Разработка методов повышения барьерных функций очистных сооружений водопроводов в отношении антропогенных загрязнений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.04, кандидат технических наук Герасимов, Михаил Михайлович

• Герасимов, Михаил Михайлович
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Герасимов, Михаил Михайлович

ВВЕДЕНИЕ.

1.1. Оценка современного состояния источников питьевого водоснабжения и уровня надежности существующих очистных сооружений водопроводов.

1.2. Обоснование выбора методов очистки природной воды от растворенных примесей антропогенного генезиса.

1.2.1: Сорбционные методы.

1.2.2. Окислительные методы.

1.2.3. Окислителыю-сорбг(ионные методы.

1.2.4. Биологические методы.

1.2.5. Мембранные методы.

1.3. Пути повышения барьерных функций очистных сооружений при антропоге11ном загрязнении водоисточников.

2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1. Разработка, изготовление и монтаж оборудования пилотного испытательного комплекса.

2.1.1. Комплектация оборудования.

2.1.2. Технологические возможности работы на пилотном комплексе

2.2. Методика выбора порошкообразных сорбентов для целей диссертационной работы.

2.2.1. Методика определения структурных и физико-химических характеристик ПА У.

2.2.2. Методики испытаний порошкообразных сорбентов в лабораторных и натурных условиях.

2.3. Сорбенты и реагенты, используемые в исследованиях.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

3.1. Изучение способов повышения барьерной роли сооружений в условиях естественного (фонового) содержания антропогенных примесей в воде.

3.1.1. Поиск оптимальных соотношений доз порошкообразных сорбентов и основных реагентов.

3.1.2. Исследования эффективности использования гранулированных сорбентов после стадии отстаивания.

Выводы к главе 3.1.

3.2. Изучение способов повышения барьерной роли сооружений при экстраординарном загрязнении водоисточника антропогенными примесями.

3.2.1. Исследования способов повышения барьерной роли в условиях отсутствия паводка.

3.2.2. Исследования способов повышения барьерной роли в паводок

Выводы к главе 3.2.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3.

4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ПРЕДЛАГАЕМЫХ РЕШЕНИЙ

4.1. методические указания по усовершенствованию технологий очистки природных поверхностных вод реагентными и сорбционными методами.

4.2. Внедрение технологии углевания на сооружениях.

4.3. Технико-экономическая оценка предлагаемых вариантов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов повышения барьерных функций очистных сооружений водопроводов в отношении антропогенных загрязнений»

В настоящее время в Российской Федерации наблюдается нарастание объемов и темпов производства, что приводит к увеличению загрязненности водоисточников. Оборудование (в том числе очистные сооружения для обработки воды и стоков) на многих предприятиях сильно изношено или морально устарело, что вызывает низкий уровень очистки сточных вод, регулярные утечки токсикантов широкого спектра действия и сильно повышает вероятность и масштабность аварийных утечек в окружающую среду таких особо токсичных для человека соединений как нефтепродукты, СПАВ, фенолы и поли ароматические соединения. Большинство водоемов, куда сбрасываются сточные воды или попадают «аварийные» сбросы, уже практически утратили способность к самоочищению и поэтому существенная часть загрязнений обнаруживается в створах водозаборов очистных сооружений водопроводов. Извлечение токсикантов антропогенного генезиса из природных вод практически невозможно с помощью традиционных методов очистки воды, рёализуемых на большинстве станций РФ, поэтому часть из них попадает с обработанной водой непосредственно к потребителю. Все вышесказанное относится также и к биологическим загрязнителям.

С другой стороны, многие токсичные соединения образуются непосредственно на водопроводных станциях в процессах обработки воды при коагуляции, хлорировании, озонировании и др. Состав и количество этих соединений часто трудно предсказуемы.

Оценивая сложившуюся ситуацию в стране, в современных условиях водопользования необходима разработка и внедрение методов модернизации существующих очистных сооружений водопроводов таким образом, чтобы усовершенствовать их работу и увязать качество питьевой воды с вновь вводимыми нормативами безопасности жизнедеятельности, создав максимально возможный барьер для наибольшего (в каждом конкретном случае) числа токсикантов.

К одним из широко применяемых в практике водоподготовки относится метод сорбционного извлечения примесей из воды. В практике водоподготовки используются микропористые углеродные материалы с сильно развитой поверхностью - активные угли (АУ). Они подразделяются на: гранулированные

ГАУ, размер частиц 0,07-7 мм), порошкообразные (ПАУ, размер частиц менее 0,07-0,12 мм) угли, а также на углеродные волокна.

Активными углями в большей или меньшей степени адсорбируется из водных растворов подавляющее большинство органических и многие неорганические соединения практически до любых остаточных концентраций и безотносительно к их биохимической токсичности и химической устойчивости. При этом, изъятие примесей не сопровождается внесением в воду каких-либо продуктов разложения органических примесей или солей.

Одним из главных достоинств сорбционных методов извлечения примесей из воды является отсутствие их деструкции или физико-химической трансформации. Однако, до настоящего времени, в России прослеживаются определенные различия в применимости сорбентов различных классов: если внедрение ГАУ на очистных сооружениях водопроводов (ОСВ) отработано достаточно полно и используется на многих предприятиях ЖКХ, то использование технологии углевания воды с помощью ПАУ ведется на незначительном числе объектов. Это объясняется, в первую очередь, сложностями работы с самим материалом, который является пожаровзрывоопасным и имеет ряд физических характеристик, осложняющих приготовление и дозирование в воду его рабочего раствора (пульпы). Однако, начиная с 1994 г., в НИИ ВОДГЕО с участием автора велись разработки по созданию спецоборудования и аппаратного оформления схем углевания воды, которые к настоящему времени внедрены в промышленных масштабах.

Еще два важных момента, которые необходимо учитывать при выборе схемы модернизации станций в настоящее время - это финансирование и свободные площади. Финансировать проекты по модернизации действующих объектов часто приходится из местных (региональных) бюджетов, при этом отсутствие свободных площадей или (и) инженерное оформление многих очистных сооружений не позволяют внедрить те или иные методы очистки воды. В такой ситуации видны положительные моменты от внедрения метода углевания: затраты на дооснащение сооружений составляют, как правило, 0,52 % от стоимости станции, а дополнительный заем новых площадей минимален. Учитывая реальную потребность ЖКХ в высокоэффективных, малозатратных и быстрореализуемых мероприятиях по улучшению качества питьевой воды, было выбрано данное направление исследований.

Цель и задачи исследований

Целью диссертационной работы являлась разработка методов повышения барьерных функций очистных сооружений водопроводов в отношении основных классов токсикантов, обеспечивающих максимальную безопасность очищенной воды для потребителей при минимизации материальных затрат и сроков модернизации объектов.

Достижение поставленной цели требовало решения следующих задач: а) выявление приоритетных типов антропогенных загрязнений с позиций их распространенности в водоисточниках различных регионов РФ и возможностей удаления из воды; б) анализ технологических схем и эффективности работы существующих сооружений водопроводов с позиций возможностей их модернизации; в) исследование технологических процессов и определение условий удаления конкретных типов загрязнений реагентными и сорбционными методами при наличии реального фона природных примесей; г) разработка методик лабораторных и пилотных тестов для выбора технологии и адаптации ее на объектах с учетом масштабного перехода и специфики сооружений; д) разработка эффективных методов обработки исходной воды порошкообразными углями (ПАУ) и инженерных решений по их реализации в процессе водоподготовки; е) разработка рекомендаций на проектирование блока углевания воды и его узлов с учетом современных требований к качеству очищенной воды для населения и безопасности труда на сооружениях.

Научная новизна работы заключается в следующем: а) исследованы возможности удаления фоновых и экстраординарных количеств наиболее распространенных типов антропогенных токсикантов из маломутных среднецветных вод и научно обоснованы наиболее эффективные режимы обработки воды- традиционными реагентами (коагулянтом, флокулянтом) и ПАУ, в зависимости от природного фона примесей и состава технологической схемы очистных сооружений; б) установлена необходимость моделирования реальных (прогнозируемых) концентраций токсикантов в водоисточнике путем создания смесей токсикантов, а также научно обоснованы принципы создания модельных смесей приоритетных токсикантов, основанные на закономерностях различной растворимости веществ в воде и других физико-химических свойствах. в) научно обоснованы и сформулированы принципы выбора наиболее эффективного сорбента, учитывающие его структурные характеристики, одновременное присутствие в воде нескольких токсикантов (смесь) и различную степень их сорбируемости, а также природный фон водоисточника.

Практическая ценность

Предлагаемые технологические и технические решения для модернизации очистных сооружений водопроводов позволяют в короткие сроки при малых затратах минимизировать опасность воздействия антропогенных токсикантов, находящихся в поверхностных водоисточниках, на потребителей воды.

Разработаны эффективные технологии повышения барьерных функций водоочистных станций путем обработки воды порошкообразными активированными углями (ПАУ).

Разработаны и обоснованы принципы модернизации технологических схем и сооружений существующих водопроводных станций крупных городов в зависимости от характера и уровня концентраций приоритетных токсикантов и природной загрязненности водоисточников в виде методических указаний по усовершенствованию технологий очистки природных поверхностных вод реагентаыми и сорбционными методами.

Разработаны рекомендации на проектирование узлов аппаратурно-технической базы (включая специальный контейнер для перевозки, хранения и приготовления раствора ПАУ с водой), позволяющие осуществить полный цикл применения ПАУ для обработки воды на существующих очистных сооружениях водопроводов с соблюдением санитарно-технических нормативов, вопросов безопасности работы с ПАУ, исключающих ручной труд и загрязнение помещений.

Автор выражает благодарность за сотрудничество и консультационную помощь специалистам ОАО' «НИИ ВОДГЕО»: сотрудникам л/р глубокой очистки воды, зав. лаб., к.т.н. Белевцеву А.Н., с.н.с., к.т.н. Жаворонковой В.И., к.т.н. Свердликову A.A., зав. лаб., д.т.н. Лезнову Б.С., зав. лаб., д.т.н. Гандуриной Л.В., зав. лаб., к.т.н. Соколовой Е.В. и др.

1. Анализ состояния вопроса очистки природных вод от загрязнений антропогенного характера

Заключение диссертации по теме «Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов», Герасимов, Михаил Михайлович

Общие выводы

1. Анализ фактического состояния источников питьевого водоснабжения крупных городов РФ выявил недостаточную эффективность действующих очистных сооружений водопроводов в отношении таких токсикантов как нефтепродукты, фенолы, СПАВ и полиароматические соединения, что определяет актуальность задачи повышения барьерных функций сооружений для обеспечения нормативного качества водопроводной воды.

2. Научно . и практически обоснована методика для выбора порошкообразного активированного угля (ПАУ) с использованием смеси наиболее распространенных в водоисточниках РФ токсикантов.

3. Установлена необходимость применения разных способов модернизации технологических схем, в зависимости от типа и концентрации токсиканта, качества воды по общим показателям и состава действующих сооружений.

4. Показано, что для удаления фоновых количеств (с концентрациями до 1,5-2 ПДК) приоритетных токсикантов, коррекцией типов и доз основных реагентов (коагулянта и флокулянта) в сочетании с углеванием (на уровне доз до 5 мг/л) достигаются нормативы по: приоритетным токсикантам, общим показателям качества воды, а также по веществам, образующимся в процессе обеззараживания воды хлором.

5. Для периодов экстраординарного загрязнения воды по приоритетным токсикантам от 2-10 до 20-35 ПДК показано, что дополнение реагентной обработки воды углеванием ПАУ дозами от 10 мг/л является эффективным методом очистки от исследованных токсикантов, что дает возможность отказаться от использования фильтров с гранулированными активированными углями (ГАУ).

6. Разработан специальный контейнер для перевозки; хранения и подготовки ПАУ к работе, а также аппаратурно-техническая база, позволяющая осуществить полный цикл углевания на сооружениях с соблюдением санитарно-технических нормативов и вопросов безопасности работы с углем, исключающих ручной труд и загрязнение помещений.

7. Предложены рациональные технологические схемы очистки воды от наиболее распространенных токсикантов, которые реализованы в масштабах крупных водопроводных станций (С) от 100 до 450 тыс. мэ/сут).

8. Сравнение приведенных затрат по двум вариантам модернизации схем с помощью сорбционных методов показало, что внедрение на станции о производительностью 250 тыс. м /сут блока углевания воды с помощью ПАУ взамен переоборудования существующего блока фильтров в 2-х слойные фильтры с ГАУ дает годовой экономический эффект в размере 3 110 тыс. руб.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Герасимов, Михаил Михайлович, 2008 год

1. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы СанПиН 2.1.4.1074-01. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. М.: ФЦ Госсанэпиднадзора Минздрава России, 2002. - 103 с.

2. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы СанПиН 2.1.5.980-00. Водоотведение населенных мест. Санитарная охрана водных объектов. Гигиенические требования к охране поверхностных вод. М. : ФЦ Госсанэпиднадзора Минздрава России, 2000.

3. Санитарные правила СП 2.1.5.1059-01. Гигиенические требования к охране подземных вод от загрязнения. — М. : ФЦ Госсанэпиднадзора Минздрава России, 2001. 20 с.

4. Guidelines for drinking Water Quality / WHO. Geneva. - 1984.

5. Водный кодекс Российской Федерации. М. : Изд-во НОРМА, 2001. -64 с.

6. Лукашевич А.Д. Экологические и технологические аспекты оценки качества природных вод для производственного и хозяйственно-питьевого водоснабжения // Вода и экология. 2007. - № 1. — С. 3-16.

7. О санитарно-эпидемиологической обстановке в Российской Федерации в 2004 году: Гос. докл. М. : Федеральный центр гигиены и эпидемиологии Роспотребнадзора, 2005.

8. Качество питьевой воды в бутылках не лучше водопроводной // NEWSru.com2000-2005 :http://palm.newsru.com/world/03may2001/voda.html.

9. Журба М.Г., Мякишев 'В.А. Очистка поверхностных вод, подвергшихся антропогенному воздействию // Водоснабжение и санит. техника. -1992.-№8.-С. 2-6.

10. Феофанов Ю.А. Проблемы и задачи в сфере обеспечения населения питьевой водой // Вода и экология. 1999. - № 1.

11. Журба М.Г., Любина Т.М. и др. Новые решения в подготовке питьевых вод // Водоснабжение и санит. техника. 1994.- № 1. - С. 3-5.

12. Говорова Ж.М Обоснование и разработка технологий очистки природных вод, содержащих антропогенные примеси : Автореф. дис. . докт. техн. наук. М., 2004.

13. Орлов В.П. Экологическая безопасность: проблемы и задачи природоресурсного комплекса России на XXI век //http://www.ineca.ru (01.10.2005).

14. Воды России: состояние, использование, охрана (1996-2000 гг.) -Екатеринбург : Изд-во РосНИИВХ, 2002.

15. О состоянии и об охране окружающей среды в Российской Федерации в 2003 году : Гос. докл. М. : Государственный центр экологических программ, 2004

16. Вода России. Речные бассейны / Под науч. ред. A.M. Черняева. -Екатеринбург : АКВА-ПРЕСС, 2000.

17. Линевич G.H. Совершенствование технологий подготовки питьевой воды на Донских водопроводах // Водоснабжение и санит. техника. -2001,-№9.-С. 2-5.

18. Зубишина А.П. Экологическая оценка существующей ситуации в воде р. Дон : Заключительный " отчет по экологической оценке, осведомленности общественности и образованию (3352.2004). Ростов-на-Дону : CK «Гипрокоммунводоканал», 2004.

19. Алексеева Л.П., Драгинский В.Л. и др. Применение новых технологий очистки воды на водопроводе г. Ярославля // Водоснабжение и санит. техника. 2003. - № 4. - С. 28-30.

20. Водоснабжение. Проектирование систем и сооружений. В 3-х т. Т 2. Очистка и кондиционирование природных вод : Под общей ред. докт. техн. наук., проф. М.Г. Журбы. Вологда-Москва: ВоГТУ, 2001. -С. 19.

21. Алексеева Л.П., Драгинский B.J1. Очистка подземных вод городов Тюменского региона. // Водоснабжение и санит. техника. 2004. -№ 10.

22. Benbelkacem H., Cano H., Mathe S. Maleic Acid Ozonation: Reactor Modeling and Rate Constants Determination // Ozone. 2003. - Vol. 25. - P. 13-24.

23. Яковлев C.B., Мясникова E.B., Мясников И.Н., Максимов A.B., Эльпинер JI.И., Кочарян А.Г., Шевченко М.А. Совершенствование водоочистных технологий для реализации нормативов качества питьевой воды // Водоснабжение и санит. техника. 2000. — № 5. - С. 910.

24. Попов А.Н. Интенсификация процессов самоочищения водных объектов от органических веществ // Чистая вода России-99 : тез. V межд. симп. (Екатеринбург, 13-17 апреля 1999 г.). Екатеринбург, 1999.

25. Оксиюк О.П., Стольберг Ф.В. Управление качеством воды в каналах. Киев: Наукова думка, 1986.

26. Рябченко В.А., Лукин В.Б., Сапова Е.В., Афанасьева О.Ю. // Водоснабжение и санит. техника. 2002. - № 10. - С. 16-19.

27. Технические записки по проблемам воды «Дегремон». Т. 2. М. : Стройиздат, 1983.

28. Славинская Г.В. Влияние хлорирования на качество питьевой воды // Химия и технология воды. 1991. - № 11, т. 13.-С. 1013-1021.

29. Алексеев B.C. Повышение надежности систем водоснабжения в чрезвычайных ситуациях // Водоснабжение и санит. техника. 2001. -№5,ч. 1,-С. 2-4.

30. Шуберт С. А., Орлов Г. А., Антонова О .Я., Непаридзе Г.Г. Проблемы повышения надежности систем хозяйственно-питьевого водоснабжения // Водоснабжение и санит. техника. 1993. - № 4. - С. 2-5.

31. Порядин А.Ф. Некоторые аспекты новой водохозяйственной политики // Вода: технологии и оборудование : мат-лы межд. НПК (Москва, 11-14 апреля 2007 г.). М. : Изд. комплекс МГУПП, 2007. - С. 64-65.

32. Пупырев Е.И. Экономические аспекты внедрения европейских стандартов качества питьевой воды в России // Водоснабжение и санит. техника. 2004. - № 7. - С. 2-7.

33. Пупырев Е.И., Миркис В.И., Браславский Ю.Д., Смирнова Н.Л. Современные технологии водоподготовки как фактор обеспечения надежности централизованных систем водоснабжения в России // Водоснабжение и санит. техника. 2006. -№ 1, ч 1. - С. 10-18.

34. Nanotechnology: a cause for concern // Water. — 2005 Vol. 21.,

35. Зорина Е.И. Активированные угли для водоподготовки // Водоснабжение и сан. техника. 1998. - № 8. - С. 22-23.

36. Белоусова М.Я., Шварц И.А., Гудыно Т.В. Сорбция некоторых нормируемых в водах органических соединений на «Полисорбе С» // Химия и технология воды. 1987. - № 2, т. 9. - С. 180-181.

37. Якимова Т.И., Мартич В.Е., Мамченко A.B. Внутридиффузионная динамика адсорбции растворенных веществ неоднородно-пористыми активными углями // Химия и технология воды. 1988. - № 4, т. 10. - С. 294-297.

38. Горленко JI.E., Емельянова Г.И., Харланов А.Н., Янковская А., Лунин

39. B.В. Низкотемпературное окислительное модифицирование бурых углей и коксов на их основе // Журн. физ. химии. 2006. - № 6, т. 80.1. C. 878-881.

40. Тарасевич Ю.И. Природные, модифицированные и полусинтетические сорбенты в процессах очистки воды // Химия и технология воды. 1994. - № 6, т. 16.-С. 626-640.

41. Подлеснюк В.В., Фридман Л.Е., Фесенко Е.А., Клименко H.A., Баскаков В.А., Харина Г.П. Равновесная адсорбция некоторых растворенных органических веществ на винилпиридиновых полимерных сорбентах // Химия и технология воды. 1992. - № 1, т. 14. - С. 20-25.

42. Гликин М.А., Клименко H.A., Алексеева Н.П., Кармазина Т.В., Дудник Т.И. Структурно-сорбционные свойства искусственных углеродсодержащих сорбентов // Химия и технология воды. 1990. -№ 10, т. 12.-С. 928-930.

43. Омаров М.А., Гаджиханов М.Н., Драгинский В.Л., Алексеева Л.П. Очистка геотермальных вод от органических загрязнений и цветности // Водоснабжение и санит. техника. 2001. - № 9.

44. Смолин С.К., Тимошенко М.Н., Клименко H.A. Внутридиффузионная кинетик адсорбции ПАВ активными углями различной пористой структуры // Химия и технология воды. 1992. - № 9, т. 14. - С. 648652.

45. Смолин С.К., Тимошенко М.Н., Клименко H.A. Особенности динамики адсорбции неионного ПАВ неподвижным слоем активного угля // Химия и технология воды. 1991. - № 6, т. 13. - С. 495-499.

46. Калинийчук Е.М. Исследование оптимальных технологических условий применения.хлора и активированного угля для очистки питьевой воды от различных органических примесей и загрязнений : Дис. . канд. техн. наук. Киев : ИОНХ РАН УССР, 1967.

47. Бабенков Е.Д., Лимонова Т.П. Технологические аспекты совместного углевания и коагулирования воды // Водоснабжение и санит. техника. -1975.-№ 11. С. 14-16.

48. Смирнов А.Д., Алифанова H.H., Семенов С.Ю., Садова Н.И. Повышение барьерной роли водопроводов в период паводков и аварий // Водоснабжение и санит. техника. 1994. - № 12. - С. 12-13.

49. Махарандин В.Н., Новиков М.Г. Совершенствование технологии очистки воды на Санкт-Петербургском водопроводе // Водоснабжение и санит. техника. 1995. - № 4. - С. 4-5.

50. Новиков М.Г. Основные тенденции в области улучшения качества очистки поверхностных вод // Вода и экология. 1999. -№ 1. - С. 8-11.

51. Новиков М.Г., Ильин С.Н., Нефедов Ю.И. Высокоэффективная технологическая схема очистки поверхностных вод // Инженерные системы. 2006. - № 2 (22). - С. 18-19.

52. Кудрин С.А. Очистка воды от органических соединений с регенерацией углеродных сорбентов электрическим током : Дис. . докт. техн. наук. -М., 1988.- 170 с.61.64