Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современных формальных и методических средств обработки экспертных оценок для сравнения различных вариантов технологического процесса
1.1 Формальные методы построения отношений предпочтения, основанных на функции штрафа 5
1.2 Формальные методы построения нечетких отношений предпочтения 8
1.3 Методика оценки безопасности химико-технологических процессов с использованием функций штрафа 14
1.4 Методика оценки процессов переработки опасных промышленных отходов по критерию риска 17
Глава 2. Разработка программного комплекса для оценки технологических процессов очистки воды, основанного на методе векторной стратификации 21
2.1 Метод векторной стратификации 21
2.2 Методика оценки технологических процессов методом векторной стратификации 24
2.3 Критериальная структура показателя эффективности технологической операции 25
2.4. Построение таблиц стратификации 32
2.5. Структура программного комплекса экспертной оценки технологических процессов очистки воды 34
Глава 3. Тестирование программного комплекса на примере анализа вариантов переработки растворов хемочистки на Ефремовском заводе синтетического каучука 38
3.1. Условия образования, хранения и возможной переработки растворов хемочистки на Ефремовском заводе синтетического каучука 38
3.2. Альтернативные схемы переработки растворов хемочистки 39
3.3. Оценка вариантов извлечения меди из отработанных растворов хемочистки по критерию риска 44
3.4. Оценка вариантов извлечения меди из отработанных растворов хемочистки методом векторной стратификации 45
Глава 4. Оценка и выбор технологии водоподготовки для Иордании 49
4.1 Особенности проблем водоподготовки в условиях Иордании 49
4.2. Сравнение вариантов коагуляционной очистки 51
4.3. Сравнение вариантов обезвреживания питьевой воды применительно к условиям Иордании 60
Заключение 66
Литература 67
- Методика оценки безопасности химико-технологических процессов с использованием функций штрафа
- Критериальная структура показателя эффективности технологической операции
- Оценка вариантов извлечения меди из отработанных растворов хемочистки методом векторной стратификации
- Сравнение вариантов обезвреживания питьевой воды применительно к условиям Иордании
Введение к работе
Для многих стран Ближнего Востока, к числу которых относится и Иордания, проблема рационального водопользования является жизненно важной проблемой. Оценка существующего состояния систем водоподготовки и очистных сооружений, выдача рекомендаций по их возведению, реконструкции или замене является весьма трудоемким и дорогостоящим делом. Ошибка в выборе технологии приводит к неоправданным экономическим потерям, низкой эффективности в очистке воды и преждевременному выходу из строя оборудования. Неэффективные технологии, особенно для процессов очистки промышленно-бытовых сточных вод, могут сопровождаться травмами персонала и представлять угрозу для окружающей среды. Поэтому разработка методик, позволяющих осуществлять выбор схем подготовки воды для различных целей на уровне проектирования, является актуальной научной проблемой для Иордании.
Цель работы состоит в создании программного комплекса, использующего современные методы экспертных оценок, для выбора наименее опасных технологий применительно к процессам водоочистки с учетом условий Иордании.
Для достижения указанной цели ставятся и решаются следующие задачи: анализ современных математических, методических и программных средств обработки экспертных оценок; разработка программного комплекса, предназначенного для экспертной оценки различных вариантов технологических процессов водоочистки; построение критериальной структуры, вербальных шкал интенсивности критериальных свойств, функций стратификации; программно-техническая реализация комплекса; тестирование комплекса; практическое применение комплекса для технологических процессов водоподготовки в условиях Иордании.
Для достижения поставленных целей в работе использованы современные методы экспертных оценок, опирающиеся на теорию принятия решений, теорию риска, теорию нечетких множеств и метод векторной стратификации.
В работе получены следующие новые результаты: разработан программный комплекс процедур экспертной оценки процессов очистки воды, обеспечивающий выбор наименее опасных технологических процессов; составлен, структурирован и ранжирован список опасных и вредных производственных факторов; в рамках метода векторной стратификации выполнено построение критериальной структуры показателей эффективности технологического процесса водоочистки, вербальных шкал интенсивности критериальных свойств, функций стратификации.
Результаты, полученные в работе, использованы для оценки и выбора вариантов технологических процессов водоподготовки для Иордании, в частности, для выбора метода коагуляционной очистки и последующего обеззараживания* вод. Различные варианты указанных технологических процессов сравнивались методом векторной стратификации; в результате были выбраны методы коагуляции с использованием электрокаталитического реактора и синергетической деструкции.
Методика оценки безопасности химико-технологических процессов с использованием функций штрафа
Методика оценки безопасности химико-технологических процессов разрабатывалась на кафедре прикладной экологии и охраны труда в МИТХТ с 1983 г. [14-18]. Блок-схема методики приведена на рис. 1.1.
Согласно этой методике оценка и выбор наиболее безопасного варианта производства, аппаратурно-технологическои схемы, технологии представляет собой поэтапный процесс. В начале строится вариант предлагаемого процесса. На этом же этапе рассчитываются массы всех обращающихся в процессе веществ. Исходными данными для расчета являются продукты, вещества и материалы, вовлекаемые в производственный цикл, состав и распределение компонентов в реакционной среде. По существу составляется материальный баланс анализируемого варианта.
Анализируемый вариант технологического процесса представлен рядом последовательных химических реакций и физических превращений исходного продукта в конечные. По результатам этих превращений формируются массивы выбросов в окружающую среду, распределяемые по зонам оценки: рабочая зона, промплощадка, ближняя природная среда (территория за оградой предприятия).
Оценка, проводимая на ЭВМ, формируется двумя составляющими: параметрической и непараметрической. В основе оценки лежит сравнение выявленных опасностей и вредностей анализируемого варианта со списком факторов химико-технологического производства - потенциальных источников опасностей и вредностей для человека и окружающей среды.
Целью экспертизы являлось выявление наиболее существенных источников опасных и вредных производственных факторов ХТП. Экспертиза проводилась по методике, описанной в работе [19]. В результате проведения экспертизы был сформирован список факторов ХТП - потенциальных источников опасных и вредных производственных и экологических факторов и шкалы для непараметрической оценки этих факторов.
Параметрическая (количественная) оценка была предложена для оценивания состояния трех сред: воздуха, воды и почвы. Загрязнение воздуха в рассматриваемой зоне определялось по массе выбросов в эту зону. Для этого рассчитывалось поле концентраций для каждого загрязняющего вещества, присутствующего в выбросе и/или среднее значение концентрации рассматриваемого компонента в зоне оценки. Затем определялся комплексный показатель, характеризующий уровень загрязнения воздуха.
Ущерб водному бассейну рассчитывался по формуле, рекомендуемой нормативными документами [20]: где Эуд- показатель удельного ущерба на единицу приведенного объема сточных вод, руб./мнл. куб. м; П- приведенный объем сточных вод, млн. куб.м/год. Показатель "П" представляет собой условную величину, позволяющую в сопоставимом виде (путем разбавления до нормированной величины, равной ПДК примеси) выразить вредность загрязняющих ингредиентов, которые содержатся в сточных водах различных производств. В качестве оценочного показателя для почвы принимался экономический ущерб, связанный с изъятием земель под санитарные (контролируемые) свалки (полигоны). Для расчета применялось следующее выражение: где Сг- стоимость 1 га изъятой земли (земли, выведенной из сельскохозяйственного использования) с учетом района изъятия, руб.; К-количество изъятой земли, га. Таким образом, процедура оценки вариантов в разработанной методике разбивается на следующие этапы: указание факторов производственных опасностей и вредностей, присутствующих в рассматриваемом варианте процесса; оценка (параметрическая и непараметрическая) выбранных факторов; выбор наиболее безопасного варианта процесса. Для получения отношений предпочтений была сформирована группа экспертов из 9 человек. Каждому эксперту был предложен список из 35 факторов с просьбой оценить по степени важности факторы производства по трехбалльной шкале: 1- наиболее опасный, 2- средний по опасности, 3-наименее опасный. Результаты экспертизы были проанализированы с помощью кластер-анализа. Степень важности каждого фактора (по существу его вес) рассчитывалась по формуле, приведенной в главе 2: К=9 - количество экспертов, kjS - количество экспертов, включивших j-й фактор в s-й класс; vs - значимость группы факторов; приняты vi =3, V2 =2, V3 = 1. Для определения величины штрафов была также проведена экспертиза. В экспертную группу вошли те же 9 специалистов. Перед ними была поставлена задача по девятибалльной системе определить влияние оценок по каждому фактору группы на общую оценку варианта ХТП. По результатам экспертизы были рассчитаны средние значения штрафов для каждой оценки по всей совокупности факторов. В качестве базового оценочного функционала выбран риск. Для его определения используется концептуальная модель принятия рискованных решений, детально описанная Р.Кетлинским [21]. В интерпретации Ю.Козелецкого [21] эта модель выглядит так: R = 3,12 СВП+ 1ёВП, где СВП- субъективная вероятность проигрыша (потерь); ВП - величина проигрыша (потери в денежном исчислении). Коэффициент 3,12 показывает большой вес вероятностной составляющей. Корреляция между величиной риска, вычисленной по этой формуле и субъективными оценками людей, достигает 98%. Для определения риска следует рассчитать все составляющие в этой формуле.
Критериальная структура показателя эффективности технологической операции
Декомпозиционный подход основан на использовании смыслового содержания заданной формулировки цели для определения и структуризации конкретизирующих ее критериальных свойств, т.е. для построения критериально-целевой структуры. Такую структуру удобно строить, используя метод последовательной дихотомии. Существует два варианта этого метода: ассиметричный и симметричный. В первом варианте лицу, принимающему решение, предлагается для построения бинарной структуры пользоваться принципом выделения главного критериального свойства из обобщающего свойства. Во втором варианте обобщающее критериальное свойство делится на два близких по важности критериальных свойства [25].
Построение критериально-целевых структур производится следующим образом. Исходя их определения цели, для достижения которой решается многокритериальная задача, формируется комплексное (обобщающее) свойство Ко, характеризующее степень соответствия оцениваемых объектов их целевому назначению. Далее строится структурная схема взаимосвязей Ко с обеспечивающим его локальным критериальным свойством Kj. Построение указанной схемы основывается на анализе Ко и является творческим процессом. Возможна некоторая формализация приемов, упорядочивающих и обеспечивающих этот процесс. Первым шагом в этой формализации является использование принципа последовательной дихотомии на каждом этапе анализа. Это ограничение на схему анализа упорядочивает процесс анализа, делает его единообразным и создает основу для конструктивного сравнения результатов анализа, проводимого разными лицами. Границы ветвления дихотомического дерева критериев, т.е. число его уровней, определяются возможностями экспертов давать однозначную оценку степени интенсивности критериальных свойств, принимаемых в качестве элементарных.
Для построения иерархической структуры критериальных свойств необходимо привлечь специалистов - экспертов. Иерархическая схема организации экспертизы строится путем зеркального отображения схемы взаимосвязей критериальных свойств [24]. В задаче векторной стратификации интенсивности критериальных свойств выражаются в словах. Шкалы интенсивностей критериальных свойств, выраженные в словах, называются вербальными или лингвистическими. Неравномерность вербальных шкал вызывает различие в установлении их значений экспертами. В свою очередь, это вызывает серьезные затруднения при обработке оценок. Авторы работы [24] рекомендуют использовать шкалу Харрингтона [26], ранее использованную при анализе покупательского спроса. Эта шкала включает 5 вариантов оценки. Статистическим путем были установлены численные интервалы (х) для этих оценок:
Анализ таблиц стратификации показывает, что границы между стратами возможно апроксимировать кривыми астроидального типа: Варьируя параметрами а, Ь, с и p/q, можно описать границы между стратами в таблице. Неопределенность, присущую многокритериальным задачам, часто удается уменьшить за счет выявления системы предпочтений эксперта на некотором опорном множестве ситуаций. Выявление системы предпочтений - наиболее сложный и ответственный этап формирования решающего правила. Для выявления предпочтений часто используют результаты сравнения гипотетических объектов, отличающихся оценками по двум критериям при максимальных оценках по всем остальным критериям. Такая информация обладает хорошей устойчивостью при повторном получении, но возможно нарушение транзитивности. Для восстановления транзитивности разработаны специальные процедуры. В работах, посвященных проблемам применения методов векторной стратификации, показано, что ЛПР в процессе классификации объектов, отличающихся оценками по 2-3 критериям, формирует некоторое решающее правило, и дальнейшее увеличение критериев не ведет к росту неустойчивости классификаций. Относительная величина расхождений во мнениях между различными ЛПР с ростом числа критериев снижается. 2.2 Методика оценки технологических процессов методом векторной стратификации Общая методика принятия решений, основанная на реализации метода векторной стратификации с помощью последовательной дихотомии, предложена в [27]: 1. Априорное задание бинарного типа критериальной структуры. 2. Анализ и уточнение формулировки цели, заданной на естественном языке. 3. Построение критериальной структуры бинарного типа посредством дихотомической конкретизации формулировки цели. 4. Построение вербальных шкал интенсивных критериальных свойств. 5. Формирование экспертных групп. 6. Построение функции стратификации - иерархической системы таблиц стратификации в координатных плоскостях критериев. 7. Проверка надежности информации в таблицах стратификации. 8. Корректировка таблиц стратификации по информации, полученной от ЛПР. 9. Экспертная оценка интенсивностей критериальных свойств рассматриваемых объектов. 10. Стратификация оцениваемых объектов. Применительно в оценке технологических процессов основным критерием выбора является эффективность технологического процесса. Современная интерпретация концепции риска ставит перед исследователями задачу включения основных показателей, формирующих риск, в число показателей эффективности процесса. В конечном счете эффективность технологического процесса формируется его технологичностью и безопасностью. Так как любой технологический процесс есть совокупность технологических операций, то, говоря об эффективности технологической операции следует рассматривать такие комплексные критерии как "технологичность" операции и ее безопасность [28].
Оценка вариантов извлечения меди из отработанных растворов хемочистки методом векторной стратификации
Для всех стран Ближнего Востока (например, Палестины, Израиля) проблема обеспечения водой является одной из наиболее важных. Однако для Иордании сегодня эта проблема является жизненно важной. Рациональное водопользование для Иордании напрямую увязано с проблемой питьевого водопользования, очисткой использованной (сточной) воды, применением природных и сточных вод для орошения, сельскохозяйственного и промышленного производства.
Чтобы лучше понять остроту водной проблемы, следует хотя бы кратко коснуться некоторых физико-географических и демографо-экономических особенностей этой страны.
Иордания (официальное название Хошимитское Королевство Иордания)-государство в Западной Азии. Согласно данным ООН (1959 год) площадь- 96,6 тыс. кв. км. Основная часть поверхности Иордании представляет собой пустынное плоскогорье, понижающееся с запада на восток от 1300 до 800 м. В районе впадины и долины реки Иордан с левыми притоками реками Ярмук и Нахр-эз-Зерна находятся более плодородные и обжитые земли. Климат субтропический с сухим жарким летом. Максимальная температура в августе во впадине Гхорр до +50 град.С. Зима мягкая с дождями ливневого хварактера. Наибольшее количество осадков в западных районах 500-800 мм в год, в восточных районах- менее 100 мм.
Речную сеть Иордании образуют водотоки, преимущественно сезонные, текущие только зимой в период дождей (так называемые "вади"). В зимнее время их довольно много. Однако к весне количество воды в вади постепенно уменьшается, и с наступлением лета они пересыхают. В Иордании довольно много артезианских колодцев и родников, используемых для искусственного орошения. В горах и на плато родники изливают ежегодно около 79 млн. куб.м воды. Кроме того, 60-65 млн. куб м можно было бы перекачивать на поля из искусственных скважин [29]. . Население Иордании по данным переписи 1961 г. составляло 1706226 человек [30]. По перспективной оценке ООН численность населения Иордании к 2000 г. составит 6 млн. человек, а в 2025 году-13366 млн. человек [31].
Промышленность в Иордании развита слабо. Основные отрасли -горнодобывающая, пищевая и производство стройматериалов. Около 70% промышленных предприятий сосредоточенно в Аммане и его окрестностях. Преобладают мелкие предприятия: цементный, химический завод, текстильные фабрики [32].
Согласно [33] бассейн на востоке Иордании, покрывающий 12000 кв. км, уже к настоящему времени истощен переэксплуатацией водоносного слоя. Рекомендовано изменить режим использования данного бассейна.
Чтобы лучше представить себе возможные пути улучшения (оптимизации) водопользования в Иордании, следует выяснить, как эти вопросы решаются, в первую очередь, в географически близких к ней странах. В работе [34] отмечается, что для решения проблемы дефицита водных ресурсов в Палестине необходимо развитие системы водоснабжения посредством прокладки водопроводных сетей в сельских районах. Для умножения водных ресурсов наиболее целесообразно использование очищенных сточных вод всех видов. Для этой цели необходимо создание очень простых, недорогих и легкоуправляемых систем водоочистки, а также создание систем рециркуляции стоков и пропаганды необходимости их использования. Очищенные сточные воды могут быть использованы для ирригации.
В связи с большой загрязненностью поверхностных вод в большинстве стран нашего мира, включая страны Ближнего Востока (Палестина, Иордания, Израиль), в качестве источников питьевого водоснабжения достаточно часто используют подземные (грунтовые) воды. Однако во многих странах Европы (Финляндия, Норвегия, Швеция, Германия, Венгрия, Бельгия, Голландия, Италия), а также в США и Канаде наблюдается значительное ухудшение качества грунтовых вод. Известно, что на многих территориях увеличение минерализации воды и возрастание концентраций многих анионов и катионов в водоносных горизонтах связано с использованием органических и минеральных удобрений, а также с другими источниками локальных и региональных загрязнений воды в подземных горизонтах [35].
Неглубоко залегающие водоносные горизонты оказались наиболее чувствительными к загрязнению атмосферными осадками, в составе которых отмечается устойчивое содержание анионов сильных кислот и катионов водорода.
Устойчивое загрязнение атмосферными осадками привело к заметному ухудшению качества речных и озерных вод во многих регионах мира [36].
Следует отметить, что подземные и грунтовые воды в Иордании также сильно загрязнены. В числе загрязнителей металлы, в частности железо, и органические соединения. Некачественная вода может служить источником заболевания человека и требует создания специальных систем очистки. Кроме того, недостаточная степень очистки сточных вод и их просасывание в почву ведет к дополнительному (вторичному) загрязнению подземных вод, создавая тем самым "порочный круг".
Таким образом, совершенно ясно, что выбор оптимальных режимов водопользования является принципиально важным для повседневной научной деятельности в Иордании.
Учитывая реальное состояние водных проблем Иордании, основное внимание обращено на методы водоподготовки питьевой воды. Однако следует стремиться к возможному выбору универсальных процессов водоочистки, которые могут быть применимы и для очистки сточных вод.
Среди методов обезвреживания традиционное первое место занимает хлорирование. Однако недостатки этого метода настолько очевидны, что постоянно рассматриваются альтернативные методы, например озонирование или безреагентные методы, в том числе обработка воды ультрафиолетовым (УФ-) излучением.
Сравнение вариантов обезвреживания питьевой воды применительно к условиям Иордании
При осветлении и обесцвечивании воды коагулированием с последующим отстаиванием и фильтрованием из нее удаляется значительная часть (90...95%) бактерий. Однако среди оставшейся части могут оказаться болезнетворные бактерии и вирусы, а также трудно очищаемые примеси органических соединений. Поэтому профильтрованную воду, если она используется для хозяйственно-питьевого водоснабжения, обязательно обеззараживают, использование подземной воды в большинстве случаев возможно без обеззараживания [39].
Известные в настоящее время методы обеззараживания (доочистки) воды можно подразделить на четыре основные группы. В основе первой группы лежат термические методы. Вторая группа образована сильными окислителями. В третьей группе обезвреживание .происходит за счет действия ионов благородных металлов. Четвертая группа сформирована методами физического воздействия (ультразвук, ионизирующее и УФ- излучение). На практике предпочтение отдается окислительным процессам и в качестве реагентов использую хлор, гипохлорит натрия и озон.
Из материалов, приведенных в разделе 4.1, видно, что для условий небольших поселков и коттеджей в Иордании, где системы водоснабжения и водоотведения находятся, по большей части , в неудовлетворительном состоянии или отсутствуют вообще, предпочтение следует отдать установкам очистки, ведущим узлом которых является электрокаталитический (электрохимический) реактор. В паре с этим аппаратом (узлом) должна работать установка по обезвреживанию. Ведущими процессами на такой установке может быть хлорирование теми или иными агентами, озонирование или обработка физическими факторами.
Процессы хлорирования и озонирования с конкретными режимами обработки, также как и обеззараживание воды бактерицидным излучением (ультрафиолет в области от 200 до 400 мкм в зависимости от источника облучения) детально описаны в [39] и поэтому в диссертации не повторяются. Однако их совместное применение, обладающее так называемым "синергетическим эффектом", в литературе по водоподготовке не описывается. Поскольку для оценки была выбрана установка, использующая метод синергетической деструкции, следует более подробно рассмотреть особенности комбинированного метода.
Методы комбинированного фотохимического окисления являются наиболее предпочтительными для доочистки воды от трудноокисляемых органических поллютантов. Причем из ряда разновидностей в работе [40] были выбраны методы фотохимического окисления, использующие комбинации УФ/Оз, УФ/Н2О2, О3/Н2О2, УФ/О3/Н2О2, как наиболее эффективные и развитые в нашей стране и за рубежом. Известно, что наличию синергизма (результирующее воздействие больше суммы отдельных воздействий) при окислении трудноокисляемых химических соединений данные методы обязаны эффективной генерации одних из наиболее сильных окислителей - ОН-радикалов. Последние являются неспецифическими окислителями с высокими значениями констант скоростей реакций с большинством органических соединений.
Следует отметить, что при обезвреживании воды комбинированными методами требуется с особым вниманием отнестись к дозе окислительных реагентов и скоростям их подачи не только из-за ограничений на величины предельно допустимых концентраций окислителей, но и для обеспечения условий оптимизации протекания процессов - передозировка окислительных реагентов может существенно увеличить и время обработки и ее стоимость [41,42].
При реализации данного окислительного процесса необходимо оценивать и степень токсичности воды. Специфические особенности выбранного метода очистки воды с использованием сильных окислителей и УФ-излучения требуют, кроме контроля обычных гидрохимических показателей, применения специальных критериев и тест-систем, которые наиболее адекватно отражают степень возможной редокс-токсичности воды и поддаются автоматизации. Известно также, что методы комбинированного окисления эффективно очищают сельскохозяйственные стоки от пестицидов и инсектицидов. Возможно применение синергетических реакторов для получения особо чистых вод в фармацевтической и пищевой промышленностях, а также при производстве полупроводниковых приборов [40].
Реализация технологических процессов и конструкционное решение аппаратной базы определяются физико-химическими свойствами используемых окислительных агентов. Озон представляет собой нестабильный газ, он должен генерироваться на месте и вводиться в реактор в виде мелких пузырьков. Поэтому в состав системы озон/ультрафиолет должен входить озонатор. Перекись водорода является относительно стабильной жидкостью, которую можно транспортировать и хранить на месте использования. Этот реагент предварительно смешивается в определенных пропорциях с очищаемой водой и затем подается в оснащенную ультрафиолетовыми излучателями реакционную емкость, где и происходит разложение основной массы органических веществ Ультрафиолетовые лампы не могут находиться в непосредственном контакте с водой, поэтому их обычно помещают вовнутрь кварцевых трубок, которые защищают лампы и в то же время не препятствуют распространению ультрафиолетовых волн в водной среде [43].
Простейшая синергетическая установка содержит источник ультрафиолетового излучения, располагаемый в кварцевом чехле в реакторе так, чтобы обеспечить равномерное облучение очищаемой воды, блок питания источника излучения, озонатор, емкость для пероксида водорода, системы подачи химических окислителей в воду.
В России существует синергетический реактор для системы пероксид водорода/ультрафиолет [44]. Общий вид реактора приведен на рис.4.3. В качестве источника УФ-излучения использована бактерицидная лампа ДРБ-36. Максимальная производительность установки - 5 куб.м /час, реальная - зависит от количественного и качественного состава загрязнений. Установка может включать в себя систему озонирования (что позволит обрабатывать воду в любой из возможных бинарных окислительных систем или в тройной системе реагентов) и приборы контроля токсичности воды.
