автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Многопараметрическая оптимизация в системах очистки городских сточных вод

\

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

КРИВОШЕЕВ ГЕРМАН ГРИГОРЬЕВИЧ

МНОГОПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ В СИСТЕМАХ ОЧИСТКИ ГОРОДСКИХ СТОЧНЫХ вод

Специальность 05.23.04 - водоснабжение, канализация,

строительные системы охраны водных ресурсов

Научный консультант: М.И.Алексеев, д.т.н., проф., член-корр. РААСН

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ...............................................................................6

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ОПТИМАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ВОДОПОЛЬЗОВАНИЯ И МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЕЕ РЕШЕНИЯ.... 16

1.1. Водопользование городов как объективный фактор антропогенного воздействия на экосистему водных объектов.................16

1.2. Состояние проблемы оптимального проектирования и эксплуатации систем водопотребления и водоотведения....................25

1.3. Предмет диссертации и методологические принципы формулирования и решения задачи оптимального проектирования и эксплуатации систем водопользования городов.....................35

Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И НАУЧНОЕ

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РАСХОДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КАК ВАЖНЕЙШЕГО ФАКТОРА ОПТИМИЗАЦИИ СИСТЕМЫ ВОДОПОЛЬЗОВАНИЯ.......................................................39

2.1. Разработка методологических принципов научного обоснования и прогнозирования расходных характеристик (норм водопользования и расчетных расходов)....................................39

2.2. Анализ абонентных данных и объектов исследований............64

2.3. Натурные исследования фактических норм водопользования и их инженерное обеспечение.......................................................70

2.4. Расчет и построение теоретических обеспеченностей. Опре-

деление научно обоснованных норм водопользования............75

Глава 3. ОПТИМИЗАЦИЯ РАЗМЕЩЕНИЯ СИСТЕМ ВОДОПОЛЬЗОВАНИЯ НАСЕЛЕННЫХ ПУНКТОВ С УЧЕТОМ ОХРАНЫ ВОДОЕМОВ ОТ

ЗАГРЯЗНЕНИЙ.............................................................98

3.1. Многоуровневая задача размещения систем водопользования населенных пунктов...................................................98

3.2. Оптимальное размещение систем водопользования с учетом двух комплексов ограничений по ПДК (ПДС)..................114

3.3. Эколого-экономические модели размещения систем водопользования и алгоритмы их решения..................................120

3.4. Связь зоны загрязнения водотока и концентрации допустимого сброса загрязнения...................................................127.

3.5. Учет ограничений и построение материальных балансов для них по фоновым, естественным и антропогенным концентрациям.....................................................................132

3.6. Сравнительный анализ методов расчета необходимой степени' очистки для одного участка с использованием коэффициентов смешения..............................................................142

3.7. Системный анализ и учет множества выпусков сточных вод как ограничений.....................................................150

Глава 4. ПОСТРОЕНИЕ МОДЕЛЕЙ И ВЫБОР ОПТИМАЛЬНЫХ

ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ОТДЕЛЬНЫХ СООРУЖЕНИЙ......190

4.1. Анализ параметров и схем оптимизации........................190

4.2. Разработка моделей конструкторско-технологического опти-

мизационного проектирования аэрофильтров....................208

4.3. Разработка моделей конструкторско-технологического оптимизационного проектирования биофильтров...........................222

4.4. Разработка моделей конструкторско-технологического оптимизационного проектирования песколовок и отстойников...........225

4.5. Разработка моделей конструкторско-технологического оптимизационного проектирования фильтров глубокой очистки.........229

Глава 5. РАЗРАБОТКА БЛОЧНОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ

ОПТИМИЗАЦИИ............................................................241

5.1. Структурная и технологическая связь сооружний................241

5.2. Блочная оптимизация биофильтров..................................247

5.3. Блочное моделирование аэротенков с учётом энергетических затрат насосных и воздуходувной станций........................265

5.4. Блочное моделирование сооружений биологической очистки с учетом сооружений по обработке осадков.........................281

5.5. Блочная оптимизация фильтров глубокой очистки...............289

Глава 6. РЕКОМЕНДАЦИИ И ОБОСНОВАНИЯ ПО РАЦИОНАЛЬНОМУ НОРМИРОВАНИЮ И ОПТИМАЛЬНОМУ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОМУ ВОДОПОЛЬЗОВАНИЮ..............................311

6.1. Рекомендации по рациональному нормированию водопользования.........................................................311

6.2. Рекомендации по оптимальным решениям в системах коммунального водопользования и методы расчета.....................313

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ......................................................339

ЛИТЕРАТУРА........................................................................343.

ПРИЛОЖЕНИЯ.......................................................................372

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время происходит значительное повышение общественного интереса к проблеме окружающей среды и ее экологического взаимодействия на макро- и микроуровнях.

Одной из важнейших составных частей общей проблемы окружающей среды является взаимодействие человека с водными объектами. Этот процесс проявляется прежде всего в использовании воды в различных сферах жизни и хозяйственной деятельности людей, нарушении естественно воспроизводящегося баланса водных ресурсов и в сбросе больших количеств загрязненных стоков в водоемы, что также приводит к нарушению природного баланса по загрязняющим веществам.

Система водопользования городов и населенных пунктов, включающая в себя комплекс инженерных сооружений по забору воды, очистке и отводу их, тесно связана с окружающей средой, оказывает мощное антропогенное воздействие на водоёмы. Защита водоёмов от загрязнений становится все более актуальной, способствует снижению заболеваемости населения, уменьшению вредных последствий, наносимых сельскому хозяйству, растительности и животному миру.

С другой стороны, рост водопотребления в городах объективно ведёт к увеличению количеств сточных вод, резкому повышению расходов на проектирование, строительство и эксплуатацию систем водопользования. В мире в настоящее время в городах проживает более 1.5 миллиарда человек. По прогнозам, в начале 21 века, когда число жителей земли достигнет 6 миллиардов, в городах будет проживать до половины жителей планеты. В Российской Федерации городские жители составляют более 60 %, а в ряде регионов - более 80 %, из них более 50 % живут в крупных городах.

С развитием городов значительно увеличивается выброс в природу продуктов жизнедеятельности человека, оказывающих огромное воздейст-

вие на окружающую среду.

Основными загрязнителями водоемов являются сточные воды населенных пунктов и промышленных предприятий. Человек, забирая часть воды из естественных водоемов, после использования снова сбрасывает ее в эти водоемы, заметно изменяя ее качество.

Рост загрязнителей в водоемах в первую очередь объясняется прогрессирующим потреблением воды для бытовых, промышленных, ирригационных и др. нужд. Уже к 1980 г. в мире изъятие воды из источников составляло 3945 куб. км, в том числе на цели водоснабжения всех видов 900 куб. км. При этом объем сточных вод составил 700 куб. км. По прогнозам, в 2000 г. забор воды на водоснабжение составит 1290 куб. км при сбросе сточных вод в количестве 850 куб. км [156]. Подобный масштабный рост потребления воды объясняется, прежде всего, стремительным ростом промышленности и городов с централизованным водоснабжением и улучшением санитар-но-технического благоустройства зданий. Эта тенденция сохранится надолго, и потребление воды будет постоянно увеличиваться, причем самый резкий прирост наблюдается в коммунальном водоснабжении (с 1900 г. по 1940 г. -по 0.15 м3 на одного человека в год; с 1980 г. по 1990 г. - 1.5, то есть в 40 раз интенсивнее). Уже в 1988г. подача воды в городах у нас превысила 43 куб. км/год, в том числе системами коммунального водоснабжения 25 куб. км/год. И все же водопроводами была обеспечена только четвертая часть сельского населения, а треть городского снабжалась водой из колонок и не имела канализации. Ряд крупных городов страдает от недостатка воды. При этом на добычу, обработку и транспортирование такого объема воды требуются огромные средства, электроэнергии, различных материалов и ресурсов. В то же время удельные расходы воды системами коммунального водоснабжения в среднем составили 280 л/сут-чел. В крупных же городах, курортных и южных районах нормы могут достигать 700-800 л/сут-чел и выше. Впрочем, уже в 1 веке на одного жителя Рима в сутки подавалось до 1000

л воды. Подобные факты наблюдаются и в настоящее время в районах с засушливым климатом или в курортных зонах в период летних отпусков.

Для снижения темпов роста водопотребления и связанного с этим сброса стоков в водоемы необходимо исследовать причины и закономерности наблюдаемых тенденций водопользования, проводить научно-прогностические оценки и анализ факторов во всем их многообразии. Экономия материальных ресурсов, в том числе и водных, приводит к снижению издержек производства, к более рациональному потреблению сырья, в конечном счете, к снижению стоимости продукта, в данном случае очищаемой воды для тех или иных целей.

Многими исследователями, в том числе и автором, было выявлено, что нерациональное использование водных ресурсов при водоснабжении населенных пунктов и промышленных предприятий прежде всего связано с большими утечками воды, в среднем по всем регионам 21 %, а в некоторых случаях до 40 % прежде всего вследствие использования (в южных районах, кроме того, из-за жаркого климата) питьевой воды для полива прилегающих к зданиям участков земли и боскетов. Поэтому наиболее важным фактором рационального использования водных ресурсов является устранение и сведение утечек до минимально возможного уровня. Сделать это, однако, чрезвычайно трудно, если вообще возможно. Вместе с тем значительной экономии ресурсов и финансовых средств можно добиваться и с помощью научного обоснования и прогнозирования норм водопользования с одновременной оптимизацией проектирования и эксплуатации сооружений водоснабжения и водоотведения. В некоторых случаях при использовании этих методов, не снижая необходимый рациональный уровень водообеспечения, приведенные затраты могут снижаться на несколько десятков процентов, чему и посвящена данная работа. Совместное же воздействие на объект исследования через ряд сопутствующих факторов приведет к чрезвычайно высоким показателям снижения себестоимости сооружений и капитальных вложений в них.

Возникает актуальная проблема определения путей снижения темпов роста и объёмов затрат на их развитие, поиска путей экономии средств, их эффективного вложения. Одним из наиболее эффективных методов решения этой важной народнохозяйственной задачи является оптимальные проектирование, строительство и эксплуатация сооружений, обеспечивающих водопользование населённых пунктов. Эффективность оптимальных технологий, размещения этих систем во многих случаях достигает десятков процентов от общих приведённых, может широко применяться для различных регионов и водных протоков. По исследованиям автора, экономическая эффективность оптимального проектирования водоочистных сооружений, превышающая в среднем для схем с аэротенками 15-20 % и для схем с биофильтрами 50 и более процентов от величины приведенных затрат в сравнении с традиционными принципами расчёта, подтверждает значимость получаемых результатов и может широко использоваться в практике проектирования, строительства и эксплуатации. Методология и рационирование норм водопользования и эколого-экономического моделирования технологий очистки воды могут использоваться не только для городских систем, но и для промышленных объектов и дождевых стоков.

В связи с теоретической и практической значимостью указанной проблемы в диссертации дается ее общий анализ, методологические принципы решения, теоретические обобщения и практические рекомендации по результатам исследования.

Основными характеристиками работы являются:

Актуальность проблемы. Система водопользования городов и населенных пунктов, включающая в себя комплекс инженерных сооружений по забору воды, очистке и отводу их, тесно связана с окружающей средой, оказывает мощное антропогенное воздействие на водоемы. Защита водоемов от загрязнений становится все более актуальной, способствует снижению заболеваемости населения, уменьшению вредных последствий, наносимых расти-

тельному и животному миру.

Наблюдаемый рост водопотребления в городах объективно ведёт к увеличению количеств сточных вод, резкому повышению расходов на проектирование, строительство и эксплуатацию систем водопользования. В мире в настоящее время в городах проживает более 1.5 миллиарда человек. По прогнозам, к тому времени, когда число жителей земли достигнет 6 миллиардов, в городах будет проживать до половины жителей планеты. В Российской Федерации городские жители составляют более 60 %, а в ряде регионов - более 80 %, из них более 50 % живут в крупных городах [156].

С развитием городов значительно увеличивается выброс в природу продуктов жизнедеятельности человека, оказывающих огромное воздействие на окружающую среду, прежде всего на водоемы, воздух, землю. Промышленность городов загрязняет атмосферу и воду тысячами тонн вредных веществ, пагубно воздействующих на растительность, животный мир и самого человека.

Основными загрязнителями водоемов являются сточные воды населенных пунктов и промышленных предприятий. Человек, забирая часть воды из естественных водоемов, после использования снова сбрасывает ее в эти водоемы, заметно изменяя ее качество.

Для снижения темпов роста водопотребления и связанного с этим сброса стоков в водоемы необходимо исследовать причины и закономерности наблюдаемых тенденций водопользования, проводить научно-прогностические оценки и анализ факторов во всем их многообразии. Экономия материальных ресурсов, в том числе и водных, приводит к снижению издержек производства, к более рациональному потреблению сырья, в конечном счете, к снижению стоимости продукта, в данном случае очищаемой воды для тех или иных целей.

Многими исследователями, в том числе и автором, было выявлено, что нерациональное использование водных ресурсов при водоснабжении насе-

ленных пунктов и промышленных предприятий, прежде всего, связано с большими утечками воды, в среднем по всем регионам 21 %, а в некоторых случаях до 40 %. В районах с засушливым и жарким климатом повышенные расходы водопользования связаны также поливом прилегающих к зданиям участков земли и боскетов, использованием гелиодушей и разбрызгивателей для создания микроклимата. Поэтому одним из наиболее важных принципов рационального использования водных ресурсов является устранение указанных факторов или снижение их до минимума. Вместе с тем экономии ресурсов и финансовых средств можно добиваться и с помощью научного обоснования и прогнозирования норм водопользования с одновременной оптимизацией проектирования и эксплуатации сооружений водоснабжения и во-доотведения.

При этом зачастую необходимо решать задачи с учетом векторно-противоположных факторов и параметров, к тому же обычно недостаточно четко систематизированных и сформулированных. Например, увеличение норм водопользования объективно ведет к лучшему санитарному состоянию городов повышает надежность водообеспечения, но одновременно возрастают приведенные затраты. С другой стороны, для многих элементов системы нет четких соотношений в нормировании допустимых отказов в работе и связи этих величин с расчетными обеспеченностями расходных и других характеристик, либо связи отказов по нормированному числу однотипных сооружений с отказами по предельным значениям скоростей или других технологических параметров в этих же сооружениях. Систематизация и использование этих разнородных показателей многофакторного оптимизационного анализа должна приводить к существенному снижению приведенных затрат и повышению эффективности работы сооружений. В некоторых случаях при использовании этих методов приведенные затраты могут снижаться на несколько десятков процентов, чему и посвящена данная работа. Совместное же воздействие на объект исследования через ряд факторов приведет к чрез-

вычайно высоким показателям снижения себестоимости сооружений и капитальных вложений в них.

Цель работы. Разработать и осуществить методологические обобщения рационального водопользования крупных водопотребителей (городов и населённых пунктов) и методы оптимального проектирования систем водопользования с учетом охраны водоёмов от загрязнений. Реализация этой цепи осуществляется комплексно путём: установления научно обоснованных рациональных норм водопотребления и водоотведения на основе осуществления многолетних циклов исследований водопользования в городах; повышения экономической эффективности водо-канализацион�