Разработка методов эколого-экономической оптимизации систем водоотведения предприятий целлюлозно-бумажной промышленности (на примере Выборгского ЦБК) тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

МЕЖДУНАРОДНАЯ НЕПРАВИТЕЛЬСТВЕННАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ «ФОРУМ»

,гг лд АГЕНТСТВО БИОИНФОРМАТИКИ * 1 И ЭКОЛОГИИ ЧЕЛОВЕКА

- 5 ДЕК 133'*

На правах рукописи УДК 551.482.214

СЫЧЕВ Владимир Васильевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ОПТИМИЗАЦИИ СИСТЕМ ВОДООТВЕДЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЙ ЦЕЛЛЮЛОЗНО-БУМАЖНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ (НА ПРИМЕРЕ ВЫБОРГСКОГО ЦБК)

Специальность 01.04.01 — приборы и техника эксперимента 03.00.16 — экология

Авторефер ат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 1994

Работа выполнена в Балтийском государственном техническом университете.

Научный руководитель, д. ф.-м. н. О. Б. Бутусов

Официальные оппоненты: д. ф.-м. н. А. Л\. Степанов, д. ф.-м. н. Ю. А. Хетагурова

Ведущая организация: Кафедра охраны труда и окружающей среды Московского института, стали .и сплавов.

Защита состоится «££» . . 1994 г. в1Ч.^5сов

на заседании Специализированного Совета Д.170.01.01 при Агентстве биоинформатики и экологии человека Международной неправительственной организации «Форум» по адресу: 117977. Москва, ГСП-1, ул. Косыгина, 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Агентства биоинфорадатики и экологии человека^

Автореферат разослан « » . . 1994 г.

Ученый секретарь

Специализированного Совета^ // к. ф.-м. н. ^^ Э. М. ШЕКШЕЕВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. 1'ЛЕЮТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. В условиях интенсивного разыпия цел-люлозно-бумаялой промышленности (ИБП), базирующейся на водоимких технологиях, важной и актуальной задачей является нормирование предельно' допустимых сбросов (ПДС) промстоков целпюлозно-Оуможичх комбинатов (ЦБК) с целью обоснования оптимального уровня водоохранных мероприятий для обеспечения требуемнх нормативов качества воды в водных объектах- приемниках сточных вол. В качестве примера губительного воздействия промстоков ЦБК на экологию водоемов можно привести получивший широкую огласку пример загрязнения озера Пан-кал. Для минимизации вредных воздействия па окружающую среду задача эколого-экономической оптимизации должна рещатьея для каждого конкретного водоема и ЦБК. как в процессе эксплуатации, так и на стадии проектирования. Заниженные нормы НДС грозят деградацией экологии водных объектов, а завышенные - излишними затратами на водоочистку. Таким образом разрабатываемая в диссертации проблема является как экологической, так и экономической.

Проблема носит многогранный характер. Над рядом ее аспектов работают многие научные коллективы и отдельные ученью: С.Н.Чер-кинский. И.Д. Родзнллер. А.А. Всрниченко, Т. М.Красовскии, 3.П.Келдо-кова, В. Р. Лозинский, А. И. Шишкин. А. Н. Николаев. П. И. Хрпсапиг.. Г. К. Осипов, Л. Я. Хейфец, А. В. Наумов, М. А. Евилевич, Л. Э. Савва, Г.Н.Науменко. В. А. Шипунов, Л. ¡1. Кулакова, Л. К. Коровин, Р.Л.Левин, А.И. Афанасьев и др. За pyöe;i.uM иодоОные работы такко исдуться достаточно широко: T.Kohonen. J.Wol'-y, М.Sliioya, M.Ohnari.

Эти работы заложили основы для расчетов и проектирования систем водоотведенпя ЦБП. При их проектировании дол;::пе учитываться Эольшое число переменных факторов: наличие других загрязняющих стоков. параметры систем водовыпуска, вариации химического состава природных вод. зависящих от времени года и суток, погоды и пр., зарпации химического состава сточных вод, которые сильно варьирую!' эт десятков технологических (¡акторов, степени локальной очистки и г.д. Большие объемы информации, которые необходимо учитывать при 1роектиров5Нии систем водоочистки, требуют использования математи--leutux моделей с применением ЭВМ.

С учетом изложенных аспектов проблемы определена основна

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Разработать математические методы и средстг.а дл эколого-окопомической оптимизации систем водоотведения целлюлоз но-обуказшых производств при предлроектном обосновании их парапет рог; с целью оптимизация промстоков при соблюдении нормативов ПДК контрольных створах.

foj.n4.ii. исследования:

- разработать и идентифицировать па основе натурных зкепери мек;ов статистические модели факторного анализа для исследовани Функционирования спсте..ы предприятие ЦБ11 - водны» объект;

- разработать методы и средства реализации и' практической применении мате: атическои модели систем водоотведенизы

- разработать методику диалогового управления модель» систе водоотведения ЦБК;

- осуществить практическую реализацию разработанной методик для экологического нормирования систем водоотведепия Рыооргског ЦБК.

Материалы положенные в понору работы.

Для решения поставленных задач были использованы результат оригинальных исследований автора за. период 1085-1994 гг по .чатемг тпческому моделированию задач оптимизации ПДС предприятий ЦБ! значительная часть которых была посвящена исследованию систем е< доотведения Выборгского ЦБК.

Работа проводилась в соответствии с планом НИР по комплекса му использованию,и воспроизводству лесных ресурсов Северного я С( веро-Западного регионов, утвержденного МКС АН ССГР в Лснингра. 22.05.81 по заданию 02.15 - "Совершенствовать прогнозирование вл: Лии ЦБ . на природные экосистемы с учетом развития ее технологии оборудования", а также комплексной НТП Минвуза РС'ГСР "Человек окружающая среда. Проблемы охраны природы", задание 01.02.52 "Ра работать методы и средства автоматизации для обоснования проекта решений по.охране водного и воздушного бассейнов".

Научная новизна.

1. В отличие от предшествующих методик разработана математ ческая постановка задачи эколого-экспсмическон оптимизм;:;; нет мы: предприятие ЦБП - водный ооъект.

2. Разработала методика автомат, 'рованного управления для ;адач!1 оптимизации системы водоотведе.чш; промстоков ЦБК.

3. Разработана математическая модель, с помощью которой про-зеден всесторонний учет факторов, оказывающих влияние на ба.'ппс системы: предприятие ЦБП - водный объект.

| Ппдктпчрскяя и теоретическая знр-петь Работы.

РаьраОоташшо мстоди практически и; пользованы для оптимизации системы кодоотЕедепия Выборгского ЦБК. Разработанные при о-^м математические модели.могут быть использссани для анализа и оптимизации экологии современных ЦБК на стадии предпроектного обоснования их параметров.

ДцпоМшДЛЩбЩ!^

Основный результата работы докладывались на научных конференциях е Киеве в 1387г., в Ленинграде в 1980. 1387 и 1930 гг. на Международной научно-практической конференции "Эковикон" в Сочи в 1990г. а также доложены и обсуждены в Оренбургском государственном университете, в Санкт-Петербургской Инженерной Академии, в Центре по проблемам зколопш и продуктивности лесов РАН, на Кафедре охраны природы и окружной среды Московского --нстптута стали и сплавов и воили в курс лекций, читаемых по программе переподготовки работников природоохранных организаций при Экологическом Фонде России.

Публикации. По результатам исследовании опубликовано 10 научных работ. .

- О -

СОДЕР;ШШЕ РАБОТУ

В первом раздело, который является ¡.водным, дается обзор литератур!: и постановка задачи. Формулируется цель работы, обосновывается актуальность исследований, а таклгз научное и практическое значение решаемой- проблемы.

В главе всесторонний анализ существующих нормативных документов. регламентирующих разработку Ш1С, а также оптимизационны} и имитационных моделей для анализа и прогноза качества вод. Рассмотрена взаимосвязь задачи оптимизации водоохранных мероприятий ис бассейновой и региональном уровнях.

Проведена детальная классификация факторов и параметров, которые необходимо учитывать при. реаешш оптимизационной задачи. Следует выделить четыре основные группы Факторов: 1) конструктивные параметры и местоположение сооружении водовыпуска: 2) услсвш Формирования качества воды в контрольно;! области водного объекта; 3) Фоновые характеристики качества воды: 4) применяемый режим во-доотведения. При решении задачи формирования качества води з зон* между створами выпуска сточных вод и контрольным створом необходи: учет процессов самоочищения, на которые влияет коквективно-дпффу-знойный перенос загрязняющих инградиенто::. интенсивность котороп в свою очередь зависит от гидроморфологических характеристик вод-::ого объекта и от используемой конструкции устройства выпуск; сточных вод. Диаграмма основных Факторив, определяющих качосчв воды в контрольном створе водоема показана на рисЛ.

Из проведенного в первом разделе анализа следует, что учит вая большие расходы сточных вод, характерные для объектов ЦБП, на иболее перспективными, следует считать применение методов оператп? ноге упр шления водоотведением, а не строительство дорогостоящи усреднит злей и буферных накопителей. Этой проблеме посвящены пос ледующпе главы диссертации.

Из анализа литературных данных следует, что при планирован;! водоохранных мероприятии наибольшее распространение получили еле дующие две оптимизационные задачи:

- найти минимальную по затратам систему бассейновых керопрш-тий, обеспечивающих требуемое качество в створах водопользг: вания;

В~.сЛ.. Диаграмма определявшие факгорос процесса форгкро-гнля г контроля :-тлеотва е; заданной контрольно:.: створе водного объекта ирг г--\тс:-:5 огочни:: есд "

- спроектировать водоохранную систему, обеспечизааауи лучшее в масштабах бассейн?. или региона качество водкой среды при определенном лимите средств, выделяемых на водоохранные .цеди.

Лроведенный обзор моделей :: методов решения задач оптимизации позволяет отметить следующее:

- оптимизационные мололи рассчитаны, как правило, ка верхний межстрослегой уровень -планирования водоохранной деятельности;

- модели прогноза качества воды, входящие в состав олтпмкза-цион""ой задачи, учитывает, как правило, лишь процессы смещения и только в отдельных случг .х самоочищение воды:

- решение задачи основывается ка допущении существования непрерывно;: 0-ункцип. описывакщей вгаикосзлзь независимых переменно со значением затрат на водоохранные мероприятия.

Литературный анализ показал, что развитие методов оптимизации водоохранных мероприятий идет в рамках трех основных направлении:

- разработка специальных методов решения, позволяющие обойтись без задания вида целевой функции;

- разработка иерархической системы оптимизационных моделей для разного уровня планирования;

- разработка принципиально новых подходов (например, на основе теории полезности) для принятия компромнено-оптималькых водоохранных реыений.

3 диссертационной работе в качестве рабочего метода выбрано второе направление. Оно представляется наиболее перспективным в плане разработки практической методики, обеспечивавшей стыковку регионального и отраслевого подходов к оптимизации водоохранных мероприятий.

З.ре ультате проделанного в первом разделе анализа проблемы были сдел нь; следующие выводы:

- расчет НДС должен производиться, на оснсзе следующей входной информации: нормативы ПДХ веществ для контрольных створов водопользования. состав стоков. Ценовые характеристики качества воды, гидрсмор^ологпческкз характеристики водного объекта - приемника сточных вод, конструктивные параметры и месторасположение сооружений зодовыпуска. параметры самоочищения;

- применяемые в настоящее время при прогнозе ПДС промстоков ЦЕП методы прогнозирования :: экспортной оценки не позволяют гарантировать оптимальность и кукдыгсг в математической модели

систем зодостведенил для ее применен::.: ль этапе пгедпроектноно обоснования ПЛС;

- для расчета ПЛС наиболее зФ?ект;; - использование меделе;; хоквектазно-даффузионного переноса и ".резращипил вещоотз (КДП и ПВ), при этом их эффективность пропорциональна кук-жнсс:';: их параметризации, что может успешно разр^;э;;о на с спсьлн::;: ¡¡.-•Ферма-цпн, полученной при натурных исследованиях пли о чспопьзс-ван;:-?:-! средств автоматического мониторинга.

Сделанные выводы г:ос.г:у;;:;:л;г основа; разработок пкгсашогс з следующих глазах диссертации.

Во втором разделе дается математическая постановка задачи оптимизации ПДС при проектирован;;;: систем ьодостведенил предприятии ЦЕП, рассмотрены принципы оптимизации ПДС прокстсксе ЦЕЛ с использованием методов математического моделирования.

Типовая система водоотводе.-:;:?. предприятий ЦЕП представлена на рис.2. Она включает блоки механической. Физико-химической. биологической и других видов очистки сточных сод. блок сооружений водо-выпуска и водный объект. В качес:ве осис^ы математического моделирования была разработана следующая концептуальная модель системы водоотведенкя.

Сооружения внепдощаднон очистки принимают срганозагрязненные сточные водь: производств ЦЕП и сооружении локальной очистки. Модель учитывает неравномерность гидравлической и органической нагрузки технологического стока. 3 результате механической и биологической очистки на внеплсщадных очистных сооружениях происходит сшшсиие концентраций ряда загрязняющих ¡¡.«градиентов до определенного уровня в зависимости от характеристик технологического стока, типа применяемой схемы счистки, а также выбранных режимов ее работы. Счищенные сточные воды с помощью специальн.х сооружений транспортируются в водный объект. В модели используется предположение о том, что во время транспортировки качественные характеристики очищенных вод существенно не изменяются. Выпуск сточных вод р. водный объект производится через рассеивающее устройство - диффузор. Результирующее распределение концентраций загрязняющих ззшестз в створе выпуска определяется, как конструкцией диффузор •, так и Фоновыми концентрациями в водоеме В модели предполагается, что качество воды в зоне водного объекта определяется пронсосамн К;д! и ПВ в результате физико-химических и биологических процессов. На

Рис. Z. Типовая сх&ш ьодоотвсдешш нриштокои предприятии ЦСГ1

скорость этих процессов существенное вл.'.лние оказывают гидрологические и морфологические характеристики водного объекта.

В диссертации рассмотрены два подхода оптимизации водоохранных мероприятий ЦБР.: "экономический" и "экологический". В первом случае оптимальному варианту водоохранных мероприятий соответствует минимум приведенных затрат на эти мероприятия при ограничениях на достигаемое качество воды. Зо втором - обеспечивается максимальный природоохранный э^ект для заданного объема материальных ресурсов, отпускаемых на водоохранные цели. 3 соответствии ; этими подходами сформулнрулирсваны математические модели оптимизации.

Схема модели приведена на рис.3. 3 табл. 1 и ? перечислены вектора аходянх и выходных параметров отдельных блоков разработанной. модели водоотведения. Математическая модель оптимизационной задачи при "экономическом" подходе с учетом введенных в табл.1 и 2 обозначений мо:;:ет быть представлена в следующем виде:

min { Z = Z (P|t.f) ). (1)

где Z - сумма приведенных затрат на систему водоотведения; F - параметры (задаются перед решением задачи!.

При ограничениях на качество воды в контрольном створе имеем:

К < КЕ (2)

где К£ - .актор зада"чых значений концентрации нормируемого комплекса веществ в контрольном стзорз.

Уравнение связи имеет вид:

К = Ф (РI f . т). С 3 j

где Р - вектор собственных параметров водоотведения.

Р = [Рв. Pv,Pw1T

При решении рассматриваемой задачи компоненты вектора являются независимыми переменными.

Зо втором случае, так называемому "экологическому' подходу соотнетстаует следующая постановка задачи оптимизации системы во-

п^с-истомс* ьо^охоьййсгоекгтюго комплекса

Pue.3. Структура модели систеш ьодостведения предприятия ЦГЛ

Входные к выходгше параметры модели слстег/л водсотведеняя

Вектош входных (вы-ходшх) napnmeïdob модели Составляйте 'векторов входных (выходных) параметров модели

условное обозначение название векторов вектор параметпов технологического стока условное обозначение ÏTJ Ojj название параметров -

I. т общий гасход стошное вод, поступающие на соооу.чсние виенлоардной очистки; массовый расход ] -го ингредиента загразненлп в сточных водах; дисперсия массового расхода } -го ингредиента на входе очистных сооружении

2. F вектор фоновых характеристик качества води §F bj 6fJ расход води через сечение водотока в створе водовнпускл сточных вод; массовый расход j -го ингредиента загрязнений нормируемого комплекса поповых хеоактерпстше качества воды; дисперсия массового расхода ] ~го ингредиента загрязнений для стбо-ра,определяющего фоновые характеристики качества пода.

3- К вектор параметров качества вода з контрольном ста ope водного объекта CKj концентрация ] -го инг едиента загрязнений нормируемого коглплпкса пок? зателеи качества воды в контрольном створе водного объекта данного класса; л е 1, N где N - общее чнс«о нормируемое показателей качества вода .учитываемых при проектировании системы водоотведекия промстоков ИБП

4. вектор выход— них параметров систем; очистки g-à ь общий расход очищенних сточных вод массовый расход ] -го ингредиента загрязнений в сточи« водах поело очистки

--Н-

Скончалке табл. I.

Вектора входшх (выгодных) параметров модели Составляющие векторов входных (выходных) параметров модели

условное обозначение назваше векторов условное обозначение название параметров

5. V вектор выходных параметров системы . водовннуска ^ начальная кратность разбавления при выпуске сточных вод; массовый расход j -го ингредиента загрязнений з сточных водаа, но-ступанадх в водный объект; дисперсия массового расхода 7 -го ингредиента

Собственные параметры ?.;одели си стеми водоотведет!я

Бекторы собственных параметров подчиотемы Составляывде векторов собственных п арам.ет р ов п оде и с т е г/л

условное обозначение название • векторов условное обозначение назван;!е параметров

___ вектор собственных параметров подсистемы ОЧИСТКИ Рь $ь тип технологической схемы очистки сточных вод; конструктивные характеристики системы очистки; управляющие параметры технологического режима очистки

Ру сектор собствен-них параметров подсистемы водо-вшгуска Р* тип схемы водовштуска; конструктивные характер!с-тшщ системы зодовипуска; управлшдве параметры технологического Ьзжиыа водо-вьггуогл

3- Ру, вектор собственных параметров водного объекта 1«/ Щ/ гидрологические характерно-тикд водного объекта; морфологически е характерчс-•пш: водного объекта; характегастики процессов самоочищения ,в водно:! объекте

___________________ _________...._____ _______,________._____

доотведения: обеспечить максимальный^ природоохранный эффект от внедрения водоохранного комплекса (системы водоотведенил) при заданных Фоновых характеристиках качества воды, параметрах технологического стока и ограничениях на сумму материальных средств, выделяемых на водоохранные цели для предприятия ИБП.

¡т^у. { Е - Е (К) }, (5)

где Е - природоохранный критерий эффективности водоохранных мероприятий.

Ограничены задаются в виде:

К = Ф (Pif.T). (6) I

Z > Z (PlF.T). (7)

где Z - значение верхнего предела затрат, выделяемых в рамках предприятия ЦБП на водоохранные цели.

Предложены два этапа решения задачи оптимизации ПДС. На первом этапе путем математического моделирования процессов Формирования качества воды для различных инженерно-обоснованных вариантов подсистемы всдовыпуска, производится выбор конкурентоспособных вариантов с использованием универсальных критериев сразнекия эффективности систем водоотведенил и методов экспертных оценок.' Это позволяет задать обоснованные ограничения на независимые переменные для оптимизационной задачи к значительно сузить область поиска. При : :ом появляется возможность так>::е выбирать наиболее адекватные мо' зли и методы для прогноза качества воды в контрольном створе и экономической оценки проектных решений. Ка втором этапе решение,полученное в человеко-машинном режиме, может быть уточнено с использованием формальных методов поиска экстремума Функции цели в том случае, если возможно использовать модели, чувствительные к изменению независимых переменных в заданных пределах.

В главе подробно рассмотрены вопросы разработки принципов оптимизации предельно допустимых сбросов с использованием машинной модели системы водоотведення.

В третьем пазд^е проведена разработка ксмлллсса математических моделей дл.^- системы содсо:ведения: предприятие ЦьП - годный

объект. Дан подробный анализ этой системы с позиции системного подхода.

Подсистема "пр дпрпятие-ЦБП" (на примере El; оргского ЦБК) системы "предприятие ЦБП-воднкй объект" подвергнута декомпозиции на следующие • лементы: водоснабжение. использование воды на производственные и хозяйстзенно-бытоБые нужды, водоотведенпе. Ка:клг:л из этих элементов на саком деле представляет собой сложную систему. Так система "зодоотведение" состоит из нескольких подсистем: локальные очистные ссосужекпя (ЛОС). ваеаг.осадсчпые очистные сооружения (БОС) и сооружения ьодовыпуска (СЗ). В сбою очередь, подепо-тсма "Еиеллощадочные очистные сооружения (ВОС) является сложно:: системой, включающей различные блоки и процессы очистки сточны.: вод.

Взаимосвязь между уровнями исследуемой системы проявляется следующим образом: система для данного уровня является подсистемой следующего, более высокого уровня иерархи;:. В данной работе каждая модель (подмодель) представляется как "черный ящик", когда анализ Функционирования блока-проводится на основании исходной и полученной с использованием ЗВН информации.

Для правильной параметризации и идентификации модели было проведено подробное исследование законов распределения показателей качества природной воды и промстоков Выборгского ЦБК. Так как. значения показателей качества воды Формируются под воздействием большого количества переменных, целесообразно рассматривать их как случайные величины, однако вид их функций распределения может указывать на тот или иной комплекс уеджш (факторов) процесса формирования качества води.

В качестве примера в диссертации исследованы■законы распределения 30 показателей качества воды в устьевой зоне Выборгского залива (для фонового п контрольного игеоров Выборгского ЦБК) и биологически очищенных сточных вод БЦБК. Исходной информацией послужили архивные данные по Выборгскому заливу за 1380-86гг, а также результаты натурных и лабораторных исследований, проводимых Лабораторией технологических исследований ЦБ!1. в которых непосредственное участие принимал автор.

Для проведения статистической обработки предварительно была исследована однородность рядов показателей качества воды с помощью критерия Стьвцента и гргх пепграметрпчеекчх критериев: Вилкоксока.

Ван-дер-Вардера и Колмогорова-Смирнова. Было выявлено, что исследу емые ряды могут рассматриваться как однородные.

В результате выполненного на ЭВМ анализа длительных рядов наблюдений 30 показателей качества сточной и речной воды в районе сброса сточных вод Выборгского ЦБК установлены свойства статистических рядов наблюдений: I. Выборка гидрохимической информации (п - 200) за длительный период времени clSSO-SCrr.) образует достаточно устойчивую статистическую совокупность. 2. Вероятностный закон распределения пека: угелей качества воды' близок к нормальному и логарифмически-нормальному законам распределения. 3." Закон распределения отдельного показателя воды с большинстве случаев разный для фонового створа, сточных вод и контрольного стзора.

Построенные с помощью ЭВМ гистограммы гагрлс-нязвдх ингредиентов промстоков ИБП на основных блоках системы всдсотеедения позволили провести оценку вероятностей появления различных величин концентраций. На рис.4 представлена гистограмма взвеянных веществ сточных вод Выборгского ЦБК. На грс$кке по одной из осей откладываются интервалы группировки значений показателя, по другой - частоты Ft и относительные частоты з процентах F0Tm.i= F^îi 1005, где il - объем выборки.

■-îa ..снсвс оценки посгооечных Суя:- распределения по каждому загряз^.ъзеему ингредиенту а с.очных .. .лах и в контрольном стьере '•ожно исследовать влияние сточных вод ¡лБГ■ на водный обьект и определить величину предельно допустимого сброса (НДС) сточных вод. Так, например, на рис.5 показаны Функции распределения показателя взвешенных веществ для контрольного створа (кривая I) и для сточных вод >ЦБК (кривая 2). Для того, чтобы определить величину Щ!С загрязня :цего ингредиента в промстоках, ну::-::-;о из точки ПЛК. отложенной на'оси ординат, провести горизонтальную пгям\э (пунктирная линия) до пересечения с функцией распределения ингредиента в контрольном створе (кривая I). Затем из течки пер^ сГ-:"чия провести вертикальную линию до пересечения с еунлцпе-' распределения этого ингредиента б промстоках (кривая 2). точки пересечения провидят горизонтальную линию до пересечения с осью ординат. Ордината точке пересечения Судет соответстгсглть предельно допустимой кенцептра-цик данного ингредиента в преые'.оках ЕЦБК.

На основе анализа псстр;,-:; дых сункьпи показателей качестве воды для фонового и контрольного створов ;,г,;к.6) определены серо-

;

! „

; : ; -• Uli

MW.

S 5 i 5

; S M i ; ; ; i

'Шн

sus US i

Л л-

HU

: г ; •.. • ;

i f. л ; - . •

4 ; i¿.. i : ' •

SÎ3Î ■'.íii

Ш

:■• ; ¿ •• è- J 7 ■ i ! г

J ;i f. v. s î ÜU "Л

; J. ? n m î t

. ; - ¡ î ; -' 12 í i ; i : Г. к ■' ■í

- " 1 ^ » T - " * P

:: î, U15 Í Í E ;,., » * Î 5 ¡i í I :: ; :: I : :, r, s £ ; ; s ¡; s l ; к

I. s V ;

'^^HHÎll ; ? ; f г' г ? ;' í ? ? i г ; Ï ШГ

< «» « î

Pr.c Ц . ргсггрзделонап вгзскзшшх ьещостз

сгэ-п^х зз." i'i:Cooro::cro Ц5".

Рду. 5.. Определение предельно допустимого сброса (1ТДС) взвешен шх вощзств промотог.ов Выборгского ЦБК.

! 0.1!> O-J'l 0->ÍO oiw» «.'Il 0.»'J 1-9110

1

! е. IX J O.MO Я .3 0.500 O.AÍS 0.75ç 0 ,a7S t.

::c. S , Оценка вероятностей превышения ЩЦС загрязняющих ингредиентов (:-:а примерз ыеталола). а) }онозып стзоо; бЖоптрольпнй створ.

- 22 - ятности превышения предельно-допустимой концентрации (ПДК) нормируемых загрязняющих ингредиентов (табл.3). Таблица 3 Вероятность превышения ПДК загрязняющими ингредиентами в фоновом и контрольном створах.

1 1 ! Вещество 1 ! ! i ЛДК ! Вероятность .._/.. 1 превышения Г:ДК"

K..Y.U [ ! длг ! < Фонового створа i i для контроль-' | него створа

! 1 СПАВ ! 0.5 I с G |

1 Скипидар .0.2 1 27, 5 I

I Метанол 0. 1 i 5S.2 ! 41.3

I Метилмеркаптан 0,00021 100, 0 1 100,0

j Растворенный кислород 6,0 I 31,5 1 37.5

1 БПК20 3,0 I 100, 0 1 70.8

| Азот аммонийных солей 0,39 i 47.5 1 62.5

I Нитриты 0,02 I 23, 0 I 25,0

! Сульфаты 100,0 I 21.3 1 16.2

I Хлориды 300,0 I 0.0 1 - 0.0

| Взвешенные вещества 12,2 1 '37.5 1 56,2

I Нефтепродукты 1 ................... 0,05 i i 56, 2 1 71,2 i

Проведенное исследование законов распределения загрязняющих ингредиентов сточных вод сульфатного производства ВЦВК и природной воды позволило подучить следующие результаты:

I. Выявлены законы распределения показателей качества природной воды в районах антропогенного влияния сточных вод Выборгскогс ЦБК и природной воды до и после сброса сточных вод для ряда загрязняющих ингредиентов. Для трудноокисляешх органических вещестг закон распределения для фонового и контрольного створов, к«к правило. одинаков, что ног.зт быть объяснено те:.:, что с подавляюще;, числе случаев начальная, относительно быстрая фаза их деструкцш осуществляется на очистных сооружениях. в результате в естественный водоток они попадают уае в трансформированном состоянии, когд;

скорость их деструкции существенно меньше. Это относится, например, к таким показателям, как ХГ.К, метанол, Нг3. метилмеркаптан. Ка основе этого мощно сделать вывод о том, что эти показатели не подвергаются деструкции, пройдя участок длиной 4 км. Для легкс-о-кисляемых веществ закон распределения изменяется по сравнения с фОНСБЫМ.

2. Определено, что закону нормального и логарифмически-нормального распределения для фонового, контрольного створов и прсмс-тскоз ЦБР. подчиняются з ссновном сбщесанитарьые показатели качества воды: (рН). растворенный в воде кислород (РК). перманганатная скисляемссть (ПО). Сяохиуичзское потребление кислорода за 5 и 20 суток. (£Г:К5. ЕПКг0), химическое потребление кислорода (ХПК), взвешенные вещества, прозрачность, хлориды, сульфаты, фосфаты. Загрязняющие вещества, специфичные для стоков ЦБП (дпметнлсульфид (а'-'.З). метаксл. Фенолы, сульфиды. Нг3, фурфурол, таллсвое масло, сульфитное мыло, метилмеркаптан (УМ), лигнин. летучие кислоты) подчиняются закона:-' распределений отличных от нормального (экспоненциальное, Еейбулла, Еета, Рэлея).

2. Построены гистограммы качества воды по различным загрязняет;:« ингредиентам. Эти гистограммы могут быть рекомендованы для оценки вероятностей появления различных концентраций как для природной. так и для сточных вод.

Показана возможность обоснования НДС сточных вод ЦБП на zzr.cz- анализа Функций распределения ингредиентов в промстоках и в контрольном створе (рис.5).

С целью прогноза эффекта очистки, сточных вод и оптимизации технологических параметров внеплсдадочной очистки исследованы законы распределения загрязняющих ингредиентов. Это дает возможность выявить взаимосвязи меыду показателями промстоков ЦБП на различных блоках очистки и построить стохастические модели с использованием методов Фактсрно-регрессисного анализа, реализуемоого на- ЭВМ. Построенные уравнения кнсыествекной регрессии представлены в табл.4.

- 24 -

Таблица 4

Параметры и регрессионные зависимости показателей соста за

сточных вод по ступеням очистки па Выборгском ЦБК

1 I Показатели 1 Уравнение регрессии | 1 Я 1' 1 6

1БПК5 1 у—3, 75 + 0. 14х1 +0. 08хг +0. 002х3 -0. 07^ + I 0,62 1 16,9

+ 0. 09п2 |

1ХПК у-37. 6+0, 014Х| +0, 0Их2 +0, 056а, +0, 53и2 | 0.92 1 17,8 I

|Азот общий у=0, 62+0. 03;<1 -0. 94х2 +0. 01х3 +0. 25ц + | 0,83 1 4.7 |

+ 0,3911;; |

¡Азот аммон. у--1, 1-!0,04х1+0,25хг-0.01х3+0,20и1+ I 0.87 1 2,7 1

+ 1.1а2 1

|Взвеси у=78. 2-0, 22X1 +0- 99х2 -0, 05х3+0. ЗЗи, - I 0,35 1 68, 1 I

-0. 12и2 1

I Сульфаты у=55+0. 11X1 +0,11х2+0, 59и. -0.12и2 ! 0.84 1 24,9 I

1 Хлор у=-12,3-0.02х,+0. 08х2-0 + 1 0,94 1 12.2 I

I Железо у=0, 25-0, 02X1+0. 12х2-0, о1х3+о. 002^ + | 0,81 1 0,181

+0,46и2 • 1

[Фенол у=-0, 02-0, 02х2-0,011х3+0. 01и1 +1,01и2 I 0,96 1 0.06|

!Скипидар у=0, 21-0. 22Х) +0. 12х2-0, 03х3-0. 03ц, - I 0.75 1 0,211

-0.06и2 1

(Метанол у=0, 76+0, 05Х! -0, 02х2 +0. 01Х3 -0, 01и1 + | 0,98 1 0, 291

+0.23иг 1

I СПАВ у-О.Об+О.ОЗх^О. 12х2 +0, 26х3+0, ОЭЫ! + | 0.97 1 0,07|

1_„ , +0.16и2 1 |

Преобразование корреляционных матриц в матрицу факторны/, нагрузок осуществлялось на ЭВМ методом максимальног ■ правдоподобия . Для получения простои факторной структуры осуществлялось преобразование матрицы факторных нагрузок с помощью процедуры сращения по критерию варимакс (критерий Кайзера). Ороцедура вращения позволяет в более рельефной форме представить фактор дую структуру. Поел.; определения факторных нагрузок оценивались уравнения факт ров по формуле:

= ь10у + ЬцХ. + Ь12х2 + Ь13Х3 + й14и! + Ь15и2 (8)

где Ь10......Ь15 - неизвестные коэффициенты регрессии.

Окончательное уравнение регрессии факторного анализа для прогноза значений показателей качества сточной воды, сбрасываемой в водный объект, имеет вид:

(I) П П

I а03 Ьи I а03 Ь12 I аУЗ Ь15

1=1 1»1 1=1

у = - х. + -х2 +----+ - и2 (9)

гага п

1 - I а03 Ь10 1 - X а03 Ь10 ^ " ^ Ьщ

1«1 1ч 1-1

Полученные Факторно-регрессионные модели могут быть рекомендованы для анализа работы внеплсщадочных очистных сооружений, прогнозирования значении отдельных показателен качества очищенных сточных вод, а таете для оптимизации я управления параметрами внеплоцадочной очистки промстоков предприятия ЦБП.

3 последнем параграфе третьего раздела решена проблема построения и идентификации мкогофактсрных и канонических моделей прогноза качества природной воды и ПДС сточных вод,Еыборгского ЦБК. • Была разработана модель, которая позволяет исследовать степень взаимосвязи большого числа входных и выходных показателей. Для решения этой задачи был использован канонический анализ с реализацией последнего на ЗБМ". Методы канонического анализа позволяют перейти от анализа исследуемой системы со многими входными параметрами и одним выходным показателем качества воды к системе .со многими вариантами большого числа выходных показателей. Каноническая корреляция - это корреляция между линейной комбинацией входных параметров X =( X], х2....Х;,, и,, и2,...ип} п линейной комбинацией нескольких выходных показателей У ={ у,. у2.....Ул где и - управление. Задача заключается в определении коэффициентов уравнения так;::.: образом, чтобы корреляция между X и У была максимальной:

х* = ха. у = у,:

(10)

где Х- и У - векторы канонических переменных, X и У - матрицы исходных показателей, а а и ¡2 представляют собой р - мерный и g -- мерный векторы коэффициентов соответственно.

Канонический коэффициент рс между X* и У определяется по формуле:

а 112 р

Рс = -. (П)

а (2), ,а) (Р 122р)

где - ковариационная матрица переменной X, Х22 - ковариационная матрица переменной У, 112 - ковариационная матрица X и У.

Далее была решена задача идентификации моделей прогноза качества воды и ПДС промстоков или определения ее параметров на основе данных натурных экспериментов. Результаты натурных экспериментов по исследованию взаимовлияния Фоновых характеристик и сточных вод на качество воды в контрольном створе показаны ка рис.7. Необходимая для определения параметров-модели информация о состоянии входов я выходов объекта, собранная в ходе натурных эксперимент" представлена в виде троек:

I " < X!. и1, У. >, 1 = 1,2......N (12)

где 5 - номер момента времени Ц, когда фиксировались значения X, и и У. то есть — X Ц^. их= и С^). У^ У (Ц), где X Ц), и (<;). У (1) - функции, описывающие поведение входа и выхода объекта Процесс идентификации параметров моделей сводится к определению параметров С по исходным данным (12), то есть:

с = <р (БМ) (13)

где ф - алгоритм идентификации. 5' - структура моделик, I - исходная информация.

По изложенному выше алгоритму канонического анализа гидрологической информация были обработаны фактические данные натурных экспериментов по исследовании влияния фоновых характеристик и параметров промстоков ИБП на качество соды водного объекта.

s «к. so;

lo и ал is 20 io is io '5 «¡ to <5 г> ю is 20« is к

Лете I9S4¿. Зима i9lii. /7emoí3S5í.

Рис.. 7 • "лугсуга-Т- поыазатзлз.': качзетза золы з ранено 3ïdo?re:-:oro a) çoHOEiii; створ; б) п?о;.сстокл Выборгского 3) хонгсол

стзот

В четвертом газл/-\лд рассмотрена методика построения системы всдоотведения ЦЕЛ как управляемой средствами математического моделирования системы. Проведена разработка методов 'и средств полунатурного моделирования управляемой системы водаотведения промстоков ЦБП с использованием специализированного аналого-цифрового вычислительного комплекса (АЦВК).

При моделировании управляемой системы водоотведения возможны два подхода: создание специализированных программных средств для решения этой задачи, либо использование уже имеющихся средств моделирования неуправляемой системы водоотведения на базе АЦВК для полунатурного моделирования. Последний вариант предусматривает необходимость подключения к АЦВК внешней микро-ЭВМ, которая реализует заданный алгоритм управления. Б этом случ?^ АЦЕК должен выполнять роль имитатора объекта управления. Следует отметить преимущества такого подхода:

1) можно использовать ранее разработанные программные средства для гибридного моделирования водоотведения без существенных переделок;

2) возможна проверка управляющих алгоритмов и отладка программ на реальных аппаратных средствах управления водоотведением без значительного искажения вычислительной среды; •

о) моделирование может проводиться как в ускоренном, так и в реальном масштабе времени.

В общем случае, структура взаимодействия компонентов программного обеспечения микропроцессорной системы, предназначенной для управления локальной системой водоотведения, может быть представлена в виде блок-схемы, приведенной на рис.8.

В разделе:

1. Проведен анализ задач, решаемых автоматизированной системой управления локальным водоохранным комплексом ЦБП (АСУ ЛВК).

2. Предложена структура АСУ ЛВК предприятия ЦБП для обеспечения нормативов качества воды в водных объектах.

3. Сформулированы требования к машинной модели управляемой системы водоотведения промстоков ЦБП. °

4. Разработана структура машинной модели управляемой системы водоотведения.

5: Разработана методика и аппаратно-программные средства полунатурного моделирования управляемой системы водоотведения с ио-

r"0, ^ • с}куазлоп£я локально:! схег.ой водоотводов!

на Саьс ылпео-ЭВ:.;.

сыользляанием АЦП;:. >

Средстса полуиатуриого мажниого моделирования позволяют про водить на этапу предпроектного обоонозапия параметров водоотведе ния всестороннюю оценку возможных методов упоавления локалышм во доохранным комплексом ЦБП. обосновывать рациональную структуру АС ЛБК. исследовать н отлаживать алгоритмы управления водоотведепием

В пятом разделе рассмотрен ряд примеров конкретного примаке ния разработанных методов и средств машиного моделирования дл решения задачи оптимизации Выборгского ЦБК. Промоделировано влияние местоположения водовыпуска на процесс формирования качеств; во^ы во всей акватории рассматриваемой части залива. Моделировало: летний резким водоотведения для условий неблагоприятной ветрово; нагрузки. Ка следующем этапе с использованием методов экспертно. оценки на основе графически интерпретированных результатов машинных экспериментов, а такие дополнительных данных, было сделаж заключение о наиболее оптимальном положении водовыпуска. Для моделирования водного объекта было выбрано уравнение КДИ и ПВ вида:

ас ¿с йс аг с аг с

— + Мх — + Уу— - 0,. (--+ - ) - КС , (14)

си йх с£у <3х2 йуг

где С - концентрация ингредиента; \'х, Уу - составляющие ско роста течения по осям X и У; - коэффициент горизонтального тур булентного обмена: К - коэффициент биохимического окисления.

Была проведена серия машинных экспериментов как для стацио нарного. так и для нестационарного случая водоотведения. Для при нятия проектного решения о местоположении водовыпуска применяло метод экспертных оценок. При этом были выбраны следующие критерии 1) критерий затрат. 2)критерий влияния на качество воды, 3).Крите рий оценки с точки зрения влияния на ход строительства, 4) эксплу атационный критерий. Проведены исследования, направленные на оцен ку возможности при: знения программных средств для автоматизаци экспертной оценки проектных решенийс}1а этапах оценки вариантов п бальной шкале.

Разработанные в диссертации средства диалогового многооконно го взаимодействия с пользователем позволяют эффективно поддержи вать процедуру параллельной работы в режиме заполнения таблг

оценки вариантов и запросов к базе данных с целью анализа необходимой информации. Таким образом данные средства могут быть взята за основу при разработке автоматизированной ' экспертной системы, использующей подсистему машинного моделировании водоотведспип.

Рассмотрен также вопрос расчета экономической эффективности осуществления природоохранных мероприятий и оценки предотвращенного экологического ущерба. Расчет выполнен по "Временной типовой методике определения экономической эффективности осуществления природоохранных мероприятий и оценки экономического ущерба, причиняемого народному хозяйству загрязнением окружающей среды."

Как показали расчеты экономический ущерб, наносимый от существующего сброса сточных вод равен: У = 745.326 тыс. руб/год. После введения очистных сооружений экономический ущерб, наносимый сточными водами равен: У1 = 129.118 тыс.руб/год. Экономическая эффективность равна: Э = У - У1 = 745.326 - 129,113 = 616,207 тыс.руб/год.

ШЕОДЫ

1. Проведен критический обзор литературы, позволивший выявить основные направления развития водоохранных мероприятий в ЦЕП: определить основные факторы, которые должны учитываться при нормировании параметров природных и сточных под; выбрать типовые математические модели для описания элементов системы водоотведения промстоков ЦБП. Как результат этой работы сформулированы основные задачи исследования по машинному коделировнию систем Еодоотведе-ния.

2. Разработана математическая модель оптимизации ПДС при"проектировании систем водоотведения промстков ЦБП. Проанализированы возможные методы решения данной оптимизационной задачи.

3. Предложена методика предпроектного обоснования оптимальных параметров системы водоотведения при нормировании ПДС, основанная на комплексном применении математической модели.

4._ Разработан и реализован экспериментальный аналого-цифровой вычислительный комплекс для моделирования систем водоотведения, а такт.е базовый пакет математического программного обеспечения.

5. Предложены принципы использования разработанных средств при полунатурном моделировании управляемых локальных систем водоотведения с целью исследования и выбора рациональных методов управления водоотведениеч на этане предпроектного нормирования ПДС.

6. Разработанные: методы и средства машинного моделирования

апробированы при решении практических задач, связанных с исследованием к нормированием параметров водоотведения промстков проектируемых и реконструируемых объектов Выборге;;, го ЦБК.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Сычев В.В. Обоснование НДС загрязнений, сбрасываемых в Выборгский залив, методом математического моделирования. Охрана окру-з;:аклцей среды. Мегспуг. сб. науч. тр. Д., 1986. с. 107-109.

2. Сычев В.В. Сравнение зон влияния сточных вод Выборгского ЦБК при существующим и проектном ьодогылуске. Тезисы докладов. Научная конференция . Ленинград, 1986. с. 2°.

3. Сычев В. В. Основные, технико-экономические характеристики приро-' доохранного комплекса Выборгского ЦБК. Тезисы докладов научно-технической конференции. Д., 1987, с. 73.

4. Сычев В.В. Локальная система контроля промышленных и коммунальных водэзапуска. Сборник тсзисое докладов международной научно-технической конференции. Зкобикон - 90, Сочи. 1990. с. 63.

5. Сычев В.В. Очистка природных вод методом флотации. Тезисы докладов научно-технической конференции. Киев. 1987, с. 134-135.

6. Сычев В.В., Бда::;евйч A.B. Оценка экологических норм нагрузки сточных вод в условиях Выборгского залива, /езисы докладов научно-технической конференции. Л, 1990. с.92.

7. Сычев В.В., Дулик A.C. Использование ЭВМ для оперативного контроля и управления работой очистных сооружений. Тезисы докладов научно-технической конференции. Л. 1988. с. 73.

8. Афанасьев А. И., Шишкин А. И., Сычев В. В. Методы и программные средства диалоговой оптимизации параметров водовыпускных устройств. Охрана окружающей среды. Межвуз. сб.науч. тр. Л..- 1988. с. 26-32.

9. Коровин. Л.К., Левин В.А,, Сычев В.В. Определение Фактически? параметров рабош очистных сооружений. Охрана окружающей среды. Межвуз. сб. науч. 1р. Л.. 1985. с?112-116.

10. Шишкин А. И.. Афанасьев А. И.. Сычев и. 11 Численный эксперимент по обоснованию изменения г-^:« водоотведения при рекоьструкцш Выборгского ЦБК. Охрана окружающей среды. Межвуз. сб.науч. тр. Л, 1987. С. 18-21.