Критерий технологичности совокупности процессов очистки
, (15)
где - технологичность i-го процесса очистки. Данные о показателях технологичности проведения отдельных процессов очистки приведены в табл. 2.
Используя опыт, накопленный при проектировании процессов очистки сточных вод в виде базы данных и задав некоторую цель, например, качество очищенной воды, при помощи механизма принятия решения, реализованного в АИС, можно найти сочетание стадий очистки, обеспечивающих достижение этой цели. Фрагмент базы данных приведен в табл. 2. В базе собрана информация, которой обладают специалисты.
Формирование множества допустимых вариантов технологических схем очистки осуществляется с применением продукционных правил. В заключение из всего множества возможных технологических схем выбирается та, для которой критерий F1 достигает минимального значения. Так как в большинстве случаев размерность множества вариантов схем не превышает 104, то, учитывая быстродействие современных ПЭВМ, решение сводится к последовательному их перебору. Если при пошаговом конструировании множества вариантов решений его размерность превышает 104, то отсеивание бесперспективных частей вариантов решений на следующих шагах осуществляется с учетом дополнительного критерия - эффективности очистки.
Следующим этапом решения задачи синтеза сооружений БХО является расчет оборудования для выбранной технологической схемы. Задача оптимального проектирования комплекса сооружений для очистки сточных вод и обработки осадка заключается в определении аппаратурного оформления сооружений и их технологических параметров, обеспечивающих минимальное значение приведенных затрат при заданных входных и выходных переменных.
Данная задача формулируется следующим образом: для каждой стадии очистки необходимо найти тип, геометрические характеристики и количество каждого типа оборудования, осуществляющего процесс очистки сточных вод от примесей азот- и фосфорсодержащих соединений:
(16)
при выполнении условий:
, (17)
где - соответственно приведенные затраты на строительство и эксплуатацию сооружений механической, биологической очистки и обработки осадка; - величина экономического ущерба, наносимого окружающей среде сбросом очищенных сточных вод в природные водоемы; - соответственно множества вариантов аппаратурного оформления для стадий механической, биологической очистки и обработки осадка; - соответственно множества типов оборудования для выбранных стадий механической, биологической очистки и обработки осадка; - соответственно множества геометрических характеристик оборудования (габаритные размеры сооружения (такие как длина, ширина, диаметр и т.д.)); - соответственно количество единиц оборудования на каждой стадии; - соответственно совокупности требуемых и фактических характеристик (концентрации примесей, влажность осадка и др.) для каждой стадии очистки.
Математическая модель системы очистных сооружений включает зависимости для расчета объема сооружений и определения параметров оборудования, основанные на рекомендациях действующего СНиП с корректировками и дополнениями, которые базировались на результатах исследований ВНИИ ВОДГЕО. В связи с небольшим количеством стандартных сооружений очистки каждого типа при нахождении глобального минимума приведенных затрат использован метод полного перебора.
Формирование генерального плана станции очистки сточных вод с использованием средств вычислительной техники представляет собой сложную задачу размещения зданий и сооружений различных функциональных групп с учетом укрупненных технологических, инженерных и транспортных коммуникаций и природно-климатических особенностей территориального района. С точки зрения проектировщика, качество решения задачи зависит от числа размещаемых объектов и их габаритов, количества минимальных и максимальных разрывов между объектами, заполненности территории объектами других производств, конфигурации существующих на площадке магистралей и т.п.
Для формализации задачи размещения объектов станции на генплане введены допущения:
1) размещение объектов осуществляется в трехмерном пространстве с метрикой
,
где - координаты центра объектов с номерами - количество размещаемых объектов;
объекты, инженерные коммуникации, связывающие объекты и источники энергии, коллекторы подвода сточных вод, направляемых на очистку, задаются в форме параллелепипедов или цилиндров;
территория разбита на кварталы (модули) с заданными размерами, в процессе размещения объектов допускается изменение размеров кварталов;
фасады объектов максимально приближены к границам кварталов, на территории которых они размещаются;
подъездные пути проходят (преимущественно) по границам модулей;
в одном модуле размещается одна или несколько групп объектов основного и вспомогательного назначения; группа формируется по производственному принципу.
Вариант генплана представим как , где - вариант размещения объектов, ; - вариант трассировки инженерных коммуникаций, ; , где G - множество допустимых вариантов формирования генплана; - множество всех возможных вариантов формирования генплана; Nk1, Nk2 - соответственно число групповых и одиночных трасс инженерных коммуникаций; , где - соответственно множества вариантов размещения объектов и трассировки коммуникаций. Условия, характеризующие правила размещения объектов и трассировки инженерных коммуникаций, или назовем моделью проектного решения. С учетом приведенных обозначений, задача проектирования генплана станции БХО формулируется следующим образом. Найти
. (18)
В качестве целевой функции примем:
, (19)
где - соответственно стоимость территории, занятой под объекты и коммуникации; - стоимость коммуникаций; - удорожание (удешевление) стоимости объектов от деления их на части (блокировки с другими объектами).
Задача формирования генерального плана сооружений БХО относится к классу комбинаторных задач. Исходя из функциональных особенностей объектов, природно-климатических отличий территории, реализованных в математической модели формирования генерального плана сооружений БХО сточных вод, предлагается алгоритм решения задачи, базирующийся на совмещении процесса размещения объектов и трассировки коммуникаций.
Из множества размещаемых объектов выделяются группы, относящиеся к отдельным производственным комплексам. Очередность размещения комплексов определяется из следующих соображений: комплекс, занимающий большую площадь с учетом величин технических разрывов между объектами, имеет более высокий приоритет при размещении. Для выбранного производственного комплекса определяется квартал (несколько кварталов, если комплекс занимает большую площадь), на территории которого он будет размещен. Критерием оценки выбора квартала является стоимость оптимальных трасс инженерных и транспортных коммуникаций от границы квартала до внешних источников энергии и транспортных коммуникаций. Поиск оптимального квартала осуществляется методом координатной релаксации. Далее производится оптимизация начального размещения комплексов с помощью итерационного алгоритма, основанного на парных перестановках комплексов. В целях получения наиболее качественного размещения объектов внутри кварталов производится предварительная трассировка внешних коммуникаций с целью получения точек подвода коммуникаций к границам квартала. Далее осуществляется оптимальное размещение внутри кварталов и трассировка коммуникаций. Предложенный алгоритм носит локальный характер, но, учитывая возможность получения «хорошего» начального размещения объектов с предварительной трассировкой коммуникаций и последующего улучшения решения за счет парных перестановок и окончательной трассировки, полученное решение достаточно близко к глобальному оптимуму.
Для получения прогнозов качества воды необходимо построение математических моделей технологических процессов, протекающих в очистных сооружениях и водоеме - приемнике сточных вод, которые бы учитывали гидродинамические особенности потоков в сооружениях и природном водоеме, кинетические закономерности процессов и вероятностный характер их протекания. В течение ряда лет автором накоплен опыт использования математических моделей наиболее часто используемых процессов: биоокисления углерод- и азотсодержащих органических соединений в аэротенке коридорного типа с распределенной подачей воды - ; осаждения суспензии в радиальном отстойнике - ; денитрификации в аппарате с перемешивающим устройством - ; самоочищения и распространения примесей в реке, среди которых выделены процессы аэробного окисления органических соединений, нитрификации, денитрификации, роста и отмирания планктона, фотосинтеза, ионного обмена и др. - . При разработке математических моделей предложен подход, описанный в главе 2.
Для всех процессов математические модели статических режимов записаны в виде системы нелинейных уравнений материального баланса, которые, вследствие их громоздкости, представлены в обобщенном виде:
- для аэротенка коридорного типа
; (20)
- для денитрификатора
; (21)
- для радиального отстойника
; (22)
- для участка реки
(23)
Здесь - соответственно концентрации субстратов гетеротрофных, нитрифицирующих и денитрифицирующих микроорганизмов (ГМО, НМО, ДМО); - концентрации растворенного кислорода; - соответственно концентрации биомассы ГМО, НМО, ДМО; - концентрация нитратов; - гидродинамическая составляющая изменения концентрации i-го вещества; - коэффициент рециркуляции; - концентрация БПК5; - концентрация азота органических соединений; - концентрация аммонийного азота; - соответственно концентрации ионов шестивалентного хрома и общего фосфора; - совокупность внешних воздействий, характеризующих изменение солнечной активности, уровня освещенности и др.; - соответственно геометрические характеристики аэротенка, денитрификатора, вторичного отстойника; Tr - температура; - соответственно расходы воды в аэротенке, денитрификаторе, вторичном отстойнике и реке; v - скорость течения воды в реке.
Для оценки гидродинамической структуры потоков в аэротенке предложено использовать результаты трассерных экспериментов, выполненных на аппаратах тех же размеров и аналогичной системы аэрации действующих станций. При этом для каждого типоразмера производится проверка двух гипотез, как наиболее вероятных для аппаратов такого типа - гидродинамика потоков описывается: 1) ячеечной моделью без обратных и байпасирующих потоков; 2) ячеечной моделью с прямыми байпасирующими и обратными рециркулирующими потоками. Техника проверки первой гипотезы сводится к сравнению нормированной кривой функции вымывания трассерного вещества с теоретической, аппроксимируемой функцией Эрланга, а при проверке второй гипотезы для получения теоретической кривой функции вымывания записывается система уравнений материального баланса, которая затем решается методом Рунге-Кутта. Дискриминация гипотез о гидродинамической структуре потоков в аэротенке производится при сравнении теоретической и экспериментальной кривых функций вымывания по минимуму среднеквадратичной относительной ошибки. Если для аэротенка проектируемой станции БХО расход сточных вод отличается от значения, при котором проводился трассерный эксперимент, то в АИС предусмотрен перерасчет экспериментальных кривых функций вымывания на новый расход.
При исследовании процессов естественного самоочищения воды в реке с малым расходом сделано допущение: гидродинамика потоков описывается моделью идеального вытеснения.
Для обеспечения режима нормального функционирования действующей региональной станции БХО в работе решена задача распределения квот сброса сточных вод предприятиями промышленного узла. Очень часто возникает ситуация, когда отдельные предприятия должны сбрасывать на сооружения БХО сточные воды в количествах, превышающих размеры выделенных квот. Это может быть связано как с особенностями технологических процессов получения продукции, так и нежеланием внедрять более совершенные экологически безопасные технологии, включающие и системы локальной очистки сточных вод. В таких случаях от предприятия требуется выполнение принятого стандарта либо через инвестиции в очистные технологии, либо приобретение разрешения на сброс сточных вод у тех предприятий, которые достигли большего сокращения выбросов, чем это предусмотрено выделенными квотами.
Задача перераспределения квот сброса сточных вод на станцию БХО сформулирована следующим образом: необходимо осуществить перераспределение квот сброса сточных вод на станцию БХО таким образом, чтобы сумма затрат на приобретение прав сброса сточных вод у отдельных предприятий в интересах всего региона имела минимальное значение. При такой постановке задача перераспределения квот сброса сточных вод на сооружения БХО аналогична задаче, которая в литературе известна как транспортная задача. Она относится к классу задач линейного программирования и для ее решения предложено использовать симплекс-метод.
Четвертая глава посвящена решению задач по обеспечению экологической безопасности ПТС, при функционировании которых образуются отходы в виде газовых выбросов. В связи с этим рассматривается комплекс задач, связанный с автоматизированным синтезом технологических процессов очистки газовых выбросов ПТС. В общем виде задача автоматизированного проектирования системы газоочистки сформулирована следующим образом. Для каждой стадии выбранной схемы очистки необходимо найти: тип, геометрические характеристики и количество единиц каждого типа оборудования, осуществляющего процесс очистки газовых выбросов от заданного множества вредных примесей , при соблюдении ограничений на выходные переменные (концентрации примесей в воздухе рабочей зоны и др.) по критерию минимума суммы взвешенных относительных потерь критериев: приведенных затрат на реализацию совокупности стадий очистки с учетом экономического ущерба от загрязнения окружающей среды; надежности функционирования системы очистки, технологичности и безопасности проведения процессов газоочистки. Формализованная постановка задачи во многом аналогична задаче синтеза системы очистки сточных вод (1) - (8).