Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Уровень загрязнения и химические процессы, протекающие в сточных водах производств
1.1. Водные ресурсы иихсостояние 11
1.2. Промышленное водопотребление и водоотведение
1.3. Требования к очистке и очистка сточных вод 21
1.4. Законодательные основы охраны водных объектов «о
1.5. Экономические механизмы охраны водных объектов 32
1.6. Методическая основа изучения состояния водных объектов -7
ГЛАВА II. Математическая модель научного анализа и расчета режимов работы БОС 52
2.1. Системный анализ водных объектов
2.2. Структура математической модели 58
2.3. Методология обработки баз данных по загрязняющим компонентам, прошедшим очистку на БОС 62
2.4. Методология обработки баз данных пользователей по загрязняющим компонентам, поступающим на БОС 66
2.5. Расчет покомпонентной эффективности работы БОС
2.6. Материальный баланс БОС 71
2.7. Экономический анализ работы БОС 71
Заключение 74
ГЛАВА III. Исследование режимов работы бос г. тольяти и оценка динамики сброса массы загрязняющих веществ 75
3.1. Общая характеристика БОС .
3.2. Методология обработки баз данных по загрязняющим компонентам, прошедшим очистку на БОС 78
3.3. Расчет и обработка баз данных пользователей по загрязняющим компонентам, поступающим на БОС «~
3.4. Расчет эффективности и степени недоочистки по каждому загрязняющему компоненту 3.5. Материальный баланс загрязняющих компонентов БОС 104
3.6. Экономический анализ работыБОС .«,
Заключение 109
ГЛАВА IV. Прогноз взаимодействия компонентов при смешении промышленных стоков
4.1. Методология прогноза
4.2. Математическая модель взаимодействия
4.2.1. Эмпирический подход 113
4.2.2. Кинетический подход
4.2.3. Экспериментальная проверка модели
Заключение
Общие выводы 130
Библиография
- Промышленное водопотребление и водоотведение
- Методология обработки баз данных по загрязняющим компонентам, прошедшим очистку на БОС
- Методология обработки баз данных по загрязняющим компонентам, прошедшим очистку на БОС
- Математическая модель взаимодействия
Введение к работе
Актуальность работы. Развитие общества всегда связано с потреблением, что приводит к противоречию между человеком и природой, между производством и естественными системами [1].
Человечество ежегодно отторгает от природы огромное количество различных веществ, перерабатывает их и возвращает в окружающую среду не- характерные для неё компоненты, меняющие условия или возможность существования человечества. Предметом инженерных работ и научных исследований все чаще становятся глубина этих противоречий и возможные пути их разрешения.
Проблемы снижения экологической нагрузки на природу и создание условий гармоничного развития системы "человек - окружающая среда" рассматриваются в политических, правовых, организационных, моральных, образовательных, инженерных, медицинских и других аспектах. [2,3].
В последние десятилетия исключительную остроту приобрела проблема загрязнения источников пресных вод. По оценкам специалистов не менее 50% распространенных заболеваний людей обусловлено загрязнением окружающей среды, прежде всего потреблением недоброкачественной питьевой воды. Ресурсы воды, пригодной для использования без проведения специальных мероприятий, оцениваются в 5-6 тыс. км , что составляет 0,3 -0,4 % общего объема гидросферы [4-9].
Создание каскада крупных Волжских водохранилищ обусловило условия развитие водоемких и экологически вредных производств, сточные воды которых являются одним из факторов ухудшения экологической обстановки в Поволжье. На долю Волжского бассейна приходится более трети общего сброса сточных вод в России. Несмотря на высокую обеспеченность региона очистными сооружениями, эффективность их работы крайне низка, в результате чего в водные объекты поступает большое количество загрязняющих веществ. Приведенный анализ показывает, что проблема носит в основном управленческий характер. Существенно уменьшить процессы деградации водных объектов можно путем создания эффективной системы обращения со стоками, правильной организацией процесса смешения потоков и их очистки. Особенно это важно при обезвреживании многокомпонентных интегрированных сточных вод различных производств, отличающихся многообразием химических взаимодействий компонентов стоков и сложностью определения характеристик смешанного стока, который может быть как менее, так и более токсичным по сравнению с исходным. Наиболее показательной в этом плане является диоксиновая проблема, возникшая в результате совместного сброса органических и хлорсодержащих веществ. Таким образом, задача разработки теоретических методов оптимизации работы биологических очистных сооружений (БОС) с созданием надежной системы управления стоками и возможностью предсказания состава и токсичности смешанного потока является актуальной.
Целью работы является создание системы оптимального управления стоками предприятий путем оптимизации работы БОС на основе математического моделирования баланса загрязняющих веществ с учетом возможных химических взаимодействий.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи;
- выполнить анализ существующего состояния крупных открытых водоемов, в основном на примере реки Волги, по качественному и количественному характеру загрязнения сточными водами промышленных предприятий; установить причины деградации;
- выявить причины, снижающие долю стоков без очистки, в общем объеме стоков и предложить более эффективную систему управления стоками, учитывающую химическое взаимодействие компонентов смешиваемых потоков;
- разработать математическую модель, позволяющую рассчитывать на основе кинетических данных состав суммарного смешанного стока и изменение его токсичности при смешивании сточных вод различных пользователей, рассчитывать покомпонентную эффективность БОС, планировать массы допустимых сбросов загрязняющих компонентов, не приводящих к перегрузке БОС и нарушениям плановых (нормативных) показателей по стокам, рассчитывать материальный баланс БОС, осуществлять экономические расчеты;
- разработать программу для ЭВМ, позволяющую оперативно осуществлять различные расчеты по работе БОС с целью выработки грамотных управленческих решений;
- разработать методологию сравнительной оценки стоков различных пользователей по уровню опасности (токсичности), важному показателю экологического анализа работы БОС;
- разработать методологию прогноза состава смешанных стоков с учетом химического взаимодействия их компонентов.
Объект исследований. Сточные воды крупных промышленных предприятий г. Тольятти Самарской области.
Предмет исследования. Система управления стоками промышленных предприятий, обеспечивающая санитарно-гигиенические нормативы по их качественному и количественному составу.
Методы исследований. В работе использовались: системный анализ статистических баз данных по работе БОС, методы математического описания основных характеристик отдельных процессов изучаемого объекта, компьютерные системы, позволяющие оперативно рассчитывать эффективные режимы их работы.
Научная новизна выполненной работы состоит в том, что:
- разработана математическая модель экспертной системы управления стоками предприятий, позволяющая рассчитывать на основе кинетических данных состав суммарного смешанного стока и изменение его токсичности при смешивании сточных вод различных пользователей, рассчитывать покомпонентную эффективность БОС, планировать массы допустимых сбросов загрязняющих компонентов и так далее и осуществлять прогноз состава смешанного потока различных пользователей., не приводящего к перегрузке БОС по эффективности;
- создана компьютерная экспертная система управления стоками предприятий «Аква-Эксперт», позволяющая оперативно осуществлять различные расчеты по работе БОС с целью выработки обоснованных управленческих решений;
- разработана методология сравнительной оценки стоков различных пользователей по уровню опасности (токсичности), важному показателю экологического анализа работы БОС;
- разработана методология прогноза состава смешанных стоков с учетом химического взаимодействия их компонентов;
Научная новизна результатов исследований и разработанных на этой основе технических решений подтверждается авторским свидетельством РФ № 2006611208 на экспертную систему «Аква-Эксперт».
Достоверность полученных результатов и адекватность математической модели оценена с помощью современных математических методов обработки экспериментальных результатов и прямым сравнением расчетных и экспериментальных данных. При постановке экспериментов использованы общепринятые методики, оборудование, аппаратура и приборы.
Практическая значимость и внедрение результатов исследований.
Практическая значимость результатов исследований подтверждается актом целесообразности внедрения предлагаемых методов и программы для ЭВМ на очистных сооружениях ОАО «Автоваз» и ООО НПФ «ЭКОТОН». Разработанная программа для ЭВМ «Аква - Эксперт» позволила рассчитывать покомпонентную эффективность БОС г.Тольятти, спланировать массы допустимых сбросов загрязняющих компонентов, не приводящих к перегрузке БОС г.Тольятти и нарушениям плановых (нормативных) показателей по стокам, рассчитать материальный баланс БОС г.Тольятти, осуществить экономические расчеты. Предложенная методология сравнительной оценки стоков различных пользователей по уровню опасности позволила ранжировать пользователей БОС г. Тольятти, в чьих стоках находятся компоненты, обладающие наибольшей опасностью для окружающей природной среды, и выявить их степень очистки. С помощью разработанной методологии прогноза состава смешанных стоков с учетом химического взаимодействия их компонентов были выявлены химические взаимодействия в смешиваемых стоках, поступающих на БОС г.Тольятти. Все это в комплексе позволит повысить эффективность работы БОС.
На зашиту выносятся:
- математическая модель, позволяющая рассчитывать на основе кинетических данных состав суммарного смешанного стока и изменение его токсичности при смешивании сточных вод различных пользователей, рассчитывать покомпонентную эффективность БОС, планировать массы допустимых сбросов загрязняющих компонентов, не приводящих к перегрузке БОС и нарушениям плановых (нормативных) показателей по стокам, рассчитывать материальный баланс БОС, осуществлять экономические расчеты;
- программа для ЭВМ, позволяющая оперативно осуществлять различные расчеты по работе БОС с целью выработки грамотных управленческих решений;
- методология сравнительной оценки стоков различных пользователей по уровню опасности (токсичности), важному показателю экологического анализа работы БОС;
- методология прогноза состава смешанных стоков с учетом химического взаимодействия их компонентов.
Личный вклад соискателя. Состоит в проведении анализа современного состояния вопроса по литературным данным, проведении экспериментальных исследований режимов работы БОС, обработке экспериментальных данных, разработке математической модели работы БОС и процессов контролируемого смешения промышленных стоков с различных производственных участков.
Апробация работы. Основные материалы исследований докладывались на 6-м международном конгрессе «ЭКВАТЭК-2004» (г. Москва), на 2-й международной научно-технической конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов ELPIT - 2005»
(г.Тольятти), на 2-й международной научно-технической конференции «Безопасность. Технологии. Управление, SAFETY-2007» (г. Тольятти). Научно-исследовательская работа «Разработка экспертной системы анализа эффективности работы биологических очистных сооружений» заняла I место в конкурсе научно-исследовательских работ на "Молодежном форуме" 1-й международной конференции «Безопасность. Технологии. Управление» (г.Тольятти).
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 12 работах, приведенных в автореферате.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 167 страницах машинописного текста и состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка литературы из 131 наименований, содержит 55 рисунков, 13 таблиц, а также 3 приложения.
Выражаю благодарность научному руководителю д.х.н., профессору Щукину В.П., д.т.н., профессору Вдовину Ю.И., Гончарову Н.Н., Андреевой С.Н., Андреевой О.Е., Андрееву П.А. и сотрудникам кафедры «Машины и аппараты химических производств» за помощь в проведении исследований, оппонентам за тяжелый труд по изучению работы и написанию отзывов, ведущей организации за внимательное отношение к моей работе, сотрудникам ОАО "Автоваз" и ООО "Тольяттикаучук" и ОАО «Тольяттиазот», оказавшим неоценимую помощь в формировании реальной базы данных по стокам своих производств, позволившей провести представленные исследования.
Промышленное водопотребление и водоотведение
Водоемкость всего человечества, т. е. объем использования воды для различных целей, составляет около 5 тыс. км3 в год. Это почти 14% годового стока всех рек. Общий водохозяйственный потенциал ресурсов пресной воды оценивается в 2,5 - 2,8 млн. км /год, а современные достигнутые эксплуатационные запасы - в 42 тыс. км /год. Из них лишь 14 тыс. км составляют устойчивую часть речного стока [5].
Преобладающим источником водоснабжения являются реки. Возросшее водопотребление нуждается в емких резервуарах воды, мало зависящих от сезонных перепадов стока. Более 30 тыс. водохранилищ общей площадью зеркала около 500 тыс. км2 увеличивают мгновенный объем воды в речных системах с 1,2 до 7,3 тыс. км . Итоговый эколого-экономический эффект создания и эксплуатации некоторых водохранилищ отрицателен[5, 10]. Существенное внимание водоснабжению и водоотведению уделяется в Санкт-Петербурге и ряде других крупных городов РФ.
Мгновенный запас поверхностных пресных вод России составляет 28 тыс. км или 22% объема пресных вод мира. Из 15 крупнейших рек мира четыре текут по территории России. Водохозяйственный фонд Российской Федерации (РФ) насчитывает около 2300 водохранилищ с общим объемом 820 км и общей площадью зеркала около 70 тыс. км . Суммарный годовой сток всех рек РФ 4270 км3 (11,5% мирового стока). Объем сточных вод России составляет около 70 км , но объем очищенных вод менее 3 км , хотя объем загрязненных вод составляют около 10 км3 (во многих странах Европы 100% вод проходит полную очистку) [5,11].
По данным государственного водного кадастра суммарный забор воды из природных водных объектов РФ в 2003 г. составил 82,4 км3 (Приложение 1 табл.1.).
Водопотребление и водоотведение в РФ в 2003 г. уменьшилось: использование свежей воды составило 64,1 км3 (2001 г. - 64,9 км3), в том числе: из поверхностных источников - 50,1 км3 (80%), подземных - 8,5 км3 (13%), морской воды - 5,5 км3 (7%).
Структура водопотребления характеризуется следующим образом: производственные нужды - 59%; хозяйственно-питьевые нужды - 21%; орошение - 13%; сельскохозяйственное водоснабжение - 1%; прочие нужды -6%.
Наиболее емкой по водопотреблению является промышленность, на долю которой приходится более половины от общего объема. Потери воды во внешних сетях при транспортировке от водоисточников до водопотребителей в 2003 г. составили 8,4 км . Значительны потери воды в промышленном производстве (несовершенство технологий и утечки в системах водоснабжения), орошаемом земледелии. В коммунальном хозяйстве из-за изношенности водопроводных сетей, несовершенства запорной арматуры утечки и неучтенный расход воды в системах водоснабжения составляют в среднем по стране 15,7% объема забираемой воды в год.
Объем сточных вод, сброшенных в поверхностные водные объекты в 2003 г., уменьшился и составил 52,3 км3 (2002 г. - 54,7 км3). К категории загрязненных сточных вод отнесено 19,0 км3 (36% от общего объема сточных вод). Основной объем загрязненных сточных вод сброшен предприятиями жилищно-коммунального хозяйства 88% и промышленности 22%.
Объем нормативно очищенных сточных вод в 2003 г. остался на уровне 2002 г. и составил 2,3 км3, или 5% от объема сточных вод, требующих очистки (21,2 км3), что в ряде федеральных округов (Южный и
Дальневосточный) является результатом перегруженности или отсутствия очистных сооружений, а в большинстве субъектов РФ обусловлено низкой эффективностью работы очистных сооружений. За отчетный год мощность очистных сооружений уменьшилась на 0,6 км3 (до 30,5 км3).
Основные показатели водопользования для наиболее крупных речных бассейнов РФ в 2003 г. отражены в (Приложение 1 табл. 2).
Анализ динамики качества поверхностных вод на территории РФ дан на основе статистической обработки данных гидрохимической сети Росгидромета по наиболее характерным для каждого водного объекта показателям.
Наиболее высокий уровень загрязненности поверхностных вод России в 2003 г. наблюдался по нефтепродуктам, соединениям меди и марганца, по которым было отмечено превышение в 10, 30, 50 и 100 предельно допустимых концентраций (ПДК); по соединениям железа, нитритному азоту - в 10, 30 и 50 ПДК; по легкоокисляемым органическим веществам по БПК5, фенолу-в 10 и 30 ПДК.
Для отдельных регионов России, как и в предыдущие годы, характерно содержание в воде водных объектов специфических загрязняющих веществ в концентрациях, превышающих ЦДК: лигнина, лигносульфонатов, формальдегида; в концентрациях, достигающих или превышающих уровень: соединений ртути, свинца, сульфидов и сероводорода, хлорорганических пестицидов.
Состояние качества поверхностных вод наиболее крупных речных бассейнов РФ в 2003 г. отражены в (Приложение 1 табл. 3).
На долю Волжского бассейна приходится более трети общего сброса сточных вод России. Несмотря на высокую обеспеченность региона очистными сооружениями, эффективность их работы крайне низкая, в результате чего в водные объекты поступает большое количество загрязняющих веществ.
Методология обработки баз данных по загрязняющим компонентам, прошедшим очистку на БОС
Контур 2-4-3 представляет собой контур «структурной информации», отражающий развитие и совершенствование организации на основе накопления разнообразия, опыта, адаптации во времени. Применительно к водным объектам - это система мониторинга их состояния со статистическим анализом с целью накопления опыта для выдачи обратной связи в виде рекомендаций по пересмотру экологического законодательства, норм загрязнения, экономических нормативов платы или совершенствования и запрета наиболее экологически грязных технологий. При этом следует учитывать, что к новой организации может привести процесс длительного чередования «воздействие-отклонение», фиксируемых и накапливаемых данным контуром. Этот контур отражает способность системы к саморегулированию и саморазвитию. Причем, под саморегулированием понимается самостоятельное реагирование системы водные объекты на внешние воздействия, нарушающие их состав или уровень загрязнения. Под саморазвитием понимается накопление структурной информации с выработкой новой цели и переходу к новому гомеостазу.
Из приведенного анализа следует, что механизм управления загрязнением водных объектов в пределах ассимиляционного потенциала сформировался в процессе эволюции живой природы и действует самостоятельно. Механизм управления загрязнениями в пределах, превышающих ассимиляционные возможности, придуман людьми, и, видимо, с этим связана его неэффективность. Это обусловлено наличием фактов неравномерности сбросов, нарушением разрешенных концентраций, аварийными сбросами и сбросами веществ, непонятных природе и не обезвреживаемых ею. Следовательно, с целью улучшения состояния водных объектов особое внимание следует уделить совершенствованию механизмов самоорганизации, самоуправления и саморегулирования, созданных обществом, доводя их до уровня природных механизмов, гарантирующих нормальную эволюцию живой природы без деградации водных объектов.
В приведенном механизме анализа прослеживается мотивы принципа Ле-Шателье, одного из определяющих фундаментальных законов термодинамики. Его суть заключается в том, что воздействие на систему, находящуюся в равновесии, приводит к ее реакции внутренней самоорганизацией таким образом, что оказанное воздействие будет нивелировано. В физике - это 3-й закон Ньютона - всякое действие вызывает равное по величине и противоположно направленное противодействие. Такое поведение подсистем объясняет столь высокую живучесть биосферы, несмотря на массированное на нее воздействие промышленности, транспорта и социальной дисгармонии в виде бандитизма, терроризма, революций и войн.
Следовательно, основные положения, законы и принципы системного анализа, взятого совместно с основными фундаментальными законами естествознания, позволяют более обоснованно анализировать взаимное влияние в системе водные объекты - общество и более доказательно и количественно оценивать возможность, направление и предел протекания разрушительных для водных объектов процессов..
В представленной схеме по сохранению водных объектов наиболее неорганизованным является блок (2), обеспечивающий, как правило, только констатацию фактов загрязнения. Наиболее ответственной стадией в этом случае являются очистные сооружения. Следовательно, совершенствование способов снижения антропогенной нагрузки на водные объекты необходимо начинать с совершенствования системы анализа информации мониторинга, позволяющей действительно принимать более обоснованные управленческие решения. Для этих целей необходимо создание исчерпывающего математического описания работы БОС, создание на этой основе алгоритма и компьютерной программы, обладающей возможностями интеллектуальной экспертной системы, блок-схема которой приведена на рис.2.2.
Математическая модель и программа для ЭВМ «Аква-Эксперт» представляет собой экспертную систему, позволяющую рассчитывать на основе кинетических данных состав смешанного стока и изменение его токсичности при смешении сточных вод различных пользователей, рассчитывать покомпонентную эффективность БОС, планировать массы допустимых сбросов загрязняющих компонентов, не приводящих к перегрузке БОС и нарушениям плановых (нормативных) показателей, рассчитывать материальный баланс БОС и осуществлять экономические расчеты. Данная экспертная система позволяет осуществлять различные расчеты по работе БОС с целью выработки грамотных управленческих решений; [119,120].
В основу разработанной математической модели и программы для ЭВМ «Аква-эксперт» заложены следующие положения:
1) анализ баз данных на выходе из очистных сооружений включает в себя расчет масс загрязняющих компонентов в абсолютных и эквивалентных величинах.
2) анализ баз данных пользователей на входе в очистные сооружения включает в себя расчет масс загрязняющих компонентов, поступающих от каждого пользователя на очистные сооружения в абсолютных и эквивалентных величинах, и расчет покомпонентного долевого вклада каждого пользователя в общий сток.
3) эффективность работы очистных сооружений включает в себя расчет покомпонентной эффективности очистных сооружений и расчет степени недоочистки по каждому компоненту.
4) материальный баланс потоков и масс компонентов очистных сооружений. Суть материального баланса заключается в нахождении абсолютной и эквивалентной массы всех компонентов поступающей на очистные сооружения, абсолютной и эквивалентной массы всех компонентов, сбрасываемой с очистных сооружений, и абсолютной и эквивалентной массы, обезвреженной на биологических очистных сооружениях.
Методология обработки баз данных по загрязняющим компонентам, прошедшим очистку на БОС
Была произведена обработка баз данных по загрязняющим компонентам, поступающим на БОС и сбрасываемых с БОС г. Тольятти с помощью программы для ЭВМ «Аква-эксперт». В результате были выявлены: - массы сброса загрязняющих компонентов в водные объекты (Саратовское водохранилище) и их превышение над лимитными. Расчеты в эквивалентных величинах позволили выявить наиболее опасные для окружающей природной среды компоненты как фенол, никель, свинец, медь, титан, цинк, фтор, хром и их долю в общем сбросе; - покомпонентный долевой вклад каждого пользователя в общий сток и кратность превышения лимита сброса на БОС. Расчеты в эквивалентных величинах позволили выявить массы компонентов, опасных для окружающей природной среды поступающих от каждого пользователя на БОС г. Тольятти. В частности, по выбранным нами наиболее опасным для окружающей среды компонентам как фенол, никель, свинец, медь, титан, цинк, фтор, хром; - низкая эффективность работы БОС г. Тольятти по обезвреживанию таких загрязняющих компонентов, как фенол, азот нитратов, фосфаты, хлориды, сульфаты, цинк, медь, никель, свинец, фтор, алюминий; - покомпонентная и общая плата за сброс в водные объекты (Саратовское водохранилище), и произведено справедливое ее распределение среди пользователей БОС г. Тольятти. В частности, по тем компонентам, по которым был отмечен сверхлимитный сброс.
Экспериментально доказано, что применение введенного метода сравнительной оценки стоков различных пользователей по уровню опасности позволяет получать более точную информацию об опасности стоков, что дает возможность намечать объективную стратегию внедрения природоохранных мероприятий.
Подтверждена возможность химического взаимодействия компонентов в смешиваемых стоках с образованием более или менее токсичных соединений и отмечена необходимость учета данного явления в разрабатываемой экспертной системе для получения возможности предварительного прогнозирования суммарного стока. Решение данной задачи приведено далее в главе 4.
В связи с отсутствием в литературе четких методик прогноза состава смешиваемых стоков ниже представлена методология анализа химических взаимодействий в смешиваемых стоках. Для того чтобы определить возможность, направление и предел протекания реакции в условиях смешения стоков, требуется произвести некоторые расчеты, используя фундаментальные законы и понятия химии, физики и математики [129].
Методология анализа основывается на выявлении свойств реагирующих ионов с использованием таблицы элементов Д.И. Менделеева (наличие неспаренных электронов и зарядность образующихся ионов), ряда стандартных электродных потенциалов (ряд активности), возможности образования осадков (таблиц растворимости), электроотрицательности взаимодействующих ионов с целью выявления природы химических связей (ионная, полярная, донорно-акцепторная, ковалентная). Дополнительно каждый сток может быть проверен на возможность, направление и предел протекания предполагаемых реакций расчетом свободной энергии системы (энергия Гиббса, изобарно-изотермический потенциал) и проанализирован по уровню опасности (токсичности) смешиваемых и суммарного стоков.
Представленная методология наполнения кинетических блоков каждого возможного химического взаимодействия в компьютерном исполнении составит банк данных оперативного использования в расчетах прогноза состава смешанного стока (рис.4.1.).
Матрица смешения стоков. Где - X и Y-компоненты, содержащиеся в стоках различных пользователей К - кинетический блок химических взаимодействий, включающий расчет скоростей реакций, а также констант скоростей и констант равновесий с последующим вычислением изобарно - изотермического потенциала и уровня опасности, смешиваемых и суммарного стока.
В основу разработанной методологии прогноза состава смешанного стока с учетом химического взаимодействия находящихся в нем компонентов заложены следующие информационные положения:
1) Формирование баз данных, включающих сбор и систематизацию информации по объемам и концентрациям компонентов каждого стока;
2) Анализ баз данных отдельных стоков на предмет возможных химических взаимодействий между компонентами при их смешении с целью формирования расчетным путем банка данных (кинетический блок) по концентрациям, массам, скоростям реакций и константам равновесия по каждому взаимодействию с последующим их представлением в виде суммарной матрицы (рис.4.3.);
3) Расчет и прогноз состава смешанного стока с учетом химических взаимодействий находящихся в нем компонентов с использованием информации созданного банка данных;
4) Дополнительный анализ состава смешанного стока с учетом химических взаимодействий находящихся в нем компонентов осуществляется путем выявления опасных для окружающей природной среды химических взаимодействий компонентов (например, диоксинов), определения пользователей, чьи стоки содержат компоненты, порождающие данные химические взаимодействия с целью обоснования необходимости ввода локальных очистных сооружений;
5) Выработка рекомендаций по контролируемому смешению стоков отдельных пользователей с расчетом и сопоставлением уровней их опасности (токсичности).
Математическая модель взаимодействия
Для большей достоверности выявленных на основании эмпирического подхода прогноза возможных химических взаимодействий необходимо использовать кинетический подход.
В соответствии с уравнением реакции (4-1) скорость прямой реакции будет равна: Ас , г»іа г„-іь w,= ki[A] Чв]\г./м3 (4.20) AT скорость обратной реакции будет равна: w =g=k2[C] .[Dr,rV («I) где: АС, Ат - приращение концентрации и времени соответственно; ki и к2 - константы скорости; [А], [В], [С], [D] - концентрации компонентов реакции; а, Ь, с, d - стехиометрические коэффициенты.
Для случаев, когда реакция является обратимой, необходимо рассчитать константу равновесия: KpflM (4.22) р к М-Р!
Представленная общая модель позволяет рассчитывать другие параметры, которые определяют возможность, направление и предел протекания выявленных взаимодействий. Для этого необходим расчет свободной энергии системы (изобарно-изотермического потенциала), подтверждающий или опровергающий результаты расчетов. В соответствии с законами термодинамики согласно рассчитанной константе равновесия (4.22) по изотерме Вант-Гоффа для реакции (4.1) можно рассчитать изобарно-изотермический потенциал, по которому можно ответить на вопросы возможности, направления и предела протекания приведенного химического взаимодействия: AG=RT-lnKp , кДж/кмоль (4.23) где: R- универсальная газовая постоянная, кДж; Т- температура, К. В итоге если: при расчетах AG 0 - реакция (4.1) возможна; AG 0 - реакция (4.1) невозможна; AG = 0 - реакция (4.1) находится в условиях термодинамического равновесия.
Экспериментальная проверка рассмотренного подхода осуществлена на двух примерах модельных систем: Пример №1
Модель включает два стока, содержащие по одному компоненту, между которыми может происходить нижеследующая реакция: 2H3P04+3FeS04- Fe3(P04)24+3H2S04 (4.24)
База данных представленной реакции включает сток, объемом 100000 м /год с концентрацией Фосфорной кислоты - 0,115 г/м и сток объемом 15000 м3/год с концентрацией Сульфата железа - 0,5 г/м3. Данные стоки смешиваются перед очистными сооружениями, и необходимо предсказать возможность протекания данной реакции.
Анализ данной базы проводится в следующей последовательности:
1) Солеобразующем ионом в сульфате является элемент Fe (Z=26), который согласно таблице элементов Д.И. Менделеева, относится к d-элементам и внешний валентный уровень имеет конфигурацию 3d 4S с возможностью проявления в нормальном и возбужденном состоянии валентности, равной 2 и 3.
2) Согласно ряда стандартных электродных потенциалов наиболее вероятным взаимодействием в этом случае будет взаимодействие иона Fe с кислотным остатком диссоциации фосфорной кислоты - РО43", т.к. ион Fe + (электродный потенциал = -0.44) расположен слева от иона водорода (= ±0) и должен вытеснять ионы, стоящие справа из раствора солей, и водород из растворов кислот.
3) Анализ по таблицам растворимости подтверждает нерастворимость Фосфата железа. Следовательно, реакция (4.24) будет протекать до полного исчерпания одного из исходных компонентов.
