3126

На правах рукописи

Васильев Владимир Сергеевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВОДОПОДГОТОВКИ В КРУПНЫХ ГОРОДАХ ЧУВАШСКОЙ РЕСПУБЛИКИ

05.23.04 - Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород - 2001

PАБОТА ВЫПОЛНЕНА В НИЖЕГОРОДСКОМ ГОСУДАРСТВЕННОМ АРХИТЕКТУРНО - CТРОИТЕЛЬНОМ УНИВЕРСИТЕТЕ

Научный руководитель

кандидат технических наук, профессор E. А. Горбачев

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Ю.И. Вдовин,

кандидат технических наук, доцент А. И. Фирсов

Ведущая организация

ОАО «Нижегородский СAHTEXПРОЕКТ»

Защита состоится 21 декабря 2001 г. в 15 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 V, аудитория 202.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного архитектурно-строительного университета.

I

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Ухудшение экологической обстановки за последние годы привело не только к деградации природной среды, но и к тяжелым последствиям для состояния здоровья человека. Врожденные пороки развития у детей, преждевременная смертность части населения в допенсионном возрасте, пораженность молодых людей сердечно - сосудистыми, легочными и онкологическими заболеваниями, ранняя инвалидность граждан трудоспособного возраста - все это - влияние на население различных факторов, среди которых большая роль принадлежит загрязнению окружающей среды.

В настоящее время глобальные экологические проблемы мировым сообществом поставлены в ряд наиболее важных и приоритетных. Началом их решения стала конференция ООН по окружающей среде и развитию (KOOHOCP), проведенная в Рио - Де - Жанейро в июне 1992 г. На ней был принят всемирный план действий на XXI век, в котором определены стратегические задачи в области охраны и рационального использования ресурсов пресной воды. Конференция министров по проблемам воды и улучшения состояния окружающей среды (22 - 23 марта 1994 г., Нидерланды) одобрила проект

программы действий.

Проблема по обеспечению населения доброкачественной питьевой водой в нашей стране решается в условиях всеобъемлющего экологического кризиса. Особенно ярким проявлением этого кризиса является непрерывно ухудшающееся качество поверхностных и подземных вод, с выбытием из хозяйственного оборота все новых водоисточников. В водоисточниках появляется новый ассортимент загрязняющих воду веществ. Морально устарели и физически износились основные фонды в системах водообеспечения населения качественной питьевой водой, а поддержание их в надлежащем состоянии или их реконструкция не производится из-за отсутствия достаточных средств. Все это приводит к тому, что более половины населения России употребляет недоброкачественную питьевую воду, а в некоторых регионах - более 80% граждан.

В проекте федерального закона «О питьевой воде» отмечается, что одним из основных принципов питьевого водоснабжения являются государственные гарантии первоочередного обеспечения питьевой водой граждан в целях удовлетворения их жизненных потребностей и охраны здоровья.

Большой вклад в решение проблемы внесли международные конгрессы, проведенные в г. Москве (1994, 1996, 1998, 2000 гг.), и международные научнопромышленные форумы «Великие реки - 99, 2000, 2001», которые состоялись в г. H. Новгороде.

Государственная политика водоресурсного комплекса в Чувашской республике решается через федеральные программы «Возрождение Волги» и «Обеспечение населения России питьевой водой».

Диссертационная работа выполнялась в рамках реализации федеральной целевой программы «Возрождение Волги», включающей 9 проектов, важнейшим из которых является проект, решающий задачу обеспечения населения высококачественной питьевой водой.

Цель и задачи диссертационной работы. Основной целью работы является совершенствование существующих и исследование новых, более технологически целесообразных, экономически эффективных, надежных в эксплуатации, экологически приемлемых приемов и технологий водоподготовки, обеспечивающих получение качественной питьевой воды из водохранилища в условиях антропогенного загрязнения.

Для реализации этой цели были поставлены и решены следующие задачи: выполнены комплексные исследования качества исходной и питьевой воды (1995 - 2001 гг.); проведена оценка работы существующих технологий водоподготовки; проанализировано качество питьевой воды в системах подачи и распределения ее потребителям; осуществлен выбор наиболее эффективных и экономичных реагентов и их режимов ввода в обрабатываемую воду; предложены принципы оптимизации и технологического перевооружения станций -водопод- готовки; проведено прогнозирование технике — экономических показателей водопроводных систем городов.

Научная новизна работы заключается:

-в комплексном исследовании и оценке технологий подготовки питьевой воды крупных городов Чувашской республики (г. Чебоксары и Новочебоксарск), а также совершенствовании и разработке эффективных приемов, технологий и сооружений станций водоподготовки с учетом динамики изменения качества воды Чебоксарского водохранилища;

-в разработке устройств мгновенного и интенсивного смешения реагентов с водой и выборе их оптимальных технологических параметров;

-в исследованиях кремнистых пород (трепелов) месторождений Чувашской республики, как сырьевой базы, для применения в качестве фильтрующего материала для очистки природных вод;

-в разработке технологического процесса хлораммонизации воды;

-в определении ресурса станции водоподготовки и его прогнозировании.

Практическая значимость и реализация работы. Основные результаты исследований реализованы на МУГТП "Водоканал" г. Чебоксары и Новочебоксарск. По результатам выполненных исследований определены направления совершенствования работы водопроводных систем городов, разработаны и внедрены новые технологические приемы и схемы по очистке воды из водохранилища с целью получения стандартной питьевой воды. Разработана и реализуется модель водопроводной станции, охватывающая вопросы остаточного ресурса, надежности и экономического состояния. Выполнено прогнозирование экономических показателей производства с учетом современных методов рыночной экономики. Получено 3 акта о внедрении с экономическим эффектом 3,1 млн. рублей.

Апробация результатов исследований. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: международном научно - промышленном форуме «Великие реки - 99» (г. H. Новгород, 1999 г.); международном научно - промышленном форуме «Великие реки — 2001» (г. H. Новгород, 200Ir.); научно-техническом семинаре «Использование хлораммонизации при водоподготовке» (г.Чебоксары, 1999 г.); научно -

технических семинарах по использованию местных природных материалов, в том числе и в качестве фильтрующих, Чувашской республики (г. Чебоксары, 1999 - 2001 гг.); научно - технических советах МУПП «Водоканал» Чувашской республики (г. Чебоксары, 1999 - 2001 гг.); научно - технических конференциях профессорско - преподавательского состава, докторантов, аспирантов и студентов ННГАСУ (г. H. Новгород , 1997 - 2000 гг.); научных семинарах кафедры водоснабжения и водоотведения ННГАСУ в 1997 - 2001 гг.

На защиту выносятся:

-результаты комплексных исследований и оценки эффективности работы существующих схем водоподготовки г. Чебоксары и Новочебоксарск;

-результаты экспериментально - теоретических исследований с обоснованием экономической целесообразности и технической возможности работы станций по новым технологиям;

-результаты экспериментальных и производственных испытаний новых технологических приемов и схем;

-разработка технологического процесса хлораммонизации воды;

-определение ресурса станции водоподготовки и его прогнозирование.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ. Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы, включающего 130 наименований, в том числе 20 иностранных и приложений. Работа изложена на 240 страницах

машинописного текста, содержит 27 рисунков, 56 таблиц, 20 приложений. Основной объем исследований выполнен автором в лабораториях водоочи-

стных станций («Заовражная» г. Чебоксары и фильтростанции г. Новочебоксарска), а также в лабораториях кафедры водоснабжения и водоотведения ННГАСУ. При выполнении исследовательских работ автору постоянно оказывалась помощь со стороны заведующих лабораториями С. А. Мишиной., Л. M. Агишевой и их сотрудников.

Большую помощь в реализации разработок оказали специалисты МУПП «Водоканал» и водопроводных очистных станций: Ю.В. Сидорчев, А. Г. Сай-

5

гин, О. Г. Мефодьев, E. Ф. Семенова, Л, П. Шаврина, Ю. И. Яковлев, В. А. Яковлев, Г. Ф. Гурьева.

При разработке специальных вопросов автор сотрудничал с д.т.н. Г. Л. Медришем НИИ KBOB (г. Москва), д.т.н. Б. С. Лезновым и к.т.н. Э. А. Прошиным, А. С. Дмитриевым и P. В. Семеновым ГНЦ РФ ВОДГЕО (г. Москва), д.т.н. A. H. Ким (СПб-ГАСУ), специалистами ТИСИС и «НПФ ЭКОГЕО» (г. Чебоксары), «Экофильтр ЛТД» (г. Казань), ОАО «НИИХТ» (г. Новосибирск), проектных организаций «Гипрокоммунводоканал» (г. Москва и Санкт - Петербург).

Автор выражает искреннюю благодарность указанным специалистам и сотрудникам организаций за консультационную, техническую и организационную помощь при выполнении и оформлении работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены цель и задачи исследований, отмечена ее научная новизна и практическая значимость.

Первая глава посвящена анализу современного состояния проблемы получения качественной питьевой воды в г. Чебоксары и Новочебоксарск, источником водоснабжения которых служит Чебоксарское водохранилище. Оно образовано, в результате перекрытия русла р. Волги, плотиной Чебоксарского гидроузла в 1980 г. и в 1981 г. заполнено до отметки 63 м. Чебоксарское водохранилище относится к водоемам со сложной гидрологической структурой. Качество воды в нем значительно отличается на разных участках водоема по сезонам года. Антропогенная нагрузка на водохранилище непрерывно возрастает. Так, в 1995 г. количество загрязнений (нефтепродуктов, фенолов, СПАВ, меди, цинка, азота аммонийного), поступивших в Чебоксарский гидроузел в течение года, соответственно составило 11,01, 0,11, 5,51, 0,44, 1,1, 77,07 тыс. т/год. По общей оценке экологического состояния воды, в зависимости от степени ее загрязнения химическими элементами различных классов опасности и с учетом

пространственного комплексного индекса загрязнения, районы водохранилища вблизи водозаборов относятся к районам с умеренно опасной степенью загрязнения.

Действующие очистные сооружения водопровода г. Чебоксары построены

по типовым проектам ГПИ «Гипрокоммунводоканал». Первый блок станции введен в строй в 1969 г., второй — в 1976 г., третий - в 1982 г. (по 80 тыс. м3/сут каждый). Блок № 4 производительностью 100 тыс. м3/сут находится на стадии завершения строительства. На станции водоподготовки применяются две схемы: а) двухступенчатая, с использованием осаждения и фильтрования (блоки № 1 - 3), где предусмотрено предварительное осветление воды для задержания фито-и зоопланктона на 6 микрофильтрах; б) одноступенчатая, с применением контактных осветлителей (КО-3) и предварительным осветлением воды на трех микрофильтрах (блок № 4).

Для водоснабжения г. Новочебоксарска ЛО «Гипрокоммунводоканал» в 1976 г. разработало проект получения питьевой воды по одноступенчатой схеме, с применением контактных осветлителей (КО-3) и предварительным осветлением воды на пяти микрофильтрах. Общая производительность станции - 103 тыс. м3/сут. В 1996 г. она была пущена в эксплуатацию.

Существующие на станциях технологии водоподготовки не рассчитаны на удаление ряда загрязнений, которые регламентируются СанПиН 2.1.4.559-96, а рост экологической напряженности требует значительного внимания к решению актуальной проблемы — обеспечению населения г. Чебоксары и Новоче-

боксарск (численностью 600 тыс. чел.) качественной питьевой водой.

Вторая глава посвящена исследованиям качества исходной и питьевой воды за период 1995 - 2001 гг. и оценке барьерной роли BOC. В течение года мутность воды в водохранилище колеблется в пределах 2 - 3 мг/л, а в паводок

25° до 55°, а в летний период (июнь - июль) достигает 60°. В летне - осенний период (август - сентябрь) в воде водохранилища появляются биопомехи —

диатомовые водоросли «мелозира» - в количестве до 770 тыс. шт/л (сентябрь 1998 г.). Результаты микробиологических исследований качества воды водохранилища в районе водозабора BOC «Заовражная» в 1995 г. показали, что в воде обнаруживаются мезофиллы, психрофиллы, термофилы. Лактозный индекс (ЛКП) колеблется от 25 до 9555 (единичная проба), обнаружены холифаги в единичных пробах - до 3250 БОЕ/л, а ОМЧ - от 10 до 3340 кл/мл. Качество исходной воды в районе водозабора г. Новочебоксарска отличается лучшими показателями.

При оценке барьерной роли существующих BOC городов проанализирована имеющаяся и дополнительно полученная информация о качестве воды водохранилища с учетом динамики распределения загрязнений антропогенного происхождения (нефтепродукты, фенолы, СПАВ, пестициды, ионы тяжелых металлов и др.) в пространственном и временном аспектах. В период 1995 - 2001 гг. лабораториями станций и специализированными лабораториями осуществлялся выборочный контроль за содержанием ионов тяжелых металлов в исходной воде водозаборов. Результаты спектрального анализа проб воды одного из циклов исследований (1995 г.) приведены в табл. 1.

Т а б л и ц а 1

Анализ табличных данных показывает: исходная вода водозабора BOC «Заовражная» имеет худшие показатели; в осенний период отмечается увеличение Sr, Na и, особенно, Hg, относящейся к первому классу опасности.

В связи с ухудшением качества воды в осенний период по истечении года исследований (1996 г.) был проведен специальный анализ по вышеуказанным

элементам. Количество анализируемых элементов было увеличено до 15. Ре-

зультаты анализа проб воды этого цикла исследований приведены в табл. 2.

В весенний период (март 1996 г.) количество определяемых элементов было увеличено до 21 (практически были охвачены все элементы). Сопоставление этих исследований с данными осеннего периода 1995г. и анализами лабораторий фильтростанций показывает, что наименьший разброс концентраций в воде водохранилища наблюдается для Sr, В, Ba, Ni и As. Это объясняется особенностями физико - химических свойств этих элементов, в частности, меньшей способностью к сорбции, соосаждению и поглощению живыми организмами. Такие металлы, как Zn, Cd и Pb по степени участия в внутриводоемных процессах занимают промежуточное положение между Fe и Mn и группой вышеуказанных элементов. Наибольший разброс наблюдается для Fe и Mn, что можно объяснить следующими причинами: 1) переменной валентностью этих элементов; 2) поглощением их из воды планктоном и растительностью, сорбцией на взвешенных частицах; 3) обратным выносом при деструкции органического вещества и десорбции минеральных частиц и восстановлением гидроокислов при изменении окислительно-восстановительных