Согласно общепринятой методике определяются капитальные, эксплуатационные и приведенные затраты, а также себестоимость 1 м3 очищенной воды. Срок окупаемости в расчетах с учетом нынешних рыночных отношений, приемлемый для инвестора, принят не более шести лет [10]. Технико-экономические показатели (ТЭП) приведены в табл. 13.

Примечание: * в ценах 2006 г.; ** без учета подогрева воды на технологические нужды.

4.3. Анализ эффективности действующего водоочистного комплекса

Для оценки эффективности действующего водоочистного комплекса и разработки мероприятий, направленных на повышение его санитарно-гигиенической надежности, проводят технический и технологический аудит.

Технологический аудит (от англ. аudit — проверка, ревизия) — это оценка максимально возможной эффективности работы системы для конкретных условий эксплуатации, сравнение с реальными результатами, определение причин несоответствия и разработка мероприятий по достиженииэффективности работы действующих сооружений, приближенной к максимальной.

Технический аудит ставит целью выявление фактического состояния и параметров работы водного хозяйства, а также разработку концепции о возможности его модернизации и реконструкции.

При оценке эффективности производства питьевой воды, забираемой из природных водоисточников, необходимо анализировать не только потенциальную возможность и режимы работы непосредственно очистных сооружений и технологических процессов, реализуемых на них, но и условия совместной работы водозаборных сооружений, насосных станций первого

ивторого подъема, водоводов, транспортирующих исходную воду до площадки очистных сооружений, и резервуаров чистой воды. Перечисленные сооружения представляют собой по существу единый водозаборно-очистной комплекс, от санитарно-технологической надежности

иэкономической эффективности которого и зависят количество и качество питьевой воды, поступающей в систему распределения объектов водоснабжения, а также себестоимость ее приготовления.

Через определенный период от начала эксплуатации таких комплексов может происходить существенное изменение ряда условий и факторов, влияющих на их первоначальную потенциальную водоочистную способность. К таким условиям и факторам относятся: ухудшение качества исходной воды при изменении гидрологических, гидрогеологических и климатических условий, а также под воздействием антропогенных (техногенных) нагрузок на водоисточники в районах водозабора; расширение перечня контролируемых показателей и ужесточение нормативных требований к степени очистки воды; увеличение или снижение потребности в питьевой воде; рост эксплуатационных затрат и изменение экономической ситуации в данном регионе и государстве в целом.

26

В работах [10; 14; 18] изложен системный подход к обоснованию технологических схем водоподготовки, их выбора и оптимизации на стадиях проектирования.

Методология комплексной оценки санитарно-гигиенической надежности и экономической эффективности станций водоподготовки, находящихся в постоянной эксплуатации,предусматривает разработку новых и использование приемлемых существующих методик по следующим направлениям:оценка качества воды, поступающей на очистные сооружения;сбор и статистическая обработка эксплуатационных характеристик действующих сооружений, находящихся в составе разных технологических линий; определение санитарно-гигиенической надежности технологической схемы очистки и обеззараживания воды по отдельным показателям, лимитируемым существующими нормативами; определение полной суточной гарантированной производительности («реальной технологической мощности») станций водоподготовки; определение резерва и путей энергосбережения; прогноз изменения себестоимости подготовки 1 м3 питьевой воды в связи с ростом эксплуатационных затрат, возможным снижением годовой производительности станций и использованием новых технологий, сооружений и устройств систем водоподготовки; определение основных направлений технического перевооружения (реконструкции, дооснащения) станций водоподготовки, направленного на повышение надежности и экономичности технологических процессов.

Для того чтобы водопроводные очистные сооружения служили надежным барьером, предотвращающим поступление к потребителям некачественной воды, при анализе существующей технологии водоподготовки необходимо предварительно провести объективный анализ информации об изменчивости показателей качества исходной воды в районе водозабора за период, составляющий не менее пяти лет. Методы очистки воды, рекомендуемые для применения на очистных сооружениях, должны обеспечивать качество, соответствующее нормативам, приведенным в [2], на протяжении всего расчетного периода эксплуатации станции при сезонно изменяющемся качестве воды в водоисточнике. Без учета последнего, особенно с появлением

вводе водоисточника повышенных концентраций антропогенных загрязнений, водопроводные очистные сооружения не всегда могут должным образом выполнятьсвои функции.

При оценке санитарно-гигиенической надежности технологии водоподготовки необходимо установить четкие границы диапазона изменений концентраций ингредиентов исходной воды. Нижней границей этого диапазона является установленный нормативными документами [2] лимит на содержание загрязняющих примесей в питьевой воде. Нахождение верхней границы значений концентраций является более сложной и неопределенной задачей, связанной с риском возможного превышения граничных значений ингредиента после очистных сооружений

внаиболее неблагоприятные периоды их эксплуатации.

Предложенная авторами [10] методология определения верхних расчетных концентраций лимитируемых ингредиентов качества воды, поступающей на очистку, базируется на сопоставлении достаточной санитарно-гигиенической надежности работы очистных сооружений в течение расчетного периода их эксплуатации, с одной стороны, и затратами на техническое перевооружение (дооснащение) и годовыми эксплуатационными расходами станции, с другой.

Алгоритм методологии оценки качества исходной воды при анализе эффективности существующих очистных сооружений предполагает включение ряда последовательно выполняемых операций:

1)изучаются и идентифицируются приоритетные (лимитируемые), характерные для исследуемого створа водозабора, ингредиенты химических и бактериологических загрязнений;

2)определяются возможные негативные воздействия изученных химических соединений

ибиологических загрязнений на качество очищаемой воды, производится оценка достоверности статистической информации о показателях, влияющих на эффективность технологии водоподготовки;

27

3) устанавливаются индексы опасности лимитируемых ингредиентов, превышение которых может потребовать проведения дополнительных мероприятий по повышению санитарной надежности водоочистной станции;

4) проводится статистическая обработка гидрохимическойи гидробиологической информации, устанавливаются статистические параметры ранжированных рядов лимитируемых ингредиентов; 5) определяется относительная продолжительность периода превышения концентраций хi-м ингредиентом над принятым нормативом ПДКос для анализируемой технологической

схемы водоподготовки за весь период наблюдений; 6) определяются значения индекса качества воды (ИКВ), устанавливаются зависимости

«ИКВ – Risk» для каждого из лимитируемых показателей.

При сезонных и кратковременных изменениях качества в водоисточнике исходной воды, подаваемой в «голову» сооружений, для обеспечения гарантированной полной производительности и надлежащей санитарно-гигиенической надежности работы станции по отдельным ингредиентам необходимо изменять управляющие параметры процессов очистки на отдельных блоках станции водоподготовки либо снижать производительность последних.

На практике целесообразно комбинировать и варьировать этими факторами одновременно или отдельно в разные периоды года.

Для получения объективных результатов анализа эффективности технологических процессов важнейшим условием является не только достаточный объем выборки по данным анализов качества исходной воды, основных управляющих параметров процесса водоподготовки и нормируемых показателей качества питьевой воды, но и их соответствие между собой при определенных промежутках времени отбора проб воды и фиксации технологических параметров управления.

Отсутствие (или присутствие в малых количествах) специфичных показателей качества исходной воды (например остаточного алюминия, хлороформа и ряда других), а также различная степень влияния применяемых реагентов с разными дозами для коагулирования и обеззара-

где Qг.полн — гарантированная полная производительность станции по отдельным показателям качества исходной воды; xi — определяющие ингредиенты качества исходной воды; ui — основные параметры управления технологическими процессами; yi — основные ингредиенты качества воды после полного цикла ее очистки и обеззараживания.

Под Qг.полн предложено принимать такую производительность, при которой независимо от изменения качества воды на входе в станцию всегда будут обеспечены нормативы питьевой воды на выходе по всем лимитируемым ингредиентам в течение расчетного срока эксплуатации станции.

Технологические процессы очистки и обеззараживания воды на большинстве водоочистных станций направлены на очистку исходной воды в первую очередь от мутностих1, цветности х2, перманганатной окисляемости х3, бактериологических показателей, в частности общего микробного числа х4 и фитопланктона х5.

В процессе первичного хлорирования и коагулирования в воде образуются остаточный алюминий y6 и хлороформ у7, влияющие на гарантированную производительность станций. Возросшая в настоящее время роль этих ингредиентов в оценке санитарно-гигиенической надежности станций обусловлена современной тенденцией постоянного ужесточения нормативов по их содержанию в очищенной воде. Так, в соответствии с [2] содержание остаточного алюминия в питьевой воде лимитировано до 0,2 мг/л, а хлороформа — до 60 мкг/л.

28

Выбор параметров, управляющих классическими технологическими процессами обработки воды, связан со спецификой работы сооружений для приготовления и дозирования реагентов, смесителей, камер хлопьеобразования, отстойников и скорых фильтров. Такие важные параметры управления, как продолжительность смешения tсм и хлопьеобразования tхл, критерий Кэмпа, скорость движения воды в отстойниках vотс, продолжительность отстаивания tотс, скорость фильтрования на скорых фильтрах с инертной vф и сорбционной vс загрузками, продолжительность контакта воды с озоно-воздушной смесьюtоз в схемах, где используется озонирование, предложено учитывать в математических моделях единым универсальным показателем —

гидравлической нагрузкой на сооружения водоподготовки. При сложившейся структуре действующих станций водоподготовки с конкретными конструктивными размерами сооружений параметр «гидравлическая нагрузка» равноценен расходу воды, поступающему в «голову» технологической цепи последовательно работающих сооружений. Такой цепью являются отдельные технологические линии или целые блоки из них, на которые вода поступает одинакового качества, и очистка воды осуществляется с одинаковыми режимами обработки.

В этих случаях в качестве основных параметров, управляемых технологическими процессами реагентной обработки воды, вполне обоснованно могут быть приняты дозы коагулянта u1, флокулянта u2, первичного u3 и вторичного хлорирования u4, а также дозы озона u5 и порошкообразного угля u6 в случаях применения таких методов водоподготовки. При более сложном составе очищаемых и обеззараживаемых вод (например при повышенной жесткости, большом содержании фито- и зоопланктона и др.) число управляемых параметров технологическими процессами может быть увеличено.

Поскольку в исходной воде отсутствуют или присутствуют в весьма малых количествах остаточный алюминий и хлороформ, показатели этих ингредиентов y6 и y7 учитываются лишь в питьевой воде.

Первостепенное значение на адекватность математических моделей, описывающих технологический процесс очистки воды в конкретных условиях, оказывают выборка и оценка достоверности принятых в расчетах значений Qi, xi, ui, yi.

При необходимости прогноза значений гарантированной полной суточной производительности водопроводной очистной станции Qг.полн на перспективу выборка исходных данных должна не толькобыть достаточно полной, но и охватывать весь диапазончасовых минимальных

имаксимальных значений зафиксированных лимитируемых ингредиентов по качеству исходной

иочищенной воды в наиболее характерные годы и сезоны года в увязке с соответствующими им значениями управляемых параметров технологическими процессами.

Фактическое количество подаваемой потребителю очищенной воды является величиной переменной в течение суток, месяца и года, зависящей от режима водопотребления в зоне обслуживания потребителей конкретной станцией водоочистки, сложившейся системы подачи

ираспределения воды, графиков совместной работы насосных станций первого и второго подъема и режимов срабатывания регулирующих объемов воды в резервуарах чистой воды, расположенных на станциях и отдельных территориях объектов водоснабжения. Степень равномерности подачи воды насосной станцией первого подъема в «голову» очистных сооружений в течение суток зависит от имеющегося на станции регулирующего объема воды в резервуарах чистой воды и принятого графика работы насосов второго подъема

Качество воды на входе в станцию зависит от качества воды в водоисточнике и степени его изменения по тракту движения от водоисточника до входных камер или смесителей водоочистных станций, в том числе после смешения с отстоянной (или более глубоко очищенной) промывной водой фильтров, частично возвращаемой в «голову» сооружений.

На станциях, где на одном блоке последовательно расположенных очистных сооружений реализуется одна технологическая схема, снижение концентраций отдельных загрязнений

исходной воды хiвх, превышающих нормативы, определяется на основании математической модели, позволяющей рассчитывать величину показателя в воде на выходе из станции хiвых в комплексе сооружений в единой технологической цепи.

29

На станциях, где работают несколько блоков очистки (по одной технологической схеме или с разными технологическими схемами), эффективность очистки в целом по станции определяется по каждому из блоков с последующим расчетом смешения очищенных вод, поступающих в общий резервуар питьевых вод.

При построении математических моделей комплекса технологических процессов предполагается, что водоочистная станция состоит из нескольких сооружений (модулей), через которые исходная вода проходит последовательно. Каждый модуль оказывает влияние на один или несколько показателей качества, причем на выходе из какого-либо модуля показатели качества воды являются входными для следующего модуля. Все предыдущие модули водоочистной станции влияют на учитываемые показатели качества воды, входящей в i-й модуль. Показатель качества входящей на модуль воды обозначается черезхiвх, выходящей из модуля— через хiвых, где i = 1, 2, 3, …, n; n — количество модулей, из которых состоит станция.

Каждое сооружение и технологический процесс подготовки воды характеризуются совокупностью различных параметров (геометрические размеры сооружений и устройств, дозы реагентов, расход обрабатываемой и промывной воды, скорости движения воды и т.д.). Из всей этой совокупности определяются параметры, которые оказывают наибольшее известное влияние на изменение показателей качества воды, обрабатываемой в сооружении. Эти параметры обозначаются черезu1i, u2i, …, umi или (в векторной форме)ui = [u1i, u2i, …, umi]T,

где i — номер сооружения (модуля); mi — количество выделенных параметров для i-го сооружения. На все параметры сооружений и технологических процессов накладываются ограничения, определяемые условиями физической реализуемости, эффективности, нормативными документами и т.д. Математически ограничения представляются в виде равенств или неравенств, связывающих параметры.

Для нахождения гарантированной полной суточной производительности станции устанавливают математические зависимости показателей качества воды на выходе из каждого сооружения отполных суточных расходов воды, поступающих на станцию, показателей качества воды на входе в станцию и перед каждым сооружением, а также основных параметров управления технологическими процессами. Эти зависимости представляют собой математическую модель процесса очистки воды в сооружении, которая может быть представлена дифференциальными, разностными, интегральными, алгебраическими уравнениями в соответствии с накопленными знаниями технологического процесса.

Важную роль в построении математической модели и обеспечении ее адекватности реальным процессам играют целенаправленно поставленные эксперименты на природных водах и систематические опытно-эксплуатационные наблюдения за работой каждого сооружения конкретной станции в периоды характерного изменения качества воды в водоисточнике.

Показатели качества исходной воды определяются по результатам статистической обработки данных гидрохимической и гидробиологической информации. Показатели качества воды, подаваемой потребителю, определяются нормативными документами [2]: хвых ≤ хнорм.

В соответствии с постановкой задачи математическая модель комплекса технологических процессов, протекающих в сооружениях водоочистной станции, представляет собой зависимость показателей качества воды на выходе сооружений, соответствующихтребованиям, от количества поступающей на них воды Qвх, показателей качества воды на входе хiвх, уiвх и технологических

где n — количество учитываемых показателей качества воды; m — количество параметров управления.

30

Эти соотношения показывают зависимость основных лимитируемых показателей качества воды как непосредственно от Qвх, так и от выбранных технологических параметров работы очистных сооружений. Приемлемым способом отыскания таких зависимостей является статистический метод обработки экспериментальных данных, полученных в процессе длительной эксплуатации действующих станций.

Для каждого показателя качества воды на основе экспериментальных данных необходимо получить вектор коэффициентов. Последним этапом построения математической модели является проверка адекватности решений.

Врасчетах коэффициенты регрессии при основных параметрах математических моделей задаются своими средними значениями и доверительными интервалами при 95-процентной вероятности. Поэтому оценка гарантированной производительности также должна быть представлена в виде некоторого среднего значения и доверительного интервала.

Вотдельных случаях для выполнения нормативов по перманганатной окисляемости, хлороформу, остаточному алюминию показатели качества очищенной воды на станциях по мутности, цветности и фитопланктону могут быть приняты и меньшими по абсолютным значениям, чем хнорм, установленный [2]:

где ∆хi — требуемая величина снижения верхних пределов нормируемых ингредиентов, устанавливаемая опытным путем.

Гарантированную полную суточную производительность блока при одной технологической схеме находят по минимальному значениюQвх, найденному по зависимости от соответствующего наиболее трудноудаляемого ингредиента, связанного в комплексном взаимодействии с другими показателями качества воды, из построенных графиков.В случае совместной работы нескольких водоочистных блоков с одной или несколькими технологическими схемами очистки на общие резервуары чистой воды в составе одной водоочистной станции концентрации лимитируемых ингредиентов уточняют по результатам расчета смешения разных количеств очищенной воды

В реальных условиях эксплуатации водоочистных станций увеличение их полной гарантированной производительности достигается усовершенствованием технологических процессов на отдельных сооружениях станции и смешением очищенных вод с разными концентрациями лимитируемого ингредиента.

Результаты по определению значений Qг.полн сопоставляются с исходными данными по динамике изменения за исследуемый период годовых эксплуатационных затрат и используются при решении задач по усовершенствованию технологий водоподготовки, нахождению оптимальных режимов управления технологическими процессами, поиску путей энергосбережения

ипрогнозу изменения себестоимости подготовки 1 м3 питьевой воды как одному из важных показателей экономической эффективности функционирования водоочистного комплекса.

Предложенная методология комплексного анализа технологической, санитарно-гигие- нической и экономической эффективности действующих водоочистных комплексов на базе многолетних эксплуатационных данных при сезонных изменениях качества воды в конкретном створе поверхностного водоисточника служит основой для разработки программ реконструкции

итехнического дооснащения, направленных на повышение их производительности, надежности

иэкономичности.

31