Методология ранжирования показателей качества воды при очистке адсорбентами

Технические науки/3. Отраслевое машиностроение

К.т.н., доцент Ахмедьянов А.У., Киргизбаева К.Ж., Сагимбекова А.М.

Евразийский национальный университет им.Л.Н. Гумилева, Казахстан

Методология ранжирования показателей качества воды при очистке адсорбентами

При оценке качества воды важным является выбор количественных показателей, по численным значениям которых можно оценить уровень ее качества. Выбор тех или иных показателей должен определяться конечными задачами исследования, номенклатура их должна отражать основные характеристики, однако всегда надо исходить из минимального, но достаточного количества показателей.

При выборе номенклатуры и значимости показателей качества воды возникает ряд вопросов: неясно, какому показателю отдать предпочтение по значимости и какова значимость показателя.

Исходя из этого, для решения вышеуказанных вопросов, необходимо рассматривать систему показателей качества с учетом требований, предъявляемых к ним.

К показателям качества воды можно предъявить следующие основные требования: полнота оценки качества воды; функциональная взаимосвязь с другими показателями; учет факторов, определяющих качество воды; использование в качестве технических параметров воды; удобство и быстрота проверки в процессе использования воды; неизменность в течение длительного промежутка времени; простота определения; простота единиц изменения.

В соответствии с вышеуказанными требованиями необходимо присвоить «веса» исследуемой номенклатуре количественных показателей. На основании целевого назначения оценки качества воды достаточно полно отражается следующими показателями: мутность - S (t); водородный показатель - рН (t); общая (полная) жесткость - Ж (t); щелочность - Щ(t); железо общее – Fe(t); хлориды – HCl (t); сульфаты – H₂SO₄(t); окисляемость – О₂.

Данные показатели позволяют оценить качество воды в кратчайшие сроки и доступными инженерными методами расчета.

Например, для показателя общей (полной) жесткости Ж(t) воды, предлагается следующее качественное описание его соответствия вышеприведенным требованиям:

1. Достаточно полно характеризует качество воды т.к. определяет пригодность воды для использования как промышленных, так и в бытовых целях.

2. Входит во многие характеристики при оценке качества воды;

3. Учитывает один из важных факторов, влияющих на качество воды;

4. Поддается техническому расчету;

5. Используется для различных технических расчетов, характеризует общее содержание в ней солей кальция и магния;

6. Сравнительно просто определяется как в лабораторных условиях, так и с помощью портативных приборов.

Для определения значимости показателей в первую очередь необходимо установить ранг показателя, который оценивается числом связей между вершинами графа. Ранг показателя характеризует его значимость, следовательно, чем выше численное значение ранга, тем важнее определение данного показателя при оценке качества воды.

Рисунок 1 – Граф установления рангов показателей качества

Аналогичным образом можно описать и другие показатели качества воды. На основе такого описания построена матрица соответствия «весов» количественных показателей качества воды, предъявляемым к ним требованиям (таблица 1), в которой значимым показателям и требованиям присваиваются более высокие «веса».

Таблица 1 - Соответствие «весов» показателей качества, предъявляемым требованиям

Номер

требо-вания

Вес

требо-вания

Наименование показателей безотказности

S (t)

рН (t)

Ж (t)

Щ(t)

Fe(t)

HCl(t)

H₂SO₄(t)

O₂(t)

«Вес» количественных показателей безотказности

1,1

1,0

0,9

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

Для определения степени соответствия показателей требованиям перемножаем соответственно их «веса» (таблица 2) по формуле:

n_ki = a_k∙l_i (1)

где: N _ki – степень соответствия i- го показателя k-му требованию;

l_i – «вес» i- го показателя;

а_k – «вес» k-го требования;

Суммарная степень соответствия i-го показателя всем предъявляемым к ним требованиям определяется по формуле:

n_i = (2)

где: m - количество предъявляемых требований.

Полученные результаты заносим в таблицу 2.

Таблица 2 - Матрица соответствия показателей качества, предъявляемым требованиям

Номер требо-вания	Наименование показателей безотказности
	S (t)	рН (t)	Ж (t)	Щ(t)	Fe(t)	HCl(t)	H₂SO₄(t)	O₂(t)
	«Вес» количественных показателей безотказности
1 2 3 4 5 6 7 8	9.9 9.0 6.3 2.8 4.2 3.5 2.8 2.7	8.8 8.0 4.5 5.6 2.4 0.5 1.6 2.7	4.4 7.0 3.6 4.2 4.8 3.0 1.2 2.4	7.7 5.0 8.1 3.5 3.6 4.5 2.0 2.7	6.6 6.0 2.7 2.9 1.8 2.0 2.4 2.7	5.5 4.0 7.2 2.1 3.0 2.5 0.8 2.4	3.3 3.0 5.4 6.3 5.4 4.0 3.6 2.4	2.2 2.0 1.8 1.4 1.2 1.5 0.4 2.7
m	43,9	36,8	31,2	37,8	31,8	29,1	35	15,9

Сравнительная степень соответствия между C_ij двумя показателями с учетом их функциональной взаимосвязи и предъявляемым к ним требованиям (таблица 3) определяется по формуле:

C_ij= (3)

где: z_i, z_j – число связей соответственно i- го j-го показателя.

Результаты расчетов по формуле 3 сведены в таблицу 3.

Таблица 3 – Матрица степени соответствия C_ij

8,675

7,364

9,825

8,0

14,75

13,15

12,3

8,675

7,269

9,7

7,785

16,625

13,025

12,175

7,394

7,269

8,419

6,594

13,344

11,744

10,894

8,438

8,313

7,032

7,638

14,388

12,788

11,938

9,825

9,7

8,419

9,469

15,775

14,175

13,325

8,0

7,785

6,594

9,025

9,254

12,35

11,5

14,75

16,625

13,344

15,775

13,95

19,1

18,25

13,15

13,025

11,744

14,175

12,35

19,1

16,615

Для вычисления «весов» количественных показателей нужны не абсолютные, а относительные величины, поэтому целесообразно все значения матрицы C_ij разделить на меньшие из них (в данном случае C₃₆ =6,594) и получить таким образом коэффициенты влияния k_ij (таблица 4).

Таблица 4 – Матрица коэффициентов влияния k_ij

1.316

1.121

1.489

1.213

2.237

1.994

1.865

1.316

1.102

1.471

1.181

2.251

1.975

1.846

1.121

1.102

1.277

1.0

2.024

1.781

1.652

1.28

1.261

1.066

1.158

2.182

1.939

1.81

1.489

1.471

1.277

1,369

2.392

2.15

2.021

1.213

1.181

1.0

1.369

2.116

1.873

1.744

1.237

2.251

2.024

2.392

2.116

2.897

2.768

1.994

1.975

1.781

2.15

1.873

2.897

2.525

Перемножив все члены матрицы А непосредственных путей графа на соответствующие коэффициенты влияния К_ij (таблица 4), получим новую матрицу А₁ непосредственных путей графа, но уже с учетом математической связи количественных показателей и предъявляемых к ним требованиям.

Таблица 5 - Матрица А₁ с учетом «весов» количественных показателей

1.316

1.121

1.489

1.213

0.0

1.316

0.0

1.102

1.471

1.181

0.0

1.211

1.102

0.0

1.277

1.0

2.024

1.171

1.652

1.28

0.0

1.066

0.0

1.158

2.182

0.0

1.489

1.471

1.277

1,369

0,0

0.0

1.213

1.181

1.0

1.369

2.116

0.0

2.024

0,0

0.0

1.781

0.0

Далее возводим матрицу А₁ (таблица 5) непосредственных путей графа с учетом «весов» количественных показателей во II степень и получим матрицу А₁² (таблица 6).

Таблица 6 - Матрица А₁²

3.81

3.02

3.48

3.56

3.22

5.52

1.31

1.85

3.64

3.05

3.43

3.49

3.19

5.44

1.29

1.82

5.93

3.86

11.19

5.76

7.06

2.79

4.37

5.86

5.1

7.84

7.24

2.16

1.25

1.76

2.22

1.88

4.75

6.01

6.41

5.57

1.5

2.11

5.28

4.6

6.82

7.72

5.45

5.01

1.17

1.65

2.23

2.58

2.02

4.1

2.37

3.34

1.96

2.27

1.78

3.6

2.09

2.94

Для получения рангов R₁_i исследуемых показателей безотказности, сложим матрицу А₁ с матрицей А₁², т.е. получим новую матрицу – матрицу доминирования С₁ (таблица 7).

Таблица 7- Матрица доминирования С₁

ΣR_1i

3.81

4.33

7.14

4.60

4.53

5.52

1.31

1.85

4.95

3.05

5.63

4.96

4.37

5.44

1.29

1.82

11.86

12.27

13.18

7.03

8.06

4.81

1.17

1.652

10.02

5.86

8.07

7.84

8.39

4.34

1.25

1.761

12.58

1.47

5.93

7.32

6.41

5.57

1.5

2.11

11.77

5.78

6.64

9.08

7.56

5.01

1.17

1.65

2.23

4.35

2.58

2.02

4.1

2.37

3.34

1.96

1.78

2.27

1.78

3.6

2.09

1.94

54.99

36.95

52.72

45.68

43.12

38.39

12.15

16.12

Таким образом, в результате расчета методами структурного и статистического анализа определена, в соответствии с требованиями к показателям качества и их функциональной взаимосвязью следующая номенклатура и последовательность (по степени значимости) количественных показателей безотказности:

1. Мутность - S (t); 2. Общая (полная) жесткость - Ж (t); 3. Щелочность - Щ(t);

4. Железо общее – Fe(t); 5. Хлориды – Cl (t); 6. Водородный показатель - рН (t);

7. Окисляемость – О₂; 8. Сульфаты – SO₄(t).

Мутность воды вызвана присутствием тонкодисперсных взвесей органического и неорганического происхождения. Взвешенные вещества попадают в воду в результате смыва твердых частичек верхнего покрова земли дождями или талыми водами во время сезонных паводков, а также в результате размыва русла рек. Мутность не только отрицательно влияет на внешний вид воды. Главным отрицательным следствием высокой мутности является то, что она защищает микроорганизмы при ультрафиолетовом обеззараживании и стимулирует рост бактерий. Поэтому во всех случаях, когда производится дезинфекция воды, мутность должна быть минимальной для обеспечения высокой эффективности этой процедуры.

Предлагаемая методика выбора номенклатуры показателей качества с учетом их функциональной взаимосвязи и требований, предъявляемых к ним, позволяет распространять ее на показатели, характеризующие качество не только воды, но и других систем.

Предложенные технология и методика позволяют научно-обоснованно подбирать оптимальные решения и технологии водоподготовки при разработке технического регламента, с учетом физико-химического состава и реакционной способности компонентов подземных и поверхностных вод.