ЭКОЛОГИЯ

Оригинальная статья

УДК 65.011.56 © П.П. Иванов, С.Г. Пачкин, В.П. Иванова, А.Г. Семенов, Е.С. Михайлова, 2024

ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Уголь № 07-2024 /1182/

DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2024-7-84-90

Название

Автоматизация процесса регулирования рН в схеме очистки карьерных сточных вод угледобывающих предприятий

Авторы

Иванов П.П., канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры мехатроники и автоматизации технологических систем ФГБОУ ВО «Кемеровский государственный университет», 650000, г. Кемерово, Россия, e-mail: ipp7@yandex.ru

Пачкин С.Г., канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры мехатроники и автоматизации технологических систем ФГБОУ ВО «Кемеровский государственный университет», 650000, г. Кемерово, Россия, e-mail: sergon777@inbox.ru

Иванова В.П., студентка ФГБОУ ВО «Сибирский государственный медицинский университет», 634050, г. Томск, Россия, e-mail: ianova.vera@mail.ru

Семенов А.Г., доктор техн. наук, профессор кафедры теории и методики преподавания естественнонаучных и математических дисциплин ФГБОУ ВО «Кемеровский государственный университет», 650000, г. Кемерово, Россия, e-mail: agsem55@yandex.ru

Михайлова Е.С., канд. хим. наук, директор Института нано-, юио-, информационных, когнитивных и социогуманитарных технологий, начальник управления по реализации КНТП ФГБОУ ВО «Кемеровский государственный университет», 650000, г. Кемерово, Россия, e-mail: e_s_mihaylova@mail.ru

Аннотациия

Развитие угледобывающей промышленности Кузбасса смещается в сторону расширения открытой угледобычи, увеличивая антропогенную нагрузку на окружающую среду, в частности усиливая загрязнение поверхностных и подземных вод территории угледобычи. Для обеспечения необходимого уровня очистки карьерных сточных вод рекомендуется реагентная технология очистки, подразумевающая обработку сточных вод коагулянтами и флокулянтами. Однако для эффективного протекания процесса коагуляции необходимо поддерживать значение рН в сточных водах на уровне 7,5-8,5 единиц. Это об- стоятельство предполагает обязательную корректировку рН путем установки в схему непрерывного смесителя и разработку системы автоматического управления процессом нейтрализации. Основной сложностью при синтезе систем автоматического регулирования рН являются нелинейность кривой титрования, статических и динамических характеристик процесса, а также значительная разница между расходами смешивающихся потоков (сточные воды и реагент). Наибольшее распространение для решения поставленной задачи получили непрерывные замкнутые системы автоматизированного регулирования (САР), реализующие ПИ- или ПИД-закон регулирования. Однако поиск оптимальных значений параметров настройки этих регуляторов является сложной математической задачей, осложняющейся отмеченными ранее технологическими особенностями процесса нейтрализации, а также необходимостью постоянной ручной корректировки установки, вызванной жесткой настройкой параметров регулятора. Данное обстоятельство формирует необходимость поиска новых методов регулирования, в частности использование аппарата нечеткой логики при решении задач управления нелинейными процессами, что и было реализовано в данной работе.

Ключевые слова

Карьерные сточные воды, очистка, нейтрализация, регулирование рН, регулятор нечеткой логики, нелинейная характеристика.

Список литературы

1. Способы снижения воздействия горнодобывающей отрасли на водные экосистемы / А.К. Горелкина, И.В. Тимощук, Н.С. Голубева и др. // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2023. № 7. С. 64-75. DOI: 10.25018/0236-1493-2023-7-0-64. G orelkina A.K., Timoshchuk I.V., Golubeva N.S., Belyaeva O.V., Mikhailova E.S. Reduction of impact of mining on water ecosystems. Gornyj informatsionno-analiticheskij byulleten’. 2023;(7):64-75. (InRuss.). DOI: 10.25018/0236-1493-2023-7-0-64.

2. Васянович Ю.А., Лушпей В.П., Музыченко О.В. Возможности использования шахтных и карьерных вод для нужд населенных пунктов в угледобывающих регионах // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2013. № S22. С. 116-120. Vasyanovich Yu.A., Lushpey V.P., Muzychenko O.V. Usability of surface and underground mine water for needs of communities in coal mining regions. Gornyj informatsionno-analiticheskij byulleten’. 2013;(S22):116-120. (In Russ.).

3. Современные биологические методы восстановления и очистки нарушенных угледобычей земель в условиях кемеровской области – Кузбасса / Н.В. Фотина, В.П. Емельяненко, Е.Е. Воробьева и др. // Техника и технология пищевых производств. 2021. Т. 51. № 4. С. 869-882. DOI: 10.21603/2074-9414-2021-4-869-882. F otina N.V., Emelianenko V.P., Vorobyeva E.E., Burova N.V., Ostapova E.V. Contemporary Biological Methods of Mine Reclamation in the Kemerovo Region – Kuzbass. Tehnika i tehnologiya pischevyh proizvodstv. 2021;51(4):869-882. (In Russ.). DOI: 10.21603/2074-9414- 2021-4-869-882.

4. Оценка эффективности очистки сточных вод угледобывающего предприятия и ее влияние на загрязнение малых рек / Л.А. Иванова, Н.С. Голубева, И.В. Тимощук и др. // Экология и промышленность России. 2023. Т. 27. № 1. С. 60-65. DOI: 10.18412/1816-0395-2023-1-60-65. Ivanova L.A., Golubeva N.S., Timoshchuk I.V., Gorelkina A.K., Prosekov A.Yu., Sapurin Z.P., Medvedev A.V. Evaluation of the efficiency of wastewater treatment of a coal mining enterprise and its impact on the pollution of small rivers. Ekologiya i promyshlennost’ Rossii. 2023;27(1):60-65. (InRuss.). DOI: 10.18412/1816-0395-2023-1-60-65.

5. Филатова Е.Г. Обзор технологий очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов, основанных на физико-химических процессах // Известия вузов. Прикладнаяхимияибиотехнология. 2015. № 2. С. 97-109. F ilatova E.G. Review of wastewater treatment technologies from heavy metal ions based on physico-chemical processes. Izvestiya vuzov.Prikladnaya khimiya I biotekhnologiya. 2015;(2):97-109. (In Russ.).

6. ГеоэкологияместорожденийугляигорючихсланцевСССР. Т. 2. М.: Недра, 1963. 1210 с.

7. Счастливцев Е.Л., Пушкин С.Г., Юкина Н.И. Гидроэкологические проблемы недропользования в Кузбассе // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2010. № S4. С. 419-429. Shchastlivtsev E.L., Pushkin S.G., Yukina N.I. Hydroecological problems of subsurface use in Kuzbass. Gornyj informatsionno-analiticheskijbyulleten’. 2010;(S4):419-429. (In Russ.).

8. МичуринР.А. Оценкакачествапереходногопроцессасистемырегулирования pH шахтныхсточныхвод // Электронныеинформационныесистемы. 2015. № 3(6). С. 34-42. Michurin R.A. Assessment of the quality of the transition process of the pH regulation system of mine wastewater. Elektronnye informatsionnye

sistemy. 2015;(6):34-42. (In Russ.).

9. ПотаповВ.П. ГеоэкологияугледобывающихрайоновКузбасса: монография. Новосибирск: Наука, 2005. 650 с.

10. Патент № 2284048 C2 Российская Федерация, МПК G05D 21/00, C02F 1/66, C02F 103/06. Способ автоматического регулирования величины pH водных растворов: № 2004134297/15: заявл. 24.11.2004: опубл. 20.09.2006 / З.А. Байназаров, С.В. Бурдыгина, В.Н. Горин и др.; заявитель Закрытое акционерное общество ?Каустик?.

11. Патент № 2578045 C1 Российская Федерация, МПК G05D 21/02. Способ автоматического регулирования величины pH циркуляционной воды контура охлаждения статора электрогенератора паровой турбины: № 2014145048/28: заявл. 06.11.2014: опубл. 20.03.2016 / Б.М. Ларин, А.Б. Ларин, Е.А. Карпычев; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования ?Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина? (ИГЭУ).

12. Bratsun D, Mizev A., Utochkin V., Nekrasov S., Shmyrova А. Nonlinear development of convective patterns driven by a neutralization reaction in immiscible two-layer systems. Philosophical Transactions ofthe Royal Society A. 2023;381(2245):20220178.

13. Фетисова Н.Ф. Оценка расхода реагентов для нейтрализации кислых шахтных вод на основе моделирования кривых титрования // Горное эхо. 2023. № 2(91). С. 19-25. DOI: 10.7242/echo.2023.2.4.

F etisova N.F. Estimation of reagent consumption for neutralization of acid mine waters based on titration curve modeling. Gornoe echo. 2023;(91):19-25. (InRuss.). DOI: 10.7242/echo.2023.2.4.

14. Беккер В.Ф., Камаев Д.С. Измерение и регулирование кислотности среды в процессе промышленной нейтрализации // Промышленные АСУ и контроллеры. 2013. № 6. С. 27-34. Becker V.F., Kamaev D.S. Measuring and regulating the acidity of the medium in the process of industrial neutralization. PromyshlennyeASU i kontrollery. 2013;(6):27-34.

15. Popov A., Farag A., Werner H. ?Tuning of a PID controller Using a Multi-objective Optimization Technique Applied to A Neutralization Plant,? Decision and Control, 2005 and 2005 European Control Conference. CDC-ECC ‘05. 44th IEEE Conference.

16. Jari M. Bolinga, Dale E. Seborgb, Joa P. Hespanhac, Multimodel adaptive control of a simulated pH neutralization process. ControlEngineering Practice. 2007;(15):663-672.

17. Sanaz Mahmoodia, Javad Poshtana, Mohammad Reza, Jahed-Motlaghb, Allahyar Montazeria. Nonlinear model predictive control of a pH neutralization process based on Wiener-Laguerre model. Chemical

Engineering Journal. 2009;(146):328-337.

18. A rmenio L.B. et al. Model predictive control design for dynamical systems learned by echo state networks. IEEE Control Systems Letters. 2019;3(4):1044-1049.

19. D r. Magan. P. Ghatule. Design And Development Of Ph Neutralization Process: A Fuzzy Logic Based Electronics Sensing And Control System, Vol. 2, Is. 8, August 2013.

20. Зо М.Н. Разработка системы управления позиционированием сервопривода с применением ПИД-регулятора и контроллера нечеткой логики // Известия высших учебных заведений. Электроника. 2021. Т. 26. № 6. С. 583-588. DOI: 10.24151/1561-5405-2021-26-6-583-588. Zo M.N. Development of a servo positioning control system using a PID controller and a fuzzy logic controller. Izvestiya vysshykhuchebnykh zavedenij. Elektronika.2021;26(6):583-588. (In Russ.). DOI: 10.24151/1561-5405-2021-26-6-583-588.

Поддержка

Исследование выполнено в рамках комплексной научно-технической программы полного инновационного цикла «Разработка и внедрение комплекса технологий в областях разведки и добычи полезных ископаемых, обеспечения промышленной безопасности, биоремедиации, создания новых продуктов глубокой переработки из угольного сырья при последовательном снижении экологической нагрузки на окружающую среду и рисков для жизни населения», утвержденной Распоряжением Правительства Российской Федерации от 11.05.2022 № 1144-р, при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации , № соглашения 075-15–2022-1201 от 30.09.2022.

Для цитирования

Автоматизация процесса регулирования рН в схеме очистки карьерных сточных вод угледобывающих предприятий / П.П. Иванов, С.Г. Пачкин, В.П. Иванова и др. // Уголь. 2024;(7):84-90. DOI: 10.18796/0041-5790-2024-7-84-90.

Информация о статье

Поступила в редакцию: 27.02.2023

Поступила после рецензирования: 16.06.2024

Принята к публикации: 25.06.2024