Системный подход в моделировании технологического процесса очистки нефтесодержащих сточных вод

Савдур С. Н.; Понкратова С. А.

С. Н. Савдур, С. А. Понкратова СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД В МОДЕЛИРОВАНИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ НЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ СТОЧНЫХ ВОД

Ключевые слова: сети Петри, нефтесодержащие сточные воды, биоочистка, биодеградация углеводородов.

Проводится системный анализ гибкого технологического модуля (ГТМ) биоочистки углеводородсодержащих стоков. Показана целесообразность использования математического аппарата теории сетей Петри при моделировании и проектировании данных ГТМ. Построена модель в виде модифицированной сети Петри и на ее основе разработан программный макет АСУТП глубокой биоочистки технологических стоков от остаточных нефтепродуктов.

Keywords: Petri net, oily water effluents, bioremediation, biodegradation of hydrocarbons.

Article considers the system analysis of the flexible technological module in treatment of oily water effluents. It shows the expediency in using mathematical Petri network when modeling and designing technological module in oily water effluents treatment. A model in the form of modified Petri network in constructed. This model has become the basis for programmed of automated control system of technological processes for deep bioremediation of water effluents.

Традиционная схема очистки нефтесодержащих стоков различных отраслей промышленности, включая биохимическое окисление, позволяет снять в очищаемой сточной воде 80-85% исходного загрязнения. Однако остаточное содержание нефти и нефтепродуктов превышает ПДК водоемов, рыбохозяйственного назначения в десятки и несколько десятков раз. Последнее положение не обеспечивает использование очищенных вод в оборотном водоснабжении предприятий или отвода их в естественные водные объекты без ущерба их экологического состояния.

Предложен управляемый биологический метод глубокой очистки и доочистки сточных вод от нефти и нефтепродуктов на основе применения для этой цели совершенных установок (струйно-отстойного аппарата или биореакторов) с использованием в них ассоциации отсе-лектированных групп нефте- и углеводородокисляющих микроорганизмов.

В соответствии с принципами системного анализа биологическая очистка сточных вод представляет собой сложную биохимическую технологическую систему, включающую совокупность взаимосвязанных потоками аппаратов, каждый из которых имеет свою иерархическую структуру.

Системный подход предполагает рассмотрение процессов, происходящих в отдельном аппарате, во взаимосвязи с другими аппаратами технологической системы, а также выявление процессов, происходящих на микро - и макроуровнях оказывающих наиболее существенное влияние на конечную цель функционирования системы.

Основной метод системного подхода математическое моделирование.

Моделирование и компьютерные эксперименты с моделью - заменителем объекта исследования, являются эффективным средством, дающим возможность в рамках САПР

(система автоматизации проектных работ) создавать системы логического управления (СЛУ), позволяющие рассмотреть поведение объекта во внештатных ситуациях, оценить его структуру и законы управления, а также учесть стохастическую природу возмущающих воздействий. Моделирование в САПР систем управления позволяет передавать в производство всесторонне проверенные проекты АСУТП БХТП (биохимико-технологических производств).

При создании пилотной блочной установки биологической очистки производственных стоков был нами использован модульный принцип, позволяющий формировать из типового оборудования химических производств гибкие технологические модули переменной структуры (ГТМ) [1]. Технологический модуль биоочистки сточных вод представлен на рисунке 1.

Рис. 1 - Технологическая схема установки: 1 - накопитель стоков; 2а и 2б - насосы; 3 -первичный отстойник; 4 - усреднитель; 5 - емкости для микроорганизмов и биостимуляторов; 6а и 6б - струйно-отстойные аппараты (СОА); 7 - вторичный отстойник; 8 - шламонакопитель

Основой системы автоматизированного управления ГТМ очистки производственных сточных вод служит разработанная математическая модель процесса, реализуемого в аппарате биоочистки - струйно-отстойном агрегате (СОА), представляющем аппарат колонного типа с установленным в верхней его части струйным элементом, работающим как разбрызгивающее и перемешивающее устройство, и организованной в нижней его части зоной отстоя. При формализации функционирования СОА для создания адекватной модели процесса были выделены три зоны: рассеивание потока, оседания распыленного потока и отстоя. Ход процесса в первой части аппарата, рассматриваемого нами как модель реактора идеального смешения, а во второй как модель реактора идеального вытеснения, описан системой обыкновенных дифференциальных уравнений с нелинейностью.

В стационарном режиме окисление углеводородов нефти микроорганизмами в струйно-отстойном аппарате описано следующей системой уравнений: в зоне струйного элемента (зоне смешения):

В(0) - В(1) +Тср1 да = 0 (1)

о ^0) - 8(1) + тср1 дз = 0, (2)

где В(0, В(11 - количество микроорганизмов во входном потоке и в зоне смешения соответственно; £(0), 8(1) - концентрация углеводородов нефти во входном потоке и в зоне смешения; тСр1 - среднее время пребывания элемента потока в зоне смешения; да - скорость роста микроорганизмов; дз - скорость окисления нефти микроорганизмами;

Яв =

т.

тот

з (1)в

1 +

н_

К 1

](к з + з (1) )ехр

С

1 + кат Кат 1

К

С,

- К,в(1)

кат 2

Яз = -

т тах з1

(1)В (1)

(3)

(4)

1 +

н_ к 1

к.

н

(з + з (1) )ехр

(С - *0 )2

1 +

С,

К,

К

С,

кат 2

ттах - максимальная удельная скорость роста микроорганизмов; Кй - константа скорости отмирания микроорганизмов; 75 - коэффициент по субстрату, связывающий количество биомассы и количество ушедшего на ее прирост субстрата (углеводородов); К - константа полу-насыщения (константа сродства субстрату); К и К2 - константы ингибирования ионами водорода; К описывает ингибирование в кислой области (Н+>>К1); К2 описывает ингибирование в щелочной области (К2>>Н+); Н - концентрация ионов водорода; 10 0р1 - значение температуры, оптимальное для развития микроорганизмов; 1 - текущая температура; ё - температурный диапазон; Скат - концентрация биокатализирующих соединений; Ккат1 и Ккат2 - эффективные константы ингибирования - активации в соответствующих областях.

в зоне оседания распыленных частиц потока (зона вытеснения):

йВ(2) (5)

= Я в (5)

й Т

йз(2)

йт

= Яз

при заданных начальных условиях:

т ср1 < т < тср1 + тср2,

В(2)|т=тср1 = В

= Ы1)

(6)

(7)

2 Б(2)|т=тср1 = Б(1), 2

где В(2) - количество микроорганизмов в зоне вытеснения; ¿2) - концентрация углеводородов в зоне вытеснения; тср2 - среднее время пребывания элемента потока в зоне вытеснения.

Исходя из экспериментов по периодическому культивированию нефтеокисляющих микроорганизмов для данного СОА, были установлены следующие значения входящих в нее независимых констант:

ттэх = 0,7; Кз = 10; рК = 4; К1 = -1§(рК0; рК2 = 9; К2 = -1§(рК2); Кат1 = 5; К,ат2 =

50; 1% = 280С; ё = от 140С до 300С; К = 0,02; 7з = 1.

Система алгебраических уравнений, описывающая процесс в зоне струйного элемента (в зоне смешения), решается аналитически. Ее решения В(1) и дают значения ко-

личества микроорганизмов и концентрации углеводородов на выходе зоны смешения.

Система обыкновенных дифференциальных уравнений, описывающих процесс в зоне оседания, решается численно методом Рунге-Кутта [2].

Для управления процессом очистки нефтесодержащих сточных вод разработана математическая модель гибкой технологической схемы и программа ее реализации. Математическая модель системы управления установкой биоочистки разработана в виде модифицированной сети Петри, выполнение которой позволяет исследовать функционирования данного комплекса в условиях различных нагрузок и воздействий, а также проводить анализ управляющих алгоритмов. Сеть Петри - это двудольный, размеченный, ориентированный мультиграф. Основой для построения модели любого аппарата является фрагмент сети Петри, представленный на рисунке 2а.

+

1

+

11 А 12 — И о1 (2 о2 (3 I—О—1—О—1

а б

Рис. 2 - Детализация графа модели аппарата в виде сети Петри

При необходимости детализации состояний аппарата позиция р1 может быть представлена графом, изображенном на рисунке 2б.

В позиции сети помещают метки М(р1), которые естественно интерпретировать как порции полупродукта в аппаратах. Срабатывание перехода 11 моделирует загрузку порций в аппарат, переход 12 соответствует обработке загруженной порции, переход 13 моделирует выгрузку обработанной порции. При необходимости возможна дальнейшая детализация сетевой модели.

Авторами разработана модификация сети Петри, проблемно-ориентированная на исследование дискретно-непрерывных систем - ДН-сети.

В среде САМ (система автоматизированного моделирования) были построены модели основных аппаратов, реализующих технологический процесс биоочистки:

1. Сборник нефтесодержащих стоков представляет собой буферную емкость, обеспечивающую сбор, хранение и непрерывную подачу обрабатываемых сточных вод в систему очистки (рис. 3, табл. 1).

Рис. 3 - Сборник нефтесодержащих стоков: а) технологическая схема б) графическое описание в виде сети Петри

Таблица 1 - Описание сборника нефтесодержащих стоков