CC BY
64
стр. 102 из 233
УДК 628 DOI: 10.12737/4856
АНАЛИЗ КРИТЕРИЕВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ И ТЕХНИКОЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ
Лебедев Владимир Владимирович, кандидат технических наук, доцент кафедры сервиса,
voval matr@mail.ru,
Крымская Елена Яковлевна, аспирант кафедры сервиса,
ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса», Москва, Российская Федерация
Анидалов Александр Юрьевич, кандидат технических наук, доцент, vestnikkprf@yandex.ru,
ФГБОУ ВПО «Балаковский институт техники, технологии и управления», г. Балаково, Российская Федерация
Рассмотрены некоторые результаты численного моделирования и результатов расчетов, касающиеся, в том числе анализа сравнительной технико-экономической эффективности проектных решений, систем локальной биологической очистки сточных вод малых жилых комплексов, индивидуального жилья и объектов сервиса. В статье разработаны критерии оценки технической и сравнительной технико-экономической эффективности систем очистки сточных вод на основе периодически действующих аппаратов аэробной очистки активным илом - циклотенков. В качестве базового варианта для оценки технико-экономической эффективности рассмотрен классический проточный аэротенк полного смешения, имеющий одинаковый с циклотенком эффект очистки. Разработанные функции технической и сравнительной технико-экономической эффективности были включены в разработанную имитационную модель очистки сточных вод активным илом в циклотенках и проведены численные исследования модели. На основании выполненных исследований установлено существование области оптимальных параметров, в которой обеспечивается конкурентное преимущество систем очистки на базе циклотенков по критериям как технической, так и сранительной технико-экономической эффективности.
Построены графики изменения разности времен аэрации эквивалентного аэротенка для разной дозы активного ила от времени аэрации в циклотенке при разной кратности начального заполнения циклотенка и при изменении отношении длительности фазы постоянного объема и фазы заполнения и начальной дозе активного ила в циклотенке.
стр. 103 из 233
Ключевые слова: глубины очистки, коммунальное хозяйство, модель процесса,
сточные воды, фазы аэрации
Выбор проектных решений при разработке систем локальной биологической очистки сточных вод малых жилых комплексов связан с изучением динамических откликов выходных параметров, характеризующих качество очистки, на флуктуации входных параметров сточной воды. Это обусловлено целью определения оптимальных методов управления в области моделирования нестационарных процессов [1]. По результатам проведенных исследований есть основания предполагать, что системы очистки определенного типа окажутся наиболее эффективными и по результатам расчетов более предпочтительны к применению на малых объектах водоотведения. Чтобы определенно ответить на вопросы, возникающие в связи с возможным применением таких систем очистки сточных вод, необходимо выполнить ряд следующих аналитических исследований.
Основные характеристики процесса очистки сточных вод
В качестве основных критериев рассмотрим, в частности, функции,
характеризующие технологическую эффективность технического решения при выборе более предпочтительного технического проекта [2].
Функция интегрального съема БПК за цикл, г
ASCYCL = (L0 — SCYCL )' v ■ t3 ,
где AScycl, Scycl - величина снятого БПК и БПК в конце фазы аэрации при установившихся режимах работы циклотенка.
Функция рабочего объема циклотенка, м3
W
CYCL
V
+ v ■
t
air
1 + т
= v ■
Г t.
k + ^-v 1 + т
(1).
Функция удельного съема БПК с единицы рабочего объема циклотенка, г/м3
as
^^CYCL
W
”CYCL
На рисунке 1 представлены графики зависимости удельного съема БПК от времени при разных значениях структурного коэффициента - 0; 0,25; 0,5.
Кратность начального заполнения - 0,5.
стр. 104 из 233
400
350
K05 j ( time , 0 , 10 )
_____ 300
K05 i ( time , 0.25 , 10 )
K05 i ( time , 0.5 , 10 ) 250
200 150
0 5 10 15 20
time
Рис. 1. Изменение удельного съема БПК очищенной сточной воды в установившихся режимах циклотенка от продолжительности фазы аэрации. Удельный съем БПК - ось ординат, г/м3. Время - ось абсцисс, ч. Верхний график соответствует структурному коэффициенту - 0,5; нижний- 0.
На рисунке 2 приведены графики зависимости удельного съема БПК от времени при разных значениях кратности начального заполнения - 0,5; 1,0; 1,5. Структурный коэффициент - 0,25.
400 350
K05 1 ( time , 0.25 , 10 )
K10 1 ( time , 0.25 , 10 ) 300 K15 1 ( time , 0.25 , 10 )
250 200
0 5 10 15 20
time
Рис. 2. Изменение удельного съема БПК очищенной сточной воды в
установившихся режимах циклотенка от продолжительности фазы аэрации. Удельный съем БПК - ось ординат, г/м3. Время - ось абсцисс, ч. Верхний график соответствует кратности начального заполнения - 1,0; нижний - 0,5.
Из графиков (рис. 1, 2) следует, что с увеличением продолжительности фазы аэрации темп возрастания глубины очистки существенно падает. Очевидно, эффективные значения времени ограничены сверху. Влияние структурного коэффициента однозначно: с его
стр. 105 из 233
увеличением эффект очистки возрастает. Влияние кратности начального заполнения неоднозначно - эффективность очистки при кратности начального заполнения 1,0 выше, чем при кратностях 0,5 и 1,5, но эффективность при кратности 1,5 выше, чем при кратности 0,5.
По-видимому, технологических критериев недостаточно для анализа эффективности решений. При развитии этого направления исследования необходимо вводить также и вопросы экологии [3, 4].
В качестве критериев технико-экономической эффективности последовательно рассмотрим следующие функции.
Функция годового экономического эффекта, тыс. руб./год 24
Eff = — • AScycl • 365 • Ec - Kv • 2 • WCYCL • EH, (2)
* 3
где ЕН=0,12 - удельный коэффициент эффективности капитальных вложений;
KV=25 - удельные капитальные вложения, отнесенные к единице рабочего объема циклотенка, тыс. руб/м3;
Ес=455 10-9 1,6'25'2,5=4,5510-5 - коэффициент экологических выплат, тыс. руб. за 1 г снятой БПК.
На рисунке 3 представлены графики изменения функции годового экономического эффекта от продолжительности фазы аэрации при разном отношении длительности фазы постоянного объема и фазы заполнения (при разных значениях структурного коэффициента - 0; 0,25; 0,5). Кратность начального заполнения - 0,5.
K05 2 ( time , 0 , 10 )
K05 2 ( time , 0.25 , 10 )
K05 2 ( time , 0.5 , 10 )
time
Рис. 3. Изменение годового экономического эффекта от продолжительности фазы аэрации. Годовой экономический эффект - ось ординат, тыс. руб./год. Время - ось абсцисс, ч. Верхний график соответствует структурному коэффициенту - 0,5; нижний - 0.
стр. 106 из 233
Применение технико-экономического критерия вывило ограничения для выбора эффективных значений продолжительности фазы аэрации - функция эффективности сначала возрастает с увеличением времени, достигая максимума, а затем начинает убывать.
Влияние структурного коэффициента однозначно - его увеличение повышает эффективность. Далее (рис. 4) представлены графики изменения функции годового экономического эффекта от продолжительности фазы аэрации при разных кратностях начального заполнения - 0,5; 1,0 и 1,5. Отношение длительности фазы постоянного объема и фазы заполнения - 0,25. На рисунке 4 снова проявляется неоднозначность влияния на эффективность кратности начального заполнения.
K05 2 ( time
K10 2 ( time
K15 2 ( time
0.25 , 10 ) 0.25 , 10 ) 0.25 , 10 )
350
200
23
time
400
250
0
1
4
5
Рис. 4. Изменение годового экономического эффекта от продолжительности фазы аэрации. Ось ординат - годовой экономический эффект ( тыс. руб/год); абсцисс - время, ч. Верхний график соответствует кратности начального заполнения - 1,5; нижний -0,5.
Определим функцию разности капитальных затрат стационарного аэротенка и циклотенка при одинаковом эффекте очистки по БПК как критерий для оценки сравнительной технико-экономической эффективности циклотенка и эквивалентного ему базового аэротенка полного смешения.
Определяем время аэрации эквивалентного по эффекту очистки аэротенка, ч.
tE
air
Т — S
^0 °CYCL
(l - s)-a -p
Функция разности капитальных затрат, тыс. рублей AK = Kv (v - tEir - 2 - Wcycl ).
(3)
На рисунке 5 представлены графики изменения времени аэрации эквивалентного аэротенка для разных доз активного ила (3, 4,5 и 6 г/л) от продолжительности фазы
стр. 107 из 233
аэрации в циклотенке при кратности начального заполнения циклотенка - 0,5; отношении длительности фазы постоянного объема и фазы заполнения - 0,25 и начальной дозе активного ила в циклотенке - 10 г/л.
4
t05 air ( time , 0.25 , 10 , 3 ) 3
t05 air ( time , 0.25 , 10 , 4.5 )
t05 air ( time , 0.25 , 10 , 6 )
------- 2
1
012345
time
Рис. 5. Изменение времени аэрации эквивалентного аэротенка от
продолжительности фазы аэрации в циклотенке. Время аэрации эквивалентное - ось ординат, ч. Время - ось абсцисс, ч. Верхний график соответствует ДАИ эквивалентного аэротенка - 3 г/л.; нижний - 6 г/л.
Изменения разности времен аэрации эквивалентного аэротенка (рис. 6) показано для разных доз активного ила (3, 4,5 и 6 г/л) и продолжительности фазы аэрации циклотенка от продолжительности фазы аэрации в циклотенке при кратности начального заполнения циклотенка 0,5; отношении длительности фазы постоянного объема и фазы заполнения - -0,25 и начальной дозе активного ила в циклотенке 10 г/л. В этом варианте продолжительность фазы аэрации, при которой циклотенк будет эффективнее по отношению к эквивалентному аэротенку существенно ограничено сверху (время не больше 2-х часов).
стр. 108 из 233
4
2
t05 ajr ( time , 0.25 ,10 , 3 ) - time t05 air (time , 0.25 , 10 , 4.5 ) - time о t05 air ( time , 0.25 , 10 , 6 ) — time
-2
4
Рис. 6. Изменение разности времен аэрации эквивалентного аэротнка и
продолжительности фазы аэрации циклотенка от продолжительности фазы аэрации в циклотенке. Разность времен аэрации - ось ординат, ч. Время - ось абсцисс, ч. Верхний график соответствует ДАИ эквивалентного аэротенка - 3 г/л.; нижний - 6 г/л.
Исследовано изменение разности времен аэрации эквивалентного аэротенка (рис. 7) и продолжительности фазы аэрации циклотенка для дозы активного ила (4,5 г/л) от времени аэрации в циклотенке при кратности начального заполнения циклотенка - 0,5; при разном отношении длительности фазы постоянного объема и фазы заполнения - 0; 0,25 и 0,5 и начальной дозе активного ила в циклотенке - 10 г/л. и начальной дозе активного ила в циклотенке - 10 г/л.
2
t05 air ( time , 0,10 , 4.5 ) - time 0
t05 air ( time , 0.25 , 10 , 4.5 ) - time
t05 air ( time , 0.5 , 10 , 4.5 ) - time ---- “2
-4
012345
time
Рис. 7. Изменение разности времен аэрации эквивалентного аэротенка и
продолжительности фазы аэрации циклотенка от продолжительности фазы аэрации в циклотенке. Разность времен аэрации - ось ординат, ч. Время - ось абсцисс, ч. Верхний график соответствует структурному коэффициенту - 0,5; нижний - 0.
012345
time
стр. 109 из 233
На рисунке 8 малоразличающиеся графики функции разности капитальных затрат эквивалентного аэротенка для разных доз активного ила (3, 4, 5 и 6 г/л) и капитальных затрат на циклотенк от продолжительности фазы аэрации в циклотенке при кратности начального заполнения циклотенка - 0,5; отношении длительности фазы постоянного объема и фазы заполнения - 0,5 и начальной дозе активного ила в циклотенке 10 г/л.
100 0
Д K05 ( time , 0.5 , 10 , 3 )
Д K05 ( time , 0.5 , 10 , 4.5 ) _ 100 Д K05 ( time , 0.5 , 10 , 6 )
-200 -300
0 1 2 3 4 5
time
Рис. 8. Функции разности капитальных затрат эквивалентного аэротенка и капитальных затрат на циклотенк от продолжительности фазы аэрации в циклотенке. Разность капитальных затрат - ось ординат, тыс.руб. Время - ось абсцисс, ч. Верхний график соответствует ДАИ эквивалентного аэротенка - 3 г/л.; нижний- 6 г/л.
Рисунок 9 содержит графики разности времени аэрации эквивалентного аэротенка для существенно различающихся доз активного ила (3, 4, 5 и 6 г/л).
t10 air (time , 0.25 , 10 , 3 ) -t10 air (time , 0.25 , 10 , 4.5 ) t10 air (time , 0.25 ,10 , 6 ) —
0 1-1-1-1-1-1
012345
time
Рис. 9. Изменение разности времен аэрации эквивалентного аэротенка и
продолжительности фазы аэрации циклотенка от продолжительности фазы аэрации в циклотенке. Разность времени аэрации - ось ординат, ч. Время - ось абсцисс, ч. Верхний график соответствует ДАИ эквивалентного аэротенка - 3 г/л.; нижний - 6 г/л.
Независимый аргумент при расчетах - продолжительность фазы аэрации в циклотенке при кратности начального заполнения циклотенка - 1,0; отношении
стр. 110 из 233
длительности фазы постоянного объема и фазы заполнения - 0,25 и начальной дозе активного ила в циклотенке - 10 г/л.
Рисунок 10 интерпретирует изменения разности времени аэрации эквивалентного аэротенка для дозы активного ила (4,5 г/л) от времени аэрации в циклотенке при кратности начального заполнения циклотенка - 1,0; при разном отношении длительности фазы постоянного объема и фазы заполнения - 0; 0,25 и 0,5 и начальной дозе активного ила в циклотенке - 10 г/л.
15
t10 а|г (time, 0,10,4.5 ) - time 10
t10 air (time, 0.25 , 10,4.5 ) - time
t10 air (time, 0.5 , 10,4.5 ) - time ------ 5
0
0 0.5 1 1.5
time
Рис. 10. Изменение разности времен аэрации эквивалентного аэротенка и
продолжительности фазы аэрации циклотенка от продолжительности фазы аэрации в циклотенке. Разность времен аэрации - ось ординат, ч. Время - ось абсцисс, ч. Верхний график соответствует структурному коэффициенту - 0,5; нижний - 0.
На рисунке 11 даны графики функции разности капитальных затрат эквивалентного аэротенка для разных доз активного ила (3, 4, 5 и 6 г/л) и капитальных затрат на циклотенк от времени аэрации в циклотенке при кратности начального заполнения циклотенка - 1,0; отношении длительности фазы постоянного объема и фазы заполнения -0,25 и начальной дозе активного ила в циклотенке - 10 г/л.
стр. 111 из 233
2000 1500
Д K10 (time , 0.25 , 10 , 3 ) 0
Д K10 (time , 0.25 , 10 , 4.5 )
Д K10 (time , 0.25 , 10 , 6 ) 500
0
-500
012345
time
Рис. 11. Функции разности капитальных затрат эквивалентного аэротенка и капитальных затрат на циклотенк от продолжительности фазы аэрации в циклотенке. Разность капитальных затрат - ось ординат, тыс. рублей. Время - ось абсцисс, ч. Верхний график соответствует ДАИ эквивалентного аэротенка - 3 г/л.; нижний - 6 г/л.
На рисунке 12 представлены графики изменения разности времен аэрации эквивалентного аэротенка для разных доз активного ила (3, 4, 5 и 6 г/л), от времени аэрации в циклотенке при кратности начального заполнения циклотенка - 1,5; отношении длительности фазы постоянного объема и фазы заполнения - 0,25 и начальной дозе активного ила в циклотенке - 10 г/л.
600
t15 air ( time , 0.25 , 10 , 3 ) - time 400
t15 air (time , 0.25 , 10 , 4.5 ) - time
t15 air ( time , 0.25 , 10 , 6 ) - time ---- 200
0
012345
time
Рис. 12. Изменение разности времен аэрации эквивалентного аэротенка и
продолжительности фазы аэрации циклотенка от продолжительности фазы аэрации в циклотенке. Разность времен аэрации - ось ординат, ч. Время - ось абсцисс, ч. Верхний график соответствует ДАИ эквивалентного аэротенка - 3 г/л.; нижний - 6 г/л.
стр. 112 из 233
На рисунке 13 представлены графики изменения разности времен аэрации эквивалентного аэротенка для дозы активного ила (4,5 г/л) в зависимости от времени аэрации в циклотенке при кратности начального заполнения циклотенка - 1,5; при разном отношении длительности фазы постоянного объема и фазы заполнения - 0; 0,25 и 0,5 и начальной дозе активного ила в циклотенке - 10 г/л.
0
0 0.5 1 1.5
time
Рис. 13. Изменение разности времен аэрации эквивалентного аэротенка и
продолжительности фазы аэрации циклотенка от продолжительности фазы аэрации в циклотенке. Разность времен аэрации - ось ординат, ч. Время - ось абсцисс, ч. Верхний график соответствует структурному коэффициенту - 0,5; нижний - 0.
Здесь очевидна существенная разница протекания процессов в зависимости от величины структурного коэффициента и при нулевом его значении время аэрации практически не меняется на всем протяжении фаз аэрации.
Следующие расчеты (рис. 14) интерпретируют функции разности капитальных затрат эквивалентного аэротенка для разных доз активного ила (3, 4, 5 и 6 г/л). Показано изменение капитальных затрат на циклотенк от продолжительности фазы аэрации в циклотенке при кратности начального заполнения циклотенка - 1,5; отношении длительности фазы постоянного объема и фазы заполнения - 0,25 и начальной дозе активного ила в циклотенке - 10 г/л.
стр. 113 из 233
4-10 4 3-10 4
Д K15 ( time , 0.25 , 10 , 3 )
Д K15 ( time , 0.25 , 10 , 4.5 ) 2 .10 4 Д K15 ( time , 0.25 , 10 , 6 )
1-10 4
0
012345
time
Рис. 14. Функции разности капитальных затрат эквивалентного аэротенка и капитальных затрат на циклотенк от продолжительности фазы аэрации в циклотенке. Разность капитальных затрат - ось ординат, тыс. рублей. Время - ось абсцисс, ч. Верхний график соответствует ДАИ эквивалентного аэротенка - 3 г/л.; нижний - 6 г/л.
На рисунке 15 построены графики изменения разности времен аэрации эквивалентного аэротенка для дозы активного ила (4,5 г/л) от времени аэрации в циклотенке при разной кратности начального заполнения циклотенка - 0,5; 1,0 и 1,5; при отношении длительности фазы постоянного объема и фазы заполнения - 0,25 и начальной дозе активного ила в циклотенке - 10г/л.
15
t05 air ( time , 0.25 , 10 , 4.5 ) - time 10
t10 air ( time , 0.25 , 10 , 4.5 ) - time
t15 air ( time , 0.25 , 10 , 4.5 ) - time
------- 5
0
Рис. 15. Изменение разности времен аэрации эквивалентного аэротенка и
продолжительности фазы аэрации циклотенка от продолжительности фазы аэрации в циклотенке. Разность времен аэрации - ось ординат, ч. Время - ось абсцисс, ч. Верхний график соответствует кратности начального заполнения - 1,5; нижний -0,5.
На рисунке 16 представлены графики функции разности капитальных затрат эквивалентного аэротенка для дозы активного ила (4,5 г/л) и капитальных затрат на
0 0.5 1 1.5
time
стр. 114 из 233
циклотенк от времени аэрации в циклотенке при разной кратности начального заполнения циклотенка - 0,5; 1,0 и 1,5 при отношении длительности фазы постоянного объема и фазы заполнения - 0,25 и начальной дозе активного ила в циклотенке - 10 г/л.
200
Д K05( time, 0.25,10,4.5)
Д K10( time, 0.25,10,4.5)
Д K15( time, 0.25,10,4.5)
0
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
time
Рис. 16. Функции разности капитальных затрат эквивалентного аэротенка и
капитальных затрат на циклотенк от продолжительности фазы аэрации в циклотенке. Разность капитальных затрат - ось ординат, тыс. рублей. Время - ось абсцисс, ч. Верхний график соответствует кратности начального заполнения - 1,5; нижний - 0,5.
Таким образом, анализ графиков показывает, что экономически безубыточными являются варианты исполнения циклотенка с кратностью начального заполнения больше или равной 1. Причем более эффективен циклотенк (по отношению к эквивалентному аэротенку) с дозой активного ила в нем 3 г/л. Несколько способно повысить эффективность работы устройства увеличение структурного коэффициента. Однако возможные изменения всех параметров ограничены. Особенно это утверждение очевидно для значений структурного коэффициента из-за необходимости выполнения ранее сформулированного условия. В силу ограничений и неоднозначного характера эффекта в разных зонах области изменения параметров необходимо отдельно проводить оптимизационные исследования.
Литература.
1. Губанов Н.Н., Иванов В. А., Крымская Е.Я., Есипов В.Е. Влияние внешних факторов
на долговечность инженерных подземных коммуникаций // Сервис в России и за рубежом. № 1 (39). 2013. С. 59—69.
old.rguts.ru/files/electronic iournal/number39/7.doc (дата обращения: 05.03.2014).
стр. 115 из 233
2. Иванов В.А., Комаров Н.М., Крымская Е.Я., Панова М.В. Водные ресурсы России,
модели метода их сохранения и вызовы проекта. [Электронный ресурс]:
http://publ.naukovedenie.ru. Интернет-журнал «Науковедение». 2013. № 6 (19). (дата обращения: 05.03.2014).
3. Иванов В.А., Есипов В.Е. Инновации в проведении экологической экспертизы // Инновации в предпринимательстве. 2011. № 2 (3).
4. Наумчев Д.В. Управление инвестиционными проектами на рынке земельных ресурсов России: методические и методологические основы. Монография. М., 2006. 368 с.
ANALYSIS OF THE CRITERIA OF TECHNOLOGICAL AND TECHNICAL-ECONOMIC EFFECTIVENESS OF DESIGN CHOICES
Lebedev Vladimir Vladimirovich, Candidate of Engineering, Associate Professor at the Department of Service, voval matr@mail.ru.
Krymskaia Elena Iakovlevna, Postgraduate students at the Department of Service,
Russian State University of Tourism and Service, Moscow, Russian Federation
Anidalov Aleksandr Iur’evich, Candidate of Engineering, Associate Professor, vestnikkprf@vandex.ru,
Balakovo Institute of Engineering, Technology and Management, Balakovo, Russian
Federation
The authors of the article consider a number of numerical simulation results as well as computation results pertaining to the relative mechanical-economic effectiveness of design choices, local systems of biological wastewater treatment utilized by small-size residential estates, private housing and service enterprises. The authors have developed assessment criteria for technical and comparative technical-economic effectiveness of wastewater treatment systems on the basis of alternating aerobic-treatment machines utilizing biological sludge, and have applied the criteria to a simulation model.
Keywords: treatment depth, public facilities, process model, wastewater, aeration
phases
стр. 116 из 233
References
5. Gubanov, N.N., Ivanov, VA., Krymskaia, E.Ia., and Yesipov, V. E. Vlianie vneshnikh
faktorov na dolgovechnost’ inzhenernykh opdzemnykh konstruktsii [Influence of external factors on durability of engineering underground communications]. Servis v Rossii i za rubezhom [Service in Russia and abroad], № 1 (39). 2013. pp. 59—69.
old.rguts.ru/files/electronic journal/number39/7.doc (Accessed on 05.03.2014).
6. Ivanov, VA., Komarov, N.M., Krymskaia, E.Ya., Panov, M. V. Vodnye resursy Rossii, modeli metoda ikh sokhraneniia i vyzovy proekta [Water resources of Russia, model of a method of their preservation and project calls].Naukovedenie [Science of science]. 2013, No. 6 (19): http://publ.naukovedenie.ru. (Accessed on: 05.03.2014).
7. Ivanov, V.A., and Yesipov, V.E. Innovatsii v provedenii ekologicheskoi ekspertizy [Innovations in the environmental impact audit]. Innovatsii v predprinimatel’stve [Innovations in business]. 2011. № 2 (3).
8. Naumchev, D.V. Upravlenie investitsionnymi proetami na rynke zemel’nykh resursov Rossii: metodicheskie i metodologicheskie osnovy [Investment management in the Managing investment in Russia’s land resources market: methodical and methodological foundations]. Moscow, 2006. 368 с.
