Введение к работе
Актуальность темы
Экологическая обстановка крупных городов и прилегающих к ним территорий и водоемов во многом определяется надежной и эффективной работой системы водоотведения (канализации), обеспечивающей отведение всех категорий сточных вод, их очистку, а также обработку и использование осадков, образующихся в процессе очистки.
Основные фонды СВКГ оцениваются в миллиарды рублей. Ежегодные эксплуатационные расходы, например, для системы канализации Санкт-Петербурга, составляют свыше 1 млрд. руб. (1,094 млрд. руб. в 1999 г.), поэтому даже незначительное сокращение расходов дает ощутимый экономический эффект.
Система водоотведения крупного города (СВКГ) имеет ряд особенностей:
наличие коллекторов глубокого заложения, большое количество насосных станций (НС), выпусков, значительная протяженность сетей;
наличие нескольких канализационных очистных станций;
разное техническое состояние, надежность и эффективность отдельных элементов СВКГ;
большой объем производственных сточных вод, отводимых на городские канализационные очистные станции (КОС), как при их предварительной обработке на локальных очистных сооружениях (ЛОС), так и без них;
использование системы водоотведения для приема снега, при уборке его с городских территорий;
значительная неравномерность притока сточных вод, увеличение их количества во время дождей и в период снеготаяния, которое особенно велико при наличии в СВКГ общесплавных сетей.
Сложности с транспортировкой, складированием (депонированием) и утилизацией (использованием) осадков сточных вод.
Кроме того, очистные сооружения в СВКГ, как правило, требуют расширения или реконструкции из-за дефицита пропускной способности или несоответствия современным требованиям к качеству очистки, в частность по удалению биогенных элементов, влияющих на эвтрофикацию водоемов — приемников сточных вод.
Эффективность СВКГ в итоге определяется обобщеїшьіми саші-тарно-экологическими или технико-экономическими показателями.
Санитарные показатели могут входить составной частью в экологические, имеющие более широкое значение или оцениваться отдельно.
Санитарно-экологаческие показатели СВКГ можно оценить по ко-
личеству загрязнений (общих, включая бактериальные, или по отдельнь№ наиболее характерным ингредиентам), поступающих в природную сред) при функционировании СВКГ, и их относительными величинами по срав нению с предельно допустимыми сбросами (ПДС).
Следует отметить, что ПДС, определяемые исходя из предельно допустимых концентраций (ПДК) веществ, установленных для водоемої той или иной категории и вида водопользования, могут отличаться от до пустимых сбросов, найденных исходя из экологически допустимых кон центраций (ЭДК), которые должны быть региональными, комплексно учи тывающими абиотические, биотические, антропогенные факторы и резер вы экосистем.
Технические показатели СВКГ характеризуют энергоемкость, по требление реагентов, характеристики оборудования, пропускная способ ность и надежность элементов СВКГ, методы строительства и эксплуата ции и др.; экономические показатели - строительная стоимость объектен СВКГ, приведенные затраты, себестоимость услуг по отведению и очистк< стоков, компенсации за ущерб, наносимый окружающей среде и др.
Технические характеристики СВКГ влияют на экологические і экономические показатели, затрагивают социальные вопросы, связанные < условиями труда, возможностью автоматизации процессов, численностьк обслуживающего персонала. Причем в ряде случаев при разных инженер но-технических решениях можно получить близкие по значениям экологи ческие и экономические характеристики СВКГ.
На эффективность работы СВКГ, кроме того, оказывают влиянш существующая нормативно-правовая база и организация эксплуатацш СВКГ.
Взаимосвязанность экологических, инженерно-технических, эко номических, организационно-управленческих вопросов требует системно го анализа и комплексного подхода при решении задачи повышения эф фективности СВКГ.
Возможности совершенствования функционирования СВКГ, осно ванные на опыте обслуживающего персонал, оказываются практичеы» исчерпанными, поэтому важным элементом повышения эффективное является автоматизация технологических процессов. Отдельные научно обоснованные решения по СВКГ должны приниматься на стадии проектирования или учитываться при реконструкции отдельных элементов СВКГ.
Целью данной работы является научное обоснование и определение основных 'направлений совершенствования инженерно-техническю решений, нормативных показателей и организации эксплуатации СВКГ обеспечивающих повышение ее надежности и эффективности.
В соответствии с целью работы были поставлены и решались следующие задачи:
На основе системного анализа выявить основные факторы, влияющие на эффективность СВКГ, и оценить их значимость;
Разработать принципы математіиеского моделігрования СВКГ, позволяющие оценивать надежность и эффективность функционирования СВКГ на стадіш проектирования и эксплуатации;
Провести анализ гидравлических особенностей транспортировки, режимов поступления, загрязнеішости и влияния на водоем сточных вод;
Дать интегральную оценку экологического воздействия и влияния отдельных ингредиентов при выпуске сточных вод в водоемы;
Выполнить исследования и дать предложения по совершенствованию отдельных злемеїггов СВКГ и оценке их надежности, направленные на повышение эффективности всей системы водоотведення;
Разработать основные подходы поэтапного повышения эффективности СВКГ за счет совершенствования нормативной базы инженерно-технических решений и повышения надежности элементов системы водоотведення, внедрения новых организационно-управленческих и экономических подходов.
На защиту выносятся:
Результаты системного анализа факторов, влияющих на эффективность СВКГ.
Развитие теоретических положений по особенностям безнапорного движения сточной жидкости в сетях водоотведення.
Результаты регрессионного анализа влияния на водоем ряда ингредиентов, содержащігхся в сточных водах.
Подходы по оценке и повышению надежности, а также технические решения по совершенствованию элементов СВКГ.
» Математическая модель и принципы управления потокораспределени-ем при эксплуатации и поиске наилучших решений на стадии проектирования СВКГ.
Принципы повышения технологической и организационной управляе
мости СВКГ в современных экономических условиях.
Научная новизна работы заключается в следующем: Определена степень влияния отдельных факторов на эффективность функционирования системы водоотведення, являющаяся основой для выбора научно-обоснованной стратегии развития и управления СВКГ. Даны теоретические обоснования и уточнения закономерностей безнапорного течения сточных вод в сетях водоотведення.
Выявлена динамика изменения расходов и концентраций загрязнений стоков в общесплавных коллекторах СВКГ, что позволяет обоснованно регулировать режим водоотведения и очистки сточных вод с учетом пропускной способности сооружений (элементов СВКГ) и экологических факторов.
На основе интегрального показателя получены ЭДК отдельных ингредиентов при сбросе сточных вод в акваторию Невской Губы.
Предложены подходы по интегральной оценке эксплуатационной надежности элементов и управляемости СВКГ.
Сформулированы принципы структурного построения и разработана математическая модель СВКГ, позволяющие обеспечить рациональную работу системы водоотведения в период эксплуатации и выбор наиболее экономичного варианта на стадии проектирования с учетом надежности структурных элементов и управляемости системы.
Практическая значимость и внедрение результатов исследований
На основе математической модели СВКГ составлена программа расчета на ЭВМ, позволяющая принимать обоснованные решения на стадии проектирования (развития) СВКГ и оптимизировать потокораспреде-ление при эксплуатации системы водоотведения. Проведена оценка надежности отдельных элементов СВКГ и даны предложения по ее повышению. Результаты работы были использованы при корректировке Генеральной схемы канализации Санкт-Петербурга, при разработке плана корпоративного развития ГУЛ "Водоканал Санкт-Петербурга" на 1999-2005 гг.
Выявленная методом экспертных оценок значимость факторов, влияющих на эффективность СВКГ, позволяет определять стратегические направления развития системы водоотведения, совершенствования организационной структуры управления и технического оснащения СВКГ. Эти результаты были использованы при составлении и реализации плана НТП, а также при совершенствовании организационной структуры ГУЛ "Водоканал Санкт-Петербурга".
Составлены таблицы гидравлического расчета безнапорных трубопроводов, более точно учитывающие гидравлические закономерности движения сточных вод и согласующиеся с натурными измерениями скоростей и расходов.
На базе ЭДК по отдельным ингредиентам рассчитаны допустимые концентрации этих загрязняющих веществ в сточных водах, при сбросе их в водоем; в частности, установлена разная необходимая степень очистки сточных вод по фосфору для ЦСА и ССА.
Апробация работы
Основные положения и результаты исследований докладывались и получили положительную оценку на международных и российских конгрессах, конференциях, симпозиумах: "Сточные воды большого города" -Ленинград, 1989; "Международный Стокгольмский водный симпозиум" -Стокгольм, 1993, 1997, 1999; международных конгрессах "Вода: экология и технология" - Москва, 1994, 1996, 1998; "Проблемы обработки осадков сточных вод" - Ченстохов, Польша, 1995; "Реконструкция С.-Петербурга", 1995; "Актуальные проблемы коммунального водоснабжения и водоот-ведения" -Кошалин, Польша, 1997; международной конференции "Финский залив" - С.-Петербург, 1996, 1998; съезде Союза НИО "Концепция развития С.-Петербурга" - 1995; научных конференциях СПбГАСУ - 1992-2000; конференциях Ассоциации Водоканалов России -1993—1999; 5-ом международном конгрессе по прокладке трубопроводов -Гамбург, ФРГ, 1997; конференции МАНЭБ "Белые ночи" - С.-Петербург, 1999; Российско-датско-финском семинаре по водным ресурсам, СПб., 2000.
Личный вклад соискателя
Соискатель являлся разработчиком теоретических положений, был организатором, руководителем или участником выполнения и внедрения всего комплекса представленных научно-исследовательских работ.
Лично автором проведен анализ состояния проблемы на основе литературных источников и материалов предыдущих исследовашш, выполнено их теоретическое обобщение, сформулированы цели и задачи исследований, даны теоретические обоснования и уточнения закономерностей безнапорного течения сточных вод по трубам. Определена степень влияния различных факторов и пути повышешм надежности, управляемости и эффективности СВКГ, разработана математическая модель для управления и развития СВКГ.
Публикации
Основные результаты исследований опубликованы в 54 работах, включая монографин, учебно-справочную и нормативную литературу, патенты и авторское свидетельство на изобретение.