ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС AQUACAD В СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ ВОДЫ НА ВОДОПРОВОДНЫХ СТАНЦИЯХ

Б. М. Долгоносов, Институт водных проблем РАН, Западная водопроводная станция МГП «Мосводоканал»

Д. В. Дятлов, Институт водных проблем РАН, Западная водопроводная станция МГП «Мосводоканал»

О. В. Богданович, Институт водных проблем РАН, Западная водопроводная станция МГП «Мосводоканал»

Д. В. Громов, Институт водных проблем РАН, Западная водопроводная станция МГП «Мосводоканал»

К. А. Корчагин, Институт водных проблем РАН, Западная водопроводная станция МГП «Мосводоканал»

Важным компонентом системы управления качеством воды на водопроводной станции является автоматизированная информационно-моделирующая система (ИМС), предусматривающая проведение мониторинга, прогнозирование качества воды и выработку решений по управлению технологическими процессами. ИМС AquaCAD разработана для технологической подсистемы комплекса водоснабжения [ВСТ, 2003, № 6]. Она предназначена для расчета барьерной функции водопроводной станции по различным показателям качества воды, что важно знать при планировании водоохранных мероприятий на источниках водоснабжения, а также позволяет автоматизировать решение различных технологических и управленческих задач на водопроводной станции.

При использовании автоматизированных систем для решения локальных проблем технологического управления предприятие сталкивается с множеством проблем. Это и недостоверность показаний приборов, и отказы в системе управления, и отсутствие возможности прогнозировать ситуацию на сколько-нибудь значимый период.

Эти проблемы можно устранить, если рассматривать автоматизацию не просто как способ замещения ручного труда непосредственно при управлении производством, а как средство анализа, прогноза и управления. Полезный эффект простой автоматизации (реализуемой в форме диспетчеризации) невысок: в лучшем случае, он лишь незначительно превышает издержки эксплуатации самой системы контроля и управления. Переход от диспетчеризации к системе поддержки принятия решения означает переход к новому качеству — интеллектуальной информационной системе предприятия. Единая диспетчерская служба водопроводной станции, централизованное представление данных контроля, общая нацеленность на автоматическое, с минимумом участия персонала, управление технологическими объектами позволяют перейти к следующему этапу технического развития с применением математического моделирования.

На этом этапе решающую роль играют современные информационные технологии, в частности ИМС, широко применяющиеся в химической промышленности.

Разработанная ИМС AquaCAD состоит из двух блоков: информационного и моделирующего.

Информационный блок включает систему диспетчерского контроля и сбора данных SCADA, базу данных и программы первичной обработки информации. База данных содержит информацию о качестве воды, режимах ее обработки, состоянии технологических сооружений и т.д., в том числе широкий спектр показателей качества воды, измеряемого на входе и выходе водопроводной станции и в различных точках технологических линий. Моделирующий блок включает математические модели действующих технологических сооружений, процедуры адаптации моделей, значения параметров моделей, результаты расчетов. В основу организации моделирующего блока положен принцип первичности задач, в соответствии с которым структура интерфейса базы данных и характер моделей определяются потребностями сформулированных задач управления. В связи с тем, что для адаптации и функционирования моделей требуется определенная исходная информация, которая не всегда имеется, а ее получение требует затрат сил и времени, разработаны минимальные специализированные (не универсальные) модели, пригодные для использования в условиях дефицита информации.

Программный комплекс AquaCAD состоит из четырех разделов:

1. Инженерные расчеты – для определения параметров моделей.

2. Поверочные расчеты – для определения показателей качества воды при заданных дозах реагентов.

3. Оптимизация – для определения доз реагентов при заданных ограничениях на качество обработанной воды и минимуме стоимости, а также для нахождения барьерной функции водопроводной станции.

4. Ретроспективные расчеты – для оценки изменения показателей качества воды и параметров технологии за определенный период.

Расчет водопроводной станции проводится по отдельным технологическим линиям с использованием математических моделей основных сооружений, включая смесители, камеры хлопьеобразования, отстойники, фильтры. В настоящее время рассчитывают следующие показатели качества воды: мутность, цветность, перманганатную окисляемость, фитопланктон, остаточный алюминий. Точность расчетов иллюстрируют данные таблицы.

Отклонение результатов расчетов от данных измерений меньше, чем статистический разброс самих данных измерений (исключая мутность фильтрата, для которой эти величины сопоставимы), что свидетельствует о хорошей точности прогнозных расчетов. По мере развития системы список показателей качества будет пополняться.

Проведены успешные испытания программного комплекса на Западной водопроводной станции Москвы. Применение ИМС позволяет изучить барьерную функцию водопроводной станции и с ее помощью оценить возможности действующих очистных сооружений по устранению антропогенного загрязнения природных вод.

Применение программного комплекса AquaCAD позволит:

• повысить надежность работы технологических сооружений водопроводной станции путем прогнозирования хода технологических процессов с помощью математических моделей;

• уменьшить производственные расходы за счет оптимизации доз реагентов;

• улучшить условия труда, повысить уровень подготовки и качество работы персонала;

• выйти на новый уровень автоматизации технологических процессов и управления производством;

• принимать наиболее обоснованные решения при реконструкции и развитии технологических сооружений.

Из существующего в настоящее время широкого спектра методов получения воды питьевого качества на действующих водопроводных станциях применяют их весьма небольшое количество, что существенно ограничивает возможности использования водоисточников с прогрессирующим ухудшением качества воды. При наличии реальной угрозы попадания патогенных микроорганизмов в водоисточник необходимо предусмотреть дополнительные меры по снижению их концентрации в питьевой воде и удалению вредных продуктов обработки. Для этого используют: 1) коагулирование повышенными дозами с добавлением флокулянта для понижения мутности воды до 0,1 мг/л, поскольку частицы мутности являются носителями микроорганизмов; 2) хлорирование более высокими дозами; 3) УФ- облучение воды для инактивации патогенных микроорганизмов; 4) удаление остаточного алюминия – побочного продукта коагулирования – с помощью фильтров; 5) снижение концентрации хлорорганических соединений на сорбционных фильтрах. При угрозе загрязнения водоисточника нефтепродуктами, фенолами, диоксинами и другими органическими ксенобиотиками следует предусмотреть использование сорбционных фильтров, возможно с предозонированием. При опасности попадания тяжелых металлов в исходную воду необходимо использовать аэрацию или озонирование для перевода металлов из ионной формы в гидроксидную с последующим удалением в процессе коагуляционной очистки. При наличии органических комплексов металлов технологию дополняют углеванием перед фильтрами или стадией доочистки на фильтрах со слоем гранулированного активированного угля.

С ухудшением качества воды в водоисточнике наряду с действующей технологией подключают дополнительные методы. Это увеличивает стоимость очистки, поскольку связано с крупными капиталовложениями на реконструкцию имеющихся сооружений или строительство новых. К примеру, строительство озонаторной стации требует капиталовложений до 100-150 тыс. USD на производство 1 кг/ч озона. При обработке воды озоном в дозе до 5 мг/л на станции с производительностью по воде 10 тыс. м³/ч производство озона должно составлять 50 кг/ч, соответственно, капитальные затраты увеличатся как минимум до 5 млн USD. Больших капиталовложений требует и применение сорбционных методов: от 1200 USD за 1 т порошкообразного активированного угля до 2500–3000 USD за 1 т гранулированного сорбента.

Увеличиваются также эксплуатационные расходы, обусловленные повышением доз реагентов: коагулянта, флокулянта, озона, активированного угля и др. Наиболее дорого обходится применение активированного угля. Если при штатной ситуации (умеренной антропогенной нагрузке на водоисточник) активированный уголь используют редко, как правило, в период паводка и цветения фитопланктона, то при увеличении содержания органических ксенобиотиков в исходной воде доза угля повышалась до 50 мг/л и более. При указанной цене порошкообразного активированного угля получим прирост стоимости обработанной воды только за счет угля до 60 USD на 1000 м³, что примерно в 10 раз превышает штатные расходы на реагенты (которые составляют около 20% себестоимости обработанной воды) и в 2 раза – нынешнюю себестоимость производства питьевой воды на крупных водопроводных станциях (без учета транспортировки по распределительной сети). В итоге мы имеем троекратное увеличение стоимости воды по сравнению с нынешней ситуацией. В особо неблагоприятных случаях возможно и более значительное удорожание воды.