CC BY
29
ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ СТРОИТЕЛЬСТВА ОТСТОЙНИКОВ ДЛЯ ОЧИСТКИ ТАЛОГО СТОКА УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ
О.Н. Дёмина
БГСХА
Целью работы являлось создание эффективной системы для водоотведения талого стока в водоём, на основе создания кинетических моделей и изучения факторов, определяющих максимальное осаждение наносов в отстойниках.
The title theme was creating the effective system for water disposal of snowmelt into the basin, on the principles of kinetic models creating and researching of factors, obtaining the maximum desilting in settlers.
Основной поставщик загрязняющих веществ в водные объекты в условиях городского ландшафта - поверхностный талый сток, образующийся на водосборных территориях промышленных площадок, временных снегосвалок, дорожных покрытий и обочин дорог, а так же на территориях, примыкающих к промышленным предприятиям.
Для снижения техногенной нагрузки на водные объекты от загрязнённого талого стока предлагается осуществить следующие природоохранные мероприятия:
1. Создание системы эффективного управления поверхностным стоком для осуществления максимально возможного осаждения загрязняющих веществ перед поступлением этих вод в отстойники, используя возможность самоочищения воды в гидрографической сети.
2. Осуществление оптимизации работы отстойника для осаждения тонких фракций талого стока.
Для прогнозирования загрязнения талого стока (Z) предложена модель процесса осаждения цементной пыли в снежном покрове - аналитическое выражение, описывающее кривые изменения массы пыли в снеге на единичной площади на любом удалении, t, от источника загрязнения [1]:
z = —--(1),
1 + 7 «> 7 0 e-V-Wh t
Z 0
где Z0 - масса пыли в снеге в начальном створе, Z„- равновесная масса пыли в снеге, ^1WH - скоростной коэффициент. Для нахождения параметров Z0, Z„, p.1WH необходимо экспериментальные данные по массе загрязнений в снеге нанести на график, по ординате которого отклады-7 - 7
i + А£ £ г- г-г
вать значения ф =-, а по абсциссе Zt, тогда прямая отсечет на оси
71+м
ординат отрезок, равный ф^ = 1 — e'Al , а на оси абсцисс отрезок, равный Z«,.
Зная длину отрезка Д£, можно найти ц1 WH : и W = - ln ——, где ф„ - отрезок,
1 H АI
отсекаемый на оси ординат. Для нахождения Z0 нужно задаться сначала значением
2/2010 ВЕСТНИК _2/2°2°_МГСУ
20 близким к нулю, а затем, постепенно увеличивая его методом последовательных приближений, добиться на графике линейной зависимости ф от
Изучена возможность улучшения качества талого стока в организованных каналах и горизонтальных отстойниках с помощью интенсификации процессов самоочищения воды за счёт использования связи между рН и С02. Выявлено, что получив возможность регулирования рН воды, поступающей с водосбора, с помощью углекислоты, а так же возможность удержания его оптимального значения в отстойнике с помощью бикарбоната натрия, можно добиться наилучшего осаждения взвесей. Установлено, что регулирование содержания С02 в организованном поверхностном стоке (открытом канале) можно осуществить с помощью изменения гидродинамической обстановки и вместе с ней объемного коэффициента массопередачи диоксида углерода. Для этих целей построена модель изменения концентрации углекислого газа в талом стоке по длине[3]:
С = С * -( С * - С 0 ) е - *' (2)
С * - С
Или 1г —-— = - к £ (3)
С * - С 0
где С 0 - концентрация растворённого углекислого газа до момента изменения его
концентрации в газовой фазе, С*- равновесная концентрация растворенного углекислого газа после изменения состава газовой фазы, мг/л; К- объёмный коэффициент массопередачи С02, 1/час.
В соответствии с уравнением (2), величина коэффициента массопередачи численно равна тангенсу угла наклона прямой, построенной по экспериментальным данным в
С * - Со д координатах: ^ ^-—— и £ .
Регулирование рН воды, очищаемой в горизонтальных отстойниках^ предлагаем осуществлять используя взаимосвязь между концентрацией растворенного С02, концентрацией гидрокарбонатного иона и величиной водородного показателя[4].
Для образования ионов НСО в раствор вносят бикарбонат натрия (№ИС03) в
определенном количестве, который диссоциирует с образованием данных ионов.
Уравнение (4) позволяет определить содержание С02 в газовой фазе, необходимое для обеспечения требуемых значений рН и наоборот, можно рассчитать концентрация бикарбоната натрия, необходимую для обеспечения требуемого рН при заданном составе газовой фазы:
\NaHCO3 1 \NaHCO3 1
- рК + 18 [002] ■ рК + 18 Л.„со, (4)
где [№ИС03] - концентрация бикарбоната натрия, моль/л, А- коэффициент растворимости С02 моль/л, рС02 - содержание С02 в газовой фазе, %.
Необходимое для сохранения постоянства Сма+/Ссо2 изменение концентрации растворенного С02 можно получить изменением коэффициента массопередачи С02, не меняя при этом состава газовой смеси, что достигается увеличением интенсивности перемешивания.
Для решения вопроса о прогнозировании заиления горизонтальных отстойников разработана модель, которую можно использовать для определения изменения объёма заиления по длине отстойника на определенный момент времени:
У = - (5)
1 + 1 ст 0 е (И1УИ - N ) (
У0
где У0 - начальный объём заиления, м3, Уст-стационарный объём заиления, м3; ^Ун-К -скоростной коэффициент.
Для нахождения параметров У0, Уш, ц1Ун-К необходимо экспериментальные значения слоя заиления через определённый промежуток длины отстойника нанести
У - У
на график с ординатой ф = 1+ А1-— и абсциссой У4.
УI+ ДI
Для нахождения У0 нужно задаться сначала значением У0 близким к нулю, а затем, постепенно увеличивая его методом последовательных приближений, добиться на графике линейной зависимости ф от Уг.
Продолжив эту прямую до пересечения с осью абсцисс и осью ординат, на оси ординат получим отрезок, численно равный 1 - е(и'Уя "N)м , а на оси абсцисс отрезок, равный Уст. Зная длину отрезка М можно найти ц1Ун-К: (1 - Ф )
|д 1УН - N = £ п--— , где фм - длина отрезка, отсекаемого на оси ординат [5].
АI
Уравнение (5) даёт в общем случае Б-образную кривую нарастания объёма заиления по длине отстойника. Если крупных фракций много в составе наносов, то пологого участка в начале Б-образной кривой не будет. Если же во фракционном составе наносов преобладают тонкодисперсные частицы, то кривая заиления по длине отстойника будет строго соответствовать по форме Б-образной кривой. В конце отстойника объём заиления приближается к стационарному состоянию (Уст), если это позволяет длина отстойника, кинетическая кривая снова становиться пологой.
Таким образом, опоражниваемый при очистках объем заиления отстойника должен располагаться между начальным Ун и конечным участком Ук.
Если принять за производительность отстойника количество наносов, изымаемое с единицы длины рабочего объема отстойника, то
д = X • Уст • (ц^н - N), (6)
а - в У, Ун
где X = ---— , а = ■
1 н
.а (в - 1) У У
I р _ст ст
в ( а - 1)
Для нахождения значений Ун и Ук при определении объёма заиления, подлежащего изъятию из отстойника, воспользуемся методом неопределённых множителей Лагранжа.
Составляем функцию Лагранжа: Ь = -——-—— + X (а - в - 0.63)
1п
в(а - 1)
Ограничение (а = 0.63 + в ) выбрано в результате анализа изменения объёма заиления по длине.
Производим дифференцирование, получаем систему уравнений, приравниваем их к нулю и находим: что в =0.185, тогда а = 0.815. Т.е. рациональное Ун=0.185 Уст, а Ук=0.185 Уст. В этом случае величина фактора Х=0.212, т.е. 85 % от максимально воз-
2/2010 ВЕСТНИК _2/20™_МГСУ
можного Х=0.25 и производительность отстойника практически целиком зависит от Уст, ц1Ун-К. Объём изымаемых наносов при этом 0.77 Ур.
Согласно уравнению (5) оптимальная длина отстойника может быть вычислена по
1 ( V V *)
формуле: I = -1 п
ц 1 Н - N
- У 0
У 0 1 -
У
где п =
Очевидно, что в условиях постоянно меняющейся мутности талого стока периода снеготаяния оптимальная длина отстойника не может быть постоянной, поэтому предлагается в процессе эксплуатации отстойника, сливную перегородку передвигать по длине отстойника.
Ширину и глубину отстойника можно оптимизировать, применив метод неопределённых множителей Лагранжа, с помощью которого получаем необходимое условие для минимизации целевой функции /(Х1, Х2)= 2 Х1+ Х2 при нелинейном ограничении Х1 ■ Х2 :
2шь=2 Х1+ Х2+ X (Х1 ■ Х2 -Б), где 2- смоченный периметр отстойника, Х1- глубина воды, Х2- ширина, Б- площадь поперечного сечения отстойника.
Вводим в функцию условия дополнительное ограничение по расходу (О) и скорости течения потока (9). Т.к. -Э = ——-, то 5 = — .
X1 • X 2 »
Расчёты показали, что зависимость площади поперечного сечения отстойника от его высоты при любых вероятностях превышения описывается в общем случае степенной функцией Б=2,0091-Н1,9957 при величине достоверности аппроксимации Я=0,9999. Кроме этого, при небольшом изменении высоты отстойника, площадь поперечного отстойника значительно увеличивается [2].
Для аналитического решения задачи оптимизации размеров периметра заглубляемой части шахты отстойника и глубины воды снова предлагается применить метод неопределённых множителей Лагранжа, считая сбросную шахту отстойника прямоугольным водосливом с тонкой стенкой:
Ьтт=2 Х1+ Х2+Х (тХ2Х1 Дх - О)
где Ьт;п- периметр над сбросной шахтой отстойника, величина аналогичная смоченному периметру; Х1- глубина воды на водосливе; Х2- ширина водосливного фронта (или периметр сбросной шахты отстойника), О - расход водослива, м3/с; т-коэффициент расхода, равный т=ф -е=0,97'0,435=0,42, где £ - коэффициент вертикального сжатия, ф- коэффициент скорости.
Расчёты показали, что ширина водосливного фронта и глубина воды на водосливе имеет степенную зависимость от расходов воды: у=0.9235 X 20 4035 и
у=0.7072 X0409 соответственно [2].
Выявлено, что производительность отстойника в циклическом режиме работы тем больше, чем больше мутность потока на входе в отстойник и пропорциональный ей максимально возможный объём заиления УИ, коэффициент полноты осаждения
^1 а так же максимальная удельная скорость осаждения наносов
Ц 1 + Ц 2
Величина полноты осаждения полностью зависит от условий осаждения, т.е. от температуры воды, рИ, гидродинамики. Результаты проведённых исследований показали, что прослеживается логарифмическая зависимость эффекта осветления во-
ды от входящей мутности воды, содержащей цементную пыль и продукты разрушения асфальтового покрытия, а наиболее оптимальное значение рН, при котором наблюдается наилучшее осаждение вышеуказанных взвесей равно 7.
ц ,
Параметры YH и -1- определяют только величину стационарного
|i ! + Ц 2
объёма заиления в конце отстойника. Но длина, на которой достигается стационарный объём заиления, зависит только от величины параметра ^WH-N, характеризующего предельно возможную интенсивность осаждения наносов в конкретных условиях. Значение этого фактора связано и с расходом входящего потока воды, и с особенностями фракционного состава наносов, и с условиями осаждения, а влиять на него можно изменением высоты сливной перегородки на выходе из отстойника[5].
Предложенные методы расчётов позволяют проектировать отстойники, соответствующие гидрографу расходов и мутности поступающей на очистку воды с возможностью управления его производительностью в процессе эксплуатации при обеспечении максимальной экологической безопасности водоёмов.
Литература
1.Василенков, В.Ф. Моделирование процесса осаждения цементной пыли в снежном покрове/В.Ф. Василенков, О.Н. Дёмина //Проблемы энергетики, природопользования, экологии. Материалы научно-практической конференции. Брянск: изд. Брянской ГСХА, 2007.-С.29-37.
2.Василенков, В.Ф. К решению задач оптимизации работы горизонтального отстойника/ В.Ф. Василенков, О.Н. Дёмина//Современные энерго- и ресурсосберегающие технологии и системы сельскохозяйственного производства: сб.науч.тр.; под ред. Г.М. Туникова.- Рязань: РГАТУ им П.А. Костычева, 2009.-360 с.
3.Дёмина, О.Н. Построение модели изменения концентрации растворённого углекислого газа по длине водотока /О.Н. Дёмина // Экологическое состояние природной среды и научно-практические аспекты современных мелиоративных технологий: Сб.науч.тр. Вып.З; под общ. ред. Ю.А.Можайского. - Рязань: Мещерский ф-л ГНУ ВНИИГиМ Россельхозакадемии, 2008.164-169 с.
4. Дёмина, О.Н. Регулирование рН воды, очищаемой в горизонтальных отстойниках, с помощью диоксида углерода/О.Н. Дёмина //Вестник БГСХА. 2008.№5. -с.49-58.
5. Василенков, C.B. Принципы моделирования и оптимизации работы отстойника для осаждения тонких фракций/С.В. Василенков, Дёмина О.Н.// Вестник РУДН. Серия «Экология и безопасность жизнедеятельности». 2009. №2.-с.41-50.
Ключевые слова: горизонтальный отстойник, талый сток, снежный покров, моделирование, диоксид углерода, коэффициент массопередачи, объём заиления, метод Лагранжа.
Key words: settler, snowmelt, modeling, carbon dioxide, mass-transfer coefficient, silting capacity, Lagrangian method.
Рецензент: к.т.н. Хроменков B.A., ОАО «Брянскгипроводхоз».
e-mail:[email protected]
