Содержание к диссертации
Введение
1 . Состояние проболемы очистки воды 11
1.1 .Современные концепции очистки воды 11
1.2.Влияние природных и антропогенных загрязнителей на процессы очистки воды 19
1.2.1.Идентификация растворенных органических соедине ний в процессе подготовки питьевой воды 19
1.2.2.0бразование тригалогенметанов при хлорировании органических соединений в водной среде 26
1.2.3. Тестирование исходной и питьевой воды на токсичность 39
1.3.Барьерная роль очистных сооружений в санитарно гигиенической надежности качества питьевой воды 45
Выводы 61
2. Исследование закономерностей взаимодей ствия озона с основными инградиентами поверх ностных вод 63
2.1 .Описание экспериментальной установки 63
2.2.Исследование взаимодействия озона с неорганически ми и органическими веществами, содержащимися в поверх ностных водах 65
2.3 . Исследование действия озона на бактерии, вирусы и планктон 86
2.4.Исследование действия хлора и озона на гидробионты 88
2.4.1 .Люминисцентная микроскопия 88
2.4.2.Мето дика проведения исследования 91
2.4.3.Результаты исследований действия хлора и озона на гидробионты 92
Выводы 96
З. Разработка новых аппаратов и устройств, повышающих эффективность озонирования воды 97
3.1 .Повышение эффективности технологии синтеза озона 97
3.2.Повышение эффективности устройств воздухоподго
товки 99
3.2.1.Разработка устройств для осушки газа с использова нием эффекта закрученного потока 99
3.2.2.Конструктивная схема и принцип работы вихревого осушителя 102
3.2.3.Разработка компактных аппаратов комбинированно го типа для осушки воздуха 104
3.3.Разработка аппаратов синтеза озона, работающих на повышенной частоте 108
3.4.Создание блочных установок синтеза озона 122
3.5.Разработка устройств и аппаратов обработки воды озоном 127
3.5.1 .Повышение эффективности работы барботажных камер 127
3.5.1.1. Определение формы и общей поверхности пузырьков озона при его распылении в воде 129
3.5.1.2.Исследование пористых материалов, изготовленных на базе порошковой металлургии 137
3.5.2.Исследование и разработка устройства для введения озона в технологический трубопровод 143
3.5.2.1.Устройство и принцип действия аппарата 143
3.5.2.2.Разработка экспериментального стенда и методика проведения эксперимента 152
3.5.2.3.Математическое описание процесса течения закрученного потока в трубопроводах 159
3.5.2.4.Экспериментальная зависимость концентрации остаточного озона в воде от угла дополнительного ввода воды 164
3.5.2.5.Экспериментальное распределение скоростей и давления в трубопроводе 171
3.5.2.6.Теоретические основы расчета по определению длины пути смешения после закрутки и экспериментальное нахождение длины закрученного потока в технологическом трубопроводе 178
3.5.2.7.Обобщение опытных данных по озонированию воды в технологическом трубопроводе 191
З.б.Разработка метода стабилизации озона в водных растворах 198
Выводы 201
4. Исследование и разработка новых экологи чески чистых технологий подготовки питьевой воды 204
4.1.Исследование качественного и количественного состава фито- и зоопланктона р.Оки 204
4.2.Исследование состава фито- и зоопланктона Горьков ского водохранилища 215
4.3.Исследование аккумулирующей способности гидро- бионтов по задержанию органических загрязнений 230
4.3.1.Аккумуляция капролактама 230
4.3.2.Аккумуляция аминов (диэтиламина) 235
4.3.3.Аккумуляция хлороформа 240
4.4. Исследование эффекта очистки воды естественным биоценозом .253
4.5.Разработка конструкции устройства для предварительной обработки воды естественным биоценозом и технологии подготовки питьевой воды 258
4.6.Разработка технологий и установок очистки природных вод для малых населенных пунктов 279
Выводы 305
5. Разработка и внедрение технологий подготовки питьевой воды 307
5.1.Исследование и модернизация водопроводных станций Нижнего Новгорода 307
5.2.Реконструкция водопроводной станции г.Заволжье (Горьковское водохранилище) 319
5.3.Реконструкция водопроводной станции г.Лысково (озера Лысковской сельхознизины) 327
5.4.Реконструкция водопроводной станции поселка Гидроторф (подземный источник) 331
5.5.Реконструкция водопроводной станции г.Семенов (р.Керженец) 335
Выводы 341
6. Разработка новых концепций моделирования процессов очистки воды 343
6.1.Базовые методы, используемые при моделировании многокомпонентных процессов 343
6.2.Графо-аналитическое моделирование как альтерна тивный метод математического моделирования 348
6.2.1.Геометрические принципы решения аналогов технологических задач 349
6.2.1Л .Задача на инцидентность 351
6.2.1.2.3адача на пересечение 351
6.2.1.3.Нахождение оптимумов 354
6.3.Динамическое моделирование в графо-аналитической интерпретации 357
6.3.1.Новые концепции графо-аналитичекого метода в имитационном моделировании 357
б.З.І.І.Теоретичес іе основы конструирования дина мических моделей в п-т рном пространстве 358
6.3.1.2.Аналитит- г интерпретация конструирования динамических моделе мерном пространстве 361
6.4.Разработка ком ксной методики организации технологического процесса очистки воды 363
6.4.1 .Особенности планирования эксперимента 364
6.4.2.Мето дика определения оптимальных характеристик
процессов очистки воды 368
6.4.2.1 .Определение необходимого числа повторов 371
6.4.2.2.0пределение воспроизводимости опытов 372
6.4.2.3.Определение минимально необходимого количества опытов 372
6.4.2.4.Ранжирование факторов по степени их влияния на исследуемый процесс 374
6.4.2.5.Анализ экспериментальных данных 376
6.4.2.5 Л .Устранение грубых ошибок 376
6.4.2.5.2.Нахождение среднего квадратичного отклонения 377
6.4.2.6.Построение модели 377
6.4.2.6.1.Подбор эмпирических кривых, определяющих поверхность отклика 377
6.4.2.6.2.Проверка модели на адекватность 378
6.4.3.Решение оптимизационных задач 378
6.5.Практическая реализация разработанной модели очистки воды 380
6.5.1.Удаление марганца из воды с использованием перманганата калия 381
6.5.2.Удаление марганца из воды окислительно-реагент ным способом повышенными дозами хлора 390
6.5.3.Очистка питьевой воды от циклогексанола 395
6.5.4.Определение значений регулируемых факторов при заданной величине одного из выходных параметров 397
6.5.5.Определение общей области выбора факторов 402
6.5.6.Описание программного обеспечения, реализую щего модель процесса очистки воды 404
Выводы 434
Заключение 435
Список использованной литературы
- Тестирование исходной и питьевой воды на токсичность
- Исследование действия озона на бактерии, вирусы и планктон
- Определение формы и общей поверхности пузырьков озона при его распылении в воде
- Исследование эффекта очистки воды естественным биоценозом
Тестирование исходной и питьевой воды на токсичность
В опубликованных в последнее время данных по изучению качества природных и питьевых вод, а также эффективности очистки воды на водопроводных очистных сооружениях, большое внимание уделяется все возрастающему загрязнению источников водоснабжения промышленными и хозяйственно-бытовыми сточными водами и недостаточной эффективности очистных сооружений водопровода в отношении органических загрязнителей. Более того, введение химических реагентов в процессе подготовки питьевой воды может привести к образованию в ней веществ более токсичных. Fulding и Packham, изучающие основные источники поступления органических веществ в водоемы и питьевую воду, считают, что общее содержание органических соединений не превышает в них 20 мг/л [1] .Из них большую часть составляют органические соединения природного происхождения - гуминовые и фульвокислоты, белки, аминокислоты, углеводы и полисахариды. Но значительно большую потенциальную опасность представляют органические соединения антропогенного происхождения.
В результате проведенных в последние годы исследований установлено [2], что питьевая вода содержит органические соединения синтетического происхождения, концентрация которых составляет порядка сотых, а иногда даже десятых миллиграмма на литр.
По данным [3] из 2221 органических примесей, обнаруженных в сырой воде, 765 присутствуют в питьевой. Из них 20 признаны канцерогенными и 23 подозревают на канцерогенность, 18 являются канцерогенными возбудителями, 56 вызывают мутагенные изменения.
Дмитриевым М.Г., Растянниковым Е.Г., Волковым С.А. [4] с помощью разработанной ими системы "газовый хроматограф -масспектрометр - компьютер" в водопроводной воде были идентифицированы галогеносодержащие соединения, ароматические углеводороды, альдегиды, кетоны, спирты, эфиры, нафтены, терпены, предельные углеводороды и другие. На хроматорграмме максимальную интенсивность имеет хлороформ, менее интенсивны, но довольно высоки пики бензола и толуола. Достаточно четко зарегистрированы также ацетальдегид, ацетон.
Для получения питьевой воды природные воды чаще всего подвергают хлорированию, флотации, абсорбции и фильтрованию через песок или грунт. Наряду с положительными эффектами при такой обработке обнаруживаются и отрицательные. Так, установлено, что в результате хлорирования питьевой воды образуются трига-логенметаны (СНСЬ, СНВгС12, СНВг2С1, СНВг3), концентрация которых в воде намного превышает концентрации других органических соединений. Этой проблеме посвящено много работ, как отечественных, так и зарубежных ученых [3-7].
В обзоре по изучению канцерогенов и органических соединений в питьевой воде США указано [7], что хлороформ присутствует во всех питьевых водах, обработанных хлором. Отмечается, что хлороформ в водной среде образуется при взаимодействии хлора с гуминовыми веществами, называемыми обычно "предшественниками" тригалогенметана [8,9], а при наличии в воде бромид-ионов образуется бромоформ.
Изучалось влияние концентрации общего органического углерода на скорость образования ТГМ. Некоторые исследования указывают на то, что скорость образования ТГМ является скоростью первого порядка по отношению к уровню общего органического углерода.
Концентрация хлороформа в опытах по истечении времени 104 мин (или приблизительно 7 дней) грубо, пропорциональна уровню содержания общего органического углерода. Восьмикратное увеличение общего органического углерода сопровождается пяти-шестикратным увеличением концентрации хлороформа. Порядок реакции увеличивается с возрастанием дозы хлора.
Немаловажную роль в процессе образования ТГМ играют аммиак и бромиды. Скорость реакции между хлором и аммиаком на несколько порядков выше скорости образования ТГМ (скорости взаимодействия между хлором и гуминовой кислотой). Таким образом, присутствие аммонийного азота в воде тормозит процесс образования ТГМ. Когда в природной воде присутствуют бромиды, в хлорированной воде кроме хлороформа образуются еще и бромиро-ванные тригалогенметаны, причем с увеличением концентрации бром-иона увеличивается и концентрация хлорбромметанов.
Изучались вопросы сезонного изменения качества воды, а также контролировался процесс образования ТГМ в водах, прошедших хлорирование [10].
Исследования проводились в течение 13 месяцев. Суммарная концентрация ТГМ изменялась в течение года от 50 до 335 мкг/л. Среднее значение концентрации ТГМ за год - 173 мкг/л, причем содержание хлороформа составляло73,1%, бромдихлорметана-21,1%, дибромхлорметана-5,0%, бромоформа-0,8%.
Увеличение образования тригалогенметанов в октябре-ноябре соответствует возросшему потоку в реке. Более или менее стабильный процесс образования ТГМ в декабре, в январе и феврале, соответствует периоду ледяного покрова на реке, когда сток минимален и минимальна биологическая активность на реке.
Изменение в пробах воды, прошедшее в результате быстрого таяния снега и увеличения стока в марте, явилось причиной резкого увеличения содержания общих тригалогенметанов, сопровождаемое резким падением бромированных тригалогенметанов. Это увеличение отражает изменение в источнике речной воды, когда процент грунтовых вод, питающих реку, по сравнению с поверхностным стоком резко падает. Бромированные ТГМ в наивысшей концентрации обнаруживаются в период позднего спада и зимой, что. совпадает с наивысшей концентрацией бромида, которая изменялась от высокой (0,48 мг/л) зимой, до низкой (меньше 0,1 мг/л) летом. За период с октября по март следующего года бромированные гало-формы составляли в среднем 46,8% от общих тригалоидметанов, что представляет собой увеличение на 20% от ежегодного среднего значения 26,9%. Анализ колодезной воды г.Коралвил (штат Айова) показал, что 88% общих ТГМ являются бромированными и только 12% приходится на хлороформ. Этот результат подтверждает, что ионы бромида в р. Айова идут из грунтовых вод, которые являются преобладающим источником воды в реке в зимние месяцы.
В летние месяцы наблюдается максимум содержания общих тригалогенметанов в воде. Отмечается также, что наблюдаемые на сезонных графиках пики общего ТГМ соответствуют периодам увеличения содержания общего органического углерода в речной воде.
Увеличение содержания в воде ТГМ и хлороформа, в частности в летний период, объясняется многими факторами, основными из которых являются доза хлора, хлороемкость и содержание общего органического углерода.
Потенциальным источником трихлорметана при хлорировании воды, кроме гуминовых веществ, являются водоросли [11]. Поэтому целесообразно удалять водоросли из воды до ее хлорирования, что особенно существенно в период цветения воды.
Присутствие в питьевой воде хлорорганических веществ, особенно хлороформа, представляет опасность для здоровья населения, так как результаты натурных наблюдений и экспериментальных исследований свидетельствуют об общетоксичном действии и отдаленных последствиях, вызываемых влиянием хлороформа. Проведенными исследованиями доказана канцерогенность и мутагенность хлороформа, поэтому необходимо проводить постоянный контроль за содержанием ТГМ в питьевой воде [12]. В Канаде в полупромышленных условиях определялась мутагенность различных дезинфектантов - окислителей, в частности хлора, хлорамина, двуокиси хлора и озона, используемых для обработки питьевой воды. Исследования проводились в два этапа с использованием специально разработанных мутагенных тестов. Результаты показали, что наибольшую мутагенность обнаруживали в пробах воды, обработанных хлором, хлорамином и двуокисью хлора. В пробах, обработанных озоном - мутагенность практически не обнаружена.
В работе [13,14-21] изучены влияние природы органических соединений на образование хлороформа и условия проведения реакции хлорирования в искусственных водных растворах, на примере резорцина снята кинетика взаимодействия органических соединений с хлором. Оказывается, что в условиях антропогенного воздействия на источники водоснабжения, наибольший вклад при образовании хлороформа вносят нефтепродукты, а резорцин - одна из составляющих.
Исследование действия озона на бактерии, вирусы и планктон
Применение традиционных и современных методов анализа (физических, химических, физико-химических), обеспечивающих высокую точность определения малых количеств компонентов, не дает представления о воздействии определяемых веществ на живые организмы,
При анализе загрязнений объектов окружающей среды в первую очередь необходимы методы определения малых количеств биологически опасных компонентов. Такие методы анализа должны сочетать в себе высокую чувствительность, избирательность, а также давать информацию о влиянии определяемых веществ на жизнедеятельность всего многообразия организмов.
Успешное решение поставленной проблемы может быть достигнуто методами, в которых в качестве аналитических индикаторов используются биологические объекты.
Основы биологического метода заключаются в следующем: все живые существа для своей жизнедеятельности, роста и размножения требуют среду строго определенного состава. Если нарушить этот состав, то организм через определенное время подает соответствующий сигнал. Устанавливаются связи между формирующимся сигналом в организме и количеством введенного (или исключенного) в среду компонента. Ответный сигнал индикаторного организма на изменение химического состава среды может быть самым разнообразным: изменение характера поведения (фактор избегания), интенсивности роста, скорости метаморфозы, состава крови, биоэлектрической активности органов и тканей, нарушение функций различных органов. Обобщенным показателем эффективности действия исследуемого вещества на индикаторный организм является или его выживаемость, или летальный исход.
Все вещества по отношению к организму можно условно разделить на три группы: 1) жизненно необходимые; 2) токсичные; 3)физиологически неактивные. Сравнительно быструю ответную реакцию могут дать только два первых случая. Физиологически неактивные вещества могут дать определенный результат или их можно перевести в активное состояние по реакциям взаимодействия с ингибиторами или стимуляторами процессов жизнедеятельности организма. Характер действия химического соединения на индикаторный организм взаимосвязан с ответным действием организма на химическое соединение. Механизм этого взаимодействия очень сложен. Взаимодействие определяемого вещества с индикаторным организмом в зависимости от уровня его организации можно представить в виде следующих стадий: определяемое вещество
Ответный сигнал индикаторного организма на одно и то же вещество зависит от концентрации вещества: малые концентрации обычно стимулируют процессы жизнедеятельности организма, высокие - угнетают. Диапазон определяемых содержаний, как и предел обнаружения зависят от ряда физико-химических и биологических факторов: продолжительности воздействия химического соединения на организм, температуры, рН среды, уровня организации индикаторного организма, его индивидуальных способностей.
Биотестирование в контроле загрязнений водной среды может обеспечить решение ряда задач: - осуществление оценки состояния природных и питьевых вод и выявление акваторий с импактным уровнем загрязнения; - проведение токсикологической оценки промышленных и городских сточных вод при установившемся режиме сброса их в водные объекты с целью выявления потенциальных источников загрязнения вод; - проведение экологической экспертизы новых технологий, проектов очистных сооружений.
Одним из важнейших показателей безопасности питьевой воды является ее токсичность. Для проведения токсикологических исследований используются методы биотестирования как у нас в стране, так и за рубежом, которые вместе с химическими анализами могут дать объективную информацию о качестве воды. Высокая чувствительность биотестов необходима при оценке качества природных вод, в которых концентрация токсикантов мала. Метод биотетирования с использованием ветвистоусых рачков рода дафния является одним из наиболее широко применяемых в водной токсикологии. Это обусловлено тем, что дафнии широко распространены в природе, легко культивируются, обладают чувствительностью к токсикантам различной природы. В ряде стран дафнии являются стандартным тест-объектом при оценке токсичности водной среды. В России дафниевый тест обязателен при установлении ПДК отдельных веществ в воде рыбохозяйственных водоемов. Данный метод обладает хорошей воспроизводимостью. Короткий биологический цикл развития и партеногенетический способ размножения тест-объектов позволяют в достаточно короткий срок с высокой достоверностью оценить влияние токсикантов на дафний.
Оценка токсического воздействия на рачков производится по следующим биологическим показателям: выживаемости и плодовитости. При отмирании 50% от числа внесенных особей концентрация считается смертельной. Если экземпляры отмирают приблизительно в количестве 20% - считается вредной.
Дафнии являются важнейшей составной частью пресноводного зоопланктона, служат источником пищи молоди рыб и, являясь фильтратами, выполняют активную роль в процессах самоочищения водоемов. Для токсикологических испытаний необходимо иметь чистую культуру дафний. Ее выращивают в стеклянных кристаллизаторах при плотности посадки не более 25 крупных особей на 1 л воды. Опыты проводят на культуре, выращенной от одной самки.
Перед биотестированием пробы фильтруют через планктонный (мельничный) газ № 25 - 35, чтобы удалить взвешенные частицы, забивающие фильтровальный аппарат дафний. Дафнии используются в кратковременных опытах (2-4 суток) для установления острой токсичности и в длительных (30 - 45 суток) для установления хронической токсичности вод.
Методика проведения исследований состояла в следующем: для опытов брали воду с Ново-Сормовской водопроводной станции (реку и резервуар чистой воды, а с июля месяца по всей технологической схеме, включая фильтры, отстойники) [54] . Контролем служила, вода из аквариумов, где содержатся дафнии. Опыт ставился троекратно повторяясь (по 100 мл в каждом стакане по 6 штук дафний). Наблюдения велись через каждые 15 минут в течение первого часа, а затем в течение рабочего дня ежечасно. В последующие дни 2-3 раза в день. Продолжительность опытов 30 суток. Время гибели дафний отмечалось по наступлению неподвижности (иммобилизации). Данные по выживаемости дафний во времени приведены на Рис. 1.8.
Определение формы и общей поверхности пузырьков озона при его распылении в воде
Надежная работа котла-озонатора зависит от ряда факторов:
1. От природы озонируемого газа, которым может быть воздух или кислород, влажности, расхода и давления газа.
2. От величины потребляемой озонатором мощности, которая является функцией напряжения, частоты тока и давления газа. При прочих равных условиях расход газа определяет, при заданной величине расходуемой мощности, концентрацию озона в газе, а, следовательно, и общую производительность озонаторной установки.
3. От глубины охлаждения электродов, диэлектриков, зоны разряда. В связи с тем, что основная часть расходуемой электроэнергии превращается в тепло, то необходимо обеспечить охлаждение электродов и диэлектрика, тем самым охладив зону разряда. Это необходимо для предотвращения разрушения озона от действия теплоты и поломки диэлектрика. Охлаждение повышает удельную мощность разряда и, следовательно, производительность озонатора. Котел-озонатор обычно охлаждается водой.
4. От качества диэлектрика. В настоящее время в отечественных котлах-озонаторах применяют диэлектрики, по своим характеристикам не уступающие зарубежным образцам. До последнего времени выпускающиеся высоковольтные электроды на внутренней поверхности имели графитомедное покрытие. Большим недостатком такого покрытия было то, что оно не являлось рефлектором, отражающим тепловую конвекцию к холодной стенке, а наоборот способствовало поглощению тепла.
В современных высоковольтных электродах (напряжение до 20 кВ) указанного недостатка избегают, напыляя на его внутреннюю поверхность алюминий.
При трубчатой конструкции толщина диэлектрика должна быть минимальной. Это важно, так как тонкий диэлектрик обладает повышенной емкостью при одинаковых значениях площади, что позволяет увеличить мощность. Но чрезмерное уменьшение толщины приводит к уменьшению механической прочности материала. Важную роль играет размер разрядного пространства. Существует оптимальное значение этой величины.
При заданных размерах и пропорциях разрядного элемента и толщины зоны разряда существует совершенно определенный диапазон концентраций озона в воздухе. Отсюда вытекает необходимость более полного использования поверхности разряда озонируемым воздухом.
Конструирование аппаратов синтеза озона, как представляется, идет в следующих направлениях: - улучшение разрядных характеристик за счет создания оптимальных температур в зоне разряда. К этому направлению следует отнести конструкции с различными видами охлаждаемых внутренних электродов; - создание оптимальных разрядных зон за счет перемещения электродов относительно друг друга; - создание аппаратов, работающих на повышенной частоте. Кинетика химических реакций в тихом разряде изучена довольно подробно. Еще в 30-х годах учеными С.С.Васильевым, Н.И.Кобозевым и Е.Н.Ереминым было предложено уравнение определения концентрации озона в случае идеального вытеснения, когда время реакции равно времени пребывания газа в реакторе. Это уравнение имеет вид:
В реальных условиях существует частичный перенос компонентов вдоль потока газа, однако, практически кинетическая кривая, рассчитанная по уравнению (3.1), дает хорошее совпадение с опытными данными.
Как видно из уравнения (3.1) основным параметром, влияющим на концентрацию озона, является удельная мощность. Анализ процессов синтеза озона показал, что скорость реакции разложения озона растет с увеличением температуры газа в разрядном промежутке. Константа скорости образования озона от температуры не зависит. Таким образом, для увеличения концентрации озона необходимо одновременно увеличить удельную мощность и понизить температуру озонирующего элемента.
Авторы работ получили уравнение для расчета активной мощности разряда в генераторе озона: Vo - напряжение, подаваемое на озонирующие элементы, В; Cs - электроемкость барьеров озонатора, Ф; Сп - электроемкость разрядного промежутка, Ф; со - круговая частота, Гц. Анализируя уравнение (3.3) можно сделать вывод, что не меняя конструкции генератора, увеличить мощность возможно только за счет увеличения частоты тока, то есть: где к - коэффициент пропорциональности. Но значительное увеличение частоты ограничивается условиями охлаждения и потерями в диэлектрике. Поэтому, рекомендуется увеличивать частоту до средних величин (не более 600 Гц). Для оценки работы генератора озона на повышенной частоте нами предварительно были проведены испытания генераторов при работе на частоте 50 Гц. Схема испытательного стенда приведена на Рис.3.7. Конструкция стенда была разработана с учетом возможности испытания двух типов озонирующих элементов:
- элемент промышленного озонатора В24-25-1Л-01, производства ПО «Курганармхиммаш»; - элемент, где в качестве низковольтного электрода использована труба из нержавеющей стали, остеклованная малощелочным стеклом.
Работа заключалась в следующем. Воздух к озонирующим элементам подавался из ресивера с давлением 0,30-0,40 МПа через систему воздухоподготовки, включающую маслоотделитель, пылевой фильтр и селикагелевый осушитель. Влажность воздуха при этом находилась в пределах (0,04-0,06) 10 мг/м3. Синтез озона осуществлялся в генераторе за счет «тихого» разряда. Озонированный воздух после генератора отводился через дегазатор в атмосферу. Вода на охлаждение электродов подавалась из водопроводной сети и сбрасывалась в канализацию. Расходы воздуха и воды измерялись ротаметрами - воздушными и водяными. Контроль давления газа и воды в генераторе осуществлялся образцовыми манометрами. Ток, напряжение и мощность измерялись соответствующими приборами в низковольтной сети. Во время эксперимента были получены следующие характеристики генератора озона: зависимость активной мощности разряда от напряжения при частоте тока 50 Гц. На Рис.3.8 ,3.9, 3.10 приведены графики указанных зависимостей для промышленного элемента и для генератора с остеклованными электродами. Из графика видно, что максимально достижимая концентрация озона для промышленного генератора 32 г/м3 при объемной скорости газа 0,4 м /ч и напряжении 18 кВ, а для генератора с остеклованным электродом 37,5 г/м при тех же параметрах.
Используя данные экспериментов, можно подсчитать наиболее важный для генератора озона параметр, характеризующий вес и габариты механизма. Им является удельная производительность генератора «К», т.е. производительность, приходящаяся на единицу площади электрода:
Исследование эффекта очистки воды естественным биоценозом
В методе градиента шаги совершаются в направлении наибыстрейшего уменьшения целевой функции, что ускоряет процесс поиска оптимума.
Сочетание основных идей метода релаксации и градиента дает метод наискорейшего спуска, который заключается в следующем. После того, как в начальной точке найден градиент оптимизируемой функции и, тем самым, определено направление ее наибыстрейшего убывания в указанной точке, в данном направлении делается шаг спуска. Если значение функции в результате этого шага уменьшилось, производится очередной шаг в том аналогичном направлении и так до тех пор, пока не будет найден минимум или область его существования, после чего вычисляется градиент и определяется новое направление наибыстрейшего убывания целевой функции.
В сопоставлении с методом градиента метод наискорейшего спуска оказывается более выгодным из-за сокращения объема вычислений. Применение этих методов приводит к определению одного из локальных экстремумов. Глобальный экстремум выбирается из найденных локальных.
Известен еще один подход математического описания процессов - графический. Практическая ценность этого метода заключается в том, что здесь возможно наглядное изображение функциональных зависимостей, в которых число переменных больше трех. Это поставило задачу сделать графический метод более доступным для широкого круга инженерно-технических и научных работников.
Что касается конструирования криволинейных поверхностей, то обычно это эмпирические поверхности, задаваемые упорядоченным множеством точек с координатами, устанавливаемыми опытами. В работах Ф.С.Веселовой и др. показано, что в данном случае целесообразно пользоваться чертежом Радищева [163,166,173,177,178,182,112].
Геометрический анализ таких моделей для различных прикладных задач выполнялся рядом авторов: Л.В.Борковской, Ф.С.Веселовой, Т.Байгутановым, Г.А.Линцер и др. [117,151].
Вторую группу составляют методы, основанные на моделировании элементов многомерного пространства геометрическими образами плоскости чертежа или трехмерного пространства. Наиболее яркими представителями этого метода являются Н.С.Курнаков, основоположник физико-химического анализа, создатель школы отечественных геометров), Ф.М.Перельман, В.Я.Аносов, Е.С.Федоров и др. [99,100,124,126,139,169,188].
Задача по исследованию диаграмм фазового состояния многофакторных физико-химических систем как моделей зависимости равновесий и фаз этих систем от их состава и температуры, одна из важных в народном хозяйстве. Она решена в разных вариантах во многих работах для тройных, четверных систем. Типы диаграмм тройных систем установлены Д.А.Петровым, а частично обобщены для п-компонентной системы В.Я.Волковым [118].
В основе методов, образующих третью группу, лежит принцип распространения центрального и параллельного проецирования на объекты многомерного пространства. Методы, составляющие эту группу, изложены в трудах Д.Д.Мордухай-Болтовского, Н.Ф.Четверухина, И.И.Котова, В.Н.Первиковой. Наиболее значительный вклад в теоретическую и практическую разработку данного подхода внесен работами В.Н.Первиковой [163,164,165,166,168,169].
Рассматривая вопросы графического моделирования особо следует отметить метод В.П.Радищева [177,178], т.к. именно им был рассмотрен обширный комплекс вопросов, связанных с теоретическим исследованием многокомпонентных систем и предложен новый метод их изображения, который чаще всего используется и в современных работах.
Использование различных методов получения моделей, адекватных исследуемому процессу, обосновано желанием решения практических задач, при которых приходится сталкиваться с рядом неопределенностей при достаточно большом числе влияющих факторов и разбросом параметров. Естественно, что решать такие сложные задачи вручную не представляется возможным, а использование вычислительных машин требует аналитического описания поверхности. Отсюда возникает целесообразность использования графо-аналитического метода представления поверхности отклика в виде дискретного каркаса линий, задаваемых в аналитическом виде и лежащих в параллельных плоскостях. В современных работах обычно излагаются лишь отдельные теоретические и прикладные вопросы, связанные с графо-аналитическим моделированием. Автор ставит своей целью систематизировать имеющийся материал и предложить определенный, достаточно простой подход к моделированию многокомпонентных процессов и решению технологических задач.
Как известно, поверхность отклика в графическом изображении представляется каркасом линий. В том случае, когда в процессе используются два фактора Хи Х2 и один выходной параметр Y, исследуемая поверхность включает в себя два семейства линий, расположенные во фронтальных ( 11 OX\Y ) и профильных ( 11 OX2Y ) плоскостях уровня (Рис.6.1).
При частом подборе эмпирических кривых в общем случае можно получить "распад" поверхности на отдельные линии, т.е. поверхности как таковой не получится. Поэтому необходимо, чтобы узловые точки принадлежали линиям разных семейств.
Это требование является и достаточным для задания поверхности, т.к. по отношению к любой точке можно однозначно решить вопрос о ее принадлежности этой поверхности.
Чтобы сконструировать поверхность отклика, число уровней по первому фактору Х\ (фактору самого высокого ранга) выбирается наибольшим, и по полученным экспериментальным значениям выходного параметра подбираются эмпирические кривые каркаса поверхности отклика, лежащие во фронтальных плоскостях уровня. На подобранных кривых фиксируются теоретически полученные на модели точки, вместо соответствующих им экспериментальных. По второму фактору число уровней (количество точек поверхности) соответствует размерности и виду аппроксимирующей функции. С помощью такого построения получается жестко закрепленный в узловых точках каркас исследуемой поверхности.
При увеличении количества факторов до трех число уровней третьего фактора, так же как и второго, принимается в соответствии с характером аппроксимирующих кривых. Тогда вся гиперповерхность отклика представлена отсеками поверхностей, каждую из которых, в свою очередь можно представить состоящей из частей цилиндроидов.
Докажем, что отсеки поверхности отклика можно представить состоящими из цилиндроидов. Известно, что косая плоскость задается двумя скрещивающимися отрезками [113]. Если вместо отрезков прямых в определитель поверхности входят две ограниченные кривые линии, то они определяют поверхность цилиндроидов. К этому утверждению можно придти в результате следующих рассуждений.
Задав на кривых линиях, - направляющих поверхности, - точки пропорционального деления кривых и соединив их прямыми линиями, то по аналогии с косой плоскостью получим образующие поверхности, имеющие общую плоскость параллелизма. Таким образом, переходим к традиционному способу задания цилиндроидов - двумя направляющими кривыми линиями и плоскостью параллелизма.
Похожие диссертации на Очистка поверхностных вод озоном
