Очистка природной воды от органических загрязнений биосорбционно-мембранным методом (на примере реки Дон) тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.04, кандидат наук Вергунов Алексей Игорьевич

• Вергунов Алексей Игорьевич
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Вергунов Алексей Игорьевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД ЮФО, ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ХОЗЯЙСТВЕННО-ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ И ПУТИ ЕЁ УЛУЧШЕНИЯ

1.1 Характеристика загрязняющих веществ природных вод ЮФО

1.2 Традиционные методы и технологии очистки природных вод для питьевых целей

1.3 Применение биосорбционного метода для очистки природной воды от органических загрязняющих веществ

1.4 Применение мембранных технологий для очистки природной воды от органических загрязнений

1.5 Теоретические основы использования биосорбционно-мембранного метода с целью удаления органических веществ из воды

1.6 Практическая реализация биосорбционно-мембранного метода

1.7 Постановка цели и задачи исследования

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1 Схемы экспериментальных установок

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 Общие показатели качества донской воды

3.2 Основные примеси донской воды

3.3 Очистка воды в БМР с половолоконными мембранами после хлорирования, коагулирования и осветления

3.4 Очистка воды в БМР с плоскорамными мембранами

3.4.1 Кинетические зависимости окисления органических загрязнений в БМР

3.4.2 Изучение состояния поверхности плоскорамных мембран при фильтрова -нии

3.5 Оценка зольности осадка и взвешенных веществ в реакторе

3.6 О согласии опытных данных с теорией

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ГЛАВА 4. РАСЧЁТА БИОСОРБЦИОННО-МЕМБРАННОГО РЕАКТОРА, ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ

4.1 Расчёта реактора

4.2 Технико-экономическая оценка

4.3 Описание технологического процесса

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Справки о внедрении результатов диссертационного

исследования

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Список публикаций автора по теме диссертационного исследования

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Очистка природной воды от органических загрязнений биосорбционно-мембранным методом (на примере реки Дон)»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. На территории Южного федерального округа (ЮФО) основным источником питьевого водоснабжения является поверхностная вода, доля которой в общем водопотреблении достигает 75%. Все источ -ники в субъектах ЮФО подвергаются антропогенному и техногенному воздействию и, как следствие, наблюдается их непрерывная деградация. В реках бассейна р. Дон присутствуют органические соединения. Химическое потребление кислорода (ХПК) этих вод достигает значений свыше 40 мгО/дм3, при этом пер-манганатная окисляемость (ПО) и биохимическое потребление кислорода (БПК5)

о 3

равны в среднем 4,8 мгО/дм и 0,9 мгО2/дм соответственно. Соотношение значений ПО и БПК к ХПК указывает на наличие в донской воде трудноокисляемых органических веществ, которые являются исходным продуктом высокотоксичных галогенорганических соединений (ГОС), образующихся при окислительных процессах (хлорирование, озонирование, электроокисление) на водопроводных очистных сооружениях (ВОС). Кроме того, присутствующие в донской воде бромиды значительно расширяют число этих соединений. Обеспечение качества питьевой воды до норм СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. Гигиенические требования к обеспечению безопасности си -стем горячего водоснабжения», в том числе, по показателям органических загрязнений, сегодня практически невозможно достичь с использованием только традиционных технологий, основанных на реагентной обработке с последующим отстаиванием и фильтрованием. Оценка качества крупных водных объектов Российской Федерации показала, что концентрация трудноокисляемых органических загрязнений, оцениваемая по ХПК, возрастает к Югу страны.

Согласно требованиям Федерального закона от 07.12.2011 года № 416-ФЗ «Водоснабжение и Водоотведение» необходимо реализовать обеспечение населения доброкачественной питьевой водой. Одним из способов снижения в воде загрязняющих веществ, в частности органических, является использование биоло-

гических процессов. Развитие этого направления было реализовано биосорбци-онно-мембранным методом (БСММ) для очистки сточных вод (на примере нефтеперерабатывающих заводов). Он предусматривает сорбцию органических веществ на добавляемом в воду порошкообразном активном угле (ПАУ) с последующим биологическим окислением при интенсивной аэрации и фильтрованием через мембрану. Этот метод также был применен и показал свою эффективность очистки от трудноокисляемых органических соединений воды р. Москва.

До сих пор не проводились исследования использования биосорбционно -мембранного метода для очистки поверхностных вод южного региона РФ (на примере р. Дон) от трудноокисляемых органических веществ, оцениваемых по ХПК. Всё вышеизложенное и определяет актуальность темы диссертационной работы.

Диссертация выполнена в рамках научного направления ЮРГПУ (НПИ) имени М.И. Платова «Технологии, сооружения и аппараты по очистке природных и сточных вод», и в рамках темы № 2836 «Разработка научных основ повышения экологической безопасности окружающей среды и эффективности управления современными водохозяйственными инженерными системами».

Степень разработанности темы исследования. Впервые в работах М. Г. Журбы и Ж. М. Говоровой были сформулированы требования, которые должны предъявляться к технологиям подготовки питьевой воды, в частности, предусматривающие предотвращение образования хлорорганических соединений при первичном хлорировании. Природу образования хлорорганических соединений в питьевой воде подробно исследовали в ОАО «НИИ КВОВ» под руководством Л. П. Алексеевой. В исследованиях ученых НИУ МГСУ А. Г. Первова и А. П. Андрианова теоретически обоснована и на практике подтверждена целесообразность применения ультрафильтрационного метода для очистки природных вод. Результаты этих работ были использованы в развитии биосорбционно-мембранного метода для удаления органических загрязнений воды рек Москва и Яуза с целью питьевого водоснабжения учёными

НИИ ВОДГЕО В. Н. Швецовым, К. М. Морозовой, И. И. Смирновой. В дальнейшем, ими был разработан биосорбционно-мембранный реактор (БМР) в котором сорбентом являлся порошковый уголь. Обобщающим опытом применения активных углей для сорбции органических веществ явилась монография А. Д. Смирнова. В исследованиях А. К. Стрелкова и С. В. Степанова БСММ также был успешно использован для очистки сточных вод нефтеперерабатывающих заводов. Работы Е. В. Алексеева, В. И. Баженова, Е. В. Вильсон, Н. С. Жмур, С. Ю. Андреева посвящены повышению эффективности работы сооружений очистки сточных вод.

Объект и предмет исследования. Объект исследования - вода р. Дон (нижнее течение), характеризующаяся высоким содержанием трудноокисляемых органических веществ. Предмет исследования -биосорбционно-мембранный метод, позволяющий снизить содержание трудноокисляемых органических веществ в воде.

Целью диссертационной работы является разработка технологии очистки природной воды от трудноокисляемых органических веществ с применением биосорбционно-мембранного метода для снижения концентрации галогенорганических соединений в сооружениях питьевого водоснабжения при последующем хлорировании воды.

В соответствии с поставленной целью были сформулированы и решены следующие задачи:

- определить влияние трудноокисляемых органических веществ природной воды на образование галогенорганических соединений в питьевой воде;

- обосновать применение биосорбционно-мембранного метода очистки воды от трудноокисляемых органических веществ и галогенорганических соединений;

- провести исследования и выполнить сравнение очистки воды с использованием биосорбционно-мембранного реактора, как сырой, так и прошедшей этапы хлорирования, коагулирования и отстаивания;

- дать сравнительную оценку эффективности очистки воды по

традиционной схеме и с применением биосорбционно-мембранного реактора;

- определить кинетические зависимости биохимического окисления органических веществ в воде для расчёта конструкции БМР;

- определить технологические параметры работы БМР с плоскорамной конструкцией мембран и оценить экономическую эффективность предлагаемых технологических решений.

Научная новизна диссертации:

- разработана научная концепция очистки воды от трудноокисляемых органических веществ на угольной суспензии в биосорбционно-мембранном реакторе, позволяющая уменьшить образование канцерогенных галогенорганических соединений при последующем хлорировании;

- доказана эффективность биосорбционно-мембранного метода удаления органических и галогенорганических веществ из воды в сравнении с традиционной обработкой, принятой на водопроводных очистных сооружениях;

- получена кинетическая зависимость и определены константы биохимического окисления органических соединений воды р. Дон по ХПК;

- впервые установлены зависимости удельных скоростей окисления органических веществ от температуры обрабатываемой воды и найдены температурные константы по показателям перманганатная окисляемость и ХПК, положенные в расчёт конструкции БМР.

Теоретическая и практическая значимость работы:

- доказан механизм деструкции трудноокисляемой органики в БМР в результате деятельности гетеротрофных микроорганизмов, закрепленных на поверхности угольной суспензии и свободно плавающих в объёме реактора;

- изучена и подтверждена зависимость суммарного содержания тригалогенметанов после хлорирования питьевой воды от ХПК воды (р. Дон);

- определены зависимости удельной скорости окисления органических веществ от температуры обрабатываемой донской воды и найдены температурные константы по показателям перманганатная окисляемость и ХПК, использованные

в расчёте биосорбционно-мембранного реактора для любого сезона года и степени очистки;

- изложены факты, доказывающие, что взвешенные примеси сырой воды включают в основном органические вещества, состоящие из водорослей, живых микроорганизмов, продуктов их жизнедеятельности, что подтверждается показателем зольности;

- разработана конструкция биосорбционно-мембранного реактора с разными типами мембран;

- разработана технология очистки воды р. Дон от трудноокисляемых органических веществ с использованием биосорбционно-мембранного метода, позволяющая уменьшить образование в ней галогенорганических соединений после хлорирования.

Методология и методы исследования. Для решения поставленных задач проводили экспериментальные исследования на природной воде в натурных условиях по стандартным методикам. Методология исследования включала изучение теоретических основ процессов биологической и сорбционной очистки природных вод, обобщение практического опыта и формирование на этой основе положений рабочей гипотезы. Теоретической базой исследований являлись фундаментальные положения ферментативной кинетики. Экспериментальной базой исследований служили пилотные установки - БМР с половолоконными и плоскорамными мембранами, смонтированные на действующих водопроводных очистных сооружениях.

Положения, выносимые на защиту:

- обоснование применения биосорбционно-мембранного метода очистки воды от трудноокисляемых органических веществ, приводящих к увеличению концентрации токсичных, канцерогенных галогенорганических соединений при последующем хлорировании воды;

- результаты экспериментальных исследований очистки природной воды и прошедшей физико-химическую обработку с применением БМР с разными типами мембран;

- технология очистки природной воды от трудноокисляемых органических веществ с применением биосорбционно-мембранного метода и технологические параметры работы БМР;

- результаты технико-экономической оценки применения биосорбционно-мембранного метода для очистки природной воды от трудноокисляемых органических веществ.

Степень достоверности результатов исследования. Результаты экспериментальных исследований получены на сертифицированном оборудовании, показана воспроизводимость результатов исследования, использованы современные методики сбора и обработки исходной информации.

Апробация результатов исследования. Результаты диссертационной работы были апробированы на региональной научно-технической конференции бакалавров, магистров и молодых ученых вузов Ростовской области, ЮРГТУ (НПИ), г. Новочеркасск, 2013 г., IX Международной научно-практической конференции «ТЕХНОВОД-2016», г. Ростов-на-Дону, 2016 г., Международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы охраны окружающей среды и обеспечения экологической безопасности промышленных регионов», КемТИПП, г. Кемерово, 2017 г., IX - XI, XIV Международной научно-технической конференции, посвященной памяти академика РАН С.В. Яковлева, НИУ МГСУ, г. Москва, 2014-2016, 2019 гг.

Личный вклад автора состоит в разработке и создании экспериментальной базы, методов исследований, проведении научных исследований, обработке, систематизации полученных результатов, их внедрении в проект станции очистки воды с использованием БМР, выполнении технико-экономических расчётов и подготовке основных публикаций по выполненной работе.

Область исследования соответствует требованиям паспорта научной специальности 05.23.04 - «Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов» пункту № 3 - «Методы очистки природных и сточных вод, технологические схемы и конструкции используемых сооружений, установок, аппаратов и механизмов».

Результаты работы были внедрены при разработке проекта станции опреснения (обессоливания) природной воды поверхностных источников для хозяйственно-питьевого водоснабжения ООО НПК «Аргентум-ЭКО», г. Таганрог, а также в учебный процесс кафедры «Водное хозяйство, инженерные сети и защита окружающей среды» ЮРГПУ (НПИ) имени М.И. Платова в качестве двух лабораторных установок с половолоконными и плоскорамными мембранами для выполнения работ по дисциплине: «Специальные методы очистки природных и сточных вод» при подготовке бакалавров, а также в научно-исследовательской работе в семестре при подготовке магистров.

Публикации. По материалам диссертационного исследования опубликовано 11 научных работ общим объёмом 3,67 п.л., вклад соискателя 2,23 п.л., в том числе 3 статьи в изданиях из Перечня рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук.

В диссертации использованы результаты научных работ, выполненных автором - соискателем ученой степени кандидата технических наук - лично и в соавторстве. Список опубликованных научных работ А.И. Вергунова (лично и в соавторстве) приведен в Приложении Б.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Работа изложена на 132 страницах машинописного текста, включает 23 таблицы, 51 рисунок. Библиографический список содержит 114 наименований.

Автор выражает признательность доктору технических наук, профессору В. Н. Швецову, кандидату технических наук К. М. Морозовой за обсуждение результатов, ценные советы, научному руководителю доктору технических наук, профессору Л. Н. Фесенко за большое внимание при выполнении настоящей работы.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД ЮФО, ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ХОЗЯЙСТВЕННО-ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ И ПУТИ ЕЁ

УЛУЧШЕНИЯ

1.1 Характеристика загрязняющих веществ природных вод ЮФО

Водное хозяйство играет чрезвычайно важную роль в поддержании устойчивого развития экономики и решения социальных проблем ЮФО. Здоровье населения ЮФО зависит от водообеспечения в необходимом количестве и требуемом качестве.

В тоже время существует определенный дефицит доброкачественной воды в ЮФО, объясняемый продолжающимися антропогенным и техногенным загрязнениями природных водных ресурсов Российской Федерации. Среди субъектов ЮФО высокий уровень эвтрофирования водоёмов (источники водоснабжения I категории водопользования) и неудовлетворительные санитарно-химические и микробиологические показатели зарегистрированы в Ростовской области [1] (таблица 1.1).

Таблица 1.1 - Качество воды водоёмов I категории водопользования за 20122016 гг. (% проб воды, не отвечающих гигиеническим нормативам)

Территория По санитарно-химическим показателям По микробиологическим показателям

2012 2013 2014 2015 2016 2012 2013 2014 2015 2016

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Республика Адыгея 0 0 0 0 0 0 0 11,7 0 0

Астраханская область 6,1 2,5 3,3 3,9 5,8 3,9 4,1 0,5 5,2 1,0

Волгоградская область 1,9 2,9 3,0 35,2 0,8 3,4 6,5 4,7 3,6 7,2

Республика Калмыкия 37,5 17,8 56,0 25,0 52,9 25,6 13,3 5,1 12,2 24,1

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Краснодарский край 8,4 1,7 5,9 2,7 3,6 34,0 35,0 32,5 19,5 8,3

Республика Крым - - 25,0 1,0 5,6 - - 8,3 1,3 1,3

г. Севастополь - - 0 0 0 - - 4,6 31,3 0

Ростовская область 28,9 24,1 34,8 40,3 36,1 30,5 29,5 34,6 35,5 31,5

Основными источниками загрязнения водных объектов являются недостаточно очищенные и неочищенные сточные воды, дождевые и дренажные воды систем орошения и их всевозрастающие объёмы.

Преобладающими химическими веществами, попадающими в водоёмы, являются: фенолы, нефтепродукты, ПАВ, легко- и трудноокисляемые органические соединения, а также минеральные компоненты: тяжёлые металлы, хлориды, сульфаты, железо, марганец и др. [1].

Высокий уровень санитарно-химического и микробного загрязнения ежегодно регистрируется на нижнем Дону и в Таганрогском заливе из-за незначительной глубины прибрежной зоны и интенсивного прогрева воды летом.

В рамках настоящей работы для определения направления совершенствования технологий очистки воды от органических загрязнений рассмотрено состояние гидрохимического режима реки Дон, крупнейшей в ЮФО, в нижнем её течении, расположенном между Цимлянским водохранилищем и Азовским морем. На всем протяжении река обеспечивает водоснабжение более 3 миллионов человек крупных городов Ростовской области, таких как Ростов-на-Дону, Таганрог, Шахты, Новочеркасск, Волгодонск, Новошахтинск, Азов, средних и малых населенных мест. Самым крупным из них является город миллионник

-5

Ростов-на-Дону, потребляющий более 500 тыс. м /сут воды [2]. Наиболее существенное влияние на гидрохимические показатели р. Дон оказывает р. Северский Донец [3], среднегодовой дебит которого составляет 22% от общего расхода р. Дон [4, 5]. Река Северский Донец берет начало на восточном Донбассе

(Украина) и загрязнена производственными сточными водами угольных шахт и нефтеперерабатывающих заводов (гг. Лисичанск, Северодонецк). Северский Донец, кроме того, принимает недоочищенные сточные воды населенных мест, производственных предприятий, сельскохозяйственных угодий Белгородской области РФ, а также талые и дождевые воды. Так, по данным [6] за последние 20 лет ПО увеличилась незначительно, что объясняется процессами самоочищения речной воды по её течению. При этом наблюдается рост микроорганизмов и, как следствие, повышение мутности воды. По показателям мутность, окисляемость, общее микробное число и коли-индекс кратность повторения превышений максимально допустимых значений во все периоды (2005-2011 гг.) близки к единице. Состояние р. Северский Донец на территории Ростовской области за последние восемь лет оценивалось как четвертый класс загрязненности [7]. Критическим показателем в течение всего периода были сульфаты. Превышение ПДК этого показателя фиксировали в каждой пробе [7]. Последние четыре года из-за военных действий на востоке Украины резко увеличилась концентрация органических веществ в донской воде. Так, осенью 2017 года на Соколовском водохранилище, расположенном на р. Кундрючья, впадающей в р. Северский Донец и служащей для питьевого водоснабжения,

-5

значение ХПК превышало 100 мгО/дм . Река Кундрючья берет начало с территории Луганской области Украины. Также, высокое содержание сульфатов характерно для рек Грушевка, Большой Несветай, Тузлов (притоки нижнего течения р. Дон), где обнаружено присутствие шахтных вод [7].

Река Дон, в частности, нижнее течение, подвержено влиянию сточных вод предприятий химической промышленности, сельского и рыбного хозяйства. Значительное загрязнение воды происходит в результате интенсивного судоходства, а также неконтролируемых стоков с сельхозугодий [2]. В отдельных случаях по течению реки Дон фиксируется превышение концентрации тяжелых металлов [8]. Например, превышение ПДК цинка в 4,0 раза, железа - 1,4-2,1, меди - 2,5-2,8, что не отвечает требованиям, предъявленным к водным объектам рыбохозяйственного назначения. Среди загрязнителей, поступающих с

поверхностными стоками и сточными водами предприятий нефтеперерабатывающей и коксохимической промышленности, является фенол [9, 10], концентрация которого в отдельные сезоны года в донской воде достигала 0,012 мг/дм3 [8], при ПДК равной 0,001. Однако содержание фенола, превышающее норму, возможно в результате гумификации естественно присутствующих лигнина и дубильных веществ природой воды, а также растительных остатков, попадающих в водоёмы из почвы. По данным лаборатории ростовского водоканала в 2014 году концентрация нефтепродуктов в донской воде фиксировалась в пределах 0,0053 -0,0287 мг/дм3. Для нижнего течения р. Дон характерно высокое содержание трудноокисляемых органических веществ, оцениваемых по ХПК. По данным авторов [11], этот показатель сырой донской воды в 2014-2016 гг. достигал

-5

42,0 мгО/дм . Согласно Экологическому Вестнику Дона «О состоянии окружающей среды и природных ресурсов Ростовской области в 2017 году» [2] в последнее десятилетие в донской воде наблюдался непрерывный рост органических загрязняющих веществ.

Известно, что неотъемлемой технологической операцией водоподготовки является обеззараживание воды хлором. Содержащиеся в воде органические загрязнения при взаимодействии с хлором образуют токсичные галогенорганические соединения (ГОС), такие как: хлороформ, дихлорбромметан, бромоформ, четырёххлористый углерод, дихлорэтан, хлорфенолы и др. [12] Некоторые из них обладают мутагенной и канцерогенной активностью. В работе [13] показано, что концентрация образующихся ГОС существенно зависит от содержания в исходной воде планктона, рН воды, дозы хлора и времени его контакта с водой. Прирост концентрации ГОС в воде при условии наличия в ней хлора отмечается в течение двух недель, хотя более 50% ГОС образуются в первые три-четыре часа [13].

Обследование более 50 водопроводных станций [13] выявило, что при различных физико-химических показателях исходной природной воды во всех случаях отмечается образование ГОС после первичного хлорирования. При этом, состав обнаруженных ГОС, практически не меняется по мере очистки вплоть до

резервуара очищенной воды (РЧВ). По данным автора [13] даже с разными приёмами очистки воды, в том числе, варьированием реагентами и применением угольных фильтров не удалось заметно снизить концентрацию ГОС в воде. Более того, отмечалась тенденция роста содержания ГОС в пробах от точки ввода хлора до РЧВ. Так как, ГОС являются летучими соединениями, то возможно их удаление аэрацией, однако этот метод чрезвычайно затратный, из-за

3 3

необходимости расхода на 1 м обрабатываемой воды воздуха 9 м [13].

Действительно, в работе [14] было установлено, что на Александровской станции водоподготовки г. Ростов-на-Дону в питьевой воде были обнаружены ГОС, а именно: хлороформ, дихлорбромметан, хлордибромметан, бромоформ.

В качестве иллюстрации на рисунке 1.1. показано изменение содержания вышеперечисленных галогенорганических соединений по этапам очистки воды (декабрь 2008 г.) [14] (в цитируемой работе авторами неверно в перечне хлорорганических веществ указывается на бромоформ, т.к. он не содержит атомов хлора).

Рисунок 1.1 - Изменение содержания хлорорганических соединений по ступеням очистки: - хлороформ; ^И - дихлорбромметан;

- хлордибромметан; 1Ш - бромоформ

Таким образом, поскольку хлорирование, на указанных выше очистных сооружениях, остаётся безальтернативным методом обеззараживания воды, образование в ней галогенорганических веществ является неизбежным.

1.2 Традиционные методы и технологии очистки природных вод для

питьевых целей

Известные и широко применяемые в практике водоподготовки технологии предусматривают обработку поверхностных вод путем осветления, фильтрования и обеззараживания, регламентируемые нормативными документами [15], основанные на применение различных методов, разработанных еще в 30-40-е годы прошлого столетия. Обычно они различаются по числу технологических операций и направлению движения воды, реагентному и безреагентному режимам её обработки, размещению сооружений в закрытых помещениях и на открытом воздухе [16].

В зависимости от производительности станции, мутности, цветности водоисточника и ряда других параметров [15] на практике применяются традиционные схемы очистки воды [16]:

- смеситель, камера хлопьеобразования, отстойник, скорый фильтр;

- смеситель, осветлитель со слоем взвешенного осадка, скорый фильтр;

- смеситель, контактный осветлитель.

В Ростовской области в городах Азове и Семикаракорске используется технологическая схема смеситель - осветлитель со слоем взвешенного осадка -скорый фильтр. На крупных очистных сооружениях в гг. Новочеркасске и Ростове-на-Дону (Александровские ОСВ) применяется технология смеситель -камера хлопьеобразования - отстойник - скорый фильтр.

Однако существующие традиционные сооружения водоподготовки не выполняют барьерных функций в отношении органических загрязнений, хотя их некоторое снижение достигается за счёт сорбции на хлопьях коагулянта, которые задерживаются в фильтрующей загрузке.

Для предотвращения образования ГОС на действующих водопроводных очистных станциях возможно использование трех технологических операций: изменение режимов хлорирования, предварительная очистка от органических загрязнений перед хлорированием воды, замена хлора другими окислителями,

например, озоном.

В работе [13] было показано, что изменение режима хлорирования (доза хлора, место его ввода) позволяет снизить концентрацию ГОС в питьевой воде только на 15-30%.

Достаточно эффективной очисткой воды от органических загрязнений является сорбция на активных углях. Но с учётом содержания взвешенных веществ в исходной воде операция фильтрования будет весьма непродолжительной и потребует значительных эксплуатационных затрат для замены и приобретения угля.

Применение озона взамен хлора на этапе предварительной обработки воды весьма проблематично из-за образования продуктов озонолиза, которые согласно современным исследованиям являются не менее мутагенными и канцерогенными веществами [17].

Следовательно, предлагаемая операция снижения ГОС на ВОС либо является значительной по капитальным эксплуатационным затратам, либо не эффективна и даже опасна.

Одним из перспективных направлений снижения концентрации органических веществ в воде, по нашему мнению, являются биологические процессы, основанные на окислении их микроорганизмами.

1.3 Применение биосорбционного метода для очистки природной воды от

органических загрязняющих веществ

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Вергунов Алексей Игорьевич, 2019 год

- - - - —

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

л н о о к и

(и ЕГ (и

с

о (и ю

о

17,5-20 20-23 23-26 26-30 30-37 37-41 41-42

ХПК сырой воды, мгО/дм3 Рисунок 4.1 - Обобщенная гистограмма частости вариаций концентраций органических веществ, оцениваемых по ХПК

30,0

ПО сред.стат.= 4,75 МГО/ДМ3

100 90 80 70

7,8 4,9 4,9 4,9

л

60 сто

н н е ч е п с е б О

50 40 30 20 10

, + 0 3,8-4,0 4,0-4,3 4,3-4,4 4,4-4,6 4,6-5,1 5,1-5,5 5,5-5,8 5,8-6,0 6,0-7,3

ПО сырой воды, мгО/дм3 Рисунок 4.2 - Обобщенная гистограмма частости вариаций концентраций органических веществ, оцениваемых по ПО

При проектировании очистных сооружений с использованием БМР необходимо представлять себе размеры основных конструкций, условия эксплуатации с учётом выбранной производительности обрабатываемой воды. В результате научных исследований были получены параметры очистки донской воды при разных температурных режимах - летнем и зимнем (таблица 4.1).

Таблица 4.1 - Значения обрабатываемой воды при разных температурных режимах __

Показатели Температура обрабатываемой воды, °С

20-22 (лето) 10-11(зима)

ХПК исходной воды, мгО/дм 37,0 22,0

ХПК очищенной воды, -5 мгО/дм3 13,0 12,0

мг/(гсут) 11,85 5,35

ПО исходной воды, мгО/дм 5,3 4,4

ПО очищенной воды, мгО/дм 3,0 3,0

Vю, мг/(гсут) 1,16 0,77

На основании выше указанных данных, проводим технологический расчёт конструкции БМР с порошкообразным активным углем по методике, описанной в [28]. Согласно данным, приведенным в [28], следует определить количество загрузочного материала, объем биореактора и площадь мембран.

В зависимости от требований, предъявляемых к качеству очищенной воды, определяем необходимое количество активного угля, которое рассчитывается на основании экспериментально полученной удельной скорости окисления V, мг/(гсут) (рисунок 3.19 и 3.20) по лимитирующему показателю (ХПК, ПО или другим компонентам). Для нашего случая это перманганатная окисляемость и ХПК. Для каждого случая (для ПО и ХПК) необходимо отдельно определять количество загрузочного материала. Максимальное значение принимается в качестве расчётного.

Количество загрузочного материла (РПАУ, т) рассчитываем по формуле [28]:

р = № -Ц)• б Р ПАУ V -1000 '

где:

Б0 и Б] - расчетная концентрация загрязнений в исходной и очищенной

-5

воде, мг/дм3;

-5

Q - расход фильтруемой воды, м /сут;

V - удельная скорость окисления загрязнения, мг/(гсут), определяется на основании зависимости (рисунок 3.19 и 3.20).

-5

Для определения рабочего объёма реактора (Жреак, м), используем формулу [28]:

ж = РпАУ 1000

реак ^ '

СПАУ

где:

СПАУ - концентрация порошкообразного активного угля, г/л.

По данным автора [28], оптимальная концентрация угля в реакторе должна

-5

быть 20-35 кг/м (массообмен в системе нарушается при более высоких концентрациях).

Л

Площадь плоскорамных мембран м рассчитывается по формуле [28] на

3 2

основе оптимальной скорости фильтрования (^д = 0,31 м /(м сут)), полученной в результате экспериментов, при этом учитывали минимальный темп загрязнения мембран и допустимый перепад ТМД:

= б / 1уд ,

где:

-5

Q - расход фильтруемой воды, м /сут.

Количество мембранных модулей рассчитывается исходя из: общей площади фильтрования мембран, характеристики мембранных модулей и конкретных конструктивных параметров.

Расход подаваемого воздуха на аэрацию мембран в реакторе определяем исходя из рекомендуемой производителями интенсивности аэрации, а также на

Л

основании экспериментальных данных - 8-14,3 л/(мин м ).

-5

Для станции водоподготовки производительностью 5000 м /сут приведён расчёт основных её параметров: в зимний и летний периоды, когда температура обрабатываемой воды была - 10-11°С и 20-22°С соответственно (таблица 4.2).

Таблица 4.2 - Параметры станции водоподготовки производительностью 5000 м3/сут.___

Температура обрабатываемой воды, °С 20-22 (лето) 10-11(зима)

Расход воды (0, м /сут 5000

Рпау по ХПК, т 10,13 9,35

Рпау по ПО, т 9,91 9,09

СпАУ, г/л 20 20

Общий рабочий объем реакторов Л (Кеак), м 506 467

Общая площадь мембран ^т), м 161 29

Количество БМР, шт. 10

Габариты одного БМР (ЬхБхИ), м 12x2x2,9

Необходимое количество материала для загрузки в соответствии с данными, представленными в таблице 4.2, принимаем по наибольшему значению - ХПК и составляет 10,13 тонн.

-5

Если принять производительность одного БМР 500,0 м /сут, тогда для

Л

станции 5000 м /сут требуется 10 (десять) БМР с размерами 12,0 х 2,0 х 2,9 м.

-5

Исходя из этих данных, общий строительный объём реакторов равен 696,0 м .

3 2

Площадь плоских мембран при удельной скорости фильтрования 0,31 м /(м сут)

Л

равна 16 129,0 м . Количество необходимых мембранных модулей рассчитываем исходя из: общей площади фильтрования мембран, характеристики мембранных модулей и конкретных конструктивных параметров (тип мембран, гидравлические характеристики, компоновка модулей). Если принять за основу модуль с плоскорамными мембранами ТОРЕЙ - TMR140-100S, потребуется 115 модулей (по 11-12 шт. в одном БМР) с размерами 0,81 х 1,62 х 2,1 м каждый.

Расход воздуха подаваемый в реактор для поддержания во взвешенном

состоянии порошкообразного активного угля при интенсивности аэрации

2 2 8 л/(минм ), учитывая площадь плоских мембран - 16 129,0 м составляет

7742,0 м3/(чм2).

4.2 Технико-экономическая оценка

Для обоснования экономической эффективности применения БМР в схемах подготовки питьевой воды провели технико-экономическое сравнение двух альтернативных вариантов станций водоподготовки производительностью 5000 м3/сут.

Первый вариант это технологическая схема с применением БМР для

очистки природных вод (вариант I) (рисунок 4.3).

Второй вариант - технологическая схема очистки природных вод с

использованием установок типа «СТРУЯ» (вариант II) (рисунок 4.4).

При расчете приняли следующий состав исходной воды: ПО - 3,83 3

7,3 мг/дм ; цветность - 8,8-24,1 град. ПКШ; мутность 1,1-8,7 мг/дм . Требования

-5

СанПиН 2.1.4.1074-01 по лимитирующим показателям: ПО - 5,0 мг/дм ; цветность

Л

- 20 град. ПКШ; мутность - 1,5 мг/дм .

Критерием экономической эффективности и целесообразности внедрения новых методов очистки принята стоимость 1 м3 воды и годовой экономический эффект, отнесенный к годовому объему производства по формуле [113]:

Э = Пп - П (4.1)

где Пь Пп - приведенные затраты единицы продукции по новой технологии и варианту сравнения, определяемые по формуле [113]:

П = С + Е • К,

1 1

(4.2)

где Сг- - эксплуатационные затраты по /-му варианту; Е - нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений, равный 0,12; К - капиталовложения по /-му варианту.

Общие капитальные затраты на строительство сооружений очистки равны сметной стоимости, которая может быть определена с помощью объектно-сметного расчёта с применением различных коэффициентов позволяющим перейти к общим капитальным затратам.

В таблице 4.3 представлены капитальные затраты по вариантам сравнения.

Рисунок 4.3 - Принципиальная схема очистки природных вод с использованием БМР: 1 - фильтр грубой очистки; 2 - фильтр тонкой очистки; 3 - теплообменник;4 - биореактор с ПАУ и плоскорамными мембранами; 5 - блок обеззараживания (использование гипохлорита натрия); 6 - резервуар чистой воды, 7 - насос технологический

Рисунок 4.4 - Принципиальная схема очистки природных вод с использованием установки «СТРУЯ»: 1 - фильтр грубой очистки; 2 -отстойник тонкослойный; 3 - фильтр скорый; 4 - станция углевания воды; 5 -резервуар чистой воды; 6 - блок повторного использования воды; 7 -первичное хлорирование; 8 - подача рабочего раствора коагулянта и флокулянта; 9 - вторичное хлорирование; 10 - насос подачи промывной воды

Таблица 4.3 - Определение капитальных затрат по сравниваемым вариантам

Название Технологическая схема с применением БМР Технологическая схема с применением установки «СТРУЯ»

сооружения и его Сметная Сметная стоимость,

характеристики Кол-во стоимость, тыс. руб. Кол-во тыс . руб

Един. Полная Един. Полная

Барабанные сетки (250 мкм) БСМ 3 шт. 3550,0 10650,0 3 шт. 3550,0 10650,0

3 х 4,6 Ц

Микрофильтр (10 мкм) МФМ 4 шт. 3600,0 14400,0

3 х 4,6 Ц

Л Реактор (27,3 м ) 10 шт. 5,0 (тыс. Л руб./м ) 1365,0

Плоскорамные мембраны 16129 м2 2,4 38709,0

Воздуходувки 4000(производител ьность Овоз 3 шт. 900,0 2700,0

требуемое 4151 м3/ч, п-21 кВт)

Насос 1Д315-50б

(производительнос ть 220 м3/час, И-36, 2 шт. 144,2 288,4

п-40 кВт)

Резервуар чистой воды (240 м3) 1шт. 5,0 (тыс. Л руб./м ) 1200,0 1шт. 5,0 (тыс. р/м3) 1200,0

Электролизная (производительнос тью по хлору 15кг/сут. 1шт. 2800,0

Здание для 31,0

электролизной (65 м2) 1 шт. тыс. руб./м2 2015,0

Быстровозводимое Л здание (330 м ) 1 шт. 31,0 тыс. руб./м2 10230,0

Установка «СТРУЯ» 1 шт. 39000,0

Электролизная для 1шт. 4800,0

первичного и вторичного хлорирования (производительнос ть 35 кг/сут)

Быстровозводимое Л здание(864 м) 1 шт. 31,0 тыс. руб/м2 26784,0

Здание для электролизной (50 м2) 1шт. 31,0 тыс. руб./м2 1550,0

Блок повторного использования воды 1 шт. 8760,0

Станция углевания воды 1 шт. 14840,0

Итого: 84357,4 107584,0

Себестоимость продукции является важным показателем, позволяющим провести экономическую оценку сравниваемых вариантов. Этот параметр включает в себя затраты, в денежной форме, пошедшие на производство питьевой воды, которые связанны (косвенно или прямо) с выпуском продукции. Расчёт себестоимости производится по формуле:

С

Б = , (4.3)

<2, •к )

где Qy - среднее количество воды в год, подаваемое потребителям, Qy =1,825-106 м3/г; К - коэффициент изменения цен и тарифов, К = 1; С - суммарные годовые эксплуатационные расходы (руб./год). Величину издержек организации на выпуск, реализацию продукции определяем с помощью суммарных годовых эксплуатационных затрат по следующей формуле:

С = С + С + С + С + С + С + С , (4.4)

а т.р э м от соц н? V у

где: Са - амортизационные отчисления, определяемые в % от сметной стоимости по формуле:

С = Ра ■ К + Ра ■ К (4 5)

Са 1 стр Кстр + 1 об Коб,

где Рстр - норма амортизационных отчислений на строительные конструкции здания; Роб - норма амортизационных отчислений на оборудование;

Кстр, Коб -стоимость основных фондов систем водоснабжения и водоотведения на строительную часть и оборудование.

Результаты расчета амортизационных отчислений по рассматриваемым вариантам приведены в таблице 4.4.

Таблица 4.4 - Расчет амортизационных отчислений на строительные конструкции зданий, сооружений и оборудование

Варианты сравнения Наименование зданий и сооружений Сметная стоимость, тыс. руб. Норма амортизац ионных отчислени й, % Сумма амортизационных отчислений, тыс. руб.

Технологичес кая схема с применением БМР (I вариант) Блок сооружений для очистки воды схема с применением БМР (производительностью 5000 м3/сут) здания: оборудование: 14810,0 3,6 533,16

69547,4 8,4 5841,98

Итого: 6375,14

Технологичес кая схема с применением установки «СТРУЯ» (II вариант) Блок сооружений для очистки вод с применением установки «СТРУЯ» (производительностью 5000 м3/сут) здания: оборудование: 29534,0 3,6 1063,22

78050,0 8,4 6556,20

Итого: 7619,42

Амортизационные отчисления равны:

Са1 = 6375,14 тыс. руб., Са11 = 7619,42 тыс. руб.

С = Р ■ К ■ п, (4.6)

тр тр 5 V /

Стр - затраты на ремонт (все виды), определяются по формуле:

где Ртр - размер отчислений на текущий ремонт, в % от сметной стоимости и равный для здания и оборудования 3% и 7% соответственно; К - стоимость элемента системы водоснабжения и водоотведения, тыс. руб.; п - количество элементов в системе. В таблице 4.5. приведен расчет затрат на все виды ремонтов.

Таблица 4.5 - Затраты на все виды ремонтов

Варианты сравнения Наименование зданий и Сметная стоимост, Размер отчислений Сумма амортизацион-ных отчислений, тыс. руб

сооружений тыс.руб на ремонт, %

Блок сооружений

для очистки воды

Технологичес схема с

кая схема с применением БМР применением БМР (производительно стью 5000 м3/сут)

(I вариант) здания: оборудование: 14810,0 69547,4 3 7 444,3 4868,3

Итого: 5312,6

Блок сооружений

для очистки вод с

Технологичес применением

кая схема с применением установки «СТРУЯ» установки «СТРУЯ» (производительно стью 5000 м3/сут)

(II вариант) здания: оборудование: 29534,0 78050,0 3 7 886,0 5463,5

Итого: 6349,5

Отчисления на все виды ремонтов равны: Стр1 = 5312,6 тыс. руб, Стр11 = 6349,5 тыс. руб.

Сэ - затраты на электроэнергию, расходуемую на производственные нужды. По одноставочному тарифу производят оплату за 1 кВт ч отпущенной потребителю электроэнергии при общей присоединенной мощности электродвигателей до 1000 кВА. Затраты на электроэнергию определяют по формуле:

С = N ■ Т ■ Ц ■Ю"2, (4.7)

э м исп ^ э ' V /

где Ым - суммарная удельная мощность всех электропотребителей системы очистки воды без учета резервных, кВт, Тисп - время использования оборудования, ч/год: Цэ - тариф на электроэнергию, Цэ = 3,60 руб./кВт-ч.

Расчет затрат на электроэнергию по сравниваемым вариантам приведен в таблице 4.6.

Таблица 4.6 - Затраты на электроэнергию

Технологическая схема с применением БМР (I вариант) Технологическая схема с применением установки «СТРУЯ» (II вариант)

Тыс. кВт.ч. в год Цена, тыс. руб/ тыс. кВт.ч. Общая стоимость, тыс.руб. количе ство, шт. Тыс. кВт.ч. в год Цена, тыс. руб/т ыс. кВт.ч. Общая стоимо сть, тыс.ру б.

Барабанные сетки (250 мкм) БСМ 3х4,6Ц (1,1 кВт) 14,45 3,6 52,02 3 (2 раб., 1 рез.) 14,45 3,6 52,02

Микрофильтр (10 мкм) МФМ 3х4,6Ц (1,1кВт) 21,68 3,6 78,04 4 (3 раб., 1 рез.)

Насос 1Д315-50б(производи-тельность 220 Л м /час, ^36, п-40 кВт) 262,80 3,6 946,08 2 (1 раб., 1 рез.)

Воздуходувки 4000 (производитель ность Qвоз требуемое 4151 м3/ч, п-21 кВт) 275,94 3,6 993,38 3 (2 раб., 1 рез.)

Электролизная (производитель ностью по хлору 15кг/сут., УГ- 7МК(3*10) 7кВт*ч/кг 38,32 3,6 137,97 1

Установка «СТРУЯ» (32 кВт) 1 210,24 3,6 756,86

Электролизная

для первичного

и вторичного

хлорирования (производитель ность 35 кг/сут) 1 89,42 3,6 321,93

принимаем две 54-ки ЭКОФЕС

7кВт*ч/кг

Блок

повторного использования 1 24,96 3,6 89,85

воды (3,8 кВт)

Станция

углевания воды (8,5 кВт) 1 55,84 3,6 201,02

Итого: 2207,49 1421,68

Затраты на электроэнергию для производственных нужд: Сэ1 = 2207,49 тыс. руб., Сэ11 = 1421,68 тыс. руб. См - затраты на реагенты, материалы производим по формуле:

См =1 Дгод * ЦР, (4.8)

где Цр - стоимость реагента, Дгод - количество реагента, используемого за год эксплуатации станции водоподготовки, т.

В таблице 4.7. приведен расчет затрат на реагенты и материалы по вариантам сравнения.

Таблица 4.7 - Затраты на реагенты и материалы

Наименование Варианты сравнения

Технологическая схема с применением БМР (I вариант) Технологическая схема с применением установки «СТРУЯ» (II вариант)

Расход Цена, тыс.р уб. за ед. Общая стоимость, тыс.руб. Расхо д Цена, тыс.ру б. за ед. Общая стоимость, тыс.руб.

Загрузка для БМР (ПАУ марки ОУ-А), т 10,13 110, 0 1114,3

Годовой расход ПАУ марки ОУ-А, т/год 1,00 110, 0 110,0

Годовой расход ПАУ марки ОУ-А, 18,25 110,0 2007,5

т/год

Кварцевый песок, т 19,1 5,0 95,5

Годовой расход фильтрующего материала (кварцевый песок), т/год 1,91 5,0 9,5

Первичное хлорирование, т/год 9,12 100,0 912,0

Сернокислый

алюминий (25 мг/дм3 по АЬ^)3, т/год 45,62 20,0 912,4

Флокулянт (полиакриламид), т/год 3,65 150,0 547,5

Обеззараживание и

вторичное хлорирование, т/год 5,47 100,0 547,0 3,65 100,0 365,0

Плоскорамная мембрана, м2 1612,90 2,4 3870,96

Промывка мембран химическим

реагентом гипо- 0,27 100,0 27,60

хлоритом натрия, т/год

Промывка мембран химическим

реагентом лимон- 2,30 120,0 276,0

ной кислотой,

т/год

Итого: 6005,86 4849,40

Затраты на реагенты, материалы по вариантам сравнения составят: См1 = 6005,86 тыс. руб., См11 = 4849,40 тыс. руб.

Сзп - затраты на заработную плату рабочих и административно -управленческого персонала с учетом премий и дополнительной заработной платы, определяется по формуле:

Сзп = ЪТС • К - К2 -12/1000, (4.9)

где ТС\ - минимальная месячная тарифная ставка рабочего 1-го разряда, согласно [114] составляет 6678,0 рублей, К и К2 тарифный коэффициент, учитывающий размер премиального фонда и дополнительную заработную плату соответственно, К1 принят по [114] в зависимости от разряда рабочего или служащего, К2 = 1,30.

Затраты на заработную плату по вариантам сравнения представлены в таблице 4.8 - 4.9.

Таблица 4.8 - Затраты на заработную плату рабочих (вариант I)

N п/п Наименование должности Численность рабочих Разряд Тарифный коэффициент С зп тыс. руб./г

1 2 3 4 5 6

1 Оператор электролизной 4 3 1,62 675,06

2 Оператор мембранных модулей 4 4 1,73 720,90

3 Техник по КИПиА 2 8 2,54 529,21

4 Электромонтажник 2 6 2,00 416,70

5 Начальник смены 1 11 3,68 383,37

6 Вахтер 4 1 1,32 550,05

7 Итого 3275,29

Затраты на заработную плату рабочих и административного персонала с учетом премий и дополнительной заработной платы по сравниваем вариантам: Сзп1 =3275,29 тыс. руб., СзпП = 3571,15 тыс. руб. Таблица 4.9 - Затраты на заработную плату рабочих (вариант II)

N п/п Наименование должности Численность рабочих Разряд Тарифный коэффициент С зп тыс. руб./г

1 Оператор электролизной 4 3 1,62 675,06

2 Оператор очистных сооружений 4 4 1,73 720,90

3 Коагулянщик 2 2 1,42 295,86

4 Техник по КИПиА 2 8 2,54 529,21

Электромонтер по

5 ремонту и обслуживанию электрооборудования 2 6 2,00 416,70

6 Начальник участка (смены) 1 11 3,68 383,37

7 Сторож (вахтер) 4 1 1,32 550,05

8 Итого 3571,15

Ссоц - отчисления на социальные нужды, определяются по формуле:

С = С, + С + С + С , (4.10)

соц пф сс мс нсипз' V /

где Спф - отчисления в пенсионный фонд, Ссс - отчисления в фонд социального страхования, Смс - отчисления в фонд обязательного медицинского страхования, Снсипз - страхование несчастных случаев и профзаболеваний.

Отчисления производятся за счет издержек производства и обращения, рассчитываются по формуле:

С • P

С = С—, (4.11)

100 v У

где, Р - процент отчислений; для пенсионных отчислений 22,0%, фонда

социального страхования 2,9%, обязательного медицинского страхования 5,1%,

страхования несчастных случаев и профзаболеваний 0,7% .

Следовательно, социальные отчисления по сравниваемым вариантам равны:

3275,29• 22,0 3275,29• 2,9 3275,29• 5,1 3275,29• 0,7 ^

СсоцТ =---— +---— +---- +---— = 1005,49 тыс.руб.;

соц1 100 100 100 100

3571,15 • 22,0 3571,15 • 2,9 3571,15 • 5,1 3571,15 • 0,7

СсоцТТ =-!-- +-!-- +-!-- +-!-— = 1096,32 тыс.руб.

соцТТ 100 100 100 100

Сн - налог со строений, равный 0,1% от первоначальной стоимости здания: Chi = 14810,0 0,1/100 = 14,81 тыс.руб; Снп = 29534,0 0,1/100 = 29,53 тыс.руб.

Результаты расчетов годовых эксплуатационных затрат сведены в таблице 4.10, технико-экономические показатели - в таблицу 4.11.

Таблица 4.10 - Определение годовых эксплуатационных затрат

Наименование статей расходов Годовые расходы

Технологическая схема с применением БМР (I вариант) Технологическая схема с применением установки «СТРУЯ» (II вариант)

тыс. руб. % к итогу тыс. руб. % к итогу

Амортизационные отчисления С 6375,14 26,35 7619,42 30,55

Затраты на все виды ремонтов С ^т.р. 5312,60 21,95 6349,50 25,46

Затраты на электроэнергию Сэ 2207,49 9,12 1421,68 5,70

Затраты на реагенты и материалы См. 6005,86 24,82 4849,40 19,45

Затраты на заработную плату рабочих Сзп. 3275,29 13,54 3571,15 14,32

Затраты на социальные отчисления Ссоц. 1005,49 4,16 1096,32 4,40

Налог со строений Сн 14,81 0,06 29,53 0,12

Всего годовых эксплуатационных расходов 24196,68 24937,00

Себестоимость воды, руб./м 13,26 13,66

Таблица 4.11 - Технико-экономические показатели по сравниваемым вариантам

Технологическая схема с применением БМР (I вариант) Технологическая схема

Наименование показателя Ед. изм. с применением установки «СТРУЯ» (II вариант)

Производительность годовая, О -5 тыс. м /год 1825,0 1825,0

Сметная стоимость строительства, К тыс. руб 84357,4 107584,0

Капитальные

вложения (удельные) на 1 м3, К/О тыс. руб/м 46,22 58,95

Эксплуатационные затраты (годовые), С тыс. руб/год 24196,68 24937,00

Затраты приведенные, П тыс. руб/год 34319,57 37847,08

Себестоимость воды 1 м3, с/о Л руб/м 13,26 13,66

Приведенные затраты при нормативном сроке окупаемости 8,3 года (Ен = 0,12) составляют:

П1 = С + Ен ■ К = 24196,68+ 0,12 ■ 84357,4= 34319,57 тыс. руб/г;

Пп = С + Ен ■ К = 24937,00+ 0,12 ■ 107584,0 = 37847,08 тыс. руб/г.

Годовой экономический эффект по вариантам сравнения составит: Э = П// - П/ = 37847,08 - 34319,57 = 3 527,51 тыс. рублей.

Технико-экономический анализ таблицы 4.11 и расчёты показывают, что применение БСММ даст ожидаемый годовой экономический эффект в размере 3 527,51 тыс. рублей в сравнении с традиционной технологией (установка

-5

«СТРУЯ») для станции производительностью 5000 м /сут.

4.3 Описание технологического процесса

Результаты теоретических, лабораторных и производственных исследований дают основание для разработки технологии очистки воды с использованием БСММ (рисунок 4.5). В качестве сорбента и носителя биомассы может быть использован ПАУ марки ОУ-А. Очистка поверхностной воды с применением БМР основана на совмещении процессов сорбции загрязняющих компонентов активными носителями биомассы с их окислением микроорганизмами и их ферментами, прикреплёнными в пористой структуре и на поверхности сорбента.

Процесс очистки воды следует вести при рН равном 5-10 и температуре обрабатываемой жидкости не выше 40 °С. Концентрация ПАУ в реакторе не должна превышать 35 г/л (массообмен в системе может быть нарушен при более высоких концентрациях).

В качестве фильтрующего элемента используют плоскорамные мембраны (материал из которого изготовлена мембрана - поливинилденфторид (ПВДФ)). Средний поток через мембрану равен 7,2-17,6 л/(м2ч).

Технологическая схема очистки воды (рисунок 4.5) с использованием биосорбционно-мембранного метода (с плоскими мембранами) включает БМР и реагентное хозяйство. Представленная схема работает следующим образом. В первую очередь проводится удаление угольной пыли из исходного товарного продукта - ПАУ. Это осуществляется в емкости (1), куда уголь подается из за -водской упаковки при помощи эжектора (9). Отмывка ПАУ достигается путем подачи исходной воды в емкость (1) с отводом высокодисперсного угля в кана -лизацию через водовод (К 3). Отмытый таким образом уголь затем подается по трубопроводу В3.1 в мембранный биореактор (2). Перемешивание угля в биореакторе (2) осуществляется воздухом при помощи воздуходувки (8). Расход

воздуха контролируется ротаметром (17). Рекомендуемая интенсивность аэра -

2 2

ции - 8-14,3 л/(мин м ), где м - площадь мембраны. После подготовительных работ осуществляется подача исходной воды через шаровой клапан (19) в ре -зервуар БМР. При этом происходит фильтрование воды через мембраны с по -мощью насоса (16), создающего разряжение со стороны пермеата. Полученный пермеат отводится через промежуточную емкость (14), предназначенную для отделения газа из профильтрованной воды. Эксплуатация мембран БМР преду -сматривает их регенерацию химическими реагентами после определенного времени работы. Выход на регенерацию определяется показателем - «трансмембранное давление», рабочий диапазон которого 0,0- 55,0 кПа. При дости -жении верхнего значения ТМД равного 55,0 кПа, необходимо осуществить об -работку мембран химическими реагентами. Для этих целей используются рас -творы 0,6% гипохлорита натрия и 3% лимонной кислоты. Раствор гипохлорита натрия получают методом бездиафрагменного электролиза. Хранится он в ем -кости (12). Использование гипохлорита натрия, полученного разбавлением вы -сококонцентрированного раствора нежелательно, в связи с высоким содержа -нием рН исходного раствора - 10-12 единиц. Даже после его разбавления до 0,6% раствора, рН будет около 10 единиц, что может привести при обработке мембран к образованию нерастворимых соединений в виде СаСО3 и М£(ОН)2.

Раствор 3% лимонной кислоты получают путем смешивания лимонной кислоты (белый порошок) с исходной водой в емкости (11). Для полного и быстрого растворения лимонной кислоты необходимо тщательное перемеши -вание. Реагенты, используемые при химической промывке, применяются в ску -

деющем порядке: промывка гипохлоритом натрия, наследующий день промывка лимонной кислотой.

Регенерация мембранного модуля производится в следующей последовательности. Первоначально удаляется угольная суспензия из БМР при помощи насоса (5) в гидроциклон (4) для концентрирования угля. Вода отводится через трубопровод (К 3), а уголь собирается в емкость (6). Предварительно в БМР подается исходная вода до уровня от верхней отметки мембранного модуля на 500 мм. После этого отключается подача исходной воды и включается насос (13) для перекачки раствора реагента в емкость (10), которая необходима для обеспечения избыточного гидростатического давления не более 1 м при подаче раствора в полости мембранных элементов. После заданного времени контакта (1 -3 часа) раствора химического реагента с мембранными элементами, производится откачка его через промежуточную емкость (14) насосом (16) в канализацию.

Если ТМД после проведения регенерации гипохлоритом натрия не снижается, то на следующий день необходимо произвести регенерацию лимонной кислотой. Подача кислоты осуществляется аналогично гипохлоритной технологии.

После завершения реагентной обработки мембран производится возврат угольной суспензии из емкости (6) в БМР при помощи гидроструйного насоса (21), работа которого осуществляется подачей на него исходной воды.

Установка готова к эксплуатации.

Рисунок 4.5 - Технологическая схема очистки воды с использованием БМР

I - коническая емкость для отмывки угля; 2 - мембранный биореактор; 3 - мембранный модуль с системой аэрации; 4 - гидроциклон; 5 - эжекторный насос; 6 - емкость для отвода угля; 7 - мешалка; 8 - воздуходувка; 9 -эжекторный насос подачи активного угля; 10 - дозировочная емкость реагентов химической промывки мембран;

II - емкость лимонной кислоты;12 - емкость гипохлорита натрия; 13 - насос подачи реагента; 14 - газовый сепаратор; 15 - воздухоотводчик; 16 - поверхностный насос; 17 - ротаметр для газа; 18 - ротаметр для жидкости; 19 - шаровой клапан; 20 - фильтр для воздуходувки; 21 - эжекторный насос для подачи угольной пульпы

111

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4

1. Проведено обоснование релевантных исходных данных по расходам и качественному составу природной воды в соответствии с требуемой степенью надежности (обеспеченностью не менее 85%).

2. Приведен расчёт БМР для станции производительностью 5000 м3/сут.

3. Проведена технико-экономическая оценка рекомендуемой технологии с БМР и традиционного варианта (установка «СТРУЯ»). Сравнение приведенных

-5

затрат при производительности станции 5000 м /сут, показало, что годовой экономический эффект от реализации предлагаемой технологии составит 3 527,51 тыс. рублей при себестоимости 1 м3 воды 13,26 руб.

4. Представлена технологическая схема очистки воды с использованием

БМР.

112

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Итоги выполненного исследования:

1. Систематизированы и представлены в виде классификации примеси и показатели качества воды р. Дон в нижнем течении, использующейся, как основной источник централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения. Среди загрязняющих веществ в донской воде присутствуют трудноокисляемые органические соединения, оцениваемые по ХПК, концентрация которых в различные

-5

сезоны года достигала 42 мгО/дм .

2. Установлена зависимость суммарной концентрации тригалогенметанов питьевой воды от ХПК природной воды после её хлорирования на Александровских ОСВ г. Ростов-на-Дону. Обнаружены превышения ПДК по хлордибромметану в 2 и дихлорбромметану в 3,5 раза.

3. Анализ литературных источников доказывает актуальность использования биосорбционно-мембранного метода для очистки природных вод от трудноокисляемых органических веществ с целью улучшения качества питьевой воды.

4. Показано преимущество применения БСММ очистки воды после её обработки в схеме: хлорирование - коагулирование - осветление в сравнении с традиционной технологией, принятой на Александровских ОСВ г. Ростов-на-Дону по: цветности, ХПК, ПО. При этом эффективность очистки по вышеуказанным показателям возросла в среднем на 24,3%, 14% и 26% соответственно. Было достигнуто полное удаление в пермеате взвешенных веществ. Также установлено снижение концентрации галогенорганических соединений после первичного хлорирования воды. Эффективность удаления хлороформа достигала 45%, дихлорбромметана - 82% и хлордибромметана - 89%.

5. Впервые исследована очистка донской воды в БМР с использованием плоскорамных мембран на ВОС-1 г. Новочеркасска. Было установлено, что в пермеате взвешенные вещества отсутствовали (исходная 0,6-8,7 мг/дм3), ХПК по-

3 3

сле очистки - 6,6 - 33,5 мгО/дм (в исходной 17,5-41,2 мгО/дм ), средняя эффек-

-5

тивность - 41,2%, в сырой воде ПО была 3,8-7,3 мгО/дм , а в пермеате 1,3-

-5

6,4 мгО/дм , средняя эффективность - 33,3%. Эффективность очистки воды по показателю цветность в среднем составляла 57,3%. Концентрация аммония снижалась в среднем на 58%, при незначительном возрастании нитратов, при этом содержание нитритов в пермеате уменьшалось. Были проведены анализы по микробиологическим показателям: ОКБ, ТКБ и колифаги. Результаты показали их отсутствие в пермеате.

6. Приведенные в работе опытные данные дают основание предложить механизм деструкции органических веществ в БМР. В результате деятельности гетеротрофных микроорганизмов, закрепленных на поверхности угольной сус-пензии и свободноплавающих в объёме ректора, реализуется аэробная нитрификация по схеме: КН4+^К02-^К0з-.

7. В работе были использованы две конструкции мембран в БМР -половолоконная и плоскорамная. Сравнительный анализ показал, что нет значимого отличия в фильтрующих способностях этих мембран, и они отвечают требованиям долговечности и удобства в эксплуатации.

8. Получены кинетические зависимости окисления органических веществ от качества очищенной воды по ХПК. При окислении органических соединений по

3 3

ХПК донской воды в БМР Утах =11 мг/(гсут), Кт = 7 мг/дм , = 3,5 мг/дм . Определены температурные константы, позволяющие рассчитать удельную скорость окисления органических веществ для зимнего и летнего сезонов года. Так, значение х для аэробной микрофлоры по перманганатной окисляемости составило 0,037 град-1, по ХПК - 0,072 град-1. Экспериментально установлено значение оптимального удельного потока фильтруемой воды через плоскорамную

Л Л

мембрану, равное 0,31 м /(м сут).

9. Использование БСММ, кроме решения основной задачи - снижения труд-ноокисляемых органических загрязнений в обрабатываемой воде, а также галогенорганических соединений при последующем хлорировании воды, что и было подтверждено результатами выполненной работы, даёт экономические и технологические преимущества. Исключается необходимость первичного хлорирования, коагулирования, флокулирования, как этого требует классическая

технология практически на всех водопроводных очистных сооружениях РФ.

10. Проведена сравнительная технико-экономическая оценка рекомендуемой технологии и принятой в установке «СТРУЯ». Экономический эффект от использования предлагаемой технологии для станции производительностью

-5

5000 м /сут, составил за год 3 527,51 тысяч рублей.

Рекомендации и перспективы дальнейшей разработки темы

Биосорбционно-мембранный метод позволяет реализовать очистку природной воды от трудноокисляемых органических веществ по безреагентной схеме. Метод рекомендуется для проектирования и реконструкции водопроводных очистных сооружений, использующих в качестве источника водоснабжения поверхностные водоёмы, характеризующиеся малой мутностью, но имеющие повышенные концентрации трудноокисляемых органических веществ.

Дальнейшее развитие исследуемой темы представляется возможным при реализации двух задач:

- увеличение производства очищенной воды с единицы объема фильтрующего элемента БМР путем поиска и подбора типа мембраны с требуемыми техническими характеристиками;

- замена взрывоопасного порошкового древесного активного угля на другие более дешевые и не опасные при растаривании аналоги.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

- БСММ - биосорбционно-мембранный метод;

- БМР - биосорбционно-мембранный реактор;

- ХПК - химическое потребление кислорода;

- ПО - перманганатная окисляемость;

- БПК - биохимическое потребление кислорода;

- ГОС - галогенорганические соединения;

- ВОС - водопроводные очистные сооружения;

- ОСВ - очистные сооружения водопровода;

- ЮФО - Южный федеральный округ;

- ПАУ - порошкообразный активный уголь;

- ТМД - трансмембранное давление;

- Е - концентрация фермента;

- £ - концентрация субстрата;

- [ЕЯ] - фермент-субстратный комплекс;

- Р - концентрация продукта;

- V - удельная скорость окисления;

- Vmax - максимальная удельная скорость окисления;

- Кт - константа Михаэлиса;

- х - температурная константа;

- Я - концентрация биорезистентных веществ.

116

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Михеева И. В. Водные объекты и состояние водоснабжения на территориях ЮФО [Текст] / И. В. Михеева // Технология очистки воды «ТЕХНОВОД-2017» : материалы Х Межднар. науч.-практ. конф., г. Астрахань, 5-6 окт. 2017 г. / Юж.-Рос. гос. политехн. ун-т.(НПИ) имени М.И Платова -Новочеркасск : Лик, 2017. - С. 145-155.