автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Информационно-измерительная система контроля загрязнений сточных вод

Введение. 4 1. Обзор методов и методик поиска мест сброса и контроля состава сточных вод.

1.1 Использование тепловой инфракрасной аэросъемки.

12 Использование томографического метода согласованной невзаимности (МСН).

13 Методы определения концентраций веществ в сточных водах. 17 1.4 Выводы.

2. Разработка и исследование математических моделей для оценки объемов коммунальных, промышленных и сельскохозяйственных сбросов.

2.1 Разработка математической модели для расчета объема выброса сточных вод.

2.2 Разработка модели распространения примесей в водоемах.

2.3 Выводы.

3. Разработка аппаратного обеспечения.

3.1 Разработка структуры ИИС.

3.2 Разработка модулей ИИС.

3.2.1 Разработка модуля измерения температур с использованием терморезисторов.

3.2.2 Разработка модуля измерения температур с использованием полупроводниковых датчиков.

3.2.3 Разработка модуля стабилизации положения измерительного шлейфа.

3.2.4 Использование сети М1сгоЬАМ для построения ИИС.

3.2.5 Разработка модуля позиционирования.

3.3 Описание результатов эксперимента.

3.4 Выводы. Ill

4 Анализ метрологических характеристик разрабатываемой ИИС.

4.1 Причины возникновения погрешностей.

4.2 Термоанемометрическая погрешность определения температуры воды.

4.3 Погрешности, вызванные электронными компонентами схемы.

4.4 Выводы к четвертой главе.

Самарская область занимает территорию в 53,6 тыс. км при протяженности с севера на юг - 325 км и с запада на восток - 315 км Область и и и и т-\ расположена на берегах крупнейшей реки европейской части страны - Волге. Речная сеть притоков Волги в области представлена реками Самарой, б.Кинель, Сок, Кондурча, б.Иргиз, Чапаевка, Чагра и др. общей протяжен ностью в 45 00 км.

Согласно госстатотчетности по форме 2-ТП (водхоз) за 1999г. (данные комитета экологии) в Самарской области из 963 водопользователей, 139 сбрасывают свои сточные воды непосредственно в водоемы: Куйбышевское и Саратовское водохранилище, малые реки или на рельеф местности. Общая производительность очистных сооружений в Самарской области - 2,5 млн. куб. м. в сутки. Только двое из них обеспечивают качество очистки сточных вод до установленных норм. Неэффективная работа основного количества очистных сооружений обусловлено физическим износом (построены 20-30 лет назад), отсталой технологией очистки сточных вод, отсутствием современных средств контроля КИП и автоматики за качеством сбрасываемых сточных вод и работой отдельных узлов сооружений.

Такое положение дел часто приводит к аварийным ситуациям, вследствие чего в водоемы области сбрасываются десятки тысяч куб. м. загрязненных сточных вод, вызывая их загрязнение на большой территории и на длительных период.

На состояние водоемов области оказывают влияние и частые порывы нефтепроводов (примерно 3000 в год), протяженность которых по территории Самарской области составляет 40 тыс. км.

За период 1995 - 2000 г. по данным Госкомэкологии области в Самарской области произошло 44 аварии с большим сбросом неочищенных сточных вод или нефтепродуктов в водоемы области.

Наиболее крупные из них:

Сброс 10,0 тыс. куб. м. неочищенных сточных вод с коллектора МП «Самараводоканал» в Саратовское водохранилище во 2-ю санитарно -охранную зону питьевого водозабора г, Самара.

Сброс 1,1 тонны бензина из продуктопровода «Самара-Брянск » в Саратовское водохранилище;

Выход из строя очистных сооружений п. Междуреченск г.Октябрьска и сброса 11,0 тыс. куб. м. неочищенных сточных вод в Сусканский залив Куйбышевского водохранилища.

Общий прямой экологический ущерб от данных аварий для водоемов области составил более 2,2 млн. рублей.

Существующая система учета и контроля количества и качества сточных вод не обеспечивает получения достоверной информации о массе загрязняющих веществ, поступающих в водные объекты от точечных источников сбросов, аналогичных описанных выше.

В сложившейся ситуации экономические рычаги управлением качеством вод р. Волги посредством регулирования техногенной нагрузки малоэффективны, и ожидать резкого улучшения экологического состояния р. Волги в обозримой перспективе не приходится.

Самоочищение речных вод ухудшается также в связи с тем обстоятельством, что в районах действия точечных источников сброса промышленных, коммунальных и ливневых сточных вод формируются зоны повышенного загрязнения воды и донных отложений. Процесс накопления химических веществ в донных отложениях вызывает при определенных гидрометеорологических условиях вторичное загрязнение водоема. И хотя в общем балансе химических веществ роль вторичного загрязнения водохранилища в целом невелика, для отдельных его участков (водозаборы, рыбохозяйственные объекты, места рекреации), соседствующих с местами сброса сточных вод, оно имеет существенное значение.

Актуальной и нерешенной остается проблема своевременного обнаружения сверхвысоких загрязнений водной среды в результате аварийных выбросов загрязняюш;их веществ и прогнозирования развития ситуации. Только в этом случае можно принимать компетентные оперативные управленческие решения, направленные на снижение негативного эффекта и защиту здоровья населения.

Решение вышеуказанных проблем возможно лишь путем создания эффективной технологии автоматизированного контроля переноса загрязняющих веществ на крупных реках. Система контроля, реализующая такую технологию, должна иметь единую методологию и современные технические средства оперативного получения, обработки и анализа информации о состоянии контролируемых водных объектов.

Существующая в Самарской области сеть сбора информации о состоянии окружающей среды, образованная постами наблюдения, принадлежащих различным ведомствам и организациям, не представляет собой единой, взаимосвязанной системы. Сбор экологической информации происходит, как правило, вручную, с длительными промежутками времени (достигающими суток и более), посты расположены без учета анализа состояния окружающей среды того или иного района или промзоны, во многих метах со сложными метеоусловиями и экологической обстановкой такие посты отсутствуют.

Оборудование постов наблюдения и лабораторий не отвечает современным требованиям передачи данных, отсутствует совместная обработка и анализ экологической информации, полученной различными ведомствами. Существенным недостатком существующей сети сбора экологической информации является невозможность формирования рекомендаций по оперативному управлению экологической обстановкой, особенно при чрезвычайных ситуациях.

В связи с существующей экологической ситуацией появляется ряд задач по созданию более совершенных средств экологического мониторинга водной среды.

Основной задачей при этом является создание стационарных пунктов контроля. Внедрение автоматических средств контроля за качеством сбрасываемых сточных вод с очистных сооружений области и на водоемах вблизи коридорах прохождения подводных переходов нефти и продуктопроводов (их в области 210) позволит резко улучшить экологическую обстановку на водоемах, сократить объем загрязняющих веществ, поступающих в водные объекты, предупреждать своевременно о выходе загрязняющих веществ и прогнозировать масштабы последствий аварий на очистных сооружениях или в районе водных переходов нефтепроводов и сократить сроки их ликвидации.

Второй важной задачей мониторинга является - создание мобильных средств с целью обнаружения фактов несанкционированного сброса сточных вод и оценки объема санкционированного и самовольного сброса. Для решения этой задачи необходимо создание недорогой и простой в эксплуатации аппаратуры, с целью ее повсеместного распространения в контролирующих организациях.

Актуальность темы

Обострение глобальных экологических проблем обусловливает возрастающую необходимость координации и консолидации усилий государственных органов, предпринимателей и общественности в борьбе за чистоту экологии. Одной из важных проблем стоящих перед человечеством является сохранение присущей данному биологическому виду среды обитания.

Экологический мониторинг - система контроля антропогенных воздействий на окружающую среду. Природные экологические системы тесно взаимодействуют друг с другом. Это предопределяет сложность и необходимость учета различных природных и химических факторов при контроле качества окружающей среды методами классической и современной аналитической химии.

В конкретных ситуациях возможны самые разнообразные варианты нарушений сложившейся среды обитания - от отказа системы очистки выбросов или аварий на промышленных предприятиях (выброс метилизоцианата в Бхопале, Индия, 1985г.) до глобальных природных возмущений (например, извержение вулканов), благодаря которым параметры качества среды могут неожиданно резко измениться.

Не менее опасным является медленное изменение среды обитания, вызванное антропогенным воздействием. Накапливание тяжелых металлов в почве, воде в живых организмах, уменьшение толщины озонового слоя, вырубка лесов, сжигание промышленных отходов и т.д. приводят к резкому ухудшению качества среды обитания человека.

Поэтому контроль за состоянием окружающей среды является неотложной и актуальной проблемой. В проведении мониторинга качества окружающей среды можно выделить две задачи:

- для контроля изменений происходящих в эосфере необходимо использовать интегральный критерий качества среды, определяемый по уровню углекислоты в атмосфере, величине фоновых концентраций тяжелых металлов, показателю онкологических заболеваний в данном районе, и многим другим параметрам. Определение такого критерия требует наличия развитой сети наблюдения, включающей в себя хорошо оборудованные аналитические лаборатории;

- для выявления и предотвращения аварийных ситуаций необходима организация системы контроля, способной с высокой периодичностью проводить анализ окружающей среды и оперативно передавать информацию о возникших нарушениях.

Для контроля за состоянием окружающей среды в Самаре смонтированы и успешно работают автоматизированные станции контроля, определяющие концентрацию нескольких десятков загрязнителей и оперативно по модемной связи передающие данные в информационно-аналитический центр.

Положение с контролем загрязнения водной среды является более сложным. Водная среда является наиболее уязвимой для возможного загрязнения в связи с широким использованием воды в технологических и хозяйственно-бытовых целях, большой скоростью переноса загрязнителей, образования застойных зон. Однако контроль за загрязнением водной среды по-прежнему осуществляется традиционными методами путем отбора и анализа проб в стационарных лабораториях.

Существующие информационно-измерительные системы для контроля физических параметров и химического состава воды, не отвечают выдвигаемым требованиям по набору определяемых компонентов, метрологической и технической надежности, периодичности обслуживания, поэтому задача создания систем определения объемов сбросов сточных вод является актуальной.

Цель работы.

Основной целью диссертационной работы является разработка математического обеспечения для определения объемов и распространения загрязнении в воде, а также создание ИИС экологического мониторинга поверхностных, сточных и питьевых вод для решения задачи обнаружения аварийных выбросов в водной среде и определения объемов выбросов.

Методы исследования.

Исследование свойств алгоритмического обеспечения производилось на основе методов конечных разностей, теории обыкновенных линейных дифференциальных уравнений, теории вероятностей и математической статики, теории измерений и погрешностей. Большое внимание уделено вопросам экспериментальных исследований путем проведения натурных испытаний.

Научная новизна.

Впервые исследована возможность определения объемов сточных вод и мест их выброса по температурному полю водных масс контролируемого водоема.

Предложена методика проведения определения температурного поля водоема и его анализа с использованием моделирования на ЭВМ.

Рассмотрены вопросы возникновения погрешностей в отдельных модулях разработанной ИИС и методы их снижения.

Практическая ценность работы.

Практическую ценность представляют схемные решения разработанной ИИС для определения объемов сточных вод по температурному полю, разработанные математические модели для оценки объемов и распространения коммунальных, промышленных и сельскохозяйственных сбросов.

Внедрение результатов работы.

Работа выполнялась в рамках программы создания региональной автоматизированной системы экологического мониторинга в Государственном комитете по охране природы Самарской области. Модули разработанной ИИС использовались при проведении наблюдений за состоянием реки Сок (Самарская область).

Апробация работы.

Основные положения и результаты данной работы изложены и обсуждены на научных семинарах института Экологии Волжского бассейна РАН, заседаниях НТС Комитета экологии Самарской области, а также на научно-технических семинарах кафедры "Информационно-измерительная техника" Самарского государственного технического университета.

1. ОБЗОР МЕТОДОВ И МЕТОДИК ПОИСКА МЕСТ СБРОСА И КОНТРОЛЯ СОСТАВА СТОЧНЫХ ВОД

4.4 Выводы

1. При разработке модулей ИИС особое внимание надо уделять мерам, направленным на поддержание долговременных метрологических свойств ИИС. К таким мерам относятся стабильных материалов датчиков, использование предварительно состаренных образцовых резисторов, термостатирование критичных элементов.

2. Использование тестовых мер позволяет повысить точность измерений, упрощает конструкцию ИИС (за счет использования более простых схемотехнических решений) и увеличивает межрегламентный срок работы системы.

3. Использование цифрового канала измерения позволяет отказаться от аналоговых коммутаторов, что повышает точность измерений.

4. В связи с малым значением амплитуды информативного сигнала, большое внимание при разработке и эксплуатации ИИС следует уделять борьбе с систематическими погрешностями.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Главным итогом диссертационной работы является:

1. В результате анализа характеристик выбросов в водоемы Самарской области показано, что контроль за состоянием сброса сточных вод в поверхностные воды является актуальной проблемой, не имеющей на настоящий момент однозначного решения.

2. Разработан новый метод определения объема сброса сточных вод в водоем и местоположения источника сброса на основе измерения температурного поля в воде контролируемого водоема.

3. Определены требования к ИИС поиска источника сброса сточных вод и определения объема сброса. Показано, что для удовлетворения повышающихся требований за качеством контроля окружающей среды в настоящее время необходимо использовать специальную аналитическую технику,

4. Предложена схема ИИС для экологического мониторинга, представляющая собой многоуровневую структуру с частичным распределением вычислительных мощностей по периферийным модулям, позволяющая реализовать разработанный метод контроля состояния водной среды.

5. Разработано алгоритмическое обеспечение модулей, входящих в состав ИИС, определены требования к этим модулям. Исследованы характеристики разработанного алгоритмического обеспечения ИИС.

6. Разработаны принципиальные схемы модулей ИИС. Исследованы причины возникновения погрешностей при работе модулей разработанной ИИС, определены меры по их снижению.

7. На основании анализа погрешности, возникающей из-за нелинейности реальной функции преобразования измерительного преобразователя датчика температуры, определена размерность функции преобразователя.

134

8. На основании анализа погрешностей, используемых в измерительном блоке ИИС датчиков температуры, определен их режим, при котором основная составляющая - термоанемометрическая погрешность минимальна, а межповерочный интервал модуля измеряемых параметров контролируемой воды достигает нескольких месяцев.

1. Ежегодник качества поверхностных вод по территории деятельности Приволжского Территориального Управления по Гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды за 1993 год. -Самара, 1995.

2. ГОСТ 2761-84 "Вода поверхностных водоемов".

3. Региональная автоматизированная система экологического мониторинга водной среды. Концепция и целевые комплексные программы. -Самара, 1994.

4. ГОСТ 2874-82 "Вода питьевая. Гигиенические требования и контроль за качеством".5. "Правила охраны поверхностных вод". Минэкология, 1991.

5. Экологические аспекты экспертизы изобретений / Справочник, Ч.1, М: В НИИПИ,1989. Н.Г. Рыбальский и др.

6. Методические основы оценки и регламентации антропогенного влияния на качество поверхностных вод. Под ред. Караушева А.В.-Л :Гидромеиеоиздат, 1987.

7. Дж Бендат. Прикладной анализ случайных данных.Мир. 1989г.

8. Рабинович.С.Г. Погрешности измерений "Энергия" Ленинградское отделение 1978г.

9. Вентцель Е.С. Теория случайных процессов и ее применение. 1991. Паука

10. СЭВ "Унифицированные методы исследования качества вод" ч1 , М, 1987г

11. Лурье Ю.Ю. Аналитическая химия промышленных сточных вод М: Химия, 1984г

12. Руководство по химическому анализу поверхностных вод суши .Под ред. Семенова А.Д. Л: Гидрометеоиздат , 1977г

13. Унифицированные методы анализа вод .Под ред. Ю.Ю.Лурье , М: Химия, 1973 г

14. СЭВ "Унифицированные методы исследования качества вод" ч1 т2 , 1983г

15. Новиков Ю.В. , Ласточкина К.С. Методы исследования качества воды водоемов. М: Медицина, 1990г

16. Новиков Ю.В. Методы определения вредных веш:еств в воде. М. 1981г

17. Мидгли Д. , Торренс К .Потенциометрический анализ воды. М: Мир , 1980г

18. Лурье Ю.Ю , Рыбникова Л.И. Химический анализ производственных сточных вод М: Химия , 1974г

19. СЭВ "Унифицированные методы исследования качества вод" ч1 тЗ ,М, 1985г

20. Дмитриев М.Т. Санитарно-химический анализ загрязняющих веществ в окружающей среде" М , 1989г

21. Справочник по свойствам, методам анализа и очистке воды .Под ред. Кульского , 1980г

22. Ионный обмен и ионометрия Вьш2/ Под редакцией Б.П. Никольского Л. Изд ЛГУ, 1979 268с.

23. Хубер Л. Применение диодно-матричного детектирования в ВЭЖХ. Москва "Мир" 1993г

24. Герасимов Б.И Проектирование аналитических приборов для контроля состава и свойств веществ. М. Машиностроение 1984 г.

25. Ткоржевский В.И. Автоматизация анализа газов и жидкостей на предприятиях. Стр. 126

26. Силис Я.Я., Кофман A.M., Розенблит А.Б. Первичная обработка спектров и хроматограмм химических соединений с помощью ЭВМ. Принципы. Алгоритмы. Программы.- Рига: Зинайне, 1980.- 128с.

27. Дружинин Н. И. Шишкин А .И. Математическое моделирование и прогнозирование загрязнения поверхностных вод суши. М.- 1989

28. Вознесенский Г.Ф. Методы математического моделирования загрязнения речной воды (обзор). Миграция веществ антропогенного происхождения в речных бассейнах и моделирование качества воды.М Гидрометеоиздат-1979

29. Математические модели контроля загрязнений воды.Под ред. Джеймса.М-1981

30. Schomburg G., Weeke F. and oth. Chromatography on- line to Mulcheim computer system, J. Chrom. Sci, 9, No. 12, 1972, p. 735

31. Wasserman P.D. Advanced Metod in neuralcomputing. New York, 1995: Van Nostarand Reinho.

32. Eckschlager Karel. Application of computers in analytical chemistry. Wilson and Wilson's Compr. Anal. Chem. Vol. 18, 1983, p.251- 440.

33. Ripley B. Statistical ileas for selecting network architectures. Neural information Processing System. s8 1995.

34. Rivlin T. An intoduction to the approximation of functions. 1991 Massachusetts.

35. Naftaly U. Intrator N. Training single networks for optimal ensemble performance, in T. L. 1995. Cambridge.

36. Perrone M. and Cooper L. When networks disagree: Ensemble method for networks, in R.J. Mammone, ed., 1993. Neural networks for speech and image processing. Chapm an-Hall.

37. Saad D. and Solla S. Learning from corrupted examples in multilayer netwoks. Technical report NCRG/96/019. 1996. Aston University, UK.

38. Vapnik V. The nature of statistical learning theory. Springer-Verlag, Berlin.

39. Halang W. A PC- based evaluation and control system for gasliquid chromatography. North- Holland microprocessing and microprogramming. 21 (1987)p.l53- 160.

40. Anderson J. Data acquisition and processing for high speed liquid chromatography. J. of liquid chrom.,6 (14), p. 2809- 2828 (1983).

41. Хемминг P. Цифровые фильтры: Пер, с англ. М.: Сов. радио, 1980.- 224с.

42. Savitcki А, Golay М. Anal. Chem. 36, 1627 (1964). 19. Kaiser R.E., Rackstraw A.J. Computer chromatography. Vol. 1

43. Ланге П.К., Шафранский И.В. Метод компенсации нелинейного дрейфа базовой линии хроматограммы.- Заводская лаборатория. 1983, т.49, N6.-C. 17-19.

44. Roberts S. and oth. Using least squares method in chromatographia handling. Anal. Chem. 42, 1970, No 4.

45. Andersson and oth. Computerised analysis of overlapped nonGaussian chromatographic peacks with approximation method. Anal. Chem. 1970, No. 4, p. 434- 446.

46. Kelly P, Harris W. Application of method of maximum posterior probability to estimation of gas- chromatographic peak parameters. Anal. Chem. 43, 1971, p. 1184- 1195.

47. Kullic E., Kaljurand M., Ess L. Resolution of overlapping gas chromatographic peaks using fast Fourier transformation. J. of Chromatography, V. 118, 1976, p. 313-317.

48. Harder A., Galan L. Deconvolution when only the lower order moments of the convolution function are known. Anal. Chem. 1974, V. No. 11, p. 1464- 1468.

49. Тхоржевский В.П. Автоматический анализ газов и жидкостей на химических предприятиях. М.'Химия, 1976г.ц

50. Куликовский К. Л., Купер В.Я. Методы и средства измерений. М.: Энергоатомиздат, 1986 г.

51. Варламов Р.Г. Малогабаритные источники тока. -М.: Радио и связь, 1988 г.

52. Гитис Э.И., Пискулов Е.А. Аналого цифровые преобразователи.-М.: Энергоиздат, 1981. - 360с.

53. Сборник под ред. Шифрина К.С. Оптические исследования в океане, в атмосфере, над океаном. М. Институт океанологии им. П.П. Ширшова А И СССР. 1985 г.

54. Новицкий П.В. Электрические измерения неэлектрических величин. -Ленинградское отделение: Энергия, 1975 г.

55. Аш Ж. Датчики измерительных систем. 1, 2 том. -М.: Мир, 1992 г.

56. Гордов А.Н. Основы температурных измерений. -М.: Энергоатомиздат, 1992г.

57. Фолкенберри Д. Применения операционных усилителей линейных ИИС-М.:Мир

58. Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах.- Л.: Энергоатомиздат, 1988.- 304с.

59. Бромберг, Куликовской Л.Ф. Тестовые методы повышения точности. 1986 г.

60. Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах.- Л.: Энергоатомиздат, 1988.- 304с.

61. Уитсон Дж. Практические схемы на ИС. М. Мир. 1992г.

62. В.В. Малов. Пьезорезонансные датчики. М.Энергоатомиздат 1989г.

63. Искусство схемотехники. Хорвац.П. ХиллУ М. Мир. 1982г.140

64. Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM PC. Под редакцией Томпкинса У. М. Мир 1992г.

65. Парамонов А.Н., Кушнир В.М., Забурдаев В.И. Современные методы и средства измерения гидрологических параметров океана. Киев. :Наукова думка, 1979 г.

66. Схемотехника устройств на мощных полевых транзисторах. Под редакцией Дьяконова В.П. М. Радио и связь. 1994г.

67. Алексенко А.Г., Коломбет Е.А., Стародуб Г.И. Применение операционных аналоговых ИС- М.: Радио и связь, 1981.- 224с

68. Электрохимические методы анализа окружающей среды. Под редакцией Паста В. Тарту. Типогафия ТГУ.1986 г.

69. Свещников A.A. Прикладные методы теории случайных функций. М.: Наука, 1968г.

70. Давидан И.Н., Лопатухин Л.И., Рожков И.В. Ветровое волнение как вероятностный гидродинамический процесс. Л.:Гидрометеоиздат, 1978.

71. Рахманин Ю.А., Монисов A.A., Ческис А.Б., Скворцов Л.С., Маслюков A.n. // Стандарты и качество. 1995. =t 11. С. 6.

72. Проблемы окружающей среды и природных ресурсов. 1995. — 9. С. 65.

73. Фомин Г.С. Вода. Контроль химической, бактериальной и радиационной безопасности по международным стандартам. М., 1995.