Совершенствование технологии хлорирования природных вод в целях повышения качества питьевой воды: на примере г. Волгограда тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.04, кандидат технических наук Лебедев, Дмитрий Николаевич

• Лебедев, Дмитрий Николаевич
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Лебедев, Дмитрий Николаевич

ГЛАВА 1. Состояние изученности проблемы обеззараживания природных вод.

1.1. Методы обеззараживания природных вод.

1.1.1. Хлорирование воды.

1.1.2. Озонирование воды.

1.1.3. Физические методы обеззараживания воды

1.1.4. Олигодинамические и другие методы обеззараживания воды.

1.2. Цели и задачи исследований. 26 Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2. Исследование влияния загрязнений поверхностных вод на качественный состав питьевых вод. 2.1. Характеристика основных поверхностных источников 28 хозяйственно-питьевого водоснабжения г. Волгограда.

2.2. Исследование качественного состава природных вод.

2.3. Барьерная роль очистных сооружений, качество питьевых вод.

2.4. Определение токсичных компонентов, образующихся в 46 процессе хлорирования.

Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. Исследование зависимости влияния качественного состава природной воды и дозы вводимого хлора на процесс образования галогенорганических соединений (ГОС) при первичном и вторичном хлорировании.

3.1. Теоретические основы образования галогенорганических 51 соединений в питьевой воде на примере хлороформа.

3.2. Методика проведения исследований

3.3. Схема опытно-промышленной установки.

3.4. Влияние показателей цветности и перманганатной 56 окисляемости природной воды на процесс образования галогенорганических соединений при хлорировании воды. 3.5. Влияние дозы хлора при первичном и вторичном хлорировании на количество образующихся галогенорганических соединений.

3.5.1. Образование галогенорганических соединений при 59 первичном хлорировании воды

3.5.2. Образование галогенорганических соединений при 65 вторичном хлорировании воды.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. Испытание комбинированных методов хлорирования воды.

4.1. Озонирование воды.

4.2. Сравнительный анализ образования галогенорганических 81 соединений в воде, обработанной различными дозами озона и хлора.

4.3. Ультрафиолетовый метод обработки питьевой воды.

4.3.1. Определение обеззараживающего действия ультрафиолета на 85 качество природной воды.

4.3.2. Сравнительный анализ образования галогенорганических 87 соединений в воде, обработанной различными дозами озона и хлора.

4.4. Обеспечение санитарно-эпидемиологической безопасности 104 питьевой воды при условии большой протяженности водопроводной сети.

Выводы по главе 4.

ГЛАВА 5. Технико-экономическое обоснование метода дробного 122 хлорирования питьевой воды.

Выводы по главе 5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование технологии хлорирования природных вод в целях повышения качества питьевой воды: на примере г. Волгограда»

Актуальность. Проблема загрязнения поверхностных водоисточников в условиях массового строительства современных жилых комплексов, а также развитие зон малоэтажной застройки достигла огромных масштабов. Объекты жилищного строительства многократно увеличивают объемы загрязненных стоков, которые подвергаются очистке с использованием устаревших и малоэффективных технологий, а в отдельных случаях сбрасываются в водные источники без очистки, что особенно актуально для градостроительных комплексов имеющих большую протяженность вдоль основных водных объектов (на примере г. Волгограда), нанося непоправимый ущерб окружающей природной среде и, как следствие здоровью населения.

Использование жидкого хлора в целях дезинфекции природной воды ведет к образованию вторичных хлорорганических соединений, которые попадают в водные объекты, отравляя ее в концентрациях в сотни раз превышающие предельно допустимые и способные неразрушаться длительное время.

При увеличивающимся антропогенном воздействии на водные источники дозу хлора при подготовке питьевой воды приходится увеличивать, что приводит к образованию канцерогенных и мутагенных веществ опасных для здоровья человека. Кроме этого, использование жидкого хлора требует обеспечения повышенных мер безопасности при перевозках и хранении, так как его высокая реакционная способность и коррозионная активность водных растворов служат дополнительным источником экологической опасности в жилой зоне городов.

Таким образом, снижение количества хлорорганических соединений, посредством совершенствования технологии хлорирования за счет дробного введения реагента на протяжении водоразводящей сети являются исключительно актуальными.

Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.

Цель работы. Совершенствование технологии хлорирования природных вод, посредством дробного введения реагента в процессе хлорирования, позволяющим снизить количество образующихся токсичных хлорорганических соединений в питьевой воде. Задачи исследования.

В соответствии с поставленной целью определены следующие задачи исследований:

• анализ современных методов обеззараживания природных вод;

• исследование качества природной воды, используемой для хозяйственно-питьевых целей г. Волгограда, установление барьерной роли очистных сооружений;

• изучение зависимости качественного состава природной воды и дозы вводимого хлора на процесс образования галогенорганических соединений при первичном и вторичном хлорировании питьевых вод;

• сравнительное определение концентраций хлорорганических соединений при совместном обеззараживании воды озоном, ультрафиолетом и хлором;

• разработка и промышленные испытания дробной реагентосберегающей технологии хлорирования хозяйственно-питьевой воды.

• получение математических зависимостей для определения остаточных концентраций хлора в сети, при различных режимах ввода хлорсодержащих реагентов;

• технико-экономическое обоснование метода дробного хлорирования воды.

Научная новизна работы состоит в том, что:

• установлены закономерности и причины сезонных колебаний загрязнений волжской воды в границах г. Волгограда по анализам многолетних наблюдений;

• разработана новая реагентосберегающая технология хлорирования природных вод с использованием метода дробного введения жидкого хлора;

• установлены зависимости влияния доз жидкого хлора на процесс образования хлорорганических соединений;

• разработана математическая модель, адекватно описывающая кинетику процессов дробного хлорирования.

• разработан алгоритм практического внедрения метода дробного хлорирования для действующих, реконструируемых и вновь проектируемых систем водоснабжения населенных мест.

Практическая значимость диссертации.

• предложена и апробирована в промышленных условиях новая технология хлорирования при подготовке питьевых вод, позволяющая значительно сократить количество образующихся хлорорганических соединений, с высокой степенью эффективности при значительном сокращении затрат реагентов;

• разработаны рекомендации по проектированию и расчету аппаратурного оформления предложенной технологической схемы.

Практическая значимость диссертации.

• внедрена в промышленных условиях новая технология хлорирования при подготовке питьевых вод, позволяющая сократить в 1,5 раза количество образующихся хлорорганических соединений с высокой степенью эффективности при значительном сокращении количества реагентов;

• разработаны рекомендации по проектированию и расчету аппаратурного оформления предложенной технологической схемы.

Практическая реализация.

Предложенная технология хлорирования внедрена на водопроводных очистных сооружениях Волгограда производительностью 320 ООО м3/сут. Годовой экономический эффект составил 2,64 млн. руб./год, в ценах 2008 года.

Апробация работы и публикации. По материалам диссертации опубликованы 13 работ. Основные положения докладывались и обсуждались на 5 всероссийских и международных конференциях в г.г. Волгограде, Казани, Пензе.

Методы исследований.

В диссертации проводились теоретические и экспериментальные исследования, включающие работу с моделями и натурными установками, а также использовались стандартные методы математического моделирования и проведения химических анализов.

Достоверность полученных результатов оценена с помощью современных математических методов обработки экспериментов. При постановке экспериментов использованы общепринятые методики, оборудование и приборы. Экспериментальные данные, полученные на моделях, соответствуют результатам, полученным на промышленных установках.

На защиту выносятся:

• исследования и анализ качества исходной и очищенной воды, используемой для целей хозяйственно-питьевого водоснабжения г. Волгограда;

• экспериментальное определение концентраций хлорорганических соединений при совместном обеззараживании воды озоном, ультрафиолетом и хлором и сравнительные данные их эффективности;

• технология дробного хлорирования воды и математические зависимости для определения концентраций хлора в различных точках водопроводной сети;

• результаты промышленных испытаний новой реагентосберегающей технологии хлорирования хозяйственно-питьевых вод.

Структура и объем работы. Диссертация, общим объемом 137р страницы, состоит из введения, 5 глав и основных выводов, включает 27 таблиц, 44 рисунка и список литературы из 133 наименований.

Заключение диссертации по теме «Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов», Лебедев, Дмитрий Николаевич

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5

1. Целесообразность внедрения метода дробного введения в технологическую схему обеззараживания природных вод обоснована экономической и экологической эффективностью затрат по сравнению с традиционным методом обеззараживания с использованием жидкого хлора.

2. Фактическая экономия обусловлена отсутствием затрат на приобретение окислителя - жидкого хлора и связанным с его использованием комплекса мер безопасности.

3. Годовой экономический эффект от внедрения технологии обеззараживания с применением метода дробного хлорирования составил 1,2 млн. руб. ( в ценах 2005 г).

127

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано решение актуальной проблемы -снижение количества хлорорганических соединений посредством совершенствования процесса хлорирования питьевой воды за счет дробного введения реагента.

На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы:

1 .Обеззараживание природной и питьевой воды хлором на водопроводных очистных сооружениях Волгограда производится дозами 5-4-7 мг/л по активному хлору. Такие дозировки позволяют обеспечивать безопасное санитарно — гигиеническое состояние питьевой воды во всех наиболее удаленных участках сети. Однако высокое содержание хлора является причиной образования галогенорганических соединений, относящихся ко II классу опасности. Концентрации этих компонентов превышают предельно — допустимые значения в 1,5-КЗ раза и являются основным источником экологической опасности для здоровья жителей города.

2. Установлена зависимость образования галогенорганических соединений от дозы хлора и качества природной воды (в первую очередь от цветности и перманганатной окисляемости). При первичном хлорировании волжской воды рост галогенорганических соединений, при дозах хлора 1-2 мг/л, незначителен, однако при дозе первичного хлорирования 5 мг/л коэффициент токсичности очищенной воды в среднем в 2,5 раза превышает допустимые значения.

3. Замена первичного хлорирования на озонирование с последующим вторичным хлорированием дозой 2 мг/л позволяет снизить коэффициент токсичности очищенной воды на 14% по сравнению с традиционной схемой водоподготовки, но при этом коэффициент токсичности превышается более чем в 2 раза. Замена первичного хлорирования на ультрафиолетовое облучение способствует сокращению после фильтров концентрации галогенорганических соединений практически до нулевых значений, однако на стадии вторичного обеззараживания воды хлором при дозах 3-5 мг/л происходит дополнительное образование токсичных примесей, при этом коэффициент токсичности превышает ПДК в 2 - 2,5 раза.

4. Сокращение дозы вторичного хлорирования, и как следствие галогенорганических соединений, достигается за счет внедрения метода дробного (поэтапного) хлорирования в расчетных точках водопроводной сети. Это позволяет снизить дозу вторичного хлорирования на очистных сооружениях с 2 - 3 до 1,5 мг/л и обеспечивает снижение коэффициента токсичности до нормативных значений Ктокс < 1. Остаточный хлор при этом остается в пределах допустимых значений (0,8 — 1,2 мг/л) а суммарное потребление товарного хлора сокращается на 21 %.

5. Предложена блок-схема снижения коэффициента токсичности питьевой воды для действующих, реконструируемых и вновь проектируемых систем водоснабжения. Данная блок-схема может быть использована при выполнении проектных и пусконаладочных работах на вновь проектируемых и строящихся системах водоснабжения, а так же предлагается для руководства к действию для действующих водопроводов с целью обеспечения нормативов качества и сокращению негативного воздействия на человека и окружающую среду.

6. На основании экспериментальных данных получена математическая зависимость для определения остаточных концентраций остаточного хлора в водопроводной сети при дробном хлорировании.

7. Годовой экономический эффект от внедрения метода дробного хлорирования водопроводной воды, вследствие сокращения расхода товарного хлора составил 2,64 млн. рублей (в ценах 2008 года). 1 2 3 4 5 6 7 8 9

10

11

12

13

14

129

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Лебедев, Дмитрий Николаевич, 2008 год

1. Аюкаев Р.И, Мельцер В.З. Производство и применение фильтрующих материалов для очистки воды. Учеб. для вузов. — Ленинград.: Химия. 1985. 367с.

2. Блинкин С.А., Гордина А.П., Полоцкий И.Г., Гразовский С.С. Обеззараживание ультразвуком. Журн. микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии, 1946, вып. 5.

3. Боголюбов К.К. Вторичное появление кишечной палочки в обеззараженной невской воде: Дис. .мед. Наук. Л: 1943. 182с. Басс Г.М., Влыдыченко Г.П. Водоснабжение. Технико-экономические расчеты. Киев. Высшая школа. 1977. 298с.

4. Дерягин Б.В. Докл. АН СССР, 1956, 109, с. 967.

5. Доливо-Добровольский Л.Б. Кульский Л.А. Накорчевская В.Ф. Химия и микробиология воды: (основы хим.и биолог, очистки воды). Учеб. для вузов. — Киев: Вища школа, 1971. 422с. Дьяченко С.С. и др. РЖ. Физика, 1959, 16332.

6. Журба М.Г. Микроорошение. Проблемы качества воды. Учеб. для вузов. -М.: Колос. 1994. 231с.

7. Запольский А.К., Баран А.А., Коагулянты и флокулянты в процессах очистки воды. Свойства. Получение. Применение. Учеб. для вузов. — Ленинград: Химия, 1987, 208с.

8. Изьюрова А.И., Шустова А.Н. Образование побочных продуктов хлорирования. — Водоснабжение и сан. техника, 1940, №7/8.

9. Калицун В.И., Кедров B.C., Ласков Ю.М. Гидравлика водоснабжение и канализация. Учеб. для вузов. -М.: Стройиздат. 2000. 397с.

10. Карюхина Т.А., Чурбанова И.Н. Химия воды и микробиология. Учеб. для вузов. -М.: Стройиздат. 1974. 224с.

11. Кедров B.C., Пальгунов П.П., Сомов М.А. Водоснабжение и канализация. Учеб. для вузов. -М.: Стройиздат. 1984. 376с.

12. Киреев В.А. Краткий курс физической химии. — М.: Химия. 1969. 366с.

13. Клячко В.А., Апельцин И.Э. Очистка природных вод. Изд. 2-е. Учеб. для вузов. -М.: Стройиздат. 1971. 316с.

14. Кожинов В.Ф. Озонирование питьевой воды. Учеб. для вузов. — М.: М-во коммун. Хоз-ва РСФСР, 1961, 243с.

15. Контор Д.И. Ультразвуковые волны — обеззараживающее средство. — Гигиена и санитария, 1954, №4.

16. Кошкин М.Л. Хлорирование питьевой воды с аммонизацией. Учеб. для вузов. — Харьков: Харьк. мед. ин-т. 1941, 147с.

17. Кульский Л.А. Теоретические основы и технология кондиционирования воды: Учеб. для вузов. Киев: Наукова думка, 1980. — 528с.

18. Кульский Л.А. Сборник работ Киевского филиала научно-исследовательского института сооружений. — Киев, 1930. 114с.

19. Кульский Л.А. Аппаратура для хлорирования воды (хлораторы): Учеб. для вузов. Киев: Изд-во АН УССР, 1936. - 226с.

20. Кульский Л.А. Обеззараживание и очистка воды хлором: Учеб. для вузов. М.: М-во коммун. Хоз-ва РСФСР, 1957 - 314с.

21. Кульский Л.А. Улучшение качества питьевой воды. Учеб. для вузов. — Киев: Изд-во АН УССР, 1948. - 285с.

22. Кульский Л.А. Лебединцева O.K. Продукты хлорирования питьевой воды. — Укр. хим журн. ,1956, 18, вып. 6.

23. Кульский Л.А. Новые данные о технике очистки и обеззараживания воды хлором. Киев: М-во комун хоз-ва УССР, 1946, 48с.

24. Кульский Л.А., Калинийчук Е.М. Кондиционирование питьевой воды:

25. Очистка воды от фенолов и нефтепродуктов). Учеб. для вузов. — М.: Стройиздат, 1964. 334с.

26. Кульский JI.A., Шевченко М.А. Окислительный метод улучшения качества природных вод. Учеб. для вузов. — Киев: Изд-во АН СССР, 1958, 148с.

27. Кульский JI.A. Теоретические и прикладные аспекты технологии водоочистки. Химия и технология воды, 1983, №2. с. 101-104.

28. Кульский JI.A., Шевченко М.А., Чупова В.П. Негативные аспекты хлорирования воды. Гигиена и санитария, 1957, №5.

29. Кульский JI.A., Шевченко М.А., Гороновский И.Т. — Зап. ин-т химии АН УССР, 1941, 7, №4.

30. Кульский JI.A., Шевченко М.А. Окислительный метод улучшения качества природных вод.: Информ. сообщ. Киев: Изд-во АН УССР, 1958,37с.

31. Кульский JI.A., Шевченко М.А., Смирнов П.И. Технология озонирования днепровской воды. — Укр. хим. журн., 1957, 25, вып. 2.

32. Кульский JI.A. Докл. конф. Укр. науч.-техн. о-ва. гор. хоз-ва и автомоб. транспорта «О упутях научн.-техн. прогресса в жилищ.-коммун. и дорож. хоз-ве», Киев: М-во коммун, хоз-ва УССР, 1959, 17с.

33. Кульский JI.A. Серебряная вода (электрокатадиновое серебро и его применение в водоснабжении, пищевой промышленности и в медицине). Учеб. для вузов. Киев: Гостехиздат УССР, 1946, 181с.

34. Кульский JI.A. Серебряная вода. Учеб. для вузов. Киев: Наукова думка, 1956, 231с.

35. Кульский JI.A., Сотникова Е.В., Никитина С.С. Слипченко В.А. Метод электролитического серебрения воды. Гигиена и санитария, 1963, №1.

36. Кульский JI.A., Савина В.М., Соловьева Е.П. Технология серебрения воды. Инфом. бюл. АН УССР, 1945, №1, с.ЗЗ.

37. Кульский JI.A., Глоба Л.И. Использование адгезионных и адсорбционных процессов для удаления из воды взвесей и43