Курсовая работа на тему Автоматизация процесса физико-химической очистки сточных вод, Экология

Введение

В условиях постоянно ужесточающихся экологических норм и растущего многообразия промышленных загрязнителей, эффективная очистка сточных вод становится одной из наиболее острых задач современного производства. Промышленные и городские стоки содержат сложный комплекс загрязняющих веществ, для удаления которых традиционные методы не всегда оказываются достаточными. В этом контексте физико-химические методы, такие как коагуляция, флотация и адсорбция, выходят на первый план как один из самых действенных инструментов для нейтрализации тонкодисперсных и растворенных примесей.

Однако эффективность этих процессов напрямую зависит от точности управления. Ручной контроль не способен обеспечить стабильность и оперативно реагировать на колебания состава стоков. Поэтому ключевым тезисом данной работы является утверждение: достижение стабильно высоких показателей очистки, оптимизация расхода дорогостоящих реагентов и общая экономическая эффективность невозможны без внедрения современных систем автоматизации.

Целью настоящей курсовой работы является разработка и обоснование системы автоматического управления для технологического процесса физико-химической очистки сточных вод. Для достижения этой цели будут решены следующие задачи:

Анализ современного состояния проблемы и существующих методов очистки.
Разработка функциональной схемы автоматизации для выбранного объекта.
Обоснование выбора технических средств контроля и управления.
Оценка технико-экономической эффективности предложенного решения.

Глава 1. Современное состояние проблемы очистки сточных вод и роль физико-химических методов

Для грамотного проектирования системы автоматизации необходимо понимать специфику объекта управления — сточных вод и методов их очистки. Сточные воды классифицируются по своему происхождению, и каждый тип имеет уникальный состав загрязнителей.

Промышленные сточные воды — наиболее сложная категория. Например, предприятия по производству полимеров сбрасывают стоки, насыщенные высокомолекулярными органическими соединениями (ВМС), а гальванические цеха — стоки с ионами тяжелых металлов.
Городские (хозяйственно-бытовые) сточные воды — характеризуются высоким содержанием органических веществ, которые успешно удаляются биологическими методами. Однако при смешении с промышленными или ливневыми стоками их состав усложняется.

Существует несколько базовых подходов к очистке, каждый со своими сильными сторонами и ограничениями. Механические методы (отстаивание, фильтрация) удаляют крупные примеси. Биологическая очистка эффективна против органики, но бессильна перед многими неорганическими соединениями. Именно здесь решающую роль начинают играть физико-химические методы. Их основное преимущество — способность эффективно удалять тонкодисперсные, коллоидные и растворенные неорганические загрязнения.

Ключевыми физико-химическими процессами являются коагуляция (укрупнение частиц загрязнителей с помощью реагентов-коагулянтов), флотация (удаление частиц путем их прилипания к пузырькам воздуха и всплытия) и адсорбция (поглощение загрязнителей поверхностью сорбента).

Несмотря на их эффективность, традиционные подходы к реализации этих методов имеют существенные недостатки. Ручное управление процессами дозирования реагентов часто приводит к их перерасходу или недостаточной очистке. Объединение различных промышленных стоков в один поток без предварительной обработки снижает качество очистки и делает невозможным извлечение ценных компонентов. Наконец, образующийся в результате очистки шлам требует сложной и затратной утилизации, что является отдельной технологической проблемой.

Глава 2. Анализ объекта автоматизации и определение контролируемых параметров

Переходя от общей теории к практике, необходимо конкретизировать объект автоматизации. В качестве примера рассмотрим станцию очистки промышленных сточных вод, образующихся в результате мойки транспорта и производственного оборудования на гипотетическом предприятии, например, на Уруссинском химическом заводе. Специфика таких стоков — наличие нефтепродуктов, взвешенных веществ и остатков моющих средств, что требует именно физико-химического подхода. Целью очистки является достижение нормативов для сброса в канализацию или, в идеале, для повторного использования воды в технологическом цикле.

Технологический процесс физико-химической очистки можно разбить на несколько ключевых этапов:

Усреднитель стока: Резервуар, где происходит накопление и перемешивание стоков для выравнивания их концентрации.
Камера реакции: Емкость, куда дозируются реагенты (например, кислота/щелочь для коррекции pH, коагулянт и флокулянт) для дестабилизации и укрупнения частиц загрязнителей.
Флотатор: Аппарат, где происходит насыщение воды воздухом, всплытие и удаление образовавшихся хлопьев (флотошлама).

Эффективность всей установки напрямую зависит от поддержания в строгих пределах ключевых технологических параметров. Для автоматизации необходимо выделить именно их.

Ключевые контролируемые параметры процесса
Параметр	Место контроля	Обоснование необходимости контроля
Уровень воды	Усреднитель, камера реакции, флотатор	Предотвращение переливов и работы насосов «всухую», обеспечение стабильного потока.
Уровень pH	Камера реакции	Процесс коагуляции максимально эффективен только в узком диапазоне pH. Точный контроль напрямую влияет на качество очистки и расход реагентов.
Мутность воды	На входе и выходе установки	Позволяет оценивать концентрацию загрязнителей, адаптировать дозу реагентов и контролировать общую эффективность очистки.
Расход стоков и реагентов	Линии подачи стоков и реагентов	Обеспечивает точное пропорциональное дозирование, что является ключом к экономической эффективности.

Таким образом, определив, что именно мы контролируем и зачем, можно переходить к разработке логической структуры системы автоматического управления.

Глава 3. Разработка функциональной схемы автоматизации процесса очистки

Ядром курсовой работы является разработка целостной системы управления. Современные системы автоматизации строятся по иерархическому принципу и включают три основных уровня:

Нижний уровень (полевой): Датчики (уровня, pH, мутности, расхода) и исполнительные механизмы (насосы, электроприводы задвижек).
Средний уровень: Программируемый логический контроллер (ПЛК), который является «мозгом» системы. Он опрашивает датчики и на основе заложенного в него алгоритма управляет исполнительными механизмами.
Верхний уровень: Автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора на базе SCADA-системы. Оно служит для визуализации процесса, архивирования данных и задания уставок.

В рамках этой архитектуры проектируются отдельные контуры автоматического регулирования, решающие локальные задачи.

Контур стабилизации уровня в усреднителе. Датчик уровня в емкости передает сигнал на ПЛК. Когда уровень достигает верхнего заданного значения, ПЛК отключает приемный насос; при достижении нижнего — включает. Это обеспечивает непрерывную и стабильную подачу стока на дальнейшую очистку.
Контур регулирования pH. В камере реакции установлен погружной pH-метр. ПЛК непрерывно сравнивает его показания с заданным значением (например, 6.5-7.5). При отклонении контроллер подает команду на включение соответствующего дозирующего насоса — кислотного или щелочного — для коррекции среды.
Контур дозирования коагулянта и флокулянта. Это наиболее сложный контур. В простейшем случае ПЛК, основываясь на данных от расходомера на входе, управляет производительностью дозирующих насосов реагентов (пропорциональное дозирование). В более продвинутой системе ПЛК также учитывает показания входного мутномера, корректируя дозу реагента в зависимости от степени загрязненности воды.
Контур управления флотатором. Автоматика контролирует работу сатуратора (устройства насыщения воды воздухом) и скребкового механизма для удаления флотошлама. Кроме того, система может оптимизировать рециркуляционный поток — часть очищенной воды, которая возвращается в сатуратор. Регулирование этого потока на основе данных о мутности позволяет повысить эффективность флотации и снизить размеры установки.

Все эти контуры объединяются в единую функциональную схему автоматизации. На такой схеме условными обозначениями показаны все датчики, регуляторы (реализованные в ПЛК), исполнительные механизмы и связи между ними. Логика работы ПЛК описывается в виде алгоритма: «1. Получить данные с датчика уровня в усреднителе. 2. Если уровень ниже уставки, включить насос N1. 3. Получить данные с pH-метра. 4. Если pH выше уставки, включить насос-дозатор кислоты на X секунд…» и так далее. Этот алгоритм реализуется с помощью специализированного программного обеспечения для ПЛК.

Глава 4. Обоснование выбора технических средств для реализации системы

Разработанная функциональная схема должна быть наполнена реальным оборудованием. Выбор конкретных технических средств основывается на ряде ключевых критериев: надежность, точность измерений, химическая стойкость к агрессивной среде, совместимость компонентов, стоимость и простота в обслуживании.

Выбор средств измерения (датчиков)

Датчики уровня: Для открытых резервуаров-усреднителей оптимальным выбором являются бесконтактные ультразвуковые датчики, так как они не контактируют с агрессивной средой и не имеют движущихся частей. Для емкостей под давлением или с пеной могут использоваться гидростатические датчики.
Датчики pH и мутности: Необходимо использовать промышленные погружные или проточные датчики в корпусе из химически стойких материалов (например, ПВХ или нержавеющая сталь). Важно учесть, что такие датчики требуют регулярной очистки и калибровки, что должно быть предусмотрено в регламенте обслуживания.
Расходомеры: Для загрязненных сточных вод лучше всего подходят электромагнитные расходомеры. У них нет движущихся частей в потоке, что обеспечивает высокую надежность и отсутствие потерь давления.

Выбор контроллера и исполнительных механизмов

Программируемый логический контроллер (ПЛК): Выбор ПЛК зависит от количества требуемых дискретных и аналоговых входов/выходов (I/O). Для нашей задачи подойдет контроллер среднего класса, например, Siemens SIMATIC S7-1200 или отечественный ОВЕН ПЛК210. Важным критерием является наличие необходимых коммуникационных интерфейсов (Ethernet для связи с АРМ оператора) и поддержка стандартных протоколов, например, Modbus TCP.

Исполнительные механизмы:

Насосы-дозаторы: Для подачи реагентов выбираются мембранные или плунжерные дозирующие насосы с возможностью управления производительностью по аналоговому сигналу (4-20 мА) от ПЛК. Головка насоса должна быть выполнена из химически стойких материалов.
Запорно-регулирующая арматура: На трубопроводах устанавливаются шаровые краны или дисковые затворы с электроприводами, управляемыми дискретными сигналами от ПЛК.

Спецификация оборудования

Все выбранное оборудование сводится в единую таблицу.

Пример спецификации основных технических средств
Обозначение	Наименование	Тип/Модель (Пример)	Кол-во
LT-01	Датчик уровня ультразвуковой	ОВЕН ДУУ2М	1
pHT-01	Анализатор pH погружной	Endress+Hauser Orbisint CPS11D	1
FT-01	Расходомер электромагнитный	Siemens SITRANS F M MAG 5100 W	1
PLC-01	Программируемый контроллер	ОВЕН ПЛК210	1
P-03	Насос-дозатор коагулянта	Grundfos DDA	1

Глава 5. Оценка технико-экономической эффективности и безопасности проекта

Финальным этапом является доказательство состоятельности проекта через оценку его преимуществ. Внедрение системы автоматизации дает комплексный эффект, который можно разделить на технический, экономический и аспект безопасности.

Техническая эффективность

Автоматизация кардинально улучшает технические показатели процесса. Ключевые улучшения включают:

Повышение стабильности и качества очистки. Система поддерживает оптимальные параметры 24/7, что гарантирует стабильно высокое качество очищенной воды на выходе, независимо от внешних факторов.
Снижение влияния человеческого фактора. Автоматика исключает ошибки персонала, связанные с несвоевременным или неверным дозированием реагентов.
Оперативное реагирование на изменения. Датчики непрерывно отслеживают состав стоков, позволяя системе мгновенно адаптироваться к изменениям нагрузки или концентрации загрязнителей.
Возможность удаленного мониторинга и сбора данных. SCADA-система позволяет не только управлять процессом, но и накапливать исторические данные для последующего анализа и оптимизации.

Экономическая эффективность

Технические улучшения напрямую транслируются в экономические выгоды. Основные статьи экономии:

Снижение расхода реагентов. Точное дозирование на основе реальных показаний датчиков исключает перерасход, что является одной из главных статей экономии, так как коагулянты и флокулянты достаточно дороги.
Сокращение потребления электроэнергии. Оптимизация работы насосов и другого оборудования (например, регулирование рециркуляционного потока во флотаторе) ведет к прямому снижению энергопотребления.
Снижение затрат на персонал. Хотя система требует квалифицированного обслуживания, она позволяет сократить количество операторов, занятых рутинным контролем.
Уменьшение экологических штрафов. Стабильное соблюдение нормативов на сброс (ПДК) исключает риск наложения штрафных санкций со стороны надзорных органов.

Безопасность проекта

Автоматизация значительно повышает уровень как производственной, так и экологической безопасности. Во-первых, минимизируется прямой контакт персонала с агрессивными и токсичными реагентами, что снижает риск профессиональных заболеваний. Во-вторых, система автоматического контроля и блокировок снижает вероятность аварийных ситуаций, таких как переливы или сброс неочищенных стоков, что обеспечивает экологическую безопасность для окружающей среды.

Заключение

В ходе выполнения данной курсовой работы была всесторонне рассмотрена и решена задача автоматизации процесса физико-химической очистки промышленных сточных вод. Был проведен анализ проблемы, который показал, что в условиях разнообразия загрязнителей и строгих экологических требований именно физико-химические методы в сочетании с автоматизацией являются наиболее перспективным решением.

Центральной частью работы стала разработка функциональной схемы автоматизации на базе современного программируемого логического контроллера (ПЛК). Были спроектированы ключевые контуры регулирования (pH, уровня, дозирования реагентов) и предложен алгоритм их совместной работы. На основе анализа рынка и технических требований было подобрано и обосновано конкретное контрольно-измерительное и исполнительное оборудование.

Главный вывод работы заключается в том, что предложенная система автоматизации позволяет эффективно и надежно управлять процессом физико-химической очистки, обеспечивая стабильно высокое качество очищенной воды при одновременной оптимизации эксплуатационных затрат.

Практическая значимость представленных решений состоит в том, что они могут быть использованы в качестве типового проекта при модернизации существующих и проектировании новых очистных сооружений на промышленных предприятиях, автомойках и других объектах. В качестве перспектив дальнейшего развития можно отметить интеграцию системы �� предиктивными моделями на основе машинного обучения для предсказания изменений в составе стоков и упреждающего управления, а также разработку более совершенных и не требующих частого обслуживания датчиков.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Бахтина И.А., Иванова П.В., Иванов В.М, Непомнящий Р.Б. Малая автоматизированная установка для комплексной очистки сточных вод и/или комплексной обработки их осадков: Патент 2330817. РФ // Б.И. 2008. № 22 (www.fips.ru).
Бобров А.Е., Мицевич В.А. Станция очистки подземных и сточных вод: Патент 2331586. РФ // Б.И. 2008. № 23 (www.fips.ru).
Васвани В. MySQL: использование и администрирование. СПб.: Питер, 2011. 368 с.
Гордиенко В.С., Кантор Л.И., Подойницын С.П. и др. Система автоматического управления технологическим процессом очистки воды на скорых фильтрах: Патент 2322283. РФ // Б.И. 2008. № 11 (www.fips.ru).
Кондрашов С.Д., Шеваль В.В. Автоматический комплекс очистки нефтесодержащих сточных вод: Патент 2235069. РФ // Б.И. 2004. № 2 (www.fips.ru).
Кузнецов С.Д. Основы баз данных. М.: Интернет-университет информационных технологий; БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007 г. 484 с.
Культин Н. Основы программирования в Delphi XE. СПБ.: БХВ-Петербург, 2011. 668 с.
Лукьянов В.И., Тюкин В.Н., Мезенева Е.А., Лукьянов Е.В., Тюкин А.В. Станция очистки оборотной воды: Патент 2180324. РФ // Б.И. 2002. № 3 (www.fips.ru).
Муратов М.М., Зинатуллин Р.Ф. Установка очистки воды: Патент 2332355. РФ // Б.И. 2008. № 24 (www.fips.ru).
Муртазин А.В., Москалев П.И., Трошков В.В., Жерновой В.Г. Станция очистки оборотной воды после мойки механических устройств: Патент 2347753. РФ // Б.И. 2009. № 6 (www.fips.ru).
Орлов С. Технологии разработки программного обеспечения. Разработка сложных программных систем. Учебное пособие. СПб.: Питер, 2003. 480 с.
Gangadhar B. Integrated portable water purifier: Патент 7632397. US // 2009 . com/search.html).
Harmless H.M., Plummer R.L. Method for purifying water with ozone and ultrasonic energy: US Patent 7384563 // 2008 (http://www.freepatentsonline.com/ search.html).
Peltzer C.T. Method for manufacturing a system for treating reclaimed water to provide treated water: US Patent 5993671 // 1999 . com/search.html).
Peltzer C.T. Method for manufacturing a system for treating water: US Patent 6077444 // 2000 (http:// www.freepatentsonline.com/search.html).
Varner R.G., Varner D.G. Water treatment system: US Patent 7387722 // 2008 . com/search.html)