VI. Рациональное природопользование

Рациональное природопользование – это система взаимодействия природы и общества, построенная на основе законов природы и в наибольшей степени отвечающая задачам развития производства при максимально-возможном сохранении биосферы.

Природопользование, как одно из направлений экологической науки, начало складываться в 60-х годах XX столетия, исходя из осознания факта ограниченности природных ресурсов, опасности сохранения техногенного природоемкого развития и необходимости проведения в больших масштабах природо восстановительных работ.

Природопользование в широком смысле должно способствовать разработке концепции устойчивого эколого-экономического развития. При этом предполагается отказ от концепции экстенсивного экономического роста, лежавшего в основе развития системы мирового хозяйства.

Использование природных ресурсов в мире в целом должно быть таким, чтобы оно способствовало снижению затрат и повышению прибыли в общественном производстве.

Одной из альтернатив неуклонному повышению потребления ресурсов является промышленная политика, направленная на уве­личение продукции из меньшего объема сырьевых ресурсов. Очень важно, чтобы наряду с использованием первичных ресурсов разви­вался бы и хозяйственный кругооборот.

В настоящее время можно говорить о следующих существен­ных источниках покрытия растущих потребностей в сырье:

277

• расширение импорта сырьевых материалов,

• косвенные источники, приводящие к снижению потребления специфических материалов и использования энергии.

По сути, из кругооборота материалов и вещей вытекает, что ис­пользование вторичных сырьевых ресурсов в большинстве своем приводит к экономии первичного сырья и энергии. Поступающее на переработку сырье из отходов, а также использование старой, отслужившей свой срок продукции, является альтернативой для пер­вичного сырья. Объем их использования в каждом случае определя­ется ценой и качеством сырья. Поэтому решающим фактором при использовании вторичного сырья является как конечная цель исполь­зования сырья, так и требование к качеству продукции.

В то же время зависимость многих стран мира от импорта сырья остается высокой, несмотря на то, что у них постоянно нара­щивается объем производства по переработке вторичных сырьевых ресурсов. Для этого имеется ряд причин. Спрос на вторичное сырье от собственного производства в ряде случаев остается небольшим из-за того, что импорт той же продукции часто обходится дешевле.

К основным направлениям по экономии материальных ресур­сов можно отнести следующие:

• использование материалосберегающих конструкций и стро­ительных изделий;

• использование материалосберегающих технологий и мето­дов производства;

• экономически эффективная замена рабочих материалов в кон­струкциях и изделиях;

• снижение транспортных и складских материальных потерь;

278

• переработка ресурсо- и энергосберегающих норм в сторону ужесточения.

Каждое из приведенных выше направлений дает существен­ный вклад в дело сохранения ресурсов и энергии и должно быть использовано в той или иной степени в зависимости от состояния производства и общественно-хозяйственной значимости производи­мой продукции.

Одним из немаловажных факторов для любой конструкции является возможность простой замены детали в случае выхода ее из строя. Поэтому возможность регенерации деталей является одним из качеств полезности изделия, а возможность широкой регенера­ции деталей можно считать целевым критерием при производстве изделий. В этом плане доступность к регенерации можно поставить наравне с такими полезными качествами изделия как стандартность, устойчивость к коррозии, доступность в уходе, простота в демонта­же, рыночная достаточность и стоимость.

Использование материалосберегающих технологий и методов значительно влияет на уровне потребления специфических ма­териалов и энергии, а вместе с тем и на экологическую ситуацию на предприятии, соответствующая технология.

Одним из важнейших средств по сокращению использования специфических ресурсов и улучшению потребительских свойств изделия является замена материалов. К замещающим материалам можно отнести те, свойства которых соответствуют данному назна­чению или характеру работы. Замещение новыми материалами же­лательно в тех случаях, если за счет этого понижается стоимость продукции, снижается стоимость обработки или

279

переработки, про­исходит улучшение качества изделия или же если отходы производ­ства могут быть использованы как вторичное сырье. Таким обра­зом, хозяйственная польза каждого замещающего материала состо­ит как минимум из одной из перечисленных выше компонент.

Суммарная эффективность замещения состоит из суммы резуль­тирующих по каждой из этих компонент. В то же время на практике возможны и другие варианты. Так, например, по стоимости матери­ала новый замещающий материл дороже, но стоимость его обработ­ки настолько ниже, что суммарный экономический эффект получа­ется положительным. Могут быть случаи замещения, когда и сто­имость нового материала и стоимость его обработки в производстве больше старого, но при этом резко улучшаются потребительские свойства изделия.

При внедрении в производственную технологию замещающих материалов, в первую очередь, необходимо сконцентрировать вни­мание на главном и проводить замещение поэтапно, т.е. по схеме частичного изменения технологии. В этом случае финансовые и ма­териальные затраты в определенной степени сокращаются. Наиболь­шую экономическую пользу замещение материалов приносит, как правило, тогда, когда уже на ранней стадии развития производства проводятся исследования по возможным вариантам использования:

• поломки изделий во время транспортировки или перегрузки. Эти потери связаны с недостаточной прочностью материалов и уст­раняются должной организацией транспортировки, режима пере­возок и соответствующей упаковкой;

• потери в результате рассеивания порошкообразных средств, строительных материалов, урожая и других при

280

транспортировке. Они устраняются при использовании специальных закрытых транс­портных средств, контейнеров и другой закрытой тары;

• потери крепежного и прокладочного материала, связано с ис­пользованием стружек, соломы и синтетических материалов. Это относится, в первую очередь, к сосудам, банкам и др. В любом слу­чае эти потери должны быть минимизированы;

• потери, возникающие в результате испарения при осуществ­лении технологических процессов. Это приводит к ухудшению ма­териалов и потере потребительских свойств. Их можно снизить за счет понижения температуры окружающей среды, за счет хорошей герметизации, за счет использования теплоотражающего упаковоч­ного материала и в результате сокращения времени хранения. На потери с испарением токсичных материалов следует обратить осо­бое внимание;

• потери с естественными процессами, которые по своей при­роде могут быть слишком разнообразными. К таким материалам можно отнести органические продукты, полученные из раститель­ного или животного сырья. Эти потери зависят в первую очередь от микробиологической и климатической обстановки. Для устранения таких потерь иногда достаточно поддерживать соответствующий микроклимат или специальные средства консервации. К подобным потерям можно отнести и случаи, когда при неправильных спосо­бах хранения потери материалов не происходит, но материалы теря­ют свои потребительские свойства.

281

Пример 41

Определение максимально-суточных и часовых расходов воды в населенном пункте

Суточные колебания в расходе воды зависят от режима жизни и наблюдаются как в дневное, так и в ночное время. Колебание в расходе воды характеризуется такими величинами как пиковая потребность, среднеарифметическая потребность и минимальная величина потребления воды за рассматриваемый период.

Колебание в расходе воды определяется разностью максимального и минимального потребления. Для учета колебания в потреблении воды за определенный временной отрезок используется понятие относительной линии расхода, которая отражает среднеарифметическую потребность во времени.

Отклонение в расходе воды от среднеарифметического значения определяется в единицу времени в виде отклонения истинного расхода за единицу времени к среднестатистической величине

Ф_i= ( 41.1)

Сумма Ф_i за сутки должна равняться 24. В таблице (41.1) приведены в качестве примера величины, необходимые для определения суточного и годового потребления воды в населенных пунктах.

В соответствии с приведенными параметрами

- максимальный суточный расход

V_{сут max} = Ф_{i max} · V_{сут ср} (41.2)

282

- максимальный часовой расход

V_{час max} = Ф_{i час} · V_{сут max} (41.3)

- параметр «n» определяется в виде n = (41.4)

и представляет собой число часов в сутки, допускающих максимальной часовое потребление воды.

Используемые в формулах 41.2,3 и 4 значения Ф_{i max} и Ф_{i час} представляют собой максимальное суточное отклонение от среднеарифметического потребления (Ф_{i max}) и максимальное часовое отклонение от максимального суточного (Ф_{i час}).

Таблица 41.1

Параметры, используемые для определения потребления воды

число жителей	менее 1000	до 15000	до 100 000	более 150000
единичное потребление воды V л/чел сут.	120	150	190	220
максимальное суточное отклонение от среднеарифметического потребления Фi max	2.5	2.2	1.8	1.6
максимальное часовое отклонение от максимального суточного Фi час	0.17	0.13	0.1	0.07
Число часов использования максимального часового расхода n	6	8	10	14

283

Последовательность решения задачи

1.Определяется количество жителей, проживающих в населенном пункте N чел.

2. В соответствии с данными таблицы 41.1 определяется единичное потребление расхода воды за сутки V л/чел. сут.

3. Далее рассчитывается среднее суточное потребление воды

V_сут.ср = N·V , л/сут (м³/сут) (41.5)

4. Находится максимально суточный расход воды в населенном пункте

V_{сут max} = V_{сут. ср} · Ф_{i max} (41.6)

5.Рассчитывается максимальный часовой расход воды в городе в течении суток

V_{час max} = V_{сут max}· Ф_{i час}, л/ч, (м³/ч) (41.7)

6. Определяется максимальное потребление на одного человека в час

V_чел.max = (41.8)

Полученное максимальное потребление воды одним человеком за час будет отличаться от среднеарифметической часовой величины потребления в Ф_{i max} раза.

284

Варианты условий для решения задачи

№	Число жителей N	Единичное потребление V л/чел.сут	№	Число жителей N	Единичное потребление V л/чел.сут
1	800	120	16	9000	150
2	600	120	17	11000	150
3	900	120	18	13000	150
4	700	120	19	15000	150
5	1000	120	20	20000	170
6	2000	130	21	30000	170
7	4000	130	22	40000	170
8	6000	140	23	50000	180
9	8000	150	24	60000	180
10	10000	150	25	70000	180
11	12000	150	26	80000	190
12	14000	150	27	90000	190
13	3000	130	28	100000	190
14	5000	140	29	200000	210
15	7000	140	30	300000	220

285

Пример 42

Определение требуемого объема водохранилища для обеспечения водопотребления населенного пункта

При расчете требуемого объема водохранилища предварительно необходимо определить:

- требуемый для потребления объем воды за рассматриваемый временной отрезок;

- объем резервной воды на случай выхода из строя водо-приточных насосов и на случай пожара;

- объемы воды, подаваемой приточной системой за время работы насосов в течении суток.

Для оценки требуемого для потребления объема воды за сутки необходимо использовать график суточного потребления воды по часам. График строится на основании почасовых потребностей воды в течение суток. По графику, отражающему колебания в расходах воды, определяется линия суточного регулирования расхода, рис. 42.1

По кривой колебания расходов воды и линии регулирования находятся коэффициенты отклонения Ф_i по часам.

Поступление воды в водохранилище от приточной системы за час определяется на основании суточного почасового потребления воды и времени работы приточной системы в течении суток.

Расход воды из водохранилища V_i м³/ч и поступление воды от приточной системы _i м³/ч приводится в табличной форме по часам в течении суток, табл.42.1).

По величине максимальной и минимальной разницы между объемами воды, забираемой из водохранилища для потребления и поступлением от приточной системы,

286

которые наблюдаются в различное время в течение суток,

определяется требуемый запас воды для текущего потребления.

Добавляя к полученной величине объемы воды, резервируемые на случай аварии приточной системы и пожара, определяется требуемый объем водохранилища.

Таблица 42.1

Почасовые расходы воды

,час	Фi = Vi/Vср почасовое отклонение от среднего значения	Расход воды к потреби- телям Vi=Vср/ Фi м^3/ч	Приток от на- сосных систем i м^3/ч	Vi- почасо- вая разница V	измене- ние разницы расхода и притока в течение суток
0-1	Ф1	V1		V1	V1
1-2	Ф2	V2		V2	V1+V2
2-3	Ф3	V3		V3	V1+V2+V3
.	-«-	-«-	-«-	-«-	-«-
.	-«-	-«-	-«-	-«-	-«-
.	-«-	-«-	-«-	-«-	-«-
.	-«-	-«-	-«-	-«-	-«-
23-24	Ф24	V24		V24	V

288

Время работы насосной системы с учетом времени на профилактику принимают от 8 до 16 часов в сутки. Исходя из принятого времени работы насосной системы и требуемого объема суточного потребления воды определяется часовая производительность насосов-.

= м³/ч ( 42.1)

где:

- среднесуточное потребление воды в населенном пункте м³/сут;

- число часов работы насосов за сутки ч/сут

В случае увеличения суточного расхода воды в населенном пункте должно увеличиваться и число часов работы станции, или же предусматривать дополнительный резервный объем водохранилища.

Кроме использования воды для нужд населения должен быть предусмотрен запас воды и для пожарных нужд. Размеры объемов воды для тушения пожаров в зависимости от его категории и классификации застройки приведен в

таблице 42.2.

289

Таблица 42.2

Расход воды на тушение пожаров

Классификация пожара	Расход воды м^3/ч
	Классификация застройки
	деревян. дачи 1	жилой район города 2	промышленная зона 3
1 малый	24	48	96
2 средний	48	96	144
3 Большой	96	96	192

При определении потребления воды необходимо также учитывать и её расход на собственные нужды, а также потери в системе водоснабжения.

Объем воды на собственные нужды, включая расход на промывку и очистку установок и фильтров, в среднем составляет 1,3% от общего расхода.

Потери воды в системе водоснабжения принимают:

- для магистральных трубопроводов до 5%

- для местных систем в зависимости от их срока эксплуатации от 7 до 10%.

Рассмотрим вопрос по определению требуемого объема водохранилища для обеспечения водопотребления населенного пункта на конкретном примере.

290

В населенном пункте проживает 6000 человек. В соответствии с данными таблицы 41.1 единичное потребление воды в сутки на одного человека составляет 150 литров. Общее потребление воды за сутки составит:

6000 · 150 = 900 000 л/сут. Или 900м³/сут.

Часовое потребление воды в среднем составит:

= 37,5 м³/ч

В соответствии с реальной кривой колебания расходов воды в населенном пункте определяются почасовые коэффициенты отклонения Ф_i от средне-часового расхода и соответственно реальные почасовые расходы. Данные расходов заносятся в таблицу (табл.42.3). почасовые коэффициенты отклонения Ф_{i ,} используемые в таблице 42.3 приняты в качестве одного из вариантов.

С учетом времени на профилактику насосов, подающих воду в водохранилище от стороннего источника, примем, что время работы насосов в сутки составляет 16 часов. При этом, для условия конкретного примера принимаем перерывы в работе насосов с 6 до 8 часов, с 12 до 14 и с 18 до 22 часов. Соответственно требуемая производительность приточных насосов должна составить

= 56,25 м³/ч

291

Таблица 42.3

Расчет почасового расхода воды, согласно, примера

, час	Фi	Расход Vi м^3/ч	Приток , м^3/ч	Разница по часам Vi-	Изменение разницы расхода и прихода в течение суток ,м^3/ч
0-1	0,12	4,5	56,25	-51,75	-51,75
1-2	0,12	4,5	56,25	-51,75	-103,5
2-3	0,12	4,5	56,25	-51,75	-155,25
3-4	0	0	56,25	-56,25	-211,5
4-5	0,06	2,25	56,25	-54	-265,5
5-6	1,54	57,75	56,25	1,5	-264
6-7	3,0	109,5	0	109,5	-154,5
7-8	2,0	78	0	78	-76,5
8-9	0,84	31,5	56,25	-24,75	-101,25
9-10	0,72	27	56,25	-29,25	-130,5
10-11	0,72	27	56,25	-29,25	-159,75
11-12	1,08	40,5	56,25	-15,75	-175,5
12-13	2,64	99	0	99	-76,5
13-14	2,4	90	0	90	13,5
14-15	0,24	9	56,25	-47,25	-33,75
15-16	0,36	13,5	56,25	-42,75	-76,5
16-17	0,36	13,5	56,25	-42,75	-119,25
17-18	0,48	18	56,25	-38,25	-157,5
18-19	0,72	27	0	27	-130,5

292

Расчет почасового расхода воды, согласно, примера

, час	Фi	Расход Vi м^3/ч	Приток , м^3/ч	Разница по часам Vi-	Изменение разницы расхода и прихода в течение суток,м^3/ч
19-20	1,32	49,5	0	49,5	-81
20-21	2,16	81	0	81	0
21-22	2,04	76,5	0	76,5	76,5
22-23	0,72	27	56,25	-29,25	47,25
23-24	0,24	9,0	56,25	-47,25	0

Исходя из величины максимальной отрицательной и максимальной положительной разницы между расходом и притоком требуемая емкость водохранилища по условиям суточного потребления определяется

= 265,5 + 76,5= 342 м³

Используя данные таблицы 42.2 и оценивая возможную категорию пожара как малую, для двухчасового тушения потребуется дополнительный расход воды

= 2· 48 = 96 м³

При определении потребления воды необходимо учитывать дополнительные расходы на собственные нужды, а также на потери в системе водоснабжения. Принимая потери на

293

собственные нужды в среднем 1,3% от общего расхода, а

потери в сетях 7%, определим требуемую емкость водохранилища в целом:

= [( 1,3 + 7) · 0,01 +1] ·(342+96) = 475 м³

Варианты условий для решения задачи

№	Число жителей N, чел	Время работы насоса ч/сут	№ категории пожара и № застройки	№	Число жителей N, чел	Время работы насоса ч/сут	№ категории пожара и № застройки
1	800	8	2/1	16	9000	12	2/2
2	600	8	1/1	17	11000	12	2/2
3	900	8	2/1	18	13000	12	2/2
4	700	8	1/1	19	15000	12	2/2
5	1000	8	2/1	20	20000	12	2/2
6	2000	8	½	21	30000	16	2/2
7	4000	8	2/2	22	40000	16	2/2
8	6000	12	2/2	23	50000	16	2/2
9	8000	12	2/2	24	60000	16	2/2
10	10000	12	2/2	25	70000	16	2/3
11	12000	12	2/2	26	80000	16	2/3
12	14000	12	2/2	27	90000	16	2/3
13	3000	8	2/1	28	100000	16	2/3
14	5000	8	1/2	29	200000	16	2/3
15	7000	8	1/2	30	300000	16	2/3

Единичное потребление воды одним человеком в сутки принимать, согласно того же номера варианта условий для задачи 41

294

Рисунок 1.

Изменение водопотребления в течение суток

295

Продолжение условий для решения задачи по вариантам

Почасовое отклонение расхода воды от среднечасового Ф_i

Время суток	Значение Фi по вариантам
	1 6	712	13 18	1924	2530
0-1	0,1	0,1	0,15	0,16	0,12
1-2	0,1	0,1	0,15	0,16	0,12
2-3	0,1	0,1	0,15	0,16	0,12
3-4	0,2	0,3	0,2	0,1	0
4-5	0,8	0,7	0,25	0,12	0,06
5-6	1,6	1,4	1,4	1,5	1,54
6-7	2,6	2,6	2,7	2,76	3,0
7-8	2,2	2,4	2,3	2,0	2,0
8-9	0,8	0,7	0,75	0,9	0,84
9-10	0,3	0,4	0,4	0,7	0,72
10-11	0,3	0,3	0,45	0,68	0,72
11-12	0,4	0,4	0,5	1,12	1,08
12-13	2,2	2,0	1,9	2,6	2,64
13-14	2,3	2,1	2,4	2,2	2,4
14-15	0,5	0,9	0,5	0,44	0,24
15-16	0,4	0,5	0,45	0,36	0,36
16-17	0,6	0,5	0,55	0,4	0,36
17-18	0,6	0,7	0,6	0,44	0,48
18-19	0,8	0,7	0,7	0,74	0,72
19-20	1,6	1,8	1,7	1,30	1,32
20-21	2,7	2,5	1,9	2,06	2,16
21-22	2,0	2,1	1,8	2,04	2,04
22-23	0,6	0,5	1,5	0,82	0,72
23-24	0,2	0,2	0,6	0,24	0,24

296

Пример 43

Определение размеров метатенка и объема вырабатываемого биогаза при анаэробном сбраживании осадков.

Анаэробное сбраживание – это процесс разложения органических веществ до конечных продуктов, в основном метана и углекислого газа, в результате жизнедеятельности микроорганизмов в анаэробных условиях.

При проведении этого процесса в оптимальных условиях указанные газы образуются в количестве 90-95% от – биологически распавшегося органического вещества. Этот процесс применяют для обработки сырых осадков из первичных отстойников, избыточного ила или для их смеси.

Смесь метала и диоксида углерода называется биогазом.

Теплота сгорания биогаза составляет 18÷24 мДм/м³, чистого метана 37,3 мДм/м³.

Анаэробное метановое сбраживание включат четыре взаимосвязанные стадии:

- стадия ферментативного гидролиза нерастворимых сложных органических веществ с образованием более простых растворимых веществ;

- стадия кислотообразования с выделением летучих жирных кислот (ЛЖК), аминокислот, спиртов, водорода и углекислого газа;

- ацитогенная стадия превращения ЛЖК, аминокислот и спиртов в уксусную кислоту, диссоциирующую на анион ацетата и катион водорода;

297

- метаногенная стадия – образования метана из уксусной кислоты, а также в результате реакции восстановления водородом углекислого газ

Процесс гидролиза осуществляется с учетом биологических катализаторов, которые выделяются в среду бактериями. В результате этого твердые нерастворимые соединения переходят в растворенное состояние.

Второй процесс, как правило, протекает одновременно с первым.

На третям этапе ацитогенная стадия осуществляется двумя группами ацитогенных бактерий. Первый образует ацетат с выделением водорода из растворимых продуктов.

СН₃СН₂СООН+2Н₂О→СН₃СООН+СО₂↑+3Н₂↑

СН₃СН₂СООН+2Н₂О→2СН₃СООН+2Н₂↑

Вторая группа бактерий приводит к образованию уксусной кислоты путем использования водорода для восстановления СО₂.

4Н₂+2СО₂→СН₃СООН+2Н₂О

На четвертой стадии метановые бактерии образуют метан в результате расщепления ацетата и за счет восстановления углекислоты водородом.

СН₃СООН→СН₄↑+СО₂↑

СО₂+3Н₂→СН₄↑+Н₂О

Первым путем образуется 72% метана, а вторым 28%.

Анаэробное сбраживание технологически выполняется как одноступенчатое и двухступенчатое.

Продолжительность процесса сбраживания в одноступенчатых метатенках достигает 30-50 суток, а нагрузка по беззольному веществу составляет 0,1÷1,3 кг/м³.

298

Эти устройства эксплуатируются без перемешивания с небольшим подогревом.

В качестве положительного следует отметить глубокий распад органических веществ – в загруженном осадке, хорошее расслоение осадка и его уплотнение в нижней части резервуара. В метатенках появляется возможность определения иловой воды, и уменьшаются объемы сбраживаемых осадков.

В тоже время, так как это низко нагруженный системы, то они требуют больших емкостей, а, следовательно, и больших капитальных затрат.

Этот недостаток устраняется в высоконагруженных метатенках, в которых процесс ускоряется за счет хорошего подогрева осадка, создается система непрерывного перемешивания и перехода на непрерывную загрузку.

Время обработки осадков в таких метатенках составляет 15-20 суток, а в отдельных случаях снижается до 4-7 суток.

В высоконагруженных метатенках не происходит расслоение осадка и отделение иловой воды.

Чтобы обеспечить и эту операцию технологической схемы предусматривается вторая ступень метатенка.

В высоконагруженных метатенках осуществляется равномерная загрузка осадка во все резервуары и одновременно происходит выгрузка сброженного осадка. Подогрев и горизонтальное перемешивание осадка осуществляется острым паром, а вертикальное перемешивание центробежным насосом.

299

Образующийся биогаз направляется в котельную системы теплоснабжения. Конструктивно метатенки выполняются в виде железобетонных или стальных резервуаров цилиндрической формы с коническим или плоским днищем.

Схема метатенка представлена на рис.1.

Рис43.1 Схема метатенка

1.трубопровод для подачи осадка в метатенк.

2. трубопроводы для выпуска сброженного осадка

3. Устройство для выпуска газа из метатенка

4.Устройство с мешалкой для перемешивания бродящей массы осадка

5. Трубопровод для подвода теплоносителя.

300

Расчет метатенка выполняется в следующей последовательности.

При расчете метатенка, в который поступают сырой осадок от первичных отстойников и активный ил, должны быть заданы или предварительно определены следующими параметрами:

- количество сырого осадка из первичных отстойников станции аэрации Q_со м³/сут., и его влажностью W_со %;

- количество избыточного активного ила Q_аи м³/сут., и его влажностью W_аи %;

На основе этих данных определяется общее количество смеси, поступающей на сбраживания, и ее средняя влажность:

м³/сут. (43.1)

% (43.2)

Далее должны быть известны зольности сырого осадка и активного ила, приведенные на сухую массу А_со %, А_аи % и на основании этого определяется зольность на сухую массу смеси А_см %.

(43.3)

где ρ_со, ρ_аи – истинные плотности сырого осадка и активного ила, по сухому остатку, кг/см³.

301

Плотность сырого осадка из первичных отстойников составляет ρ_со = 1400÷1800 кг/м³, а активного ила ρ_аи = 1300÷1700 кг/м³

Для определения соотношения осадка и ила по сухому беззольному веществу (1:Х) предварительно необходимо определить массы сырого осадка и активного ила по сухому беззольному веществу.

(43.4)

(43.5)

Отношение этих массовых количеств и представляет соотношение осадка и ила по сухому беззольному веществу

(43.6)

Для последующего расчета необходимо принять технологический режим сбраживания с соответствующей температурой. Для проведения мезофильного режима температура принимается 29, 31, 33 или 35⁰С, а для проведения термофильного процесса температура соответственно задается 49, 51, 53 и 55⁰С.

При выборе температурного режима сбраживания следует иметь в виду, что при прочих равных условиях скорость выхода биогаза в/τ (м³/м³ сут.) или нагрузка на метатенк d (кг/м³ сут.) с повышением температуры повышается, а санитарная зараженность снижается.

302

В то же время возрастает расход теплоты на проведение процесса и ухудшается водоотдача осадка. На выбор режима сбраживания оказывает влияние также возможность применения энергосберегающего оборудования и местные условия строительства метатенков.

Влияние температуры на скорость выхода биогаза оценивается максимальной удельной скоростью роста биомассы микроорганизмов μ_m, рассчитываемой по формуле:

(1/сут.), (43.7)

где t – температура сбраживания ⁰С.

При поведении мезофильного режима сбраживания при температуре t = 33 ⁰C величина μ_m = 0,3 1/сут, а для термофильного режима при температуре t = 53⁰С, μ_m = 0,56 1/сут.

Определив предварительные параметры можно продолжить расчет метатенка.

Концентрация сухого беззольного вещества загружаемых в метатенк осадка и ила S (кг/м³) определяется по формуле:

кг/м3 (43.8)

где ρ_об – объемная плотность осадка, определяемая по формуле:

кг/м³ (43.9)

303

где ρ_{ист см} – истинная плотность осадка ( плотность твердой фазы смеси определяется по формуле:

кг/м³ (43.10)

Для дальнейшего продожениярасчета необходимо принять продолжительность процесса сбраживания τ_сут. Она принимается в зависимости от технологического режима в соответствии с вышеприведенными рекомендациями.

Так как нагрузка на метатенк d и продолжительность сбраживания τ взаимосвязаны, то при принятии одного из этих параметров второй определяется по формуле:

сут. (43.11)

Удельный выход биогаза В_уд определяется в зависимости от величины концентрации сухого беззольного вещества осадка S.

Если S≤S_кр, то используется формула

,м³/кг (43.12)

Если S>S_кр, то можно использовать одну из приведенных формул:

304

м³/кг сут. (43.13)

или

м³/кгсут. (43.14)

где S_кр (кг/м³) – значение критической концентрации осадков (табл. 43,1);

В – предельный выход биогаза на единицу массы сухого беззольного вещества в загруженном в метатенк осадке (м³/кг).

При бесконечной продолжительности времени сбраживания предельный выход биогаза определяется по формуле:

м³/кг (45.15)

R_Г(со) и R_Г(аи) – предельный распад сырого осадка и активного ила в долях (они принимаются по опытным данным R_Г(со) =0,530; R_Г(аи) = 0,44)

Таблица 43.1

Величина критической концентрации осадков S_кр

Тип осадка	Предел сбраживания RГ %	Sкр в зависимости от режима
		Мезофильный t = 33^0C	Термофильный
Сырой осадок	53,0	76	93
Активный осадок	44	64	78

305

1 и Х – доли осадка и ила по сухому беззольному веществу в смеси;

K_r – коэффициент пропорциональности, определяемый по формуле:

м³ сут./кг (43.16)

где t = 33 и 53⁰С р = 1

t = 20 и 49⁰С р = 1,16

t = 31 и 51⁰С р = 1,06

t = 35 и 55⁰С р = 0,81

Распад органического вещества R_Г % в смеси определяется по формуле:

(43.17)

где ρ_Г – плотность газа, кг/м³, принимается равной единице.

Скорость выхода биогаза определяется по формуле:

м³/м³ сут. (43.18)

Требуемый рабочий объем метатенка V м³ для заданного количества сбраживаемого осадка Q_см определяется по формуле:

м³/сут (43.19)

Общей выход биогаза рассчитывается по формуле:

м³/сут (43.20)

306

Варианты условий для решения задач

№	Количество		Влажность		Зольность
	Сырого осадка Qсо м^3/сут	Активного ила Qаи м^3/сут	Сырого осадка Wсо %	Активного ила Wаи %	Сырого осадка Асо %	Актив-ного ила Ааи %
1	50	100	93	97,0	32,0	30,0
2	60	120	93	97,0	32,0	30,0
3	70	140	93	97,0	32,0	30,0
4	80	160	94	97,1	32,5	30,5
5	90	180	94	97,1	32,5	30,5
6	100	200	94	97,1	32,5	30,5
7	110	230	95	97,2	32,0	30,0
8	120	260	95	97,2	32,0	30,0
9	130	290	95	97,2	32,0	30,0
10	140	320	96	97,3	32,5	30,5
11	150	350	96	97,3	32,5	30,5
12	160	380	96	97,3	32,5	30,5
13	170	410	95	97,4	32,0	30,0
14	180	440	95	97,4	32,0	30,0
15	190	470	95	97,4	32,0	30,0
16	200	500	94	97,3	32,5	30,5
17	210	530	94	97,3	32,5	30,5
18	220	560	94	97,3	32,5	30,5
19	230	590	93	97,2	32,0	30,0
20	240	620	93	97,2	32,0	30,0
21	250	650	93	97,2	32,0	30,0
22	260	680	92	97,1	32,5	30,5
23	270	710	92	97,1	32,5	30,5
24	280	740	92	97,1	32,5	30,5
25	290	770	93	97,0	32,0	30,0
26	300	800	93	97,0	32,0	30,0
27	310	830	94	97,0	32,0	30,0
28	320	860	94	97,2	32,0	30,5
29	330	890	95	97,2	32,0	30,5
30	340	920	95	97,2	32,0	30,5

307

Рассмотрим расчет метатенка при сбраживании сырого осадка и активного ила на числовом примере.

Количество сырого осадка, поступающего в метатенк от отстойников Q_co = 280 м³/сут

Влажность сырого осадка W_co = 95%

Зольность сырого осадка на сухую массу А_со = 34%

Количество активного ила, поступившего в метатенк Q_аи = 750 м³/сут

Влажность активного ила W_аи = 97,3%

Зольность активного ила А_аи = 31%

Общее количество смеси, поступающей в метатенк

Q_см = 280 + 750 = 1030 м³/сут,

Средняя влажность смеси (43.2)

%

Истинные плотности сырого осадка и активного ила соответственно

ρ_со = 1750 кг/м³, ρ_аи = 1750 кг/м³,

Зольность смеси на сухую массу (43.3)

%

Масса сырого осадка по сухому беззольному веществу (43.4)

т/сут

308

Масса активного ила по сухому беззольному веществу (43.4)

т/сут.

Соотношение сырого осадка и активного ила по сухому беззольному веществу

Для процесса сбраживания в метатенке принимаем мезофильный режим при температуре t = 33⁰С

Определим объемную плотность осадка при его истинной плотности –1,738кг/м³ (43.9)

кг/м³

Концентрация сухого беззольного вещества смеси сырого осадка и активного ила (43.8)

кг/м3

Принимаем продолжительность сбраживания смеси

τ = 10 сут.

Так как S<S_кр (табл. 43.1), то удельный выход биогаза определяется по формуле (43.12). Предварительно, используя формулу (43.15), определим предельный вывод биогаза В, а по формуле (43.16) коэффициент пропорциональности К_Г.

м³/кг

309

м³ сут./кг

Удельный выход биогаза составит:

, м³/кг

Скорость выхода биогаза определяется по формуле (43.18)

м³/м³ сут.

Требуемый рабочий объем метатенка (43.19)

, м³

Общий выход биогаза (43.20)

, м³сут.

310

Пример 44

Оценка негативного воздействия на атмосферу от выбросов локомотивного депо с использованием понятия экологической плотности загрязнения

Под экологической плотностью загрязнения атмосферы понимается суммарная величина загрязняющих веществ, поступающих от источников загрязнения, выраженная в единой системе измерения. Для оценки численной величины негативного влияния используется понятие экологического балла. Величина ущерба атмосфере при выбросе 1 грамма того или иного вредного вещества определяется суммой экологических баллов (экобаллов). Так как загрязняющие вещества, выбрасываемые в атмосферу, обладают различной токсичностью, то и численные величины экобаллов, соответствующих выбросам 1 грамма любого из вредных веществ, будет иметь различные значения. Для приведения суммарного загрязнения атмосферы различными загрязняющими веществами к единой системе экобаллов в качестве единицы измерения принимается загрязнение в результате выброса 1 грамма вредного вещества, характеризуемого наименьшей степенью токсичности. В качестве базовой величины принимается выброс 1 грамма СО, негативное воздействие которого на атмосферу принимается величиной в 1 экобалл. Используя значения ПДК для всех веществ, выбрасываемых в атмосферу, можно выразить их негативное влияние в виде удельных величин

311

экобаллов при выбросе 1 грамма каждого вещества. Для этого используется формула:

(44.1)

Под и понимаются максимально-разовые значения предельно допустимых концентраций СО (базового ингредиента) и всех остальных загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу. Таким образом, зная массовые величины всех выбрасываемых в атмосферу загрязняющих веществ в единицу времени (секунда или год), определяется суммарная величина экобаллов, условно характеризующая негативное воздействие на атмосферу за принятый временной отрезок.

, (44.2)

где - количество загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу, - массовое количество загрязняющего вещества, г/с (т/год).

Для оценки экологической плотности загрязнения с учётом величины фонового загрязнения атмосферы необходимо оценить фоновое загрязнение также в системе экобаллов.

Как правило, фоновая концентрация загрязняющего вещества задаётся в долях его ПДК:

(44.3)

Учитывая линейную связь между концентрацией вредного вещества в атмосфере и массовой величиной его

312

выброса, можно принять, что величина фоновой концентрации этого вещества будет определяться массой выброса, пропорциональной величине предельно-допустимого выброса (ПДВ). Коэффициент пропорциональности определяется уравнением (44.3).

В этом случае суммарная величина экобаллов от выброса i-го загрязняющего вещества, соответствующего фоновому загрязнению атмосферы, определяется по формуле:

(44.4)

При условии присутствия в атмосфере нескольких загрязняющих веществ общая сумма экобаллов, соответствующая фоновым загрязнениям атмосферы всеми присутствующими в ней веществами определяется:

, (44.5)

где - число загрязняющих веществ в атмосфере.

С учётом фонового загрязнения общая сумма экобаллов, отражающая загрязнение атмосферы от действующего предприятия, определяется так:

(44.6)

На основании экобальной оценки загрязнения атмосферы за определённые временные интервалы (например, по годам) можно оценить работу предприятия с экологической точки зрения.

313

Для оценки негативного воздействия на атмосферу от источников загрязения локомотивного депо при решении задачи учитываются загрязняющие вещества, представленные в таблице 44.1.

Таблица 44.1

Загрязняющие вещества, выбрасываемые в атмосферу при работе локомотивного депо

№	Загрязняющие вещества	ПДК макс. раз.	Удельная величина экобаллов
1	Оксид углерода (СО)	5,0	1,0
2	Оксид азота (NO)	0,4	12,5
3	Диоксид азота (NO2)	0,2	25,0
4	Диоксид серы (SO2)	0,5	10,0
5	Пыль с SiO2	0,15	33,3
6	Угольная зола	0,05	100,0
7	Сажа	0,15	33,3
8	Пыль без содержания SiO2	0,5	10,0

314