Разработка методов повышения барьерных функций очистных сооружений водопроводов в отношении антропогенных загрязнений


Скачать 331,12 Kb.
НазваниеРазработка методов повышения барьерных функций очистных сооружений водопроводов в отношении антропогенных загрязнений
страница1/3
Герасимов Михаил Михайлович
Дата конвертации14.08.2012
Размер331,12 Kb.
ТипАвтореферат
СпециальностьВодоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов»
Год2008
На соискание ученой степениКандидат технических наук
  1   2   3


На правах рукописи


Герасимов Михаил Михайлович


РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ БАРЬЕРНЫХ ФУНКЦИЙ ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ ВОДОПРОВОДОВ В ОТНОШЕНИИ АНТРОПОГЕННЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ


05.23.04 - «Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов»


АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук


Москва 2008

Работа выполнена в Открытом Акционерном Обществе – «Ордена Трудового Красного Знамени комплексный научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт водоснабжения, канализации, гидротехнических сооружений и инженерной гидрогеологии «НИИ ВОДГЕО» (ОАО «НИИ ВОДГЕО»)


Научный руководитель: доктор технических наук

Смирнов Александр Дмитриевич


Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Стрелков Александр Кузьмич


кандидат технических наук

Белевцев Алексей Никитович


Ведущая организация: ОАО «Сибгипрокоммунводоканал»


Защита состоится «16» апреля 2008 г. в 1030 на заседании диссертационного совета Д 303.004.01 при ОАО «НИИ ВОДГЕО» по адресу: Комсомольский проспект, 42, стр.2, г. Москва, Г-48, ГСП-2, 119048.


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО «НИИ ВОДГЕО», тел. (495) 245-97-87, (495) 245-95-56, факс (495) 245-96-27


Автореферат разослан «11» марта 2008 г.



Ученый секретарь диссертационного совета, канд. техн. наук




Ю.В.Кедров


Список сокращений:

ПАУ – порошкообразный активированный уголь,

ФЛ – флокулянт (в пилотных испытаниях – ПАА),

КГ – коагулянт:

СА – коагулянт сульфат алюминия (ГОСТ 12966-85),

АА – коагулянт «Аква-Аураттм 30», 30 % по Аl2O3, О – 43 %.

(ОАО «Аурат», ТУ 2163-069-00205067-2007),

ГХА – гидроксохлорид алюминия, марка Б: 42 % по Аl2O3, О – 75 %.

(ОАО «Сорбент», ТУ 6-00-05795731-25-96).

Cl – хлорирование,

СМ – смеситель,

КХО – камера хлопьеобразования,

МФ – механический фильтр,

ГАУ – гранулированный активированный уголь:

АГ-3 (ТУ 6-16-28-1477-92), СКД-515 (ТУ 922406-001-95)

ДФ – двухслойный фильтр с загрузкой «ГАУ + песок»,

ИСХ – исходная вода,

ГОС – галогенорганические соединения: CHCl3, CCl4, CHBrCl2, CHBr2Cl

УФО – ультрафиолетовое облучение (воды),

ПМО – перманганатная окисляемость.


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

На фоне развития производства в Российской Федерации наблюдается неблагополучное состояние многих источников питьевого водоснабжения по широкому спектру токсикантов антропогенного генезиса, прежде всего по нефтепродуктам, фенолам, полиароматическим соединениям и СПАВ. Эти токсиканты составляют менее 1 % по массе от всех примесей воды, однако отрицательно влияют на качество питьевой воды. Недостаточность барьерных функций многих действующих очистных сооружений водопроводов по отношению к указанным токсикантам делает актуальной задачу разработки и реализации мероприятий по обеспечению нормативного качества питьевой воды.

Для достижения цели повышения барьерных функций очистных сооружений на действующих водопроводах в отношении указанных токсикантов наиболее эффективным является углевание воды порошкообразными активированными углями (ПАУ). Сорбционная обработка воды с помощью ПАУ не требует значительных инвестиций и может быть использована на любых сооружениях.

Несмотря на то, что метод углевания известен давно, его широкое распространение сдерживается по следующим причинам: недостаточно изучены области применимости процессов извлечения микропримесей токсикантов из реальных вод комплексным реагентно-сорбционным методом; отсутствуют рекомендации по выбору сорбентов и эффективности удаления токсикантов, при их одновременном нахождении в смеси; существующие технические решения для реализации процесса углевания на действующих сооружениях недостаточно надежны.

Учитывая реальную потребность водного хозяйства в высокоэффективных, малозатратных и быстро реализуемых способах очистки питьевой воды, данное направление исследований было выбрано как приоритетное.

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 реагентными 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 и правил безопасности работы с ПАУ, исключающих ручной труд и загрязнение помещений.

Внедрение

Осуществлено внедрение блоков приготовления и дозирования ПАУ на двух объектах ВКХ: очистных сооружениях ОАО «АвтоВАЗа» (г. Тольятти, производительность 450 тыс. м3/сут) и головных очистных сооружениях водопровода (ГОСВ) г. Хабаровска (производительность 250 тыс. м3/сут).

Разработаны рекомендации и осуществлено внедрение технических решений на очистных сооружениях водопроводов гг. Уфы, Москвы, Сарапула, Ижевска и др.

Апробация работы

Результаты и основные положения работы доложены на Международном конгрессе и технической выставке «ЭТЭВК-2005: Экология, технология, экономика, водоснабжение, канализация» (Украина, г. Ялта, 24-27 июня 2005 г.), Второй международной научно-практической конференции «Решение водохозяйственных проблем в Сибирском регионе» (г. Новосибирск, 27-28 октября 2005 г.), Региональной научно-практической конференции «Проблемы и пути развития водопроводно-канализационного хозяйства в современных условиях» (г. Ижевск, 28-29 июня 2006 г.), Третьей международной научно-практической конференции «Решение проблем развития водохозяйственных систем Новосибирска и городов Сибирского региона» (г. Новосибирск, 25-26 октября 2006 г.).

Публикации

По теме диссертации автором опубликовано 12 научных работ, в том числе 3 в рекомендованном ВАК РФ издании – журнале «Водоснабжение и санитарная техника».

Объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка использованной литературы, включающего 148 наименований, и одного приложения. Общий объем работы составляет 185 страниц текста, включая 17 рисунков и 63 таблицы.


ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность работы, выявлена потребность водопроводного хозяйства страны в эффективных и малозатратных технологиях повышения барьерной роли водоочистных станций в отношении широкого спектра антропогенных примесей, намечены пути совершенствования технологий очистки воды с использованием реагентных и сорбционных методов.

В главе 1 «Анализ состояния вопроса очистки природных вод от загрязнений антропогенного характера» отмечено, что наиболее распространенными антропогенными примесями воды поверхностных водоисточников питьевого водоснабжения являются нефтепродукты, фенолы, СПАВ и полиароматические соединения. Действующие очистные сооружения водопроводов, использующие типовые одно- и двухступенчатые схемы «осветление-фильтрование», с использованием обычных коагулянтов, недостаточно эффективно очищают воду от этих токсикантов.

Внедрение новых технологий (мембранных и озоно-сорбционных) и многоступенчатых процессов с использованием высокотехнологичного оборудования осуществляется пока медленно. Это обуславливает необходимость поиска эффективных некапиталоемких решений, не требующих дополнительных площадей под модернизацию. Указанным критериям отвечают, более других, реагентные методы обработки воды, которые реализуются в существующих объемах сооружений. К наиболее безопасным и эффективным относится одна из разновидностей реагентной обработки воды – обработка порошкообразными активированными углями (ПАУ).

Существующие примеры внедрения технологий углевания в предыдущие годы демонстрируют ряд трудностей, с которыми сталкиваются проектные и эксплуатационные организации: часто не учитываются конкретные условия того или иного объекта, в т.ч. перечень приоритетных токсикантов и генезис их поступления в воду, сопутствующие примеси, распределение видов токсикантов и их концентраций во времени и т.д.

При рассмотрении вопросов, связанных с принятием решений по дооснащению технологии очистки воды блоком углевания, как правило не учитывают: соотношения доз сорбента и основных реагентов, возможности повышения эффективности путем перехода на альтернативный коагулянт, качественные особенности процесса в зависимости от места ввода сорбента.

Аппаратурно-технологическая база приготовления и дозирования ПАУ не охватывает полный цикл очистки воды.

Отсутствует понимание роли предподготовки сорбента, сложности свойств концентрированных суспензий ПАУ, особенностей транспорта и дозирования пульпы угля.

Таким образом, имеющиеся данные о реализации процесса углевания на действующих станциях требуют дальнейшего изучения и создания комплексного подхода, начиная от выявления лимитирующих параметров (видов токсикантов и их концентраций, особенностей водозабора, условий работы очистных сооружений) и, заканчивая, выбором наиболее эффективных режимов обработки воды.

В главе 2 «Методика проведения исследований» представлены методологические подходы, использованные в работе.

Все исследования проводились на действующих объектах с реальной водой в различные периоды года, для чего был сконструирован и прошел многолетнюю апробацию специальный пилотный комплекс. Методика работы на пилотном комплексе (рис. 1) позволяла моделировать состав различных технологических схем и параметры процессов, что сводило к минимуму проблемы масштабного перехода. Состав комплекса позволял сравнивать эффективность извлечения приоритетных токсикантов различными сорбционными методами по схеме: «первичное обеззараживание (хлор или УФ-облучение) → реагентная обработка коагулянтом (сульфат алюминия, гидроксохлорид алюминия, Аква-Аурат) и флокулянтом (ПАА) → хлопьеобразование в КХО → отстаивание → механическое фильтрование → сорбция на ГАУ (АГ-3, СКД-515)». Вторая модификация схемы – использование двухслойного фильтра с ГАУ сразу после стадии отстаивания.



Ввод порошкообразного сорбента предусмотрен как перед смесителем, так и перед фильтрами.

Параметры комплекса: расход исходной воды – до 15 м3/сут, время пребывания воды в камере хлопьеобразования от 15 до 30 мин, время отстаивания от 2 до 3 ч, скорость фильтрования от 4 до 10 м/ч. Режимы ввода и смешения реагентов определялись в зависимости от существующей схемы на данном объекте.

Технологические схемы комплекса позволяют производить испытания в широком диапазоне качественных характеристик исходной воды. Для проведения исследований были выбраны наиболее представительные (типичные) диапазоны параметров качества воды источников водоснабжения: мутность 1-50 мг/л, цветность 20-53 град, окисляемость 5-12 мг О/л.

В соответствии с данными российских специалистов и на основе анализа состава и распространенности загрязнений в водоисточниках РФ для исследований были выбраны следующие группы токсикантов и их представители: нефтепродукты (НП), фенолы (фенол), СПАВ (сульфонол) и полиароматические соединения (бифенил), которые различаются величиной молекулярной массы (низко- и высокомолекулярные) и гидрофобностью.

Анализ данных о загрязненности водоисточников позволил осуществить в работе разделение уровней загрязнений источников на фоновые и надфоновые (или экстраординарные). Для фонового уровня были приняты концентрации целевых токсикантов в воде до 1,5-2 ПДК, для надфонового – концентрации существенно выше этих значений. Уровни содержания приоритетных токсикантов в воде изменялись в следующих диапазонах: нефтепродукты от 6 до 21 ПДК (норматив – 0,1 мг/л); СПАВ – от 1,5 до 5 ПДК (норматив – 0,5 мг/л); фенол – от 7 до 35 ПДК (норматив – 0,001 мг/л); бифенил – от 3 до 9 ПДК (норматив – 0,001 мг/л).

Методика проведения исследований предполагала поиск технологических и технических решений с использованием серийно выпускаемых реагентов, сорбентов и оборудования.

Воспроизводимость условий исследований реализовывалась с помощью моделирования уровней концентраций токсикантов в водоисточнике и генезиса попадания исследуемых загрязнителей в воду. Были разработаны принципы создания смесей токсикантов, которые базировались на их различной растворимости в воде и в органических растворителях, а также с учетом взаимной растворимости. Методика приготовления смеси заключалась в следующем: заданное количество токсикантов совместно или группами растворяли в промежуточном растворителе (ацетон или спирт), затем осуществлялся перенос этого раствора в малый объем воды с длительным перемешиванием и последующей фильтрацией, далее этот фильтрат вводили в обрабатываемую воду и тщательно перемешивали.

Для воспроизводимости условий экспериментов также было важно, чтобы сорбционные материалы работали в одинаковых условиях. Поэтому были разработаны принципы предподготовки сорбентов перед их непосредственным использованием. Для осуществления эффективного процесса сорбции необходимо предварительное замачивание угля, которое позволяет ликвидировать газовый «барьер» и перейти к системе «сорбент–вода–примеси воды». Была исследована зависимость изменение времени замачивания от температуры в диапазоне температур воды от +2 до +60 °С и показано, что предобработка сорбента горячей водой определенной температуры позволяет многократно сократить время замачивания и тем самым увеличить долю работающего сорбента.

Выбор сорбционных материалов для работы осуществлялся на основе оценки их характеристик: пористой структуры, полярных свойств поверхности угля, эффективности сорбции стандартных растворов низко- и высокомолекулярных соединений (метиленовый голубой, фенол, йод) и др.

Оценка свойств выбранных типов загрязнений и исследованных сорбентов показала, что наиболее эффективны сорбенты, обладающие одновременно развитой мезопористой структурой, с достаточно большим суммарным объемом пор и высоким значением адсорбционной активности как по метиленовому голубому, так и по йоду. По этим критериям были выбраны три марки углей: СПДК-27Д, ОУБ-12 и АБГ-П59.

После анализа физических и структурных характеристик углей производился выбор наиболее эффективного сорбента с использованием смеси токсикантов. С использованием ранее описанной методики приготовления модельных смесей токсикантов была смоделирована смесь фенола (17,3 ПДК), дихлорфенола (9 ПДК), бифенила (8 ПДК), гексадекана (10 ПДК) и сульфонола (5 ПДК). Использование одной дозы угля (15 мг/л) для выбранных марок сорбентов позволяло достигать эффективности очистки от указанных загрязнителей от 74 до 95 %. По эффективности извлечения суммы соединений был выбран наиболее эффективный сорбент – СПДК-27Д, использование которого позволяло очистить воду до концентраций, не превышающих норм ПДК для питьевой воды. Данный сорбент использовался в качестве основного в дальнейших исследованиях.

В главе 3 «Экспериментальная часть» приведены результаты исследований сорбционных методов повышения барьерной роли сооружений с фоновыми (фактическими) и экстраординарными (смоделированными) уровнями концентраций приоритетных токсикантов в воде.

Исследование сорбционных процессов (с ПАУ и ГАУ) проводилось совместно с реагентными методами, в полном цикле очистки воды. С целью выбора наиболее эффективной технологии исследовались схемы с ГАУ, с ПАУ (в зависимости от дозы и места ввода), с коагулянтами различной основности.

I. Изучение режимов очистки воды с фоновым содержанием антропогенных примесей производилось по следующим схемам: «первичное хлорирование → сорбционная обработка ПАУ → коагуляционная обработка коагулянтом (СА, ГХА, АА) и флокулянтом (ПАА) → хлопьеобразование в КХО → отстаивание → механическое фильтрование или фильтрование на двухслойном фильтре с ГАУ (АГ-3, СКД-515)».

Было установлено, что в схемах с доочисткой воды на механических фильтрах замена однослойной песчаной загрузки на двухслойную с ГАУ позволяет снизить концентрации токсикантов, а также количество образующихся в процессе хлорирования галогенорганических соединений в фильтрате ниже их нормативных уровней.


Исх. НП = 0,08-0,1 мг/л,

СПАВ = 0,2-0,5 мг/л,

ГОС после МФ = 20,2 мкг/л

  1   2   3

Разместите кнопку на своём сайте:
поделись


База данных защищена авторским правом ©dis.podelise.ru 2012
обратиться к администрации
АвтоРефераты
Главная страница