автореферат диссертации по транспорту, 05.22.19, диссертация на тему:Совершенствование системы сбора и обработки судовых отходов с целью повышения безопасности эксплуатации судов

На правах рукописи

МИНАЕВА Ирина Анатольевна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ СБОРА И ОБРАБОТКИ СУДОВЫХ ОТХОДОВ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ СУДОВ

Специальность 05.22.19 - Эксплуатация водного транспорта, судовождение

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

7 ДПР 2911

Москва-2011

4842216

Работа выполнена в Московской государственной академии водного транспорт

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Савельев Виталий Гаврилович Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Столярова Людмила Владимировна кандидат технических наук, доцент Миронов Юрий Маркианович

Ведущая организация: Федеральное Государственное Учреждение «Российский Речной Регистр»

Защита состоится « 27 » апреля 2011 г. в 14 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 223.006.01 при Московской государственной академии водного транспорта по адресу: 117105, г. Москва, Новоданиловская наб., д. 8, корп. 1, ад. 336.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ МГАВТ и на сайте www.msawt.ru.

Автореферат разослан « 25 » марта 2011 г.

Учёный секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

_Е.А. Корчагин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В «Концепции развития внутреннего водного транспорта Российской Федерации на период до 2015 года» в качестве одной из задач по улучшению условий функционирования отрасли выделена задача обеспечения безопасности судоходства, включая экологическую безопасность эксплуатации судов, в соответствии с требованиями международных и национальных документов к обработке (очистке) судовых отходов.

Практическая реализация этих требований должна обеспечиваться путем использования водоохранных технических средств и соответствующих технологий обработки судовых отходов. Однако, существующая система сбора и обработки судовых отходов в значительной степени была сформирована, исходя из технических возможностей и потребностей внутреннего водного транспорта в предыдущие десятилетия. В настоящее время вид, количество и расположение внесудовых водоохрашшх технических средств зачастую определяются без учета структуры и технического состояния обслуживаемого флота, планируемого открытия водных путей России для судов под флагом иностранных государств, что приводит к неправильным оценкам потребностей в капиталовложениях, эксплуатационных расходах и к снижению эффективности функционирования системы. Очевидно, что в современных условиях необходимы новые методы принятия организационных (управленческих) решений.

При рассмотрении экологического аспекта безопасности эксплуатации судов особое внимание уделяется предотвращению загрязнения водной среды неф-тесодержащими водами (НВ), представляющими особую опасность в связи с подвижностью и стойкостью к процессам химического и биологического разложения.

Проблема предотвращения загрязнения водоемов НВ в результате эксплуатации судов решается путем разработки и внедрения технологий по очистке НВ с использованием судовых и внесудовых технических средств. Однако постоянное ужесточение требований в области охраны окружающей среды приводит к тому, что используемые технологии зачастую не обеспечивают степень очистки, отвечающую действующим нормативам, и тем более не имеют перспектив на использование в будущем. Одной из причин такого положения является то, что применяемое типовое оборудование для очистки НВ основано на механических

способах обработки. В тоже время при обработке других видов судовых отходов (сточные воды, мусор) используются вполне эффективные методы.

Совокупность этих обстоятельств определяет необходимость проведения исследований по поиску наиболее эффективных и экономически выгодных методов и технологий сбора и обработки судовых отходов. Таким образом, задачу совершенствования системы сбора и обработки отходов необходимо решать комплексно, как путем оптимизации размещения и использования внесудовых водоохранных технических средств, так и внедрения более эффективных технологий очистки судовых нефтесодержащих вод.

Научная задача данной диссертационной работы заключается в разработке эффективных направлений совершенствования системы сбора и очистки судовых отходов, обеспечивающей повышение безопасности эксплуатации и автономности плавания судов.

Цель работы - совершенствование системы сбора и обработки судовых отходов путем использования методов математического моделирования речной транспортной сети для оптимизации размещения внесудовых водоохранных технических средств и применения электрофлотационной технологии для очистки судовых нефтесодержащих вод.

Для достижения поставленной цели задачами исследований являются:

1. Анализ состояния существующей системы сбора и обработки судовых отходов как источника обеспечения безопасности эксплуатации судов для окружающей среды и обоснование путей ее совершенствования.

2. Разработка методики моделирования внесудовой подсистемы сбора и обработки отходов на речной транспортной сети и создание имитационной модели для оценки вариантов размещения внесудовых водоохранных технических средств.

3. Исследование кинетики электрофлотации водных эмульсий нефтепродуктов и оценка влияния различных параметров процесса электрофлотации на эффективность очистки судовых нефтесодержащих вод.

4. Разработка практических рекомендаций по использованию электрофлотаторов для очистки судовых нефтесодержащих вод.

Объект исследования — система сбора и обработки судовых отходов.

Предметом исследования являются математические модели для оценки вариантов размещения внесудовых водоохранных технических средств и элек-трофлотациошшй метод очистки нефтесодержащих вод.

Методы исследований: системный анализ, математическое моделирование, математическая статистика, лабораторное моделирование процесса электрофлотационной очистки судовых нефтесодержащих вод.

Научная новизна диссертационной работы:

1. Дня системы сбора и обработки отходов на речной транспортной сети разработана методика построения математической модели. Показано, что такая система представляет собой двухфазную многоканальную систему массового обслуживания (СМО) и ее математическое моделирование наиболее рационально выполнять по типовой непрерывно-стохастической схеме ((^-схеме), способом имитационного моделирования на основе метода статистических испытаний (Монте-Карло) с использованием детерминированного алгоритма (алгоритма постоянного приращения по времени).

2. Разработан моделирующий алгоритм внесудовой подсистемы сбора и обработки судовых отходов на речной транспортной сети.

3. Определена структура исходной информации для машинной реализации модели.

4. Построена математическая модель системы сбора нефтесодержащих вод пассажирского флота «Столичной Судоходной Компанию) на основе разработанной методики.

5. Исследована кинетика электрофлотационного извлечения нефтепродуктов из нефтесодержащих вод. Получены регрессионные уравнения, выражающие зависимость степени очистки от основных параметров процесса.

6. Оценено влияние флотореагентов на процесс электрофлотационного извлечения нефтепродуктов из нефтесодержащих вод. Определен наиболее эффективный для интенсификации данного процесса флотореагент - алюмокрем-ниевый флокулянт-коагулянт.

7. Определены оптимальные значения рабочих параметров электрофлотаторов на основе теоретического анализа гидродинамики процесса, опытных данных по кинетике электрофлотации и полученных регрессионных уравнений.

Практическая значимость полученных результатов исследований заключается в использовании разработанной методики моделирования внесудо-вой подсистемы сбора и обработки судовых отходов и метода электрофлотации для очистки судовых нефтесодержащих вод с рекомендуемым оборудованием:

- при планировании размещения водоохранных технических средств для сбора судовых отходов на реальной речной транспортной сети;

- при совершенствовании технических средств очистки нефтесодержа-щих вод на судах;

- в ходе выполнения дальнейших исследований в области поиска наиболее эффективных путей и методов предотвращения загрязнения водной среды судовыми отходами;

- в учебном процессе МГАВТ в курсе «Экология водного транспорта», «Охрана окружающей среды».

Достоверность и обоснованность полученных результатов исследований, выводов и рекомендаций подтверждается корректным применением теории системного анализа и статистической обработки экспериментальных данных, использованием в ходе экспериментов аттестованной аппаратуры и приборов, корректностью и логической обоснованностью допущений, принятых при разработке математических моделей.

Реализация результатов исследований:

- при планировании работы внесудовых водоохранных технических средств в «Столичной Судоходной Компании» (подтверждено актом внедрения);

- в учебном процессе кафедры физики и химии, а также на Факультете дополнительного профессионального образования МГАВТ (подтверждено актом внедрения);

- при выполнении научно-исследовательских работ МГАВТ.

Положения, выносимые на защиту:

1. Научно-методические принципы построения имитационной математической модели внесудовой подсистемы сбора и обработки отходов на речной транспортной сети.

2. Результаты теоретического и экспериментального изучения кинетики электрофлотационной очистки нефтесодержащих вод.

6

3. Методы расчета времени электрофлотации и объемного расхода нефте-содержащих вод для обеспечения требуемой степени очистки.

4. Практические рекомендации по планированию размещения водоохранных внесудовых технических средств и совершенствованию технических средств очистки нефтесодержащих вод.

Личный вклад автора. Автором разработана методика построения имитационной модели системы сбора и обработки судовых отходов, выполнен теоретический анализ гидродинамики и кинетики электрофлотации судовых нефтесодержащих вод, выполнены экспериментальные исследования элегарофло-тации нефтесодержащих вод, осуществлен научно обоснованный выбор электрофлотационного оборудования.

Апробация работы. Полученные результаты исследований представлялись и получили одобрение на семинарах «Экологическая безопасность регионов России», Пенза, 1998 г. и «Проблемы, способы и средства защиты окружающей среды от загрязнений нефтью и нефтепродуктами», ГУЛ «ВИМИ», 6-9 апреля 1999 г.; конференции «Безопасность XXI века». СПб, 2000 г.; XXIV научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов МГАВТ.

Публикации. Материалы исследований опубликованы в 12 печатных работах, в том числе: четыре статьи — в журналах, входящих в перечень ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка использованных источников в количестве 97 работ и 5 приложений. Общий объем работы составляет 168 страниц машинописного текста, в том числе 143 страницы основного текста, содержащего 33 рисунка и 32 таблицы, и 25 страниц приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована научная задача и цель исследований, изложены научная новизна и практическая значимость полученных результатов, сформулированы положения, выносимые на защиту.

В первом разделе изложены результаты обобщения и анализа информации по организации системы сбора и обработки судовых отходов (ССОО), на

7

основе которых определены направления исследований.

Показано, что ССОО является сложной многоуровневой системой, состоящей из относительно самостоятельных элементов - подсистем (судовой и внесудовой), объединенных единым назначением - предотвращение загрязнения окружающей среды судовыми отходами, поэтому для обоснования путей совершенствования процессов сбора и обработки судовых отходов был использован системный подход.

Анализ состояния внесудовой подсистемы показал, что рациональное размещение внесудовых водоохранных технических средств представляет собой сложную научно-практическую задачу, решение которой приведёт к позитивным изменениям в организации и управлении перевозками в плане сокращения времени обслуживания судов и соответствующего увеличения грузооборота. В качестве эффективного средства для обоснованного принятия решений широко используется математическое моделирование систем и процессов. Поскольку система сбора отходов на речной транспортной сети (РТС) представляет собой систему массового обслуживания, для построения математической модели ее функционирования целесообразно применение типовой непрерывно-стохастической схемы моделирования ((^-схема). Для учета стохастической составляющей процесса сбора отходов требуется его многократное воспроизведение с последующей статистической обработкой результатов расчета. Показано, что при машинной реализации имитационной модели РТС на базе СЬсхемы необходимо использовать метод статистических испытаний (метод Монте-Карло).

При оценке судовой подсистемы выявлена низкая эффективность используемых методов извлечения нефтепродуктов из нефтесодержащих вод (НВ). Проведенный анализ используемых методов очистки НВ выявил преимущества электрофлотационной технологии и показал перспективность ее применения на внутреннем водном транспорте.

Второй раздел посвящен математическому моделированию функционирования внесудовой подсистемы сбора судовых отходов на РТС. Методологической базой исследований в области математического моделирования систем являются работы таких ученых как А.К. Митропольский, А.Н. Колмогоров, А.Я. Хинчин, Н.П. Бусленко.

В ходе исследований была разработана методика моделирования внесу-довой подсистемы, в соответствии с которой речная транспортная сеть произвольной структуры рассматривается как изолированная система, состоящая из узлов и соединяющих их прямолинейных отрезков (рёбер). Между узлами передвигается задаваемый набор судов разных типов и технических характеристик. Маршрут судна задается последовательностью узлов или вероятностью их посещения. При этом суда могут находиться в следующих возможных состояниях: стоянка в узлах сети, движение между узлами, сдача или приём отходов, ожидание своей очереди на сдачу отходов. Показано, что в качестве исходных данных для судов-отходосдатчиков следует задавать скорости накопления отходов, объемы емкостей для отходов, маршруты движения судов, продолжительности стоянок, длины ребер и скорости течения на ребрах, а также значения стохастических компонентов, моделирующих воздействия случайных факторов, влияющих на скорость движения судна, время его стоянки и др.

Для судов-отходосборщиков задается объем емкостей для хранения отходов и параметры, определяющие затраты времени на обслуживание клиентов, а также узел работы и узел сдачи отходов.

Исходя из текущих значений накопления отходов и положений судов, на каждом шаге расчета для каждого судна-отходосдатчика определяется, сформирована ли заявка на сдачу отходов (шток первичных заявок). Для каждого судна-отходосборщика по мере заполнения его емкостей на каждом шаге расчета определяется соответствующая заявка на сдачу отходов (поток вторичных заявок). Формирование заявок (в соответствии с О-схемой) представлено на рисунке 1.

Потоки обслуженных первичных заявок

Рисунок 1

- Схема каналов обслуживания ССОО на РТС 9

Расчет текущих значений параметров состояния всех судов, входящих в РТС, производится для каждого момента времени до 1=Ттах (Ттах - период моделирования, как правило, выбираемый равным продолжительности навигации) с шагом Аг. Показано, что для РТС следует принимать Д1 от 10 до 100 с (за это время судно проходит примерно от 50 до 500 м).

На рисунке 2 приведена укрупненная схема моделирующего алгоритма (построенного по принципу «Аг»). Окончание обслуживания вторичной заявки (сдача отходов на БППО) может вызвать сдвиг очереди в накопителе первой фазы, поэтому расчет состояний элементов системы проводится от вторичных

заявок к первичным.

Рисунок 2 - Блок-схема моделирующего алгоритма Установка начальных условий предусматривает формирование значений

начальной наполненности емкостей для отходов, узел начала работы для грузовых судов (недетерминированный маршрут) и скорости течения на всех ребрах для первого шага расчета.

На каждом шаге расчёта производится накопление статистических данных (суммарное время ожидания в очередях, число аварийных ситуаций и т.п.), полученные по завершении расчетов накопительные усредненные значения параметров используется для анализа функционирования внесудовой подсистемы.

Расчеты по разработанной модели внесудовой подсистемы ССОО проводились с использованием специально разработанной программы «ББЗ».

Третий раздел содержит экспериментальные и расчетно-теоретические исследования электрофлотационной очистки нефтесодержащих вод в целях совершенствования ССОО на уровне судовой подсистемы. Изучение электрофлотации выполнялось на основе работ таких ученых как А.Н. Фрумкин, Н.Н. Ру-лев, С.С. Духин, Б.М. Матов, А.А. Мамаков и В.А Колесников.

Экспериментальные исследования по влиянию технологических параметров на процесс злектрофлотационной очистки нефтесодержащих вод проводились на модельных растворах.

Было определено оптимальное значение рН для электрофлотации водных эмульсий дизельного топлива, равное 6 (см. рисунок 3). Это значение соответствует естественному значению рН для НВ, что позволяет отказаться от электрокоррекции этого параметра при электрофлотации.

100 90

80 £ 70

^ 60 50 40 30

1

J к -а \

2 3 4 5 6 Концентрация АКФК, мл/л

23456789 10 "

рн

Рисунок 3 - Зависимость степени извле- „ . „ _______

} , . тт Рисунок 4 - Влияние концентрации

чения (а) от рН для эмульсии дизельного 4Т,1Т,

1 м АКФК на степень извлечения дизтоплив*

топлива

Экспериментальные данные по влиянию добавок флотореагентов на извлечение нефтепродуктов из НВ показывают, что наибольшую эффективность про-

демонстрировал алюмокремниевый флокулянт-коагулянт - АКФК (см. табл. 1). Таблица 1 — Степень извлечения дизтоплива в присутствии флотореагентов

Степень извлечения а, % (при времени электрофлотации т = 10 минут)

Без коагулянта Ре'+ (20 мг/л) АГ (20 мг/л) АКФК (20 мг/л в пересчете на А]"")

39 79 76 90

Как видно из рисунка 4, повышение концентрации АКФК свыше 4 мл/л не приводит к существенному увеличению степени очистки. Таким образом, технологически оптимальная концентрация АКФК равна 2-4 мл/л.

Экспериментальные зависимости степени очистки (а) от объемной плотности тока (¡у) и времени флотации (т) представлены на рисунках 5 и 6. Из рисунков видно, что увеличение и т свыше определенных значений, не обеспечивает дальнейшего заметного повышения степени очистки. Расход электроэнергии при этом продолжает расти, что приводит к неоправданному удорожанию очистки. Выполненные расчеты показали, что для очистки судовых НВ оптимальная с технико-экономической точки зрения объемная плотность тока составляет 200-400 мА/л для электрофлотации в присутствии 3 мл/л АКФК и 1000-2000 мА/л для безреагентной флотации.

Рисунок 5 - Зависимость а от ¡V (безреагентная электрофлотация)

Рисунок 6 - Зависимость а от т

С целью определения соответствия гидродинамических режимов в лабораторных флотаторах и в промышленных установках, был выполнен анализ гидродинамики всех процессов, протекающих при электрофлотации. Результаты расчетов для течения жидкости по камерам лабораторного флотатора, использованного в ходе исследований, и распространенной конструкции промышленного проточного электрофлотатора производительностью до 5 м3/ч

12

(производства РХТУ им. Д.И. Менделеева) приведены в таблицах 2 и 3. Из анализа представленных данных видно, что течение жидкости в обоих случаях происходит в ламинарном режиме (нижнее критическое значение Яе = 2000), что позволяет применять полученные в ходе исследований на лабораторном флотаторе зависимости к реальной очистной установке.

Таблица 2 — Гидродинамические параметры лабораторного электрофлотатора

Объемный расход, л/ч 0 3,6 4,3 6 7,8 10,2 15 17,4 19

Скорость жидкости, мм/с прямоточная камера 0,67 0,80 1Д1 1,44 1,89 2,78 3,22 3,52

противоточная камера V? 0,29 0,34 0,48 0,62 0,81 1Д9 1,38 1,51

Число Рей-нольдса прямоточная камера Яе, 25 30 42 54 71 104 121 132

противоточная камера 11е2 17 20 28 36 47 69 81 88

Таблица 3 - Гидродинамические параметры промышленного электрофлотатора

Объемный расход, м3/ч 0 0,5 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0

Скорость жидкости, мм/с прямоточная камера 0,40 0,79 1,59 2,38 3,17 3,97

противоточная камера 0,13 0,26 0,53 0,79 1,06 1,32

Число Рейнольдса прямоточная камера Яе, 163 327 654 980 1307 1634

противоточная камера Яе2 75 150 300 450 601 751

Все остальные процессы также реализуются в ламинарном режиме (ИеК1ф. ~ 25): обтекание пузырьков флотогаза - 11е<10, флотокомплексов - Ке<2, капель нефтепродуктов - Яе<0,03.

Поскольку доказано, что все гидродинамические процессы протекают в ламинарном режиме, были выбраны уравнения для расчета степени очистки (кинетические уравнения), соответствующие модели идеального вытеснения:

- для периодической электрофлотации:

( 9 ЯТ. ^ а = 1-ехр---ьег

Ч 16Г.РР ,

- для непрерывной электрофлотации:

Г 9 ИТ

а = 1 - ехр

(1)

16гБР

:<2

(2)

где а - степень очистки;

е - коэффициент эффективности захвата частиц пузырьком; II - универсальная газовая постоянная, 8314 Дж/(кмоль-К); Т - абсолютная температура, К;

¡з - токовая нагрузка (отношение силы тока к площади поперечного сечения флотационной камеры), А/м2;

гп - среднии радиус пузырьков, м; Р - число Фарадея, Кл/кмоль; Р - давление газа в пузырьке, Па; т - время флотации, с;

- объем флотационной камеры, м3; 0 - объемный расход очищаемой жидкости м3/с.

Для расчета степени очистки и рабочих параметров по кинетическим уравнениям электрофлотации, необходимо определить величину коэффициента эффективности захвата капель нефтепродуктов пузырьком (е). По экспериментальным данным были рассчитаны его значения и установлено, что коэффициент эффективности захвата частиц падает с увеличением объемной плотности тока и времени флотации (для непрерывной электрофлотации - с увеличением времени пребывания жидкости в камере флотации, что соответствует снижению объемного расхода НВ). Этот эффект объясняется полидисперсностью эмульсии дизтоплива и снижением эффективности захвата капель по мере уменьшения их среднего размера в результате обеднения раствора по крупным каплям в ходе электрофлотационного процесса.

Для определения значений коэффициента эффективности захвата капель эмульсии при любых скоростях барботажа и временах флотации был выполнен регрессионный анализ полученных экспериментальных данных.

Наилучшую сходимость с экспериментальными данными (которая оценивалась по сумме квадратов отклонений расчетных значений е от экспериментальных) для периодической и непрерывной флотации дают регрессионные уравнения следующего вида:

к

-СТ + ^ш, (3)

д{т + т0)

где т - время флотации, с;

к - эмпирический коэффициент, м-с;

т0 - эмпирический коэффициент, с;

q - скорость барботажа (удельный объемный расход флотогаза), м/с;

ёщщ - минимальное значение коэффициента эффективности захвата капель;

Ет — коэффициент эффективности захвата капель.

Сходимость расчетных и экспериментальных данных для непрерывной

безреагентной флотации представлена на рисунке 7.

3,5

3,0

2,5

« 2,0 о

7 1,5

to ' 1,0 0,5 0,0

\

\х \»

\\ \\

л V

V4

__

»--" +

10

30

50

70 т, мин.

-♦-250 А/м3 эксп -±-500 А/м3 эксп -•-5000 А/м3 эксп ---250 А/м1 расч---500 А/м3 расч---5000 А/м3 расч

Рисунок 7 - Зависимость степени очистки от объемной плотности тока и скорости подачи раствора по данным эксперимента и по соотношению (4)

При электрофлотации без добавок флотореагентов с учетом полученных значений к и т0 (вычисленных путем численной минимизации функции потерь -суммы квадратов отклонений расчетных значений е от эмпирических) соотношение (3) приобретает вид:

0,155

е. =-

- + 3x10"

(4)

Я(т + 160)

Аналогичное регрессионное уравнение для флотации с добавкой 3 мл/л АКФК имеет вид:

6,06x10

- + 2,23x10"

(5)

1 Ч(т + 33)

Статистическая оценка адекватности полученных уравнений регрессии проводилась анализом остаточного ряда по правилам Гаусса-Маркова. Показано, что полученные уравнения регрессии адекватны экспериментальным данным.

В четвертом разделе представлены практические рекомендации по совершенствованию ССОО.

Для оценки эффективности функционирования внесудовой подсистемы ССОО с целью дальнейшего решения оптимизационных задач предлагается использовать имитационное моделирование, основные этапы которого приведены на рисунке 8. На основе результатов моделирования могут приниматься те или

иные организационные решения. Так, факт поступления отходов в окружающую

15

среду, завышенные показатели времени, затраченного судами на сдачу отходов и ожидания клиентов отходосборщиками, свидетельствуют о необходимости изменить дислокацию внесудовых водоохранных средств или их количество.

Исходные данные для моделирования

Выходные данные

Суда-отходосборщики

Суда-отходосдатчики

I"

\о о

1 §

|ЕЗ

й

В Й

3 н

§ 1 о. е

я я

2 & й я

Е о

1

о. Й к °

|Г

2 <=£ в о

Рисунок 8 - Этапы моделирования внесудовой подсистемы ССОО на РТС Разработанная имитационная модель ССОО была использована для моделирования системы сбора НВ ОАО «Пассажирский Порт» («Столичная Судоходная Компания») на основе проведенного анализа системы сбора судовых отходов, состава флота и маршрутов пассажирских судов, статистических данных по сдаче судовых отходов. Полученные результаты моделирования показали адекватность построенной модели реальной ССОО, подтвердили экологическую безопасность эксплуатации судов компании и выявили возможности использования ССОО компании для обслуживания сторонних судов.

На основе регрессионных уравнений для расчета е были получены соотношения для определения конструктивных параметров электрофлотационного

16

оборудования, времени проведения процесса очистки и объемного расхода НВ.

При периодической электрофлотации объем флотатора выбирается по суточному накоплению НВ, рекомендуемое значение - 0,5-1 м3. Время очистки т (в минутах), с учетом значений коэффициента эффективности захвата капель, рассчитанных по (4) и (5), определяется по формулам: - для безреагентной флотации:

1027

-1п

' С, ^

с

Ч кои

■ для флотации с добавкой 3 мл/л АКФК:

С„

293. х =-ш

с

Ч ЮН /

(6)

(7)

где 18 - токовая нагрузка, А/м2;

С0 и СКон- начальная и конечная концентрация НВ, мл/л.

При проектировании проточных многокамерных электрофлотаторов рассчитывается суммарный объем камер = \^прот + ^/прям)) исходя из заданного среднего объемного расхода НВ (<3, м^ч), ожидаемого начального и требуемого конечного содержаний нефтепродуктов (С0 и СКон). а также токовой нагрузки (¡э, А/м2):

- для безреагентной флотации:

17х1п

С

\ КОН /

хв

- для флотации с добавкой 3 мл/л АКФК:

4,9 х1п

цг --

(8)

(9)

Объем противоточных камер ограничен средней скоростью движения жидкости ижнд< 7-10 см/мин. (из условия предотвращения уноса пузырьков) и рассчитывается по формуле:

(Ю)

Проведенные расчеты экономической эффективности от реализации разработанных рекомендаций по совершенствованию ССОО показали, что общий прирост прибыли от совершенствования судовой подсистемы (внедрения элек-

трофлотационных технологий) на судах речного транспорта может составить до 148 млн. рублей (в ценах 2009 года).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований решена научная задача по разработке эффективных направлений совершенствования существующей системы сбора и очистки судовых отходов, обеспечивающей повышение безопасности эксплуатации и автономности плавания судов. Полученные при этом лично автором и отличающиеся научной новизной и практической значимостью результаты заключаются в следующем:

1. Показано, что задача повышения безопасности эксплуатации судов для окружающей среды является актуальной и должна решаться путем совершенствования система сбора и обработки отходов.

2. Проведенный системный анализ структуры и особенностей функционирования системы сбора и обработки отходов на речной транспортной сети, показал необходимость рационального размещения водоохранных средств с использованием методов математического моделирования. Установлено, что задачам моделирования системы сбора и обработки отходов на речной транспортной сети в наибольшей степени отвечает способ имитационного математического моделирования с использованием непрерывно-стохастической схемы (Q-схемы), функционирующей на основе метода статистических испытаний по алгоритму «At».

3. Разработана методика построения имитационной математической модели внесудовой подсистемы системы сбора и обработки отходов на речной транспортной сети. На основе статистических данных эксплуатации пассажирского флота ОАО «Пассажирский Порт» («Столичная Судоходная Компания») проанализирован процесс накопления и сдачи судовых отходов, на основе чего построена математическая модель системы сбора нефтесодержащих сточных вод с использованием специализированного программного обеспечения «SSS». Результаты расчетов по созданной модели соответствуют реальным данным, что позволяет сделать вывод об адекватности построенной модели.

4. Исследовано влияние основных параметров процесса электрофлотации

18

на эффективность очистки.нефтесодержащие воды. Выбран наиболее эффективный флотореагент алюмокремниевый флокулянт-коагулянт, использование которого позволяет в 3,5 раза увеличить производительность проточных электрофлотаторов или настолько же сократить время очистки - для периодического способа электрофлотации. Получены регрессионные уравнения, позволяющие рассчитать время, необходимое для очистки нефтесодержащих вод до требуемой степени. Разработаны рекомендации для подбора оборудования и определены оптимальные условия проведения электрофлотационной очистки нефтесодержащих вод.

5. Разработанные принципы построения математической модели системы сбора судовых отходов и обоснованный метод электрофлотации для очистки нефтесодержащих вод и его аппаратурное оформление, использованы в учебном процессе МГАВТ, при планировании размещения водоохранных технических средств для сбора судовых отходов на речной транспортной сети и совершенствовании технических средств очистки нефтесодержащих вод, при выполнении исследований в области поисках наиболее эффективных путей и методов предотвращения загрязнения водной среды судовыми отходами.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Работы, опубликованные в изданиях из рекомендованного ВАК перечня

1. Колесников В.А., Капустин Ю.И., Матвеева Е.В., Минаева И.А. Электрофлотационная очистка нефтесодержащих сточных вод судов / Безопасность жизнедеятельности. -2009. -№7 (103). -С. 30-35

2. Минаева И.А., Колесников В.А., Капустин Ю.И., Матвеева Е.В. Использование флотореагентов при электрофлотационной очистке подсланевых вод 1 Речной транспорт (XXI век). -2009. -№3. -С. 72-75

3. Минаева И.А. Гидродинамика электрофлотации нефтесодержащих сточных вод / Вода: Химия и экология. —2009. —№6. —С. 9-14

4. Новиков В.К., Савельев В.Г., Минаева И.А. Совершенствование системы обеспечения безопасности эксплуатации судов для окружающей среды / Речной транспорт (XXI век). -2010. №5. -С. 76-78

Остальные работы

5. Попов Г.П., Тихонов Г.П., Минаева И.А. и др. Сравнительная характеристика процесса эмульгирования и коалесценции нефтепродуктов в различных средах при очистке сточных вод / Экологическая безопасность регионов России: Материалы семинара, -Пенза, 1998. -С. 31.

6. Минаева И.А., Савельев В.Г., Попов Г.П. и др. О влиянии состава газов на флотацию вод, загрязненных нефтепродуктами / Проблемы, способы и средства защиты окружающей среды от загрязнений нефтью и нефтепродуктами: материалы научно-технического семинара, ГУП В ИМИ, 6-9 апреля 1999, -М., 1999. -С. 26.

7. Минаева И.А., Попов Г.П., Тихонов Г.П. и др. К вопросу очистки вод от нефтепродуктов судовыми сепараторными установками / Безопасность XXI века: Материалы заочной конф. - СПб.: МАНЭБ, 2000. - С. 86.

8. Исследование путей повышения эффективности водоочистки на судах Речфлота: отчет о НИР (заключ.): 01.2.002 10492 / ФГНУ ЦИТ и С; рук. В.Г. Савельев; исполн. И.А. Минаева [и др.] - М.: Альтаир-МГАВТ, 2002. -88 с.

9. Минаева И.А. Некоторые вопросы моделирования размещения средств внесудовой очистки / И.А. Минаева // XXIV НПК ППС, научных сотрудников и аспирантов МГАВТ: Материалы науч. конф., 2002.

10. Исследование актуальных вопросов экологии на водном транспорте: Отчет по НИР: 0120.0712360 / ФГНУ ЦИТ и С; рук. В.К Новиков В.К.; исполн., Минаева И.А. [и др.] -М.: Альтаир-МГАВТ, 2007. - 116 с.

11. Исследование экологических последствий от загрязнения водной среды нефтью: Отчет о НИР: 0120.0807374 / ФГНУ ЦИТ и С; рук. В.К Новиков В.К.; исполн., Минаева И.А. [и др.] -М.: Альтаир-МГАВТ, 2008. - 104 с.

12. Минаева И.А., Колесников В.А., Капустин Ю.И., Матвеева Е.В. Кинетика электрофлотационной очистки судовых сточных вод от нефтепродуктов / Химическая промышленность сегодня. —2009. -№ 10. -С. 32-38

ДЛЯ ЗАМЕТОК

Минаева Ирина Анатольевна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ СБОРА И ОБРАБОТКИ СУДОВЫХ ОТХОДОВ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ СУДОВ

Подписано в печать "с/^" марта 2011 г. Формат 60x90/16 Объем : .

Заказ тМЗ Тираж 80 экз.

Издательство "Альтаир" Московская государственная академия водного транспорта 117105 г. Москва, Новоданиловская набережная, д.2 корп.1

Перечень принятых сокращений и обозначений.

ВВЕДЕНИЕ.

1 СИСТЕМА СБОРА И ОБРАБОТКИ СУДОВЫХ ОТХОДОВ КАК ИСТОЧНИК ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ СУДОВ ДЛЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ И ОБОСНОВАНИЕ ПУТЕЙ ЕЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ.

1.1 Виды судовых отходов и их влияние на состояние окружающей среды.

1.2 Анализ существующей системы сбора и обработки судовых отходов.

1.2.1 Структура и состав системы, требования к ней.

1.2.2 Особенности функционирования системы.

1.3 Выбор метода моделирования системы сбора и обработки отходов.

1.3.1 Классификация видов моделирования систем.

1.3.2 Основные типовые схемы моделирования.

1.3.3 Алгоритмы имитационного моделирования систем по С>-схеме.

1.3.4 Моделирование систем методом статистических испытаний.

1.4 Состояние существующих методов и технических средств сбора и обработки судовых отходов и возможные пути их совершенствования.

1.4.1 Методы и технические средства сбора и обработки сточных вод.

1.4.2 Методы и технические средства сбора и обработки мусора.

1.4.3 Методы и технические средства сбора и обработки нефтесодержащих вод

1.4.4 Оборудование для очистки нефтесодержащих вод, применяемое в промышленности и на водном транспорте.

Выводы по разделу.

2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВНЕСУДОВОЙ ПОДСИСТЕМЫ СБОРА

И ОБРАБОТКИ СУДОВЫХ ОТХОДОВ НА РЕЧНОЙ ТРАНСПОРТНОЙ СЕТИ

2.1 Концептуальная модель внесудовой подсистемы сбора и обработки отходов.

2.2 Формализация основных объектов имитационной математической модели системы сбора и обработки отходов.

2.2.1 Формализация процессов накопления и сдачи отходов.

2.2.2 Формализация функционирования речной транспортной сети.

2.2.3 Технические параметры судов.

2.2.4 Общая схема моделирования «жизнедеятельности» судов.

2.2.5 Стохастические компоненты модели.

2.3 Построение моделирующего алгоритма для системы сбора и обработки отходов на речной транспортной сети.

2.4 Машинная реализация модели внесудовой подсистемы сбора и обработки отходов и описание программного обеспечения «888».

Выводы по разделу.

3 ЭЛЕКТРОФЛОТАЦИОННАЯ ОЧИСТКА НЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ ВОД.

3.1 Результаты исследований влияния параметров процесса электрофлотации нефтесодержащих вод на эффективность их очистки.

3.1.1 Основные факторы, влияющие на эффективность электрофлотации.

3.1.2 Влияние технологических параметров при периодической электрофлотации.

3.1.3 Влияние технологических параметров при проточной электрофлотации

3.2 Расчетный анализ гидродинамики процессов, протекающих при электрофлотации.

3.2.1 Влияние гидродинамических факторов на процесс электрофлотации.

3.2.2 Оценка дисперсности пузырьков флотогаза.

3.2.3 Гидродинамический режим обтекания пузырьков флотогаза.

3.2.4 Расчетная оценка фазово-дисперсного состава нефтесодержащих вод.

3.2.5 Гидродинамический режим обтекания капель эмульсии дизтоплива.

3.2.6 Гидродинамический режим обтекания флотокомплексов.

3.2.7 Гидродинамический режим камер проточного электрофлотатора.

3.3 Анализ кинетики электрофлотации эмульсий нефтепродуктов.

3.3.1 Расчет значений коэффициента эффективности захвата капель нефтепродуктов по кинетическим уравнениям электрофлотации.

3.3.2 Регрессионный анализ зависимости коэффициента эффективности захвата капель от скорости барботажа и времени флотации.

3.3.3 Выбор оптимальных условий электрофлотационной очистки.

Выводы по разделу.

Концепция развития внутреннего водного транспорта Российской Федерации в период до 2015 года [1] в качестве одной из основных задач по улучшению условий функционирования отрасли называет обеспечение безопасности судоходства на внутренних водных путях, в том числе безопасности для окружающей среды (экологической безопасности), то есть исключению негативного воздействия флота на состояние окружающей среды.

Сброс всех загрязнителей в водные объекты без предварительной очистки строго запрещен как международными, так и российскими нормативными документами [2-5]. С целью предотвращения загрязнения водных объектов при эксплуатации речного флота, на основе Правил по предотвращению загрязнения с судов внутреннего плавания Российского Речного Регистра [6] и Правил по предотвращению загрязнений с судов (конструкция и оборудование) Речного Регистра [7] разработаны «Правила экологической безопасности для судов внутреннего и смешанного плавания» [8]. Введено новое понятие «автономность плавания по условиям экологической безопасности». Это расчетная величина, определяющая длительность эксплуатации судна без необходимости подхода к приемным устройствам для сдачи сточных вод (СВ), нефтесодержащих вод (НВ), мусора. Для обеспечения указанной автономности все суда должны быть оснащены сборными цистернами сточных вод и нефтесодержащих вод, а также сборной емкостью для мусора.

Расчетная автономность плавания по всем видам судовых отходов должна соответствовать экологической характеристике водного пути (ЭХВП), определяемой количеством и дислокацией приемных устройств в районе эксплуатации судна. В случае наличия на судах судового водоохранного оборудования автономность плавания принимается неограниченной.

Состав водоохранных средств для судов, которые могут быть как судовыми, так и внесудовыми, определяется с учетом следующих основных факторов: - возможность размещения на судне соответствующего оборудования;

- возможность передачи судовых отходов на внесудовые объекты;

- возможность расстановки внесудовых объектов, обеспечивающей наиболее полное их использование и эффективную обработку судов;

- состав комплекса средств для внесудовой обработки судовых отходов.

Вместе с тем, сложившаяся к настоящему времени на внутренних водных путях (ВВП) России система сбора и обработки судовых отходов (ССОО) была сформирована исходя из технических возможностей и потребностей речного транспорта в предыдущие десятилетия. Расположение, вид и количество внесудовых водоохранных технических средств иногда определяются без учета изменений в особенностях структуры обслуживаемого флота и специфики его эксплуатации, что может приводить к неправильным оценкам потребностей в капиталовложениях, эксплуатационных расходах и к снижению их эффективности.

Общие для всей системы внутреннего водного транспорта проблемы, такие как возрастная структура и техническое состояние флота, дефицит современных судов, развитие судоходства на малых реках, поэтапное открытие ВВП для судов под флагом иностранных государств требуют внесения изменений в сложившуюся ССОО. Один из возможных путей совершенствования ССОО -оптимизация расположения ее объектов с использованием методов математиче-, ского моделирования.

При рассмотрении экологического аспекта безопасности эксплуатации судов особое внимание уделяется предотвращению загрязнения водной среды НВ, представляющими особую опасность в связи с подвижностью и стойкостью к процессам химического и биологического разложения. Количество образующихся НВ зависит от типа судна, его технического состояния, особенностей силовой установки (мощности главного двигателя) и условий эксплуатации. Имеющийся опыт эксплуатации речного флота показывает, что накопление НВ составляет порядка 100-400 л в сутки.

Скорость окисления нефтепродуктов при температуре воды ниже 10-15 °С практически равна нулю [9]. В этих условиях при поступлении в воду новых порций нефтепродуктов начинается необратимый процесс их накопления, который ведет к выключению нефтепродуктов из биологического кругооборота веществ, резкому падению самоочищающей способности водного объекта со всеми вытекающими отсюда негативными последствиями для водной среды и ее обитателей.

За последние 20 лет нормы очистки HB изменились с 25 мг нефтепродуктов в каждом литре очищенной воды до 8 мг для транспортных и прочих судов, кроме специализированных [10]. Для специализированных судов на внутренних водных путях нормативное содержание нефти в сбросе составляет 5 мг/л [10].

Проблема предотвращения загрязнения водных объектов нефтью и нефтепродуктами в результате эксплуатации объектов ВТ решается в настоящее время путем разработки и внедрения технологий по очистке HB с использованием различных технических средств. Однако постоянное ужесточение требований в области охраны окружающей среды приводит к тому, что используемые технологии и технические средства не обеспечивают степень очистки, отвечающую современным нормативам. Одной из причин такого положения является то, что применяемое очистное оборудование на ВТ основано на механических способах очистки HB, которые не обладают достаточной эффективностью при извлечении нефтепродуктов до требуемых нормативных значений, исключающих загрязнение водной среды [5, 10].

Совокупность этих обстоятельств обуславливает актуальность исследований по поиску наиболее эффективных и экономически выгодных методов и технологий сбора и обработки судовых отходов. При этом, задачу повышения безопасности эксплуатации судов речного транспорта по экологическим показателям необходимо решать комплексно, путем оптимизации размещения вне-судовых водоохранных средств, и внедрения более эффективных технологий очистки судовых вод, в особенности нефтесодержащих подсланевых вод.

Методологической базой исследований в области математического моделирования систем являются работы таких ученых как А. Эрланг, А.К. Митро-польский, А.Н. Колмогоров, А.Я. Хинчин, Н.П. Бусленко. Изучение электрофлотации выполнялось на основе работ таких ученых как А.Н. Фрумкин, H.H. Рулев, С.С. Духин, Б.М. Матов, A.A. Мамаков и В.А Колесников.

Научная задача данной диссертационной работы заключается в разработке эффективных направлений совершенствования системы сбора и обработки судовых отходов, обеспечивающей повышение безопасности эксплуатации и автономности плавания судов.

Цель работы - совершенствование системы сбора и обработки судовых отходов путем использования методов математического моделирования речной транспортной сети для оптимизации размещения внесудовых водоохранных технических средств и применения электрофлотационной технологии для очистки судовых нефтесодержащих вод.

Для достижения поставленной цели задачами исследований являются:

1. Анализ состояния существующей системы сбора и обработки судовых отходов как источника обеспечения безопасности эксплуатации судов для окружающей среды и обоснование путей се совершенствования.

2. Разработка методики моделирования внесудовой подсистемы сбора и обработки отходов на речной транспортной сети и создание имитационной модели для оценки вариантов размещения внесудовых водоохранных технических средств.

3.Исследование кинетики электрофлотации водных эмульсий нефтепродуктов и оценка влияния различных параметров процесса электрофлотации на эффективность очистки судовых нефтесодержащих вод.

4. Разработка практических рекомендаций по использованию электрофлотаторов для очистки судовых нефтесодержащих вод.

Объект исследования - система сбора и обработки судовых отходов.

Предметом исследования являются математические модели для оценки вариантов размещения внесудовых водоохранных технических средств и электр о флотационный метод очистки нефтесодержащих вод.

Методы исследований: системный анализ, математическое моделирование, математическая статистика, лабораторное моделирование процесса Электр оф дотационной очистки судовых нефтесодержащих вод.

Научная новизна диссертационной работы:

1. Для системы сбора и обработки отходов на речной транспортной сети разработана методика построения математической модели. Показано, что такая система представляет собой двухфазную многоканальную систему массового обслуживания (СМО) и ее математическое моделирование наиболее рационально выполнять по типовой непрерывно-стохастической схеме (С)-схеме), способом имитационного моделирования на основе метода статистических испытаний (Монте-Карло) с использованием детерминированного алгоритма (алгоритма постоянного приращения по времени).

2. Разработан моделирующий алгоритм внесудовой подсистемы сбора и обработки судовых отходов на речной транспортной сети.

3. Определена структура исходной информации для машинной реализации модели.

4. Построена математическая модель системы сбора нефтесодержащих вод пассажирского флота «Столичной Судоходной Компании» на основе разработанной методики.

5. Исследована кинетика электрофлотационного извлечения нефтепродуктов из нефтесодержащих вод. Получены регрессионные уравнения, выражающие зависимость степени очистки от основных параметров процесса.

6. Оценено влияние флотореагентов на процесс электрофлотационного извлечения нефтепродуктов из нефтесодержащих вод. Определен наиболее эффективный для интенсификации данного процесса флотореагент - алюмокрем-ниевый флокулянт-коагулянт.

7. Определены оптимальные значения рабочих параметров электрофлотаторов на основе теоретического анализа гидродинамики процесса, опытных данных по кинетике электрофлотации и полученных регрессионных уравнений.

Практическая значимость полученных результатов исследований заключается в использовании разработанной методики моделирования внесудовой подсистемы сбора и обработки судовых отходов и метода электрофлотации для очистки судовых нефтесодержащих вод с рекомендуемым оборудованием:

- при планировании размещения водоохранных технических средств для сбора судовых отходов на реальной речной транспортной сети;

- при совершенствовании технических средств очистки нефтесодержа-щих вод на судах;

- в ходе выполнения дальнейших исследований в области поиска наиболее эффективных путей и методов предотвращения загрязнения водной среды судовыми отходами;

- в учебном процессе МГАВТ в курсе «Экология водного транспорта», «Охрана окружающей среды».

Достоверность и обоснованность полученных результатов исследований, выводов и рекомендаций подтверждается корректным применением теории системного анализа и статистической обработки экспериментальных данных, использованием в ходе экспериментов аттестованной аппаратуры и приборов, корректностью и логической обоснованностью допущений, принятых при разработке математических моделей.

Реализация результатов исследований:

- при планировании работы внесудовых водоохранных технических средств в «Столичной Судоходной Компании» (подтверждено актом внедрения);

- в учебном процессе кафедры физики и химии, а также на Факультете дополнительного профессионального образования МГАВТ (подтверждено актом внедрения);

- при выполнении научно-исследовательских работ МГАВТ.

Положения, выносимые на защиту.

1. Научно-методические принципы построения имитационной математической модели внесудовой подсистемы сбора и обработки отходов на речной транспортной сети.

2. Результаты теоретического и экспериментального изучения кинетики электрофлотационной очистки нефтесодержащих вод.

3. Методы расчета времени электрофлотации и объемного расхода нефтесодержащих вод для обеспечения требуемой степени очистки.

12

4. Практические рекомендации по планированию размещения водоохранных внесудовых технических средств и совершенствованию технических средств очистки нефтесодержащих вод.

Личный вклад автора: Автором разработана методика построения имитационной модели системы сбора и обработки судовых отходов, выполнен теоретический анализ гидродинамики и кинетики электрофлотации судовых нефтесодержащих вод, выполнены экспериментальные исследования электрофлотации нефтесодержащих вод, осуществлен научно обоснованный выбор электрофлотационного оборудования.

Апробация работы: Полученные результаты исследований представлялись и получили одобрение на:

- семинарах «Экологическая безопасность регионов России», Пенза, 1998 г. и «Проблемы, способы и средства защиты окружающей среды от загрязнений нефтью и нефтепродуктами», ГУП «ВИМИ», 6-9 апреля 1999 г.;

- конференции «Безопасность XXI века». СПб, 2000 г.;

- XXIV научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов МГАВТ.

Публикации: Материалы исследований опубликованы в 12 печатных работах, в том числе: четыре статьи — в журналах, входящих в перечень ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка использованных источников в количестве 97 работ и 5 приложений. Общий объем работы составляет 168 страниц машинописного текста, в том числе 143 страницы основного текста, содержащего 33 рисунка и 32 таблицы, и 25 страниц приложений.

Выводы по разделу

1. На основе статистических данных по эксплуатации пассажирского флота «Столичной Судоходной Компании» проанализирован процесс накопления и сдачи судовых отходов, построена математическая модель системы сбора нефтесодержащих сточных вод с использованием специализированного ПО «888». Результаты расчетов по созданной модели соответствуют реальным данным по сдаче подсланевых вод, что позволяет сделать вывод о её адекватности.

2. По результатам экспериментальных и теоретических исследований процеса электрофлотации предложено для внесудовой очистки НПВ использовать проточный способ электрофлотации без добавки флотореагентов, для судовой - периодический способ электрофлотации также без добавки флотореагентов. При необходимости переработки большого объема НПВ предложено использовать проточный способ электрофлотации с добавкой АКФК .

3. Выполнен подбор оборудования и определены оптимальные условия проведения электрофлотационной очистки. Выработаны рекомендации по эксплуатации оборудования при электрофлотационной очистке, в том числе, рекомендации по пожаро- и взрыво- безопасности. Разработана технологическая схема для электрофлотационной очистки НПВ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований решена научная задача по разработке эффективных направлений совершенствования существующей системы сбора и очистки судовых отходов, обеспечивающей повышение безопасности эксплуатации и автономности плавания судов. Полученные при этом лично автором и отличающиеся научной новизной и практической значимостью результаты заключаются в следующем:

1. Показано, что задача повышения безопасности эксплуатации судов для окружающей среды является актуальной и должна решаться путем совершенствования системы сбора и обработки отходов.

2. Проведенный системный анализ структуры и особенностей функционирования системы сбора и обработки отходов на речной транспортной сети, показал необходимость рационального размещения водоохранных средств с использованием методов математического моделирования. Установлено, что задачам моделирования системы сбора и обработки отходов на речной транспортной сети в наибольшей степени отвечает способ имитационного математического моделирования с использованием непрерывно-стохастической схемы (р-схемы), функционирующей на основе метода статистических испытаний по алгоритму «ДЪ>.

3. Разработана методика построения имитационной математической модели внесудовой подсистемы системы сбора и обработки отходов на речной транспортной сети. На основе статистических данных эксплуатации пассажирского флота ОАО «Пассажирский Порт» («Столичная Судоходная Компания») проанализирован процесс накопления и сдачи судовых отходов, на основе чего построена математическая модель системы сбора нефтесодержащих сточных вод с использованием специализированного ПО «888». Результаты расчетов по созданной модели соответствуют реальным данным, что позволяет сделать вывод об адекватности построенной модели.

4. Исследовано влияние основных параметров процесса электро флотации на эффективность очистки НВ. Выбран наиболее эффективный флотореагент алюмокремниевый флокулянт-коагулянт, использование которого позволяет в 3,5 раза увеличить производительность проточных электрофлотаторов или настолько же сократить время очистки - для периодического способа электр о флотации. Получены регрессионные уравнения, позволяющие рассчитать время, необходимое для очистки НВ до требуемой степени. Разработаны рекомендации для подбора оборудования и определены оптимальные условия проведения электрофлотационной очистки НВ.

5. Разработанные принципы построения математической модели системы сбора судовых отходов и обоснованный метод электрофлотации для очистки НВ и его аппаратурное оформление, использованы в учебном процессе МГАВТ, при планировании размещения водоохранных технических средств для сбора судовых отходов на РТС и совершенствовании технических средств очистки НВ, при выполнении исследований в области поисках наиболее эффективных путей и методов предотвращения загрязнения водной среды судовыми отходами

1. Концепция развития внутреннего водного транспорта Российской Федерации в период до 2015 года. Распоряжение Правительства РФ от 03 июля 2003 г. N 909-р.

2. Федеральный закон от 10.01.2002 N 7-ФЗ (ред. от 14.03.2009) «Об охране окружающей среды»

3. Международная конвенция по предотвращению загрязнения с судов 1973 года с Протоколом 1978 года «Наставление по предотвращению загрязнения с судов» (МАРПОЛ 73/78)4. «Водный кодекс Российской Федерации» от 03.06.2006 N 74-ФЗ

4. СанПиН 2.5.2-703-98 «Суда внутреннего и смешанного (река-море) плавания»

5. Российский Речной Регистр. Правила. Т. 4. Правила классификации и постройки судов смешанного (река-море) плавания (ПССП). Правила экологической безопасности судов (ПЭБ). М.: «По Волге», 2002. - 197 с.

6. Правила по предотвращению загрязнения с судов (конструкция и оборудование): Речной Регистр РСФСР. -1983.

7. Правила экологической безопасности для судов внутреннего и смешанного плавания. -М.: РосКонсульт, 1993. 52 с.

8. Тув И.А. Судовые технические средства предотвращения загрязнения водоемов нефтепродуктами / И.А. Тув; -М.: Транспорт, 1976. — 128 с.

9. Наставление по предотвращению загрязнения внутренних водных путей при эксплуатации судов: РД 152-011-00.

10. Новиков В.К., Слуцкая С.А., Минаева И.А. и др. Исследование экологических последствий от загрязнения водной среды нефтью: Отчет по НИР № 230-М / ФГНУ ЦИТ и С; рук. В.К. Новиков, исполн. И.А. Минаева и др. М.: МГАВТ; 2008. -104 с.

11. Новиков В.К., Минаева И.А., Кузьмичева В.А. и др. Исследование актуальных вопросов экологии на водном транспорте: отчет о НИР № 213-М:012.007 12360 / ФГНУ ЦИТ и С; рук. В.К. Новиков; исполн. H.A. Минаева и др. М.: МГАВТ; 2007. -116 с.

12. Исследование путей повышения эффективности водоочистки на судах Речфлота: отчет о НИР № 110-2002 (заключ.): 01.2.002 10492 / ФГНУ ЦИТ и С; рук. В.Г. Савельев; исполн. И.А. Минаева и др. М.: МГАВТ, 2002. - 88 с,-Инв. №0220.0712360

13. Минаева И.А. К вопросу очистки вод от нефтепродуктов судовыми сепараторными установками / И.А. Минаева, Г.П. Попов, Г.П. Тихонов, В.Г. Савельев // Безопасность XXI века: Материалы заочной конференции, Изд-во МАНЭБ, -СПб, 2000. -С. 86.

14. Минаева И.А. Некоторые вопросы моделирования размещения средств внесудовой очистки / И.А. Минаева // XXIV научно-практическая конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов МГАВТ: Материалы науч. конф., 2002.

15. Колесников В.А. Электрофлотационная очистка нефтссодержащих сточных вод судов / В.А. Колесников, Ю.И. Капустин, Е.В. Матвеева, И.А. Минаева // Безопасность жизнедеятельности. -2009. —№7 (103). -С. 30-35

16. Минаева И.А. Использование флотореагентов при электрофлотационной очистке подсланевых вод / И.А. Минаева, В.А. Колесников, Ю.И. Капустин, Е.В. Матвеева // Речной транспорт (XXI век). -2009. -№3. -С. 72-75

17. Минаева И.А. Кинетика электрофлотационной очистки судовых сточных вод от нефтепродуктов / И.А. Минаева, В.А. Колесников, Ю.И. Капустин, Е.В. Матвеева// Химическая промышленность сегодня.-2009. -№ 10. -С. 32-38

18. Минаева И.А. Гидродинамика электрофлотации нефтесодержащих сточных вод / И.А. Минаева // Вода: Химия и экология. -2009. -№6. -С. 9-14

19. Новиков В.К. Совершенствование системы обеспечения безопасности эксплуатации судов для окружающей среды / В.К. Новиков, В.Г. Савельев, И.А. Минаева // Речной транспорт (XXI век). -2010. -№5. -С. 76-78

20. Голубева М.Т. Влияние сточных вод, содержащих нефть и нефтепродукты на санитарное состояние водоемов и обоснование гигиенического нормирования их в воде водоемов / М.Т. Голубева // Производственные сточные воды, Вып. 5, -М.: Медгиз, 1960. С. 14-33.

21. Гусев А.Г. Влияние сточных вод, содержащих нефть и нефтепродукты на рыб, и обоснование нормирования их при сбросе сточных вод в рыбохозяй-ственные водоемы / А.Г. Гусев // Производственные сточные воды. Вып. 5, -М.: Медгиз, 1960. С. 34-43.

22. Тимонин A.C. Инженерно-экологический справочник. В 2 т. Т. 2. / A.C. Тимонин; -Калуга, Изд-во Н. Бочкаревой, 2003. -884 с.

23. Жилин Д.М. Теория систем: опыт построения курса. Изд. 2-е, испр. -М.: Едиториал УРСС, 2004. 184 с.

24. Горелова B.JL, Мельникова E.H. Основы прогнозирования систем: Учебн. пособ. для инж.-экон. спец. вузов. Высш. шк., 1986. - 287 с.

25. Саркисян С.А., Голованов JI.B. Прогнозирование развития больших систем. М.: «Статистика», 1975. 192 с.

26. Решняк В.И. Технология и техника очистки сточной воды: Учебное пособие / В.И. Решняк; -СПб.: СПГУВК, 1998. -35 с.

27. Дегтярев B.B. Охрана окружающей среды: учебник для студентов ин-тов водного транспорта / В.В. Дегтярев. -М.: Транспорт, 1989. -207 с.

28. Калугин В.Н. Технологии обработки мусора на судах. Инсинераторы Одесса, Негоциант, 2006. - 52 с.

29. Средства очистки жидкостей на судах: Справ. / Под ред. к.т.н. И.А. Иванова, -Л.: Судостроение, 1984. -272 с.

30. Советов Б.Я. Моделирование систем: Учебник для вузов / Б.Я. Советов, С.А. Яковлев; М.: Высшая школа, 2001. -343 с.

31. Веников В.А. Теория подобия и моделирования (применительно к задачам электроэнергетики): Учебник для вузов по спец. «Кибернетика электр. систем». -3-е изд., переработанное и доп. / В.А. Веников, Г.В. Веников; М.: Высшая школа, 1984. -439 с.

32. Ермаков С.М. Математический эксперимент с моделями сложных стохастических систем / С.М. Ермаков, В.Б. Мелас; Санкт-Петербургский государственный университет. — СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 1993. -269 с.

33. Имитационное моделирование производственных систем / Под ред. A.A. Вавилова; -Москва-Берлин: Машиностроение Техника, 1983. -416 с.

34. Полляк Ю.Г. Статистическое машинное моделирование средств связи / Ю.Г. Полляк, В.А. Филимонов; -М.: Радио и связь (серия СТС вып. 30), 1988.-176 с.

35. Клейнен Дж. Статистические методы в имитационном моделировании / Дж. Клейнен; пер. с англ. под ред. Ю.П. Адлера и В.Н. Варыгина; -М.: Статистика, 1978. Вып. 1-221 е.; Вып. 2 335 с.

36. Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем / Н.П. Бусленко; -М.: Наука, 1978. -400 с.

37. Грис Д. Конструирование компиляторов для цифровых вычислительных ¿машин / Д. Грис; М.: Мир, 1975. -544 с.

38. Аракесян В.В. Автоматная интерпретация гибкого интерфейса человек-ЭВМ / В.В. Аракесян, H.A. Герасимов, А.Г. Григорян, A.M. Лукацкий, Г.С.

39. Нестеренко, А.И. Яковлев // Известия АН СССР. Технологическая кибернетика, 1989.-N5. С. 129-139.

40. Хопкрофт Д. Введение в теорию автоматов, языков и вычислений. 2-е изд. / Д. Хопкрофт; пер. с англ. -М.: Вильяме, 2002. -528 с.

41. Карпов Ю.Г. Теория автоматов / Ю.Г. Карпов; -СПб.: Питер, 2002.224 с.

42. Мелихов А.Н. Ориентированные графы и конечные автоматы / А.Н. Мелихов; -М.: Наука, 1971. -416 с.

43. Блюмин С.Л. Дискретное моделирование систем автоматизации и управления: монография / С.Л. Блюмин, A.M. Корнеев; Липецкий эколого-гу-манитарный институт, -Липецк: ЛЭГИ, 2005. 124 с.

44. Бухараев Р.Г. Вероятностные автоматы / Р.Г. Бухараев; -Казань: КГУ, 1970.-288 с.

45. Бухараев Р.Г. Основы теории вероятностных автоматов / Р.Г. Бухараев; -М.: Наука, 1985. -288 с.

46. Поспелов Д.А. Вероятностные автоматы / Д.А. Поспелов; -М.: Наука, 1970. 178 с.

47. Питерсон Дж. Теория сетей Петри и моделирование систем / Дж. Пи-терсон; М.: Мир, 1984. - 264 с.

48. Harel D. Statecharts: a Visual Formalism for Complex Systems / D. Harel // Sci. Comput. Prog. 8, 1987. p.231-274.

49. Shelton C.P. Robustness testing of the MicrosoftWin32 API / C.P. Shelton, P. Koopman and K. De Vale // In Proceedings of the International Conference on Dependable Systems and Networks (DSN 2000), IEEE.

50. Бенькович E.C. Практическое моделирование сложных динамических систем / E.C. Бенькович, Ю.Б Колесов, Ю.Б. Сениченков; -СПб.: BHV, 2001. -441 с.

51. Alur R. Hybrid automata: an algorithmic approach to the specification and analysis of hybrid systems / R. Alur, C. Courcoubetis, T. Henzinger, P-T. Ho // In

52. Workshop on Theory of Hybrid Systems, Lyndby, Denmark, June 1993. LNCS 736, Springer-Verlag.

53. Ивченко Г.И. Теория массового обслуживания / Г.И. Ивченко, В.А. Каштанов, И.Н. Коваленко; Учебное пособие для вузов. -М.: Высшая школа, 1982.-256 с.

54. Анапольский В.Н. Актуальные проблемы очистки нефтссодержащих сточных вод / В.Н. Анапольский, K.JI. Прокопьев, С.В. Олиферук, А.П. Романенко // Журнал C.O.K. Сантехника, Отопление, Кондиционирование. -2007. -№ 6.

55. Белов С.В. Охрана окружающей среды / С.В. Белов, Ф.А. Барбинов,

56. A.Ф. Козьяков и др.; -М.: Высшая школа, 1991.-319 с.

57. Бернье Ф. Водоочистка / Ф. Бернье, Ж. Кордонье; -М.: Химия, 1997.288 с.

58. Эйтвуд JI.B. Судовые системы и оборудование для очистки нефтесо-держащих вод: Учебное пособие / JI.B. Эйтвуд; -Калининград, ВИПК Минрыб-хоза СССР, 1984.

59. Разумовский С.Д. Озон и его реакции с органическими соединениями / С.Д. Разумовский, Г.Е. Заиков; -М.: Наука, 1974. -146 с.

60. Товарные нефтепродукты. Свойства и применение: Справ. / Под ред.

61. B.М. Школьникова; -М.: Химия, 1978. -470 с.

62. Waste water technology: origin, collection, treatment and analysis of waste water / Ed. Fresenius; Springer-Verlag-Berlin zeidelberg, 1989. -113 p.

63. Technologie des eaux residuaires: production, collect, traitement et analyse de eaux residuares // Czysz W.; Springer-Verlag-France-Paris, -1989. —1161 p.

64. Kermer K. Physikalisch-chemische Verfahren rar Wasser / Kenner K.; Abwasser, -Schlammbefrandlung und Werstolfrackgenrnnung. Teil 1. Verlag für Bauwesen.-1990.-192 s.

65. Когомовский A.M. Очистка и использование сточных вод в промышленном водоснабжении / А.М. Когомовский, H.A. Клименко, Т.М. Левченко, P.M. Марутовский, И.Т. Рода; -М.: Химия, 1983. -288 с.

66. Montgomery J.M. Water Treatment Principles and Design / J.M. Montgomery; N.Y.: John Wiley & Sons, -1985. -696 p.

67. Мархасин И.Л. Очистка сточных вод от нефтепродуктов, жиров и белков (основы технологии) / И.Л. Мархасин, В.Н. Измайлова, Л.Х. Утяшева, В.Д. Назаров, A.A. Шархаев; -М.: ВИНИТИ, 1988. -180 с.

68. Бараке К. Технические записки по проблемам воды / К. Бараке, Ж. Бе-бен, Ж. Бернор и др.; пер. с англ. под редакцией Каргохиной Т.А. —М.: Строй-издат, 1983.-1064 с.

69. Ксенофонтов Б.С. Очистка сточных вод: флотация и сгущение осадков / Б.С. Ксенофонтов; -М.: Химия, 1992. -144 с.

70. Колесников В.А. Электрофлотационная технология очистки сточных вод промышленных предприятий / В.А. Колесников, В.И. Ильин, Ю.И. Капустин и др. под ред. В.А. Колесникова; — М.: Химия, 2007. —304 с.

71. ГОСТ Р 51797-2001 «Вода питьевая. Метод определения содержания нефтепродуктов»

72. Hosny A.Y. Separation of oil from oil/water emulsions using an electroflo-tation cell with insoluble electrodes / A.Y. Hosny; Filtration & Separation, -1992. -№29 (5),-p. 419-423.

73. Проскуряков В.А. Очистка нефтепроводов и нефтесодержащих вод электрообработкой / В.А. Проскуряков, О.В. Смирнов; -СПб.: Химия, 1992. 111 с.

74. Колесников В.А. Извлечение эмульгированных нефтепродуктов из водных стоков методом электрофлотации / В.А. Колесников, Ю.И. Капустин, И.О. Воробьева, Г.М. Бондарева, Е.В. Матвеева // Вода: Химия и экология. -2008. -№2.

75. Альтшуль А.Д., Киселев П.Г. Гидравлика и аэродинамика (Основы механики жидкости): Учебное пособие для вузов / А.Д. Альтшуль, П.Г. Киселевым.: Стройиздат, 1975. -323 с.

76. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя / Г. Шлихтинг; пер. с нем. под ред. Л.Г. Лойцянского; -М.: Наука, 1974. 712 с.

77. Бакич В. Визуализация потока, обтекающего сферу, при числах Рей-нольдса в интервале от 22 000 до 400 000 / В. Бакич, М. Перич // Теплофизика и аэромеханика, -2005. том 12, -№ 3.

78. Малышкин А.Г. Технология и организация нефтеперевозок на речном транспорте: Учеб. пособие для институтов водного транспорта / А.Г. Малыш-кин, Н.П. Морозов; -М.: Транспорт, 1981. -208 с.

79. Jia-Qian N.J.D. Coagulation of upland coloured water with polyferric sulphate compared to conventional coagulants / N.J.D. Jia-Qian, C. Harward Graham // J.Water SRT-Aqua, 1996.- V.45, No 3. -p.143-154.

80. Патент № 2225838 РФ. Способ получения алюмосиликатного коагулянта / Н.Е. Кручинина, В.Н. Турниер, Б.С. Лисюк, В. Ким; 2002.

81. Айлер Р. Химия кремнезема, т. 1 / Р. Айлер; -М.: Химия, 1982. -1127 с.

82. Вальцифер В.А. Компьютерное моделирование суспензий / В.А. Вальцифер, Н.А. Зверева, Ю.С. Клячкин // Химическая физика и мезоскопия, -1999. -Т.1, №1. -С. 73- 84

83. Армстронг Дж.Р. Моделирование цифровых систем на языке VHDL / Дж.Р. Армстронг; пер. с англ. -М.: Мир, 1992. -175 с.

84. Прицкер А. Введение в имитационное моделирование и язык CJIAMII / А. Прицкер; пер. с англ. -М.: Мир, 1987. -646 с.

85. Алтаев A.A. Имитационное моделирование на языке GPSS / A.A. Ал-таев; -Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, -2001. -122 с.

86. ПНД Ф 14.1:2.19-95 Количественный химический анализ вод. Методика выполнения измерений массовой концентрации химически потребляемого кислорода в пробах природных и сточных вод бихроматно-потенциометричес-ким методом

87. РМГ 29-99 Метрология. Основные термины и определения.

88. МИ 1317-2004 Результаты и характеристики погрешности измерений. Формы представления. Способы использования при испытаниях образцов продукции и контроле их параметров / ФГУП ВНИИМС, М.: 2004

89. Кобзарь А.И. Прикладная математическая статистика. Для инженеров и научных работников / А.И. Кобзарь; М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. - 816 с.

90. Третьяк JI.H. Обработка результатов наблюдений: Учебное пособие / Л.Н. Третьяк; Оренбург: ГОУ ОГУ, 2004. - 171 с.

91. ГОСТ Р 50.1.033-2001. Правила проверки согласия опытного распределения с теоретическим. Часть I. Критерии типа хи-квадрат: Изд. офиц. М.: ИПК Изд-во стандартов, 2002. - 86 с.

92. ГОСТ Р 50.1.037-2002. Правила проверки согласия опытного распределения с теоретическим. Часть И. Непараметрические критерии: Изд. офиц. -М.: ИПК Изд-во стандартов, 2002. 60 с.

93. ТУ 4859-001-02066492-2008 «Установка флотационно-сорбционная» / РХТУ им. Д.И. Менделеева