автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Исследование и разработка систем управления процессами озонной очистки и обеззараживания воды

РГЗ од

- х 'Оренбургский государственный университет

На правах рукописи

МАНГУТОВ Салават Сагитович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССАМИ ОЗОННОЙ ОЧИСТКИ И ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОДЫ

Специальность 05.13.07 - "Автоматизация технологических процессов и производств"

Ж

АВТОРЕФЕРАТ 1

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Оренбург - 1997

Работа выполнена в Оренбургском государственном университете.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор, член корреспондент академии технологических наук РФ Абдрашитов Р.Т.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор, Лысов В.Е., к.т.н. .доцент Ныров Г.К.

Ведущая организация - НПО "ЭкоБиос"

Защита состоится 25 декабря 1997 года в 14 часов на заседании диссертационного совета К 064.64.01 Оренбургского государственного университета по адресу:460352, Оренбург, пр. Победы,13.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Оренбургского государственного университета.

Автореферат разослан 25 ноября 1997г.

/

Ю.Р. Владов

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время проблемы экологии, а частности очистки сточных вод, заставляют искать наиболее эффективные пути решения назревшего противоречия между растущими потребностями в ресурсах и гибнущей природой.

Действующий Закон Российской Федерации, определяет различные виды ответственности должностных лиц и граждан, за противоправные действия, нарушающие природоохранное законодательство.

Вода - это ценнейшее сырье, необходимое для любого вида человеческой деятельности. Запасы чистой воды не беспредельны и вопросами сбережения водных запасов занимаются ученые и специалисты всех стран мира.

Несмотря на это, дефицит воды продолжает оставаться и стоимость чистой воды растет. Так, в Оренбургской области сложилась критическая ситуация, по дефициту мощностей очистных сооружений область занимает второе место в России. Ежегодно в водные объекты сбрасывается 176,1 миллиона кубометров загрязненных сточных вод и лишь 0,4% от общего количества нормативно очищенных. Существующие очистные сооружения перегружены, технология очистки базируется на устаревших методах и поэтому мало эффективна.

Единственный выход в данной ситуации - разработка новых и максимальное повышение эффективности существующих методов очистки, снижающих себестоимость обработки воды.

Применение озона в качестве основного компонента при проведении комплексной очистки обусловливается его активностью практически ко всем известным загрязнителям. С другой стороны, свойства озона диктуют строгое соблюдение технологической дисциплины, так как озон в больших концентрациях является опасным для здоровья человека, а также он - взрывоопасен. Только строгое соблюдение режимов обработки и автоматический контроль в состоянии предотвратить отрицательные последствия использования озона. С этой целью в существующих на сегодняшний день станциях обработки воды озоном большое значение придается автоматизации.

Одним из центральных и наиболее сложных задач процесса озонирования является подбор оптимальных параметров. Причины, которые осложняют оптимизацию, обусловлены сложностью химических процессов, происходящих в реакторе, плохой наблюдаемостью объекта, а также большой вариацией параметров исходной воды. Одновре-

менно в воде может присутствовать до сотен типов загрязнителей, каждый из которых требует подбора определенного режима озонирования. Эти и ряд других причин, включая отсутствие научно-обоснованной методики определения оптимальных режимов ведения процесса, объясняют то, что до настоящего времени не решена задача оптимального управления процессами озонирования воды. Почти все ранее разработанные схемы автоматизации процесса озонирования сводятся к поддержанию существующих режимов в целом или к автоматическому обеспечению определенного уровня какого-либо показателя, например, времени контакта, концентрации оаоно-воздушной смеси и т.д. Ни в одной из выполненных работ по автоматизации процессов озонирования не рассматриваются Еопросы структурного и параметрического синтеза оптимальных систем управления очисткой, не рассмотрены вопросы адаптации системы в условиях значительного разброса входных параметров воды.

Таким образом, проблема оптимального управления процессов очистки воды с использованием озонирования является актуальной.

Работа выполнена в рамках федерально-целевой программы оздоровления экологической обстановки и охраны здоровья населения Оренбургской области на 1995-2000 г.г., утвержденный постановлением правительства га N 658 от 8.06.96 г.

Цель работы. Изучение закономерностей и разработка методов и средств построения оптимальной, адаптивной системы управления очистки многокомпонентных стоков методом озонирования.

На основе изучения состояния проблемы, поставлены задачи, решение которых выносится на защиту:

1. Разработать математическую модель, адекватно отражающую процессы протекающие при озонировании воды;

2. Разработать структуру адаптивной системы управления озонной очистки многокомпонентных стоков-,

2. Исследовать различные режимы озонной очистки воды с целью их оптимизации;

4. Разработать метод реализации оптимального управления системой озонной очистки воды;

5. Оценить эффективность разработанной системы управления.

Методы исследования. При выполнении работы использованы методы математического моделирования, методы оптимизации, методы анализа и синтеза автоматических систем управления. Еся работа базируется на системном подходе к решению сложных инженерных за-

- о -

дач.

Научная новизна. Представлены следующие научные результаты:

- математическая модель процесса озонной очистки воды, адекватно отражающая реальные процессы протекающие в реакторе;

- структура системы управления процессом озонной очистки для однокомпонентного загрязнителя;

- схема (процедура) адаптации системы управления процессом озонной очистки многокомпонентных загрязнителей;

- метод оценки физико-химических свойств и расчет параметров управления процессом озонной очиски многокомпонентных загрязнителей, по косвенным данным, на основе теории активных столкновений;

- создана структура базы данных и алгоритм вычисления оптимальных параметров управления процессом озонной очистки воды.

Практическая ценность работы. На основе теоретических и экспериментальных исследований рагработана адаптивная система управления процессом озонной очистки воды, позволяющая оптимизировать режимы обработки при меняющихся внешних параметрах. Для наиболее распространенных загрязнителей определены оптимальные режимы обработки и параметры управления.

Реализация результатов работы. Результаты исследований использованы при разработке и внедрении.автоматизированных систем управления процессами озонной очистки воды. Имеется ряд действующих установок ООО "Техозон" с предложенной структурой АСУ.

Апробация работы.

Результаты исследований доложены: на ежегодных региональных конференциях молодых ученых Урала и Поволжья, (г.Оренбург, 1994-35гг); на международной конференции "Чистая вода Урала" (г.Екатеринбург, 1594г.); на научных семинарах по автоматизации в Оренбургском государственном университете (1985-97гг). Выпущен информационный листок через Оренбургский ЦНТИ.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 5 печатных работах, получено 1 авторское свидетельство.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 116 страницах машинописного текста, имеет 27 рисунка, 2 приложения, список литературы из 103 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Бо введении обоснована актуальность теш диссертации, рассматривается роль очистки воды в решении проблемы экологии.

Б первой главе приводится анализ существующих способов и средств обработки воды и обосновывается перспективность применения озонирования.

Более 1000 водопроводных станций в Европе, особенно во Франции, Германии и Швейцарии, применяют озонирование как составляющую часть общего технологического процесса очистки воды. В последние годы возрос интерес к озонированию в США и Канаде. У нас в стране озонирование применяют на станциях очистки ряда крупных городов: Москвы, Киева, Нижнего Новгорода.

Применение озона для очистки промышленных стоков обусловливается его активностью к различного рода загрязнителям воды, включая микроорганизмы. При диспергировании озона в воду осуществляется два основных процесса - окисление и дезинфекция. Окислению подвергаются практически все молекулы тяжелых металлов, выпадающих затем в осадок. Кроме того, в процессе озонирования происходит значительное обогащение воды растворенным кислородом. Особенно благоприятно применение озона для очистки промышленных стоков, содержащих большие концентрации органических веществ и красителей. В этом случае озон расщепляет макромолекулы органических соединений и красителей, которые далее сорбируются на углеродных материалах. Механизм взаимодействия озона с различными загрязнителями подробно рассмотрен в работах американских ученых Хагена и Бадера, В.А.Орлова и др.

Обработка сточных вод озоном обеспечивает высокое качество и дезинфекцию воды, однако на выработку озона тратится довольно большое количество энергии, порядка 13-18 кВт/час на 1 кг озона. Дальнейшее повышение эффективности применения данного метода возможно, лишь при использовании современных энергосберегающих технологий, позволяющих свести к минимуму затраты на получение и использование озона. Оригинальное конструктивное решение имеют генераторы озона фирмы "Техозон", для диагностики работоспособ-ностики которых разработан способ измерения площади поверхности электропроводного изделия.

Надо отметить, что озон в больших концентрациях вреден для окружающей среды и для здоровья человека, поэтому процесс озони-

- т _

рования требует глубокого изучения и строгого соблюдения техно-лоппеоких режимов обработки, что позволяет отнести его к высоким технологиям.

Анализ литературных источников показал, что вопросами автоматизации химико-технологических процессов, а именно к таковым относиться процесс озонирования, занимались многие ученые. Из зарубежных наиболее известны работы И.Ф.Дэвидсон и Д.Харрисон, М.Лева, Д.Ф.Отмер, П.Ребу и из отечественных работы И.А.Бурового, С.Г.Герасимова, В.В. Кафарова. Более конкретно озонирование изучено в работах Хагена и Бадера, а также В.И. Орлова. Опыт работы в этом направлении свидетельствует, что привлечение к решению задачи автоматизированного управления современных методов синтеза систем оптимального управления, с использованием ЗБМ, позволяет с высокой точностью управлять процессом и поддерживать его в заданных пределах.

Однако на сегодняшний день существующие системы управления процессами очистки воды работают по жестким программам и возможность перенастройки, адаптации к меняющимся внешним условиям в этих системах весьма ограничена.

В реальных условиях, в воде поступающей на очистку, кроме изменения концентрации, может меняться и-состав самих загрязнителей. Это может быть связано с какими то залповыми выбросами или в сеязи с аварийной ситуацией. В этом случае, существующие системы очистки не в состоянии своевременно реагировать на изменение состава воды и возникнет угроза для окружающей среды и населения. Поэтому существует необходимость разработки и внедрения адаптивных систем управления, способных обеспечить качественную очистку воды, при меняющихся входных условиях.

Б работе проанализированы существующие методы синтеза промышленных регуляторов и сделан вывод, что наиболее приемлемым для нашего случая является метод обобщенной инвариантности Л.И.Бойчука.

В конце главы формулируется цели и ставятся задачи исследования .

Вторая глава посвящена исследованию закономерностей процесса озонной очистки воды и разработке на их основе оптимального управления.

Математическую задачу оптимального управления процессом озонной очистки воды е этом случае можно сформулировать следую-

- а -

щим образом. Пусть известна математическая модель процесса и задана некоторая функция у* отражающая требования к процессу очистки. Также известны начальные параметры воды уо, поступающей на очистку _ _ _

У = Ф (£. и, и у). (1)

Необходимо найти оптимальное управление в виде

Уопт = Ф а, У, У*, и, (2)

обеспечивающее максимум или минимум некоторого функционала t

шах Р = I 1? (у, у*, и, Г, Ю сИ. (3)

<и> 0

В качестве критерия оптимальности функционирования системы, принят критерий быстродействия. Данная задача, при условии полной информации о параметрах модели, относится к известной задаче аналитического конструирования регуляторов. Однако две особенности исследуемого объекта, делают ее нетривиальной. Первая особенность ее заключается в том, что состав загрязнителей многокомпонентен и виды загрязнителей могут в принципе меняться. Из-за того, что тлеется только одно управляющее воздействие -концентрация озона, то постановка этой задачи общем случае является некорректной.

В результате решения задачи по концентрации компонент мы получаем вектор управления

Иопт = {иопт1> испт2| • ■ -Чопт и-.-Иопт пК (4)

где 11опт 1 " оптимальная концентрация озона для ¿-того загрязнителя.

Поэтому необходимо некоторое правило (Р) позволяющее про-Еести выборку

иСПт = Р -С и >• (5)

Бтораа сложность заключается в проблеме идентификации объ-

екта управления. Скорости химических реакций окисления каждого загрязнителя определяются константами скоростей и начальными концентрациями взаимодействующих веществ. В свою очередь константа скорости химических реакций зависит от ряда показателей таких как температура, энергия активации, степень растворения и т.д., которые также подвержены изменениям.

Отсюда следует вывод, что система управления должна быть адаптивной и реагировать на все эти изменения. Использование традиционных подходов к построению адаптивных систем в данном случае нецелесообразен, т.к.требует, на наш ззгляд, больших затрат времени для идентификации объекта, или для поиска оптимальных параметров управления.

В данной работе нами выдвинута гипотеза о возможности идентификации объекта управления и построения контура адаптации на основе информации о химическом строении реагирующих веществ.

Построение математической модели процесса озонной очистки для однокомпонентной смеси. Математическая модель химико-технологических процессов строится на основе гидродинамических моделей, учитывающих характер распределения времени пребывания частиц потока реагирующих смесей в данном реакторе с учетом уравнений химической кинетики. Одним из основополагающих работ в изучении динамики процессов химической технологии являются работы Д.П. Кэмпбелла и Ж.Н. Перри, Е.А.Мельвин-Хыоза. Из отечественных ученых наибольший вклад внесли труды Е.Н.Еремина, Е.Колдина, Н.О.Шилова.

Основной подход в рассмотрении данной проблемы является допущение, что несмотря на то, что химическая реакция является микроскопическим процессом, межмолекулярные силы, которые заставляют индивидуальные молекулы взаимодействовать между собой не могут непосредственно учитываться а теории регулирования химических процессов. Образование или разрушение продукта должно здесь рассматриваться исключительно с макроскопической точки зрения.

Средняя скорость реакции выражается дифференциальными уравнениями, которые составляются на основании теории кинетики. В этих уравнениях учитывается количество расходуемого в единицу времени сырья или количество продукта, образуемого в единицу времени.

Основная форма уравнения реакции

<1Са

-- = к С1а С2Ь , (б)

сЗТ

где Ь - время; К - постоянная скорости реакции, является функцией внутренних параметров веществ вступающих в реакцию; СьСг - концентрации взаимодействующих веществ; а,Ь - числовые коэффициенты, являются обычно положительными целыми числами.

Из уравнения (б) видно, что скорость изменения концентрации вещества пропорциональна произведению исходных концентраций взаимодействующих веществ в соответствующих степенях. Константа скорости реакции характеризует процесс, протекающий на микроуровне взаимодействия молекул и поэтому, как всякая молекулярная характеристика, зависит от типа молекул вступающих в реакцию веществ, и от температуры реакционной среды.

Если взять за основу уравнение (6), то мы получим довольно простую модель процесса взаимодействия загрязнителя с озоном. Действительно, если мы будем знать концентрацию загрязнителя на входе и концентрацию подаваемого озона, зная значение константы скорости реакции мы можем определить скорость, а следовательно и время необходимое для окисления данного загрязнителя до нужной концентрации.

Однако, сложности возникают из-за присутствия в воде не одного, а сразу сотен загрязнителей. Кроме того, что они имеют различную начальную концентрацию, механизм взаимодействия каждого из них с озоном имеют определенную структуру. Соответственно, для каждого случая имеется определенное значение константы скорости реакции. Лля большинства загрязнителей экспериментальные значения коэффициентов не определены, поэтому их необходимо каждый раз определять расчетным путем.

Зависимость константы скорости реакции от температуры описывается законом Аррениуса:

К = к е ~Е/КТ , (7)

где к - коэффициент, зависящий от числа столкновений реагирующих молекул ; Е - энергия активации, кДж/кмоль (ккал/кмоль); I? - газовая постоянная, кДж / кмоль-1 град"1; Т - абсолютная температура, °К;

температура, СК;

Синтез структуры системы управления для однокомпонентной смеси. Для синтеза и последующего исследования оптимальной системы управления процессом озонной очистки использовался метод обобщенной инвариантности, разработанный Л.М.Бойчуком и примененный для синтеза промышленных регуляторов в работе Абдрашитова Р.Т.

Уравнение объекта управления dx

--= К ха zr\ . (8)

dt

где х - концентрация загрязнителя; z - концентрация озона. К - константа скорости реакции; а,Ь - числовые коэффициенты.

Обозначим через ха zb = U- некоторое обобщенное управление.

Тогда,

dx

-- = К * U. (9)

dt

Согласно теории обобщенной инвариантности запишем

j + s f = О, (10)

где - входной сигнал; а - весовой коэффициент;

Еысшая производная ошибки имеет вид ф = Ф - х. Здесь ф -желаемый еыходной сигнал (желаемая концентрация загрязнителя на выходе (ЦЦК), при Ф = const Ф = 0, тогда ф = - х.

Объединив два последних полученных выражения и приведя некоторые преобразования, получим значение высшей производной регулируемой величины, а именно:-х t а ? = 0 или х = а ¡р.

Подставив высшую производную в уравнение объекта, получим

- а Ф = К U или - а ф = К xa .

а Ф l\b

Отсюда вырачаем z - - ( - ) (11)

Структурная схема системы управления процессом овонной очистки для однокомпонентной смеси представлена на рис.1.

Рисунок 1 Структурная схема системы управления процесса овонной очистки для однокомпонентной смеси.

Для анализа полученного результата проведем подстановку полученного регулятора (11) е уравнение математической модели объекта (8). Е результате этой подстановки получим уравнение системы регулирования

с!х а ч> - = К ха тР = - К ха -

а ф,

(12)

аЬ

К х

или х = а <?.

Полученное уравнение системы регулирования показывает на доеольно интересную и Еажную особенность применяемого метода синтеза. Несмотря на то, что объект является сложным, нелинейным, в целом система "объект + регулятор" описывается линейным уравнением первого порядка. Другими словами, полученный регулятор компенсирует все нелинейности объекта.

Полученное решение оптимального управления содержит неизвестный весовой коэффициент а. Определение которого для различных режимов - второй этап решения задачи. В общем случае коэффициент а следует выбирать исходя из граничных условий и ограничений, накладываемых на систему. При известной структуре нахождение а является задачей нелинейного программирования.

Анализ уравнения оптимальной концентрации огона показывает, что при выполнении услоеии ограничения на величину концентрации гпр (2пр определена исходя из допущения, что загрязнители реагируют только с озоном растворенным в воде), величина должна поддерживаться на уровне:

2опт = 2пр (13)

z 2пр и

1

Рисунок 2 График изменения концентрации загрязнителя и управляющей величины от продолжительности процесса озонирования.

Таким образом, несмотря на то, что объект является нелинейной системой, полученный результат не противоречит результатам полученным другами методами для линейных систем (теорема об "п-1" переключении)

3 нашем случае задача вырождается в задачу программного управления и функции управления процессом очистки однокомпонентных загрязнителей будет заключаться в вычислении времени озонирования.

Управление процессом озонной очистки многокомпонентных смесей. Как показано ранее, в результате синтеза оптимальной системы управления процессом озонной очистки воды система вырождается в систему программного управления. Бремя озонирования определяется видом и предельно допустимой концентрацией 1-того загрязнителя. Кроме этого, управление процессом озонной очистки воды от многокомпонентных загрязнителей является некорректной задачей т.к. п = ш, где п - количество выходов; ш - количество управлений.

Для решения задачи необходимо некоторое координирующее правило (Р) позволяющее произвести выборку г0пт из множества г^

Зопт = Р {¿¡ОПТ ¿К

(14)

где ZonT i " оптимальная концентрация озона для окисления п - ного загрязнителя.

гопт = {2onTiiZonT2<.. .2опт i>---ZonT nJ' (15)

При выборе в качестве критерия оптимальности критерия быстродействия координирующим правилом (Р) может быть выражение

Р = max {min ti>, (16)

где ti - время на обработку i-того загрязнителя присутствующего в исходной воде.

Таким образом, встает задача определения оптимального значения ti, которая однозначно определяется скоростью реакции Vi.

Традиционные методы идентификации объекта не пригодны и поэтому необходим новый подход, идея которого следующая.

Для реализации принятого правила необходимо систему автоматического управления дополнить системой контроля загрязнения (СКБ) и экспертно-расчетной системой (ЗРС).

Объем имеющейся в литературе информации по фивико-химическим свойствам веществ значительно отстает от потребности науки и техники. Число соединений, для которых имеются хотя бы единичные экспериментальные данные по их свойствам, составляет лишь несколько процентов от числа существующих в природе веществ. Поскольку экспериментальное определение физико-химических констант часто является сложной задачей, важно располагать методами предсказания свойств по неполным или косвенным данным.

Важная роль в получении необходимой информации о физико-химических свойствах веществ отводится методам приближенного расчета и прогнозирования.

Термин "прогнозирование" подразумевает оценку физико-химических величия на основании минимального числа легко доступных исходных данных, причем наиболее важный аспект прогнозирования предполагает полное отсутствие экспериментальной информации о свойствах исследуемого вещества. Роль и значение расчетных методов, как эффективного средства прогнозирования свойств веществ постоянно возрастает. В тоже время, обоснованные подходы к расчету большинства физико-химических свойств в настоящее время отсутствуют, так как основные законы, определяющие межмолекулярные

взаимодействия, до конца не известны, а если даже они и известны, математического решения, как правило, не имеют. Тем не менее, уже сейчас весьма продуктивным оказывается путь прогноза, базирующийся на основе методов теории термодинамического подобия.

3 работе Еысказана гипотеза о возможности прогнозирования скорости химических реакций на основе теории активных столкновений. Авторада теории получена зависимость, отражающая влияние внутренних параметров взаимодействующих веществ на скорость реакции. Так, Мелвин-Хьюз доказан, что данная зависимость справедлива с достаточной точностью и для зодных растворов. Коэффициент к отражает число столкновений атомов и молекул при которых происходит реакция и выражается формулой:

1 1 1/2

к = Ма Дхз2(8 П й Т(- + -» С17)

Мх Мз

где Ма - число Авзгадро; К -универсальная газовая постоянная; Дхз - диаметр полученной молекулы; Мх> М2 - молекулярные массы взаимодействующих веществ, Т - температура воды.

Экспериментальные данные, подтверждающие эту гипотезу имеются з литературе, а для ряда наиболее часто встречающихся загрязнителей они приведены в четвертой главе диссертации.

Большой объем информации и сложность определения структуры химических уравнений вызывает необходимость применения 5ВГ в контуре самонастройки. ЭРС на основе полученной информации из ОК производит расчет параметров процесса и определяет оптимальное время озонирования согласно разработанному алгоритму. Структура ЭРС для контура самонастройки регулятора представлена на рис.Э.

Программное обеспечение

_1_

|Определ. скорости I реакций

ипредел времени очистки!

Еыбор

оптималь

упр.ЕОЗД

База данных

Данные ! о молекул| строении

Предельш допустим концентр

Структура уравнении реакций

Рисунок 5 Структурная схема экспертиз-расчетной системы.

Б третьей глазе изложены методики экспериментальных исследований и статистическая обработка опытных данных. Весь комплекс исследовании проЕеден в два этапа:

1) сбор информации о процессе озонной очистки на основе данных полученных на лабораторной установке, статистический анализ процесса, определение параметров математической модели;

2) моделирование оптимальной системы очистки на ЭВМ, для сопоставления экспериментальных данных с теоретическими.

Исследования проведены в лаборатории Оренбургского государственного университета. Химические анализы воды на содержание компонентов загрязнителей до очистки и после очистки проведен в лаборатории аналитического контроля МКХ "Оренбургводоканала", по стандартной методике.

В качестве экспериментальных данных также использованы ранее полученные результаты на существующих промышленных установках и данные лабораторных исследований.

Для этого создана лабораторная установка на которой проводились испытания различных режимов очистки. В качестве генератора озона использован бытовой озонатор ОБ-1, серийно выпускаемый на предприятии "Техозон" г.Оренбург. Производительность по озону до 40 г/час.

Реактор представляет собой емкость объема 5 литров, со встроенным распылителем. Тонкость распиливания достигнута за счет применения керамических пористых материалов, с диаметром пор 20-30 мкм.

После реактора вода прошедшая озонную очистку поступала на слоистый фильтр для дополнительной тонкой очистки. Загрузка фильтра представляет собой чередующие слои из гравия, песка и активированного угля.

Очищенная вода отбиралась и отстаивалась в отстойнике и далее подвергалась химическому анализу.

Начальная концентрация озона на входе и выходе из реактора контролировалась твердотельным хемилюминесцентным анализатором модели 3-С12Ш. выпускаемый лабораторией экологического контроля г.Санкт-Петербурга.

Методикой по сбору и обработке информации было предусмотрено: химический анализ содержания загрязнителей в исходной воде; химический анализ содержания загрязнителей в очищенной воде; измерение начальной и конечной концентрации озона; замер времени

озонирования; обработка результатов эксперимента; обобщение и анализ материалов.

Все исследования проведены при прочих равных условиях и установившихся режимах. Обработке озоном подвергнуты сточные воды с наличием характерных загрязнителей органического и неорганического происхождения.

Инструмент исследования - персональный компьютер IEM FG и пакет прикладных программ "Mathcad" ver.5.0., позволяющий осуществлять непосредственный ввод данных, с последующей обработкой и выдачей результатов в наглядном виде.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований, а также данные, полученные в результате моделирования процесса озонной очистки на ЭВМ для поискз оптимальных параметров, и их анализ.

В ходе экспериментальных исследований научен состав сточных вод ряда промышленных предприятий и эффективность озонной очистки, результаты представлены в виде диаграмм (рис.6,7).

Приведенные в таблице данные получены при продолжительности озонирования 10 мин. с начальной концентрацией озона 10 мг/л и с последующей фильтрацией через угольный фильтр. Для получения более высокой степени очистки, необходимо или увеличить время озонирования или повысить начальную концентрацию озона.

Для проверки гипотезы о возможности прогнозирования скорости химических реакций на основе теории активных столкновений, вычислены скорости химических реакций окисления ряда наиболее часто встречающихся загрязнителей и сопоставлены с ¡алеющимися экспериментальными данными. Как видно из га5.1, значения отношения Квыч/Кэксп для большинства реакций близки к единице, что подтверждает применимость простой формулы теории столкновений к процессу озонной очистки воды. Даже реакции с участием ионов тяжелых металлов также укладываются з эту схему.

Данные значения получены для фиксированного значения температуры Т = 29ЭК. В целом необходимо корректировать вычисления по изменению входных значений начальной концентрации загрязнителя и температуры воды.

Реализацию разработанной системы автоматического управления процессом озонной очистки и обеззараживания воды в зависимости от требований строгости соблюдения режимов обработки возможно осуществить на двух уровнях:

Рисунок б Эффективность озонной очистки сточных вод мясокомбината "Оренбургский"

2 3 4 5 В 7 8 9 10 11 12 13 14 Типы мгряанит«л*й

Рисунок 7 Эффективность очистки сточных вод фабрики кожамных и меховых изделий

1-Взвешенные вещества; 2-ХПК; З-СПК; 4-Хлориды {-Сульфаты; в-Нефтепродукты; 7-СПАВ; 8-Жиры; 8-Аммонийный азот; 10-Хром; II-Фтор ионы; 12-Формапьдепи; 13-Красители; 14-Железо.

Таблица 1

Результаты вычисления значения константы скорости реакции для различных типов загрязнителей и сравнение с экспериментальными данными

Тип загрязнителя Реакция окисления о, -10 м Ю Мх, а. е. к, см МО с 10 г —*, ккал ^зксп см Ь'ЕЫЧ

моль моль О ^'зкс

ге' Сг+е Мгг7 СаСНСОз) 2 КЁ(НС0э)2 Фенол Сб'НсиН Формальдегид СНгО Этанол С2Н5С.Н Амины АгИНг Хлориды орга ническ АгС1 Ре"" т 1е ге"- Сг+б 1- Зе -> Сг*3 Мп1"7 + Зе -> МгГ4 Са(НСОз)2->СаС0з+ +Нс>0 Мд (КСиз) 2~ -1 !'4?Сиз+ +НгО С0Н5ОН -> сс^тНои сн2о -> со2 + Н20 СоНсОН -> СОР+Н^О Агыь'г -> СО2+КО2+ +Н90 АгС1-->С02тН2С'тНС1 1.4 1.6 1.5 2.3 2.4 5.4 4.3 5.2 6.1 1 гу Ч . I 71.3 ЙЗ. 4 33.3 151.5 146.3 113.3 29.9 45. 3 55.3 75.3 2.6 2.7 2.6 2.7 2.8 2.3 2.3 2.7 2.3 33.0 29.5 24.4 1.2 1.5 1.8 71.5 54.2 45.3 23.3 -Я 2.1 10" -8 4.1 10 -9 2.5 10 -3 2.3 10 -9 2.3 10 -9 3.5 10 -9 4.2 10 -9 3.7 10 -9 3.2 10 -9 5.2 10 1.3 1.3 0.3 1.2 0.7 0.9 1.1 1.2 0.9 1.3

1. На уровне централизованной системы контроля, регулирования и управления, с использованием в качестве локального регулятора микроЭВМ о лестно заданными режимами обработки. Режимы обработки задаются в процессе настройки, регулирование продолжительности озонирования осуществляется по текущим концентрация).! загрязнителей. Используется при условии, если состав загрязнителей стабилен и не требуется частой корректировки режимов озонирования. В качестве датчика концентрации используется потенцио-метрические преобразователи типа ХПК-тест.

2. На уровне автоматизированной системы управления процессом озонной очистки воды._ с функцией адаптации га всем существующим загрязнителям. При этом в качестве датчика состава и концентрации загрязнителей используется "спектроскан".

5 пятой главе приведен экономический анализ состояния дел в разработке и внедрении современных технологий охраны окружающей среды в общем, а также оценка экономической эффективности предполагаемого внедрения автоматизированной системы озонной очистки сточных вид фабрики валяной обуви.

ЕЫБОДЫ

1. Проблема очистки воды в сеяэи с ростом загрязнений и ужесточением требований к чистой воде, несмотря на большое количество исследований, остается актуальной, т.к. существующие методы не удовлетворяют современным требованиям па универсальности ко всем загрязнителям и качеству очистки.

2. Одним из эффективных и перспективных способов очистки воды является озонирование. Однако, высокая стоимость озона, его высокая агрессивность требует оптимального управления процессом озонирования, обеспечивающее высокую степень очистки с приемлемыми затратами. Определить теоретически достижимую эффективность озонирования возможно с использованием методов синтеза оптимальных регуляторов. Проблема оптимального управления осложнена многокомпонентным и переменным составом загрязнителей воды.

3. Кинетика реакций взаимодействия озона с различными загрязнителями удовлетворительно описывается нелинейным уравнением первого порядка, содержащее в правой части произведение концентраций реагирующих веществ.

4. В результате синтеза системы оптимального управления процессом озонной очистки воды от однокомпонентного загрязнителя получена структура и параметры системы оптимального по быстродействию. Показано, что при ограничении наложенном на концентрацию озона в воде, система вырождается в систему программного управления .

5. Процесс озонной очистки воды от многокомпонентных загрязнителей требует использования адаптивной системы управления, учитывающий многообразие и особенности всех загрязнителей. Традиционные методы адаптации в подобной ситуации неэффективны и управление процессом озонной очистки воды должны базироваться на общих положениях теоретической химии.

6. В работе высказана и подтверждена гипотеза о возможности прогнозирования скорости химических реакций на основе данных о внутреннем строении веществ, что позволяет предложить новую структуру контура адаптации системы автоматического управления процессом озонной очистки воды.

?. Разработанная экспертно-расчетная система обеспечивает процедуру адаптации системы управления процессом озонной очистки

- 21 -

воды от наиболее распространенных загрязнителей.

3. Годовой экономический эффект от предполагаемого внедрения автоматизированной системы озонной очистки воды на фабрике валяной обуви, за счет снижения штрафных санкций составит 3,2 млн.руб.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. A.C. N 1581998 Способ измерения площади поверхности электропроводного изделия. Мангутов С.С. и др. бюл N 23, 1990. (доля 2ЭХ)

2. Мангутов С.С. Оесннач технология очистки сточных вод промышленных предприятий. Информационный листок Оренбургского ЦНТИ N140-93. - Оренбург: ДНТИ, 1993.

3. Мангутов С.С. Автоматизированная система озонной очистки воды. Тез. докл. региональной конференции молодых ученых Урала и Поволжья. - Оренбург:1963. - С.65.

4. Мангутов О.С. Озонная технология очистки сточных вод промышленных предприятий. Тез. дскд. региональной конференции молодых ученых Урала и Поволжья. - Оренбург:1994. - С.251-252.

5. Абдрашитов Р.Т., Мангутов С.С. Озонная технология очистки сточных вод предприятий. Тез. докл. международной конференции "Чистая вода Урача". - Екатеринбург: 1594. - 0.11. (доля 50%)

S. Денисов Е.В., Мангутов С.О. Особенности очистки стоков мясокомбината. Тез. докл. XVI научно-технической конференции преподавателей, сотрудников и студентов. - Оренбург: ОрПтИ, 1994. - С. 6. (доля 50%)