Технико-экономические показатели различных методов очистки поверхностного стока

Для выбора наиболее выгодного варианта системы дождевой канализации необходимо производить технико-экономические расчеты, т.е. по каждому варианту определять строительную стоимость и эксплуатационные затраты. Стоимость определяется сметами. Эксплуатационные затраты подсчитываются по соответствующей калькуляции. Если по первому варианту строительная стоимость С₁, а величина ежегодных затрат на эксплуатацию – Э₁, а для второго варианта соответственно С₂ и Э₂, то при С₁ > С₂ и Э₁ > Э₂ второй вариант очевидно экономичнее первого. Когда при сравнении вариантов получаются соотношения С₁ > С₂ и Э₁ < Э₂ или С₁ < С₂ и Э₁ > Э₂, то для решения вопроса о выборе экономически выгодного варианта необходимо устанавливать сроки окупаемости Т или обратные им величины коэффициентов экономической эффективности Е:

                                                        (9.10)

                                        (9.11)

Вариант с меньшим нормативным сроком окупаемости считается более экономичным. Обычно принимается Т=6-10 "лет, а Е= 0,15-0,10. Для предварительного определения строительной стоимости (при отсутствии смет) пользуются укрупненными показателями, разрабо­танными на основании смет для аналогичных объектов и дающими стоимость отдельных сооружений на единицу пропускной способности, емкости, мощности, длины и т.п. Годовые затраты по эксплуатации системы канализации 3 слагаются из расходов на электроэнергию и топливо; материалы, в том числе химические реагенты, используемые для очистки воды; амортизационные отчисления, включая отчисления на капитальный ремонт; заработную плату рабочих; оплату воды; прочие прямые затраты; цеховые и общие расходы, связанные с эксплуатацией системы канализации; внеэксплуатационные расходы.

Суммарная норма амортизационных отчислений В (в % от первоначальной стоимости) составляет

                                 (9.12)

где К - первоначальная стоимость основных средств; Р_к- сумма затрат на капитальные ремонты в течение всего срока службы основных средств; М- остаточная стоимость основных средств к концу срока их службы; Т - число лет службы основных средств (срок окупаемости).

Амортизационные отчисления за один год составляют 6-7 % от стоимости основных фондов, в том числе отчисления на капитальные ремонты сооружений и оборудования - 2-3 %.

Себестоимость отвода дождевых вод с 1 га площади водосбора С_б определяется делением общей суммы годовых эксплуатационных затрат Э на площадь F:

                                                  (9.13)

Основные пути снижения себестоимости отведения воды: полное использование производственной мощности сооружений, интенси­фикация и применение новаторских методов, правильная организация труда, экономия электроэнергии, повторное использование воды. При оценке эффективности мероприятий по очистке и использованию поверхностного стока в системах промышленного и сельскохо­зяйственного водоснабжения можно применять укрупненные технико-экономические показатели по системам отведения и очистки. В табл. 9.14 приведены технико-экономические показатели различных вариан­тов механической очистки земляных прудов-отстойников поверхност­ного стока и обработки осадков, по данным ЦНИИЭП инженерного оборудования.

В табл. 9.15 приведены сравнительные капитальные вложения для различных вариантов очистки поверхностного стока с городских территорий и обработки осадков.

Высокая себестоимость очистки 1 м³ поверхностного стока обусловлена большой неравномерностью его поступления и необходимо­стью в связи с этим строительства дорогостоящих прудов-усреднителей и сооружений относительно большой производительности.

На основании обработки данных около 20 проектов во ВНИИ ВОДГЕО построен график зависимости себестоимости очистки поверх­ностного стока от суточной производительности очистных сооружений (рис. 9.14).

Удельные затраты на строительство дождевой канализации коле­блются в широких пределах: капитальные вложения на 1м³ суточной производительности составляют от 70 до 145 р., стоимость отвода и очистки воды - от 3 к. до нескольких рублей (в ценах 1984 г.).

Регулирование расходов дождевых вод перед подачей их на очистку позволяет снизить мощность очистных сооружений и усреднять концентрации загрязнений. Одной из основных проблем, решаемых при проектировании системы отведения и очистки дождевых вод, является вопрос оптимизации системы регулирующий резервуар - очистные сооружения. Здесь решаются две задачи: одна направлена на поиск оптимальных объемов регулирующего резервуара и производительности очистных сооружений при заданных параметрах площади водосбора, а другая, обратная - на поиск рациональной площади стока (модуль), обеспечивающей минимальные затраты на регулирование и очистку.

Наиболее универсальными критериями, позволяющими увязывать основные показатели перечисленных систем и оценивать эффективность различных решений, являются экономические показатели. В данном случае в качестве критерия оценки можно принять приведенные затраты. Тогда в общем виде задачу оптимизации можно описать уравнением

                                                        (9.14)

где П_с- приведенная стоимость всей системы регулирования и очистки; П_i - приведенная стоимость i-го компонента системы; п - количество компонентов системы.

На основе анализа типовых проектов сооружений регулирования и очистки поверхностного стока в СПбГАСУ [4] были получены зависимости для регулирования стоимостных показателей различных сооружений. На рис. 9.15 приведена зависимость, характеризующая влияние общего объема регулирующего резервуара и количества секций в нем на приведенные затраты по строительству такого резервуара. Эта зависимость описывается уравнением

                             (9.15)

где П_рез - приведенные затраты на строительство резервуара, тыс. р.; W_рез- объем регулирующего резервуара, тыс. м³; N - количество секций в резервуаре.

Данная зависимость получена для закрытых железобетонных резервуаров с глубиной заложения 5-5,5 м при условии разработки мягких грунтов. На рис. 9.16 приведены затраты на строительство дождевой сети в зависимости от объема коллектора W_сети продолжи­тельности концентрации стока Т₀. Эта зависимость может быть выражена уравнением

                                        (9.16)

где С_сет - стоимость прокладки дождевого коллектора, тыс. p.; W_сет - объем дождевого коллектора, м³.

На рис. 9.17 представлены графические зависимости, позволяющие найти приведенные и эксплуатационные затраты для сооружений очистки дождевых вод как функцию от производительности сооружений и количества ступеней очистки.

Уравнение (9.17) позволяет аналитически выразить данную графическую зависимость:

          (9.17)

где П_ос - приведенные затраты на строительство очистных сооружений, тыс. р.; т - количество ступеней фильтрации дождевых вод; Q_р-расход дождевых вод, подаваемых на очистные сооружения, л/с.

Данная зависимость достаточно точно описывает стоимостные показатели очистки дождевых вод для диапазона производительности очистных сооружений от 20 до 220 л/с.

                                        (9.18)

при 0 < Q _р < 300 л/с.

Здесь Н_р- суточный слой осадков заданной обеспеченности, мм; β_р= W_рез /W_ст = Н_рез /H_р- коэффициент емкости регулирующего резервуара; W_рез - объем регулирующего резервуара; W_ст - объем суточного стока заданной обеспеченности; Н_рез - слой осадков соответствующий объему регулирующего резервуара, мм; ψ_с - суточный коэффициент стока.

Выбор оптимальных решений в области рационального исполь­зования и охраны окружающей среды в настоящее время основан на использовании целевой функции - минимум приведенных затрат. Но применение этого критерия для сравнения вариантов допустимо лишь при условии приведения вариантов к тождественному хозяйственному результату не только по объемам производства, но и по воздействию на окружающую среду. Задачей технико-экономических расчетов является выбор решения, обеспечивающего достижение требуемого производ­ственного результата при концентрации загрязняющих веществ, не превышающих предельно допустимые значения в условиях ограни­ченных и заданных ресурсов.

Основные положения расчета экономической эффективности можно свести к следующему.

Сопоставим два варианта комплекса водоохранных мероприятий, используя следующие обобщенные показатели: К - капитальные вложения для создания технических средств водоохранного назначения; Э - эксплуатационные издержки при непрерывном функционировании технических средств; В -объем уничтожаемого загрязняющего вещества в результате внедрения технических средств; W - потребительский эффект, который выражает тот или иной результат от предотвращения производственных выбросов.

В реальных условиях часто встречается следующая форма сопоставления показателей вариантов водоохранных мероприятий:

Первый вариант предпочтительнее по капитальным вложениям и эксплуатационным затратам, а второй - по объему уничтожаемого загрязняющего вещества. Использовать критерий минимума приведен­ных затрат допустимо лишь при условии приведения вариантов к тождественному результату. Правило тождества выражается условием В₂ = В₁+АВ

Приращение капиталовложений ДК и ежегодных издержек АЭ обуславливает увеличение объема уничтожаемого загрязняющего вещества на АВ. Для приведения вариантов к тождественному результату необходимо пересчитать показатели первого варианта:- и использовать скорректированный показатель для выбора варианта с большим экологическим эффектом:

                                     (9.19)

После преобразований получим условие целесообразности дополнительных затрат:

                                        (9.20)

Соотношение (9.20) показывает, что для принятия варианта водоохранных мероприятий с большим экологическим эффектом необхо­димо, чтобы приращение приведенных затрат, отнесенное к дополни­тельному объему уничтожаемого загрязняющего вещества, было меньше или равно приведенным затратам базового варианта. Или иначе, допол­нительные приведенные затраты, отнесенные к приведенным затратам базисного варианта, должны быть не больше относительного прироста экологического эффекта

                                                 (9.21)

Теперь рассмотрим случаи распределения объема загрязняющего вещества В на n водоохранных установках так, чтобы суммарные затраты были минимальными. Затраты на уничтожение загрязняющего вещества на каждой установке (I = 1,2... п) являются функциями выхода вещества b₁, b₂... b_n и равняются соответственно З₁ (b₁), 3₂(b₂)… З_n ( b_n ). При этом будем иметь в виду, что затраты на обезвреживание вещества возрастают при увеличении его количества, т.е. д²З_i/ д b_i² > 0. Математическая формулировка задачи: найти такие переменные b₁, b₂… b_n , чтобы

                                                 (9.22)

при условии

                                (9.23)

Распределение уничтожаемых загрязняющих веществ между водоохранными установками оптимально, если предельные затраты по их уничтожению на этих сооружениях равны между собой:

                                   (9.24)

Если предельные затраты на обезвреживание загрязняющего вещества на отдельных сооружениях разные, то выгодно перерас­пределить заданный объем уничтожаемых веществ, уменьшив его на тех сооружениях, где предельные затраты выше, и увеличив там, где они ниже; это приведет к снижению совокупных затрат.

Если на всех водоохранных установках предельные затраты на уничтожение загрязняющих веществ одинаковы, то можно говорить об общих предельных затратах на их уничтожение, которые равняются х. Если заданный объем загрязняющего вещества распределен между водоохранными установками не оптимально, то условие (9.24) не выполняется и нельзя говорить о каких-либо обобщающих нормативах уничтожения загрязняющих веществ; в этом случае затраты различны для каждой водоохранной установки. Используя вышеприведенные решения, рассмотрим задачу оптимального выбора структуры водоохранных мероприятий от загрязнения водоемов. Критерием выбора водоохранных мероприятий может служить минимум совокупных теку­щих и единовременных затрат на мероприятия: а) по предотвращению загрязнения водоемов (водоохранные установки) – 3_вм; б) по компенсации негативных социальных, экологических и экономических последствий, обусловленных превышением фактических загрязнений над естествен­ным загрязнением - З_к.

Математическая формулировка задачи: найти среди значений задержанных загрязнений С₁, С_2....С _n оптимальную величину С_опт, чтобы

                                      (9.25)

при наличии ограничивающего условия

                                                                 (9.26)

Так как суммарные затраты состоят из двух составляющих, которые с изменением концентрации загрязнений изменяются в противополож­ных направлениях, то в общем их можно аппроксимировать простыми функциями:

1. Затраты на водоохранные мероприятия аппроксимируем простой линейной функцией

                                  (9.27)

где α₀ - постоянные затраты на водоохранные мероприятия, не связанные с концентрацией загрязнений (например, на мероприятия, обуслов­ленные ликвидацией поверхностно-активных веществ, нефтепродуктов, фенолов и т.д.); α - дополнительные затраты на ликвидацию единицы количества загрязнения.

2. Затраты на компенсацию негативных социальных последствий аппроксимируются функцией

                                       (9.28)

где b_Q- постоянные затраты на компенсационные мероприятия, не зависящие от затрат на водоохранные мероприятия; Р - коэффициент переменной части компенсационных затрат, снижающийся при увели­чении затрат на водоохранные мероприятия.

Определив значения а₀, а, Ь₀ и р, уравнение (9.27) можем записать

                                (9.29)

Суммарные затраты на водоохранные и компенсационные меропри­ятия будут минимальны при экономически оптимальном задержании С_от загрязнений; величину которого найдем из равенства нулю первой производной суммарных затрат З_с (относительно С):

Это значит, что суммарные затраты З_с минимальны для такого значения С, при котором затраты на водоохранные и компенсационные мероприятия равны, или сокращение затрат на компенсационные мероприятия равняется росту затрат на водоохранные мероприятия.

Если при экономически оптимальном значении С_опт будет выпол­няться условие С_опт < С_т, значит экономический оптимум соответствует оптимальному. Если же С_опт > С_тр, то следует обеспечивать санитарно-гигиенические требования к качеству воды и принимать С = С_т, но для этого требуются дополнительные затраты.

Дополнительные затраты экономически будут оправданы, если имеет место соотношение

Норматив экономической оценки λс находится как множитель Лагранжа при минимизации модифицированного уравнения (9.29):

Принятие этой оценки в качестве норматива дает возможность оценивать эффективность дополнительных затрат на водоохранные мероприятия.