5020
.pdfНа правах рукописи
Васильев Лев Алексеевич
ОЧИСТКАПОВЕРХНОСТНЫХВОДОЗОНОМ
05.23.04 - Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Нижний Новгород - 2001
РАБОТА ВЫПОЛНЕНА В НИЖЕГОРОДСКОМ ГОСУДАРСТВЕННОМ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНОМ УНИВЕРСИТЕТЕ
Научный консультант
доктор технических наук, профессор В.В.Найденко
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор М.Г.Журба, доктор технических наук, профессор Ю.А.Феофанов, доктор технических наук, профессор Л.Н.Губанов
Ведущая организация
АО "Нижегородский САНТЕХПРОЕКТ"
Защита состоится " 2001 г. в /3 часов на заседании диссертационного совета Д 212.162.02 в Нижегородском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 603600, г. Нижний Новгород, ул.Ильинская, 65, корпус 5, аудитория 202.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного архитектурно-строительного университета.
Автореферат разослан' |
2001 г. |
Ученыйсекретарь |
|
диссертационного совета |
|
доктортехническихнаук |
Е.В.Копосов |
1
1ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
1.1А к т у а л ь н о с т ь п р о б л е м ы
Поиск эффективных и экономичных методов, а также средств надежного обеспечения населения питьевой водой стал важнейшим разделом современной науки о воде. Для Российской Федерации - это государственная проблема, успех решения которой зависит от эффективности совместных усилий заинтересованных федеральных, территориальных организаций и хозяйствующих субъектов.
Причины обострения проблем питьевого водоснабжения связаны с качественными и количественными изменениями состояния водных ресурсов, все возрастающими объемами водопотребления и интенсивностью антропогенного загрязнения водоисточников. Утрата водными ресурсами природных качеств особенно характерна для крупных индустриальных регионов.
Существующее состояние определило актуальность проблемы, необходимость планирования и реализации крупномасштабных мероприятий, развития новых высокоэффективных направлений технологии очистки воды с целью обеспечения качества питьевой воды, отвечающего санитарным требованиям.
Внастоящее время в России типовые системы подготовки питьевой воды, как правило, не являются барьером по задержанию целого ряда загрязнителей - гидробионтов, хлор-органических загрязнений, ионов тяжелых металлов, вирусов. В процессе традиционной очистки воды с прехлорированием, коагулированием, осаждением, фильтрованием, постхлорированием в питьевой воде образуется класс веществ, относящихся к летучим галогенорганическим соединениям (ЛГС), в состав которых входят тригалогенметаны.
Вработах ученых США (Янг, Зингер, 1976 г.) по изучению канцерогенов и органических соединений в питьевой воде указано, что хлороформ присутствует во всех питьевых водах, обработанных хлором.
Впоследующих работах зарубежных ученых: Джаканджелло, Патании, Фэйва, Виллероя, Якуба, Крона, Памера, Гриналда, наших ученых: Найденко, Шуберта, Пальгунова, Яковлева - указывается на необходимость использования озона в целях предотвращения образования летучих галогенорганических соединений (ЛГС), для удаления привкусов, запахов, болезнетворной флоры, водорослей и т.д. В связи с все более увеличивающимся количеством отрицательных факторов воздействия на водоисточники, в основном антропогенного характера, возникла необходимость использования в технологических процессах водоподготовки раз-
личныхкоагулянтов,флокулянтов,окислителей,способствующихполучению синтетического продукта - питьевой воды, в значительной мере
лишенной природных свойств. Очевидно, что в связи с химическим загрязнением источников водоснабжения, а также применением при водоподготовке химических реагентов возникает обратная задача - вернуть питьевой воде ее естественные природные свойства. С этих позиций представляется перспективным использование в подготовке питьевой воды биологических процессов, происходящих в водоемах.
Полученные в результате исследований автора данные по аккумулирующей способности биоценоза водоемов позволили, наряду с использованием экологически чистого окислителя - озона, сорбционных методов, в значительной мере приблизить решение задачи возвращения питьевой воде высоких природных свойств.
Первый в нашей стране обобщающий научно-технический отчет об использовании озона в процессах производства питьевой воды был подготовлен под руководством доктора технических наук Шуберта и опубликован в 1966 г. Отчет содержал важные научные результаты, свидетельствующие о высокой эффективности озона, а последующие работы, выполненные в AKX им. К.Д.Памфилова, ВНИИ ВОДГЕО, ВЗИСИ, ГИСИ, внесли существенный вклад в разработку эффективных технологий, теорию и практику озонирования.
Реализация использования озона в водопроводной практике потребовала теоретического обоснования выбора рациональных конструкций и схем очистки для разных вод, обобщения накопленного и получения дополнительного экспериментального материала, различного подхода к подготовке питьевой воды для крупных промышленных регионов и малых населенных пунктов.
Научно обоснованные требования органов здравоохранения, сани- тарно-эпидемиологического надзора к качеству питьевой воды потребовали всесторонней оценки качества не только исходной воды, но и воды после очистки, включая определение ее токсичности. Отсутствие водоочистного оборудования для доочистки воды в небольших населенных пунктах, вахтовых поселках, дошкольных и школьных учреждениях, больничных комплексах вызвало необходимость разработки новых конструкций аппаратов и установок с последующим их промышленным выпуском. Научно-исследовательские работы проводились по планам важнейших НИР Миннауки России, Минобразования России, федеральной целевой программы "Возрождение Волги", а также договорной тематики. Многолетние исследования автора проведены на крупных водных объектах - р.Волге, р.Оке, Горьковском водохранилище, а также на малых водоемах - озерах Лысковской сельхознизины, р.Керженец и др.
1.2 Ц е л ь и з а д а ч и р а б от ы Указанный выше круг проблем определил цель диссертационной
работы: разработать высокоэффективные методы и средства подготовки
питьевой воды из поверхностных источников с использованием естественных биологических процессов, озонирования, сорбции для крупных регионов и малых населенных пунктов.
Для достижения намеченной цели были поставлены и решены следующие основные задачи:
исследование и обобщение качественного состава наиболее типичных для Волжского бассейна поверхностных источников - Горьковскоговодохранилища,р. Оки,р.Волги,малыхрек;
идентификация растворенных органических соединений в процессе подготовки питьевой воды;
исследование влияния гидробионтов на процессы очистки во-
ды;
исследование взаимодействия озона с неорганическими, органическими и биологическими веществами;
создание конструкции устройства для предварительной очистки воды естественным биоценозом - микрофильтрацией;
разработка и исследование способа очистки природных вод естественным биоценозом, микрофильтрацией и озонированием;
. - разработка и испытание технологии синтеза озона при повышенном давлении в генераторе;
разработка основ растворения озоно-воздушной смеси в барботажной камере;
исследование мелкопористого материала, изготовленного на базе порошковой металлургии, для распределения озоно-воздушной смеси в объеме воды;
исследование и разработка устройства для обработки воды озоном в технологическом трубопроводе;
исследование добавок, стабилизирующих свойства озона в водных растворах;
разработка конструкции аппаратов синтеза озона, работающих на повышенной частоте электрического питания генератора озона;
разработка компактных аппаратов комбинированного типа для осушки воздуха;
разработка малогабаритных установок подготовки питьевой воды с использованием озона;
разработка новых концепций моделирования процессов очи-
стки воды;
разработка проектных решений подготовки питьевой воды для водоснабжения городов Нижнего Новгорода, Заволжья, Дзержинска, Кстово, Павлограда, Вачи, Лысково, Семенова.
1.3 Н а у ч н а я н о в и з н а р а б о т ы : |
|
|
||
определены |
органические |
загрязнители воды, |
обусловли- |
|
вающие максимальное образование летучих |
галогенорганических со- |
|||
единений; |
|
|
|
|
выявлены |
закономерности |
аккумулирующей |
способности |
гидробионтов по задержанию органических и неорганических загрязнителей;
создана новая конструкция аппаратов-биопоглотителей для предварительной очистки воды;
создана и испытана экологически безопасная технология, обеспечивающая высокий качественный уровень питьевой воды (а.с.№1162754 СССР, МКИ СО О2 F 9/00);
разработана новая высокоэффективная конструкция озонаторного оборудования, обеспечивающая получение озона для малых установок подготовки питьевой воды (а.с. № 1680617 СССР, С Ol В 13/10);
разработана новая конструкция водоочистного оборудования, совмещающего окислительные и фильтрационные процессы (патент 20100111 Cl РФ МКИ С 02/00);
разработана теория и конструкция аппарата смешения текучих сред для введения озона в технологический трубопровод (а.с. №1473820 СССР, МКИ BOIFS/04);
получены кинетические характеристики образования хлороформа при взаимодействии хлора и резорцина;
выявлены закономерности влияния S-гептазинов на долговременность существования озона в водных растворах (а.с.№833576
СССР, МКИ 02 F 1/78);
разработана модель двухступенчатого фильтрования воды с трехстадийным введением озона;
разработаны алгоритмы и программы решения технологиче-
ских задач процессов подготовки питьевой воды. |
|
1.4 П р а к т и ч е с к а я з н а ч и м о с т ь |
р е з у л ь т а т о в |
р а б о т ы |
|
Проведенные исследования явились основой для создания технологии подготовки питьевой воды для крупных промышленных центров и малых населенных пунктов, использующих источники водоснабжения, подверженные антропогенному воздействию. Для объектов с небольшим потреблением воды разработаны водоочистные установки и станции с производительностью по озону до 1 кг Оз/ч.
Предлагаемая технология имеет ряд преимуществ перед существующими, а именно:
позволяет очищать воду третьей категории загрязненности;
не образует в процессе очистки новых загрязнителей, таких,
как ЛГС;
позволяет использовать аккумулирующую способность естественного биоценоза для задержания органических веществ, солей тяжелых металлов и т.д.;
гарантирует вирусологическую безопасность и отсутствие токсичности питьевой воды.
Внедрение результатов исследовании осуществлено на водопроводных очистных сооружениях в городах Нижегородской области: Заволжье, Кстово, Ваче, Лысково, Семенове, г. Любани Ленинградской области, г.Якутске (Республика Саха) и др.
Отдельные аппараты, созданные в процессе выполнения работы, внедрены на ТЭЦ для осушки среды в турбинах при их остановке и для спецпроизводства ПО "Сульфид" г.Красноярска. Озонаторные станции внедрены в г. Любани Ленинградской области, в г. Нижнем Новгороде - в плавательном бассейне предприятия НИИИС, в Брянской области - на Ивотском стекольном заводе, на НО "Дальвостокуголь", АО "Зеягэсстрой".
Экономический эффект от внедрения разработок составил 2 400 000 рублей в ценах 1990 г. и 45 946 200 руб. в ценах 2001 г., (пересчет осуществлен в соответствии с Таблицей индексов-дефляторов, письмо Министерства финансов Российской Федерации №20-08/35 от 06.04.99 г.).
1.5 А п р о б а ц и я р е з у л ь та т о в и с с л е д о в а н и й Результат исследований докладывались на следующих всесоюз-
ных, международных, республиканских совещаниях и конференциях- "Интенсификация процессов подготовки питьевой воды озонирова-
нисм", советско-американская научно-теоретическая конференция, Москва, 1989 г. ;
"Основные направления развития водоснабжения, водоотведения, очистки природных и сточных вод и обработки осадков", всесоюзная научнотехническая конференция, Харьков, 1986 г., доклад "Проблемы совершенствования технологии подготовки питьевой воды в крупном про мышленном регионе;
"Научно-технические и социально-экономические проблемы охраны окружающей среды", 4-я научно-техническая конференция, Горький, 1990 г., доклады: "О гидродинамике закрученных потоков в горизонтальном трубопроводе", "Биологический метод контроля загрязненной волной среды, "О вопросах состояния озонированной воды":
"Озон в биологии и медицине", вторая всероссийская научнопрактическая конференция с международным участием., г. Нижний Новгород 1995;
"Вода; экология и технология 'ЭКВАТЭК-98", третий международный конгресс, тезисы докладов, Москва, 25-40 мая 1998 г.
Результаты исследований экспонировались на ВДНХ СССР, где авюр награждался почетным дипломом, серебряной и золотой медалями, а также на специализированных международных выставках в Нижнем Новгороде и Лондоне.
1.6 На з а щ и т у в ы н о с я т с я н а у ч н ы е по л о ж е н и я: исследование закономерностей аккумулирующей способности
гидробионтов по задержанию органических и неорганических загрязнителей с разработкой конструкций аппаратов - биопоглотителей;
разработка новых экологически безопасных технологий, обеспечиваЮ|Цих более высокий качественный уровень питьевой воды;
разработка новых конструкций озонаторного и водоочистного оборудования;
разработка теории и конструкции аппарата смешения текучих
сред;
исследование закономерностей влияния S-гептазинов на долговремснность существования озона в водных растворах;
разработка алгоритмов решения технологических задач очи-
стки воды.
1.7 П у б ли к а ци и
По теме диссертации опубликовано 170 статей и тезисов докладов, получено 16 авторских свидетельств, 2 патента, изданы 2 учебных посо- бия.
. 2 ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и приложеним, списка литературы из 213 наименований источников, в том числе 50 зарубежных, изложена на 452 страницах машинописного текста, содержит 71 таблицу, 148 рисунков.
3 СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе рассматриваются современные концепции решения проблемы очистки воды для питьевых целей, влияние природных и антропогенных загрязнителей на процессы очистки воды. На основании проведенного анализа сделаны следующие выводы:
источники водоснабжения в крупных промышленных районах подвержены интенсивному антропогенному воздействию. По некоторым
7
химическим, бактериологическим показателям вода рек Оки, Волги, Горьковского водохранилища относится к третьему классу загрязненности;
существующие водопроводные очистные сооружения в большинстве своем не являются барьером по задержанию ряда химических, бактериологических веществ, особенно солей тяжелых металлов, гидробионтов, фенолов, нефтепродуктов;
при использовании на станциях подготовки питьевой поды хлора в больших количествах образуются ЛГС. В ряде случаев питьевая вода в резервуарах чистой воды является токсичной.
На примере взаимодействия хлора и резорцина рассмотрен механизм образования хлороформа через енол. Для изучения влияния условий реакции хлорирования (времени контакта, концентраций органического соединения и хлора, температуры, величины рН среды) на образование хлороформа нами использовались водные растворы резорцина. Диапазон изменения указанных параметров близок к условиям водоподготовки очистных станций.
Исследована кинетика хлорирования резорцина при температуре 170C и рН, равном 7. Скорость образования хлороформа и расход хлора достаточно высоки в первые 60 мин, через 2 часа реакция практически прекращается при поглощении 0,3-0,4 моля хлора. Поскольку взаимодействие органического соединения с хлором представляет совокупность различных реакций, на основе проведенных опытов определены эмпирические зависимости образования хлороформа от условий реакции, в том числе и от ее продолжительности.
Кинетические кривые математически описываются степенной функцией C= κτh :
где τ - время реакции, мин.;
С - концентрация CHCl3 , мкг/л; Cl2, мг/л.
Графическим дифференцированием кинетических кривых образования хлороформа была определена скорость реакции W.
Логарифмическая зависимость lgW - lgC СHCl3 является линейной (рис.1). Нам представляется, что образование хлороформа можно представить в несколько стадий:
первой лимитирующей стадией является образование аниона
или енола;
второй стадией является собственно хлорирование, которое протекает гораздо быстрее первой и заканчивается образованием трихлорметильной группы при карбонильном углероде;
третья стадия - галоформный распад с образованием хлороформа. Образование аниона катализируется основанием, кислоты содействуют енолизации.
lg С CHCI з
Рис.1 Логарифмическая зависимость скорости реакции от концентрации хлороформа при исходной концентрации резорцина 5 (1) и 10 мг/л (2)