Перспективы совершенствования водоподготовки за счет комплексных, автономных станций очистки воды с электронной системой непрерывного мониторинга и удаленного управления на платформе Arduino Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК62

Платонов Г.К.

e-mail: nimez2013@mail.ru

ПЕРСПЕКТИВЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ВОДОПОДГОТОВКИ ЗА СЧЕТ

КОМПЛЕКСНЫХ, АВТОНОМНЫХ СТАНЦИЙ ОЧИСТКИ ВОДЫ С ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМОЙ НЕПРЕРЫВНОГО МОНИТОРИНГА И УДАЛЕННОГО УПРАВЛЕНИЯ

НА ПЛАТФОРМЕ ARDUINO.

Аннотация

В данной статье представлены результаты по написанию программного обеспечения, совмещение его с рабочими платформами Arduino, Raspberry PI2, Banana PI. Показана интеграция системных интерфейсов с компьютерными приборами, а так же представлен принцип работы очистной станции и результаты его тестового запуска. Показана статистика результатов анализа воды при разных конфигурациях работы станции.

Ключевые слова:

очистка воды, обратный осмос, система автоматизации, программное обеспечение.

Введение

Качество водопроводной воды с каждым годом все хуже и хуже, количество квартир также растет, цена бутилированной воды с доставкой может позволить себя не каждый. На данном фоне все более актуальной смотрится автономная станция очистки воды.

Суть проекта заключается в доступности чистой питьевой воды, отвечающей всем параметрам и регламентам, для жителей квартир или работников офисов, путем установки водоочистного оборудования на техническом этаже здания, посредством которого обеспечивается бесперебойная подача чистой питьевой воды.

Станция, в ходе тестового пуска непрерывно проработала 127 дней - 3048 ч (до израсходования ресурса обратноосмотической мембраны Vontron r-2 40/40, другие расходные материалы - картриджи и засыпки фильтров грубой очистки, оперативно заменялись). За это время 822 куб. воды было доведено до нормы «СанПиН 2.1.4.1074-01 Питьевая вода». Селективность составила в начале эксперимента - 98% и в ходе эксперимента упала до 72%, вследствие износа материала.

Цель исследований - разработка мобильной станции очистки воды с электронной системой управления.

Результаты и обсуждение

1. Проектирование программного обеспечения

Процесс разработки программного обеспечения для мобильной станции очистки воды, включает следующие действия:

1. Постановка задачи;

2. Анализ задачи и моделирование;

3. Разработка или выбор алгоритма решения задачи;

4. Проектирование общей структуры программы;

5. Кодирование

6. Отладка и тестирование программы;

7. Анализ результатов;

8. Сопровождение программы; [1]

Для написания собственной программы использовался язык программирования C/C++.

Данное программное обеспечение работает на базе платформы Arduino. Вместе они представляют собой алгоритм, который:

1. Фиксирует показания всех подключенных датчиков;

2. Сверяет показания датчиков с нормативными показателями;

~ 18 ~

3. В зависимости от полученных данных, запускает электропривод, шаровые краны, насосы, а вместе с ними и технологические процессы, приводящие показания датчиков к нормативным (для доведения качества воды, поступающей в накопительный бак, до норм «СанПиН 2.1.4.1074-01 Питьевая вода»). [2]

Программа обеспечивает полную автоматизацию процесса очистки воды (контроль работы насосов, электромагнитных клапанов, датчиков давления и температуры, шаровых кранов). Предполагается, что процессом можно управлять на расстоянии, при помощи смартфона (в случае аварии или ошибки программа посылает на смартфон сообщение).

На Arduino написано более 950 строк кода. Общее время написания кода: 3 недели. На Raspberry PI2 написано 800 строк, на аналогах (BeagleBone black, Banana PI) 1000 строк.

2. Системная интеграция проводных и беспроводных интерфейсов и приборов для электронной системы управления

Аппаратная часть имеет модульную структуру и состоит из одного до трех FRP - баков (количество и наименование наполнения баков фильтрующими засыпками меняется в зависимости от индивидуального анализа воды) и обратноосмотической установки, которая включает: мембранный блок, насос высокого давления, блок управления, контрольно-измерительные приборы, запорно-регулирующая арматура.

Блок управления состоит из: контроллера (Arduino, Raspberry PI2), датчиков, контроллеров, клапанов, ТДС - метров и дисплея. Задача автоматизации и диспетчеризации состоит в контроле и отслеживании работы мобильной станции очистки воды.

•мл дозирования Ихооч* стямци

■ТОРОГО ПОДЪЁМ.

Рисунок 1 - Схема мобильной станции очистки воды

На каждом этапе очистки воды необходимо контролировать расход и определённые качественные параметры очищаемой воды. Это необходимо, чтобы оптимально подобрать режим работы оборудования очистного сооружения, контролировать количество добавляемых для очистки реагентов, и регулировать режим работы электрооборудования, что, в свою очередь, ведёт к снижению затрат (реагентов, элетроэнергии) предприятия, способствует улучшению качества очистки вод и увеличению рентабельности и КПД предприятия.

К общим параметрам, которые требуется измерять, относятся, главным образом, расходы воды, уровни жидкости или осадков, давление и температура.

Для правильной эксплуатации станций водоподготовки питьевой или технической воды, весьма существенно знать расход поступающей воды. Количество получаемой очищенной воды меньше количества поступающей воды на величину потерь при водоподготовке. Определение потерь воды необходимо для того, чтобы научно обосновать сведение этих потерь к минимуму.

Физико-химическое воздействие реагентов, используемых при очистке воды, с диспергированными или растворенными в ней веществами обеспечивает требуемое количество очищенной воды.

Измерение расходов реагентов производится с целью согласования их с расходами очищаемой воды. Реагенты хранят или в жидком виде в емкостях, или в порошкообразном виде в бункерах. Автоматическое измерение уровней дает непрерывную информацию о том, как долго можно работать без новых поступлений реагентов, и позволяет более точно планировать поставки реагентов. Измерение уровней производится также в различных емкостях очищенной воды, имеющихся на очистной станции.

Давление измеряют во многих случаях; например, в нагнетательной линии насоса, резервуарах высокого давления, фильтрах, воздухо-водяных (паро-водяных) напорных баках, дегазаторах и т. д. Для организации правильной эксплуатации станции фильтрования необходимо получать непрерывную информацию о степени загрязненности загрузки фильтра. Для оценки этого параметра определяют перепад давления или просто давление в случае работы открытого фильтра постоянного уровня.

Измерение температуры очищаемой воды служит источником важной информации для оптимизации работы станции, потому что скорость химических реакций, время флокуляции и активность биомассы — все эти параметры зависят от температуры воды, поступающей на очистку.

3. Характеристика мембран. Монтаж и установка оборудования. Тестовый запуск станции

Для очистки воды от примесей использовался мембранный фильтр фирмы VONTRON г-2 40/40.

Мембрана предназначена для фильтров обратного осмоса. Она изготовлена из специальной полимерной плёнки, свёрнутой в рулон. Характерный размер пор мембраны 1 А. Мембрана пропускает через себя лишь молекулы воды, отфильтровывая все остальные примеси.

Обратноосмотические мембраны содержат самые узкие поры, и потому являются самыми селективными. Они задерживают все бактерии и вирусы, большую часть растворенных солей и органических веществ (в том числе железо и гумусовые соединения, придающие воде цветность и патогенные вещества), пропуская лишь молекулы воды небольших органических соединений и легких минеральных солей. В среднем RO мембраны задерживают 97-99 % всех растворенных веществ, пропуская лишь молекулы воды, растворенных газов и легких минеральных солей.

Материал мембранных фильтров - нитрат целлюлозы. Как показала многолетняя практика, этот материал обеспечивает оптимальные условия роста задержанных микроорганизмов, исключая получение ложного отрицательного результата.

Мембранный фильтр состоит из нескольких слоев, которые соединены вместе и обмотаны вокруг пластиковой трубки. Материал мембраны полупроницаем. Вода продавливается через полупроницаемую мембрану, которая отторгает даже низкомолекулярные соединения.

Технические характеристики:

• Производительность: до 190 л/сутки

• Рабочая температура воды: от +4 до +35 град.

• Пористость: 1 А (0,00001 мкм)

• Эффективность фильтрации: не менее 99 %

• Рабочее давление: 2,8 - 8 атм. [3]

Обратноосмотические мембраны используются во многих отраслях промышленности, где есть необходимость в получении воды высокого качества (разлив воды, производство алкогольных и безалкогольных напитков, пищевая промышленность, фармацевтика, электронная промышленность и т. д.).

Обратноосмотические фильтры имеют и ряд других достоинств. Во-первых, загрязнения не накапливаются внутри мембраны, а постоянно сливаются в дренаж, что исключает вероятность их

Вы очиш,

ЕС

Отброс Полупроницаемый

слой

Вход воды

Рисунок 2 - Схематическое изображение мембраны

попадания в очищенную воду. Благодаря такой технологии даже при значительном ухудшении параметров исходной воды качество очищенной воды остается стабильно высоким. Может лишь понизиться производительность, о чем потребитель узнает по счетчикам, встроенным в систему. В этом случае мембрану необходимо промыть специальными реагентами. Такие промывки проводятся регулярно (примерно 4 раза в год) специалистами сервисной службы. Одновременно производится контроль работы установки. Другое преимущество — отсутствие химических сбросов и реагентов, что обеспечивает экологическую безопасность. Мембранные системы компактны и прекрасно вписываются в интерьер. Они просты в эксплуатации и не нуждаются во внимании со стороны пользователя.

Системы обратного осмоса позволяют получить чистейшую воду, удовлетворяющую СанПиН «Питьевая вода» и европейским стандартам качества для питьевого водопользования, а также всем требованиям для использования в бытовой технике, системе отопления и сантехнике.

Замена мембранного фильтра может потребоваться в случае, когда установка станет производить заметно меньше воды или измениться ее вкус. Обычно срок эксплуатации мембранного фильтра при правильной эксплуатации и своевременной замене фильтров предварительной очистки - 2 - 3 года. [3]

Фильтры обратного осмоса подключаются к водопроводу, откуда поступает исходная вода для очистки, а все примеси сливаются в канализационную систему. Процесс работы фильтра для воды с установкой системы обратного осмоса включает следующие этапы:

1. Предочистку воды

2. Пропуск воды через мембрану обратного осмоса

3. Накопитель очищенной воды

4. Финишную очистку воды

5. Разлив очищенной воды через отдельный кран

Таблица 1

Химический состав вод реки Лены [4]

Источник Содержание ионов и оксилов, мг/кг Взвеш . вещ., мг/кг Сухой остаток , мг/кг Окисл. , мгО2/ к Жесткость, мг-экв/л

Са2+ Mg2+ Na++ K+ HCO -3 SO42 Cl- NO -3 SiO2 -3 Fe2O3 + AI2O3 Жо Жса

Лена река 47 13,4 81,3 147,5 61,9 117 - - - - 474 - 3,46 2,42

Таблица 2

Химический состав воды очищенной мембранными фильтрами [5]

Результаты испытании

НД на метод анализа Значения характеристик

№ Наименование показателя Ед. изм при испытаниях погрешности по НД

Вещества, образующиеся в процессе обработки воды:

1 |Хлор остаточный свободный |гост iei90-72 мг.диД менее 0.05 0,3-0.5

Неорганические вещества:

2 Серебро ПНДФ 14,1:2 4 139-98 U ДРЛ менее 0.01 не более 0.05

3 Марганец ПНД® 14.1.2:4 139-96 «Уди! менее 0.01 не более 0.1

4 Вор ГОСТ Р 51210-96 ur-дмЗ 0.11 ±0,03 не более 0.5

5 Кадмий ФР 1-312007 03683 М.'АИЭ менее 0,0005 - не более 0,001

б Железо общее ПНД ® 14.1Л 139-96 мгамэ 0,030 ±0,008 не более 0,3

7 Мышьяк МУ 08-47/12S-2000 м'.дмЗ менее 0,005 - не более 0,05

8 Алюминий ПНДФ 14 1:2:4.166-00 МГДМ'.З менее 0,04 не более 0,5

9 Барий ФР 1 31 200Т 03683 МРДЯЭ ме-tee 0,05 не более 0.1

10 Бериллий ГОСТ 18294 04 мгдм.1 менее 0,0001 не оолее 0,0002

11 Медь ФР 1 31 2007 03683 М11ДИЭ 0.008 ±0,002 не более 1 0

12 Свинец ФР 1 31 2007 03683 мг-'дмЗ менее 0,005 - не более 0 03

Обобщенные показатели:

13 Водородный показатель (рН) ПНДФ 14 1.2 3.4 121-97 еэон 6.8 ±0.2 6-9

14 АПАВ ГОСТ Р 5124-96 иг, ЛИ) менее 0,025

15 Фенопьный индекс ПНДФ 14 1 2 4 182-02 иг-дмэ менее 0,0005

16 Обшая минерализация (сухой остаток) ТОСТ 16164-7? МРДМЗ менее 50 не более 10ОО

17 Окисляемость пермлнганнтнэя ПНД « 14.1 2-4 1S4-M Шй'ЛМЗ 0,3 ±0,06 не более 5,0

4. Устранение ошибок и недочетов

После тестового запуска станции СОВ-Э1 были обнаружены некоторые несоответствия с ожидаемыми результатами.

Необходимо уменьшить падение селективности, удерживать количество получаемого пермеата (чистейшей воды) на одном уровне (50:50).

Для решения этих несоответствий были приняты следующие меры: •была произведена замена мембран VONTRON r-2 40/40; •команда программистов оптимизировала код для всей программы; •несколько раз меняли схему расположения датчиков и контроллеров; •закупили более мощные насосы ESPA.

Заключение

Мобильные станции будут предназначены для обеспечения качественной воды в небольших населенных пунктах, вахтовых поселках, объектах строительства. Также для предприятий общественного питания, детских садов и школ, учреждений здравоохранения, физ. лицам (загородные дома, коттеджи, дачи).

Система управления, на базе Arduino, будет предназначено для полной автоматизации в системах очистки и розлива воды, соков, пива, молока, молочных и др. продуктов. В планах интеграция системы в котельныхустановках для увеличения их КПД, внедрение в проектах умного дома в области водосбережения и получения статистики, системы автоматизации процессов очистки сточных вод.

Использование платформы Arduino, которая представляет собой аппаратно программную оболочку, посредством которого можно строить систему управления техническими процессами станций водоподготовки. Управление и сбор статистических данных идет напрямую через собственно разработанное программное обеспечение, через беспроводные (wifisheid платы) и проводные 1-wire интерфейсы. Информация визуализируется на дисплей или любые портативные электронные устройства.

Внедрение системы автоматизации и построение логических цепей работы аппаратов водоочистки, с собственно написанным кодом позволит, снизить среднюю цену за подобные решения, не теряя при этом качества. Акцент ставиться именно на системе автоматизации - изучение и собственное написание программного кода для Arduino на языке C/C++.

Есть перспективы использование наработанного опыта и результатов не только в системах водоподготовки, но и в других областях. Одним из приоритетных является проекты концепции умного дома.

Список использованной литературы:

1. https://ru.intechcore.com/stages-software-development/

2. Государственные санитарно-эпидемиологические правила и нормативы. 2.1.4. Питьевая вода и водоснабжение населенных мест питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения.контроль качества санитарно-эпидемиологические правила и нормативы, санпин 2.1.4.1074-01, минздрав россии, москва - 2002

3. Оборудование и комплектующие для систем водоподготовки, Акватрол

4. Шпакова Р.Н., Формирование качества воды реки Лена в современный период, Москва, 1999;

5. Промежуточный информационный отчет ПЭМ, Проведение лабораторных химико-аналитических исследований: почва, атмосферный воздух, поверхностные воды, донные отложения, Благовещенск, 2016

©Платонов Г.К., 2018