автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Оптимальное управление технологическим циклом на городских очистных сооружениях канализации

На правах рукописи

ГВОЗДЕВ ВЛАДИМИР АЛЕКСЕЕВИЧ

ОПТИМАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ЦИКЛОМ НА ГОРОДСКИХ ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЯХ КАНАЛИЗАЦИИ

05.23.04 - Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск 2004

Работа выполнена на кафедре водоснабжения и водоотведе-ния Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета (Сибстрина)

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Амбросова Галина Тарасовна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Краснова Тамара Андреевна

Ведущая организация: МУП "Горводоканал" г. Новосибирска

Защита состоится 30 июня 2004 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.171.03 в Новосибирском государственном архитектурно-строительном университете (Сибст-рине) по адресу: г. Новосибирск, ул. Ленинградская 113, ауд. 239.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета (Сибстрина).

Автореферат разослан "....."...............2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

кандидат технических наук, доцент Клеандров Виктор Павлович

Дзюбенко Л.Ф.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время на многих российских городских очистных сооружениях канализации (ГОСК) существующая технологическая схема не позволяет очищать сточную жидкость до качества, удовлетворяющего установленным нормам. Такая ситуация сложилась, во-первых, по причине амортизации сооружений и оборудования, поскольку, как правило, ремонт и модернизация финансируются в недостаточном объеме, во-вторых, ужесточились требования к качеству очистки стоков со стороны природоохранных служб. Можно отметить, что с подобными обстоятельствами в большей или меньшей степени сталкиваются и другие страны. Выход из этого положения очевиден: нужно вкладывать значительные средства в реконструкцию, интенсификацию, модернизацию ГОСК. Однако, к примеру, в Российской Федерации в настоящее время вследствие сложной экономической ситуации такое решение проблемы видится в неопределенной перспективе.

Одновременно, как это справедливо отмечается рядом исследователей, требует совершенствования и действующая на территории РФ система экономического стимулирования природоохранной деятельности. С одной стороны, ГОСК должны платить штрафы за загрязнение водоема даже тогда, когда сбрасывают в него безопасные стоки, очищенные так эффективно, как это требуется. А с другой стороны, вместо того, чтобы качественно очистить стоки, оказывается экономически более выгодным заплатить штрафы, загрязнить водоем и сэкономить на качестве очистки. Тарифные ставки для загрязняющих веществ, по которым рассчитываются размеры платежей за сброс в водоемы очищенной сточной жидкости, в настоящее время нуждаются в корректировке.

Представляется актуальной задача разработки, во-первых, системы мероприятий для интенсификации работы очистных сооружений канализации в стесненных финансо-

рос Г *,' Ь (! АЯ ^ • на!

С V ,'ОРГ

МО^РК __

вых условиях, во-вторых, системы экономического стимулирования эффективной очистки сточных вод.

Цель и задачи работы. Цель диссертационной работы - решение задачи оптимального управления технологическим циклом очистки сточных вод и обработки осадков на ГОСК. Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:

разработать имитационную модель ГОСК; установить режимы распределения потоков жидкости и воздуха в группах параллельно включенных сооружений для наиболее эффективного использования производственной мощности ГОСК;

разработать методику решения задачи оптимального управления технологическим циклом на ГОСК в условиях как достижимости, так и недостижимости нормативных требований к качеству очищенной жидкости;

определить приоритетные направления при планировании ремонтных мероприятий и реконструкции ГОСК;

разработать методику расчета размеров платежей за сброс в водоемы загрязняющих веществ с очищенной сточной жидкостью, основанную на принципах рыночного регулирования природоохранной деятельности.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработана методика построения математических моделей оптимального распределения потоков жидкости и воздуха в группах параллельно включенных сооружений на ГОСК, учитывающая их конструктивные различия, и обоснованы математические модели оптимального распределения потоков сточных вод в группах параллельно включенных первичных отстойников, аэротенков и вторичных отстойников и потоков воздуха в группе параллельно включенных аэротенков.

2. Введен показатель общей экологической опасности очищенной жидкости в качестве критерия для оценки эффективности функционирования ГОСК в условиях недостижи-

мости нормативных требований к степени очистки стоков, с использованием которого

а) разработана методика решения задачи оптимального управления технологическим циклом на ГОСК;

б) разработана методика определения приоритетных направлений при ремонте и реконструкции ГОСК.

3. Разработана методика экономического стимулирования эффективной очистки сточных вод на ГОСК.

Достоверность полученных результатов подтверждается тем, что при создании оптимизационной математической модели ГОСК использованы элементы известных математических моделей процессов очистки сточных вод и обработки осадков, прошедшие апробацию многолетним опытом проектирования, наладки и эксплуатации станций очистки сточных вод, а также удовлетворительной сходимостью результатов моделирования и эксплуатационных данных в процессе производственных испытаний разработанной модели на ГОСК Новосибирска, Кемерово, Барнаула, Новокузнецка, Искитима и Абакана.

Практическая ценность работы. Результаты проведенных исследований могут быть использованы на всех действующих ГОСК РФ и стран СНГ и внедрены в практику управления ГОСК в городах Новосибирск, Кемерово и Барнаул.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано девять работ, из них три три - в журналах с внешним рецензированием ("Известия вузов. Строительство" (2), "Водоснабжение и санитарная техника"), три статьи в сборниках материалов международных научно-практических конференций, трое тезисов в сборниках докладов межвузовских научно-технических конференций.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы были представлены на восьми научно-технических конференциях НГАСУ (г. Новосибирск, 1996 - 2003 г.), на международных научно-практических конференциях (г. Кемерово, 1999 г., г. Пенза, 1999 г., г. Новосибирск, 2000

г.). На конкурсе "Золотая медаль Сибирской Ярмарки" разработанная в рамках исследования компьютерная модель ГОСК была награждена дипломом (г. Новосибирск, 1997 г).

Структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка литературы, приложений и изложена на 177 страницах машинописного текста, содержит 25 рисунков, 17 таблиц, библиографический список литературы из 133 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность задач оптимизации режимов управления ГОСК и системы экономического стимулирования эффективной очистки сточных вод на ГОСК, и даются общие сведения о выполненной научно-исследовательской работе.

В первой главе (Способы управления технологическими процессами на ГОСК) выполнен анализ существующих способов управления технологическими процессами на ГОСК.

Объектом настоящего исследования являются ГОСК, имеющие типовую технологическую схему, реализованную на многих крупных станциях очистки сточных вод (рис. 1).

М. И. Алексеев, В. Д. Дмитриев, Н. С. Жмур, Е. М. Китель, М. А. Эль, Ю. Ф. Эль и др. указывают на необходимость равномерного распределения сточных вод в группах параллельно включенных первичных отстойников, аэро-тенков и вторичных отстойников, воздуха и циркулирующего ила между параллельно включенными аэротенками. Очевидно, что если все сооружения в группе абсолютно подобны, то на каждое из них должны поступать одинаковые расходы. Однако в производственных условиях часто одноименные сооружения имеют конструктивные различия. Даже если все параллельно включенные отстойники выполнены по одному типовому проекту, они могут иметь различные коэффициенты использования объема вследствие неодинаковой степени амортизации. М. С. Таршиш и И.

Рисунок 1. Принципиальная схема типовых ГОСК.

I - решетки, 2 - песколовки, 3 - первичные отстойники. 4 - аэротенки, 5 - вторичные отстойники, 6 - контактные резервуары, 7 -илоуплотнители, 8 - метантенки, 9 - центрифуги, 10 - иловые площадки,

II - песковые площадки, 12 - газгольдеры; 13 - котельная; ОП - осадок из песколовок, СО - сырой осадок, АИ - активный ил, ЦАИ -циркулирующий АИ, ИАИ - избыточный АИ, УИАИ - уплотненный ИАИ, ИВ - иловая вода, Сбр.О - сброженный осадок, 00 -обезвоженный осадок, Ф - фугагг, ДВ - дренажная вода, Г - газ, П - пар

В. Скирдов отмечают, что на действующих ГОСК отклонение расходов от оптимальной величины обычно достигает для сточной жидкости ± 30 %, воздуха - ± 20 %, циркулирующего ила - ± 10 %. Вопрос об оптимизации режимов распределения потоков в группах параллельно включенных сооружений, имеющих различия в конструктивных характеристиках, требует специального исследования.

Общепринято, что доза активного ила и расход воздуха в аэротенках, с одной стороны, должны быть достаточно велики для того, чтобы обеспечивалась требуемая эффективность их работы, и, с другой стороны, доза ила не должна превышать некоторого критического значения, после которого начинается сверхнормативный вынос взвешенных веществ из вторичных отстойников. Однако на практике одновременное соблюдение данных условий часто невыполнимо. Причинами этого могут быть:

повышение, по сравнению с проектной величиной, притока на ГОСК сточных вод, их загрязненности, илового индекса;

снижение эффекта осаждения ила во вторичных отстойниках вследствие нарушения равномерности сбора

очищенной сточной жидкости, вызванного коррозионным разрушением несвоевременно ремонтируемых переливных кромок водосборных лотков, направляющих цилиндров и т.

д.;

амортизация аэрационных систем - разрушение аэраторов, их засорение и закупорка, появление неплотностей в соединениях элементов системы, в результате чего проектный расход воздуха оказывается недостаточным для достижения нормативной степени очистки стоков;

отключение части аэротенков и вторичных отстойников для ремонта и т. д.

Исследователи, занимающиеся решением задач оптимизации неудовлетворительно функционирующих ГОСК, в предлагаемые оптимизационные мероприятия включают элементы реконструкции, которые приводят к повышению эффективности очистки стоков до нормативных показателей. Однако реконструкция требует порой значительных материальных затрат и не всегда доступна из-за стесненных финансовых возможностей ГОСК. В результате многие годы ГОСК не проводят ни модернизацию, ни оптимизацию режима управления и функционируют хуже, чем могли бы, если бы использовали весь свой потенциал. Проблема поиска наилучших решений в процессе управления системой биологической очистки сточных вод, нахождения оптимальных величин дозы ила и расхода воздуха в аэротенках для условий эксплуатации, не позволяющих обеспечить нормативные требования к качеству очищенной жидкости, представляется заслуживающей внимания.

Амортизация в процессе эксплуатации сооружений и оборудования создает необходимость их планово-предупредительного ремонта, периодичность проведения и характер которого для каждого вида сооружений и оборудования регламентируется правилами эксплуатации ГОСК и специальными положениями о проведении планово-предупредительного ремонта водопроводно-канализацион-ных сооружений. В них, однако, не указывается, какова

должна быть очередность выполнения ремонтных работ в тех случаях, когда требуют ремонта одновременно несколько единиц сооружений и оборудования. Исследование данного вопроса может показать, имеет ли значение последовательность, в которой ремонтируются узлы ГОСК, и, если имеет, то каким образом она может быть оптимизирована.

Роль государства в управлении ГОСК заключается в экономическом стимулировании природоохранной деятельности посредством системы платежей, взимаемых за сброс в водоемы очищенных сточных вод. В настоящее время в РФ ГОСК должны производить выплаты за сброс в водоем очищенных стоков даже в том случае, если содержание в них загрязняющих веществ не превышает ПДС, то есть стоки безопасны для водоема. Вместе с тем, исследователи С. Н. Бобылев, А. Ш. Ходжаев, А. А. Голуб, Е. Б. Струкова и др. обращают внимание на то, что действующие величины тарифных ставок для загрязняющих веществ, по которым рассчитываются размеры выплат, занижены и нуждаются в уточнении, так как экономически выгоднее загрязнять водоемы неэффективно очищенными стоками, платить за это штрафы и экономить на качестве очистки. Можно сделать вывод о том, что действующая система экономического стимулирования эффективной очистки сточной жидкости на ГОСК РФ требует совершенствования.

Во второй главе (Методики решения задач оптимального управления процессами очистки сточных вод и обработки осадков на ГОСК) изложены методика решения задачи оптимального управления распределением потоков сточных вод и воздуха в группах параллельно включенных сооружений, а также методика решения комплексной задачи оптимального управления технологическим циклом на ГОСК.

Как справедливо отмечают исследователи А. А. Руль-нов, А. П. Зоткин и др., при распределении расходов сточной жидкости между N параллельно включенными сооружениями наибольшая эффективность ее очистки достигает-

7

ся в том случае, если концентрации загрязнений К, г/м3, в очищенных потоках после каждого сооружения одинаковы. В диссертации на базе этого положения разработана следующая методика решения задачи оптимального распределения потоков в группах одноименных сооружений на ГОСК.

Дня поиска оптимальных значений расходов сточных вод д, поступающих на каждое из параллельно включенных сооружений, концентрации К должны быть представлены в виде функций от остальных параметров процесса очистки следующим образом:

Чх Яг Чы

где 2 - вектор параметров процесса очистки сточных вод, из которого исключены составляющие К и q.

Далее составляются равенства, описывающие оптимальный режим распределения стоков:

КХ=К2=...= КЫ (2)

или

N N

]А2) _ Л(*) _ _ JN\Z> _ 7ГГ__ ~_ (3)

— — • • • — ,

Ях Яг ЯN О.

где () - расход сточных вод, поступающий на группу параллельно включенных сооружений в целом.

(при составлении равенства использовано свойство равных дробей: — - Е^Л ).

ь а ъ+а

Преобразование полученного равенства позволяет определить оптимальную величину расхода сточных вод для любого /'-го сооружения группы параллельно включенных сооружений

я, =/,(4

(4)

Аналогичным образом могут быть определены оптимальные значения расходов воздуха поступающих на каждый из N параллельно включенных аэротенков:

Ча,г\

Ча,г2

1

/„(*')> (5)

где г - вектор параметров процесса очистки сточных вод, из которого исключены составляющие К и дшг;

N N

£(?) _ /2(П _ _ГЛ^')3/Лг) \ (6)

Яа„У

Я а,г ,

^ ^ Я. тг г

а

<=1

где 6<» - расход потока воздуха, поступающего на группу параллельно включенных аэротенков в целом;

!Г N .Л

(7)

Методика решения комплексной задачи оптимального управления технологическим циклом на ГОСК, реализованная в диссертации, основана на математической теории оптимального управления. В работе рассмотрены два характерных случая оптимизации.

В первом случае целью управления является обеспечение нормативного эффекта очистки сточных вод, и в качестве критерия оптимальности приняты эксплуатационные затраты ГОСК 3, рублей в сутки (руб/сут)

3=3за + 3ф, + 3яг + в, (8)

9

где 311, Зф, и 3„г - затраты на оплату, соответственно, электроэнергии, потребляемой электрооборудованием; флокулянта, расходуемого в процессе центрифугирования осадка; топлива, сжигаемого для подогрева осадка в метантенках; В - выплаты за сброс загрязняющих веществ с очищенной сточной жидкостью в водоем (при расчете величины В и показателя общей экологической опасности очищенных стоков А0()Щ для оценки результатов управления в диссертации используются только такие показатели загрязненности очищенных стоков, как концентрация взвешенных веществ С„, БГ1Кполн концентрации ионов эдн*

и N0^ поскольку величины остальных ингредиентов загрязне-

ния постоянны при любом режиме управления и не могут оказать влияния на результаты поиска оптимальных решений). Решением оптимизационной задачи является такой режим управления из возможных режимов, позволяющих достичь нормативной степени очистки стоков, которому соответствует минимум показателя 3.

Во втором случае нормативная эффективность очистки стоков недостижима при любом режиме управления ГОСК. Для таких условий эксплуатации в диссертации в качестве критерия огггимизации применен показатель Аойщ

где N 'ишр- количество ингредиентов загрязнения, содержание которых в очищенной сточной жидкости превышает ПДС; К - концентрация (превышающая ПДС) ингредиента загрязнения в очищенной сточной жидкости, г/м3; А — коэффициент относительной опасности для окружающей среды ингредиента загрязнения (Ау = 1 / ПДСУ). Заметим, что в настоящее время показатель А) используется для дифференциации платежей за сбросы загрязняющих веществ в окружающую среду. - Инструктивно-методические указания по взиманию платы за загрязнение окружающей среды (Утверждены: Министерство охраны окружающей среды и природных ресурсов РФ, письмо № 01-15/65-265 от 26. 01.1993, с изменениями на 16. 03.2000).

Решением оптимизационной задачи является такой режим управления ГОСК, при котором показатель Аобщ имеет минимальное значение.

В указанных выше случаях для решения задачи оптимального управления ГОСК (поиска векторов управляющих параметров, которым соответствуют минимумы 3 либо

(9)

Аобщ) в диссертации использованы современные методы вычислительной математики.

Решение комплексной задачи оптимального управления позволяет определить, какова должна быть очередность выполнения ремонтных работ (или реконструкции) на ГОСК в том случае, когда планируется ремонт (реконструкция) нескольких единиц сооружений и оборудования. Для каждого из намечаемых мероприятий должен быть определен показатель А3 (если оптимальный режим управления ГОСК на момент начала производства соответствующих работ способен обеспечить нормативную степень очистки сточных вод) либо АА0бщ (если нормативная степень очистки стоков недостижима при любом режиме управления):

А3=(3)0-(3)р; (10)

ААобщ ~ (Аобщ) о ~ (Аобщ) Р1 (11)

где (3) 0 и (Л«би|) о - оптимальные значения показателей 3 и А^щ до ремонта (реконструкции); (3)р и - прогнозируемые оптимальные значения показателей 3 и которые они примут после проведения намечаемого мероприятия.

Таким образом, если намечается некоторое количество N мероприятий по ремонту (или реконструкции) ГОСК, то могут быть определены значения А3\, АЗг, ...АЗн либо АА0бщ], ААобЩ2, ... ААо(щ ы, расстановка которых в порядке убывания соответствует оптимальному графику выполнения комплекса планируемых мероприятий.

Разработанная в диссертации методика, по которой могли бы рассчитываться выплаты ГОСК за сброс в водоемы остаточных загрязнений с очищенной сточной жидкостью, базируется на следующих положениях: 1. Поскольку в пределах ПДС загрязняющие вещества безопасны для окружающей среды, что обусловлено методикой расчета размеров ПДС на стадии проектирования ГОСК, выплаты должны взиматься только в том случае, если концентрации загрязнений превышают ПДС. До настоящего времени ГОСК в РФ производят выплаты при

сбросе очищенных стоков с нормативным уровнем загрязненности.

2. Размеры тарифов для всех загрязняющих веществ должны определяться контролирующей природоохранной службой методом подбора для каждых конкретных ГОСК, с учетом стоимости очистки на объекте. Практически каждые ГОСК имеют индивидуальные особенности технологической схемы, условий эксплуатации, в различных регионах -различная стоимость электроэнергии и т. д. Если установленные на одних ГОСК размеры тарифных ставок являются достаточным экономическим стимулом для эффективной очистки стоков, то при использовании их на другом объекте самым экономичным может оказаться экологически опасный режим, характеризующийся сверхнормативным сбросом в водоем загрязняющих веществ (распространенное явление в отечественной практике). В настоящее время на территории РФ расчет показателя В производится по формуле

В =

> Q Т

X+ 25 • (К, " ПДС,)]■ Г,} +

106

(12)

где NUKp - общее количество в очищенных стоках ингредиентов загрязнения, облагаемых выплатами; Т - тарифная ставка для компонента загрязнения, руб/т, действующая на территории РФ (на территориях Новосибирской, Кемеровской, Омской областей, Алтайского края и т. д. установлены следующие размеры тарифных ставок, руб/т: для взвешенных веществ Тс = 2,95, для БПКпоян 7) = 0,73, для ионов NH* = 5,545,

для ионов NOJ Тт3 - 0,245); / - коэффициент, учитывающий инфляцию, /= 39,9; Qcym - расход сточных вод, м3/сут. Предлагается расчет показателя В производить по формуле

i=i

где Т' - тарифная ставка для компонента загрязнения, руб/т, подобранная таким образом, чтобы оптимальный режим управления ГОСК был одновременно наиболее экономичным.

3. Экономически благоприятные условия для модернизации ГОСК могут быть созданы посредством гибкого подхода к назначению выплат. Если технологическая схема ГОСК не позволяет обеспечивать нормативную степень очистки стоков, то им может предоставляться определенное время для проведения реконструкции, на протяжении которого административным решением возможно их полное освобождение от выплат при условии работы в оптимальном режиме, наиболее безопасном для водоема, характеризующемся минимальным значением показателя Аобщ.

Реализация данной методики назначения выплат позволяет удешевить оптимальные режимы управления технологическим циклом на ГОСК и сделать экономически невыгодными любые экологически опасные режимы управления, отличные от оптимального.

В третьей главе (Оптимизационная модель технологического цикла на ГОСК) разрабатывается оптимизационная математическая модель технологического цикла очистки сточных вод и обработки осадков на ГОСК (рис. 1), который рассматривается в виде управляемой системы.

Описание взаимосвязи между параметрами этой системы в работе осуществлено при помощи математических моделей технологических процессов очистки сточных вод и обработки осадков, широко используемых при проектных, поверочных и прочих расчетах ГОСК уже на протяжении нескольких десятилетий, зарекомендовавших себя высокой степенью адекватности моделируемым объектам. На их основе созданы государственные нормативные документы, справочники и учебные пособия. Базу разработанной модели составляют математические зависимости, приведенные в СНиП 2.04.03-85.Канализация. Наружные сети и сооружения. - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1986. - 72 с. (в дальнейшем - СНиП). В рамках диссертационной работы исследование модели производилось с 1996 по 2003 год на ГОСК Новосибирска, Кемерово, Барнаула, Новокузнецка и др., и расхождение расчетных и фактических данных находилось

в пределах двадцати процентов. В ходе исследования моделировались многообразные производственные ситуации, возникавшие в процессе эксплуатации этих объектов: работа ГОСК в условиях нормальной, повышенной и пониженной гидравлической нагрузки и загрязненности сточных вод; отключение на ремонт отдельных сооружений и оборудования, снижение температуры обрабатываемых стоков и осадков в холодный и повышение - в жаркий периоды года и т. д. На протяжении исследования изменялись значения технологических параметров ГОСК: дозы ила и расхода воздуха в аэротенках, степени рециркуляции ила, коэффициентов использования объема сооружений, количества и влажности образующихся осадков и т. д.

В диссертации приведен ряд случайным образом выбранных дат и результаты лабораторно-производственного контроля ГОСК г. Новосибирска, который проводился в эти дни, а также результаты моделирования технологического цикла очистки сточных вод и обработки осадков для данных условий эксплуатации. Наибольшее различие расчетной и фактической эффективности очистки стоков составило: по содержанию взвешенных веществ - 3,4 %, по БПКполн - 4,9 %, по содержанию аммонийного азота - 5,2 %.

На основе математических моделей процессов очистки сточных вод в первичных отстойниках, аэротенках и вторичных отстойниках, приведенных в СНиП, и в соответствии с методикой, разработанной во второй главе диссертации, могут быть получены математические зависимости для описания оптимальных режимов распределения потоков в группах одноименных параллельно включенных сооружений.

При оптимальном распределении стоков между N параллельно включенными первичными отстойниками концентрации взвешенных веществ в осветленной жидкости Сло, г/м3, после каждого отстойника равны между собой:

(СЙО), = (Сйо)2 = ...=(С„0)№ (14)

Тогда оптимальные величины расходов стоков , м3/ч, поступающих на каждый из отстойников, при которых будет выполняться данное равенство, могут быть определены по формуле

а,+2,8-¿[(^д .((цег)? -оа2)«] х, ■ -<%„)

fVUt ■(»*,), jpj -Ю?) fX, • ду « ^Л-ШЛ/^ I

-2,8-^,(15)

где - глубина проточной части в отстойнике, м; Кх, - коэффициент использования объема проточной части отстойника; Dsel - диаметр отстойника, м; de„ - диаметр впускного устройства, м; v,b - турбулентная составляющая потока сточной жидкости в отстойнике, мм/с; п2 - показатель степени, отражающий агломерацию взвеси в процессе осаждения; Qse, - общий расход стоков, поступающий на группу параллельно включенных отстойников, м3/ч.

При оптимальном распределении стоков и воздуха между N параллельно включенными аэротенками с регенераторами величины показателя БПКП0Лн очищенной жидкости Lam, г/м3, после каждого аэротенка равны между собой:

(Lam)^(Lam)2 = ...=(Lam)N. (16)

Тогда оптимальные величины расходов стоков qam и воздуха qmr, м3/ч, поступающих на каждый из аэротенков, при которых будет выполняться данное равенство, могут быть определены по следующим формулам:

Чат N N

(17)

^■IW+o+^IW

Я am

i=l

/=1

Яшг

1 +

20,6

(Чат ) j

20,6 15

• СТ С0]

1+

• Ст СQ ]

(18)

где бот и (2шг ~ расходы, соответственно, сточных вод и воздуха, поступающие на группу параллельно включенных аэротенков, м3/ч; Я, - степень рециркуляции активного ила; и IV, - вместимость, соответственно, аэротенка и регенератора, м3; К/ 2 - коэффициент использования кислорода воздуха К, 2 = К, ■ К2, где К,иК2 - коэффициенты, зависящие от характеристик системы аэрации; С0 - концентрация растворенного кислорода, г/м3; Иа - глубина погружения аэратора, м; СУ -растворимость кислорода воздуха в воде, г/м , в зависимости от температуры и атмосферного давления.

При оптимальном распределении стоков между N параллельно включенными вторичными отстойниками концентрации взвешенных веществ в осветленной жидкости Сех, г/м3, после каждого отстойника равны между собой:

(С«), = (С„)2=... = (С„)ЛГ. (19)

Тогда оптимальные величины расходов стоков м3/ч, поступающих на каждый из отстойников, при которых будет выполняться данное равенство, могут быть определены по формуле

Чз5а & ч

К... • н

Ш

(20)

<=1

где б,« - расход сточных вод, поступающий на группу параллельно включенных отстойников, м3/ч.

В ходе решения комплексной задачи оптимального управления технологическим циклом на ГОСК методом полного перебора определяются оптимальные значения трех независимых управляющих параметров: дозы ила а„ кг/м3, и расхода воздуха цшг, м3/ч, в аэротенках, а также степени рециркуляции ила /?,. Область и шаг изменения параметров составляют: 0,7 < а, < 5, Аа, = 0,05; (дШг)тт ^ Цшг ^ {ЯаЛш, ЬЧшг = 2000; 0,3 <Я,< (Я,)тах, М, = 0,01,

где (дшг)тт - минимальная подача воздуха в аэротенки, величина которой обусловлена минимально допустимой интенсивностью аэрации и зависит от площади зеркала воды в аэротенках и характеристик аэраторов; (йтг)тах ~ максимальная подача воздуха, которую может обеспечить производительность воздуходувного хозяйства ГОСК; (Я,)тах - максимальная степень рециркуляции, которую могут обеспечить насосы циркулирующего ила ГОСК.

Значения остальных управляющих параметров ГОСК либо определяются как функции указанных трех параметров (количество включенных воздуходувок, насосов циркулирующего ила и т. д.), либо обусловлены технологическими нуждами ГОСК (продолжительность и режим удаления осадка из первичных отстойников, работы центрифуг и т. Д.).

В четвертой главе (Результаты решения задач оптимального управления процессами очистки сточных вод и обработки осадков на ГОСК) приведены результаты решения задач оптимального управления технологическими процессами на ГОСК. Исходные данные оптимизационных задач, решаемых в данном разделе (количественный состав сооружений, их размеры и производнггельность, характеристики оборудования, сточных вод и т. д.), отражают условия функционирования станций очистки сточных вод крупных городов и приняты с учетом опыта эксплуатации ГОСК Новосибирска, Кемерово, Барнаула, Омска и Новокузнецка. Для каждой задачи исходные данные подобраны таким образом, чтобы полученные результаты были наиболее наглядны.

В ходе решения задач оптимального распределения потоков между параллельно включенными сооружениями рассмотрены группы типовых сооружений: первичные и вторичные радиальные отстойники диаметром 40 м, каждая группа в количестве шестнадцати отстойников с различными коэффициентами использования объема (у первичных отстойников (К5е,)П = 0,25 н- 0,45, у вторичных -(Кхе,)в = 0,25 -г- 0,4); группа из двенадцати аэротенков (с регенераторами) с различными объемами (1Уа1 + 1¥г= 16700 н-21300 м3) и характеристиками систем аэрации (Км - 2,025 ч- 4,05). Характеристики сточных вод, поступающих на каждую группу: расход - 26000 -г 41000 м3/ч, температура -14 -г 25 °С, содержание взвешенных веществ и БПКПОлн -130 * 250 г/м\ содержание ионов ш; -13 н- 24 г/м3, рН 7,7; доза ила в аэротенках - 0,9 ч- 2 кг/м3, иловый индекс - 140

см3/г, зольность ила - 0,33 -н- 0,34. При поступлении сточной жидкости на отдельные сооружения внутри групп отклонение величин ее расходов от оптимальных значений составляет ± 30 %. У аэротенков для циркулирующего ила такое отклонение находится в пределах ±10 %, а для воздуха - ± 20 %.

Для приведенных исходных данных в результате математического моделирования определена эффективность очистки сточных вод в указанных условиях, а также в условиях, когда на каждое сооружение поступает оптимальный расход стоков (для аэротенков также и воздуха, и циркулирующего ила), рассчитанный по формулам (15), (17), (18), (20). Наиболее показательные результаты оптимизации режима распределения потоков по параллельно включенным: первичным отстойникам - снижение в осветленной жидкости концентрации взвешенных веществ со 117 до 110 г/м3, БПКпол„ со 151 до 147 г/м ;

аэротенкам - уменьшение БПКполн очищенных стоков с 18,1 до 9,5 г/м3, концентрации в них ионов N1-^ с 8,6 до

7,6 г/м3, выплат за сброс загрязнений на 2900 руб/сут;

вторичным отстойникам - снижение в очищенной жидкости концентрации взвешенных веществ с 16 до 10,1 г/м3, БПКп0ЛН с 16,7 до 12,8 г/м3, выплат за сброс загрязнений на 3300 руб/сут (во всех случаях размеры выплат рассчитаны для производительности ГОСК 500000 м3 стоков в сутки).

Комплексная задача оптимального управления решена для ГОСК производительностью @сут = 610000 м3 сточных вод в сутки. Коэффициенты первичных и вторичных отстойников равны 0,3; коэффициенты использования кислорода воздуха в аэротенках равны 3,5; ПДС в очищенных стоках взвешенных веществ 10 г/м3, БПКполн - 15 г/м3, ионов N1-^ и N0^' соответственно, - 8 и 9 г/м3.

Рассмотрены два характерных случая. В первом случае {случай "А") иловый индекс равен 105 см3/г, и при оптимальном режиме обеспечивается нормативная степень очи-18

стки сточных вод с наименьшими эксплуатационными затратами: 3 = 162200 руб/сут, выплаты составляют В = 2100 руб/сут, расход воздуха в аэротенках Qatr = 166000 м3/ч, показатель общей экологической опасности очищенных стоков: Аопщ = 0. Во втором случае (случай "Б") иловый индекс равен 200 см3/г, и нормативная степень очистки недостижима при любом режиме управления, а оптимальному управлению соответствует минимальное значение показателя общей экологической опасности очищенных стоков: Ао6щ - 0,75 (значения других показателей оптимального режима: 3 = 177700 руб/сут, В = 14500 руб/сут, Qmr = 173000 м3/ч, С« = 14,4 г/м3, L* =18,1 г/м , (NH4)ex = 8,83 г/м3, (NO?)ex = 6,39 г/м3).

Дана оценка возможным ремонтным мероприятиям, в результате которых предполагается повышение коэффициента использования объема у первичных отстойников до 0,45, у вторичных отстойников - до 0,4, коэффициента использования кислорода воздуха у аэротенков - до 4. Для обоих случаев определена оптимальная очередность проведения этих мероприятий. В случае "А " очередность должна быть следующей: 1 - ремонт первичных отстойников, АЗ = 14640 руб/сут, 2 - реконструкция аэротенков, АЗ - 13614 руб/сут, 3 - ремонт вторичных отстойников, АЗ = 0. В случае "Б": 1 - ремонт вторичных отстойников, АА^щ - 0,75, 2 - реконструкция аэротенков, ААобщ - 0,25, 3 - ремонт первичных отстойников ААобщ = 0,059.

На основе разработанной в диссертации математической оптимизационной модели ГОСК при помощи средств программирования на ЭВМ создан пакет программ, компьютерная модель ГОСК (внедрена в практику управления ГОСК Новосибирска, Кемерово и Барнаула). Технолог ГОСК осуществляет ввод исходных данных, характеризующих условия, в которых протекают технологические процессы, и в результате выполнения комплекса программ ЭВМ представляет результаты моделирования. В режиме "Прогнозирование" моделирование осуществляется для то-

го варианта управления, который задает пользователь. В режиме "Оптимизация" осуществляется поиск оптимального варианта управления в соответствии с методикой, разработанной в диссертации.

В процессе решения комплексной задачи оптимального управления технологическим циклом на ГОСК выяснилось, что наиболее экономичному режиму управления и в случае "А ", и в случае "Б" соответствуют следующие показатели: Аобщ = 2,24, 3 = 148300 руб/сут, В = 36000 руб/сут, ()01г = 90000 м3/ч, а, = 10 г/м3, Ьех = 35 г/м3, (1ЧН4)ет =15,15 г/м3, (ИОз)« = 0 г/м3 {режим управления "А1"). Расчет показателя В, как и во всех предыдущих случаях, произведен по формуле (12). Режим "А1" предполагает экономию материальных средств ГОСК за счет снижения качества очистки стоков, что не отвечает государственным интересам в области охраны окружающей среды.

Методом подбора установлено, что в случае "А " тарифные ставки должны быть: Т\- = 118 руб/т, Т\ - 29 руб/т, 7'ти = 39800,0 руб/т, Тыоъ = 10 руб/т, а в случае "Б" - Т'с = 25000 руб/т, Т\ = 23900 руб/т, Т'ын4 = 39400,0 руб/т, Т'ыо3 = 10 руб/т. Тогда, при условии расчета показателя В по формуле 13, любой режим управления, отличный от оптимального, будет сопровождаться большими эксплуатационными затратами (рис. 2, а - случай "А ", рис. 2, б - случай "Б",). В частности, эксплуатационные затраты режима управления "АГ' составят в случае "А" 290000 руб/сут, в случае "Б" - 638900 руб/сут. При оптимальных режимах управления эксплуатационные затраты составят 160100 руб/сут (случай "А") и 298500 руб/сут (случай "Б", точка "О" на графике - рис. 4, б). Если для случая "Б" предусмотрено также создание экономически благоприятных условий, предполагающее полное освобождение ГОСК от выплат при работе в оптимальном режиме, то точка "О" перейдет в точку "О" ", которой соответствует величина эксплуатационных затрат 163200 руб/сут.

Рисунок 2. Эксплуатационные показатели ГОСК при различных значениях тарифных ставок на выплаты за сброс загрязняющих веществ. Условные обозначения: - действующие тарифы, -А- - предлагаемые тарифы

Изменение действующих тарифов в рассмотренных примерах создало необходимые экономические условия для стимулирования эффективной очистки стоков на ГОСК и позволило уменьшить эксплуатационные затраты, сопровождающие оптимальные режимы управления ГОСК, на 2100 руб/сут (случай "А ") и на 14500 руб/сут (случай "Б").

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Для оперативного поиска оптимальных решений в процессе управления технологическим циклом очистки сточных вод и обработки осадков с использованием новых методик создана оптимизационная компьютерная модель ГОСК, которая внедрена в практику управления на станциях очистки сточных вод Новосибирска, Барнаула и Кемерово.

2. Разработана методика построения математических моделей оптимального распределения потоков жидкости и

воздуха в группах параллельно включенных сооружений на ГОСК, обеспечивающего максимальную эффективность их функционирования, и получены математические модели оптимального распределения потоков сточных вод в группах параллельно включенных первичных отстойников, аэ-ротенков и вторичных отстойников и потоков воздуха в группе параллельно включенных аэротенков. Полученные результаты оптимизации позволяют повысить эффект осветления сточных вод в первичных отстойниках на 3,5 %, снизить БПКполн и концентрацию взвешенных веществ в биологически очищенной жидкости соответственно в 1,9 и 1,6 раза. Экономическая эффективность оптимизационных мероприятий при производительности ГОСК 500000 м3 сточных вод в сутки составляет: для аэротенков - 2900 руб/сут, для вторичных отстойников - 3300 руб/сут.

3. Разработана методика решения комплексной задачи оптимального управления технологическими процессами на ГОСК в условиях достижимости и недостижимости нормативной эффективности очистки сточных вод. Полученные результаты оптимизации позволяют определить режим управления, обеспечивающий наилучшее качество очищенных стоков, дать комплексную технико-экономическую оценку ГОСК, определить приоритеты при планировании мероприятий по реконструкции и ремонту сооружений и оборудования.

4. Разработана и апробирована методика расчета величины выплат за сброс в водоемы остаточных загрязнений с очищенной жидкостью, предполагающая освобождение от платежей ГОСК, соблюдающие установленные требования к качеству очистки; установление тарифов для всех компонентов загрязнения методом подбора, индивидуально для каждых конкретных ГОСК, с учетом стоимости очистки на каждом отдельном объекте; создание экономически благоприятных условий для обеспечения наивысшей эффективности очистки стоков у ГОСК, не имеющих технических возможностей выполнять установленные требования к ка-

честву очищенной жидкости. Результаты апробации данной методики свидетельствуют о том, что ее внедрение удешевит оптимальные режимы управления ГОСК (в первом из рассмотренных примеров - на 2100 руб/сут, во втором - на 14500 руб/сут) и приведет к экономической заинтересованности ГОСК в эффективной очистке сточных вод.

5. В целом полученные результаты позволяют полнее использовать потенциал действующих ГОСК и характеризуются положительным экономическим эффектом.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Грибанов В. Н. Существующие системы управления технологическими процессами на очистных сооружениях канализации / В. Н. Грибанов, В. А. Гвоздев // Сборник тезисов докладов научно-технической конференции НГАС (часть 3). - Новосибирск, 1996. - С. 14-15.

2. Амбросова Г. Т. Оптимизация работы станций очистки сточных вод / Г. Т. Амбросова, О. В. Быковский, В. А. Гвоздев и др.// Сборник тезисов докладов научно-технической конференции НГАС (часть 3). - Новосибирск, 1997.-С. 20-21.

3. Амбросова-Г. Т. Техническое состояние и проблемы эксплуатации станций аэрации крупных городов Сибири / Г. Т. Амбросова, В. А. Гвоздев, О. В. Коровкина // Известия Вузов. Строительство. - 1997. - № 5. - С. 85-89.

4. Амбросова Г. Т. Программный комплекс "Оперативное управление технологическими процессами на очистных сооружениях канализации" / Г. Т. Амбросова, О. В. Быковский, В. А. Гвоздев // Сборник тезисов докладов 55 - юбилейной научно-технической конференции НГАСУ. - Новосибирск, 1998.-С. 19-20.

5. Никитин А. М. Управление технологическими процессами на очистных сооружениях канализации / А. М. Никитин, А. Н. Крыжановский, В. А. Гвоздев и др.// Водоснабжение и санитарная техника. - 1999. - № 3.- С. 39-40.

6. Крыжановский А. Н. Технологический контроль работы очистных сооружений канализации / А. Н. Крыжановский, Г. Т. Амбросова, В. А. Гвоздев и др. // Водоснабжение и водоотведение: качество и эффективность: Труды II международной научно-практической конференции. - Кемерово, 1999.- С. 47-48.

7. Гвоздев В. А. Совершенствование систем управления очистными сооружениями канализации / В. А. Гвоздев, А. С. Гаврилкин, О. М. Вилкова // Проблемы инженерного обеспечения и экологии городов: Сборник материалов международной научно-практической конференции. - Пенза, 1999,- С. 97-98.

8. Гвоздев В. А. Опыт исследования компьютерной модели очистных сооружений канализации / В. А. Гвоздев, А. С. Гаврилкин, О. М. Вилкова // Социально-экономические и технические проблемы экологии Сибирского региона: Труды юбилейного экологического семинара. - Новосибирск, 2000. - С. 244-250.

9. Амбросова Г. Т. Существующие методы контроля работы очистных сооружений канализации / Г. Т. Амбросова, В. А. Гвоздев О. М. Меркель и др. // Известия Вузов. Строительство. - 2003. - №2. - С. 86-90.

4

....................■ 1 1 — ■ ........ " 11,11 Г" ....................

Новосибирский государственный архитектурно-

строительный университет 6300CS, Но восибирск, у л. J, енинградская ,113

Отпечатано мастерской оперативной полиглайии НГАСУ заказ 224 тираж I0C.2G0*.

052?>

РНБ Русский фонд

2006-4 1653

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. СПОСОБЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ НА ГОРОДСКИХ ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЯХ КАНАЛИЗАЦИИ (ГОСК).

Цель и задачи исследования.

Глава 2. МЕТОДИКИ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССАМИ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД И ОБРА

БОТКИ ОСАДКОВ НА ГОСК.

2. 1. Постановка задачи оптимального управления технологическими процессами на ГОСК.

2. 2. Методика решения задачи оптимального управления распределением потоков сточной жидкости, ила и воздуха между параллельно включенными сооружениями ГОСК.

2. 3. Методика решения комплексной задачи оптимального управления технологическими процессами на ГОСК.

2. 4. Методика расчета выплат ГОСК за сброс в водоемы остаточных загрязнений с очищенной сточной жидкостью.

2. 5. Выводы.

Глава 3. ОПТИМИЗАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО

ЦИКЛА ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД И ОБРАБОТКИ ОСАДКОВ НА ГОСК.

3. 1. Описание управляемой системы ГОСК и ограничений, устанавливаемых на ее основные параметры.

3.2. Математическое моделирование процессов очистки сточных вод и обработки осадков на ГОСК.

3. 3. Сравнительный анализ результатов моделирования и фактических показателей очистки сточных вод.

3. 4. Математическая модель оптимального распределения сточной жидкости между параллельно включенными первичными отстойниками

3.5. Математическая модель оптимального распределения сточной жидкости между параллельно включенными аэротенками.

3. 6. Математическая модель оптимального распределения воздуха между параллельно включенными аэротенками.

3. 7. Математическая модель оптимального распределения сточной жидкости между параллельно включенными вторичными отстойниками

3. 8. Алгоритмизация вычислительного процесса решения задач оптимального управления технологическими процессами на ГОСК.

3. 9. Выводы.

Глава 4. РЕЗУЛЬТАТЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССАМИ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД И ОБРАБОТКИ ОСАДКОВ НА ГОСК.

4. 1. Задача оптимального распределения сточной жидкости в группе параллельно включенных первичных отстойников.

4. 2. Задача оптимального распределения сточной жидкости, циркулирующего ила и воздуха в группе параллельно включенных аэротенков

4. 3. Задача оптимального распределения сточной жидкости в группе параллельно включенных вторичных отстойников.

4. 4. Комплексная задача оптимального управления технологическими процессами на ГОСК.

4. 5. Оценка технологического потенциала ГОСК.

4.6. Компьютерная модель для решения задач оптимального управления технологическими процессами очистки сточных вод и обработки осадков на ЭВМ в производственных условиях.

4.7. Экономическая оценка эффективности оптимизационных мероприятий.

4. 8. Выводы.

Сточные воды, поступающие в городские канализационные сети от населения и промышленных предприятий, способны вызвать серьезное загрязнение окружающей среды. Важным звеном в цепи природоохранных мероприятий является эффективное функционирование городских очистных сооружений канализации (ГОСК).

Современные ГОСК представляют собой сложный комплекс взаимосвязанных сооружений, в которых протекают физико-химические и биологические процессы очистки сточной жидкости и обработки изъятых из нее загрязнений (осадков): Осуществление этих процессов сопровождается! значительными материальными затратами, связанными, в ластности, с потреблением электроэнергии электрооборудованием ГОСК, расходом реагентов, топлива и компенсацией ущерба, наносимого природе.

На сегодняшний день для многих российских ГОСК характерна следующая проблема: существующая технологическая схема не позволяет очищать сточную жидкость так эффективно, как это требуется согласно установленным нормам.

Такая ситуация сложилась, во-первых, по причине амортизации сооружений и оборудования, поскольку, как правило, ремонт и модернизация финансируются в недостаточном объеме. Во-вторых, ужесточились требования к качеству очистки стоков ? со стороны природоохранных служб. С подобными проблемами в большей или меньшей степени сталкиваются и другие страны.

Выход из этой ситуации очевиден. Нужно вкладывать значительные средства в реконструкцию, интенсификацию, модернизацию ГОСК. Однако, к примеру, в нашей, стране в настоящее время вследствие сложной экономической ситуации такое решение проблемы видится в неопределенной перспективе.

Одновременно, как это отмечается рядом исследователей [12, 15, 30, 44], требует совершенствования и действующая на территории РФ система экономического стимулирования природоохранной деятельности. С одной стороны, очистные сооружения должны платить штрафы за загрязнение водоема даже тогда, когда сбрасывают в него безопасные стоки, очищенные так эффективно, как это требуется. А с другой стороны, и в этом парадокс, вместо того, чтобы качественно очистить стоки, оказывается экономически более выгодным заплатить штрафы, загрязнить водоем и сэкономить на качестве очистки. Тарифные ставки для загрязняющих веществ, по которым рассчитываются размеры платежей за сброс в водоемы очищенной сточной жидкости, на сегодняшний день нуждаются в корректировке.

Данное исследование посвящено разработке, во-первых, системы мероприятий для интенсификации работы очистных сооружений канализации в стесненных финансовых условиях, во-вторых, системы экономического стимулирования эффективной очистки сточных вод.

4. 8. Выводы

1. Решены задачи оптимального управления распределением потоков сточных вод в группах параллельно включенных аэротенков, первичных и вторичных отстойников и воздуха между параллельно включенными аэротенками. Полученные результаты позволяют повысить эффект осветления сточных вод в первичных отстойниках на 3,4 %, снизить БПКПолн и концентрацию взвешенных веществ в биологически очищенной жидкости соответственно в 1,9 и 1,6 раза. Экономическая эффективность оптимизационных мероприятий составляет для первичных отстойников - 11911 рублей в сутки, для аэротенков - 2912 рублей в сутки, для вторичных отстойников - 3317 рублей в сутки при производительности ГОСК 500000 м3 сточных вод в сутки.

2. Решена комплексная задача оптимального управления технологическими процессами на ГОСК в условиях достижимости и недостижимости нормативной эффективности очистки сточных вод. Полученные результаты позволяют определить режим управления, обеспечивающий наилучшее качество очищенных стоков, дать комплексную технико-экономическую оценку ГОСК, определить приоритеты при планировании мероприятий по реконструкции и ремонту сооружений и оборудования, составлять объективные прогнозы как при планировании бюджета ГОСК, так и в рамках мониторинга загрязнения водоемов.

3. Разработана компьютерная модель ГОСК для решения задач оптимального управления процессами очистки сточных вод и обработки осадков, внедрение которой в. практику управления новосибирских, кемеровских и барнаульских ГОСК позволило эксплуатационному персоналу этих объектов в производственных условиях оперативно оценивать достоинства и недостатки возможных режимов управления и выбирать оптимальные варианты.

4. Апробирована методика расчета величины выплат за сброс в водоемы остаточных загрязнений с очищенной жидкостью, предполагающая, во-первых, освобождение от платежей ГОСК, соблюдающие установленные требования к качеству очистки; во-вторых, установление тарифов для всех компонентов загрязнения методом подбора, индивидуально для- каждых конкретных ГОСК, с учетом стоимости очистки на каждом отдельном объекте; в-третьих, создание экономически благоприятных условий для обеспечения наивысшей эффективности очистки стоков у ГОСК, не имеющих технических возможностей выполнять установленные требования к качеству очищенной жидкости. Результаты апробации данной методики свидетельствуют о том, что ее внедрение, во-первых, удешевит оптимальные режимы управления'ГОСК (в первом из рассмотренных примеров - на 2096 рублей в сутки, во втором - на 14503 рубля в сутки) и, во-вторых, приведет к экономической заинтересованности ГОСК в эффективной очистке сточных вод.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для оперативного поиска оптимальных решений в процессе управления технологическим циклом очистки сточных вод и обработки осадков с использованием новых методик создана оптимизационная компьютерная модель ГОСК, которая внедрена в практику управления на новосибирских, барнаульских и кемеровских станциях очистки сточных вод.

При математическом описании процесса осветления сточной жидкости предпочтение отдано методу расчета первичных отстойников [63], характеризующемуся большей точностью по сравнению с методом, предлагаемым действующими. СНиП [62]. Математическая модель процесса осветления сточных вод во вторичных отстойниках при температуре 20 °С, используемая в отечественной практике, преобразована по:аналогии с математической моделью процессов седиментации, протекающих в первичном отстойнике, что позволяет моделировать процессы разделения иловой смеси во вторичных отстойниках при температурах отличных от 20 °С.

Разработана методика построения; математических моделей оптимального распределения потоков; жидкости и воздуха в группах параллельно включенных сооружений на ГОСК, обеспечивающего максимальную эффективность их функционирования, и получены математические модели оптимального распределения потоков сточных вод в группах параллельно • включенных первичных отстойников; аэротенков и вторичных отстойников и потоков воздуха в группе параллельно включенных аэротенков. Полученные результаты оптимизации позволяют повысить .эффект осветления сточных вод в первичных отстойниках на 3,4 %, снизить БПКП0Лн и концентрацию взвешенных веществ в биологически очищенной жидкости соответственно в 1,9 и 1,6 раза. Экономическая эффективность оптимизационных мероприятий составляет для первичных отстойников - 11911 рублей в сутки, для аэротенков - 2912 рублей в сутки, для вторичных отстойников - 3317 рублей в сутки при производительности ГОСК 500000 м3 сточных вод в сутки.

4. Разработана методика решения комплексной задачи оптимального управления технологическими процессами на ГОСК в условиях достижимости (критерий оптимальности — эксплуатационные затраты ГОСК) и недостижимости (критерий оптимальности — показатель общей экологической опасности очищенных стоков А0бЩ) нормативной эффективности очистки сточных, вод. Полученные результаты оптимизации позволяют определить режим управления, обеспечивающий наилучшее качество очищенных стоков, дать комплексную технико-экономическую оценку ГОСК, определить приоритеты при планировании мероприятий по реконструкции и ремонту сооружений и оборудования,.составлять объективные и наглядные прогнозы как при; планировании бюджета ГОСК, так и в рамках мониторинга загрязнения' водоемов.

5. Разработана и апробирована методика расчета величины выплат за сброс в водоемы остаточных загрязнений с очищенной жидкостью, предполагающая, во-первых, освобождение от платежей ГОСК,. соблюдающие установленные требованиям качеству очистки; во-вторых, установление тарифов для всех компонентов загрязнения методом подбора, индивидуально для~ каждых конкретных ГОСК, с учетом стоимости очистки на каждом отдельном объекте; в-третьих, создание экономически благоприятных условий для обеспечения наивысшей эффективности очистки стоков у ГОСК, не имеющих технических возможностей выполнять установленные требования к качеству очищенной жидкости. Результаты апробации данной методики свидетельствуют о том, что ее внедрение, во-первых, удешевит оптимальные режимы управления ГОСК (в первом из рассмотренных примеров - на 2096 рублей в сутки, во втором - на 14503 рубля в сутки) и, во-вторых, приведет к экономической заинтересованности ГОСК в эффективной очистке сточных вод.

1. Айсаев А. А. Отведение и очистка сточных вод Санкт-Петербурга./ А. А. Айсаев, М; И. Алексеев и др. С-Пб.: Стройиздат С- Пб., 1999. - 424 с;

2. Алексеев М. И- Комплексная задача оптимального проектирования и эксплуатации сооружений по очистке сточных вод / М. И. Алексеев, Г. Г. Кри-вошеев // Известия вузов. Строительство 1997. - № 6. - С. 95-101.

3. Амбросова Г. Т. Техническое состояние и проблемы эксплуатации станций аэрации крупных городов Сибири / Г. Т. Амбросова, В. А. Гвоздев, О. В. Ко-ровкина // Известия вузов. Строительство. 1997. - № 5. - С. 85-89.

4. АндерсонТ. Статистический анализ временных рядов. М: Мир; 1976. -758 с;

5. Базякина Н. А. Очистка концентрированных промышленных сточных вод -М.: Стройиздат, 1958.-79 с.

6. Барак К. Технические записки по проблемам воды / К. Барак, Ж. Бебен и др. -М:: Стройиздат, 1983.- Т. 1-2.

7. Барский Л;. А. Критерии оптимизации разделительных процессов / Л: А. Барский, И: Н1 Плаксин — М.: Наука, 1967- 119 с.

8. Ю.Беллман Р. Динамическое программирование. М.: Иностранная литература - 1960.-400 с:

9. Бобылев С. Н. Экономика природопользования / С. Н. Бобылев, А. Ш. Ход-жаев-М.:Теис.- 1997.-272 с.

10. Вавилин В. А. Математическая модель процесса биологической очистки на хлопьях активного ила / В. А. Вавилин, В. Б. Васильев // Доклады АН СССР. -М.: Наука, 1977,т.233. -С.922-926.

11. Вавилин В. А. Математическое моделирование процессов биологической очистки сточных вод активным илом / В. А. Вавилин, В. Б. Васильев М.: Наука,1979 - 119 с.

12. Голуб А. А. Экономика природопользования: Учебное пособие для вузов / А. А. Голуб, Е. Б. Струкова М.: Аспект Пресс, 1995. - 188 с.

13. Городская канализация: Сборник научных трудов M.-JI.: ОНТИ АКХ им К. Д. Памфилова, 1961. - Вып. XI - 283 с.

14. Грибанов В. Н; Существующие системы управления технологическими процессами на очистных сооружениях канализации / В. Н. Грибанов, В. А. Гвоздев // Сборник тезисов докладов научно-технической конференции НГАС (часть 3); Новосибирск, 1996. - С. 14-15.

15. Гюнтер JI. И. Метантенки / JI. И. Гюнтер, JI. JI. Гольдфарб — М.: Стройиздат, 1991.- 126 с.

16. Димовски X. Третиране и оползотворян на утайките от отпадъчните воды. — София: Де Дъержавно изд. Техника. 1978. - 200 с.

17. Дмитриев В. Д. Эксплуатация систем водоснабжения, канализации и газоснабжения: Справочник / В; Д. Дмитриев, Д. А. Коровин и др. JI.: Стройиздат, 1988.-382 с.

18. Евилевич А. 3. Ошибки в эксплуатации водопроводов и канализации. JL: Стройиздат, 1972. - 119 с.

19. Жмур Н. С. Управление процессом и контроль результата очистки сточных вод на сооружениях с аэротенками. — М.: Луч, 1997 169 с.

20. Жуков А. И. Канализация промышленных предприятий / А. И. Жуков, И. Л.

21. Монгайт И. Л., И. Д. Родзиллер. М.: Госстройиздат, 1969. — 374 с. 24.Закон РСФСР «Об охране окружающей среды» // Российская газета. - 1992.- 3 марта.

22. Иванов В. Г. Совершенствование нормативно-методической базы в области водоотведения / В1 Г. Иванов, Н. А. Черников // Вода и экология. 2002. — №2.-С. 42-47.

23. Иерусалимский И. Д. Биохимические основы регуляции скорости роста микроорганизмов // Известия АН СССР. Серия биологическая.- 1967. -№ 3.- С. 100-110.

24. Инструктивно-методические указания по взиманию платы за загрязнение окружающей среды (Утверждены: мин. охраны, окруж. среды и природн. ресурсов РФ, письмо N 01-15/65-265 от 26. 01.1993, с изменениями на 16. ОЗ. 2000).

25. Канализация населенных мест и промышленных предприятий: Справочник проектировщика. М.: Стройиздат,1981. - 640 с.

26. Карелин Я. А. Очистка производственных сточных вод в аэротенках / Я. А. Карелин, А. И. Жуков и др. -М.: Стройиздат, 1973. 223 с.

27. Кармазинов Ф. В; Учет и контроль расходов и качества питьевых и сточных вод основа экономики предприятия / В. Ф. Кармазинов, С. Г. Гумен. // Водоснабжение и санитарная техника. - 2001. - № 1. - С. 4-8.

28. Кигель Е. М. Эксплуатация канализационных очистных сооружений. — Киев: Буд1вельник, 1978. 158 с.

29. Кигель Е. М. Приемка и наладка канализационных сооружений / Е. М. Китель, Г. П. Милаенко, М. Е. Кигель. — Киев: Буд1вельник, 1971. 158 с.

30. Крамер Г. Математические методы статистики. М.: Мир — 1975. - 648 с.

31. Курнилович О. Б. Управление системой «аэротенк вторичный отстойник» / О. Б. Курнилович, О. А. Колесниченко // Водоснабжение и санитарная техника. - 1995. - № 12. - С.28-29.

32. Липцер Р. Ш. Статистика случайных процессов / Р. Ш. Липцер, А. Н. Ширяев. М:: Наука, 1974. - 696с.

33. Малкин В. П. Оптимизация функционирования сооружений для очистки промышленных сточных вод / В. П. Малкин, В. И. Кузин; // Химическое и нефтяное машиностроение. — 1999. -№ 9. С. 15-20.

34. Математическая энциклопедия. М!: Советская энциклопедия, .1985. —Т. 1-5.

35. Математическое моделирование и планирование эксперимента: Сборник статей.- Л.: Химия, 1971 189 с.

36. Москаленко А. П. Экономика природопользования: и охрана, окружающей среды: Учебное пособие для вузов М:: МарТ, 2003.- 224 с.

37. Музыкин С. Н. Моделирование динамических систем / С. Н. Музыкин, Ю. М. Родионова. Ярославль: Верхне-Волжское книжное издательство, 19841 -301 с.

38. Найденко В. В. Оптимизация процессов очистки природных и сточных вод / В; В. Найденко, А. П: Кулакова и др. -М;:Стройиздат, 1984. 152 с.

39. Петошина Н. П. Поэтапное предотвращение загрязнения водоемов сточными водами / Н. П. Петошина, Ю. Ф. Эль.// Водоснабжение и санитарная техника. 1999. -№ 6. -С! 18-20.

40. Положение о проведении планово-предупредительного ремонта водопро-водно-канализационных сооружений. -М.: Стройиздат, 1968! -46 с.

41. Понтрягин Л. С. Математическая теория оптимальных процессов / Л. С. Понтрягин, В. Г. Болтянский и др. М: Наука; 1976. -392 с.

42. Постников И. С. Очистка сточных вод в аэротенках / И. С. Постников, К. Г. Арутюнян отстойниках. - М: Изд. МКХ РСФСР, 1969 - 12 с.

43. Правила техническойэксплуатации систем водоснабжения и водоотведения населенных мест-М.: Стройиздат, 1979- 192 с.

44. Рекомендации по приемке, пуску и эксплуатации станций биохимической очистки промышленных сточных вод. Москва: Стройиздат, 1968.- 113 с.

45. Репин Б. Н. Управление процессами очистки сточных вод в аэротенках / Б; Н. Репин, В. И. Баженов // Водные ресурсы. 1988 - № 3. - С. 158-166.

46. Роговская Ц. И. Биохимический метод очистки производственных сточных вод. М.: Стройиздат, 1967. - 139 с.

47. Родзиллер И. Д. Прогноз качества водоемов приемников сточных вод. М: Стройиздат,, 1984. - 263 с.

48. Рульнов А. А. Оптимальное управление системой биологической очистки сточных вод / А. А. Рульнов, А. П; Зоткин // Международная конференция «Математические методы в химии и химической технологии»: Сборник тезисов. Тверь, 1995. - С. 64.

49. Пат. 2057723 Россия, МКИ 6 С 02 Е 3/02. Способ автоматического управления аэротенками/ А. А. Рульнов, А. П. Зоткин.- № 5014494/26; Заявлено 29.11.91; Опубл. 10.04.96.

50. СНиП 2104.03-85.Канализация.Наружные сети и сооружения, М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1986. -72 с.

51. СниП Н-32-74 Канализация. Наружные сети и сооружения. М:: Стройиздат, 1975:-83 с.

52. Строганов С. Н. Биохимическая очистка сточных вод / С. Н. Строганов, К. Н. Корольков. М.: Госстройиздат, 1934 — 56 с.

53. Таршиш М. С. Моделирование на ЭВМ параллельной работы аэротенков-смесителей с учетом неравномерности,распределения воды, воздуха и активного ила / М: С. Таршиш, И. В. Скирдов // Химия и технология воды. -1987.-№2.-С. 103-106.

54. Указания по методам расчета смешения и разбавления сточных вод в реках, озерах и водохранилищах. М;: ВНИИ «ВОДГЕО», 1971. — 224 с.

55. Хаммер М. Технология обработки природных и сточных вод. — М.: Стройиз-дат, 1979-400 с.

56. Черкинский С. Н. Санитарные условия спуска сточных вод в водоемы. — М: Стройиздат, 1977.-224 с.

57. Шифрин С. М. Современные методы механической очистки сточных вод. -М.: Госстройиздат, 1956 179 с.

58. Щетинин А. И. Особенности реконструкции городских очистных сооружений канализации в настоящий период // Вода и экология. — 2002. — № 2. — С. 22-28.

59. Эль М. А. Наладка и эксплуатация очистных сооружений городской канализации / М. А. Эль, Ю. Ф. Эль и др. М.: Стройиздат, 1977.- 232 с.

60. Яковлев В. А. Кинетика ферментативного анализа. М.: Наука, 1965 - 248 с.

61. Яковлев С. В. Водоотведение и очистка сточных вод: Учебник для вузов по специальности «Водоснабжение и водоотведение» / С. В. Яковлев, Ю. В. Воронов. М: АСВ; 2002. - 704 с.

62. Яковлев С. В. Водоотведение и очистка сточных вод / С. В. Яковлев, Я. А. Карелин и др. М: Стройиздат, 1996. - 591 с.75;Яковлев С. В. Механическая очистка сточных вод / С. В. Яковлев, В. И. Ка-лицун. М.: Стройиздат, 1972. - 200 с.

63. Яковлев С. В. Биохимические процессы в очистке сточных вод / С. В. Яковлев, Т. А. Карюхина. М.: Стройиздат, 1980. - 200 с.

64. Яковлев С. В. Оптимизация очистных сооружений городских канализаций / С. В. Яковлев, Г. Г. Кривошеее. Ашхабад: Изд-во Туркменск. гос. университета, 1981- 120 с.

65. Яковлев С. В. Канализация: Учебник для вузов по специальности «Водоснабжение и канализация»/ С. В. Яковлев, Я. А. Карелин и др. М.: Стройиздат, 1976. - 632 с.

66. Янко В. Г. Обработка сточных вод и осадков в метантенке / Янко В. Г., Янко Ю. Г. Киев: Бущвельник, 1978. - 125 с.

67. Babcock R. H. Instrumentation and control in water supply and wastewater disposal. Chicago, 1968 - 123 p.

68. Barnard J. L. Dissolved oxygen control in the activated sludge process / J. L. Barnard, P. G. J. Meiring // Water Science and Technology. 1988. - 20. - № 4-5. -P. 93-100.

69. Berthouex P. Constructing control charts for waste-water treatment plant operation// Research Journal of the Water Pollution Control Federation. 1989. - 61. -№9.-P. 221-238.

70. Biological Waste Treatment: 160 th. National. Meeting of the American Chemical Society. -Chicago, 1970. 135 p.

71. Biologische Abwasserbehandlung // Sensor Rept. 1988. - 3. - № 6. - P. 27-28.

72. BIRD HUMBOLT. Инструкция по эксплуатации № В A 584-213-08 (ru) 18 c.

73. Brozes P. Comment tendre verts 1' optinization // Nuisan. et environ. 1971. - № 4.-P. 21-26.

74. Bush M. J. Optimal synthesis of waste treatment plants / M. J. Bush, P. L. Silves-ton // Computers and Chemical Engineering. 1978. — 2. - № 4 - P 124-142.

75. Buswell A. Mechanisms of Methane Fermentation / A. Buswell, M. Mueller // Industrial and Engineering Chemistry. 1952. - 44. - P 106 - 122.

76. Cakici A. Dissolved oxygen control and estimation of bioactivites in the activated sludge process// Chemia acta turcica. 1994. — 22.-№ 1.-P.54-68.

77. Crook J. Operational efficiency of pilot plant for waste - water reuse / J. Crook, R. Surampalli // Water Science and Technology. - 1996. - 33. - № 10-11. - P. 89101.

78. Downing A. L.Population dynamics in biological treatment plants / A. L. Downing, G. Knowles // Proc., 3-rd Int. Wat., Pollut. Res., Munich 2, 117. Munich, 1966.- P. 108-132.

79. Eckenfelder W. W. Biological Waste Treatment / W. W. Eckenfelder, D. G. O'Connor. Oxford, 1961. - 109 p.

80. Emmerich R. Neue Processleittechnik im Klärwerk Köhlbrandhöft / R. Emmerich, W. Engelhardt. Wasserwirtschaft.— Wassertechnik. - 2001. - № 4. - S. 27-30.

81. Failing consent limits // Water and Waste Treatment (Gr. Brit). 1992. — 35. -№11.-P. 65-76.

82. Gaudy A. F. Comparing design models for activated sludge / A. F. Gaudy, G. F. Kincannon // Water.and:Sewage-Works . — 1977 . № 2.- E.110-132

83. Grenander U. Statistical analysis of stationary time series / U. Grenander, M. Rosenblatt. Stockholm, 1956. - 76 p.

84. Haase W. Entwicklungsstand der Prozeßautomatisierung großer kommunaler Klaranlagen in der DDR // Wasserwirtscaft Wassertechnik. — 1987. - 37. - № 5. -S. 104-110.

85. Hiraoka M. System identification and control of the activated sludge process by use of a statistical model / M. Hiraoka, K. Tsumura7/ Water Science and Technology. 1989. - 21. - № 10-11. - P. 1161 -1172.

86. Hoover S. R. Assimilation of Dairy Waste by Activated Sludge, Sewage and Industrial Wastes / S. R: Hoover, N. Porges. Oxford; 1952. - 306 p.

87. Imhoff K. Tashenbuch der Stadtentwasserung.- München-Wien, 1976- 112 s.

88. Jüttner U. Außergewöhnliche Betriebsbedingungen auf Abwasseranlagen: wasserrechtliche und abgabenrechtliche Bewertung / U. Jüttner, H. Zehrfeld // K. A.- Wasserwirtschaft. Abwasser. 2000 - 47. - № 12. - S. 1832-1837.

89. Kamitani Hiroyuki Автоматизированная: система контроля качества очистки сточных вод (яп.) // Meiden jiho. 1995. - № 245. - С. 56-57.

90. Kurbiel. J. Implementation of the Cracow municipal waste water reclamation system for industrial water reuse / J. Kurbiel, K. Leglin, S. Rybicky // Desalination.- 1996.- 106.- № 1-3.-P 32-36. 74

91. Lefevre F. Optimierung der Stickstoffelimination durch rechnergestutzte Be-luftungssteuerung / F. Lefevre, J.-M. Audic, J.-P. Philippe, D. Kuntz // Korrespondenz Abwasser. 1996. - 43. - № 11. - S. 1961 -1969.

92. Mängel bei Kläranlagen. Bauer- Miksch Ramona // Sichere Arbeit. 2001. -№ 6. - S. 35-37.

93. McCarty P. Stoichimetry of biological reaction // Progress in Water Technology. 1975. -№ 1. - P 85-91.

94. Mckinney R. E. Microbiology for Sanitary Engineers. New York, 1962. -114 p.

95. Monod J. Recherches sur la croissance des cultures bacteriennes. — Paris, 1942. -56 p.

96. Neues Abwassersicherungssystem bei Bayer // Chemie Ingenieur - Technik. -1994.-66.-№5.-P. 565.

97. Novotny V. Real time control of wastewater treatment operations / V. No-votny, A. Capodaglio, H. Jones // Water Science and Technology. — 1992. 25. — №4-5.-P. 89-101.

98. Omil F. Characterization of biomass from a pilot-plant digester treating saline wastewater / F. Omil, R. J. Méndez, J. M. Lema // Journal of Chemical Technology and Biotechnology. 1995. - 63. - № 4. - P. 75-77.

99. Oxidation-reduction: potential (ORP) regulation as a way to optimize aeration and C, N and P removal: experimental basis and various full-scale examples // Water Science and Technology. 1989. -21. -№10-11. - P. 1209-1223.

100. PLCs help reclaim water // Chemistry in Industry, USA. 1992. - 99. - № 7. -P. 147-148.

101. Raynard F. Modernisation de la station d'eaux usees de Tours: temps de retour spectaculaire sur investissement / F. Raynard, M. Pare, J. Guiblais // L'Eau, PIndustrie, les Nuisances. 1993. - № 168. - P. 47-50.

102. Roediger H. Die anaerobe alkalische Schlammfaulung. Miinchen, 1960. -116 s.

103. Schlegel S. Betriebserfahrungen mit verschiedenen Steuerungen und Regelkreisen auf Klaranlagen// Korrespondenz Abwasser. 1987.-34. № 11. S. 11681170, 1172-1175.

104. Schröder M. Inbetriebnahme und fortlaufende Betriebsoptimierung der von Belebungsanlagen / M. Schröder, B. Wöffen, R. Wagner // KA -Wasserwirtschaft, Abwasser, Abfall. 2001. - 48. - № 6. - S. 793-794, 796-801.

105. Shih C. S. Optimization models for river water quality management and waste treatment plant design / C. S. Shih, J. A. De Filippi // Proc. Yth Amer. Water Re-sour. Conf. New York, N. Y. 1968. Urbana, I 11.-New York, 1968.-P. 754779.

106. Shin P. Dynamic optimization for industrial waste treatment design / P. Shin, P. Krishnan //1. Water pollution control federation. 1969. - №10. - P. 19871802.

107. Stokes A. J. Process modeling at Oldham Sewage treatment works using WRc stoat / A. J. Stokes, C. Forster, J. R. West // Water and Environmental Management. - 2000. - 14. -№ 1. -P. 57-59.

108. The automated wastewater plant // Chemistry in Industry, USA. 1993. - 100. -№1. -P.147.

109. Thornberg D. E. Interaction between computer-simulations and control using online nitrogen measurements / D. E.Thoraberg, H. A. Thomsen // Water Science and Technology. 1994. - 30. - № 4. - P. 199-206.

110. Tschepetski R. Modellgestützt Überwachung von Kläranlagen / R. Tschepet-ski, J. Alex // Kommunalwirtschaft. 1999. - № 9. - S. 86-92.

111. Vosloo P. B. B. Oxygen requirements in the activated sludge process // Water Pollution Control. 1973 . - 72. - № 2. - P. 209-212.

112. Wuhrmann K. Zur Theorie des Belebtschlammverfahrens / K. Wuhrmann, F. V. Beust F. V. // Schweizerische Zeitschrift für Hydrologie. 1958. - 20. - № 2. -S. 284-311.