Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Применение подходов системного анализа для решения проблемы построения интегрированных моделей динамического функционирования и управления процессами на природно технических системах утилизации отходов 20
1.1 Системный анализ природно-технических систем утилизации отходов с целью их исследования, проектирования в условиях неполноты информации 21
1.1.1 Анализ методов утилизации отходов потребления 21
1.1.2 Анализ информационных потоков жизненного цикла природно-технических систем утилизации отходов с использованием подходов системного анализа 28
1.2 Конструкционно-технологические параметры инженерных сооружений полигонов ТБО 33
1.3 Развитие системных представлений при формализации природно-технических систем утилизации отходов 38
1.3.1 Классификационные признаки систем ПТО 38
1.3.2 Анализ эмиссионных материально-энергетических потоков, рассматриваемых как объекты моделирования и управления 40
1.4 Анализ известных подходов к формализации природно технических систем утилизации отходов 49
1.4.1 Объемно-балансовые модели 49
1.4.2 Модели диффузионно-конвективного переноса 56- 1.4.3 Модели реакторного типа 58
1.4.4 Регрессионные модели 63
1.4.5 Имитационные модели 64
1.4.6 Подходы к разработке концепции иерархической модели управления системами утилизации отходов почвенными методами 66
1.4.7 Подходы к созданию управленческих моделей на природно-технической системе утилизации отходов 70
1.4.8 Анализ рассмотренных моделей 75
Выводы по первой главе з
Глава 2 Научное исследование процессов, протекающих на природно-технических системах утилизации отходов как средство построения моделей
2.1 Методология и методика проведения исследований 82
2.1.1 Методология исследований 82
2.1.2 Методика получения фактического материала, оценки и обработки информации 83
2.2 Исследование физических свойств твердых бытовых отходов 85
2.3 Системный подход к исследованию динамики процессов биодеструкции отходов на основе анализа научной информации 90
2.3.1 Методы управления системами утилизации отходов 90
2.3.2 Формализация критериев подобия термодинамических 99 характеристик фильтрата в массиве отходов 2.4 Идентификация параметров процессов биодеструкции отходов... 103
2.4.1 Методы идентификации 103
2.4.2 Экспериментальные исследования по управлению рециркуляцией фильтрата 105
2.4.3 Активный эксперимент. Параметрические методы обработки экспериментальной информации 115
2.4.4 Пассивный эксперимент. Сбор статистических данных на объектах депонирования ТБО в условиях пермского края 117
2.5 Системный подход к формализации объектов депонирования отходов (системы ПТО) 127
13П
Выводы по второй главе 1JU
Глава 3 Декомпозиция системы ПТО - как метод математического описания 132
3.1 Принципы построения модели системы ПТО 134
3.1 Формальная модель объекта системы ПТО 134
3.1.2 Декомпозиция системы ПТО по процессам 144
3.2 Моделирование биохимических процессов 146
3.2.1 Стадии биодеструкции отходов 146
3.2.2 Представление системы ПТО в качестве модели анаэробного биореактора 155
3.3 Моделирование физических процессов в системах ПТО 159
3.3.1 Моделирование процесса теплопереноса 160
3.3.2 Разработка диффузионно-фильтрационных моделей эмиссионных продуктов 163
3.4 Моделирование механических процессов 164
3.4.1 Расчет грунтовых оснований полигонов ТБО 164
3.4.2 Расчет устойчивости откосов полигонов ТБО 168
3.5 Структурная декомпозиция системы ПТО по подсистемам... 169
3.6 Формирование критериев управления системой ПТО v 172
Выводы по третьей главе 173
Глава 4 Идентификация безопасного состояния природно технической системы утилизации отходов 175
4.1 Формальная модель системы ПТО 176
4.1.1 Определение состояния системы ПТО 176
4.1.2 Разработка модели системы ПТО 177
4.2 Моделирование процесса возникновения и развития опасности в истеме ПТО 180
4.2.1 Классификация состояний системы ПТО 180
4.2.2 Источники опасности на природно-технических системах утилизации отходов 183
4.2.3 Параметры источников опасности в системах ПТО 184
4.3 Необходимые и достаточные условия изменения состояния безопасности системы ПТО 185
4.4 Детерминированная модель оценки состояния системы ПТО 187
4.5 Статистическая динамическая модель параметров источников опасности на системах ПТО 189
4.6 Модель безопасного состояния системы ПТО 191
4.6.1 Методика оценки безопасности системы ПТО 191
4.6.2 Модель системы защиты объектов системы ПТО 192
4.7 Программная реализация модели безопасности системы ПТО... 193
Выводы по четвертой главе 196
Глава 5 Разработка модели эффективного управления системами утилизации отходов 198
5.1 Модель активного мониторинга на полигоне ТБО 199
5.2 Модель переноса фильтрата на полигоне ТБО 200
5.3 Установление критерия качества управления полигоном ТБО... 203
5.4 Управление процессами на полигоне ТБО в детерминированной постановке 207
5.4.1 Исследование модели водного баланса с обратными связями по отклонению потока и влажности от стационарного режима 207
5.4.2 Исследование влияния возмущений, вызванных изменением материальной массы и колебаний плотности фильтрата, на поток и влажность массива ТБО 210
5.4.3 Исследование поведения потока фильтрата и влажности массива при формировании управляющего воздействия в более общем виде 213
5.4.4 Исследование влияния возмущений на материальную среду при наличии интегральной составляющей в законе управления 215
5.5 Статистически оптимальное управление процессами биодеструкции отходов на полигонах ТБО 217
Выводы по пятой главе 222 Глава 6 Разработка имитационных моделей и практических решений по выбору конструкций технических средств и инженерных сооружений систем ПТО 224
6.1 Имитационное моделирование как метод системного анализа 225
6.2 Имитационная модель полигона ТБО 227
6.2.1 Постановка задачи 227
6.2.2 Применение теории графов для моделирования структурных свойств системы ПТО 228
6.2.3 Алгоритм управления полигоном ТБО 231
6.2.4 Реализация имитационной модели 232
6.3 Обоснование имитационного моделирования для
прогнозирования масштабов загрязнения системы ПТО при
аварийных выбросах загрязняющих веществ с полигонов ТБО 235
6.3.1 Программно-аппаратное обеспечение прогнозирования масштабов загрязнения 236
6.3.2 Результаты имитационных экспериментов 237
6.4 Практические решения по выбору конструкций технических средств, инженерных сооружений и АСУ полигонов ТБО 241
6.4.1 Разработка защитных систем от фильтрационных потоков 241
6.4.2 Разработка проектных решений по сбору и утилизации биогаза 248
6.4.3 Разработка проектных решений по рекультивации полигона ТБО 253
6.4.4 Разработка подходов к автоматизированому мониторингу эмиссионных потоков на полигоне ТБО 258
6.5 Подходы к автоматизированным технологиям управления полигоном ТБО 269
6.5.1 Разработка принципиальной схемы автоматизации полигона ТБО 269
6.5.2 Подбор оборудования для мониторинга и управления физико- 273
химическими параметрами в массиве отходов
6.6 Разработка человеко-машинной имитационной системы 279
Выводы по шестой главе 282
Глава 7 Обоснование концепции непрерывной информационной поддержки на природно-технических системах утилизации отходов для реализации выбора и принятия решений 283
7.1 Обоснование задач принятия решений в системах ПТО 284
7.2 Выбор и принятие решений в системах ПТО в условиях неопределенности 286
7.3 Выбор решений в системах ПТО, основанный на критериальных методах 294
7.4 Решение задач выбора методом многокритериального предпочтения в системах ПТО 297 7.5 Разработка модуля автоматизированного проектирования конструкторской документации полигонов ТБО 3 04
7.6 Обоснование рациональных управляющих воздействий в системах ПТО
7.7 Оптимизация экономических нормативов и физико-химических параметров биодеструкции ТБО
7.8 Подходы к созданию организационной системы для эффективного принятия решений на объектах депонирования отходов Выводы по седьмой главе 327
Заключение 329
Список использованных источников
- Анализ методов утилизации отходов потребления
- Исследование физических свойств твердых бытовых отходов
- Представление системы ПТО в качестве модели анаэробного биореактора
- Моделирование процесса возникновения и развития опасности в истеме ПТО
Введение к работе
з
Актуальность темы диссертации. Одной из важнейших проблем современности является поиск оптимальных методов утилизации отходов производства и потребления. Несмотря на экспоненциально увеличивающийся объем образующихся отходов (в среднем в расчете на человека в США образуется до 700 кг/год, в России до 300 кг/год) и современные технологии их утилизации (сортировка и вторичная переработка, сжигание, пиролиз, компостирование, вер-микультивирование и т.д.), основная масса отходов в мире (США 62-85 %, Канада 93-96 %, Россия 97 %)1 утилизируется почвенными методами путем их депонирования на неуправляемых свалках и полигонах твердых бытовых отходов (ТБО). Объекты депонирования ТБО отрицательно влияют на природные ландшафты урбанизированных территорий и здоровье населения.
Применение методов системного анализа является одним из перспективных способов рассмотрения и решения проблем выбора на сложных прикладных объектах в условиях неопределенности. В данной работе в качестве источника негативного влияния на окружающую среду рассматривается природно-техническая система утилизации отходов (система «Природа-Техника-Отходы» (ПТО)). Под системой ПТО понимается совокупность действующих на определенной территории инженерных сооружений (технических средств) в пределах участка захоронения отходов (УЗО) и хозяйственной зоны полигона ТБО, транспортных средств, системы коммуникаций, предназначенных для складирования, изоляции и обезвреживания ТБО, а также сфер их проектирования, строительства, реконструкции и содержания. Под безопасностью понимается система состояний природных и технических объектов на полигонах ТБО, влияющих на целостность компонентов биосферы.
Природно-технические системы утилизации отходов включают в себя целый ряд объектов, функционирующих как единое целое с широким выбором возможных связей между ними, где каждый объект (подводящая, распределяющая и отводящая подсистемы) работает для осуществления единой цели. В рассматриваемую систему ПТО поступают материально-энергетические потоки (потоки отходов, атмосферных осадков, энергии и т.п.) и информационные входы, влияющие на протекание внутри системы сложных взаимосвязанных физических и химико-биологических процессов биодеструкции отходов. Выходные потоки представлены такими эмиссионными продуктами, как свалочный газ, являющийся источником парникового эффекта и опасных химических соединений (диоксины и др.); фильтрат, содержащий высокой концентрации загрязняющие вещества и представляющий долговременную опасность загрязнения грунтовых и поверхностных вод, и неутилизируемый остаток, включающий в себя медленноразла-гаемые фракции отходов (полиэтилен, стекло, отдельные фракции компонентов ТБО).
Несмотря на то, что полигон ТБО имеет ограниченный эксплуатационный период (в среднем 30 лет), после его закрытия и рекультивации полный жизненный цикл (ЖЦ) данной природно-технической системы продолжается тыся-
1 Колобродов В.Г. Разделение биогаза: новые технологии // ТБО. - 2008. - № 4.
чи лет, в течение которых выделяются опасные для окружающей среды эмиссионные продукты. Поэтому применение методов кибернетики в управлении системами НТО открьшает возможность для осуществления системного анализа при исследовании и организации управления объектом депонирования ТБО, когда информация последовательно накапливается и реализуется в виде алгоритмов для ЭВМ, а управляющие действия направлены на минимизацию ЖЦ природно-технических систем утилизации отходов, что имеет важное народнохозяйственное значение.
Обзор работ по данной тематике показал, что опубликованные результаты исследований противоречивы, не всегда адекватны, не имеют обобщающих критериев. Одной из причин этого является особенность процессов, протекающих на системах ПТО, их макродлительность, что затрудняет получение результатов экспериментов на реальных объектах - полигонах ТБО. В связи с этим применение подходов системного анализа, физического, математического и имитационного моделирования становится необходимым инструментарием для системного исследования данных объектов с целью идентификации «механизмов» их управления.
Разработанность проблемы. В теоретическую часть диссертации вошли работы, опирающиеся на теоретические основы: системного анализа, общей теории систем, механики сплошных сред, автоматизированного управления, теории реакторов, планирования эксперимента, теории вероятностей и математической статистики. Отечественными и зарубежными учеными предложены в этой области разработки, являющиеся научно-методической основой данной работы по следующим направлениям.
Результаты разработки общей теории систем, системного анализа и прикладных исследований, позволяющие описывать закономерности функционирования сложных систем и процессов управления, представлены в работах следующих авторов: М. Месарович, Я. Такахара, Н. Винер, Э. Квейд, СП. Никано-ров, А.А. Богданов, Н.Н. Моисеев, Ф.И. Перегудов, А.В. Антонов, В.И. Гурман, Т. А. Акимова, П.Г. Белов, В. А. Трефилов и др.
Методам имитационного моделирования, являющимся современным инструментарием системного анализа, посвящены работы Р. Шеннона, Ю.Н. Павловского, В.П. Строгалева, А.Г. Варжапетяна, В.В. Емельянова, М. Лоу Аверил-ла и др.
Методам оптимального и автоматизированного управления технологическими процессами посвящены работы А.Г. Бутковского, В. А. Бесекерского, А.В Перельмана, Л. С. Понтрягина, Р. Беллмана, Я.М. Брайнеса, К. А. Пупкова, Б.Я. Советова, Н.А. Саломатина, В.А. Бесекерского, Э.Я. Рапопорта, О.Б. Низамут-динова, Р.А. Файзрахманова, А.Н. Новикова и др.
Результаты математического моделирования экологических систем и антропогенного воздействия на окружающую среду описаны в исследованиях Г.И. Марчука, В.В. Кафарова, Л.С. Гордеева, П. Бертокса, Д. Радд, Н. Бейли, А.К. Запольского, Н.И. Дружинина, А.Б. Горстко, Т.А. Акимовой и др.
Теория биохимических реакторов, процессов и аппаратов химических производств, экологической биотехнологии представлена в работах: Я.М. Брайнеса, В.В. Кафарова, 3. Штербачека, К.Ф. Форстера, Д. А. Дж. Вейза и др.
Результаты исследования процессов биохимического разложения отходов и технологии управления процессами на полигонах ТБО отражены в работах В.В. Разнощика, А.Д. Потапова, К.Л. Чертеса, А.Н. Мирного, Т.Г Середа, К.Ф. Форстера, П. Бертокса, Н.Ф. Гуляева, Т. Christensen, R. Cossu, R. Stegmann, P. Kjedsen, Cook, R. Cooper, H. Doedens и др.
Полигонным технологиям захоронения отходов и методам математического моделирования процессов на полигонах ТБО посвящены работы В.И. Смета-нина, Н.П. Вострецова, Я.И. Вайсмана, М.П. Федорова, Л.П. Грибановой, A.M. Гонопольского, В. А. Вавилина, А.Н. Ножевниковой и др.
Комплексный подход к управлению состоянием объектов утилизации отходов и его техническая реализация являются важной научно-технической задачей.
Целью диссертационной работы является решение актуальной научно-практической проблемы - разработка теоретико-методических основ и практических решений построения системы идентификации и управления состоянием природно-технических систем утилизации отходов.
Основные задачи исследований
-
Провести системный анализ результатов, полученных в области методического обеспечения планирования и постановки лабораторных, натурных и имитационных экспериментов для изучения количественных и качественных характеристик эмиссионных потоков на свалках и полигонах ТБО.
-
Формализовать обобщенные модели управления процессами на природно-технических системах утилизации отходов на основе анализа материально-энергетических и информационных потоков, полученных в результате физических (лабораторных и натурных) экспериментов.
-
Выявить степень взаимосвязи процессов, характеризующихся определенными физическими, физико-химическими и биологическими закономерностями при декомпозиции природно-технических систем утилизации отходов и идентифицировать их с помощью физических, математических и имитационных моделей.
-
Разработать инструментальную модель оценки безопасного состояния системы с учетом аддитивного влияния параметризированных источников опасности и этапов жизненного цикла системы ПТО на основе структурно-функционального анализа.
-
Создать алгоритмы структурно-параметрического синтеза и автоматического регулирования, реализующие варианты законов управления, с учётом влияния возмущающих детерминированных и стохастических факторов.
-
Разработать аналитические и имитационные модели управления полигоном ТБО на основе созданных алгоритмов для прогнозирования динамики и мониторинга технологических процессов.
-
Разработать компьютерную информационную систему поддержки принятия решений при управлении процессами на полигонах ТБО, включающую в себя программы автоматизированного проектирования, мониторинга и управления.
6 Основные положения диссертации, выносимые на защиту
-
Концепция минимизации жизненного цикла природно-технической системы утилизации отходов на базе комплексной модели управления процессами, направленная на ускорение процессов биодеструкции отходов на полигоне ТБО [1, 14,23,25,31].
-
Параметры процессов биодеструкции отходов, полученные в результате физического моделирования в соответствии с целевой функцией управления, учитываемые в технологических режимах эффективного функционирования эксплуатируемых полигонов ТБО [2, 7, 15, 20].
-
Научно-методические основы математического моделирования безопасного состояния природно-технических систем утилизации отходов на различных этапах жизненного цикла [5, 14, 40].
-
Теоретико-методические основы эффективного управления природно-техническими системами утилизации отходов на основе математического и имитационного моделирования материальных потоков в различном агрегатном состоянии [3, 6, 7, 15, 16].
-
Информационная система автоматизированной обработки результатов мониторинга и автоматизированного управления на полигонах ТБО для принятия эффективных управленческих решений [10, 11, 44, 50-56].
Научная новизна диссертационной работы заключается в разработке научных подходов к системному анализу, моделированию и управлению природно-техническими системами утилизации отходов, направленных на минимизацию их полного жизненного цикла, способствующих значительному снижению техногенного влияния эмиссионных продуктов на объекты окружающей среды. Методологией работы является системный анализ материально-энергетических потоков, позволяющий установить взаимосвязи между качеством состояния полигонов ТБО и уровнем их воздействия на природные объекты.
-
Обобщены теоретические сведения об объектах депонирования отходов, которые впервые представлены в виде модели ПТО и модели объекта управления, в которой полигон ТБО представлен как природно-техническая система утилизации отходов, состоящая из подсистемы технического и природного комплексов с декомпозицией последнего на подсистему внутренних и внешних объектов, различающихся по способу образования и распространения загрязнений и реализации управляющих воздействий.
-
Систематизированы параметрические данные процессов биодеструкции отходов на системах ПТО с выявлением обобщающих закономерностей, вошедших в модель управления полигоном ТБО, реализованную в технологии автоматического регулирования.
-
Обоснована концепция минимизации жизненного цикла природно-технической системы утилизации отходов, направленная на снижение экологической нагрузки на объекты окружающей среды и обеспечение ускоренного возврата земель в народно-хозяйственное пользование.
-
Формализованы оценочные критерии задач управления безопасным состоянием природно-технической системы утилизации отходов, базирующиеся на методах общей теории систем и реализующие инструментальные подходы к идентификации и управлению состоянием системы.
-
Разработан комплекс математических моделей, описывающих массив ТБО в пространственно-временном базисе с учетом влияния детерминированных и стохастических возмущений, реализованный в программном обеспечении, предназначенном для анализа, обработки информации и управления (Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ 2009612494, ФИПС, 2009).
-
На основе экспериментальных и теоретических исследований определены технологические параметры процесса биодеструкции отходов, использованные в технологии управления качественным состоянием образующихся эмиссионных продуктов в ходе рециркуляции фильтрата, прошедшего реагент-ную обработку (патент № 2162059 RU), направленной на трансформацию веществ в жидком и газообразном состоянии в экологически безопасные формы и энергетически ценные продукты.
-
Создана система автоматизированного проектирования полигона ТБО, реализованная в информационной модели, позволяющей автоматизировать этапы ЖЦ с учетом возможных изменений параметров системы, оперативно обрабатывать информацию, визуализировать объекты полигона ТБО и осуществлять своевременное принятие эффективных решений.
Практическая значимость. Создан теоретико-методологический инструментарий решения практических задач по проектированию безопасной системы эксплуатации полигонов ТБО, идентификации и управления состоянием системы ПТО в различных климато-географических условиях конкретных объектов депонирования отходов. Рекомендации по созданию авторской системы обращения с отходами представляют практический интерес для внедрения в отрасли ЖКХ муниципальных объектов РФ. Разработаны специализированные математические модели и программный комплекс «АРМ ТБО» (зарегистрирован в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам), включающий комплекс модулей: конструктора-проектировщика, инженера по эксплуатации и рекультивации полигона, предназначенный для принятия проектных решений, прогнозных задач, управления объектом в эксплута-ционном и имитационном режимах.
Результаты внедрения. Результаты законченной НИР «Рекомендации по мониторингу и управлению санитарным полигоном захоронения твердых бытовых отходов» использованы при проектировании нового полигона г. Нытвы Пермского края. Оператором полигона ТБО г. Краснокамска Пермского края ООО «Буматика» сделана заявка на внедрение авторского патента № 2162059 RU. Программно-аппаратный комплекс «АРМ ТБО» внедрен при проектировании полигонов ТБО г. Хабаровска и г. Краснокамска Пермского края, используется при подготовке квалифицированных специалистов по направлению «Сервис в ЖКХ» в Пермском филиале ФГОУ ВПО РГУТиС и при подготовке студентов Пермской гос. сельскохозяйственной академии по направлению «Промышленное и гражданское строительство». Материалы диссертационной работы по инструментальной оценке безопасности полигонов ТБО используются при проведении анализа действующих и рекультивированных полигонов Ленинградской области. Практические рекомендации по созданию системы обращения с отходами внедрены в жилищно-коммунальном отделе Свердловского района г. Перми. Теоретические положения и результаты научных исследова-
ний отражены в монографиях, а также используются в лекциях и включены в методическую и учебную литературу при чтении курсов «Безопасность жизнедеятельности», «Системы автоматизированного проектирования», «Информационно-измерительные системы и автоматизированные системы управления технологическими процессами» в ФГОУ ВПО ПГТУ, «Информационные системы и процессы: моделирование и управление» в ФГОУ ВПО РГУТиС (филиал в г. Перми).
Объекты исследований - материально-энергетические и информационные потоки, протекающие на объектах утилизации отходов, рассматриваемые как объекты моделирования и управления.
Предмет исследования - методы и алгоритмы управления процессами биодеструкции отходов и потоками эмиссионных продуктов на системах ПТО; модели техногенной трансформации отходов.
Методы исследования. При обосновании методов и алгоритмов управления системами утилизации отходов использовались методы системного анализа, общей теории систем, теории автоматического регулирования, дифференциального и интегрального исчисления, методов математического и имитационного моделирования, математической статистики и теории вероятностей, механики сплошных сред. Методы исследования включали анализ, сравнение, обобщение, аналогию и статистическую обработку данных.
Достоверность и обоснованность научных результатов подтверждается применением апробированных методик, сертифицированных приборов, лабораторного оборудования и программного обеспечения; воспроизводимостью и согласованностью данных, полученных в ходе имитационных и проверочных натурных и лабораторных экспериментов; положительным внедрением результатов работы на ряде полигонов ТБО, свидетельством о государственной регистрации программного комплекса и патентом Российской Федерации. Разработанная методология, комплекс моделей и технологий управления базируются на фундаментальных положениях ряда научных дисциплин, включая общую теорию систем, системный анализ, теорию реакторов, математическую физику, теорию управления, теорию вероятности и математическую статистику.
Апробация работы. Результаты научных исследований по теме диссертации доложены более, чем на 45 научных конгрессах и конференциях, в том числе: региональной науч.-техн. конф. «Экология города» (Пермь, 1998); региональной науч.-практ. конф., посвященной 275-летию г. Перми (Пермь, 1998); науч.-практ. конф. «Экологизация образования в XXI веке» (Екатеринбург, 2000); науч. конф. «XXX лет горно-нефтяному факультету ПГТУ» (Пермь, 2001); международной науч. конф. студентов и молодых ученых «Актуальные проблемы современной науки» (Самара, 2001); международной науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Экология и научно-технический прогресс» (Пермь, 2002); областной науч. конф. молодых ученых, студентов и аспирантов «Молодежная наука Прикамья - 2002» (Пермь, 2002); конгрессах «Вайстек» (Москва, 2003, 2005, 2007); международной науч.-практ. конф. МГУ-СУНИ «Человечество и окружающая среда» (Москва, 2004); III Всероссийской науч.-практ. конф. «Региональные и муниципальные проблемы экологической безопасности» (Бронницы, 2005); VI Международной науч.-
практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Экология. Человек. Общество» (Киев, 2003); I Всероссийской науч.-практ. конф. «Имитационное моделирование» (СПб., 2003); областной конференции студентов и молодых ученых «Проблемы химии и экологии» (Пермь, 2003); XI Всероссийской науч.-практ. конф. студентов, аспирантов, молодых ученых «Экология, проблемы и пути решения» (Пермь, 2003); всероссийских науч.-практ. конф. «Экологические проблемы промышленных регионов» (Екатеринбург, 2006, 2008); VII Международном конгрессе «Вода: экология и технология» Экватэк-2006 (Москва, 2006); Международной науч.-практ. конф. «Антропогенная динамика окружающей среды» (Пермь, 2006); международной науч. конф. «Информационное обеспечение экологической безопасности территорий» (Екатеринбург, 2008); заоч. межд. науч.-практ. конф. «Система управления экологической безопасностью» (Екатеринбург, 2007, 2009); Пятой международной научно-практической конференции «Устойчивое развитие городов и новации жилищно-коммунального комплекса» (Москва, 2007); международных науч.-практ. конф. «Нефтегазопереработка и нефтехимия» (Уфа, 2005, 2007, 2008); XIV и XV Все-росс. школах-коллоквиумах по стохастическим методам; VIII, IX и X Всеросс. симпозиумах по прикладной и промышленной математике (Адлер, 2007, Волгоград, 2008, С-Петербург, 2009), всеросс. научно-практ. конф. «Перспективы развития инноваций в энергоресурсосбережении» (Пермь, 2007); всеросс. научно-практ. конф., посвященной 90-летию сельскохозяйственного образования на Урале (Пермь, 2008); IV Всеросс. научно-практической конференции «Актуальные задачи математического моделирования и информационных технологий» (Сочи, 2008); Международном семинаре «Обеспечение безопасности закрытых полигонов твердых бытовых отходов экологическими методами» (Пермь, 2009); всеросс. конф. «Исследования в области переработки и утилизации техногенных образований и отходов» (Екатеринбург, 2009); I Международной научно-техн. интернет-конф. «Инновационные технологии: теория, инструменты, практика» (Пермь, 2009), а также в других региональных и российских конференциях в период 1994-2010 гг.
Связь работы с крупными научными программами, темами. Диссертационная работа выполнена в рамках целевой федеральной программы: «Отходы» на 1996-2000 гг., целевых программ Пермского края: «Комплексная экологическая программа г. Перми» (2001-2005, 2008-2010 гг.), «Обращение с отходами потребления на территории Пермского края 2010-2014 гг.».
Полнота изложения положений и результатов, выносимых на защиту, в опубликованных работах. Результаты научных исследований по теме диссертации изложены в 104 публикациях, из них 13 статей входят в список периодической печати, рекомендованный ВАК РФ на соискание ученой степени доктора наук [1-13], 3 монографии [14-16], свидетельство о регистрации программы для ЭВМ [44], патент на изобретение [45].
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, библиографического списка и приложений. Основной текст изложен на 332 машинописных страницах, содержит 71 рисунок и 22 таблицы. Список использованных литературных источников включает 396 наименований на 27 страницах. Два приложения объемом 22 страницы.
Анализ методов утилизации отходов потребления
В данной главе проводится анализ влияния полигонов ТБО на природную среду с учетом их особенностей в условиях современной России, обосновывается выбор полигонных объектов депонирования отходов как природ-но-технических систем утилизации отходов, включающих в себя следующие массивы элементов: П - «природа», Т - «техника», О - «отходы» (ПТО). Основным отличием полигонов ТБО от свалки является наличие технических устройств, позволяющих повысить производительность системы, рационально использовать природные ресурсы, более эффективно осуществлять преобразование и передачу энергии. К основным показателям техники относятся производительность, надежность, долговечность, включающая не только физический, но и моральный износ техники, когда эксплуатация вполне нормальных устройств становится невыгодной или нецелесообразной из-за неэффективных решений. Поэтому переход на современные управляющие технологии в системе ПТО, включающие в себя средства по сбору, переработке и передаче информации и позволяющие организовывать автоматизированные технологии управления, диктует необходимость создания автоматизированных систем управления на полигонах ТБО. При рассмотрении систем ПТО с позиций системного анализа научных исследований, публикаций, а также на основании собственных экспериментальных и технических исследований показано, что система ПТО как природно-техническая система, а также процессы ее взаимодействия с окружающей средой характеризуются сложностью и высокой динамичностью. При этом функционирование системы ПТО сопровождается мощными негативными воздействиями различного рода на окружающую среду (с выбросами газообразных и жидких (фильтрат) эмиссионных продуктов), а сама система ПТО характеризуется такими свойствами, как эмерджентность, гетерогенность, динамичность, сложность. Особенностью полигона ТБО, характеризующегося замкнутым комплексом циркуляционных механизмов перемещения вещества и созданием изолирующих барьеров, защищающих природную среду от загрязнений, является закрытость системы. По оценке относительной организации системы, зависящей от сложности и разнообразия состава, эту систему можно рассматривать как детерминированную, или стохастическую. В главе приведен также анализ существующих подходов к управлению системами ПТО и возможные методы принятия и реализации управленческих решений в сфере обращения с отходами. Анализ научных исследований в сфере утилизации отходов на полигонах ТБО показал, что, несмотря на довольно обширные исследования и новые научные знания, технические средства на таких объектах остались несовершенными и заметный научно-технический прогресс по данному направлению отсутствует. Для исследования и проектирования сложных систем (технических, природных и социальных), управления ими в условиях неполноты информации, ограниченности ресурсов и дефицита времени применяют подходы системного анализа, являющегося развитием целого ряда дисциплин, таких как исследование операций, теория оптимального управления, теория принятия решений, экспертный анализ, теория организации и эксплуатации систем. Широкое применение методов системного анализа стало возможным с повсеместным внедрением и использованием ЭВМ. Применительно к задачам исследования, проектирования и управления сложными антропогенными экосистемами проблема принятия решений связана с выбором определенной альтернативы в условиях различного вида неопределенностей. Применительно к природно-техническим системам утилизации отходов неопределенность обусловлена неоднозначностью динамики развития системы, недостаточностью априорной информации о системе, неоднородностью материально-энергетического состава массива отходов, воздействием случайных факторов в ходе динамического развития системы и другими условиями. При исследовании сложных систем синтез решения проходит в три этапа: построение модели исследуемого объекта, постановка задачи исследо вания и решение поставленной математической задачи.
Характеризуя природно-технические антропогенные экосистемы, обоснуем актуальность проблемы утилизации отходов. В настоящее время в крупных мегаполисах интенсивно накапливаются твердые бытовые отходы (ТБО), которые при неправильной их утилизации представляют угрозу окружающей среде.
При средней норме отходов на душу населения в России 225-250 кг в год ежегодное их накопление в стране достигает 190 млн м , а всего на территории России накоплено свыше 50 млрд т всех видов отходов. По расчетам, только в Московской области к 2020 г. из обращения будет выведено 60 тыс. га земли. В Пермском регионе расположено 31 млн 700 тыс. т отходов на 1102 объектах длительного размещения. Действующими являются 759 объектов, закрытыми - 243. Общая площадь полигонов и свалок составляет 1129 га, 29 млн т отходов (97% от общего количества) хранятся в Пермском крае на 35 самых крупных объектах, нуждающихся в скорейшей рекультивации. Прогнозируемая масса отходов потребления, планируемая к депонированию на полигонах в Пермском крае, к 2014 г. должна достигнуть 1 млн т в год, что будет в 50 раз превышать уровень 2009 г. [174].
Реализация существующих мировых технологий утилизации отходов в России осложнена в силу социально-экономических причин. Так, в России из-за отсутствия придомовой сортировки отходов потребления затруднена промышленная сортировка, вторичная переработка и сжигание отходов из-за высокой влажности и низкой калорийности отходов. Недостатками технологии сжигания также являются образование значительного количества токсичных органических соединений (буфенил, хлорбензол, хлолфенол, диоксины). Кроме того, к недостаткам сжигания относится отсутствие безопасных методов утилизации золы и шлака, образующихся при сжигании отходов.
Исследование физических свойств твердых бытовых отходов
Фактический материал работы представлен данными, полученными на основе аналитического обзора и собственных экспериментальных исследований по техногенному воздействию ТБО на окружающую среду, включающими сведения о фактических эмиссионных потоках загрязняющих веществ, объёмах и химическом составе накапливаемых отходов и их предельно-допустимых концентрациях, о фактическом содержании эмиссионных продуктов с полигонов (свалок) ТБО в окружающей среде в зоне их влияния, данными по литолого-минералогическому и химическому составу, содержанию отдельных компонентов, поступающих с данных объектов в снежный покров, почвы, подземные и поверхностные воды под воздействием полигонов ТБО, включающей сведения о загрязнении воздуха, снежного покрова, почв, подземных и поверхностных вод. Данные получены в результате тео 84 ретических и экспериментальных исследований, а также в рамках БИР с предприятиями и организациями.
Возросший интерес к проблеме образования и утилизации отходов способствовал созданию за последние два десятилетия статистической отчётности накопления отходов, выбросов и сбросов загрязняющих веществ с полигонов ТБО в окружающую среду, что обеспечивало достоверность полученной информации.
Анализ поверхностных и подземных вод проводился по общеизвестным методикам [88], обеспечивающим проведение аналитических исследований в необходимом объеме. Представительность каждой отдельной пробы и их совокупности зависела от соблюдения установленных правил отбора проб воды, обеспечения их по объемам, соблюдения условий консервации проб, транспортировки и хранения, которые выполнялись в соответствии с ГОСТ 24481-80, 2874-73 [41, 42].
При исследовании почвогрунтов (в том числе техногенного грунта массива ТБО) руководящим документом являлся ГОСТ 17.4.402-84 [49]. Их пробоподготовка проводилась согласно методическим рекомендациям (РД 52.18.191-89 [226] и РД 52.18.289-89 [230]).
Методика обработки результатов эксперимента основывалась на вероятно-статистических, детерминированных, графических и других методах [237]. Результаты наблюдений и экспериментальных исследований, отраженные в количественных показателях, подвергались статистической обработке. Далее производилось вычисление обобщенных статистических характеристик: центральных значений; показателей рассеяния; показателей формы кривых распределения в зависимости от закона распределения. К кругу задач, решаемых методом проверки статистических гипотез, относились такие, как проверка вида статистического распределения и оценка однородности статистических совокупностей. Проверка гипотезы о нормальном или лог-нормальном законе распределения производилась с помощью коэффициентов асимметрии и эксцесса. Проверка принадлежности к статистической совокупности производилась по "правилу трех сигм". Для определения количества объема наблюдений использовался метод, основанный на стабилизации выборочной дисперсии, или коэффициента вариации при увеличении объема выборки.
В комплекс факторов, определяющих подходы к реализации различных этапов, санитарной очистки городов от ТБО, кроме количественных входят показатели, характеризующие физические свойства твердых бытовых отходов: морфологический и фракционный состав ТБО, объемный вес и влажность. Перечисленные свойства отходов оказывают существенное влияние на выбор методов их обезвреживания, а также учитываются при проектировании и эксплуатации сооружений и оборудования, предназначенных для их обезвреживания и переработки.
Методики определения объемного веса, морфологического и фракционного состава и влажности твердых бытовых отходов подробно описаны в работе [178].
Для проектирования полигонов ТБО, а также управления процессами, происходящими на полигонах депонирования отходов, важным показателем является влажность твердых бытовых отходов. Содержание влаги является косвенным показателем морфологического и химического состава отходов и зависит от количества органических частей в них. Кроме этого, влажность отходов оказывает значительное влияние на ход биохимических процессов во внутренних слоях ТБО на полигоне [26].
Общая влажность ТБО, поступающих на полигон отходов, существенно зависит от морфологического и фракционного состава ТБО, так.как влажность отдельных составных частей ТБО различна (пищевых отходов 60-80%, бумаги 20-40%, камней и металла 5-10% и т. д.) [178]. В свою очередь, влажность ТБО, морфологический и фракционный состав отходов влияют на их объемный вес. Есть данные, свидетельствующие о тенденции снижения объёмного веса отходов, поступающих на полигон, с 0,4 т/м3 (1952-1954 гг.) до 0,3 т/м3 (1990-2000 гг.), что происходит за счёт увеличения количества бумаги в отбросах.
Это также подтверждается практическими исследованиями [7], которые показали, что наиболее существенную долю в ТБО представляют бумажные отходы, имеющие самый низкий объемный вес. Проведенный эксперимент по исследованию массы отходов, имеющей 22%-ную влажность, подтвердил предположение о низких показателях плотности и общей влажности вследствие низкой влажности бумажной фракции (7%-ная влажность). В последнее время наблюдается тенденция увеличения бумаги в отбросах, что приводит к снижению общего объемного веса поступающих на свалку отходов. Определение зависимости объема и плотности анализируемых отходов от их влажности показало, что влажность имеет большое влияние на объемный вес (плотность отходов). Объёмный вес увлажненной массы ТБО до 80%-ной влажности составил 0,6 г/см3. В реальных условиях плотность от-ходов на полномасштабном полигоне достигает обычно 0,7-0,9 т/м при поглощающей способности 0,16-0,27 м3 на 1 т сухого мусора. Но исследова-ния [310] показали, что при плотности в 1 т/м поглощающая способность падает до 0,02-0,03 м на тонну сухого мусора. Этот фактор особенно важен при расчетах объема выделяемого фильтрата в зависимости от поступающих источников воды (атмосферных осадков рециркулируемого фильтрата). Поэтому для расчета максимального количества фильтрата учитывается влаго-поглощающая и испарительная способность ТБО [296].
Представление системы ПТО в качестве модели анаэробного биореактора
При моделировании механических процессов представлен расчет возможного движения грунта оснований полигона ТБО, его осадка и деформация как в нормальном режиме эксплуатации, так и в результате применения различных процедур управления (уплотнения, рециркуляции фильтрата и послойной прокладки массива ТБО изолирующими слоями и т.п.), реализованных в программном комплексе АРМ ТБО.
В качестве механических процессов, рассматривающихся при проектировании и эксплуатации полигонов ТБО, выступает возможное движение грунта оснований полигона, его осадка и деформация, также в результате применения различных процедур управления: уплотнения, рециркуляции и послойной прокладки массива ТБО изолирующими слоями.
В работе выполнен расчет грунтовых оснований полигонов ТБО, состоящий из трех блоков: расчет устойчивости боковых откосов, прочностной расчет несущей способности основания и расчет по деформациям (СНиП 2.02.01-83) [261]. Выбор метода расчета по деформациям зависит от геологических и условий полигона и способа захоронения отходов :
Расчет осадок массива ТБО представлен методами расчета линейно-деформированного слоя, эквивалентного слоя и послойного суммирования.
При применении метода расчета линейно-деформированного слоя рассматривается постановка и решение задачи сжатия слоя массива ТБО при помощи одномерной модели, учитывающей только линейную осадку, или трехмерной, учитывающей боковое расширение.
Для определения осадки грунта S рассматривается изменение его объема за счет уменьшения пористости:
Для слабых глин и суглинков EQ находится в диапазоне 10-30 кг/см2, плотные глины могут обладать Е0 в диапазоне 300—400 кг/см . Метод эквивалентного слоя используется при расчете полигонов на слабых водонасыщенных слоистых грунтах. Разработанный Н.А. Цытовичем метод расчета эквивалентного слоя дает возможность для многослойных оснований существенно упростить расчет конечных осадок и развитие осадок во времени. Эквивалентным слоем грунта /гэ, называется слой, осадка которого S при сплошной нагрузке равна осадке фундамента Sn на мощном массиве при местной нагрузке на полупространстве:
При устройстве полигонов ТБО по методу траншейного захоронения отходов наиболее приемлем расчет осадок грунтового основания по методу послойного суммирования, который применяют для вычисления осадок фундаментов ограниченных размеров. Сущность данного метода состоит в следующем. При размерах фундаментов, значительно превышающих мощность сжимаемого слоя грунта, можно считать сжатие грунта происходящим без возможности бокового расширения и воспользоваться для определения величины осадки ранее приведенными зависимостями:
В ходе разработки полигонов для захоронения отходов вертикально при планировке площадок приходится оценивать устойчивость массивов грунтов в откосах. Устройство пологих откосов резко удорожит строительство. Крутые откосы могут привести к аварии. Нужно уметь определять предельную оптимальную крутизну откосов хранилищ. При моделировании рассматриваются идеально сыпучий грунт (сила сцепления с = О, угол внутреннего трения ф Ф 0) и идеально вязкий грунт (с Ф 0, ф = 0). В первом случае модель расчета угла откоса выражается функциональной зависимостью а =/(ф, В, 7„), где ф - угол внутреннего трения, В — угол отклонения от вертикали, Y„ - коэффициент надежности. Во втором - расчет высоты откоса h =f(c, Y, Yn), где Y - относительная координата. Геометрическая постановка задачи для данных моделей показана на рисунок 3.9.
По теории предельного равновесия рассчитывается максимальное давление на горизонтальную поверхность массива грунта, при котором откос данного очертания остается в равновесии, и определяется форма равноустой-чивого откоса предельной крутизны (рисунок ЗЛО). Очертания равноустой-чивого откоса строятся с верхней кромки. Горизонтальная поверхность рав-ноустойчивого откоса несет равномерно распределенную нагрузку.
Моделирование процесса возникновения и развития опасности в истеме ПТО
Выполненные научные исследования, системный анализ и обоснование применения технических средств и инженерных сооружений на полигоне ТБО показали необходимость управления потоками жидкой и газовой фаз на объектах захоронения отходов с помощью внедряемых автоматизированных систем управления на данных объектах. При этом сам процесс утилизации отходов на полигонах ТБО обозначен как технологический процесс.
Автоматизированная система управления состоит из измерителей фазовых координат и индикаторов, позволяющих отследить текущее состояние функционирования (СФ) системы. Разработка метода выбора оптимального состава измерителей, учитывающего изменения СФ, будет способствовать повышению точности извлекаемой информации, более раннему выявлению частичных отказов, оценке нанесенного и прогнозирующего ущерба и, главное, восстановлению, в случае потери, работоспособности как измерительной подсистемы, так и системы управления (СУ) в целом. Сделанные уже в этом направлении работы используют в качестве основы теорию массового обслуживания, а решения строятся на относительных приоритетах измерителей в комплексе [238].
Разработку управляющих систем начинают с выбора параметров. К параметрам, участвующим в управлении, относятся контролируемые, сигнализируемые и регулируемые величины; параметры защиты и блокировки, а также параметры, путем изменения которых будут вноситься регулирующие воздействия. После выбора данных параметров выбирают конкретные автоматические устройства управляющей системы (приемные устройства, первичные и вторичные приборы, регулирующие устройства и т. п.).
Проектируемая управляющая система направлена на достижение цели управления в любых условиях и при этом должна быть простой и надежной.
Существенное значение имеет минимизация количества параметров управления. Основную связь с объектом в управляющей системе осуществляют датчики (аналоговые, цифровые, бинарные), которые предназначены для преобразования физической величины в электрический сигнал, вводимый в управляющее устройство. По виду взаимодействия с объектом датчики могут быть контактными и бесконтактными.
Воздействия, прикладываемые к объекту управления, направлены на изменение прикладываемой величины в соответствии с требуемым законом, а также для компенсации влияния возмущений на характер изменения управляемой величины. Основная цель автоматического управления объектом или процессом состоит в том, чтобы непрерывно поддерживать с заданной точностью требуемую функциональную зависимость между управляемыми переменными, характеризующими состояние объекта, и управляющими воздействиями в условиях взаимодействия объекта с внешней средой, т.е. при наличии как внутренних, так и внешних возмущающих воздействий математическое выражение функциональной зависимости является алгоритмом управления. Объект управления сопряжен с одним или несколькими регуляторами, формирующими управляющие воздействия, подаваемые на регулирующий орган. Объект управления совместно с управляющим устройством, или регулятором, образуют систему управления или регулирования. При этом, если человек не участвует в процессе управления, то такая система является системой автоматического управления. Регулятор системы представляет собой комплекс устройств, соединенных между собой в определенной последовательности и реализующих простейшие операции над сигналами. В связи с этим оказывается возможным произвести декомпозицию (расчленение) регулятора на отдельные функциональные элементы - простейшие конструктивно-целостные ячейки, выполняющие одну определенную операцию с сигналом.
При автоматизации управления техническими процессами возникает необходимость в различных группах операций управления. К одной из таких групп относится операция начала (включения), прекращения (отключения) данной операции и перехода от одной операции к другой (переключения).
Для правильного и качественного ведения процесса некоторые из его координат - управляемые - должны поддерживаться в определенных границах или изменяться по определенному закону.
Установленный закон управления жидкой фазой полигона ТБО (гл. 5), реализованный в технологической схеме управления процессами на полигоне ТБО, позволит управлять состоянием влажности массива отходов на полигоне и поддерживать необходимую скорость биодеструкции отходов.
Другая группа операций управления связана с контролем за состоянием параметров массивов системы ПТО с целью установления допустимых границ. Эта группа операций состоит из мониторинга и представления результатов измерения в удобной для человека-оператора форме.
Третья группа операций управления - это операции по поддержанию заданного закона изменения координат — описывается в теории автоматического управления.
На рисунке 6.17 показана функциональная схема автоматизации полигона ТБО. Согласно рисунка 6.17 при автоматизации полигона осуществляется контроль температуры во внутренних слоях МО: в секциях со старыми отходами (поз. 1а) и в секциях со свежими отходами (поз. 2а). Для автоматизации управления процессами по заданной технологии на полигоне ТБО предусмотрен автоматический контроль температуры, рН и влажности МО, расхода фильтрата. При рН 9 фильтрата открывается задвижка на линии ступени известкования и фильтрат полностью подается на известкование. Позиции 4 и 5 а, б показывают рН-регулирование. При рН 9 открывается задвижка на линию подачи части фильтрата на рециркуляцию в 7 и 2 секции и части фильтрата на линию спуска фильтрата на последующую очистку. Таким образом, часть фильтрата поступает на спуск (5а), а часть - непосредственно на рециркуляцию (56).
