 , которую можно использовать для интенсификации процессов самоочищения воды - осаждения и сорбции - в целях улучшения качества талого стока, поступающего с водосборной территории (рис 7а). Для этих целей построена модель изменения концентрации углекислого газа по длине водотока за счет процесса массопередачи:

(18) Или ,

где - концентрация растворённого углекислого газа до момента изменения его концентрации в газовой фазе, С*- равновесная концентрация СО2 после изменения состава газовой фазы, - объёмный коэффициент массопередачи СО2, 1/час.

В соответствии с уравнением (4), величина коэффициента массопередачи численно равна тангенсу угла наклона прямой, построенной по экспериментальным

данным в координатах: , (рис.7б).

Таким образом, анализируя уравнения (18), можно установить, что регулирование содержания СО2 в организованном поверхностном стоке можно осуществить изменением объемного коэффициента массопередачи диоксида углерода, достигаемым изменением гидродинамической обстановки, т.е. увеличением скорости потока и перемешиванием жидкости при перепадах уровней воды каналов.

а б

Рис.7. а)Изменение концентрации свободной СО2 по длине ручья в районе поселка Толмачево г.Брянска. б)График, позволяющий определить объёмный коэффициент массопередачи.

Таким образом, анализируя уравнения (18), можно установить, что регулирование содержания СО2 в организованном поверхностном стоке можно осуществить изменением объемного коэффициента массопередачи диоксида углерода, достигаемым изменением гидродинамической обстановки, т.е. увеличением скорости потока и перемешиванием жидкости при перепадах уровней воды каналов.

В пятой главе изложены методы оптимизации основных конструктивных параметров и работы горизонтального отстойника в зависимости от расхода с помощью метода неопределённых множителей Лагранжа.

Для аналитического решения задачи оптимизации ширины водосливного фронта и глубины воды на водосливе, считая сливную перегородку прямоугольным водосливом с тонкой стенкой, получаем необходимое условие для задачи минимизации целевой функции L=f (Х1, Х2)=2 Х1+ Х2 при условии Q=mХ2Х1. Функция Лагранжа:

Lmin=2 Х1+ Х2+л (mХ2Х1- Q),

где L- смоченный периметр, м; Х1- глубина воды на водосливе, м; Х2- ширина водосливного фронта, м; Q - расход водослива, м3/c; m-коэффициент расхода, равный m=ц ?е=0,97?0,435=0,42, где е - коэффициент вертикального сжатия, ц- коэффициент скорости.

В качестве примера применения вышеуказанного метода определяем глубину воды на водосливе и ширину водосливного фронта шахты отстойника, который может принимать талую воду с водосборной территории юго-восточной окраины г.Фокино Брянской области (отстойник №1). В результате расчётов для 12 дней периода снеготаяния получаем степенные зависимости ширины водосливного фронта и глубины воды над ней от расходов воды: Х2=0.9235 и Х1=0.7072 соответственно (рис 8б).

Для аналитического решения задачи оптимизации главных конструктивных параметров отстойника - ширины и глубины - получаем необходимое условие для минимизации целевой функции f(Н, В)= 2 Н+ В при условии S= Н• В.

Функция Лагранжа:

Zmin=2 Н+ В + л (Н• В ?S)= 2 Н+ В+ л (Н• В -Q/v),

где Z- смоченный периметр отстойника, м; Н- глубина, м; В- ширина отстойника, м;

S- площадь поперечного сечения отстойника, м2; Q - расход воды, м3/c; v- скорость течения потока, м/c.

Для того чтобы посмотреть как работает предложенный метод определения оптимальных параметров отстойника - ширины и глубины, определим их значения для отстойника №1. Расчёты расходов талой воды с данной водосборной территории произведём при вероятности превышения 1, 10, 50, 95 % для всего периода снеготаяния. Применив метод неопределённых множителей Лагранжа для каждого из 12 дней, получаем, что зависимость площади поперечного сечения отстойника от его глубины при любых вероятностях превышения описывается в общем случае степенной функцией S=2,0091•Н1,9957 при величине достоверности аппроксимации R=0,9999. Кроме этого, при небольшом изменении глубины отстойника, площадь поперечного сечения отстойника значительно увеличивается (рис. 8а).

а б

Рис. 8. а) График зависимости площади поперечного сечения отстойника от его глубины при разных обеспеченностях. б) График зависимости ширины водосливного фронта (Х2) и глубины воды на водосливе (Х1) от расходов воды.

Для снижения капитальных затрат на строительство отстойника можно взять конструктивные параметры сооружения, полученные при расчёте для дня со средним расходом. А для обеспечения максимальной экологической безопасности при пропуске максимальных расходов воды, можно воспользоваться шандорами вместо сливной горизонтальной стенки, которые можно передвигать для увеличения сливного фронта.

Рассмотрены методы повышения эффективности эксплуатации горизонтального отстойника.

Из уравнения (14) следует, что производительность отстойника в циклическом режиме работы тем больше, чем больше мутность потока на входе в отстойник и пропорциональный ей максимально возможный объём заиления , коэффициент полноты осаждения , а так же максимальная удельная скорость осаждения наносов µ1YH-N. При фиксированных значениях этих параметров, максимальная производительность отстойника определяется оптимальным значением фактора Х, зависящим от соотношения Yнач и Yk, которое меняется при изменении времени цикла между чистками отстойника и в зависимости от длины отстойника.

Величина полноты осаждения полностью зависит от условий осаждения, т.е. от температуры воды, pH, гидродинамики. Параметры и определяют только величину стационарного объёма заиления в конце отстойника. Но длина, на которой достигается стационарный объём заиления, зависит только от величины параметра µ1YH-N, характеризующего предельно возможную интенсивность осаждения наносов в конкретных условиях. Значение этого фактора связано и с мутностью и расходом входящего потока воды, и с особенностями фракционного состава наносов, и с условиями осаждения.

Проведённые опыты по исследованию влияния входящей (начальной) мутности на эффект осветления показали, что прослеживается логарифмическая зависимость эффекта осветления воды (Э) от входящей мутности (рвх) воды, содержащей цементную пыль и продукты разрушения асфальтового покрытия: Э=7,3644ln(рвх)+ 81.36 при R2=0.9481 и Э=8.7402ln(рвх)+ 82.214 при R2=0.9017 соответственно (рис. 9а).

Если в процессе эксплуатации установлено, что коэффициент полноты осаждения мал, то первым этапом оптимизации должен быть поиск оптимальных физико-химических условий: гидродинамики и рН.

Исследования влияния рН воды на изменение процента осаждения цементной пыли и продуктов разрушения асфальтового покрытия по отношению к входящей мутности показали, что наиболее оптимальное значение равно 7 (рис. 9б).

а б

Рис.9. а) График кривой, описывающей изменение эффекта осветления в зависимости от входящей мутности воды, содержащей цементную пыль. б) График кривой, описывающей изменение эффекта осветления в зависимости от входящей мутности воды, содержащей цементную пыль

Предлагается регулировать рН воды, очищаемой в горизонтальных отстойниках, используя взаимосвязь между концентрацией растворенного СО2, концентрацией гидрокарбонатного иона (HСO) и величиной водородного показателя:

> , (18)

где А- коэффициент растворимости СO2, моль/л; рСO2 - содержание СО2 в газовой фазе.

С достаточной для применения уравнения (18) точностью суммарную концентрацию ионов (HСO) можно считать равной концентрации внесённого в раствор бикарбоната натрия, если последняя превышает концентрацию [H+] хотя бы в 10 раз. Поэтому уравнение (18) позволит определить содержание СО2 в газовой фазе и рассчитать концентрацию NaHСO3, необходимых для обеспечения требуемых значений рН.

Чтобы сохранять рН=const, нужно добиться постоянства СNa+/ССО2.

Уравнение изменения концентрации растворённого СО2:

,

где К' - объемный коэффициент массопередачи СО2, 1/час; - равновесная и текущая концентрация СО2; - коэффициент метаболизма; -константа скорости образования биомассы; М0-запас субстрата, кл/л; - концентрация биомассы, кл/л.

Таким образом изменение концентрации СО2 можно получить изменением коэффициента массопередачи СО2 , не меняя состава газовой смеси, что достигается увеличением интенсивности перемешивания:

, (19)

где -начальная концентрация бикарбоната натрия, моль/л.

С помощью уравнения (19) можно рассчитать коэффициент масопередачи СО2 на входе в отстойник (рис. 10а) и необходимое значение К для поддержания оптимального значения рН среды для наилучшего осаждения взвесей (рис. 10б).

а б

Рис. 10. а) График определения коэффициента массопередачи при входе в отстойник в зависимости от рН среды. б) График определения необходимого значения коэффициента массопередачи для поддержания оптимального рН среды.

Поиск оптимальных гидродинамических условий осуществляли в работе с помощью установки передвижных по длине переливных стенок разной высоты в модели отстойника, имеющей следующие параметры: ширина- 0,09м, длина -0,7 м (рис. 11).

Рис. 11. Схема отстойника и переливной стенки с водосливным отверстием

В первой серии опытов, задавшись разными расходами (qi) при одинаковой высоте перегородки, равной 0,06 м, получили зависимость: µ1YH-N=-22.421q+6.8397 с величиной аппроксимации, равной 0.917; при увеличении расхода воды уменьшается значение параметра µ1YH-N. Дополнительно в опытах изменялась ширина водосливного отверстия при одинаковых расходах, т.е. изменялся слой переливающейся воды, и, по сравнению с переливом через весь сливной фронт при одинаковых значениях Н и расходе, максимальная удельная скорость осаждения в этих случаях были больше. Таким образом, можно говорить о том, что изменяя ширину водосливного отверстия в переливной стенке можно увеличивать производительность отстойника.

Во второй серии опытов, задавшись одинаковым расходом - 0.02 л/с, меняли высоту перегородки (Н, м). Получилась полиномиальная зависимость параметра µ1YH-N от высоты с величиной аппроксимации, равной 0,98: с увеличением Н - скоростной коэффициент тоже увеличивается (рис. 12). Таким образом, можно говорить о том, что на максимальную удельную скорость осаждения наносов можно влиять изменением высоты перегородки на выходе из отстойника.

Рис. 12. Зависимость скоростного коэффициента от высоты перегородки на выходе при одинаковом расходе

В третьей серии опытов, задавшись целью сохранить мутность на выходе из отстойника одинаковой в каждом из них вне зависимости от входящего расхода и соответствующей ему начальной мутности, передвигали перегородку по длине отстойника. Результаты показали, что поставленная цель достигается при её перемещении на длину, рассчитанную по формуле (15) для каждого отдельного случая.

Рассмотрена методика оценки эколого-экономической эффективности строительства системы эффективного управления отведением талого стока в водоём на проектируемом отстойнике №1. Находим инкрементальные расходы -то есть приращения расходов на единицу увеличения улавливающей способности для каждого из 4 периодов снеготаяния. Строим графики зависимостей инкрементальных расходов от улавливающей способности для каждого периода (рис.13). Общая производительность отстойника равна сумме масс отложений за каждый из четырёх периодов. Задача оптимизации состоит в нахождении минимума целевой функции стоимости F: F=C1(m1)+C2(m2)+ C3(m3)+C4(m4),

при условии, что за четыре периода снеготаяния будет задержано: m=m1+ m2+ m3 + m4.

Составляем функцию Лагранжа:

F=C1(m1)+C2(m2)+C3(m3) +C4(m4) + л(m -m1- m2- m3 - m4).

Таким образом, условие оптимума требует:

F=9.9373+6.3615+9.8592+10.963+л (260-m1- m2- m3 -m4).

Рис.13. Графики зависимостей Сn/mn от массы улавливаемых наносов для 4-х периодов снеготаяния

Производим дифференцирование и приравниваем к нулю. Используем надстройку Excel - поиск решения, получаем отчёт по результатам, в котором найдены значения инкрементальных расходов для каждого периода Находим отношение предотвращённого ущерба к массе задержанной взвеси:

.

Таким образом, проектная себестоимость на 1 тонну задерживаемого осадка равна 2 817 рублей, а предотвращённый ущерб водным ресурсам - 10 886 рублей.

Предложенная методика оценки эколого-экономической эффективности строительства системы эффективного управления отведением талого стока в водоём путём поиска инкрементальных расходов позволяет наглядно увидеть вклад каждого из 12 дней периода снеготаяния и позволяет оценить реальный экономический эффект

Шестая глава посвящена практическим расчётам и рекомендациям по отведению и очистке загрязнённых стоков.

В разделе представлены разработки водохозяйственных мероприятий по улучшению качеств водных ресурсов р.Десна в пределах г.Брянска. Для предотвращения загрязнения природных вод, предлагается обеспечить сбор и очистку всех поверхностных стоков с водосборных территорий четырёх районов: Бежицкого, Советского, Володарского и Фокинского. Снег с данных территорий предлагается вывозить на специализированные снегосвалки, оборудованные горизонтальными отстойниками, прилагаются расчёты оптимальных конструктивных параметров по методу неопределённых множителей Лагранжа.

Предложены природоохранные мероприятия, направленные на снижение загрязнения талого стока, поступающего с водосборной территории юго-восточной окраины г.Фокино Брянской обрасти, находящейся в зоне влияния выбросов ОАО «Мальцовский портландцемент».

Представлены технико-экономические предложения по очистке хозяйственно-бытовых сточных вод от н.п. Скуратово Брянской области.

При уборке снега на городских территориях в г. Новозыбков Брянской области, находящегося в заражённой зоне, в целях промывки цезия-137 из почвы при таянии снега в зимне-весенний период предлагается складировать его на выявленных «цезиевых пятнах» на территориях непосредственно примыкающих к школам, детским садам, техникумам, институтам, больницам, административным и другим общественным зданиях, постепенно добиваясь снижения радиационного фона.

Заключение

1) Построена модель заиления горизонтального отстойника, которую предлагается использовать для определения изменения объёма заиления по длине отстойника на определенный момент времени. Даны рекомендации по определению констант уравнения, что позволяет выбрать пути повышения производительности отстойника и определить оптимальную длину сооружения в зависимости от поступающей мутности стока. Передвигая сливную перегородку по длине отстойника, можно подстроиться под постоянно меняющуюся мутность периода снеготаяния и полнее использовать допустимые пределы загрязнения водоприёмника. В целях экономии средств на очистку отстойника разработана методика определения оптимального объёма заиления, подлежащего изъятию.

2)Разработаны рекомендации по оптимизации основных конструктивных параметров горизонтального отстойника для наиболее эффективного использования его рабочего объёма с помощью метода Лагранжа: ширины и глубины отстойника, ширины водосливного фронта и глубины воды на водосливе. Выявлено, что зависимость площади поперечного сечения отстойника от его глубины при любых вероятностях превышения описывается в общем случае степенной функцией. Кроме этого, при небольшом изменении глубины отстойника, площадь поперечного отстойника значительно увеличивается. В результате расчётов получены степенные зависимости ширины водосливного фронта и глубины воды на водосливе от расходов воды. Используя полученные зависимости можно корректировать конструктивные параметры горизонтального отстойника, повышая его производительность и снижая капитальные затраты на строительство при обеспечении максимальной экологической безопасности водных объектов.

3)Определены способы повышения эффективности эксплуатации горизонтального отстойника. Выявлены факторы, определяющие максимальное осаждение наносов. Определено, что производительность отстойника в циклическом режиме работы тем больше, чем больше мутность потока на входе в отстойник и пропорциональный ей максимально возможный объём заиления, коэффициент полноты осаждения коэффициент полноты осаждения, а так же максимальная удельная скорость осаждения наносов µ1YH-N. Величина полноты осаждения полностью зависит от условий осаждения, т.е. от температуры воды, pH, гидродинамики. Регулировать рН воды в очистном сооружении предлагается с помощью внесения в поток бикарбоната натрия. Значение фактора µ1YH-N связано и с расходом входящего потока воды, и с особенностями фракционного состава наносов, и с условиями осаждения, а влиять на него можно изменением высоты сливной перегородки на выходе из отстойника и изменением ширины водосливного отверстия в ней.

4)Построена модель процесса осаждения цементной пыли в снежном покрове, даны рекомендации по определению параметров модели. С помощью представленной модели по нескольким взятым пробам снежного покрова в каждом направлении по створам с преобладающими направлениями ветров можно спрогнозировать изменение содержания взвешенных веществ по длине створа на необходимое расстояние, определить области с повышенным содержанием загрязняющих веществ и рассчитать средневзвешенную мутность талого стока с данной водосборной территории.

5)Построена модель изменения концентрации растворённого углекислого газа по длине водотока. Даны рекомендации по определению констант уравнения для его использования при регулировании содержания СО2 в организованном поверхностном стоке для интенсификации процессов самоочищения воды. Модель позволяет определять объёмный коэффициент массопередачи диоксида углерода, который предлагается регулировать изменением гидродинамической обстановки, т.е. увеличением скорости потока и перемешиванием жидкости при перепадах уровней воды каналов.

6) Разработана методика оценки эколого-экономической эффективности строительства системы эффективного управления отведением талого стока в водоём с возможностью сравнения инкрементального расхода и предотвращённого ущерба водным ресурсам от задержания одной тонны взвешенных веществ, позволяющая наглядно увидеть вклад каждого дня периода снеготаяния и позволяет оценить реальный экономический эффект.

7) Даны рекомендации и показана на производственных примерах возможность использования кинетических моделей, полученных в ходе исследований, для расчёта, проектирования, и инструмента анализа функционирования очистных сооружений с целью повышения их производительности.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях

Публикации в ведущих рецензируемых научно-технических журналах и изданиях, определенных ВАК РФ

1. Дёмина, О.Н. Оптимизация проектных решений строительства отстойников для очистки талого стока урбанизированных территорий/О.Н. Дёмина //Вестник МГСУ.- 2010.- №2. -с.43-46.

2. Дёмина, О.Н. Принципы моделирования и оптимизации работы отстойника для осаждения тонких фракций/ С. В. Василенков, О.Н. Дёмина //Вестник РУДН. Серия «Экология и безопасность жизнедеятельности». -2009. - №2. -с.41-50.

3. Дёмина, О.Н. Вымыв цезия 137 из почвы в населенных пунктах радиоактивно загрязненной местности / С. В. Василенков, О.Н. Дёмина //Экология урбанизированных территорий. - 2009. -№4 - с.50-59.

Научные работы, опубликованные в других изданиях:

4. Дёмина, О.Н. К вопросу об организации отведения поверхностных стоков с городских территорий/О.Н.Дёмина//Проблемы энергетики, природопользования, экологии. Мате-риалы научно-практической конференции. Брянск: изд. Брянской ГСХА, 2007.- с.18-22.

5. Василенков, В. Ф. Моделирование процесса осаждения цементной пыли в снежном покрове/ В.Ф. Василенков, О.Н. Дёмина //Проблемы энергетики, природопользования, экологии. Материалы научно-практической конференции. - Брянск: изд. Брянской ГСХА, 2007.-с.29-37.

6. Дёмина, О.Н. Регулирование рН воды, очищаемой в горизонтальных отстойниках, с помощью диоксида углерода/ О. Н. Дёмина //Вестник БГСХА. -2008. -№5. -с.49-58.

7. Дёмина, О.Н. Снижение загрязнения поверхностного стока талых вод с помощью горизонтальных отстойников /О. Н. Дёмина //Проблемы энергетики,

природопользования, экологии. Материалы международной научно-технической конференции. - Брянск: изд. Брянской ГСХА, 2008.-с.53-61.

8. Дёмина, О.Н. Построение модели изменения концентрации растворённого углекислого газа по длине водотока/ В.Ф. Василенков, О.Н. Дёмина //Экологическое состояние природной среды и научно-практические аспекты современных мелиоративных технологий: Сб. науч. тр. Вып.3; под общ. ред. Ю.А. Можайского. - Рязань: Мещерский ф-л ГНУ ВНИИГиМ Россельхозакадемии, 2008.- с.164-169.

9.Дёмина, О.Н. Состояние системы охраны водных объектов и вопросы водоотведения поверхностного стока в г.Брянске/О. Н. Дёмина//Проблемы энергетики, природопользования, экологии. Материалы международной научно-технической конференции. - Брянск: изд. Брянской ГСХА, 2009.-с.66-71.

10. Дёмина, О.Н. Определение оптимальных размеров периметра сбросной шахты отстойника и глубины воды над ней при пропуске расчётных расходов. / В.Ф. Василенков, О.Н. Дёмина //Проблемы энергетики, природопользования, экологии. Материалы международной научно-технической конференции. Брянск: изд. Брянской ГСХА, 2009.-с.41-46.

11. Дёмина, О.Н. К решению задач оптимизации работы горизонтального отстойника/ В.Ф. Василенков, О.Н. Дёмина //Современные энерго- и ресурсосберегающие технологии и системы сельскохозяйственного производства: сб. науч. тр.; под ред. Г.М. Туникова. - Рязань: РГАТУ им П.А.Костычева. -2009.- с.209-214.

12. Дёмина, О.Н. Состояние водоохранных объектов и вопросы водоотведения поверхностного стока в г.Брянске/ О.Н. Дёмина // Природообустройство. - 2009. -№3, -с.34-41.

13. Дёмина, О.Н. Рекомендации по оптимизации основных конструктивных параметров горизонтального отстойника. / В.Ф. Василенков, О.Н. Дёмина. - Брянск: изд-во Брянской ГСХА, 2010 .-36 с.

Подписано к печати « » 2010 г Формат 60х84/16

Бумага печатная. Объём п.л. Тираж 100 экз.

Изд.№758 - Издательство Федерального государственного учреждения высшего профессионально образования «Брянская государственная сельскохозяйственная академия» (ФГОУ ВПО БГСХА)

Типография Федерального государственного учреждения высшего профессионально образования «Брянская государственная сельскохозяйственная академия» (ФГОУ ВПО БГСХА)

Адрес издательства и типографии: 243365 Брянская обл., Выгоничский район, с.Кокино, Брянская ГСХА.

Размещено на Allbest.ru