5020

На 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

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.

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-

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)