Система мониторинга концентрации загрязняющих веществ, в том числе нефтепродуктов, в сточных водах и управления работой очистных сооружений предприятий
SYSTEM FOR MONITORING THE CONCENTRATION OF POLLUTANTS, INCLUDING PETROLEUM PRODUCTS, IN WASTEWATER AND MANAGING THE OPERATION OF TREATMENT FACILITIES OF ENTERPRISES

Изобретение относится к области автоматизации систем водоочистки и может быть использовано при разработке систем для очистки промышленных сточных вод.
В настоящее время предприятия различного профиля, осуществляя свою хозяйственную деятельность, периодически производят сбросы неочищенные стоков в сеть промышленной канализации. По сети коллекторов стоки попадают на собственные очистные сооружения предприятия и далее, после ступенчатой очистки поступают на муниципальные предприятия Водоканала.  Для соответствия очищенных промышленных стоков нормативам, установленным для муниципальных предприятий, которые зачастую строже действующих федеральных, предусмотрен периодический экологический контроль сточных вод лабораторией Водоканала.
В основном эффективность существующих систем очистки промышленных стоков удовлетворяет действующим стандартам для предельных концентраций загрязняющих веществ, однако периодически происходят «проскоки» загрязняющих веществ, в частности нефтепродуктов сквозь очистные сооружения.
Большинство коллекторных сетей предприятий были построены значительное время назад, в то время еще применялся мазут в качестве топлива, в том числе для котельных, расположенных на их территории предприятий.  За продолжительное время подобное топливо впиталось в грунт и при сильных осадках поступает вместе с грунтовыми водами в промышленную канализацию через разрушенные участи коллекторов. Далее такие залповые выбросы поступают на очистные сооружения, которые не справляются с такими разовыми концентрациями нефтепродуктов, которые проходят сквозь очистные сооружения и могут быть определены лабораторией Водоканала при периодическом контроле.
Известна система автоматического управления технологическим процессом очистки воды, включающая модули водоочистки, датчики, регистрирующие параметры процесса в различных точках технологической схемы, клапаны-задвижки, переключающие потоки воды в заданных направлениях, соединенный с компьютером электронный блок управления, принимающий сигналы от датчиков и посылающий сигналы на клапаны-задвижки, причем система содержит несколько сменных модулей водоочистки разной глубины очистки для возможности осуществления многоступенчатой водоочистки, на выходе из которых установлены датчики, непрерывно регистрирующие качество воды по концентрации загрязняющих веществ, на входе в систему установлен датчик, непрерывно регистрирующий качество поступающей в систему исходной воды, а на всех линиях потоков воды в системе установлены клапаны-задвижки, управляемые электронным блоком управления и направляющие потоки очищаемой воды в один или несколько модулей водоочистки в зависимости от сигналов датчиков контроля качества воды. В компьютерную программу управления клапанами-задвижками введены пороговые значения концентраций загрязняющих веществ на различных ступенях водоочистки, что позволяет направлять потоки очищаемой воды через модули водоочистки разной глубины очистки в любых сочетаниях и в любой последовательности как при возрастании загрязненности поступающей в систему исходной воды и превышении пороговых значений, так и при уменьшении загрязненности поступающей в систему исходной воды (RU 2472717, C1, опуб. 20.01.2013).
Известная система позволяет управлять процессом многоступенчатой очистки воды, но она не позволяет выявлять источник загрязнения на территории промышленного предприятия, осуществляющего сброс стоков, а также вычислять и регистрировать то пороговое загрязнение, при котором возможен проход неодоочищенных стоков сквозь   очистные сооружения при залповых сбросах с предприятия, исключить в процессе эксплуатации подобную ситуацию путем упредительного регулирования очистных сооружений.
Техническая проблема, решаемая изобретением, заключается в создании единой системы мониторинга загрязнений нефтепродуктами промышленных стоков и адаптивного регулирования очистной установки предприятия, обладающей такими свойствами, как:
- определение источника на территории предприятия, осуществляющего сброс стоков, загрязненных нефтепродуктами с концентрацией, превышающей максимально допустимую, в промышленную канализацию;
- непрерывный контроль эффективности работы очистной установки (установок) предприятия и оповещение персонала предприятия в случае превышения концентрации нефтепродуктов на выходе очистной установки с указанием кратности превышения относительно максимально допустимой концентрации для данного предприятия;
- запись в память концентраций нефтепродуктов в стоках на входе и выходе очистной установки предприятия за весь период ее работы;
- определение концентрации нефтепродуктов в стоках на входе очистной установки предприятия, при которой происходит превышение максимально допустимой для предприятия концентрации нефтепродуктов в стоках на выходе очистной установки предприятия;
- адаптивное упредительное регулирование технологических процессов очистной установки в процессе ее эксплуатации для исключения превышения концентрации нефтепродуктов в стоках на ее выходе выше установленного в системе максимально допустимого значения. Данное регулирование заключается в подаче системой управляющего сигнала на технологическое оборудование очистных сооружений при достижении определенного системой концентрации нефтепродуктов на ее входе, при котором происходит проход нефтепродуктов на ее выход в концентрации выше допустимой.
Техническая проблема решается системой мониторинга концентрации загрязняющих веществ в сточных водах и управления работой очистных сооружений предприятия, содержащей анализаторы, установленные на трубопроводах со сточными водами подразделений предприятия, а также на входе и на выходе очистных сооружений предприятия, центральный блок управления и модуль регулирования, соединенный с исполнительным механизмом, установленным на трубопроводе подачи очищенной воды на вход очистных сооружений, при этом центральный блок управления выполнен с возможностью приема результатов измерений с анализаторов, определения фактов превышения пороговых значений концентрации загрязняющих веществ в сточных водах подразделений и в воде на входе и выходе очистных сооружений, передачи тревожных сообщений на приемные устройства персонала в случае превышения пороговых значений на трубопроводах со сточными водами подразделений и на выходе очистных сооружений, а также передачи сигнала на модуль регулирования на открытие исполнительного механизма и подачу очищенной воды на вход очистных сооружений в случае превышения порогового значения на входе очистных сооружений, которое соответствует превышению порогового значения на выходе очистных сооружений.
Кроме того, в предпочтительном варианте каждый анализатор включает датчик для определения концентрации загрязняющих веществ в воде, контроллер и устройство беспроводной коммуникации, например, посредством сетей GSM или LoRaWAN, а центральный блок управления выполнен с возможностью беспроводной передачи сигнала на модуль регулирования, например, посредством сети GSM или LoRaWAN.
Кроме того, модуль регулирования может быть выполнен с возможностью изменения технологии работы очистных сооружений путем подачи сигнала на включение в работу дополнительного реактора на выходе очистных сооружений для поглощения избытка загрязняющих веществ.
При этом система предпочтительно предназначена для мониторинга концентрации в сточных водах загрязняющих веществ, которые представляют собой нефтепродукты.
Предлагаемая автоматическая система позволяет проводить непрерывный контроль концентрации загрязняющих веществ, в частности, нефтепродуктов в стоках на входе и выходе очистных сооружений. Поскольку время прохода объема стоков через очистные установки является значительным, появляется возможность регулировать их степень очистки за счет адаптивной технологии самих установок, интегрированных с данной системой.
Для целей управления процессом очистки воды пробы автоматически отбираются с такой частотой, чтобы данные о содержании веществ или величинах показателей поступали в систему управления очистными установками через промежутки времени, необходимые для принятия оперативных решений для их регулирования.
На чертеже представлена схема предложенной системы.
Анализаторы 1, 2…N, входящие в систему, представляют собой аппаратно-программные модули, каждый из которых включает в себя датчик определения концентрации нефтепродуктов, который погружен в трубопровод промышленной канализации, идущей от обособленных подразделений (цехов) 11, 12, …1N, расположенных на территории предприятия, контроллер и устройство беспроводной коммуникации, например, посредством GSM или LoRaWAN сети в зависимости от того, присутствует ли GSM покрытие на территории предприятия. В качестве детектора датчика может использоваться флюоресцентный сенсор, который применяется для неселективного определения нефтепродуктов в воде.
На общем трубопроводе промышленной канализации, идущем к очистным сооружениям 20 предприятия, расположен анализатор 21, а на выходе очистных сооружений 20 на трубопроводе с очищенной водой либо в их накопительном резервуаре 28 с очищенной водой размещен анализатор 22. Анализаторы 21 и 22 выполнены аналогично анализаторам 1-N. На очистных сооружениях 20 расположен модуль 23 регулирования, также включающий устройство беспроводной коммуникации, например, посредством сети GSM или LoRaWAN.
В систему входит центральный блок 24 управления, в состав которого также входит сервер приложений сети LoRaWAN на предприятии.
Очистные сооружения 20 могут включать модули, реализующие как биологические, так и физико-химические методы очистки сточных вод. Очистные сооружения 20 также включают подсоединенную к их выходу ёмкость 28 очищенной воды периодического действия, соединенную с исполнительным механизмом 29, установленным на трубопроводе подачи очищенной воды, соединяющем ёмкость 28 с трубопроводом на входе в очистные сооружения 20. Исполнительный механизм 29 может быть выполнен, например, в виде вентиля с сервоприводом. Включение и выключение исполнительного механизма 29 препятствует возможности проскока на очистные сооружения 20 загрязняющих веществ сверх нормативных параметров. Модуль 23 регулирования, соединенный с исполнительным механизмом 29, служит для преобразования сигнала, полученного от центрального блока 24 управления, в сигнал управления исполнительным механизмом 29.
Система работает следующим образом.
Измерение концентрации нефтепродуктов производится всеми анализаторами 1, 2, … N, 21, 22 круглосуточно с периодом в одну минуту. Данные измерений передаются по локальной вычислительной сети предприятия либо по сети GSM или LoRaWAN на центральный блок 24 управления, а также сохраняются в памяти контроллеров, входящих в состав анализаторов. В случае нарушения связи не переданные результаты измерений отправляются на центральный блок 24 управления при ее восстановлении.
Данные от всех анализаторов системы поступают на центральный блок 24 управления, где управляющая программа выявляет превышения концентрации нефтепродуктов в промышленных сбросах подразделений 11, 12, …1N. При первоначальной настройке системы в центральный блок 24 управления заносится пороговое значение концентрации нефтепродуктов в стоках обособленных подразделений, называемое Порог 0. При превышении значения концентрации выше заданного Порога 0 формируется тревожное сообщение на рабочее место 25 диспетчера предприятия, а также осуществляется рассылка тревожных сообщений на мобильные устройства 26 руководителей предприятия. Данные сообщения выполняют исключительно предупредительные и административные функции. Никаких дополнительных действий по регулированию не предпринимается. Регистрация Порога 0 нужна только для выявления потенциального источника перегрузки очистных сооружений 20.
В случае, когда на очистные сооружения 20 идет напорный трубопровод от нефтеулавливающих колодцев, то с насоса, перекачивающего сбросы на очистные сооружения 20, снимается и передается в центральный блок 24 управления сигнал, определяющий момент его включения. В этом случае показания концентрации нефтепродуктов в сточных водах учитываются только после включения такого насоса.
Данные с анализатора 22, размещенного на выходе очистных сооружений 20 на трубопроводе с очищенной водой либо в их накопительной ёмкости 28 с очищенной водой, также поступают на центральный блок 24 управления.
При первоначальной настройке системы определяется время Т, за которое стоки подразделений 11, 12, … 1N проходят цикл полной очистки очистными сооружениями 20. Данная величина заносится в программу в центральном блоке 24 управления.
Программа центрального блока 24 управления определяет факт превышения концентрации нефтепродуктов на выходе очистных сооружений 20 выше заданного нормативного значения, которое может устанавливаться от 0,3 до 100 мг/дм3. Данное пороговое значение заносится в программу в центральном блоке 24 управления на этапе настройки и носит название Порог 1. В случае превышения концентрации нефтепродуктов на выходе очистных сооружений 3 выше Порога 1 отправляются сообщения на рабочее место 25 диспетчера предприятия, а также осуществляется рассылка тревожных уведомлений с указанием кратности превышения нефтепродуктов на выходе очистных сооружений 20 относительно нормативного значения на мобильные приемные устройства 26 руководителей предприятия. Программой производится сопоставление текущих значений концентраций нефтепродуктов в очищенных стоках на выходе очистных сооружений 20 в случае превышения Порога 1 с концентрацией нефтепродуктов в стоках на входе очистных сооружений 20, которые там присутствовали в момент времени на Т ранее момента измерения. Анализатор 22 на выходе служит только для индикации аварийной ситуации и для первоначального определения концентрации загрязнений на входе и время их воздействия, при которых очистные сооружения 20 не справляются со своими функциями. Никаких дополнительных действий по регулированию не предпринимается.
Концентрация нефтепродуктов в стоках на входе очистных сооружений 20, при котором происходит превышение (проскок) загрязнений на выходе очистных сооружений 20, определяется и заносится в программу в центральном блоке 24 управления на этапе настройки системы. Данная концентрация нефтепродуктов в стоках носит название Порог 2. После настройки начинает работать функция адаптивного автоматического регулирования эффективности работы очистных сооружений 20. При определении анализатором 21 содержания нефтепродуктов выше Порога 2 центральный блок 24 управления подает сигнал на модуль 23 регулирования исполнительного механизма 29. Поток очищенной воды из емкости 28 очищенной воды поступает в поток загрязненной нефтепродуктами воды на входе в очистные сооружения 20, разбавляет этот поток и не допускает пиковых нагрузок на очистные сооружения 20 и, как следствие, превышения концентрации на выходе очистных сооружений 20 выше Порога 1.
При превышении концентрации нефтепродуктов, зафиксированном анализатором 21 на входе очистных сооружений 20 выше порогового уровня, при котором возможно превышение нормативных значений  концентрации нефтепродуктов на их выходе, модуль 23 регулирования получает соответствующий сигнал от блока 24 управления и отправляет сигнал управления на открытие заслонки-шибера исполнительного механизма 29 на трубопроводе очищенной воды из ёмкости 28 на время, необходимое для разбавления избытков нефтепродуктов в стоках, проходящих через очистные сооружения 20.
Ёмкость 28 очищенной воды периодического действия представляет собой цистерну, находящуюся на выходе очистных сооружений 20, время от времени заполняемую по сигналу управления очищенной водой, находящейся в бункере, через дозатор. Подача очищенной воды начинается по сигналу из центрального блока 24 и продолжается до тех пор, пока концентрация нефтепродуктов в стоках на входе очистных сооружений 20 не снизится.
Такое периодическое адаптивное включение дополнительного источника очищенной воды в контур очистки стоков позволяет исключить залповую нагрузку на очистные сооружения, превышение концентрации нефтепродуктов на выходе очистных сооружений 20 относительно нормативов, а также сократить затраты на их эксплуатацию.
Центральный блок 24 управления хранит данные за весь период работы системы с момента начала ее работы и позволяет получить и отобразить на рабочем месте 25 диспетчера статистику эффективности работы очистных сооружений 3 предприятия, а также показания концентрации нефтепродуктов в сбросах обособленных подразделений 11, 12, …1N предприятия. Данные из архива системы передаются на верхний иерархичный уровень контролирующей системы отрасли через интерфейс 27 центрального блока 24 управления.
Система осуществляет автоматический непрерывный анализ концентрации нефтепродуктов в сточных водах, регулирование очистных сооружений 20 при повышении концентрации нефтепродуктов в промышленных стоках на их входе для исключения их прохода сквозь очистные сооружения 20, программа в центральном блоке 24 управления осуществляет графическое представление результатов, подготовку и рассылку тревожных оповещений по факту нарушения нормативов или нештатных ситуаций.
Показатели содержания нефтепродуктов в сточных водах в цифровом виде, поступающие от анализаторов, передаются через сетевую (проводную или беспроводную) инфраструктуру для хранения и последующей обработки на центральный сервер, предназначенный для хранения данных, который может быть расположен на самом предприятии, или в облачное хранилище (облачный вариант предоставления услуги мониторинга).
Пользователь получает доступ к данным через графический интерфейс 10 системы, имеющий возможность настройки и рассылки тревожных оповещений персоналу по факту наступления события (например, превышение допустимой концентрации нефтепродуктов в сточных водах)
Система имеет возможность управления исполнительным устройством 29 посредством модуля 23 регулирования для адаптивного регулирования работы очистных сооружений 20. Также возможна интеграция для обмена данными с системами АСУ ТП, использующимися на предприятии.
На территориально распределенных предприятиях система позволяет выявлять подразделения, превышающие нормативы по сбросу нефтепродуктов в промышленную канализацию.