CC BY
90
ИЗВЕСТИЯ
ПЕНЗЕНСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ПЕДАГОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА имени В. Г. БЕЛИНСКОГО ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ №26 2011
nrnv
ИМ. В. Г. БЕЛИНСКОГО
IZVESTIA
PENZENSKOGO GOSUDARSTVENNOGO PEDAGOGICHESKOGO UNIVERSITETA IMENI V.G. BELINSKOGO PHYSICAL AND MATHEMATICAL SCIENCES №26 2011
УДК: 574.001.573(2)
МОДЕЛИРОВАНИЕ СОСТАВА СТОЧНЫХ ВОД ПОСТУПАЮЩИХ НА
ОЧИСТНЫЕ СООРУЖЕНИЯ
© К.Р. ТАРАНЦЕВА1, А. О. МЫЗНИКОВ2, О.А. ЛОГВИНА3, М.А. МАРЫНОВА4 1Пензенская государственная технологическая академия, кафедра биотехнологии и техносферной безопасности e-mail: krtar@bk.ru 2 Пензенская государственная технологическая академия, кафедра биотехнологии и техносферной безопасности e-mail: krtar@bk.ru 3Пензенская государственная технологическая академия, кафедра биотехнологии и техносферной безопасности e-mail: krtar@bk.ru 4Пензенская государственная технологическая академия, кафедра биотехнологии и техносферной безопасности e-mail: krtar@bk.ru
Таранцева К. Р., Мызников А. О., Логвина О. А., Марынова М. А. — Моделирование состава сточных вод поступающих на очистные сооружения // Известия ПГПУ им. В. Г. Белинского.
2011. № 26. С. 677—681. — Для выявления сезонной зависимости состава сточных вод от времени года были проанализировано содержание в сточных водах: АПАВ, марганца, никеля, фенолов, формальдегида, цинка, нефтепродуктов, фосфатов, хлоридов, и сульфатов. Проведено моделирование процесса. Полученные математические модели позволяют прогнозировать содержание загрязняющих веществ в сточных водах и объяснять происходящие процессы.
Ключевые слова: модели, полиномы, сточные воды, сезонные колебания
Tarantseva K. R., Myznikov A. O., Logvina O. A., Marynova M. A. — Modelling of wastewater entering the treatment plant // Izv. Penz. gos. pedagog. univ. im.i V. G. Belinskogo. 2011. № 26. P. 677—681. — To identify seasonal dependence of the sewage of the season were analyzed content in wastewater: APAVEN, manganese, nickel, phenols, formaldehyde, zinc, petroleum, phosphates, chlorides, and sulfates. The modeling процесс was made. The resulting mathematical model can predict the concentration of pollutants in waste water and explain the processes taking place.
Keywords: model, polynomials, waste water, seasonal fluctuations
Сточные воды от промышленных предприятий г. Пензы сбрасываются на первую и вторую очереди городских очистных сооружений ООО “Горводоканал”. Очереди являются автономными и расположены на отдельных промышленных площадках. Пропускная способность первой очереди очистных сооружений составляет 200 тыс. м3/сут, из которых 60% хозяйственно-бытовых и 40% промышленных сточных вод;
второй очереди очистных -117 тыс. м3/сут, соотношение хозяйственно-бытовых сточных вод и промышленных составляет соответственно 30% и 70%. На I очередь очистных сооружений поступают сточные воды от 124 промышленных предприятий г. Пензы, на вторую очередь - от 75 предприятий [1].
Для выявления сезонной зависимости состава сточных вод от времени года были проанализированы данные отчетов среднесуточных проб очистных сооружений 1 и 2 очереди Горводоканала г. Пензы за 2007-2009 годы [2]. Данные обработаны в пакете прикладных программ STADIA 6.0. Анализировалось содержание в сточных водах: АПАВ, марганца, никеля, фенолов, формальдегида, цинка, нефтепродуктов, фосфатов, хлоридов, и сульфатов.
В работе использованы полиномы вида [3,4]:
Y = a • хг,
где Y - концентрация, мг/л; at - фиксированный коэффициент; i - степень полинома; x - переменная по времени.
На рисунках 1 и 2, представлены математические модели содержания в сточных водах АПАВ и марганца. По оси абсцисс отмечены месяцы и годы, по оси ординат значения концентраций загрязняющих веществ в мг/л. Центральная линия соответствует модели, верхняя и нижняя линии доверительному интервалу.
Выявлено, что содержание АПАВ в сточных водах за три года на 1 и 2 очереди очистных сооружений удовлетворительно описывается полиномом 5-й степени (рис.1). При этой для первой очереди сооружений, коэффициенты полинома составили: ao=1,06; ai=0.0683; a2=-0.0136; аз=0.00106; a4=-3.2*10-5; а5=3,240-7; для второй a0=0,925; a1=0,216; a2=-0.034; a3=0.00253; a4=-8,04*10-5; а5 =8,94-10-7.
Ї KJ
2 о ° 0 о ' ^
; о ^ -—\
а)
б)
Рис. 1. Содержание АПАВ на входе в 1 очереди (а) и 2 очереди (б) очистных сооружений Полученные регрессионные модели адекватны результатам измерений, значения концентраций располагаются в доверительном интервале модели. Полином позволяет описать тенденцию изменения концентраций на данном промежутке времени, видно, что содержание АПАВ с каждым годом увеличивается, при этом наблюдается также небольшое сезонное колебание. Увеличение АПАВ в сточных водах обеих очередей объясняется увеличением в городе количества автомобилей и, соответственно, количества автомоек и автомастерских. Наибольшее увеличение АПАВ наблюдается в сточных водах, поступающих на вторую очередь очистных сооружений.
Содержание марганца на входе 1 и 2 очереди ОСК за три года также удовлетворительно описывается полиномом 5-й степени (рис. 2).
Для 1 очереди ОСК коэффициенты полинома составили: ao=0,309; al=-0,0557; a2=0.00742; aз=0.000416; a4=1,01*10-5; а5=-8,6740-7; для второй: a0=0,139; a1=-0,0267; a2=0.00378; aз= -0,00021; a4=-3,74•10-7; а5=4,0640-7.
Регрессионные модели адекватны представленным данным, значения концентраций располагаются в доверительном интервале моделей. Полином позволяет оценить тенденцию изменения содержания марганца в сточных водах на данном промежутке времени, видно, что с начала 2007 содержание в воде марганца уменьшается, за исключением залповых выбросов, наблюдающихся в сточных водах поступающих как на первую очередь очистных сооружений (2007 г.), так и на вторую очередь сооружений (2008 г.).
Значительные количества марганца поступают в процессе разложения водных животных и растительных организмов, особенно сине-зеленых, диатомовых водорослей и высших водных растений. Соединения марганца выносятся в водоемы со сточными водами предприятий химической промышленности. Какой-либо сезонной зависимости содержания марганца в сточных водах выявить не удалось, хотя в сточных водах, поступающих на первую очередь очистных сооружений, и наблюдается некоторые колебания содержания марганца в весенние и осенние месяцы.
Рис. 2. Концентрации марганца на входе 1 очереди (а) и 2 очереди (б) очистных сооружений.
Содержание никеля на входе 1 и 2 очереди ОСК за три года удовлетворительно описывается полиномами 7-й степени. Коэффициенты полинома для 1 очереди составили: ao=0,0109; al=-0.000749; a2=0.000357; aз=-0.000102; =1,15• 10—5; а5=-5,88-10-7; аб=1,41-10-8; а7=-1,27-10-1°. Для второй - : a0=0,0292;
a1=-0.0236; a2=0.00941; aз=-0.00114; a4=0.000107; а5=-4.18-10-6; аб=8.25-10-8; а7=-6.46-10-1°. Соединения никеля в водные объекты могут поступать поступают со сточными водами участков и цехов никелирования. Анализ полученных результатов, позволяет сделать вывод, что причины выбросы никеля на каждой очереди не связаны друг с другом.
Содержание фенола в сточных водах описывается полиномами 5-й степени. Для первой очереди коэффициенты полинома: a0=0,0575; a1=0,0388; a2=-0.00773; aз=0.00062; a4=-2,07*10-5; а5=2,42-10-7. Для второй: a0=0,0565; a1=0,0357; a2=-0.00763; a3=0.000575; a4=-1,76*10-5; а5=1,89-10-7.
Сезонных колебаний содержания фенолов в сточных водах не выявлено, однако наблюдается увеличение их содержания с каждым годом.
Фенолы в естественных условиях образуются в процессах метаболизма водных организмов, при биохимическом распаде и трансформации органических веществ, протекающих как в водной толще, так
и в донных отложениях. Фенолы являются одним из наиболее распространенных загрязнителей, поступающих в поверхностные воды со стоками предприятий нефтеперерабатывающей, лесохимической, лакокрасочной промышленности и др.
Содержание формальдегида в сточных водах, поступающих на очистные сооружения, удовлетворительно описывается полиномами 6-й степени. Фиксированные коэффициенты полинома для сточных вод первой очереди равны: a0=0,00804; a1=0,0912; a2=-0.0243; a3=0,00233; a4=-9,78*10-5; а5=1,8240-6; а6=1,8240-8; для второй: a0=0,0974; a1=0,0238; a2=-0.0821; a3=0,000919; a4=-4,4•10-5; а5 =9,67• 10-7; а6=-7,8540-9 .
Источниками формальдегида в сточных водах являются производства органического синтеза, пластмасс, лаков, красок, предприятий кожевенной, текстильной и целлюлозно-бумажной промышленности. Сезонных изменений содержания формальдегида в сточных водах не выявлено.
Содержание цинка в сточных водах, поступающих на очистные сооружения, удовлетворительно описывается полиномами 7-й степени. Соответственно для сточных вод поступающих на первую очередь очистных сооружений коэффициенты полинома: ao=0,0991; al =0,023; a2=-0,0118; aз=0,00192; a4=-0,000135 а5=4,58-10-6 а6=-7,3240-8 а7=4,340-10. Для второй: a0=0,237; a1=-0,0528; a2=0,00723; a3=-
0,000297; a4=3,8•106.
Цинк попадает в воду с промышленными стоками с линий цинкования, вымывается из оцинкованных труб и иных коммуникаций, может накапливаться и поступать в воду из ионообменных фильтров. Сезонных колебаний цинка не выявлено, однако наблюдается увеличение его содержания в течение всего исследованного периода.
Содержание нефтепродуктов на входе 1 и 2 очередей очистных сооружений описывается полиномами 5-й степени с коэффициентами для первой очереди: ao=2,71; al=-0,368; a2=0.0455; aз= -0,0022; a4=4,5•10-5; а5=-3,25-10-7; для второй: a0=3,26; a1=-0,409; a2=0.0369; a3= -0,00136; a4=2,1•10-5; а5=-1-10-7.
Содержание фосфатов в сточных водах, поступающих на очистные сооружения, удовлетворительно описывается полиномами 5-й степени. Фиксированные коэффициенты полинома для первой очереди составили: a0=5,02; a1=-0,406; a2=0.0399; a3=0,000267; a4=-6,21•10-5; а5=9,45-10-7; для второй: a0=5,24; al=-0,569; a2=0.0794; aз=-0,00238; a4=1,12•10-5; а5 =2,14-10-7 .
Фосфаты содержатся в удобрениях и стиральных порошках и других моющих средствах. Выявлена четкая зависимость повышения содержания фосфатов в весенне-летний период.
Содержание хлоридов в сточных водах, поступающих на очистные сооружения. удовлетворительно описывается полиномами 5-й степени. Фиксированные коэффициенты полинома для первой очереди составили: a0=83; a1=-5,59; a2=0.415; a3=-0,0104; a4=1,92•10-5 а5=1,65-10-6; для второй: a0=60,9; a1=-1,73; a2=0.115; aз=-0,00183; a4=-2,96•10-5 а5=9,67-10-7 .
Выявлено сезонное повышение содержания хлорида натрия в сточных водах в зимнее время в
среднем от 15 до 20%, что связано, по-видимому, с использованием хлорида натрия в качестве антиобле-
денителей в зимнее время для обработки тротуаров и дорог.
Содержание сульфатов в сточных водах, поступающих на очистные сооружения 1 и 2 очереди, можно описать, соответственно, параболами (1) и (2):
У = 123 - 4.6 • х + 0.0765 • х2 (1)
У =117 - 3.65 • х + 0.0597 • х2 (2)
Наличие сульфатов в промышленных сточных водах обычно обусловлено технологическими процессами, протекающими с использованием серной кислоты, а также производством и применением минеральных удобрений. Присутствие сульфатов в воде, может быть, обусловлено растворением некоторых
природных сульфатов, например гипс, а также переносом с дождями содержащихся в воздухе сульфатов. Анализ выявил сезонное увеличение содержания сульфатов в сточных водах в весенне-летний период, что связано с проведением полевых работ. Вместе с тем, выявлено, резкое снижение содержания сульфатов в сточных водах, поступающих на обе очереди очистных сооружений в среднем от 40 % до 55% за период 2007-2009 годы, что может быть связано, с уменьшением количества используемых сульфатных и комплексных удобрений.
Таким образом, в ходе работы объект исследований был представлен в виде математических моделей - полиномами или параболами.
Выявлено, что содержание в сточных водах таких загрязняющих веществ как фосфаты, хлориды и сульфаты в сточных водах имеет сезонную зависимость. В то же время, содержание в сточных водах АПАВ, фенола, формальдегида, нефтепродуктов, меди, цинка, нефти не зависит от времени года и является следствием антропогенных причин.
Полученные математические модели позволяют прогнозировать содержание загрязняющих веществ в сточных водах и объяснять происходящие процессы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Таранцева К.Р., Красная Е.Г., Коростелева А.В., Лебедев Е.Л. Анализ техногенной нагрузки промышленных предприятий Пензы на гидросферу и способы ее снижения // Экология и промышленность России. 2010. № 12. С. 40-45.
2. Отчеты среднесуточных проб за 2007, 2008, 2009 год ООО “Горводоканал” г. Пенза.
3. Безручко Б. П., Смирнов Д. А. Математическое моделирование и хаотические временные ряды. Саратов: ГосУНЦ "Колледж 2005.
4. Самарский А. А., Михайлов А. П. Математическое моделирование. Идеи. Методы. Примеры. М.: Физматлит, 2001
