5020

29

мальное количество фитопланктона в реке совпадает с максимальным количеством водорослей в отстойниках.

В воде после фильтров насчитывалось от 0,4 до 15 тыс.кл/л водорослей. Здесь также максимальное количество фитопланктона совпадает с максимальным количеством водорослей в реке. В РЧВ содержание водорослей колебалось от 2 до 99,4 тыс.кл/л. Максимальное количество фитопланктона отмечалось в августе 1983г. и мае 1984г. Следует отметить, что в этот период в пробах из РЧВ водорослей намного больше, чем на предыдущем этапе очистки, т.е. в воде после фильтров.

Видовой состав зоопланктона за период исследований включал 32 вида, в том числе ракообразных (Crustacea) - 27 видов, из них: веслоногие рачки (Coρepoda) - 7 видов, ветвистоусые рачки (Cladocera) - 6 видов, коловратки ( Rotatoria) - 14 видов. Также были обнаружены (Ciliata) ресничные инфузории - 1 вид и бентические организмы, включающие в себя нематоды, олигохеты, хирономиды и личинки других насекомых.

Вокской воде Автозаводского водозабора обнаружено 15 видов планктонных организмов и 2 вида бентосных. Наиболее богата зоопланктоном, в видовом отношении, вода после отстойников. Там насчитывалось 25 видов, из них 3 - бентических. Следует отметить, что такие виды, как Ciclops kolensis, Acanthocyclops viridis, - из веслоногих рачков; Dafhia cocullata, D.longispina, Macrothrix hirsulicornis, Bosmina sp. - из ветвистоусых рачков; Karatella cochuoris, Pleurotrocha sp. - из коловраток; chironomidae и личинки насекомых - из бентических организмов - встречаются только в отстойниках.

Впробах воды после фильтров обнаружено 13 видов планктонных

организмов, причем большинство из них транзитом поступают из реки и лишь 1 вид - из ресничных инфузорий - встречается только на фильтрах - это бродячие сувойки. Пробы воды из РЧВ содержали 10 видов организмов, из них: 8 видов - зоопланктонных и 2 вида - бентических.

Вречной воде Автозаводского водозабора количество зоопланктона в октябре и декабре 1983г., январе, феврале и марте 1984г. составляло 200300 экз/м3. В ноябре 1983г. и апреле 1984г. количественный состав увеличивался до 600-700 экз/м . Максимального количества он достиг в мае 1984г., в это время в окской воде Автозаводского водозабора было обнаружено 92000 экз/м3.

Вводе после отстойников так же, как и в реке, максимальное количество зоопланктона отмечалось в мае 1981г. и составляло 1227 экз/м3. Минимальное количество - 12,1 экз/м3 - было обнаружено в феврале этого же года. В остальное время в отстойниках насчитывалось от 27,2 до 73,1 экз/м3.

На фильтрах и РЧВ зоопланктон встречался в единичных экземплярах, и лишь в мае 1984г., в период массового его развития на реке, на фильтрах обнаружено 80 экз/м3 и в РЧВ - 12 экз/м3.

30

За период исследований в Заволжском водозаборе и по этапам очистки воды было обнаружено 129 видов, разновидностей и форм водорослей, в

В весенний период (со второй декады апреля по вторую декаду июня) наибольшее количество водорослей в воде водозабора отмечалось в июне 1986г. и мае 1987г. и составляло соответственно 780,8 тыс.кл/л с биомассой 0,22 г/м3 и 506 тыс.кл/л с биомассой 0,78 г/м3 ; 19.05.87г. в воде после осветлителей содержалось 762,8 тыс.кл/л, а в воде водозабора - 506 тыс.кл/л.

Ввесенний период 1986г., в апреле, мае и первой декаде июня 1987г.,

вводе после фильтров водорослей содержалось больше, чем в воде после осветлителей. Кроме того, в РЧВ обнаружены жгутиковые виды (p.Cryρtomonas), которые свидетельствуют о плохом санитарном состоянии

резервуара чистой воды.

В летний период максимальное количество фитопланктона в водозаборе отмечалось в июле 1986г. и составляло 5200 тыс.кл/л, за счет синезеленых водорослей Microcystis acruginosa - 4056 тыс.кл/л - и Aphanisome-

non flosaquae - 448 тыс.кл/л.

В осенний сезон 1986г. количество фитопланктона в водозаборе изменилось от 24,8 до 3871,8 тыс.кл/л; 8.09.87г. в воде водозабора содержалось 132380,4 тыс.кл/л. Это был третий и самый большой максимум в развитии фитопланктона и самый трудный период в работе станции. Наибольшее количество зоопланктона отмечалось в водозаборе в сентябре и составляло 268300 экз/м3. Оно было обусловлено интенсивным развитием Clado-

сега chydorus sph. 3 Второй максимум с количеством зоопланктона 714000 экз/м наблю-

дался в октябре. Он был также обусловлен развитием Cladocera, но другим

видом - Bosmina longirostris.

В весенне-летний период в водозаборе можно отметить три максимума в развитии зоопланктона. В количественном отношении они близки: в мае в воде водозабора содержалось 35400, в июне - 32960, в августе - 38200 экз/м3. Однако в качественном отношении каждый максимум отличался друг от друга. В мае он обусловлен большим содержанием в воде водозабора науплиальных и копеподитных стадий циклопов, в июне - содержанием Cladocera chydorus sph., а в августе - Rotatoria brachyonus и Colyciflorus colycitlorus. B РЧВ максимальное количество зоопланктона

31

наблюдалось в конце мая и составляло 2270 экз/м3 , что обусловлено развитием науплиальной стадии циклонов.

Дальнейшие исследования были посвящены аккумулирующей способности гидробионтов поглощать органические загрязнители, характерные для Автозаводского водозабора. Исследовались такие вещества, как канролактам,диэтиламин,хлороформ.

Выявленные закономерности позволили автору разработать и предложить для внедрения конструкцию биопоглотителя и блока для предварительной очистки воды, включающего биопоглотитель, микрофильтр, камеру первичного озонирования. Включение такого блока в технологию водоподготовки позволяет провести реконструкцию очистных соооружений без остановки основного производства и значительно повысить степень очистки воды от растворенных загрязнений.

Разработанные технологии и установки очистки природных вод позволяют радикально решить задачи по обеспечению питьевой водой жителей малых населенных пунктов как из поверхностных, так и подземных источников.

Блочный принцип формирования установок позволяет решить проблемы по обезжелезиванию, умягчению воды и др.

Модульная компоновка позволяет создать установки контейнерною тина с автономным обеспечением электроэнергией, которые возможно эксплуатировать в условиях Крайнего Севера с температурой окружающей среды от минус 50 до плюс 5O0C.

Пятая глава посвящена рассмотрению конкретных объектов, на которых осуществлялась модернизация водопроводных станций с внедрением озонирования и в некоторых случаях с применением биологической предочистки. Все объекты расположены на территории Нижегородской области и имеют источники водоснабжения с различным качеством поды (большие реки Ока, Волга, лесная река Керженец, Горьковское водохранилище, озеро, подземный источник).

Наиболее значимый объект - Нижний Новгород. В городе имеются 4 водопроводные станции, работающие по традиционной двухступенчатой реагентной технологии с первичным хлорированием (Слудинская станция, Малиновая гряда, Автозаводская станция, Ноносормовская станция). Особенностью Автозаводской станции является наличие вторичного озонирования, контактные камеры располагаются перед резервуарами чистой воды. Из четырех станций лишь Новосормовская забирает воду из р. Волги, остальные - из р. Оки.

На первом этапе исследований проводился анализ качественного состояния водотоков в районе водозаборов, в том числе и на специфические загрязнители.

Параллельно с исследованиями были созданы лабораторные установки с целью определения оптимальных режимов озонирования и адата-

32

ции озонных технологий к существующим. Эта работа позволила определить усредненную дозу озона - 6 мг/л - и время пребывания озона с водой - 12 мин. Для снятия нагрузки с основного блока очистных сооружении было предложено в головной части очистных сооружений разместить биопоглотитель с микрофильтром. В случае резкого ухудшения качества исходной воды предусмотрен ввод порошкообразного активированного

угля.

Заволжье. Заволжская водопроводная станция питается из Г'орьковского водохранилища, вода которого отличается малой мутностью (не более 4 мг/л), достаточно высокой цветностью (до 70 град) и очень большим содержанием фито- и зоопланктона. Существующая технология "осветлители со слоем взвешенного осадка - скорые фильтры" не справляется с теми загрязнителями, которые поступают на станцию. Кроме этого, в РЧВ достаточно часто обнаруживаются бактерии и количествах, превы-

шающих норматив, проводниками которых является планктон.

При решении вопроса о реконструкции станции было предложено организовать предварительную биологическую очистку, которая служит для удаления планктона, а также позволяет снизить нагрузку на основной блок очистных сооружений. Для организации первичного озонирования рекомендовано переоборудовать осветлители со слоем взвешенного осадка

в контактные камеры озонирования.

Особенностью Заволжской станции является то, что еще в 1970 г. здесь было внедрено обеззараживание воды озоном. Обеззараживание осуществлялось в резервуарах чистой воды, где были смонтированы распылительные системы из пористой нержавеющей стали. При выполнении рабочего проекта реконструкции станции автором были предусмотрены мероприятия, позволяющие перевести режим работы генераторов на частоту тока 600 .Гц. Такое решение позволило достичь увеличения производительности генераторов в 2 раза и обеспечить озоном процесс первично-

гоозонирования.

Лысково. Источником водоснабжения города является каскад озер Лысковской сельхознизины, которые питаются за счет многочисленных родников, а также фильтрации волжской воды через дамбу, отделяющую озера от реки. Вода озер характеризуется малой мутностью (даже в паводок не более 5 мг/л), высоким содержанием органических соединений при-

родного происхождения (окисляемость до 15 мгО2/л) и цветностью, которая составляет 40-70 град. После организации зон санитарной охраны практически исключена возможность попадания в водоем антропогенных загрязнителей. Особенностью системы водоснабжения города является

удаление места забора воды от очистных сооружений на 7 км.

В городе функционирует водопроводная станция с реагентной двухступенчатой технологией "осветлители со слоем взвешенного осадка - скорые фильтры", которая запроектирована с нарушением.

33

Потребность города в воде - 26 тыс. м3 /сут. Таким образом, станция работает в форсированном режиме. Администрация города поставила достаточно сложную задачу — развить производительность станции до 26 тыс. м3 /сут и гарантировать получение питьевой воды высокого качества.

В результате исследований, проведенных автором, было предложено на площадке водозаборных сооружений разместить озонаторную станцию и озоно-воздушную смесь вводить непосредственно в напорный водовод после насосов насосной станции первого подъема. Время добегания воды до очистных сооружений составляет 35 мин, что вполне достаточно для контакта озона с водой. Такое решение позволило отказаться от строительства дорогостоящих контактных резервуаров первичного озонирования.

Учитывая малую мутность исходной воды, автор предложил применить на станции одноступенчатую технологию - "прямоточное фильтрование". Для увеличения производительности осветлители со слоем взвешенного осадка были переоборудованы в скорые фильтры.

На основании вышеизложенных решений был выполнен рабочий проект реконструкции станции и передан заказчику.

Поселок Гидроторф. Источником водоснабжения поселка является подземный источник. Питание водопроводной станции осуществляется с помощью 6 скважин, имеющих общую производительность около 3,5 тыс. м3 /сут. Вода перед подачей на станцию водоподготовки усредняется в приемном резервуаре. На момент обследования усредненная вода характеризовалась следующими показателями: цветность - 50 град; мут-

ность - 4,5 мг/л; окисляемость — 15,3 мгО2/л. В воде обнаруживались желето с концентрацией около 5 мг/л, марганец - около 2 мг/л. Жесткость, солесодержание, концентрация хлоридов и сульфатов были в норме.

На территории поселка функционирует водопроводная станция, имеющая проектную мощность 2,5 тыс. м3 /сут. Технология водоподготовки реагентная, двухступенчатая - "осветлители со слоем взвешенного осадка - скорые фильтры". В головную часть сооружений вводится жидкий хлор и сернокислый алюминий. Обеззараживание осуществляется также жидким хлором. Было определено, что эффективность работы осветлителя нулевая, т.к. взвешенный осадок ввиду малой мутности исходной воды не образуется. Таким образом, осветлители со слоем взвешенного осадка фактически являются транзитными резервуарами.

Для кардинального улучшения качества питьевой воды автором было предложено: применить вместо первичного хлорирования озонирование; в качестве контактных камер использовать (после соответствующей доработки) незадействованные резервуары в реагентном хозяйстве; первую ступень очистки вывести из технологического процесса.

34

Учитывая малую мутность исходной воды, автор предложил также заменить загрузку в фильтрах и применить активированный уголь марки TL-830 (Chemviron Carbon), который имеет насыпную массу и прочностные характеристики, близкие к песку, в связи с чем замену загрузки можно

было осуществить без изменения конструкции фильтров.

Предложенная автором технология отрабатывалась в лабораторных условиях. После согласования с органами санитарно-эпидемиологического надзора был выполнен рабочий проект реконструкции станции, который

был передан в администрацию п. Гидроторф.

Семенов. Город Семенов располагается на севере Нижегородской области и имеет в качестве источника водоснабжения лесную реку Керженец. Эта река практически не испытывает антропогенную нагрузку, имеет цветность не более 40 град, мутность до 18 мг/л, довольно высокую окисляемость - до 15 мг О2/л - и повышенное содержание железа - до 2,5 мг/л.

запроектирована следующая технология водоподготовки: первичное озонирование - коагулирование - прямоточное фильтрование - обеззараживание хлором. Перед первичным озонированием предложено использовать биопоглотитель с микрофильтром. Для увеличения производительности станции до необходимой были реконструированы существующие осветли-

тели со слоем взвешенного осадка в скорые двухслойные фильтры.

В шестой главе представлена новая концепция моделирования процессов очистки воды как многофакторных и многокомпонентных. Наряду с рассмотрением традиционных аналитических методов моделирования процессов очистки воды в главе разрабатывается и обобщается графи-

ческий метод.

Практическая ценность этого метода заключается в том, что здесь возможно наглядное изображение функциональных зависимостей, в которых число переменных больше трех. Графический метод более досту-

пен широкому кругу инженерно-технических и научных работников. Криволинейные поверхности отклика - это эмпирические поверхно-

сти, задаваемые упорядоченным множеством точек с координатами, устанавливаемыми опытами. В работах Ф.С.Веселовой и др. показано, что в данном случае целесообразно пользоваться чертежом Радищева и методами, основанными на моделировании элементов многомерного пространства геометрическими образами плоскости чертежа или трехмерного про-

странства.

В современных работах обычно излагаются лишь отдельные теоретические и прикладные вопросы, связанные с графо-аналитическим моделированием. Автор поставил своей целью систематизировать имеющийся материал и предложить определенный, достаточно простой подход к MO-

35

делированию многокомпонентных процессов и решению технологических задач. Как известно, поверхность отклика в графическом изображении представляется каркасом линий. В том случае, когда в процессе ис-

пользуются два фактора - Х1 , X2 - и один выходной параметр Y, исследуемая поверхность включает в себя два семейства линий, расположенных во фронтальных ( || OX1Y ) и профильных ( ||0X2Y ) плоскостях уровня (рис.10).

При увеличении количества факторов до грех число уровней третьего фактора гак же, как и второго, принимается в соответствии с характером аппроксимирующих кривых. Тогда вся гиперповерхность отклика представлена отсеками поверхностей, каждую из которых в свою очередь можно представить состоящей из частей цилиндроидов.

В главе рассматриваются задачи на инцидентность, пересечение, нахождение оптимумов.

Модель, адекватная исследуемому процессу, графически представляет собой некоторую поверхность или гиперповерхность отклика системы. Предлагается представить такую гиперповерхность дискретно, в виде каркаса точек и линий. Появление точки, характеризующейся новыми исходными данными, выделяет определенный отсек гиперповерхности, которому принадлежит эта точка. В виду того, что исходные данные могут принимать различные значения, отсек будет перемещаться, "плавать" в исследуемой гиперповерхности процесса. Назовем такой отсек "плавающей" гиперплоскостью.

В трехмерном пространстве для этого необходимо выделить три точки, которые, в свою очередь, определяют единственную плоскость; размерность последней на единицу меньше размерности пространства, которому принадлежит эта плоскость. В четырехмерном пространстве "плавающая" гиперплоскость определяется четырьмя точками и имеет размерность, равную трем. Отсюда видно, что вопрос о размерности "плавающей" гиперплоскости тесно связан с размерностью пространства, в котором она расположена.

Основным для размерности пространства является количество величин, определяющих его. Для геометрической модели процесса величинами, определяющими размерность гиперповерхности отклика пространства, которому она принадлежит, являются неуправляемые характеристики (компоненты) и выходная величина (параметр).

Отсюда можно сделать вывод, что количество точек, определяющих "плавающую" гиперплоскость, на единицу больше количества компонентов, задающих исследуемый процесс:

(22)

Рис. 10. Поверхность отклика, представленная в виде каркаса

37

где N - количество точек "плавающей" гиперплоскости;

К- количество компонентов процесса.

Представим для пояснения простейший случай конструирования

"плавающей" плоскости, когда процесс состоит из двух компонентов (К1 , K2), двух факторов (Х1 , X2) и одного параметра процесса F. Зависимость между управляемыми факторами группы X (X1,X2) и параметром Y имеет вид

(23)

и определяется поверхностью F1. Эта зависимость получена при значениях компонентов K1 , K2 и соответствует первой серии опытов. Вторая серия опытов позволяет установить аналогичную зависимость

(24)

но при новых значениях компонентов К1 ,К2 эта зависимость соответствует поверхности отклика F2 . Количество таких поверхностей определяется числом серий опытов. Появление нового состава исходных величин потребует новых данных, по которым можно будет построить новую поверхность отклика. Чтобы получить требуемые данные, первоначально следует сконструировать поверхности σ1, σ2 ... .

Поверхность σ 1 построена при постоянных значениях факторов Х1, X2 и определяет изменение параметра Y в зависимости от компонентов

комбинаций факторов Х1 и Х2 , а число точек, определяющих поверхностьчислу серий, соответствующих составу входных данных. При новом составе компонентов K1* ,K2* в каждой из поверхностей σ находится своя точка, соответствующая единственным значениям факторов, из которых в дальнейшем формируется поверхность типа F.

В главе разработана комплексная методика организации технологического процесса очистки воды, включающая особенности планирования эксперимента с определением необходимого числа повторов опытов, их воспроизводимости, минимально необходимого количества. В результате анализа экспериментальных данных производится устранение грубых ошибок, находится среднее квадратичное отклонение, после чего строит-

38

ся модель с последующей проверкой на адекватность. Построенная модель позволяет определить необходимые значения регулируемых факторов при заданной величине одного из выходных параметров, определить общую область выбора факторов, решать оптимизационные задачи.

В главе разработаны математические модели очистки воды от марганца, циклогексанола, очистки стоков моющих растворов и осуществлена их практическая реализация.

Загрязнение поверхностных источников водоснабжения промышленными выбросами ставит задачу удаления из воды специфических загрязнителей, каким, например, является циклогексанол, поступающий в водоем с неорганизованным сбросом от производства капролактама. Предельно допустимая концентрация (ПДК) его в питьевой воде не должна превышать 0,5 мг/л. Одним из способов удаления циклогексанола является обработка воды сильным окислителем, в качестве которого был использованозон.

Целью наших исследований являлось установление различных параметров озонирования, при которых достигается ПДК циклогексанола в питьевой воде. Было проведено несколько серий опытов, в каждой серии концентрация циклогексанола составила 2,2 мг/л. Так как процесс характеризуется двумя факторами и одним выходным параметром, то для решения задачи удобно использовать модель поверхности отклика, изображенную на рис.11, где видно, что исследуемая поверхность задана в виде каркаса линий, каждая из которых состоит из пяти точек.

Содержание циклогексанола в воде должно находиться на уровне ПДК, значение которой составляет 0,5 мг/л. В соответствии с этим первоначально построено сечение поверхности отклика, соответствующее уровню 0,5 (плоскость а). Для построения проекций линии сечения т в системе координат T, D, O3 использован ключ пропорциональности. Полученное сечение - это линия т, каждая точка которой, имея свои значения по времени озонирования и концентрации озона в OBC, даст на выходе концентрацию циклогексанола 0,5 мг/л. В связи с тем, что задача требует определения минимального значения времени озонирования, следует построить плоскость, касательную к найденному сечению, проведенную перпендикулярно оси T. Величина, соответствующая минимальному времени озонирования, равна 2,3 мин, при концентрации ОЗС 23,3 мг/л.

Факторы - время озонирования, концентрация. Фактор времени варьировался на четырех уровнях, а фактор концентрации - на пяти. Параметром исследуемого процесса принята концентрация циклогексанола в воде после озонирования. На полученной модели решаются задачи по определению области выбора факторов по параметрам химического потребления кислорода (ХПК), взвешенных веществ, нефтепродуктов.