ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ АЭРАЦИИ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕЙ УВЕЛИЧЕНИЕ СРОКОВ ХРАНЕНИЯ СТОЧНЫХ ВОД В СУДОВЫХ СБОРНЫХ ЦИСТЕРНАХ Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 629.5.06:[628.3:502.3]

Н.Л. Горин, аспирант, ФБОУВПО «ВГАВТ». С.В. Васькин, доцент, ФБОУ ВПО «ВГАВТ». В.Л. Этин, профессор, ФБОУ ВПО «ВГАВТ». 603600, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5а.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ АЭРАЦИИ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕЙ УВЕЛИЧЕНИЕ СРОКОВ ХРАНЕНИЯ СТОЧНЫХ ВОД В СУДОВЫХ СБОРНЫХ ЦИСТЕРНАХ

Статья посвящена исследованиям по обоснованию повышения экологической безопасности судов речного флота путем обеспечения необходимой автономности плавания по хозяйственно-бытовым сточным водам с помощью системы аэрации сборных цистерн и разработки методики определения основных характеристик этой системы.

В «Концепции развития внутреннего водного транспорта» (распоряжение Правительства Российской Федерации от 3 июля 2003 г. № 909-р) отмечается, что водный транспорт является наиболее экологически безопасным видом транспорта. Поэтому «...обеспечение экологической безопасности на внутренних водных путях (ВВП) должно оставаться одним из приоритетов государственной политики в области управления внутренним водным транспортом (ВВТ)».

Очевидно, что уровень экологической безопасности ВВТ главным образом зависит от экологической безопасности флота, работающего на ВВП.

Анализ этой проблемы показывает, что наибольшие трудности возникают при решении задач предотвращения загрязнения ВВП хозяйственно-бытовыми сточными водами (ХБСВ) с судов. Это связано с тем, что органами Роспотребнадзора РФ запрещается сброс неочищенных ХБСВ в водные объекты и одновременно ограничивается срок их хранения на борту судна.

Соответственно возникает необходимость частого выполнения судами операций по сдаче ХБСВ на внесудовые приемные устройства (ПУ). При этом плотность расстановки ПУ на реках РФ в 10.20 раз ниже, чем, например, на реках Западной Европы. Недостаточное количество ПУ и ограниченная автономность плавания судов по условиям хранения ХБСВ в некоторых случаях вынуждают капитанов сбрасывать их в водоем, создавая опасность возникновения и распространения различных заболеваний среди населения, проживающего в прибрежной зоне.

Не решает проблемы и установка на борту судов систем и устройств для обезвреживания ХБСВ. Это связано с тем, что органами Роспотребнадзора РФ в соответствии с СанПиН 2.1.5.980-00 запрещается сброс очищенных ХБСВ в зонах санитарной охраны поверхностных источников водоснабжения населения.

С учетом плотности расположения этих зон на судоходных реках России, количество и протяженность участков ВВП, на которых допускается сброс очищенных ХБСВ, существенно сокращается. Кроме того, наличие ограничений на сброс любых стоков на акваториях особо охраняемых водных объектов, имеющих природоохранное, научное, культурное, эстетическое, рекреационное и оздоровительное значение, вообще делают этот способ обеспечения экологической безопасности экономически мало приемлемым для подавляющего большинства транспортных судов речного флота. Исключение составляют только крупные туристические суда, достаточно часто посещающие крупные порты, оборудованные ПУ.

Таким образом, в настоящее время единственным приемлемым для большинства речных судов способом обеспечения экологической безопасности по ХБСВ является хранение неочищенных сточных вод в соответствующих судовых цистернах с после-

дующей сдачей их на внесудовые ПУ. Этот способ рекомендуется «Техническим регламентом о безопасности объектов внутреннего водного транспорта» (постановление Правительства РФ от 12 августа 2010 г. № 623).

Следовательно, для дальнейшего совершенствования экологической безопасности по ХБСВ судов речного флота необходимо либо в короткие сроки увеличить в несколько раз количество ПУ на реках РФ, что невозможно, либо путем использования новых технических решений по увеличению срока хранения ХБСВ на судне обеспечить необходимую автономность плавания судов без значительного увеличения сети ПУ. В результате будет достигнут необходимый экологический эффект, а возникшие в этом случае издержки на создание и внедрение новой техники можно компенсировать сокращением времени технологических простоев судна.

Известно, что ограничение сроков хранения ХБСВ на судах обусловлено возникновением процесса загнивания сточных вод в условиях недостатка кислорода. Приемлемым и достаточно широко применяемым способом обогащения сточных вод кислородом при их очистке на береговых сооружениях является аэрация сточных вод воздухом. Для борьбы с загниванием сточных вод на судах, в отмененных в настоящее время «Наставлениях по предотвращению загрязнения внутренних водных путей при эксплуатации судов» (РД 152-011-00), также содержались рекомендации о возможности применения аэрации для этих целей. Однако опубликованных научных или методических работ по использованию аэрации для продления срока хранения ХБСВ на борту речных судов автором обнаружено не было.

Анализ большого количества работ, связанных с данной тематикой, показал, что они, в основном, посвящены вопросам предотвращения загрязнения водной среды судами при помощи специального природоохранного оборудования, методам его проектирования и особенностям эксплуатации. Проблема долговременного накопления и хранения сточных вод в ограниченном объеме на борту судна авторами не рассматривалась.

Увеличения сроков хранения сточных вод можно добиться повышением стойкости их к загниванию, что достигается уменьшением количества находящихся в воде загрязняющих органических веществ или повышением содержания в воде растворенного кислорода.

При этом необходимо выбрать такой способ обработки сточных вод, который не предусматривал бы использования дорогостоящей аппаратуры, материалов и реагентов, и мог быть легко реализован на судах без существенной модернизации судового оборудования.

Анализ возможности обеспечения необходимой стойкости сточных вод показал, что единственным технически и практически приемлемым способом увеличения сроков их хранения на судне является аэрация этих отходов непосредственно в сборных цистернах. Аэрация стоков будет способствовать протеканию в них различных процессов, препятствующих загниванию (химическое и биохимическое окисление).

Поскольку образование сточных вод неразрывно связано с водопотреблением, были проанализированы количество и режимы потребления воды на судах.

Вопрос потребления воды на судах внутреннего и смешанного плавания нашел отражение как в научных трудах, так и в ряде руководящих документов. При этом в разных источниках подход к этому вопросу трактуется по-разному.

В некоторых документах приводятся средние нормы водопотребления, зависящие от уровня комфортности судна. Использование таких данных позволяет определить среднесуточное количество сточных вод, поступающих в сборную цистерну, но не дает представления о режиме их поступления. В других работах рекомендуется составление баланса почасового расхода воды потребителями с учетом реального количества и типа судовой водоразборной арматуры, распорядка дня на судне, нормализованных секундных расходов через арматуру и коэффициентов одновременности, учитывающих часовую загрузку и число одновременно включенных потребителей.

Кроме того, проведенные различными авторами исследования показали, что режим образования сточных вод на судах существенно отличается от режима их образования в береговых условиях, характеризуясь наличием ярко выраженных пиков.

Сравнительный анализ источников, посвященных вопросам водопотребления на судах речного флота, позволил сделать следующие выводы:

- количество воды, потребляемой на судне, является случайной величиной, зависящей от комфортабельности судна, погодных условий, количества и типа установленной на судне водоразборной арматуры и других факторов;

- расчет водопотребления (водоотведения) необходимо производить для каждого конкретного проекта судна с учетом типа, количества и режима работы потребителей;

- режим водопотребления, а значит и образования сточных вод на судах, носит периодический характер с выраженными пиковыми расходами, что объясняется распорядком дня на судне. При этом пиковые расходы в несколько раз превышают среднечасовые.

Анализ состава судовых ХБСВ показал, что состав судовых сточных вод практически идентичен составу коммунальных (городских) стоков, не смешанных со стоками промышленных предприятий, и не является постоянным. Поэтому для исследования преобразования состава ХБСВ в процессе их аэрации был определен возможный интервал варьирования показателей, характеризующих их первоначальное загрязнение.

На основании анализа исследований, посвященных вопросам изучения состава загрязнений судовых и коммунальных (городских) сточных вод, можно сделать следующие выводы:

- состав судовых ХБСВ может существенно изменяться в течение суток. Наиболее концентрированные стоки образуются в период с 10 до 14 часов, наименее концентрированные - в период с 20 до 6 часов;

- содержание органических примесей в судовых ХБСВ, характеризуемое показателями БПК5, БПКП и ХПК, зависит от водопотребления на судне и может достигать значений 1000, 1450 и 1650 мг О2/л соответственно;

- температура судовых сточных вод находится в интервале 10...30°С; наиболее вероятное значение этого параметра составляет 20...22°С.

Выполненный аналитический обзор существующих конструкций аэраторов, применяемых в других отраслях техники, позволил сделать вывод о предпочтительности использования в судовых условиях пневматических аэраторов с системой распределения воздуха при помощи перфорированных труб.

При аэрации сточных вод в судовых цистернах будут протекать процессы окисления содержащихся в воде примесей, что способствует повышению стойкости ХБСВ к загниванию. Известно, что на константу скорости этих процессов оказывают существенное влияние кроме интенсивности аэрации температура и состав сточных вод. Однако как было показано выше, состав судовых ХБСВ практически не отличается от состава береговых сточных вод, а влияние температуры на процесс окисления ХБСВ достаточно подробно описано в литературе по очистке бытовых городских сточных вод и не требует дополнительных исследований.

Для установления влияния интенсивности аэрации на константу скорости окисления загрязнений были проведены экспериментальные исследования на специальном стенде. Обработка результатов эксперимента показала:

- скорость снижения БПК при аэрации ХБСВ пропорциональна величине БПК, характеризующей содержание в воде органических примесей.

- влияние интенсивности аэрации на константу скорости снижения БПК сточных вод при обработке воздухом может быть описана уравнением вида

(1)

где к0 = 0,0082 - константа скорости окисления при отсутствии аэрации, ч 1; А и В - экспериментальные коэффициенты, равные соответственно 0,0213 ч-1 и

2,1687 ч/м;

I - интенсивность аэрации сточных вод, м3/(м2 • ч).

С учетом известного из литературы выражения:

кт = к20 -1,047 '-20, (2)

где к20 - значение константы к при температуре сточных вод равной 20° С; t - фактическая температура сточных вод, С.

Зависимость константы скорости окисления от интенсивности аэрации и температуры ХБСВ можно описать выражением:

к = [к0 + А(1 - ехр {- В -1})] -1,04720. (3)

Для предотвращения загнивания необходимо создать условия, при которых стойкость ХБСВ (т.е. отношение содержания в ней кислорода к количеству органических примесей, выраженному в БПКП) будет равна величине, которая обеспечивает требуемую продолжительность хранения [г]. Зная стойкость, потребную для достижения безопасного срока хранения ХБСВ, можно определить соответствующее значение константы скорости окисления, обеспечивающее необходимое снижение БПК в течение времени [г].

Поскольку при непрерывном поступлении в сборную цистерну свежих порций сточных вод величина константы к непрерывно и случайно меняется во времени, в период хранения ХБСВ можно говорить только о некоторой интенсивности аэрации, гарантирующей значение константы к, предотвращающей загнивание ХБСВ в цистерне при заданной температуре сточных вод.

Поэтому, используя результаты экспериментальных исследований, в работе были получены формулы для определения интенсивности аэрации I в зависимости от срока хранения ХБСВ при различной температуре в сборной цистерне вида

I = о(1 - е-Ь[т])- с, (4)

где [г] - расчетный срок хранения ХБСВ в сборной цистерне, сут; а, Ь и с - опытные коэффициенты.

Кривые изменения интенсивности аэрации в зависимости от сроков хранения ХБСВ и температуры приведены на рис. 1.

Поскольку полученные расчетные значения интенсивности аэрации не учитывают особенностей образования судовых ХБСВ, характеризующихся значительной неравномерностью поступления их в сборную цистерну, изменения температуры воды в результате теплообмена с внешней средой, было разработано соответствующее математическое описание, включающее в себя уравнения материального, теплового и энергетического балансов.

С точки зрения аппаратов химической технологии судовая цистерна сточных вод представляет собой непроточный реактор периодического действия. При рассмотрении структуры потока жидкости в судовой цистерне был сделан вывод о том, что она с учетом аэрации может быть описана моделью идеального смешения. Материальный баланс судовой цистерны сточных вод с аэрацией может быть описан системой известных из литературы уравнений для непроточных реакторов периодического действия:

V (t) = Fmn + Q(r)dr dC = Q(t)[C0(t) - C ] _-c dT V (T) '

(5)

где ¥тш - минимальный (невыбираемый) объем воды в цистерне сточных вод, м3; У(т) - текущий объем воды в цистерне сточных вод, м3;

Q(г) - функция, описывающая изменение во времени потребления воды на судне,

м3/ч;

С0(п) - функция, описывающая изменение во времени БПК хозяйственно-бытовой

сточной воды, г/м3; С - текущее БПК сточной воды в цистерне, г/м3.

в-'s 1

"s 0,9

¡s 0,8

я rt 0,7

Ч

СЗ 0,6

О О 0,5

Ш S 0,4

as и 0,3

as S 0,2

0,1

0

Л

Ж

S r

1...G---U" El

Л

a

x—:

3 6 9 12 15

Продолжительность хранения СВ, сут

Рис. 2. Зависимости допустимой продолжительности хранения сточных вод от интенсивности аэрации и температуры стоков: ♦ - г = 10°С; □ - г = 15°С; А - г = 20°С; О- г=25°С; х - г = 30°С

Анализ графиков суточного водопотребления на большинстве судов речного флота, выполненных различными исследователями, показал, что уравнение Q(г), характеризующее количество образующихся сточных вод, может быть достаточно близко описано периодической функцией вида

Q(T) =

kНQp -(УkHQ 2

-sin

КУт

2

- K 2 I + Qc

(6)

где кн - коэффициент неравномерности водопотребления на судне, принимаемый в

соответствии с руководящими документами или определяемый расчетом; Qcp - среднечасовой расход воды, определяемый нормативно или расчетным путем,

м3/ч;

п - время суток, ч;

К1 и К2 - коэффициенты, учитывающие смещение экстремумов водопотребления относительно времени смены вахт.

Зависимость БПК ХБСВ от времени суток была получена на основании исследований, проведенных ранее В.И. Косовским. Обработка результатов этих исследований позволила установить, что функция С0(п) с коэффициентом корреляции равным 0,96 описывается степенным полиномом вида

Со (т) = 0277[«0 +Е«Т ] , (7)

где 0,277 л/(чел • сут) - среднее удельное водопотребление на судне во время проведения исследований.

С целью изучения влияния на температуру сточных вод в сборной цистерне теплообмена с окружающей средой было составлено уравнение теплового баланса, имеющего следующий вид:

Ж 1

йт У(т)

б(т& - ,)-^ ь - ^)

Рж с

(8)

где t - текущая температура стоков в цистерне, С; ^ - температура воды, поступающей в цистерну, °С; tн - температура внешней среды, °С; рж - плотность сточной жидкости, кг/м3; с - теплоемкость жидкости, Дж/(кг • °С);

- суммарная площадь ограждения сборной цистерны, м2; кт- коэффициент теплообмена, Вт/(м2 • С).

Таким образом, выражение (8) позволяет учитывать влияние теплообменных процессов на величину константы скорости окисления, а подстановка формул (3), (6) и (7) в систему (5) позволяет получить решение уравнения материального баланса, определяя текущую концентрацию загрязнений в судовой цистерне для любого момента времени г.

Поскольку параметром, управляющим состоянием ХБСВ в судовой цистерне, является интенсивность аэрации, определяемая количеством подаваемого в цистерну воздуха, была установлена ее зависимость от давления в системе аэрации р1, основных конструктивных характеристик системы, а также факторов внешней среды:

Р= * +(4+^, О

где р2 = рж£Ьж + Аро - давление перед выпускным отверстием, Па;

рж - плотность сточной воды, кг/м3;

кж - высота столба воды над выпускным отверстием, м;

Аро = р^о/2 - потери давления в выпускном отверстии, Па;

X - коэффициент трения;

I - длина трубопровода системы аэрации, м;

ё - диаметр соответствующего трубопровода, м;

р - плотность воздуха, кг/м3;

V - скорость движения воздуха в трубопроводе, м/с.

Основным фактором внешней среды, влияющим на энергетический баланс системы, является температура окружающего воздуха. Однако в реальном диапазоне изменения температур, ее влияние на плотность и вязкость воздуха не превышает 2% и в практических расчетах может не учитываться.

Производительность системы аэрации, м3/ч, рассчитывается по формуле

Ьа = I - F, (10)

При известной производительности давление в системе аэрации будет определяться по выражению

где ¡г - коэффициент расхода воздуха через отверстия в аэрационных трубах; йа - диаметр отверстия в аэрационных трубах, м; N - количество отверстий.

С помощью математического описания были выполнены исследования процесса хранения ХБСВ в судовой сборной цистерне с аэрацией. Анализ результатов проведенных исследований позволил установить следующее:

1. Коэффициент суточной неравномерности водопотребления на судне также практически не оказывает влияния на процесс хранения сточных вод. Проведенные исследования показали, что изменение содержания примесей в воде при коэффициентах неравномерности равных 1,8 и 7,0 несколько отличается лишь в первые сутки накопления стоков.

2. Температура окружающей среды в рассматриваемом интервале ее изменения практически не влияет на температуру сточных вод в цистерне и, соответственно, на величину константы процесса окисления к.

3. Основное снижение содержания примесей в цистерне происходит в ночное время, т.е. в период, когда водопотребление отсутствует или минимально.

Результаты исследований, выполненных на основе математического описания процесса хранения ХБСВ в судовой цистерне с аэрацией, позволили создать математическую модель судовой системы аэрации ХБСВ, включающую следующие зависимости:

' I = а(1 - е )- с

L = I • F

А = 8Р

(12)

L

VWo No у

l T-l ^ pwv2

+ р +1 Я—hVr

Уж 1 d ^ у 2

2

Полученная математическая модель может быть применима в диапазоне изменения удельного водопотребления на судне от 0,1 до 0,3 м3/(чел-сут); концентраций примесей в сточных водах, определяемых показателем БПКП, от 100 до 1000 мг/л, изменения температуры сточных вод от 10 до 30°С и интенсивности аэрации - от 0 до 1,2 м3/(м2-ч).

Разработанная математическая модель позволила создать методику определения основных характеристик судовой системы аэрациеии, обеспечивающей увеличение автономности плавания речных судов. К этим характеристикам относятся:

- интенсивность аэрации сточных вод во время эксплуатации судна, м3/(м2 • ч);

- диаметры трубопроводов системы, ё, м;

- производительность системы аэрации Ьа, м3/ч;

- давление в системе аэрации р1, Па;

- конструкция аэратора.

Для использования методики необходимы следующие исходные данные:

- размеры (¡хЬхИ, м) и расположение цистерн сточных вод на судне;

- температура сточных вод, С;

- принципиальная схема судовой системы сжатого воздуха;

- требуемая автономность плавания судна по ХБСВ [г], сут.

С помощью описанной методики по заданию ОАО «Порт Коломна» были опреде-

лены основные характеристики системы аэрации сточных вод для теплохода класса «М 3,0А». При количестве людей на борту судна 14 человек, размерах сборной цистерны сточных вод 3,73^1,75x1,89 м, средней расчетной температуре сточных вод 20° С и заданному сроку хранения сточных вод 12 суток получены следующие основные характеристики системы аэрации:

- интенсивность аэрации - 0,276 м3/(м2 • ч);

- расход воздуха на аэрацию - 1,8 м3/ч;

- давление воздуха в системе аэрации - 19 кПа;

- тип аэратора - пневматический из перфорированных труб.

С учетом полученных характеристик были рассчитаны стоимость оборудования, материалов, изготовления и монтажа системы аэрации сточных вод, которые составили 50 тыс. рублей. Предполагаемый экономический эффект - 65 тыс. рублей/год, срок окупаемости - 1 год.

Таким образом, в результате выполнения исследований был научно обоснован способ повышения экологической безопасности судов речного флота путем обеспечения необходимой автономности плавания по сточным водам с помощью системы аэрации сборных цистерн и разработана методика определения основных характеристик этой системы.

Эта система позволяет увеличить автономность плавания речных судов по ХБСВ более чем в 2 раза, полностью исключив сбросы сточных вод в водоемы, и тем самым получить существенный экологический эффект. Ежегодный экономический эффект от внедрения систем аэрации на судах речного флота по ориентировочным оценкам может составить до 50 млн. рублей.

ENGINEERING DESIGN OF SYSTEM OF THE AERATION PROVIDING INCREASE IN PERIODS OF STORAGE OF SEWAGE IN SHIP MODULAR TANKS

N.L. Gorin, S.V. Vas'kin, V.L. Etin

Article is devoted to researches on justification of increase of ecological safety of vessels

of river fleet by ensuring necessary autonomy of swimming on economic and household sewage by means of system of aeration of modular tanks and development engineering of a technique of definition of the main characteristics of this system.

УДК 629.12.002 - 52

С.В. Давыдова, к.т.н., доц. ФБОУ ВПО «ВГАВТ». 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5А.

АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ ТЕНДЕНЦИЙ И ОБОБЩЕНИЕ ОПЫТА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ФОРМИРОВАНИЯ ОБЩЕГО ВИДА

Анализируются проявление общих тенденций в автоматизированном проектировании общего вида судов и в частности формирования архитектурно-компоновочных решений. Сформулирована обобщенная задача автоматизированного формирования общего вида судна с учетом современного опыта проектирования и состояния технического и программного обеспечения.