РОЗРОБКА МАКРОКіНЕТИЧНОї МАТЕМАТИЧНОї МОДЕЛі ПРОЦЕСУ БіОЛОГіЧНОї ОЧИСТКИ ГАЗОПОДіБНИХ ВИКИДіВ Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»

УДК 628

DOI: 10.15587/2313-8416.2015.37057

РОЗРОБКА МАКРОК1НЕТИЧНО1 МАТЕМАТИЧНО1 МОДЕЛ1 ПРОЦЕСУ БЮЛОГ1ЧНО1 ОЧИСТКИ ГАЗОПОД1БНИХ ВИКИД1В

© Г. Ю. Бахарева, О. В. Шестопалов, G. О. Семенов, Н. О. Букатенко

Основне призначення ц1е! cmammi - ознайомлення спещал1ст1в is основами розробки макроктетично'г' математично'г' моделi бiологiчноi очистки газоподiбних euKudie eid оргатчних та неорганiчних токсuкантiв та одорантiв.

Науковi до^дження, яК вiдображено у статтi, було виконано згiдно плате наукових до^джень кафедри охорони пращ та навколишнього середовища та кафедри хiмiчноi технки та промисловог екологИ НТУ «ХП1»

Ключовi слова: макроюнетична математична модель, бiологiчна очистка, питома швидюсть окиснення, концентрацiя, штдлива речовина

The main purpose of this article is familiarization of specialists with the basics of design of macrokinetic mathematical models of biological treatment of gasiform emissions from organic and inorganic toxicants and odorant.

Research, that given in the article, was done according to plans of research of labor and environment protection department and chemical engineering and industrial ecology department of NTU "KhPI"

Keywords: macrokinetic mathematical model, biological treatment, specific rate of oxidation, concentration, harmful substance

1. Вступ

Газоподiбнi викиди рiзного промислового походження за об'емом, складом шюдливих речовин та 1х концентращями е небезпечним та потужним джерелом забруднення навколишнього середовища. Негативнють впливу посилюеться ще й тим, що переважно щ джерела забруднення знаходяться у зонах помешкання та життедiяльностi людей. Вщомо, що установки бюлопчно! очистки повпря е еколопчно чистими, дешевими та простими в експлуатацп. Тому, всебiчне дослвдження процесiв бюлопчно! очистки газоподiбних викидiв е актуальною темою.

2. Постановка проблеми

Основне значения наведеного у статп дослщження полягае у розробщ науково обгру-нтованих методик розробки макрокшетичних мате-матичних моделей бюлопчно! очистки газопо-дiбних викидiв, як основ для подальших розрахунк1в проектних параметрiв апаратiв для бюлопчно! очистки вщ водорозчинних та неводорозчинних газоподiбних забруднень.

Мета дано! роботи - винайти науковi основи для проектних розрахуншв апаратiв бюлопчно! очистки вщ водорозчинних та нерозчинних у водi забруднень, характерних для викидiв багатьох тдприемств, як1 мiстять багатокомпонентнi системи за допомогою розробки макрокшетичних марема-тичних моделей.

Задачi дослiджения - виконання теоретичних та експериментальних дослщжень процесiв бюлопчно! очистки повиря ввд забруднюючих речо-вин, визначення поняття макрошнетично! математично! моделi бiологiчного очищення.

3. Лiтературний огляд

Процес бюдеструкцп газоподiбних шк1дливих речовин було дослщжено низкою вiтчизняних та закордонних вчених. Завдяки здiбностi мшро-opraHi3MiB до адаптацп, цей унiвеpсальний принцип використовуеться для утилiзaцii широкого спектру забруднюючих речовин оргашчного походження, а також деяких неopгaнiчних сполук, наприклад, H2S, SO2 та NH3. Пopiвняльний екoнoмiчний aнaлiз [1] piзних спoсoбiв очищення гaзoпoдiбних викидiв сввдчить про те, що очищення та дезoдopaцiя викидiв у бioфiльтpaх та бioскpубеpaх вимагае найнижчих кaпiтaльних та експлуaтaцiйних витрат. Проте, слад вiдзнaчити, що процеси детоксикацп таких викидiв е сукупшстю взаемопов'язаних пpoцесiв, обумовлених скадними бюкшетичними pеaкцiями, такими як, наприклад, ттрифшащя та денiтpифiкaцiя [2]. Склaднiсть процеав, як1 вiдбувaються у бiopеaктopi, ускладнюе процедуру моделювання, розрахунку 1х апаратурного оформлення та упpaвлiння [3]. Ц процеси характеризуються жорсткою динaмiкoю (широким рядом констант часу), нелшшшстю, змшними з плином часом параметрами та умовами, а також утворенням перехресних сполук тощо [4]. У зв'язку зi специфiчнiстю та тoксичнiстю неорга-нiчних сполук сipки та азоту, виникае необхвдшсть використання у бюреакторах iмoбiлiзoвaних [5], а також адаптованих до забруднень штaмiв мжро-opгaнiзмiв та 1х пoпуляцiй [6].

З урахуванням вищенаведеного, задля розрахунку кшетики складних пpoцесiв та конят-pукцiйних пapaметpiв бiopеaктopiв, очевидна необ-хiднiсть комплексного подходу, що включае експериментальне дoслiдження, розробку на цих засадах метoдiв розробки макрокшетичних марема-

тичних моделей бюлопчно! очистки газопо-д!бних викид1в.

4. Дослiдження процесу бюлопчноТ очистки газомод1бних вики.мв

Шд час проведення дослщжень була поставлена така мета: експериментально визначити шнетичш показники бюлопчно! аеробно! й анаеробно! детоксикацп газопод!бних викид1в, що мютять формальдепд, шнетичш показники бюлопчно! детоксикацп газопод!бних викид1в, що мютять метан, а також H2S, SO2 та NH3. Ц речовини дуже розповсюджеш та мютяться окремо або разом у газопод!бних викидах багатьох тдприемств х1м1чно!, люох!м!чно!, деревообробно!, харчово! галузей про-мисловосп, а також у побутових спчних водах. Кр1м того, ц речовини, як1 е представниками р1зних груп сполук (вуглеводш, ал!фатичш, срко- та азотвмюш), тддаються бюдеструкци [7].

У лабораторних експериментах встановлювали шнетичш характеристики бютехнолопчно! детоксикацп формальдепду, розчиненого у вод!, у вщо-мому аеробному та розроблювальному анаеробному процесах. Пюля 8 годин обробки в аеробних умовах ефект очищення в1д формальдепду склав 75 %, прог-нозний термш для досягнення норм ГДК - 20 годин обробки. При обробц в анаеробному процеа 100 % ефект очищення ввд формальдепду було досягнуто за 4 години. Максимальна питома швидшсть бютах-нолопчного анаеробного окиснення формальдепду бшьш шж у 6 раз1в перевищувала значения цього параметру в аеробному процес [8]. На основ! дослщжень шоземних вчених та даних власних екс-периментальних дослвджень, було розроблено мжро-шнетичну математичну модель змши конце-нтрацп формальдепду в процеа його усунення з газо-под1бних викид1в [9].

Таким чином, на основ! дослщжень, було зроблено висновок, що для бютехнолопчного очищення газопод1бних викид1в в1д формальдепду на стадп регенерацп води можна рекомендувати анаеробний процес, як такий, що дозволяе значно пришвидшити доведення еколопчно небезпечно! концентрацп формальдепду до встановлених норм ГДК. Кр1м того, при цьому в процеа анаеробно! детоксикацп формальдепду можна вести обробку б1льш конце-нтрованих розчишв, у пор1внянш !з аеробним проце-сом, тобто приблизно в 1,5 рази зменшити витрати чисто! води на абсорбцш. Експлуатацшш витрати на додатковий реагент - NaNO3 (у якосл якого можна використовувати мшеральне добриво), компенсу-ються виключенням витрат на електроенерпю для аерацп [10].

Також, у лабораторних експериментальних дослщженнях встановлювали шнетичш характери-тики бютехнолопчно! детоксикацп метану та супутшх йому газ1в (H2S, SO2 та Ы^) у двосек-цшному бюреактор! з шаром, що омиваеться [11]. В установщ, яка моделювала першу (нижню) секцш двосекцшного бюреактору було визначено шнетичш характеристики бютехнолопчно! детоксикацп розчи-нених у вод! Н^, SO2 та NH3. Експери-ментальш даш

сввдчать про те, що в д1апазош концентрацш H2S у вод! 15-120 мг/дм3 швидк1сть окиснення зм1нювалася ввд 12 мг/г за годину в обласп мшмальних концерн-трацш до максимальних значень р1вних приблизно 40 мг/г за годину. Близью та аналопчш за характером результати змш отри-маш 1 для швидкосп окиснення SO2 у водь У д1апазош концентрацш NH3 у вод! 2,5 -20 мг/дм3 швидшсть окиснення зм1нювалася ввд приблизно 1,5 мг/г за годину при мшмальних концентращях до максимального значення, що до-р1внюе 5 мг/г за годину. В цшому, виконаний на лабораторий установц експеримент, з одержаного р1вня швидкостей окиснення, показуе технолопчну засто-совнють бюреактору для очищення ввд H2S, SO2 1 NH3 [11]. В установщ, яка моделювала другу (верхню) секцш двосекцшного бюреактору було визначено шнетичш характеристики бютехнолопчно! детоксикацп метану з газопод1бного стану. Шсля 1 години 15 хвилин обробки газово! сум1ш1, що мю-тить метан специф1чним мжробюценозом було досягнуто зниження концентраций метану !з 15 об. % до 0. Максимальна питома швидшсть окиснення метану досягла 260 мл/г-год [10].

Таким чином, можна зробити висновок, що за допомогою бютехнолопчного методу можна довести еколопчно небезпечну концентращю метану та H2S, SO2 1 NH3 у газопод1бних викидах до встановлених норм ГДК. Уа даш експериментальних досль джень за результатами статистично! обробки е досто-в1рними.

Докладно ус вище описаш експериментальш дослвдження !з результатами статистично! обробки наведено у [9].

Основи розробки макрошнетично! марема-тично! модел1, що наведено у цш статт1, в1дтворен1 на основ1 даних, отриманих в результат! вище вказаних експериментальних дослщжень.

5. Амробац1я результат1в досл1дження

5.1. Поняття макрок1нетично1 математичноТ

модел1 процесу б1олог1чноТ" очистки

Визначаючи питому швидк1сть окиснення, як шльшсть шк!дливо! речовини, яка розкладаеться оди-ницею б!омаси за одиницю часу, для будь-яких пар значень концентраци та часу, можна записати так [7]:

Aft At;

(1)

де ц0 - початкова концентрашя б!омаси; Api=pi+1-pi -прирют концентрац!!; Дti=ti+1-ti - прир!ст часу; V -питома швидшсть окиснення.

Знак «м!нус» вщображае зменшення концерн-трац!! при позитивн!й швидкост! видалення забру-днення.

У граничному переход!, при одержимо

р!вняння, що описуе процес б!олог!чного очищення в диференцшнш форм! [8]:

(2)

Тод^ анал1тичною формою опису процесу бioлoгiчнoгo очищення буде одна iз взаемозалежних пар функцiй, що задовшьняють piвнянню (2) [7]:

Pt=fp (t); Vt=fv (t);

(3)

t p=ft (p); Vp=fv (p), (4)

де Vt - зaлежнiсть питомо! швидкoстi окиснення ввд часу обробки; Vp - зaлежнiсть питомо! швидкосп окиснення вiд концентрацй' окиснювано! речовини; pt - зaлежнiсть концентрацй' окиснювано! речовини ввд часу oбpoбки;tP - залежтсть часу обробки вiд концентрацй' окиснювано! речовини.

Друга пара взаемозалежних функцш (4) ввдпо-ввдае граничному переходу при Др^-0 та piвнo-цiннoму спiввiднoшенню (2) дифеpенцiйнoгo piв-няння [8]:

dt.

(5)

dp HoVp

Вочевидь, що вирази для pt i t р повинш бути взaемoзaмiнними прямою та зворотньою функщями. Тому, додатковими можливими парами функцш можуть бути [8]:

tp=ft(p); Vt = fv(t)

(6)

pt= fp(t); Vp = fv(p) (7)

Таким чином, макрок1нетична математична модель бioлoгiчнoгo очищення е системою двох функцш, що шльшсно ввдображають взаемо-зaлежнiсть концентрацй' речовини, що видаляеться, часу пpoтiкaння процесу очищення, питомо! швидкосп деструктурування шкодливо! речовини та початково! концентрацй' бioмaси, а також, що задов№няе взаемозв'язки цих же пapaметpiв у дифеpенцiйнiй фopмi [7].

Необх1дно пiдкpеслити, що поняття макро-к1нетично! мoделi з необхвдшстю витiкaе iз визна-чення найважлившого параметра - питомо! швидкосп видалення забруднення [7] .

Викладене дозволяе надати розробку макрош-нетично! математично! модел1 процесу бioлoгiчнoгo очищення, як визначення залежностей вигляду Vp, Vt, pt та tp, що адекватно описують експеpиментaльнi дaнi та задовшьняють диференцшному ршнянню (2) або (5) [8].

6. Висновки

Визначено поняття макрок1нетично! математично! мoделi бioлoгiчнoгo очищення, як системи двох аналггичних функцiй, що кiлькiснo ввд обра-жають взaемoзaлежнiсть питомо! швидкосп деструк-цп забруднення, його концентрацй, часу пропкання процесу та початково! концентрацй бюмаси, а також, що задовольняють взаемозв'язки цих же пapaметpiв в дифеpенцiйнiй фopмi.

Комплекс виконаних теоретичних та експе-риментальних дослвджень, пoчaткoвi розробки мак-рок1нетичних математичних моделей у сукупнoстi е науковими основами для проектних розрахуншв апарапв бioлoгiчнo! очистки ввд водорозчинних та нерозчинних у вoдi забруднень, характерних для

викидив багатьох тдприемств, яш мютять багатоком-понентш системи.

Лггература

1. Gabrieland, D. Technical and economical analysis of the conversion of a ful-scale scrubber to a biotrickling filter for odour control [Text] / D. Gab-rieland, M. A. Deshusses // Water Sciense and Technology. Portland: IWAPublishing. -2004. - Vol. 4. - P. 309-318.

2. Londong, J. Strategies for optimized nitrate reduction with primary denitrification [Text] / J. Lon-dong // Water Sciense and Technology. Portland: IWAPublishing. - 1992. -Vol. 5-6. - P. 1087-1096.

3. Sotomayor, O. A. Z. А simulation benchmark to evaluate the perfomance of advanced control techniques in biological wastwater treatment plant [Text] / O. A. Z. Sotomayor, S. W. Park, C. Garc // Brazilian Journal of Chemical Engineering. - 2001. - Vol. 18, Issue 1. doi: 10.1590/s0104-66322001000100008

4. Wentzel, M. C. Processes and modeling of nitri-fication-denitrification biological excess phosphorus removal systems - a review [Text] / M. C. Wentzel, G. A. Ekama, G. V. R. Marais // Water Sciense and Technology. Portland: IWAPublishing. - 1992. - Vol. 6. - P. 59-82.

5. Jan, R. Bath experiment on H2S degradation by bacteria immobilised on activated carbons [Text] / R. Jan, V. L. Ng, X. G. Chen, A. L. Geng, W. D. Gouhd, H. Q. Duan, D. T. Ling, L. C. Koe // Water Sciense and Technology. -Portland: IWAPublishing. - 2004. - Vol. 4. - P. 299-308.

6. Barbosa, V. L. Hydrogen sulphide removal by activated sludge diffusion [Text] / V. L. Barbosa, D. Dufol, J. L. Callan, R. Sneath, R. M. Stuetz // Water Sciense and Technology. Portland: IWAPublishing. - 2004. - Vol. 4. -P. 199-205.

7. Кричковська, Л. В. Процеси та апарати бюлопчно! очистки та дезодораци газоповггряних викидв [Текст]: монографш / Л. В. Кричковська, О. В. Шестопалов, Г. Ю. Бахарева, К. В. Стсь. - Харюв: НТУ «ХП1», 2013. - 200 с.

8. Кричковська, Л. В. Проектт ршення у розробц апарапв бюлопчно! очистки газоподибних викидiв [Текст]: монографiя / Л. В. Кричковська, Л. А. Васьковець, I. В. Гуренко та ш.; за ред. проф. Л. В. Кричковсько!. -Харкв: НТУ «ХП1», 2014. - 208 с.

9. Бахарева, А. Ю. Экологически безопасные методы очистки газообразных промышленных выбросов от формальдегида и метана [Текст]: дис... канд. техн. наук: 21.06.01 / А. Ю. Бахарева. - Харьков, 2009. - 210 с.

10. Бахарева, Г. Ю. Еколопчно безпечш методи очистки газотздбних промислових викидiв вщ нормаль-депду та метану [Текст]: автор. дис. ... канд. тех. наук / Г. Ю. Бахарева. - Ки!в, 2010. - 20 с.

11. Бахарева, А. Ю. Загрязнение атмосферы городов газообразными выбросами из канали-зационных сетей [Текст] / А. Ю. Бахарева, Е. А. Се-менов // Вюник Национального техшчного университету «ХП1». Збирник наукових праць. Серия: Нови ршення в сучасних технологиях. -2014. - № 7 (1050). - С. 136-141.

References

1. Gabrieland, D., Deshusses, M. A. (2004). Technical and economical analysis of the conversion of a ful-scale scrubber to a biotrickling filter for odour control. Water Sciense and Technology. Portland: IWAPublishing, 4, 309-318.

2. Londong, J. (1992). Strategies for optimized nitrate reduction with primary denitrification. Water Sciense and Technology. Portland: IWAPublishing, 5-6, 1087-1096.

3. Sotomayor, O. A. Z., Park, S. W., Garcia, C. (2001). A simulation benchmark to evaluate the performance of advanced control techniques in biological wastewater treatment

plants. Brazilian Journal of Chemical Engineering, 18 (1). doi: 10.1590/s0104-66322001000100008

4. Wentzel, M. C., Ekama, G. A., Marais, G. V. R. (1992). Processes and modeling of nitiification-denitrification biological excess phosphorus removal systems - a review. Water Sciense and Technology. Portland: IWAPublishing, 6, 59-82.

5. Jan, R., Ng, V. L., Chen, X. G., Geng, A. L., Gouhd, W. D., Duan, H. Q., Ling, D. T., Koe, L. C. (2004). Bath experiment on H2S degradation by bacteria immobilised on activated carbons. Water Sciense and Technology. Portland: IWAPublishing, 4, 299-308.

6. Barbosa, V. L., Dufol, D., Callan, J. L., Sneath, R., Stuetz, R. M. (2004). Hydrogen sulphide removal by activated sludge diffusion. Water Sciense and Technology. Portland: IWAPublishing, 4, 199-205.

7. Krichkovska, L. V., Shestopalov, O. V., Bakhare-va, G. Y., Slis, K. V. (2013). Prozesi ta aparati biologichnoy

ochistki ta dezodorazii gazopovitryanih vikidiv. Kharkiv: NTU «KhPI», 200.

8. Krichkovska, L. V., Vaskovez, L. A., Gurenko, I. V. et. al. (2014). Proektni rishennya u rozrobzi aparativ biologichnoy ochistki gazopovitryanih vikidiv. Kharkiv: NTU «KhPI», 208.

9. Bakhareva, A. Y. (2009). Ekologicheski bezopasnie metodi ochistki gazoobraznih promishlennih vibrosov ot formaldegida i metana. Kharkiv, 210.

10. Bakhareva, G. Y. (2010). Ekologicheski bezopasnie metodi ochistki gazoobraznih promishlennih vibrosov ot formaldegida i metana. Kiev, 20.

11. Bakhareva, A. Y., Semenov, E. A. (2014). Zagryaznenyie atmosferi gorodov gazoobraznimi vibrosami iz kanalizazionnih setey. Visnik Nazionalnogo tehnichnogo universitetu «KhPI». Zbirnik naukovih praz. Seriya: Novi rishennya v suchasnih tehnologiyah, 7 (1050), 136-141.

Рекомендовано до публкаци д-р техн. наук, професор Дьомт Д. О.

Дата надходженнярукопису 27.01.2015

Бахарева Ганна Юрй'вна, кандидат техшчних наук, доцент, кафедра охорони пращ та навколишнього середовища, Нацюнальний технiчний унiверситет «Харшвський полiтехнiчний шститут», вул. Фрунзе, 21, м. Харшв, Укра!на, 61002 E-mail: baharevaann@gmail.com

Шестопалов Олексiй Валерiйович, кандидат техшчних наук, доцент, кафедра х1тчно1 техтки та промислово! екологи, Нацюнальний техшчний унiверситет «Харк1вський полiтехнiчний шститут», вул. Фрунзе, 21, м. Харшв, Укра!на, 61002 E-mail: pheonix_alex@mail.ru

Семенов Свген Олександрович, кандидат технiчних наук, доцент, кафедра охорони пращ та навколишнього середовища, Нацюнальний технчний ушверситет «Харшвський полтгехтчний iнститут», вул. Фрунзе, 21, м. Харшв, Укра!на, 61002 E-mail: 982945@gmail.com

Букатенко Наталiя Олексй'вна, кандидат технiчних наук, доцент, кафедра охорони пращ та навколишнього середовища, Нацюнальний техтчний ушверситет «Харшвський полтгехтчний шститут», вул. Фрунзе, 21, м. Харшв, Укра!на, 61002

УДК 629.735.03:004.891.3

DOI: 10.15587/2313-8416.2015.37626

МЕТОД СИНТЕЗУ 1НТЕЛЕКТУАЛЬНО1 АВТОМАТИЧНО! СИСТЕМИ Д1АГНОСТУВАННЯ В1БРАЦ1ЙНОГО СТАНУ ГАЗОТУРБ1ННОГО ДВИГУНА ГАЗОПЕРЕКАЧУВАЛЬНОГО АГРЕГАТУ

© В. С. Гасиджак, М. П. Кравчук , В.В. Шулевка

Запропоновано метод синтезу 1нтелектуально'1 автоматичноi системи дгагностування в1брац1йного стану ГТД на баз1 iнтеграци нечгт^' лог1ки та нейромереж. Досл1джено теоретично i експериментально можливостi класифiкацii iнтелектуальноi автоматично'1' системи дiагностування поточного технiчного стану ГТД в процесi його експлуатаци

Ключовi слова: газотранспортний двигун, нечтка логжа, вiбрацiйний стан, ттелектуальна автоматична система, нейромережi

In this article a synthesis method of intelligent automation system is presented for vibration state diagnostics of gas turbine engine compressor unit with means of fuzzy logic and neural network. Theoretically and practically were studied intelligent automatic system capabilities of diagnostics of real time technical state of gas transmission engine in use

Keywords: gas transmission engine, fuzzy logic, vibration state, intelligent automatic system, neural networks

1. Вступ

Газотурбшш двигуни (ГТД) широко викорис-товують у транспортнш i енергетичнш галузях. В аиацп !х використовують як основш i допомiжнi

рушшш установки; силовi установки на морських суднах; в енергогенерувальних агрегатах; вони е практично основним силовим приводом у газопе-рекачувальних агрегатах. Ефектившсть застосування