РАЗДЕЛ 2
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ДООЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД НА УСТАНОВКАХ С ВОЛОКНИСТО-ПЕНОПОЛИСТИРОЛЬНОЙ ФИЛЬТРУЮЩЕЙ ЗАГРУЗКОЙ
2.1. Методика лабораторных исследований, планирование экспериментов при проведении лабораторных исследований
В работе поставлена задача по определению оптимальных конструктивных и технологических параметров биореактора (БР) и контактного осветлительного фильтра (КОФ) при доочистке сточных вод, а именно:
? параметров волокнистой и пенополистирольной фильтрующих загрузок (диаметры частиц, коэффициент неоднородности, толщина фильтрующий слоев, густота размещения волокон);
? технологических параметров процесса фильтрования воды (скорость фильтрования, грязеемкость фильтров, продолжительность фильтроцикла);
? технологических параметров процесса регенерации фильтров (интенсивность и продолжительность промывки, объем промывной воды, способ подачи и отвода промывной воды).
Для ответа на эти вопросы необходимо провести лабораторные исследования с необходимым количеством опытов и требуемой точностью измерений. При этом ставится задача достижения необходимого качества доочищенной сточной жидкости при наименьших расходах на строительство и эксплуатацию водоочистных сооружений.
Качество очищенной воды и потери напора на фильтрах в і-тый момент времени на протяжении фильтроцикла зависят от таких основных факторов:
Сф.і = f (Cи.і; dэ; KH; Lф; Vф.і; Gг.і); (2.1)
hф.і = ? (dэ; KH; Lф; Vф.і; Gг.і), (2.2)
где Си.і та Сф.і - качество соответственно исходной и фильтрованной воды, мг/дм3; dэ і КН - соответственно эквивалентный диаметр, мм, и коэффициент неоднородности частиц фильтрующей загрузки; Lф - толщина фильтрующей загрузки, м; Vф.і - скорость фильтрования воды, м/ч; hф.і - потери напора на фильтре, м; Gг.і - удельная грязеемкость фильтрующей загрузки, кг/м2.
Следовательно, для правильного ответа на поставленные вопросы необходимо провести экспериментальные исследования, установить математические зависимости выражений (2.1) и (2.2) и выполнить технико-экономические расчеты.
Оптимальное количество измерений в многофакторных зависимостях (2.1) и (2.2) определяли по методу Бокса-Уилсона ?107? для того, чтобы правильно выбрать необходимый план исследований, построить математическое описание процессов очистки воды на БР и КОФ и выбрать самый короткий путь к оптимуму.
Этот метод дает возможность получить статистические математические модели процессов, используя факторное планирование, регрессионный анализ и движение по градиенту. Однако его можно использовать при выполнении следующих условий:
? множество всех факторов в уравнениях (2.1) и (2.2) задано;
? каждый из факторов подлежит управлению;
? исследования можно повторять;
? все исследования равноценные, т.е. разницей в их стоимости можно пренебречь;
? решается задача поиска оптимальных условий;
? математическая модель процесса неизвестна.
Идея метода Бокса-Уилсона состоит в том, что экспериментатор выполняет небольшие серии исследований и в каждой из них одновременно меняются по определенным правилам все факторы.
Математическую модель представляет уравнение, которое связывает параметр оптимизации с факторами, каждый из которых имеет свой уровень.
Параметр оптимизации - это реакция (отклик) на действие других факторов.
В данном случае параметром оптимизации является оптимальный технико-технологический результат, т.е. отыскивается такая конструкция установки и технология ее работы, при которой будет достигнуто необходимое качество очищенной воды Сф.і при наименьших строительных и эксплуатационных затратах (формулы 2.1 и 2.2):
- минимальные значения Сф.і; Lф и hф.і;
- максимальные значения Vф.і и Gг.і.
При планировании экспериментов факторы необходимо поддерживать постоянными на протяжении всех исследований. Так, при проведении гидравлических и технологических исследований на лабораторной установке необходимо поддерживать постоянными на протяжении экспериментов: качество исходной воды Си, скорость фильтрования воды Vф и температуру воды t?С. Если какой-то из факторов является неуправляемым (например, качество исходной воды), то его необходимо контролировать.
Факторы должны быть однозначными, совместимыми и независимыми. Степень точности измерений факторов определяется диапазоном их изменений на протяжении исследований. Опыт необходимо проводить при стабильном режиме работы установки. Число режимов, т.е. число значений того или другого фактора, при которых необходимо проводить исследования, должно быть не менее трех.
При выборе методов измерений и приборов очень важно, чтобы погрешности всех измерений, необходимых для расчетов, были одного порядка, поскольку неточное измерение лишь одной из величин обесценивает большую точность измерений всех остальных.
Процедура поиска оптимума, которая состоит в последовательном (шаг за шагом) приближении к истине, предусматривает следующее: выполняй короткие (насколько возможно) серии опытов; по их результатам строй математическую модель; используй модель для оценки градиента; делай новые опыты только в этом направлении. Следовательно, происходит циклический процесс приближения к области, близкой к оптимуму.
2.2. Схема лабораторной установки, методика проведения исследований, принцип работы установки и задачи лабораторных исследований
Лабораторные исследования БР и КОФ при доочистке сточных вод выполнялись на лабораторной установке, схема которой приведена на рис.2.1.
Эта установка была смонтирована на станции биологической очистки сточных вод "Северная" в г. Одессе.
Лабораторная установка состояла их таких основных элементов: аэратора (2) для насыщения сточной воды кислородом воздуха; бачка постоянного уровня (3) для обеспечения подачи исходной воды с постоянным