Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИНТЕРПОЛЯЦИОННОГО КОНТРОЛЯ ЗАГРЯЗНЕННОСТИ СТОЧНЫХ ВОД И ПРОМЫШЛЕННЫХ СТОКОВ

Изобретение относится к способам и средствам мониторинга окружающей среды и может быть использовано для контроля загрязнений сточных вод или поверхностных вод природных водоемов.

Как известно, исследования качественного и количественного состава сточных вод часто затруднено вследствие их сложного состава, широкого интервала концентраций примесей, изменения состава сточных вод во времени. Многие вещества уже в очень малых концентрациях вызывают изменения качества воды, и определение их количества в воде связано со значительными трудностями.

При аналитическом контроле работы очистных сооружений немаловажное значение имеет время, затрачиваемое на проведение анализа. Часто при анализе сточных вод возникают трудности, связанные с присутствием сопутствующих и мешающих веществ, не предусмотренных в стандартных методиках.

Особое значение имеет применение автоматических приборов, которые позволяют не только повысить производительность труда химиков-аналитиков и снизить стоимость анализов, но и осуществить непрерывный контроль состава сточных вод и работой очистных сооружений, а также оперативно зафиксировать любые нарушения.

В современном производстве с повышенными (форсированными) параметрами технологических процессов периодически возникают условия, приводящие к разрушению зданий, сооружений, оборудования и транспортных средств, выходу из строя машин, агрегатов, коммуникаций или их узлов, сбросов в канализацию или поверхностные водоемы агрессивных жидкостей и сильнодействующих ядовитых веществ, разливов нефтепродуктов. Такие явления принято называть авариями.

В соответствии с действующими ГОСТ 12.1.004-91 и ГОСТ Р 12.3.047-98 производственные процессы должны разрабатываться так, чтобы вероятность возникновения нештатных ситуаций на любом участке (объекте) в течение года не превышала 10^-6⋅год^-1.

В практике проектирования в качестве критериев допустимости уровня индивидуального риска R_e рассматриваются три области [1]:

• R_e менее 5.0⋅10^-5 - область малых рисков; мер по их снижению не требуется;

• R_e от 5.0⋅10^-5 до 10^-3 - область, требующая принятия определенных мер по снижению рисков, с учетом экономической (финансовой) целесообразности этих мер;

• R_e более 10^-3 - область недопустимого риска, требующая обязательного выполнения мер по его снижению, невзирая на размер финансовых затрат.

Обеспечение указанных требований возможно только при соответствующей достоверности контроля.

Существующие методы повышения объективности контроля основываются на повышении количества анализов и установке большего количества стационарных или передвижных станций экологического мониторинга. Эти методы являются дорогостоящими и не обеспечивают достоверного анализа, поскольку сброс все равно может пройти мимо них и не быть идентифицированным. В связи с этим важным является создание эффективных систем быстрого прогноза на основании априорной информации о появлении загрязнений и математической обработки динамики изменений результатов контроля, что и реализуется в изобретении.

Из уровня техники известен способ измерения загрязнения реки путем отбора проб воды, включающий измерение концентрации загрязняющих веществ в различных створах реки и составление таблицы данных замеров. При этом качество речной воды оценивается по отношению к предельной допустимой концентрации загрязняющего (ПДК) вещества [2].

Недостатком способа является низкая достоверность контроля, проявляющаяся в невозможности дифференциальной диагностики очагов загрязнения вод.

Из уровня техники известна также автоматическая станция контроля качества природных и сточных вод (SU 1134547 A1, МПК C02F 1/00, G01N 33/18, G05D 27/00, C02F 103/02, опубл. 15.01.1985), реализующая способ контроля загрязнения путем измерения концентрации загрязняющего компонента в воде с помощью переносных приборов или стационарных многопараметрических анализаторов [3].

Однако при контроле загрязнения с использованием автоматической станции контроля качества природных и сточных вод не учитывается предыстория процесса, что не позволяет установить причину и место загрязнения, что снижает достоверность контроля.

Наиболее близким к заявляемому изобретению способом, выбранным в качестве прототипа, признан способ контроля загрязнений реки (RU 2058270 C1, МПК C02F 5/00, опубл. 20.04.1996). В данном способе контроля загрязнения дополнительно вычисляют разность синхронизированных во времени значений концентрации загрязняющего компонента на входе и выходе контролируемого участка, после чего сравнивают вычисленное значение разности концентрации с предельной погрешностью применяемого метода контроля концентраций. При превышении разности порогового значения предельной погрешности метода контроля с одновременным превышением ПДК концентрации на выходе участка делают вывод о наличии загрязнения воды в зоне контролируемого участка. При значениях разности меньше установленной предельной погрешности метода контроля с одновременным превышением ПДК концентраций на входе и выходе участка делают вывод о загрязнениях поверхностных вод до границы контролируемого участка. При превышениях ПДК концентраций на входе и выходе контролируемого участка с одновременным превышением разности значений концентрации предельной погрешности метода контроля делают вывод об одновременном наличии загрязнений как на входе, так и в пределах контролируемого участка [4].

Недостатком известного способа является его низкая достоверность вследствие того, что частота взятия проб не регламентирована. Последнее может привести к тому, что загрязнение может быть вообще не зафиксировано.

Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является повышение достоверности контроля за счет создания системы интерполяционного контроля загрязнений сточных вод природно-промышленных территориальных комплексов.

Указанная задача решена тем, что способ интерполяционного контроля загрязненности сточных вод и промышленных стоков, включает измерение концентрации загрязнения в канализационной трубе на входе и выходе контролируемого участка и сравнение результата измерений с предельно допустимым значением ПДК. Отличает способ от известных аналогов то, что измерение концентрации загрязнения и сравнение результата измерений с предельно допустимым значением ПДК осуществляют с помощью постов анализа загрязнений сточных вод или промышленных стоков, установленных на входе и выходе канализационной трубы, выполненных в виде измерительных модулей, подключенных через коммутатор к вычислительному блоку, при этом дополнительно определяют вероятность обнаружения загрязнения при отсутствии его фиксации упомянутыми постами анализа, представляя последовательность измерений как стационарный поток Пуассона.

Положительным техническим результатом, обеспечиваемым раскрытой выше совокупностью признаков способа, является повышение достоверности контроля за счет измерения концентрации загрязнений на входе и выходе канализационной трубы и дополнительным вычислением вероятности обнаружения загрязнения.

Способ поясняется чертежом, где на фигуре представлена упрощенная структурная схема автоматизированной системы, с помощью которой осуществляется способ.

Осуществление способа основано на использовании инструментального метода исследования особенностей процессов движения загрязняющих веществ, протекающих в жидкой среде. Для разработки алгоритма работы системы по данным реперных измерений и текущих результатов анализа за основу был взят метод стохастической интерполяции, используемый как средство решения задач распознавания, идентификации, обучения и адаптации.

Автоматизированная система контроля, реализующая способ, включает в себя объект контроля, представляющий собой канализационную трубу 1, посты анализа загрязнений сточных вод или промышленных стоков 2.1 и 2.2, установленные на входе и выходе трубы, коммутатор 3, тактовый генератор 4, вычислительный блок 5, задатчик ПДК по контролируемому загрязняющему веществу и интенсивности появления данного вида загрязнений 6, задатчик установки достоверности контроля за время наблюдения 7, логический блок 8, индикатор 9.

Посты анализа 2.1 и 2.2 могут представлять собой измерительные модули, построенные на основе pH-преобразователей, датчиков проводимости и кислородомеров¹ (¹ Измерение параметров воды и других жидкостей // RusAutomation. URL: https://rusautomation.ru/datchiki_parametrov_zhidkosti (дата обращения: 18.01.2019).). Коммутатор 3 может представлять собой мультиплексный вход промышленного измерительного преобразователя² (² T201 // КИП-Сервис. URL: https://rusautomation.ru/datchiki_parametrov_zhidkosti (дата обращения: 18.01.2019).). Тактовый генератор 4 может быть построен на основе микросхемы часов реального времени DS1302 с последовательным интерфейсом³ (³ Часы реального времени с последовательным интерфейсом // Рынок микроэлектроники. URL: http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/ic/Maxim/timing/rtc/serial/start.htm (дата обращения: 18.01.2019).). Блоки 5, 6, 7, 8 и 9 могут быть реализованы на основе промышленного контроллера, построенного на основе восьми- или тридцатидвухразрядного микроконтроллера серии STM8 или STM32, содержащего микропроцессорное ядро, соединенное с помощью системной шины с FLASH-памятью программ, SRAM-памятью данных, двенадцатиразрядным аналого-цифровым преобразователем, энергонезависимой электрически перепрограммируемой памятью EEPROM и универсальными восьмиразрядными двунаправленными портами ввода-вывода. При этом вычислительный блок 5 и логический блок 8 реализуются микропроцессорным ядром микроконтроллера. Задатчики 6 и 7 реализуются электрически перепрограммируемой памятью с возможностью их изменения с помощью программатора или управляющей программы микроконтроллера, хранящейся во FLASH-памяти. Выход коммутатора 3 через измерительный вход, снабженный операционным усилителем, подключен к входу аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера, а к выходу одного из портов ввода-вывода подключен индикатор 9, который может представлять собой модуль индикации, построенный на основе LCD-дисплея или линейки семисегментных индикаторов.

Предлагаемый способ контроля реализуется следующим образом.

Информация о виде и степени загрязнения с постов анализа загрязнений сточных вод или промышленных стоков 2.1 и 2.2 через коммутатор 3, в определенной последовательности, в соответствии с командами тактового генератора 4 поступают на вычислительный блок 5. Далее с помощью вычислительного блока 5 сравнивают измеренные концентрации загрязнений со значениями ПДК. Здесь же вычисляется вероятность пропуска загрязнений сточных вод и происходит сравнение с достоверностью контроля, задаваемой с помощью задатчика установки достоверности контроля 7. После этого с помощью блока 8 производят дифференциальную оценку результатов контроля путем сравнения и логического анализа измеренных и вычисленных значений с предельными отклонениями. Результаты контроля выводят на индикатор 9.

Время протекания сточных вод от начала наблюдений до поста анализа 2.1 составляет Т₀. С поста анализа загрязнений сточных вод или промышленных стоков 2.1, установленного на канализационной трубе 1, время получения информации о виде и степени загрязнения составляет T₁. Время протекания сточных вод внутри канализационной трубы составляет Т₂. На выходе канализационной трубы сточные воды поступают на пост анализа 2.2, время получения информация о виде и степени загрязнения от которого составляет Т₃.

При протекании сточных вод по канализационной трубе за время наблюдения Т_Н возможны два несовместных события, образующих полную группу несовместных событий.

Событие 1. На входе трубы загрязнений, превышающих ПДК, не было, и, соответственно, пост анализа загрязнений 2.1 их не зафиксировал, в канализационной трубе загрязнений не было и пост анализа загрязнений 2.2 их также не зафиксировал. Во время протекания сточных вод по канализационной трубе от поста 2.1 до поста 2.2 загрязнений не было. Время протекания сточных вод по канализационной трубе до поста анализа загрязнений от поста 2.1 до поста 2.2 составит Т₀, вероятность такого события обозначим как P₁.

Событие 2. Загрязнения, превышающие ПДК, были, вероятность такого события обозначим как Р₂.

Как известно, вероятность полной группы несовместных событий равна единице.

Вероятность события Р₂ складывается из суммы вероятностей нескольких совместных событий:

Событие 2.1. Во время протекания сточных вод по канализационной трубе до поста анализа загрязнений сточных вод или промышленных стоков 2.1 произошло одно или более загрязнений, превышающих ПДК. Вероятность такого события Р₂₀.

Событие 2.2. Пост анализа загрязнений сточных вод или промышленных стоков 2.1 обнаружил загрязнения, превышающие ПДК. Вероятность такого события Р₂₁.

Событие 2.3. Между получением информация о виде и степени загрязнения с постов анализа загрязнений сточных вод или промышленных стоков 2.1 и 2.2 в канализационной трубе появилось одно или более загрязнений, превышающих ПДК. Вероятность такого события Р₂₂.

Событие 2.4. Пост анализа загрязнений сточных вод или промышленных стоков 2.2 обнаружил загрязнения, превышающие ПДК. Вероятность такого события Р₂₃.

Появление загрязнений сточных вод, превышающих ПДК, в общем случае имеет случайный характер и представлено в виде случайного потока, ординарного, стационарного и без последействия. Для математической формализации использован пуассоновский поток, а время между соседними загрязнениями имеет экспоненциальное распределение, с учетом дневных (утро, обед и вечер), сезонных (весна, лето, осень и зима) и других изменений параметров потока появления загрязнений.

Интенсивность появления загрязнений λ - среднее число появления загрязнений определенного вида в единицу времени, величина, обратная среднему интервалу времени между загрязнениями. Для оценки ожидаемой интенсивности появления используются следующие подходы:

- статистический подход, заключающийся в максимально полном использовании статистики наличия загрязнений, а также данных о появлении загрязнений на объектах-аналогах;

- графоаналитический подход, заключающийся в использовании логических методов анализа «деревьев событий» или расчетных, имитационных, моделей пользователей;

- экспертный подход, заключающийся в выработке оценки путем учета мнений специалистов в данной области.

Для различных источников загрязнения характерен явный недостаток репрезентативных статистических данных об отказах, ошибках и технических неполадках в технологическом процессе, авариях на объектах-аналогах, уникальности производственных циклов, отсутствии исчерпывающих исходных данных о производстве, условиях размещения и эксплуатации оборудования. Поэтому целесообразно применение сочетания указанных подходов и процедур, адаптированных к специфике целей и задач анализа риска аварийных выбросов конкретного производства.

Вероятность того, что во время протекания сточных вод по канализационной трубе до поста анализа загрязнений сточных вод или промышленных стоков 2.1 загрязнений не было, определится следующим выражением:

Вероятность того, что пост анализа загрязнений сточных вод или промышленных стоков 2.1 загрязнений не обнаружил, определится следующим выражением:

Вероятность того, что в канализационной трубе между анализами загрязнений не было, определится выражением:

Вероятность того, что пост анализа загрязнений сточных вод или промышленных стоков 2.2 загрязнений не обнаружил, определится выражением:

События независимы, поэтому вероятность их одновременного происхождения определится их произведением:

Вероятность того, что во время протекания сточных вод по канализационной трубе до поста анализа загрязнений сточных вод или промышленных стоков 2.1 было одно или более загрязнений, определится выражением:

Вероятность того, что пост анализа загрязнений сточных вод или промышленных стоков 2.1 обнаружил загрязнения, с учетом малого интервала времени получения информации о виде и степени загрязнения T₁ со всем временем наблюдения, приближенно определится выражением:

Вероятность того, что между постами анализа загрязнений сточных вод или промышленных стоков 2.1 и 2.2 в канализационной трубе появилось одно или более загрязнений определится выражением:

Вероятность того, что пост анализа загрязнений сточных вод или промышленных стоков 2.2 обнаружил одно или более загрязнений с учетом малости времени получения информация о виде и степени загрязнения Т₃ со всем временем наблюдения, определится выражением:

Используя известное выражение для расчета суммы четырех совместных событий, получим выражение для расчета вероятности наличия загрязнений:

С другой стороны:

Приравняв выражения (10) и (11), получим:

Выделив произведения, в которые входит вероятность одновременного выполнения независимых событий, получим следующее выражение:

По выражению (13) может быть рассчитана вероятность обнаружения загрязнения постами 2.1 или 2.2 при протекании одного или более загрязнений сточных вод по канализационной трубе до или после поста анализа загрязнений сточных вод или промышленных стоков 2.1. Окончательно вероятность обнаружения можно определить на основании следующего выражения:

Из литературных источников известно, что крупная авария происходит в среднем через 175,2 час, случай разлива нефти - в среднем через 26,3 мин. Среднее время до появления загрязнения может изменяться от 0,5 до 150 час, среднее значение приблизительно 50 час. Среднее время устранения последствий загрязнений в большинстве случаев изменяется от нескольких суток до нескольких лет. Среднее время наличия загрязнения 240 час (10 суток) [5].

Осуществление способа рассмотрим на примере обнаружения загрязнения.

Исходные данные: время наблюдения один месяц, средний интервал времени между загрязнениями пятьдесят часов (в виде взвешенных веществ), среднее время получения информации о виде и степени загрязнения обоими постами одинаково и составляет 12 минут. Время от начала наблюдений до первого анализа один час, между анализами, при чередовании постов - десять часов. Всего за время наблюдения сделано по одному анализу каждым из постов, загрязнений, превышающих ПДК, не обнаружено. По результатам расчета по выражению (14) получена малая вероятность обнаружения загрязнения постами 2.1 или 2.2, составившая Р=7,58×10^-3, что свидетельствует об отсутствии загрязнений. Если бы вероятность обнаружения загрязнения постами 2.1 или 2.2 была высокой, а посты его не зафиксировали, то, в соответствии с требованиями обеспечения указанных ранее рисков, был бы сделан вывод о наличии загрязнений, превышающих ПДК, которые были пропущены, что потребовало бы проведение защитных мероприятий.

При практической реализации предлагаемого способа необходимо делать оценку по каждому из обязательных контролируемых загрязнений сточных вод: биохимическому потреблению кислорода, взвешенным веществам, азоту аммонийных солей, сульфатам, нитратам, нефтепродуктам, хрому, меди, никелю, цинку, свинцу, фосфору, нитритам, железу, хлоридам.

Список источников информации

1. Габричидзе Т.Г. Основы комплексной системы безопасности критически важных (потенциально опасных) объектов муниципального и регионального уровней: монография-Самара: Изд-во Самарского НЦ РАН, 2011. - 391 с.

2. Молоков М.В., Шифрин В.Н. Очистка поверхностного стока с территорий городов и промышленных площадок. М., Стройиздат, 1977. - 104 с.

3. SU 1134547 A1 СССР, МПК C02F 1/00, G01N 33/18, G05D 27/00, C02F 103/02. Автоматическая станция контроля качества природных и сточных вод / Белогуров В.П., Попов Л.Е., Микоткин Б.Г.; заявитель Всесоюзный научно-исследовательский институт по охране вод №3542717; заявл. 25.01.1983; опубл. 15.01.1995, Бюл. №2. 6 с.; ил.

4. RU 2058270 C1 Российская Федерация, МПК C02F 5/00. Способ контроля загрязнений реки / Ястремский Ю.Н., Винокуров Ю.И., Козлов В.В., Краснов Ю.Г.; заявитель Барнаульская инновационно-экологическая фирма «БИНЭФ» №91 4919533; заявл. 14.03.1991.

5. Усольцев В.П., Юран С.И. Достоверность санитарно-эпидемиологического анализа сточных вод при большом количестве случайных воздействий и отсутствии доминирующего фактора // Теоретическая и прикладная экология. - 2016, №3. - С. 19-24.