Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Обеспечение автономности плавания по условиям экологической безопасности судов речного флота

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Обеспечение автономности плавания по условиям экологической безопасности судов речного флота"

На правах рукопись

<?л

Горин Николай Леонидович

ОБЕСПЕЧЕНИЕ АВТОНОМНОСТИ ПЛАВАНИЯ ПО УСЛОВИЯМ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ СУДОВ РЕЧНОГО ФЛОТА

Специальность 03.02.08 Экология (транспорт) (технические науки)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 МАП 2012

Нижний Новгород - 2012

005018911

Работа выполнена в ФБОУ ВПО «Волжская государственная академия водного транспорта».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

заслуженный работник Высшей школы РФ

Этин Владимир Львович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Наумов Виктор Степанович

кандидат технических наук, доцент Васильев Сергей Александрович

Ведущая организация: ФБОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта» (г. Новосибирск).

Защита состоится «15» мая 2012 г. в 15:00 часов в аудитории 231 на заседании диссертационного совета Д223.001.01 при Федеральном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Волжская государственная академия водного транспорта» по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФБОУ ВПО «ВГАВТ».

Автореферат разослан «» апреля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

А.Н. Ситнов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

В «Концепции развития внутреннего водного транспорта» (распоряжение Правительства Российской Федерации от 3 июля 2003 г. № 909-р) отмечается, что водный транспорт является наиболее экологически безопасным видом транспорта. Поэтому «...обеспечение экологической безопасности на внутренних водных путях (ВВП) должно оставаться одним из приоритетов государственной политики в области управления внутренним водным транспортом (ВВТ)».

Очевидно, что уровень экологической безопасности ВВТ главным образом зависит от экологической безопасности флота, работающего на ВВП.

Анализ этой проблемы показывает, что наибольшие трудности возникают при решении задач предотвращения загрязнения ВВП хозяйственно-бытовыми сточными водами (ХБСВ) с судов. Это связано с тем, что органами Роспотребнадзора РФ запрещается сброс неочищенных ХБСВ в водные объекты и одновременно ограничивается срок их хранения на борту судна.

Соответственно возникает необходимость частого выполнения судами операций по сдаче ХБСВ на внесудовые приемные устройства (ПУ). При этом плотность расстановки ПУ на реках РФ в 10...20 раз ниже, чем, например, на реках Западной Европы. Недостаточное количество ПУ и ограниченная автономность плавания судов по условиям хранения ХБСВ в некоторых случаях вынуждают капитанов сбрасывать их в водоем, создавая опасность возникновения и распространения различных заболеваний среди населения, проживающего в прибрежной зоне.

Не решает проблемы и установка на борту судов систем и устройств для обезвреживания ХБСВ. Это связано с тем, что органами Роспотребнадзора РФ в соответствии с СанПиН 2.1.5.980-00 запрещается сброс очищенных ХБСВ в зонах санитарной охраны поверхностных источников водоснабжения населения.

С учетом плотности расположения этих зон на судоходных реках России, количество и протяженность участков ВВП, на которых допускается сброс очищенных ХБСВ существенно сокращается. Кроме того, наличие ограничений на сброс любых стоков на акваториях особо охраняемых водных объектов, имею-

щих природоохранное, научное, культурное, эстетическое, рекреационное и оздоровительное значение, вообще делают этот способ обеспечения экологической безопасности экономически мало приемлемым для подавляющего большинства транспортных судов речного флота. Исключение составляют только крупные туристические суда, достаточно часто посещающие крупные порты, оборудованные ПУ.

Таким образом, в настоящее время единственным приемлемым для большинства речных судов способом обеспечения экологической безопасности по ХБСВ является хранение неочищенных сточных вод в соответствующих судовых цистернах с последующей сдачей их на внесудовые ПУ. Этот способ рекомендуется «Техническим регламентом о безопасности объектов внутреннего водного транспорта» (постановление Правительства РФ от 12 августа 2010 г. № 623).

Следовательно, для дальнейшего совершенствования экологической безопасности по ХБСВ судов речного флота необходимо либо в короткие сроки увеличить в несколько раз количество ПУ на реках РФ, что невозможно, либо путем использования новых технических решений по увеличению срока хранения ХБСВ на судне обеспечить необходимую автономность плавания судов без значительного увеличения сети ПУ. В результате будет достигнут необходимый экологический эффект, а возникшие в этом случае издержки на создание и внедрение новой техники можно компенсировать сокращением времени технологических простоев судна.

Известно, что ограничение сроков хранения ХБСВ на судах обусловлено возникновением процесса загнивания сточных вод в условиях недостатка кислорода. Приемлемым и достаточно широко применяемым способом обогащения сточных вод кислородом при их очистке на береговых сооружениях является аэрация сточных вод воздухом. Для борьбы с загниванием сточных вод на судах, в отмененных в настоящее время «Наставлениях по предотвращению загрязнения внутренних водных путей при эксплуатации судов» (РД 152-011-00), также содержались рекомендации о возможности применения аэрации для этих целей. Однако опубликованных научных или методических работ по использованию аэрации для продления срока хранения ХБСВ на борту речных судов автором обнаружено не было.

Вопросам обеспечения экологической безопасности судов и очистки судовых стоков посвящены работы ученых и инженеров A.JI. Баранова, В.А. Бараца, К.А. Васильева, В.В. Дягтерева, A.C. Курникова, B.C. Наумова, М.В. Николаева, В.И. Решняка, А.Г. Севастьянова, В.Л. Этина, Л.И. Эльпинера, М. Henze, Р. Harremoes и др. Анализ работ указанных авторов показал, что они, в основном, посвящены вопросам предотвращения загрязнения водной среды судами при помощи специального природоохранного оборудования, методам его проектирования и особенностям эксплуатации. Проблема долговременного накопления и хранения сточных вод в ограниченном объеме на борту судна авторами не рассматривалась, поэтому исследования в этой области представляются актуальными.

Целью работы является научное обоснование повышения экологической безопасности судов речного флота путем обеспечения необходимой автономности плавания по хозяйственно-бытовым сточным водам с помощью системы аэрации сборных цистерн и разработки методики определения основных характеристик этой системы.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

— выполнить анализ особенностей водопотребления и состава ХБСВ на судах речного флота;

— выполнить экспериментальные исследования процесса преобразования ХБСВ в зависимости от интенсивности и продолжительности их аэрации;

— разработать принципиальную схему судовой системы аэрации сточных вод и выполнить математическое описание этого процесса;

— создать математическое описание процесса преобразования состава сточных вод при аэрации их в судовой сборной цистерне;

— провести исследования процесса преобразования состава сточных вод в сборной цистерне с учетом влияния различных факторов на основе созданного математического описания;

— разработать математическую модель работы системы аэрации сточных вод для судовой сборной цистерны;

— разработать методику определения основных характеристик судовой системы аэрации сточных вод в сборной цистерне.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- впервые выполнено математическое описание процесса преобразования ХБСВ при аэрации их с заданной интенсивностью в судовой сборной цистерне, обеспечивающего увеличение продолжительности безопасного хранения стоков с учетом их переменного состава и непрерывного поступления в сборную цистерну;

- впервые выполнены экспериментальные исследования влияния времени и интенсивности аэрации ХБСВ в судовой сборной цистерне на срок безопасного хранения сточных вод на судах;

- создана математическая модель работы системы аэрации сточных вод для судовой сборной цистерны.

Практическая ценность и внедрение:

- создана методика определения основных характеристик системы аэрации сточных вод в сборной цистерне для обеспечения экологической безопасности речных судов по данному виду отходов;

- разработана принципиальная схема судовой системы аэрации сточных вод, обеспечивающей увеличение автономности плавания речных судов по этому виду загрязнения за счет повышения их безопасного хранения на борту судна;

- результаты исследований использованы при строительстве т/х класса «М 3,0А» на ОАО «Порт Коломна».

Объект, предмет и методы исследований. Объектом исследований является судовая система сточньгх вод.

Предметом исследований являются процессы аэрации сточных вод в судовой сборной цистерне с учетом переменного расхода и состава стоков.

Достоверность полученных результатов обеспечена применением фундаментальных научных методов гидромеханики, теории химической технологии и аппарата статистического анализа.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на XI Международной научно-практической конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности» (г. Пенза, 2011) и Международной научно-практической интернет-конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании» (Одесса, 2011).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в четырех статьях, одна из которых в рецензируемом журнале из перечня ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа содержит 115 страниц машинописного текста, в том числе 16 таблиц и 19 рисунков. Список литературы состоит из 114 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко сформулирована актуальность темы, изложены основные направления исследований, а также описана структура диссертационной работы, ее научная новизна и практическая значимость.

Первая глава посвящена анализу состояния рассматриваемой проблемы, формулировке цели и задач исследований.

Изучение проблемы обеспечения экологической безопасности судов при эксплуатации их на ВВП показало, что наибольшие трудности вызывает избавление судов от хозяйственно-бытовых сточных вод.

Автономность плавания судов по данному виду отходов на ВВП ограничивается сроком не более 6 суток, что связано с их загниванием. Соответственно возникает необходимость частого выполнения судами операций по сдаче сточных вод на приемные устройства. Ситуация усугубляется недостаточно развитой инфраструктурой. Например, плотность размещения ПУ на судоходных реках России в 10.. .20 раз ниже, чем на реках стран Западной Европы.

Как показывает опыт эксплуатации, установка систем для очистки и обеззараживания ХБСВ экономически оправдана только для крупных пассажирских судов, на которых образуется большое количество стоков и отсутствует возможность размещения цистерн для их длительного хранения. Оборудование станциями очистки сточных вод судов других типов в большинстве случаев нецелесообразно, так как в зонах санитарной охраны источников питьевого водоснабжения, протяженность которых может достигать нескольких сотен километров, запрещен сброс даже очищенных ХБСВ. С учетом запрещения сброса на акваториях особо охраняемых водных объектов, имеющих природоохранное, научное, культурное,

эстетическое, рекреационное и оздоровительное значение, этот способ обеспечения экологической безопасности вообще становится экономически мало приемлемым для большинства транспортных судов речного флота.

Таким образом, для судов, работающих на ВВП, единственным с практической точки зрения способом обеспечения их экологической безопасности (как и на реках Европы) может являться хранение сточных вод в судовых сборных цистернах и сдача их на приемные устройства, как это и рекомендуется «Техническим регламентом о безопасности объектов внутреннего водного транспорта». При этом необходимая автономность плавания по данному виду отходов может быть обеспечена либо за счет многократного увеличения в короткие сроки количества ПУ по берегам рек России, либо путем использования новых технических решений для увеличения сроков безопасного хранения ХБСВ на судне.

Первый путь может быть экономически оправдан только при значительном увеличении интенсивности судоходства на внутренних водных путях, что в ближайшей перспективе представляется маловероятным. Кроме того, в данном случае не отпадает необходимость частого выполнения технологической операции по сдаче ХБСВ.

Поэтому настоящая диссертационная работа посвящена поиску и научному обоснованию обеспечения необходимой автономности плавания судов по условиям экологической безопасности за счет продления сроков безопасного хранения ХБСВ на борту судна. Это позволяет полностью исключить сбросы сточных вод в водоемы и тем самым получить существенный экологический эффект, а также снизить расходы судоходных компаний на обеспечение экологической безопасности за счет снижения простоев судов при выполнении операций по сдаче ХБСВ на ПУ.

Увеличения сроков хранения сточных вод можно добиться повышением стойкости их к загниванию, что достигается уменьшением количества находящихся в воде загрязняющих органических веществ или повышением содержания в воде растворенного кислорода.

При этом необходимо выбрать такой способ обработки сточных вод, который не предусматривал бы использования дорогостоящей аппаратуры, материалов и реагентов, и мог быть легко реализован на судах без существенной модернизации судового оборудования.

Анализ возможности обеспечения необходимой стойкости сточных вод показал, что единственным технически и практически приемлемым способом увеличения сроков их хранения на судне является аэрация этих отходов непосредственно в сборных цистернах. Аэрация стоков будет способствовать протеканию в них различных процессов, препятствующих загниванию (химическое и биохимическое окисление).

Далее в главе сформулированы цель работы и основные задачи исследований.

Во второй главе были выполнены исследования особенностей работы судовой системы ХБСВ с аэрацией.

Поскольку образование сточных вод неразрывно связано с во-допотреблением, были проанализирован^ количество и режимы потребления воды на судах.

Вопрос потребления воды на судах внутреннего и смешанного плавания нашел отражение как в научных трудах, так и в ряде руководящих документов. При этом в разных источниках подход к этому вопросу трактуется по-разному.

В некоторых документах приводятся средние нормы водопо-требления, зависящие от уровня комфортности судна. Использование таких данных позволяет определить среднесуточное количество сточных вод, поступающих в сборную цистерну, но не дает представления о режиме их поступления. В других работах рекомендуется составление баланса почасового расхода воды потребителями с учетом реального количества и типа судовой водоразборной арматуры, распорядка дня на судне, нормализованных секундных расходов через арматуру и коэффициентов одновременности, учитывающих часовую загрузку и число одновременно включенных потребителей.

Кроме того, проведенные различными авторами исследования показали, что режим образования сточных вод на судах существенно отличается от режима их образования в береговых условиях, характеризуясь наличием ярко выраженных пиков.

Сравнительный анализ источников, посвященных вопросам во-допотребления на судах речного флота, позволил сделать следующие выводы:

• количество воды, потребляемой на судне, является случайной величиной, зависящей от комфортабельности судна, погодных условий, количества и типа установленной на судне водоразборной арматуры и других факторов;

• расчет водопотребления (водоотведения) необходимо производить для каждого конкретного проекта судна с учетом типа, количества и режима работы потребителей;

• режим водопотребления, а значит и образования сточных вод на судах, носит периодический характер с выраженными пиковыми расходами, что объясняется распорядком дня на судне. При этом пиковые расходы в несколько раз превышают среднечасовые. Анализ состава судовых ХБСВ показал, что состав судовых

сточных вод практически идентичен составу коммунальных (городских) стоков, не смешанных со стоками промышленных предприятий, и не является постоянным. Поэтому для исследования преобразования состава ХБСВ в процессе их аэрации был определен возможный интервал варьирования показателей, характеризующих их первоначальное загрязнение.

На основании анализа исследований, посвященных вопросам изучения состава загрязнений судовых и коммунальных (городских) сточных вод, можно сделать следующие выводы:

• состав судовых ХБСВ может существенно изменяться в течение суток. Наиболее концентрированные стоки образуются в период с 10 до 14 часов, наименее концентрированные - в период с 20 до 6 часов;

• содержание органических примесей в судовых ХБСВ, характеризуемое показателями БПК5, БПКп и ХПК, зависит от водопотребления на судне и может достигать значений 1000, 1450 и 1650 мг 02/л соответственно;

• температура судовых сточных вод находится в интервале 10...30°С; наиболее вероятное значение этого параметра составляет 20...22°С.

Далее приводится описание работы предлагаемой судовой системы аэрации сточных вод и дается аналитический обзор существующих конструкций аэраторов, применяемых в других отраслях техники, на основании которого делается вывод о предпочтительности использования в судовых условиях пневматических аэраторов с системой распределения воздуха при помощи перфорированных труб.

При аэрации сточных вод в судовых цистернах будут протекать процессы окисления содержащихся в воде примесей, что способствует повышению стойкости ХБСВ к загниванию. Известно, что на константу скорости этих процессов оказывают существенное влияние кроме интенсивности аэрации температура и состав сточных вод. Однако как было показано выше, состав судовых ХБСВ практически не отличается от состава береговых сточных вод, а влияние температуры на процесс окисления ХБСВ достаточно подробно описано в литературе по очистке бытовых городских сточных вод и не требует дополнительных исследований.

Для установления влияния интенсивности аэрации на константу скорости окисления загрязнений были проведены экспериментальные исследования на специальном стенде, схема которой представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 - компрессор; 2 - электродвигатель; 3 - баллон сжатого воздуха; 4 - редукционный клапан; 5 - регулирующий клапан; 6 - ресивер; 7.1... 7.4 - емкости со сточной водой; 8 - ротаметры; 9 - распылители воздуха; 10 - манометры; 11 - регулирующие клапаны.

В процессе выполнения этих исследований в четыре одинаковые емкости заливалось по 20 л сточной воды одного состава. В дальнейшем вода в трех емкостях непрерывно аэрировалась с заданной интенсивностью в течение 4 суток. Через каждые сутки отбирались пробы воды из всех емкостей для определения величины БПК.

Обработка результатов эксперимента показала:

• скорость снижения БПК при аэрации ХБСВ пропорциональна величине БПК, характеризующей содержание в воде органических примесей.

• влияние интенсивности аэрации на константу скорости снижения БПК сточных вод при обработке воздухом может быть описана уравнением вида

£ = +Л(1-ехр{-£•/}), (1)

где ко = 0,0082 - константа скорости окисления при отсутствии аэрации, ч_|;

А и В - экспериментальные коэффициенты, равные соответственно 0,0213 ч"1 и 2,1687 ч/м; /- интенсивность аэрации сточных вод, м3/(м2 -ч).

С учетом известного из литературы выражения:

кг = к20-т1"20, (2)

где к2о - значение константы к при температуре сточных вод равной 20° С; / - фактическая температура сточных вод, °С, зависимость константы скорости окисления от интенсивности аэрации и температуры ХБСВ можно описать выражением:

к = [*0 + А(1 - ехр{- В • /})] • 1,047'-20 - (3)

Для предотвращения загнивания необходимо создать условия, при которых стойкость ХБСВ (т.е. отношение содержания в ней кислорода к количеству органических примесей, выраженному в БПКП) будет равна величине, которая обеспечивает требуемую продолжительность хранения [г]. Зная стойкость, потребную для достижения безопасного срока хранения ХБСВ, можно определить соответствующее значение константы скорости окисления, обеспечивающее необходимое снижение БПК в течение времени [т].

Поскольку при непрерывном поступлении в сборную цистерну свежих порций сточных вод величина константы к непрерывно и случайно меняется во времени, в. период хранения ХБСВ можно

говорить только о некоторой интенсивности аэрации, гарантирующей значение константы к, предотвращающей загнивание ХБСВ в цистерне при заданной температуре сточных вод.

Поэтому, используя результаты экспериментальных исследований, в работе были получены формулы для определения интенсивности аэрации / в зависимости от срока хранения ХБСВ при различной температуре в сборной цистерне вида

/ = а(1-бГвд)-с, (4)

где [г] - расчетный срок хранения ХБСВ в сборной цистерне, сут;

а, Ъ и с - опытные коэффициенты, численные значения которых для температуры ХБСВ от 10 до 30° С приведены в работе.

Кривые изменения интенсивности аэрации в зависимости от сроков хранения ХБСВ и температуры приведены на рис. 2.

3 6 9 12 15

Продолжительность хранения СВ, сут

Рис. 2. Зависимости допустимой продолжительности хранения сточных вод от интенсивности аэрации и температуры стоков: ♦ - / = 10°С;о- I = 15"С; А- I = 20°С;О- /=25°С; х-/ = 30°С.

Поскольку полученные расчетные значения интенсивности аэрации не учитывают особенностей образования судовых ХБСВ, характеризующихся значительной неравномерностью поступления их в сборную цистерну, изменения температуры воды в результате теплообмена с внешней средой, необходима разработка соответствующего математического описания.

Третья глава посвящена разработке математического описания работы судовой системы сточных вод с аэрацией, включающего в себя уравнения материального, теплового и энергетического балансов.

С точки зрения аппаратов химической технологии судовая цистерна сточных вод представляет собой непроточный реактор периодического действия. При рассмотрении структуры потока жидкости в судовой цистерне был сделан вывод о том, что она с учетом аэрации может быть описана моделью идеального смешения. Материальный баланс судовой цистерны сточных вод с аэрацией может быть описан системой известных из литературы уравнений для непроточных реакторов периодического действия:

пт) = уЫя +е(г)</г

¿С е(г)[С0(г)-С] - (5)

с1г К(г)

где Ут{п — минимальный (невыбираемый) объем воды в цистерне сточных вод, м3; У(т) - текущий объем воды в цистерне сточных вод, м3; @(т) - функция, описывающая изменение во времени потребления воды на судне, м3/ч;

С0(г) - функция, описывающая изменение во времени БПК хозяйственно-бытовой сточной воды, г/м3;

С - текущее БПК сточной воды в цистерне, г/м3;

Анализ графиков суточного водопотребления на большинстве судов речного флота, выполненных различными исследователями, показал, что уравнение <2(г), характеризующее количество образующихся сточных вод, может быть достаточно близко описано периодической функцией вида

2 { 2 ,

+ 8сР> (6)

где кн - коэффициент неравномерности водопотребления на судне, принимаемый в соответствии с руководящими документами или определяемый расчетом; £>ср - среднечасовой расход воды, определяемый нормативно или расчетным путем, м3/ч; т - время суток, ч;

К1 и К2 - коэффициенты, учитывающие смещение экстремумов водопотребления относительно времени смены вахт.

Зависимость БПК ХБСВ от времени суток была получена на основании исследований, проведенных ранее В.И. Косовским. Обработка результатов этих исследований позволила установить, что функция С0(т) с коэффициентом корреляции равным 0,96 описывается степенным полиномом вида

С„(г) = ^(ао+Е«Д (7)

ИсР V /=1 )

где 0,277 л/(чел ■ сут) - среднее удельное водопотребление на судне во время проведения исследований.

С целью изучения влияния на температуру сточных вод в сборной цистерне теплообмена с окружающей средой было составлено уравнение теплового баланса, .имеющего следующий вид:

¿1 1

¿/г К(г)

еМо-О-^^-О

(8)

где г - текущая температура стоков в цистерне, "С; /0 - температура воды, поступающей в цистерну, °С; - температура внешней среды, °С; рж - плотность сточной жидкости, кг/м3;

с - теплоемкость жидкости, Дж/(кг • °С); Х77- суммарная площадь ограждения сборной цистерны, м2;

^-коэффициенттеплообмена, Вт/(м2 • С).

Таким образом, выражение (8) позволяет учитывать влияние теплообменных процессов на величину константы скорости окисления, а подстановка формул (3), (6) и (7) в систему (5) позволяет получить решение уравнения материального баланса, определяя текущую концентрацию загрязнений в судовой цистерне для любого момента времени г.

Для получения уравнения энергетического баланса была разработана схема системы аэрации, показанная на рис. 3.

Поскольку параметром, управляющим состоянием ХБСВ в судовой цистерне, является интенсивность аэрации, определяемая

количеством подаваемого в цистерну воздуха, была установлена ее зависимость от давления в системе аэрации рь основных конструктивных характеристик системы, а также факторов внешней среды.

В соответствии с уравнением Бернулли давление р\ в сечении 1 (за редукционным клапаном 8, рис. 3) ир2 в сечении 2 (перед выпускным отверстием в аэрационном трубопроводе) с учетом малой разности между скоростными и пьезометрическими напорами в этих сечениях и равенстве атмосферному давления над поверхностью жидкости в цистерне будет выглядеть следующим образом:

+ (9)

где р2 = РжЕ^ж + А/7„ — давление перед выпускным отверстием, Па;

рж - плотность сточной воды, кг/м3;

1гж - высота столба воды над выпускным отверстием, м;

Ар0 = р\у„/2 - потери давления в выпускном отверстии, Па; Я - коэффициент трения; / - длина трубопровода системы аэрации, м; с1 — диаметр соответствующего трубопровода, м; р - плотность воздуха, кг/м3;

и> - скорость движения воздуха в трубопроводе, м/с.

Основным фактором внешней среды, влияющим на энергетический баланс системы, является температура окружающего воздуха. Однако в реальном диапазоне изменения температур, ее влияние на плотность и вязкость воздуха не превышает 2% и в практических расчетах может не учитываться.

Производительность системы аэрации, м3/ч, рассчитывается по формуле

(10)

Рис. 3. Схема системы аэрации сточных вод: 1 - воздушный фильтр; 2 - компрессор сжатого воздуха; 5 - сепаратор (водомаслоот-делитель); 4 - баллоны сжатого воздуха; 5 - распределительная колонка воздуха среднего давления; 6 - распределительная колонка воздуха низкого давления; 7,8-редукционные клапаны; 9 - управляющий клапан; 10 - расходомер (ротаметр); 11 -судовая цистерна сточных вод; 12 - воздухораспределительная система; 13 - подача сточных вод; 14 - воздушная петля; 15 - манометры; 16- предохранительный клапан.

где Р- площадь сборной цистерны в плане, м2. При известной производительности давление в системе аэрации будет определяться по выражению

Р\ =8р

( Ьа Л о /

Км^оК) + Рж + V

/ рм2

а ^ 2

(11)

где ¡л - коэффициент расхода воздуха через отверстия в аэраци-онных трубах; ао - диаметр отверстия в аэрационных трубах, м; Лг0 - количество отверстий. Таким образом, математическое описание процесса хранения ХБСВ в судовой сборной цистерне с аэрацией будет включать в себя следующие уравнения:

2(г) =

~(Ук„)<2ср . (кыт

С0(г) =

0,277

во

2

Г 6

вш -

I 2

-к 2 +ев

ср V /=1

ас _ б(г)[с0(г)-с] ат

кС

1

К(г)

=_

^ ..... Ржс

к = [к0 + А(1 - ехр{- В ■ /})] ■ 1,047" Ь=1-Р

V

Р\ = %Р

(12)

С помощью системы (12) были выполнены исследования процесса хранения ХБСВ в судовой сборной цистерне с аэрацией. Исследования выполнялись с использованием методов имитационного моделирования. Расчеты проводились с помощью

программного комплекса Microsoft Office (приложение Excel). Анализ результатов проведенных исследований позволил установить следующее:

1. Коэффициент суточной неравномерности водопотребления на судне также практически не оказывает влияния на процесс хранения сточных вод. Проведенные исследования показали, что изменение содержания примесей в воде при коэффициентах неравномерности равных 1,8 и 7,0 несколько отличается лишь в первые сутки накопления стоков.

2. Температура окружающей среды в рассматриваемом интервале ее изменения практически не влияет на температуру сточных вод в цистерне и, соответственно, на величину константы процесса окисления к.

3. Основное снижение содержания примесей в цистерне происходит в ночное время, т.е. в период, когда водопотребле-ние отсутствует или минимально.

Четвертая глава посвящена разработке методики определения основных характеристик судовой системы аэрации ХБСВ.

Результаты исследований, выполненных в третьей главе на основе математического описания процесса хранения ХБСВ в судовой цистерне с аэрацией (12), позволили создать математическую модель судовой системы аэрации ХБСВ, включающую следующие зависимости:

Полученная математическая модель может быть применима в диапазоне изменения удельного водопотребления на судне от 0,1 до 0,3 м3/(чел-сут); концентраций примесей в сточных водах, определяемых показателем БПКп, от 100 до 1000 мг/л, изменения температуры сточных вод от 10 до 30"С и интенсивности аэрации - от 0 до 1,2 м3/(м2-ч).

С 1 = а{\-е-ьм)-с

pw

2

(13)

Разработанная математическая модель позволила создать методику определения основных характеристик судовой системы аэра-циеии, обеспечивающей увеличение автономности плавания речных судов. К этим характеристикам относятся:

- интенсивность аэрации сточных вод во время эксплуатации судна, м3/(м2 • ч);

- диаметры трубопроводов системы, <1, м;

- производительность системы аэрации Ьа, м3/ч;

- давление в системе аэрации ри Па;

- конструкция аэратора.

Блок-схема методики расчета характеристик системы приведена на рис. 4. Для использования методики необходимы следующие исходные данные:

- размеры (1у Ьу1г, м) и расположение цистерн сточных вод на судне;

- температура сточных вод, °С;

- принципиальная схема судовой системы сжатого воздуха;

- требуемая автономность плавания судна по ХБСВ [т], сут.

В качестве примера в диссертационной работе с помощью описанной методики по заданию ОАО «Порт Коломна» (письмо № 1349 от 21.12.2011 г.) были определены основные характеристики системы аэрации сточных вод для теплохода класса «М 3,0А».

При количестве людей на борту судна 14 человек, размерах сборной цистерны сточных вод 3,73x1,75x1,89 м, средней расчетной температуре сточных вод 20° С и заданному сроку хранения сточных вод 12 суток получены следующие основные характеристики системы аэрации:

- интенсивность аэрации - 0,276 м3/(м2 • ч);

- расход воздуха на аэрацию - 1,8 м3/ч;

- давление воздуха в системе аэрации - 19 кПа;

- тип аэратора - пневматический из перфорированных труб.

С учетом полученных характеристик были рассчитаны стоимость оборудования, материалов, изготовления и монтажа системы аэрации сточных вод, которые составили 50 тыс. рублей. Предполагаемый экономический эффект — 65 тыс. рублей/год, срок окупаемости - 1 год.

Таким образом, в результате выполнения диссертационных исследований был научно обоснован способ повышения экологической безопасности судов речного флота путем обеспечения необ-

Рис. 4. Блок-схема методики расчета системы аэрации судовых сточных вод

ходимой автономности плавания по сточным водам с помощью системы аэрации сборных цистерн и разработана методика определения основных характеристик этой системы.

Эта система позволяет увеличить автономность плавания речных судов по ХБСВ более чем в 2 раза, полностью исключив сбросы сточных вод в водоемы, и тем самым получить существенный экологический эффект. Ежегодный экономический эффект от внедрения систем аэрации на судах речного флота по ориентировочным оценкам может составить до 50 млн. рублей.

В заключении приводятся выводы по работе:

1. Проанализированы требования нормативных документов, регламентирующие способы избавления от сточных вод на судах внутреннего водного транспорта. Установлено, что для грузовых и буксирных судов наиболее приемлемым является увеличение автономности плавания по сточным водам за счет продления сроков их хранения на судне.

2. Выбран способ, обеспечивающий безопасное хранение стоков на судне.

3. Выполнены исследования особенностей поступления и состава ХБСВ на судах речного флота.

4. Разработана принципиальная схема системы аэрации судовых сточных вод.

5. Выполнен анализ конструктивных типов аэраторов, из которых выбран наиболее полно отвечающий требованиям эксплуатации в судовых условиях.

6. Проведены экспериментальные исследования влияния интенсивности аэрации на скорость преобразования ХБСВ.

7. Выполнено математическое описание работы системы сточных вод с аэрацией стоков в судовой сборной цистерне.

8. Предложен способ управления сроком безопасного хранения сточных вод в судовых цистернах при их аэрации.

9. Разработана математическая модель работы судовой системы аэрации ХБСВ.

10. Разработана методика определения основных характеристик судовой системы аэрации ХБСВ для обеспечения автономности плавания речных судов по условиям экологической безопасности.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Всего автором диссертации опубликовано 4 печатные работы, все по теме диссертации. Общий объем 1,4 п.л., из них 1,1 п.л. написано лично автором.

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Горин H.JI. Повышение автономности плавания судов речного флота по условиям экологической безопасности / Горин Н.Л., Васькин C.B., Этин В.Л. // Речной транспорт (XXI век). 2011. - № 6(54). - С. 70-71.

Прочие публикации:

2. Горин Н.Л. Экологические и экономические аспекты увеличения сроков хранения сточных вод на судах речного флота / Н.Л. Горин // Экология и безопасность жизнедеятельности: сб. стат. XI международной науч.-практ. конф. / МНИЦ ПГСХА. - Пенза: РИО ПГСХА, 2011. - С. 27-31.

3. Горин Н.Л. Учет особенностей образования и состава судовых сточных вод для обеспечения их длительного хранения в судовых цистернах / Н.Л. Горин // Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании '2011: сб. научн. трудов S World по материалам междунар. научн.-практ. конференции - Одесса: Черномо-рье, 2011.-С. 66-72.

4. Горин Н.Л. Проектирование системы аэрации, обеспечивающей увеличение сроков хранения сточных вод в судовых сборных цистернах / Н.Л. Горин, C.B. Васькин, В.Л. Этин // Вестник ВГАВТ. Выпуск 31,- Н.Новгород, Изд-во ФБОУ ВПО ВГАВТ, 2012. - С. 21-28.

Формат бумаги 60x84 '/1б. Гарнитура «Тайме». Ризография. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 104.

Издательско-полиграфический комплекс ФБОУ ВПО «ВГАВТ» 603950, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5а

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата технических наук, Горин, Николай Леонидович, Нижний Новгород

61 12-5/3528

ФБОУ ВПО «Волжская государственная академия водного транспорта»

Горин Николай Леонидович

ОБЕСПЕЧЕНИЕ АВТОНОМНОСТИ ПЛАВАНИЯ ПО УСЛОВИЯМ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ СУДОВ РЕЧНОГО ФЛОТА

Специальность 03.02.08 «Экология» (транспорт, технические науки)

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

научный руководитель: доктор технических наук, профессор, академик PAT, заслуженный работник Высшей школы Этин Владимир Львович

Нижний Новгород - 2012

ВВЕДЕНИЕ

4

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ АВТОНОМНОСТИ ПЛАВАНИЯ СУДОВ РЕЧНОГО ФЛОТА ПО УСЛОВИЯМ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ 13

1.1 Защита водных объектов от загрязнения судовыми отходами. Способы обеспечения экологической безопасности................ 13

1.2 Обзор способов увеличения сроков хранения сточных вод на судах. Цели и задачи исследований..................................... 22

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ РАБОТЫ СУДОВОЙ СИСТЕМЫ СТОЧНЫХ ВОД С АЭРАЦИЕЙ 30

30

2.1 Особенности режима накопления и состава сточных вод на судах ..............................................................................

2.2 Описание работы судовой системы сточных вод с аэрацией..... 38

2.3 Теоретические исследования процесса преобразования загрязнений при аэрации сточных вод......................................... 46

2.4 Экспериментальные исследования процесса преобразования загрязнений при аэрации сточных вод в судовых цистернах........ 48

2.4.1 Описание экспериментальной установки.............................. 51

2.4.2 Порядок проведения эксперимента..................................... 52

2.4.3 Обработка результатов эксперимента................................... 54

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ РАБОТЫ СУДОВОЙ

СИСТЕМЫ СТОЧНЫХ ВОД С АЭРАЦИЕЙ 66

3.1 Уравнение материального баланса в сборной цистерне сточных

вод с аэрациеи ...............................................................

3.2 Уравнение энергетического баланса системы аэрации сточных

вод.............................................................................. 71

3.3 Уравнение теплового баланса в цистерне сточных вод с аэраци-

77

ей............................................................................... ''

3.4 Исследование процесса преобразования примесей при аэрации

их в сборной цистерне сточных вод.................................... 81

4. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СУДОВОЙ СИСТЕМЫ АЭРАЦИИ СТОЧНЫХ ВОД............................................................................

4.1 Разработка математической модели судовой системы сточных

вод с аэрацией...............................................................

4.2 Методика определения основных характеристик судовой системы аэрации сточных вод................................................. 92

4.3 Применение методики определения основных характеристик судовой системы аэрации сточных вод................................ 98

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................... 104

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК............................................ 106

ПРИЛОЖЕНИЯ

116

ВВЕДЕНИЕ

Транспорт играет важную роль в развитии экономики любого государства. Для Российской Федерации, располагающей внутренними водными путями (ВВП) протяженностью свыше 100 тыс. км, особое значение имеет внутренний водный транспорт (ВВТ), который нередко является безальтернативным для обеспечения жизнедеятельности регионов Крайнего Севера и освоения новых труднодоступных зон.

В последние годы в нашей стране уделяется большое внимание развитию и модернизации транспортной системы в целом, в том числе и активизации работы водного транспорта. Это нашло отражение в разработке и принятии Федеральной целевой программы «Развитие транспортной системы России (2010-2015 годы)» [100], Концепции развития ВВТ РФ на период до 2015 года [48] и в ряде других документов.

Одна из главных причин, препятствующих полноценному функционированию ВВТ, - большой возраст и значительный износ судов. В то же время обновление состава флота осуществляется очень медленными темпами. Данный факт объясняется как высокой стоимостью строительства, так и значительными затратами на содержание и эксплуатацию судов. В результате сроки окупаемости речных и смешанного плавания судов в России достигают 20-25 лет, что приводит к крайне низкой рентабельности деятельности судоходных компаний. Поэтому первоочередными задачами, которые необходимо решить в кратчайшие сроки, являются: обновление флота, повышение эффективности и интенсивности его использования, а также развитие соответствующей инфраструктуры.

Необходимо отметить, что водный транспорт сегодня является самым безопасным с экологической точки зрения. Его доля в общем объеме загрязнения транспортным сообществом атмосферы составляет всего 2%, а гидросферы и литосферы - около 4,5%. Задачи строительства нового и модернизации имеющегося флота, развития судоремонтных мощностей, совершенствования инфраструктуры ВВП должны решаться совместно с зада-

чами по защите окружающей среды. Закономерно, что в Концепции развития ВВТ акцентируется внимание на следующем: «обеспечение экологической безопасности на ВВП должно оставаться одним из приоритетов государственной политики в области управления ВВТ».

Один из способов повышения эффективности работы водного транспорта - уменьшение времени технологических простоев судов. Довольно часто эти простои связаны со сдачей образующихся на борту различных видов отходов: сточных и нефтесодержащих вод, а также мусора. Очевидно, что увеличение автономности плавания судов по условиям экологической безопасности, приводящее к сокращению вынужденных простоев судов, будет способствовать повышению экономической эффективности их эксплуатации.

Требования к защите водных объектов от их загрязнения с судов содержатся в целом ряде законодательных актов и нормативно-технических документов, действующих на территории России. К основным из них относятся: «Водный кодекс РФ» [11], «Кодекс внутреннего водного транспорта» [47], «Технический регламент о безопасности объектов ВВТ» [97], «Правила предотвращения загрязнения с судов» Российского Речного Регистра (РРР) [73], а также ряд Санитарных правил [76-78]. Указанными документами предусмотрены следующие способы предотвращения загрязнения ВВП образующимися при эксплуатации судов отходами: накопление их на судне и сдача на береговые приемные пункты (специализированные суда) или переработка отходов на борту судна при помощи специальных систем и устройств.

Анализ проблемы обеспечения экологической безопасности судов внутреннего и смешанного плавания показывает, что наибольшей остроты она достигает при выборе способа удаления с судов хозяйственно-бытовых сточных вод.

Автономность плавания судов по данному виду отходов на ВВП ограничивается Санитарными Правилами [78] сроком не более 6 суток, тогда как

по другим видам отходов (нефтесодержащим водам, мусору, пищевым отходам) автономность не лимитирована. Соответственно возникает необходимость частого выполнения судами операций по сдаче сточных вод на приемные устройства. Ситуация усугубляется недостаточно развитой инфраструктурой. По данным ГБУВПиС количество специальных приемных пунктов к навигации 2008 года по сравнению с 1994 годом уменьшилось почти в 2 раза. При этом плотность их размещения в 10...20 раз ниже, чем на реках стран Западной Европы. Недостаточное количество специализированных приемных устройств и ограниченная автономность плавания в некоторых случаях вынуждают капитанов судов сбрасывать их непосредственно в водоем, нарушая тем самым российское законодательство.

Как показывает опыт эксплуатации, установка систем для очистки и обеззараживания сточных вод экономически оправдана только для крупных пассажирских судов, на которых образуется большое количество стоков и отсутствует возможность размещения цистерн для их длительного хранения. Оборудование станциями очистки сточных вод судов других типов в большинстве случаев нецелесообразно. Кроме того, эти установки не всегда обладают достаточной санитарной надежностью, а протяженность участков водных путей, на которых разрешен сброс даже очищенных стоков, с учетом требований Санитарных правил [76, 77] крайне ограничена.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что при движении подавляющего количества судов по ВВП единственным с практической точки зрения способом обеспечения их экологической безопасности (как и на реках Европы) может являться хранение сточных вод в соответствующих судовых цистернах и сдача их на приемные устройства. Это может быть, по-видимому, обеспечено либо путем размещения дополнительных устройств для приема сточных вод, либо путем применения новых технических решений для увеличения времени хранения сточных вод на судне.

Однако первый путь потребует значительного увеличения темпов строительства приемных устройств на ВВП, что в ближайшей перспективе

представляется маловероятным. Кроме того, в данном случае не отпадает необходимость выполнения технологической операции по сдаче сточных вод

через каждые 6 суток.

Поэтому наиболее предпочтительным с экономической точки зрения является второй путь, позволяющий увеличить автономность плавания судов по условиям экологической безопасности за счет продления сроков безопасного хранения стоков на борту судов. В результате можно получить положительный эффект как в экономическом, так и в экологическом аспекте их эксплуатации.

Однако, как уже отмечалось, время хранения сточных вод в цистернах ограничено Правилами [78]. Продолжительность хранения стоков определяется их стойкостью (стабильностью), связанной с явлением загнивания (Разложения) содержащихся в жидкости органических соединений. Загнивание наступает по исчерпании всего запаса кислорода в воде, в результате чего в стоках возникают благоприятные условия для развития анаэробных процессов. Такая вода может причинить вред водоемам и затрудняет работу береговых очистных сооружений [35].

Между тем, на многих судах внутреннего и смешанного плавания объем имеющихся цистерн позволяет обеспечить автономность по сточным водам, превышающую 6 суток. Проведенные расчеты показали, что значительное количество судов может иметь гораздо большую автономность по сточным водам даже при расчете ее по методике, указанной в Правилах РРР [73]. Если же в качестве норм накопления сточных вод принимать значения водопотребления, указанные в Санитарных Правилах [78], то автономность существенно возрастает и для большинства современных транспортных судов превышает допустимое значение в 1,2. ..3,4 раза.

Как уже отмечалось, ограничение сроков хранения сточных вод обусловлено возникновением и развитием в них анаэробных процессов, сопровождающихся загниванием. Эти процессы вызываются уменьшением содержания в воде кислорода, расходуемого на окисление содержащихся в

ней органических и минеральных соединений. При этом возникает дефицит кислорода и снижается стойкость (стабильность) сточных вод. Повышения стойкости можно добиться следующими путями:

1. Уменьшением количества находящихся в воде загрязняющих органических веществ.

2. Поддержанием в воде определенной концентрации растворенного кислорода.

При этом необходимо выбрать такой способ обработки сточных вод, который не предусматривал бы использования дорогостоящей аппаратуры, материалов и реагентов, и мог бы быть легко реализован на судах без существенной модернизации судового оборудования.

Как указывается в работах [12, 34, 35, 63], концентрация растворенного кислорода в сточных водах составляет не более 0,5... 1,0 мг/л, а основная масса его находится в форме нитратов и нитритов. Поэтому повышение содержания растворенного кислорода не приводит к значительному повышению стойкости сточных вод. Более эффективным способом будет являться снижение количества присутствующих в воде органических примесей, что может быть достигнуто путем применения различных химических, физико-

химических или биохимических методов.

Анализ возможности использования различных методов для снижения концентрации органических соединений в судовых сточных водах и соответствующего повышения их стойкости показал, что только окислительные методы могут быть реализованы непосредственно в судовых цистернах, без применения какой-либо дополнительной аппаратуры. Другие методы могут применяться лишь с дополнительным водоочистным оборудованием в составе достаточно сложных систем очистки и обеззараживания сточных вод.

Таким образом, единственным технически и практически приемлемым способом снижения концентрации органических загрязнений в судовых стоках с целью увеличения сроков их хранения на судне может являться аэрация этих отходов непосредственно в судовых сборных цистернах. Аэрация сто-

ков будет способствовать протеканию в них следующих процессов, препятствующих загниванию:

- биохимическому окислению примесей аэробными микроорганизмами;

- химическому окислению примесей кислородом воздуха;

- насыщению воды кислородом воздуха и поддержанию его концентрации на необходимом уровне.

Процессы биохимического окисления в бытовых сточных водах всегда имеют место благодаря богатому разнообразию видов микроорганизмов, содержащихся в стоках. Это разнообразие способствует селекции определенных видов. На сооружениях искусственной биохимической очистки создаются и поддерживаются благоприятные условия для протекания процесса: относительно стабильные количество и состав сточных вод, их предварительная механическая очистка, сохранение оптимальной концентрации биогенных элементов, кислорода и т. п. В результате образуется определенный симбиоз микроорганизмов, обеспечивающий наибольший эффект очистки.

Строгое поддержание параметров процесса обработки воды на оптимальном уровне при аэрации ее в судовых цистернах вряд ли возможно с учетом ее переменного расхода, состава, температуры, а также количества воды в цистерне. Однако этого и не требуется, поскольку в данном случае не ставится задача сброса вод в водоем, а лишь обеспечивается возможность их более длительного нахождения в цистернах. Причем основным фактором, управляющим процессом обработки стоков, будет являться количество воздуха, подаваемого на аэрацию.

Процессы аэробной биохимической обработки сточных вод на береговых очистных сооружения достаточно глубоко изучены и опубликованы в многочисленной литературе [8, 12, 34, 35, 102, 111 и др.]. Проблемам обеспечения экологической безопасности судов и очистки судовых стоков посвящены работы ученых и инженеров А.Л. Баранова, В.А. Бараца, К.А.

Васильева, B.B. Дягтерева, A.C. Курникова, B.C. Наумова, M.B. Николаева, В.И. Решняка, А.Г. Севастьянова, B.JI. Этина, Л.И. Эльпинера и др. Анализ работ указанных авторов позволил установить, что они, в основном, посвящены вопросам предотвращения загрязнения водной среды, методам проектирования и особенностям эксплуатации водоохранного оборудования. Проблема долговременного накопления и хранения сточных вод в ограниченном объеме авторами не рассматривалась, и поэтому исследования в этой

области представляются актуальными.

Таким образом, целью работы является научное обоснование повышения экологической безопасности судов речного флота путем обеспечения необходимой автономности плавания по хозяйственно-бытовым сточным водам с помощью судовой системы аэрации сборных цистерн и разработки методики определения основных характеристик этой системы.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие

задачи:

- выполнить анализ особенностей водопотребления и состава сточных вод на судах внутреннего и смешанного плавания;

- выполнить экспериментальные исследования процесса преобразования состава сточных вод в зависимости от интенсивности и продолжительности их аэрации;

- разработать принципиальную схему судовой системы аэрации сточных вод и выполнить математическое описание этого процесса;

- создать математическое описание процесса преобразования состава сточных вод при аэрации их в судовой сборной цистерне;

- провести исследования процесса преобразования состава сточных вод в сборной цистерне с учетом влияния внешних и управляющих факторов на основе созданного математического описания;

- разработать математическую модель работы системы аэрации сточных вод для судовой сборной цистерны;

- разработать методику определения основных характеристик судовой системы аэрации сточных вод в сборной цистерне. Научная новизна работы заключается в следующем:

• впервые выполнено математическое описание процесса, обеспечивающего увеличение сроков безопасного хранения судовых сточных вод с учетом их переменного состава и поступления в сборную цистерну путем их аэрации с управляемой интенсивностью;

• впервые выполнены экспериментальные исследования влияния времени и интенсивности аэрации стоков в судовой сборной цистерне на срок безопасного хранения сточных вод на судах;

• создана мате�