CC BY
16УДК 662.987:541.13:628.33
И.В. Урядникова, к.т.н., доцент
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ РИСКОВ В ТЕХНОЛОГИИ УМЯГЧЕНИЯ ВОДЫ
Украинский научно-исследовательский институт гражданской защиты (УКРНИИГИЗ)
Аннотация. В статье дана методика определения экологических рисков в технологии умягчения воды. Установлено, что для системы реагентной коагуляции при средней производительности 40 м3/час, риск получения загрязненной воды на выходе системы составляет 28242 м /год, т.е. 0,08. Это величина, которую необходимо учитывать для оценки экономических и социально-экологических рисков, поскольку она превышает 0,01 риска, что допустимо при работе.
Ключевые слова: экологический риск, умягчение воды, водоочистка, теплоэнергетика.
Анотащя. У статп дана методика визначення еколопчних ризиюв в технологи пом'якшення води. Встановлено, що для системи реагентно'1 коагуляцп при середнш продуктивносп 40 м3 / год, ризик отримання забруднено'1 води на виходi системи складае 28242 м3 / рш, тобто 0,08. Це величина, яку необхщно враховувати для оцшки економiчних та сощально-еколопчних ризиюв, оскшьки вона перевищуе 0,01 ризику, що припустимо при робота
Ключовг слова: еколопчний ризик, пом'якшення води, водоочищення, теплоенергетика.
Abstract. The paper presents the method of determining the environmental risks in water softening technology. It is established that the system of coagulation reagent at an average capacity
3 3
of 40 m /h, the risk of contaminated water at the system output is 28242 m /year, ie, 0.08. This is a value that should be taken into account to assess the economic, social and environmental risks, because it exceeds the risk of 0.01, which is acceptable at work.
Key Words: environmental risks, water softening, water treatment, thermal energetic.
Введение. В настоящее время большинство современных методов очистки воды не всегда обеспечивают необходимые показатели качества очищаемой воды. Поэтому работа современных теплоэнергетических объектов создает экологический риск.
Несмотря на большое количество работ, посвященных подготовке воды для ТЭЦ и методам очистки воды, сбрасываемой ТЭЦ в окружающую среду, на сегодняшний момент практически нет методики, методологии расчета и оценки различного вида рисков, возникающих в системах водоочистки, применяемых в теплоэнергетике. На ТЭС и ТЭЦ вода преимущественно используется для получения пара в парогенераторах, испарителях, парообразователях, конденсации отработанного пара, как теплоносителя в тепловых сетях и системах для охлаждения различных аппаратов и агрегатов. Качество очищенной воды, поступающей из системы водоочистки, характеризуется содержанием в ней взвешенных и растворенных примесей, которые нормируются соответствующими стандартами. Поскольку абсолютно точно заданные характеристики выдержать невозможно, то они нормируются соответствующими пределами, а именно наименьшим допустимым значением концентраций, причем нижнее значение концентрации может быть, в идеале,
равным нулю. Однако, через сбои работы системы водоочистки создают экологические и техногенные риски и, в связи с этим необходимо изучить риски, возникающие при штатной работе системы водоочистки, через естественные неточности работы блоков и инерционности процессов, происходящих в них.
Анализ публикаций. При отказах различных блоков систем водоочистки, а также при их внештатной работе возникают значительные риски различного характера. Однако этим вопросы возникновения различных рисков не исчерпываются. Как показывает анализ данного вопроса, риски могут возникать и при штатной работе системы водоочистки. Это связано с естественной инерционностью рабочих процессов, блоков системы водоочистки, с изменением входных параметров воды, поступающей на очистку, с колебаниями активности реагентов и от некоторых других причин.
Рассмотрение и анализ данных обстоятельств возможен только в том случае, если рабочие процессы, имеющие место при работе системы водоочистки рассматривать как звенья единой системы рабочего процесса, причем эта система может быть как замкнутой, так и разомкнутой. Таким образом, необходимо рассматривать звенья системы, которые представляют не блоки, а ее рабочие процессы. Это дает возможность исследовать различные технологии водоочистки и определять риски, возникающие при их использовании.
Цель и постановка задач. Создание научных основ методологии определения, анализа и управления возникающими экологическими и техногенными рисками в системах водоочистки в теплоэнергетике для разработки методов экологической безопасности при эксплуатации теплоэнергетических установок является актуальной и перспективной.
Методика исследования. Технология реагентной коагуляции широко используется в теплоэнергетике для очистки грубо- и мелкодисперсных коллоидных систем, причем размер дисперсных частиц колеблется в довольно широких пределах от 10-9 до 10-4 м. [1 - 3].
Для очистки таких вод необходимо разделение жидкой и твердой фазы. При использовании реагентной технологии, применяется метод укрупнения мелких частиц в агрегаты под действием коагулянтов, флокулянтов и их смесей.
Низкомолекулярные неорганические или органические электролиты, способствующие агрегации частиц называются коагуляторами. Гидролизующиеся соли на основе которых создаются вышеуказанные электролиты называются коагулянтами. Ими в большинстве случаев являются сульфаты, галогениды многозарядных катионов, в основном Al2(SO4)3 и FeSO4. Флокулянты - это органические и неорганические высокомолекулярные соединения, способствующие образованию агрегатов за счет объединения нескольких частиц с помощью макромолекул адсорбированного или химически связанного полимера и интенсифицируют процесс хлопьеобразования. В качестве флокулянта используют полиакриламид (ПАА).
Таким образом, суть технологии водоочистки методом реагентной коагуляции от коллоидно-дисперсных систем заключается в снижении устойчивости дисперсных систем с помощью агрегатирования частиц дисперсной фазы под действием коагулянтов и флокулянтов с последующим разделением твердой и жидкой фаз за счет отстаивания воды, фильтрования и за счет других методов.
Следует учитывать, что дисперсные системы подразделяются на лиофильные системы и лиофобные.
Первые характеризуются сильным межмолекулярным взаимодействием частиц дисперсной фазы со средой (водой) и высокой термодинамической устойчивостью системы.
Вторые характеризуются значительной энергией связи внутри дисперсной фазы, что значительно выше энергии взаимодействия со средой. Для этих систем различают седиментационную устойчивость к силам гравитации и агрегативную устойчивость, характеризующуюся сопротивлением частиц слипанию.
Рабочие процессы технологии реагентной коагуляции могут быть представлены следующими звеньями [1,2].
Рис.1. Звенья рабочего процесса реагентной коагуляции. 1-дозирование коагулянта, 2 - рост активности коагулянта в очищаемой воде, 3 - процесс коагуляции, 4 - процесс осаждения скоагулированных хлопьев, 5 - фильтрация очищенного раствора, 6 -изменение концентрации воды в водоприемнике.
1 - Срабатывание дозатора. Открывается заслонка и через некоторое время коагулянт поступает в очищаемую воду. С точки зрения теории автоматического управления дозатор представляет собой звено запаздывания, выходная величина которого точно повторяет входную величину, однако с некоторым запаздыванием по времени. Время запаздывания зависит от конкретной конструкции и режима работы дозатора. Таким образом, уравнение дозатора может быть представлено следующим выражением [4,5]:
= шЖ "х) (1)
где, твых и твх соответствии выходная и входная масса коагулянта, х - время запаздывания.
Передаточная функция этого звена, то есть отношение выходной величины к входной, представленное в операторной форме будет:
W(p) = е-рт (2)
где, р - комплексная переменная, используемая в преобразованиях Лапласа.
Таким образом, можно сказать, что процесс реагентной коагуляции начинается с некоторым запаздыванием.
2 - Процесс повышения активности коагулянта. Как показано в работе [1 - 3], 100% активность коагулянта наступает не сразу, а через некоторое время.
Уравнение этого процесса имеет вид:
а л (3)
т —^^ + л = к ■ л w
где, Т - постоянная времени процесса, А - активность коагулянта (0 - 1), к -коэффициент пропорциональности или коэффициент усиления звена. Передаточная функция будет равна:
Ж (Р)(4)
п 1 Т ■ Р +1
Таким образом, процесс повышения активности коагулянта соответствует закону изменения выходной величины апериодического звена.
3 - Процесс коагуляции описывается уравнением Смолуховского [1 - 3], что имеет вид:
ПК - 2 Я ■т ■р^ К2- (5)
dt 3 ]]- r
где, Квых - текущая концентрация скоагулированных примесей, Квх -максимальная концентрация скоагулированных примесей, R - радиус сферы притяжения частиц, T - температура среды, t - текущее время, п - динамическая вязкость среды, г- радиус частиц, р - расстояние между частицами. Уравнение (4) может быть представлено так:
dKrn = -u v2 (6)
dt k Ka3
откуда передаточная функция будет:
W2(p) -— (7)
K(p) p
4 - Процесс осаждения скоагулированных хлопьев.
Рост концентрации осадка во времени можно описать уравнением [1 - 3]
d K (8)
т - K вых + ЪГ = h к
T 2 ^ KV еых k 2 KV вх
В этом случае передаточная функция будет:
W (Р) = -k--(9)
Окончательная очистка завершается процессом фильтрации, уравнение которого имеет вид [1,3]:
dV _ AP (10)
S-dt ~ (Roc + Rnep)
где, V- объем фильтрата, S - площадь фильтрующей поверхности, ДР - разность давлений до и после фильтра, ^ - вязкость фильтрата, R^ - сопротивление осадка, Rnep - сопротивление фильтрующей перегородки. Передаточная функция будет:
W,(P) = - (11)
Р
Конечное звено процесса водоочистки это некоторый водопотребитель, потребляющий определенную массу очищенной воды и содержащий ее определенный объем. Это звено может быть представлено некоторым водосборником. Изменение концентрации примесей в воде в данном водосборнике может быть выражено зависимостью:
_(У - v • t) • K t + v • t • K 2 (12)
K(t)--V-
где, V - объем воды в водоприемнике, v - скорость фильтрации, K1 -начальная концентрация примесей в воде, поступающей на очистку, K2 -концентрация примесей в воде после их осаждения, t - текущее время.
Передаточная функция процесса водоочистки при использовании технологии коагуляции будет [4,6 - 8]:
W(m) - W(p) Wi(p) ■ W2(p) ■ Ws(p) ■ W4(p) (13)
Для исследования динамики процесса методом математического моделирования, необходимо решить следующую систему уравнений, учитывая, что выход предыдущего звена является входом последующего. d A
T • Аеых + A = k • A
^ -I -Lebix -i -Lex
dK 2 R• tpк
W-Lеых '
dt 3 ] • r
dK (14)
rri •_£±вых + Y =h • Y
T 2 ^ K еых k 2 K ex
dV AP
S •dt v (Roc+RJ
(V - v • t) • к i + v • t • K 2
K(t)= V
При решении данной системы следует учитывать тот факт, что имеется некоторая задержка по времени т, что обеспечивается запоздалым звеном -дозатором.
Динамические характеристики процесса можно исследовать также с помощью передаточных функций (4), используя аппарат теории автоматического управления [4,6 - 8]. Однако решение системы (5) дает более наглядное представление о динамике процесса и дает более реальные представления об изменении концентрации загрязнений во времени. Это важно, потому что дает возможность иметь представление о том, какую часть времени работы системы водоочистки, работающий в штатном режиме, потребителю поступает недоочищенная вода. В настоящее время решения системы (5) значительно облегчается, так как в настоящее время есть мощные математические приложения типа МАТИСАО и МАТЬАВ, позволяющих получать как численные, так и аналитические решения.
Принимаем по данным работ [1,9] значение К1 = 1000 мг/л, Т = 0,5 мин, Т = 2
л
мин, площадь фильтрующей поверхности фильтра S = 1 м , скорость движения
-5
жидкости после фильтра 8,32 л/мин, V = 0,5 м . Другие величины также принимаем по данным вышеуказанных работ. В результате математического моделирования получаем динамику процесса изменения концентраций загрязнений при очистке воды с помощью технологии реагентной коагуляции, как показано на рисунке 2.
Как видно из результатов математического моделирования, изменение концентрации в тестовой емкости происходит за 5 - 7 мин. Это означает, что каждый раз, когда происходит изменение концентрации дисперсных примесей на входе она корректируется соответствующим изменением дозы коагулянта, по крайней мере 5 мин, что составит 41,6 л неочищенной воды. При частой смене концентрации на входе или при изменении активности коагулянта, доля загрязненной воды при работе установки водоочистки в штатном режиме, может быть достаточно велика.
Исходя из результатов моделирования, изменение концентрации воды в водоприемнике происходит значительно медленнее, на что обращается внимание в работе [6,7,10].
Полученные результаты по изменению концентрации К4(т), можно принять в качестве основы для расчета рисков, поскольку при увеличении объема водоприемника, пропорционально увеличивается площадь фильтрации и количество фильтров.
1000 К мг/л
800600400200-
0 15 30 45 60
1 хв
Рис.2. Изменение концентраций загрязнений в период процесса водоочистки технологии реагентной коагуляции. 3 - изменение концентрации нескоагулированных
частиц дисперсных примесей, 2 - изменение концентрации дисперсных примесей в очищаемой воде, при осаждении скоагулированных частиц, 1 - изменение концентрации очищаемой воды, в водоприемнике, т - настоящее время, мин.
Результаты и их анализ. Как указывалось выше, при работе систем водоочистки ТЭС и ТЭЦ возникают различные техногенные риски, которые ухудшают состояние экологической безопасности окружающей среды [5,9,10 -14]. Причинами этих рисков является отказ блоков и элементов систем водоочистки, частичные отказы и нештатная работа систем водоочистки и
риски при штатной работе систем водоочистки, как следствие физико-химических принципов, на которых они работают. Вследствие этого можно определить: - вероятность риска, вызванного отказами блоков и элементов систем водоочистки;
Р(Клешт) - вероятность риска, вызванного частичными отказами блоков и элементов систем водоочистки;
Р(Яштат) - вероятность риска, который встречается при штатной работе систем водоочистки, как следствие физико - химических принципов на которых они работают.
Эти вероятностные события совместимы, потому реализация одного события не исключает реализации других.
Суммарная вероятность этих событий, если использовать полную теорему приложения совместных событий, будет:
Р (-сумарный) Р (-—отк + Rнешт + Rштат) Р (Кют^ + Р (Rнешт) + Р (Rштат) - Р (-—отк Rнешт) - Р (-отк Rштат) - Р (—нешта Rштат) - Р (—отк -К-нешт Rштат) (15)
Анализ экспериментальных материалов и расчеты по выражению (15) показывают, что в настоящее время, большая часть систем водоочистки может реализовывать риски вероятностью 0,03. Расчет времени поступления неочищенной воды на выход системы составляет 2,5 - 3%. Выводы. 1. При частой смене концентрации на входе или при изменении активности рабочих процессов водоочистки, доля загрязненной воды при работе установки водоочистки в штатном режиме, может быть достаточно велика и превышать обычно принятую допустимую величину 1 - 2%, что связано с естественной инерционностью рабочих процессов.
2. Изменение концентрации воды в водоприемнике происходит значительно медленнее, чем на выходе собственно установки, при любом методе водоочистки. Результаты по изменению концентрации воды в водоприемнике, можно принять в качестве основы для расчета рисков, поскольку при увеличении объема водоприемника, существенно изменяются динамические характеристики всей системы водоочистки.
3. Исходя из результатов моделирования работы системы реагентной коагуляции видно, что при штатной работе системы, при достаточно частых изменениях концентрации на входе (что в большинстве случаев соответствует действительности) риск получения недоочищенной воды является значительным.
4. Для системы реагентной коагуляции при средней производительности 40
-5
м /ч, риск получения загрязненной воды на выходе системы составляет
-5
примерно 28242 м /год, т.е. 0,08. Это значительная величина, которую необходимо учитывать для оценки экономических и социально-экологических рисков, поскольку она превышает 0,01 риска, что обычно допускается при работе.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кульский Л.А. Химия воды: Физико-химические процессы обработки природных и сточных вод / Л.А. Кульский, В.Ф. Накорчевская. - К.: Вища школа, 1983. - 240 с.
2. Кульский Л.А. Теоретические основы и технология кондиционирования воды / Леонид Адольфович Кульский. - К.: Наукова думка, 1983. - 528 с.
3. Фiзико-хiмiчнi основи технологи очищення спчних вод: Пщручник / [Запольський А. К., Мшкова-Клименко Н.А., Астрелш I. М., Брик М.Т., Гвоздяк П. I., Князькова Т. В.]. - К.: Лiбра, 2000. - 552 с.
4. Проников А.С. Надежность машин / Александр Сергеевич Проников. - М.: Машиностроение, 1978. - 592 с., ил.
5. Урядникова И.В. Вопросы методики определения рисков в переходном и установившемся режиме электрокоагулятора: материалы XII семинара ["Моделирование в прикладных научных исследованиях"], (Одесса, 19-20 января 2004 г.)/ Министерство образования и науки Украины. - Одесса. - 2005. - с. 33 - 35.
6. Клюев А. С. Автоматическое регулирование / Анатолий Степанович Клюев; изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Энергия, 1973. - 391 с.
7. Смирнов Д.Н. Автоматическое регулирование процессов очистки природных и сточных вод / Дмитрий Николаевич Смирнов. - М.: Стройиздат, 1985. - 312 с.
8. Сю Д. Современная теория автоматического управления и ее применение / Сю Д., Мейер А.; пер. с англ. под ред. д-ра техн. наук проф. Ю. И. Тончеева. - М.: Машиностроение, 1972.
- 544 с.
9. Разработка комплексной безотходной технологии утилизации сточных вод ТЭЦ БКХЗ: Отчет о НИР / Северодонецкий технологический институт ВУГУ; № 83936937. -Северодонецк, 1993. - 200 с.
10. Урядшкова I.B. Оптимальне управлшня ризиками на основi експериментальних i статистичних даних, отриманих при експлуатаци систем водоочистки / 1нга Вiкторiвна Урядшкова. - Научно-технический сборник «Энергосберегающие технологии в муниципальной и промышленной теплоэнергетике - 2006». - Одесса: ОНПУ, 2006. - С. 16 -21.
11. Урядшкова I.B. Деяю питання визначення ризиюв тд час роботи електрокоагуляцшно'1 системи очищення спчних вод ТЕЦ / I.B. Урядшкова, В.Г. Лебедев. - Вюник НУ "Львiвська полггехнка". - Львiв, 2005. - № 529. - С. 190 - 193.
12. Урядникова И.В. Оптимизация управления техногенным риском при водоподготовке в теплоэнергетике / Инга Викторовна Урядникова // 1нтегроваш технологи та енергозбереження. - Харьков, 2004. - № 4. - С. 53 - 59.
13. Урядникова И.В., Лебедев В.Г. Оптимизация режимов работы электрокоагуляционной установки для уменьшения риска работы теплогенерирующего оборудования / И.В. Урядникова, В.Г. Лебедев // Холодильна техшка i технология. - Одеса, 2003. - № 5 (85). - С. 61
- 63.
14. Пат. 13933 Украша, МПК (2006) С02Б 1/46. Споаб оцшки ризику при експлуатаци системи електрокоагуляцшно'1 очистки води / Урядшкова 1.В., Лебедев В.Г. - № u 2005 10865; Заявлено 17.11.2005; Опубл. 17.04.2006, Бюл. № 4.
