Содержание к диссертации
Введение
1. Актуальность проблемы и аналитический обзор существующих способов и средств очистки и обезвреживания воды от токсичных примесей 10
1.1. Человек и окружающая среда 10
1.2. Влияние качества пресной воды на безопасность жизнедеятельности человека 12
1.3. Загрязнение воды и способы её очистки и обезвреживания 22
2. Теоретические предпосылки применения озона и его комбинации для обезвреживания и дезинфекции различныхвод 49
2.1. Основные характеристики и свойства озона 49
2.2. Получение озона с использованием низкотемпературной плазмы барьерного разряда 57
2.3. Взаимодействие озона с различными веществами 65
2.4. Использование озона для очистки сточных вод и их обезвреживания 74
3. Экспериментальное обоснование применения озона в комплексах способов обезвреживания и дезинфекции воды 85
3.1. Озоно-электрохимическое обезвреживание (ОЭХО) воды от ионов тяжелых металлов 85
3.2. Исследование эффективности метода ОЭХО для обезвреживания воды от нефтепродуктов 91
3.3. Исследование эффективности обезвреживания ПВС и питьевой воды (ПВ) от фенолов 94
3.4. Разработка технологии для получения качественной питьевой воды 111
3.4.1. Результаты лабораторных исследований по обезвреживанию питьевой воды от микроорганизмов 112
3.4.2. Результаты лабораторных исследований по очистке питьевой воды от солей железа, марганца и мышьяка 131
4. Разработка современных физико-химических комплексов для обезвреживания и очистки воды на базе использования озонной технологии 147
4.1. Общие сведения 147
4.2. Принципиальная технологическая схема установки для обезвреживания воды плавательных бассейнов объёмом ванн до 2300 м3 148
4.3. Принципиальная технологическая схема установки для обезвреживания и дезинфекции воды плавательных бассейнов объёмом ванн до 250 м3 155
4.4. Принципиальная технологическая схема установки для получения питьевой воды 157
4.5. Принципиальная технологическая схема универсальной установки
для обезвреживания воды от фенолов, ионов железа, марганца, соединений мышьяка и микроорганизмов 162
4.6. Принципиальная технологическая схема установки для обезвреживания воды от нефтепродуктов 166
Общие выводы 171
Литература 173
- Влияние качества пресной воды на безопасность жизнедеятельности человека
- Получение озона с использованием низкотемпературной плазмы барьерного разряда
- Озоно-электрохимическое обезвреживание (ОЭХО) воды от ионов тяжелых металлов
- Принципиальная технологическая схема установки для обезвреживания воды плавательных бассейнов объёмом ванн до 2300 м3
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Взаимодействие человека и природы с развитием цивилизации возрастает, усложняется и на современном этапе развития характеризуется усиленным целенаправленным воздействием на природу, которое обусловлено развитием производства, урбанизацией регионов, ростом численности населения, вовлечением в процесс производства практически всех природных ресурсов.
В последнее время человечество стало остро воспринимать угрозу резкого ухудшения качества среды обитания, поскольку изменения в окружающей среде достигли критического предела, в результате чего многие явления приобрели характер катастроф: возрастающий недостаток доброкачественной пресной воды, исчезновение многих видов животных и растений, загрязнение воды, почвы и воздуха (в результате практической деятельности человека в атмосферу, водоёмы и почву в мире ежегодно выбрасывается более 3 млрд. т. твёрдых промышленных отходов, 500 км3 опасных сточных вод, около 1 млрд. т. аэрозолей и более 6 млрд. т. токсичных газов [1-3].
Все компоненты окружающей среды тесно связаны между собой, и все они, в той или иной степени, подвергаются загрязнению. Гидросфера - один из самых важных компонентов природной среды, она обеспечивает жизнедеятельность растений и животных, которые в основном состоят из воды; жизнь на Земле возникла в гидросфере, и вода - единственное в природе вещество, которое не может быть заменено другими.
В настоящее время человечество ежегодно потребляет почти четыре тыс. км3 пресной воды (половина этого количества потребляется безвозвратно, другая превращается в сточные воды), что составляет примерно треть от максимально возможного уровня потребления.
Интенсификация промышленного и сельскохозяйственного производства, урбанизация регионов, демографический рост приводит к усиленному загрязнению гидросферы нефтепродуктами; неорганическими и органическими токсическими веществами, входящими в состав сточных вод промышленных предприятий, а также стоков сельскохозяйственных производств и атмосферных осадков (содержащих токсические вещества, выбрасываемые промышленными предприятиями в атмосферу); подогретыми водами ТЭС и АЭС; патогенными микроорганизмами, грибками и водорослями. Поэтому, наряду с созданием производственных технологий, позволяющих более экономно использовать воду, необходима разработка эффективных технологических схем для очистки сточных вод перед сбросом их в водоёмы, а также схем обеззараживания и обезвреживания воды при подготовке её для практического использования.
Используемые на практике способы очистки воды обычно разделяют на группы: механические, физико-химические (в том числе электрохимические), химические, биологические, термические. Выбор метода очистки производится с учётом состава, объёмов и физико-химических свойств загрязняющих примесей; санитарных и технологических требований; эффективности процесса обезвреживания; экономической целесообразности использования того или иного набора энергетических и материальных ресурсов, а также наличия необходимых производственных площадей.
Применение тех или иных способов очистки позволяет решить какую-либо одну задачу (узкоспециализированные установки), и только сочетая эти способы, можно добиться высокой степени очистки воды.
В последние годы для обезвреживания и обеззараживания сточных вод и особенно при подготовке питьевой воды и воды плавательных бассейнов все чаще стали использовать озонирование, а также сочетание озонирования с другими физико-химическими методами, поскольку озон, по сравнению с кислородом и хлором, имеет целый ряд преимуществ: высокий окис-
лительный потенциал; возможность получения непосредственно на очистных установках; отсутствие токсических соединений в качестве продуктов реакции; постоянство солевого состава очищаемых сточных вод; высокое быстродействие озона как обеззараживающего и бактерицидного реагента.
Методы обезвреживания, включающие озонирование, позволяют создавать устройства, обладающие высокой производительностью, незначительными габаритами, и тем самым обеспечивающие снижение затрат на капитальное строительство [5, 6]. Теоретические предпосылки и широкий спектр экспериментальных исследований позволили разработать комбинированный способ обезвреживания воды и создать принципиально новые технологические схемы для решения конкретных задач.
Актуальность темы диссертации подчёркивается её соответствием
основным направлениям научно-практической деятельности
Международной академии наук экологии, безопасности человека и природы (МАНЭБ), ЗАО «Экологический институт».
Целью диссертационной работы повышение эффективности и качества обезвреживания и очистки воды на основе озонной технологии.
Задачи и методы исследований: обоснование эффективности физико-химических озонных технологий; лабораторные исследования; анализ и выявление закономерностей процессов очистки и обезвреживания воды; создание технологических схем установок комплексной очистки и обезвреживания воды на основе комбинированных физико-химических методов, включающих озонирование.
На защиту выносятся следующие положения:
- теоретическое и экспериментальное обоснование эффективности
комбинированного способа обезвреживания и очистки сточных вод на
базе озонной технологии;
- технологические схемы модульных установок, обеспечивающие реализацию процессов комплексной очистки вод от токсичных примесей и микроорганизмов. Научная новизна работы заключается:
в обосновании повышения эффективности обезвреживания воды на основе одновременного воздействия физико-химических способов, включающих озонную технологию очистки воды от ионов тяжелых металлов, солей железа, марганца и мышьяка, нефтепродуктов, фенолов и микроорганизмов, по сравнению с последовательным применением каждого из способов;
в экспериментальном подтверждении возможности использования низкотемпературной плазмы барьерного разряда звуковой частоты для получения озона при подготовке питьевой воды и воды плавательных бассейнов, очистки воды от токсичных и вредных примесей; при этом параметры озонной технологии (концентрация озона в озоно-воздушной смеси, производительность установки, время контакта очищаемой воды и озоно-воздушной смеси, время фильтрации и т.д.) определяются в каждом конкретном случае в зависимости от степени загрязнения исходной воды;
в теоретическом обосновании принципиальных технологических схем модульных установок, предназначенных для реализации комбинированных физико-химических технологий для обезвреживания и очистки воды.
Практическая ценность состоит в разработке методики, технологических операций, технологических схем и эффективных комбинаций озонирования с другими электоро-химическими способами очистки и обезвреживания сточных и природных вод.
Достоверность полученных выводов и рекомендаций базируется на достаточном объеме и удовлетворительной сходимости данных теоретических и экспериментальных исследований с использованием современной лабораторной и контрольно-измерительной аппаратуры, а также положительными результатами апробации разработанных научных положений.
Личный вклад автора заключается в постановке задач исследований, выборе методики их решения, руководстве и непосредственном участии при проведении теоретических и экспериментальных исследовании, а также в обработке и анализе результатов выполненных экспериментов.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на VII Международной конференции "Экология и развитие Северо-Запада России", СПб., 2002, на VIII Международной конференции "Экология и развитие общества", СПб., 2003, на Всероссийской научно-практической конференции "Гигиенические проблемы водоснабжения населения и войск", СПб., 2003, на Международной конференции "Экология антропогена и современности: природа и человек", Волгоград-Астрахань, 2004.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 научных работ.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и списка литературы; изложена на 182 страницах машинописного текста, содержит 46 рис. и 25 табл. Библиографический список включает 142 наименования, из них 24 иностранных.
Общей теоретической базой работы послужили труды ведущих уче
ных в области очистки воды: Алексеев А. П., Бейгельруд Г. М.,
Бернадинер М. Н., Богданов М.В., Бо Д., Воловик Г.И., Вольнов И.И.,
Воронов Ю.В., Габленко В.Г., Герасимов Г.Н., Гуткин В.И.,
Дементьев А.А., Драгинский В.Л., Дяткин Б.Л., Карножицкий В. (Франция),
Жуков А . И., Зимин Н. П., Кармазинов Ф. В., Когановский А. И.,
Кожинов В. Ф., Ксенофонтов Б.С., Кульский Л.А., Лукиных М.А.,
Луценко Г. Н., Митра С.К. (Англия), Монгайт К.Л., Орлов В.А.,
Поруцкий Г. В., Потапов А.И., Пурмаль А.П., Разумовский С.Д.,
Смирнов А.Д., Соколов Л.П., Терехов Л.Д., Усольцев В.А., Филиппов Ю.В., Шурыгин А.П., Яковлев СВ. и др.
Автор выражает глубокую признательность и благодарность за ценные советы и помощь в работе научному руководителю Заслуженному деятелю науки и техники, д.б.н., профессору Гуткину В.И., научному консультанту доценту Дементьеву А.А. и сотрудникам ЗАО «Экологический институт», оказавшим помощь при проведении лабораторных работ.
*
Влияние качества пресной воды на безопасность жизнедеятельности человека
Вода - необходимый элемент потребления всеми видами жизнедеятельности человека, однако в каждом виде потребления воды требования к составу и свойствам различны и определяются ролью воды в соответствующем процессе. Существуют разные требования к воде в зависимости от того является ли она реагентом, либо растворителем, либо экстрактором, либо транспортом, либо охладителем, либо нагревателем, а также спецификой соответствующего производства. Водный кодекс 1995 г. различает более 15 видов водопользования, из которых наиболее важными являются питьевое (в том числе на всех этапах изготовления продуктов питания, особенно при производстве различных напитков), хозяйственно-бытовое, промышленное, энергетическое, сельскохозяйственное, рекреационное. Для каждого из этих видов водопользования имеются свои представления о необходимом составе и свойствах используемой воды, свои критерии ее пригодности, например, для теплоэнергетики требуется обессоленная вода, для целлюлозно-бумажной промышленности - маломинерализованная, для электронной промышленности - деминерализованная и высокопрозрачная, для процессов охлаждения в металлургии можно использовать воду, непригодную, с точки зрения гигиенических требований к питьевой воде, которые обеспечивают безвредность и безопасность её потребления для питьевых и бытовых нужд человека и нужд пищевой промышленности; агрономия, зоотехника и рыбоводство предъявляют к составу и свойствам воды свои требования. Помимо множественности критериев качества воды, другим основополагающим принципом является понятие по природной воды как о сложной системе, включающей растворенные, коллоидные и взвешенные химические компоненты, биологические живые объекты, продукты их обмена и отмирания.
Гигиенические требования отличаются от потребительских требований, которые касаются органолептических свойств (прозрачности, цвета, запаха, привкуса, мутности воды, а также её способность к пенообразованию, плёнко-образованию). Влияние некачественной воды на здоровье может быть непосредственным, проявляющимся в виде инфекционных заболеваний или заболеваний неинфекционной природы и интоксикаций, и косвенным, когда вода вызывает неприятные ощущения, что заставляет человека отказаться от употребления такой воды, т.е. вредное влияние воды проявляется, если она содержит возбудителей инфекционных заболеваний, химические вещества в концентрациях, опасных для здоровья человека, обладает необычными органолептическими свойствами, поэтому требования к качеству питьевой воды следующие [6,10,11]: 1) безопасность в эпидемическом отношении; 2) безвредность по химическому составу; 3) благоприятность в органолептическом отношении. Наиболее важным компонентом воды как природной системы с точки зрения ее влияния на здоровье человека являются биологические живые объекты — простейшие, бактерии, вирусы: в результате употребление в качестве питьевой воды недоброкачественной в биологическом отношении могут возникать в массовых масштабах острые кишечные инфекции (вода как фактор передачи патогенных микроорганизмов), вызываемые сальмонеллами, кишечной палочкой, стафилококком. В России ежегодно заболевают острыми кишечными инфекциями в среднем 700 тысяч человек, из которых 62 % - дети раннего возраста; летальные исходы среди заболевших детей достигают 4000 в год. Кроме того, с водой передаются холера, брюшной тиф, дизентерия, лямблиоз, вирусный гепатит А, полиомиелит и др.. Как показывают практические наблюдения, наиболее частые причины распространения инфекций водным путем - недостаточная обработка питьевой воды на водопроводах, изношенность водопроводной сети и нарушение правил ее эксплуатации, низкое качество воды источника водоснабжения [5]. Причинами вспышек кишечных инфекций, обусловленных водным фактором, могут быть следующие: бактериальное загрязнение воды в зонах санитарной охраны питьевых водопроводов; нарушение режима очистки и обеззараживания воды на питьевых водопроводах; неудовлетворительное состояние водопроводных и канализационных сетей и смотровых колодцев, приводящее к авариям, подсосам сточных вод; употребление для питьевых и технологических целей воды технических водопроводов и др.
Кроме микробиологического немаловажное значение для здоровья человека имеет химический состав питьевой воды, и роль его возрастает в связи с интенсивным загрязнением источников водоснабжения, особенно в индустриально развитых регионах. В отличие от микробного фактора, воздействие которого чаще всего проявляется в виде эпидемических вспышек заболеваний, неблагоприятное влияние химического фактора может быть обнаружено не сразу, а спустя некоторое, порой достаточно продолжительное время. Причина состоит как в воздействии низких концентраций, не способных вызывать острое отравление, так и в особенностях химической структуры вещества. Оба эти обстоятельства обусловливают хроническое развитие процесса интоксикации. Токси ческое воздействие химических веществ может проявляться не только при поступлении их в организм через рот (прием напитков и пищи, чистка зубов и т.д.), но и при всасывании их через кожу в процессе гигиенических (душ, ванна, баня, сауна) или оздоровительных (плавательные бассейны) процедур; химические вещества, поступающие в источник водоснабжения с промышленными стоками, способны вызывать аллергические реакции при контакте содержащей их воды с кожными покровами человека. Высокая площадь контакта с водой кожных покровов (80 - 100 %) приводит к более высокой опасности неблагоприятного воздействия содержащей некоторые химические соединения воды в бытовых условиях, чем при контакте с ними в условиях производства; повышенная потенциальная опасность интоксикации у детей (в особенности первого года жизни) связана с лучшей способностью к всасыванию детской кожи и более высокой токсичностью веществ для детского организма.
Получение озона с использованием низкотемпературной плазмы барьерного разряда
Физические (механические) методы предназначены для удаления нерастворимых загрязняющих веществ и включают: предварительную фильтрацию, удаление песка, удаление нефтепродуктов, фильтрование, отстаивание, флотацию и коагуляцию.
Предварительная фильтрация (процеживание) осуществляется в процессе пропускания сточных вод через решётки, дробилки, задерживающие крупные твёрдые частицы, которые могут повредить оборудование водоочистных сооружений (клапаны, насосы и т.д.) и помешать дальнейшей очистке. Решётки очищают в соответствии с местными условиями.
Удаление песка — одного из существенных загрязнителей сточных вод (например, в крупных городах после зимнего периода), осуществляется с помощью песколовок, в которых обычно сточные воды пропускают через канал с постоянным поперечным сечением со скоростью 15-30 см/с; песок, осаждённый на дне канала, после промывки от разлагающихся веществ и подсушивания может быть использован как инертный материал, например, при строительстве дорог.
Удаление нефтепродуктов, которое необходимо, поскольку они могут прилипать к водоочистному оборудованию (резервуары, очистители и т.д.) и мешать последующей биологической обработке, происходит в нефтеловушках, где неэмульгирующие нефтепродукты и жиры собираются на поверхности при пропускании сточных вод с соответствующей скоростью через вытянутые в длину резервуары с прямоугольным сечением (часто совмещённые с песколовками); далее их удаляют механическим способом и в дальнейшем используют в качестве топлива.
Для фильтрации сточных вод, очищающей их от взвешенных веществ и нефтепродуктов, используются фильтры с зернистой загрузкой (кварцевый песок, гранитный щебень, антрацит, керамзит, гранулированный доменный шлак и др.), с плавающей загрузкой (полистирол, пенополистирол, пенополиуретан и др.), сетчатые фильтры, микрофильтры [21].
Усреднители предназначены для регулирования количества сточной воды, поступающей на очистные сооружения, с целью исключения пиковых расходов сточных вод и пиковых концентраций в них загрязняющих веществ.
Процессы отстаивания, флотации и коагуляции основаны на различиях в плотности частиц и потока сточных вод, который проходит через отстойники и флотационные резервуары, где частицы, подлежащие отделению, собираются на дне или поверхности, оседая или поднимаясь со скоростью, пропорциональной площади частиц и разнице между плотностью частиц и плотностью стока. Грубодисперсные примеси (ГДП), относящиеся к загрязнениям первой группы [16] (см. таблицу 1.1), находятся под влиянием двух сил: стабилизирующих, которые зависят от турбулентности воды и отсутствуют в стоячей воде или ламинарном потоке, и дестабилизирующих, массовых, к которым относятся силы тяжести (отстойники, флотационные резервуары) и центробежные силы (гидроциклоны, сепараторы, центрифуги). Специфическим видом ГДП являются эмульсии, которые образуются в результате механического, акустического или электрического диспергирования неполярных гидрофобных жидкостей (масла, нефтепродукты) и являются кинетически неустойчивыми: в результате коалес-ценции (самоукрупнения частиц) эмульсии разрушаются и примеси отделяются от воды. Кинетическую устойчивость эмульсиям придают эмульгаторы, образующие на поверхностях капель гидрофильные плёнки, препятствующие слиянию их при контакте. К эмульгаторам относятся некоторые поверхностно-активные вещества (ПАВ), высокомолекулярные соединения (белки, искусственные полимеры), а также высокодиспергированные твёрдые частицы (глина, крахмал, желатин и др.). Для очистки от устойчивых эмульсий необходима предварительная деэмульгация, т.е. разрушение защитных плёнок из эмульгаторов.
Коллоиды (примеси второй группы, см. таблицу 1.1) обладают кинетической и агрегативной устойчивостью; кинетическая устойчивость проявляется в том, что под действием броуновского движения коллоидальные чаетицы равномерно распределяются во всем объёме воды, тогда как ГДП распределены неравномерно. Кинетическая устойчивость коллоидов обусловлена малыми размерами частиц, их самоукрупнение ограничено агрегативной устойчивостью, т.е. свойством сохранять во времени свою дисперсность и не слипаться; коллоидальные частицы полярны, а их заряды - одноименны. Дестабилизация и коагуляция коллоидов требует специальной обработки воды, при этом коллоиды становятся неустойчивыми и коагулируются с образованием укрупнённых частиц, уже относящихся к ГДП, которые можно выделить в виде осадка в обычных отстойниках или флотационных резервуарах. Дестабилизация коллоидов достигается посредством коагуляции при внесении 30-60 мг/л неорганического коагулянта (сульфат аммония, сульфат двухвалентного железа или хлорид трёхвалентного железа); коагулянт гидролизуется при заданной величине рН и образует положительно заряженные ионы многовалентного металла, которые нейтрализуют отрицательный заряд коллоида. Флокуляция. т.е. агломерация коагулированных частиц в хлопья, облегчается посредством внесения 1-3 мг/л органических полиэлектролитов (флокулянтов), при этом получают хлопья диаметром 0,3-1 мм, которые легче отделять.
Для коагуляции и флокуляции коллоидной системы требуется несколько резервуаров, установленных последовательно; в первом резервуаре, оснащённом мешалкой, в сточную воду добавляют неорганический коагулянт и в случае необходимости кислоту или щёлочь для корректировки рН; затем суспензия проходит во второй резервуар, оснащённый высокоскоростной мешалкой; здесь добавляется полиэлектролит, который растворяется в течение нескольких минут; в третьем резервуаре с медленно вращающейся мешалкой в течение 10-15 мин происходит рост хлопьев.
Сточные воды, прошедшие механическую обработку, в зависимости от состава и предъявляемых к ним требований направляют на химическую, физико-химическую или биологическую очистку от высокодисперсных загрязнений третьей и четвёртой группы (см. таблицу 1.1).
Химические методы очистки сточных вод от загрязнений осуществляются путём проведения реакций между вводимыми в воду реагентами и загрязнителями с образованием соединений либо выпадающих в осадок, либо газообразных веществ [9, 14]. К числу химических методов относятся: нейтрализация, химическое окисление, в том числе и озонирование.
Производственные сточные воды от технологических процессов многих отраслей промышленности содержат щёлочи (рН 8,5) и кислоты (рН 6,5), причем в большинстве кислых стоков содержатся соли тяжёлых металлов, которые необходимо выделять из сточных вод. С целью предупреждения коррозии материалов канализационных очистных сооружений, нарушения биохимических процессов в биологических окислителях и в водоёмах, а также осаждения из сточных вод солей тяжёлых металлов кислые и щелочные стоки подвергают нейтрализации (6,5 рН 8,5), которая происходит в песколовках, усреднителях или камерах реакции; при этом используют следующие способы [9]:
Озоно-электрохимическое обезвреживание (ОЭХО) воды от ионов тяжелых металлов
Анализ существующего многообразия способов и технологических схем по дезинфекции и обезвреживанию воды от токсичных веществ показывает, что практическое применение какого-либо из методов не решает полностью поставленную задачу, а именно, доведение степени обезвреживания воды до требуемых санитарных норм.
Представляется перспективным направление, связанное с применением комбинации различных физико-химических способов при разработке технологических схем решения конкретных задач, поскольку в случае применения одного из способов спектр обезвреживаемых вредных примесей довольно узок, а степень очистки не всегда достигает требуемых нормативных значений.
Анализ технической информации [115-127] показывает, что использование при разработке технологической схемы обезвреживания воды в качестве доминанты озона, позволит решать задачи обезвреживания для достаточно широкого спектра токсичных веществ, что обусловлено большой эффективностью озона как окислителя [128] (см. табл.3.1). Кроме того озонирование имеет целый ряд других преимуществ: - источником получения озона является воздух или кислород, поэтому отпадает необходимость в подвозе сорбционных и дезинфицирующих материалов, растворителей и т.п.; - применение озона исключает трудоёмкие процессы и значительно упрощает технологию очистки сточных вод; - нет необходимости опасаться больших доз озона, так как спустя несколько минут он распадается в воде до кислорода, что положительно сказывается на качестве очищенной жидкости; - озон имеет высокую окислительную способность, поэтому под его воздействием процессы окисления протекают более глубоко и легко, чем при использовании других окислителей; - озонирование позволяет сочетать два процесса, протекающих с достаточно высокой скоростью, - обезвреживание и окисление. Таким образом применение озона в дополнение к другим традиционным методам очистки представляется перспективным, что требует подтверждения в лабораторных исследованиях. Анализ технической информации по очистке и обезвреживанию производственных сточных вод (ПСВ) от ионов тяжелых металлов (ТМ) осуществляется в основном двумя способами - реагентным и электрохимическим. Несмотря на большие расходы реагентов, дорогостоящие средства их хранения, транспортировки, реализации технологических процессов, реагентный метод очистки, как показывает практика, по остаточному содержанию ионов тяжелых металлов (ТМ) часто не удовлетворяют современным требованиям для сброса ПСВ в городскую канализацию. По отношению к реагентному способу электрохимическая очистка ПСВ от ионов ТМ является более эффективной. Однако и электрохимический способ обладает рядом существенных недостатков. К недостаткам этого способа, кроме расхода металла электродов и повышенного энергопотребления, следует отнести непостоянство качества обезвреживания ПСВ. Это связано с тем, что на практике наблюдаются значительные колебания концентрации ионов ТМ, протекание процессов на поверхности электродов приводит к увеличению степени пассивации последних, в результате, как правило, эффективность обезвреживания падает. В связи с изложенным представляется необходимым поиск нетрадиционных комбинаций методов обработки ПСВ, позволяющих повысить активность образующихся гидроксидов, снизить степень пассивации поверхности электродов и тем самым обеспечить постоянство качества обезвреживания при значительных колебаниях исходной концентрации ионов ТМ в ПСВ. Такой возможной комбинацией, по нашему мнению, может быть сочетание электрохимической обработки с одновременным озонированием ПСВ и последующей их фильтрацией. Суть предлагаемого метода: сточная вода насыщается озоном и одновременно обрабатывается в межэлектродном пространстве электролизера, затем отфильтровывается. Для подтверждения или опровержения этого положения был разработан и изготовлен лабораторный макет (рис.3.1). При разработке лабораторного макета предусматривалась возможность проведения исследований при комбинировании различных физико-химических методов обезвреживания токсичных веществ, находящихся в воде.
Для определения эффективности комплексного воздействия озоно-электрохимического способа на ионы тяжелых металлов была выполнена серия лабораторных экспериментов [129-131]. Анализ проб воды на содержание ионов тяжелых металлов проводился по стандартным методикам. В первой серии экспериментов исследования проводились на модельной среде - растворе медного купороса в водопроводной воде. Исходная концентрация сульфата меди в модельной среде менялась от 56,0-7-68,4 мг/л. Время обработки исследовалось в диапазоне от 7 до 17 мин. Концентрация озона в озо-новоздушной смеси (ОВС) изменялось от 2,1 до 17,0 мг/л. Плотность тока активного и неактивного электродов задавалась, исходя из опыта эксплуатации аналогичных устройств в промышленности - 0,01 А/см и 0,004 А/см соответственно. Модельная среда имела значение рН, равное рН промышленных стоков (рН = 6,8). Результаты исследований на модельной среде приведены в табл.3.2.
Принципиальная технологическая схема установки для обезвреживания воды плавательных бассейнов объёмом ванн до 2300 м3
Для разработки унифицированной технологической схемы получения качественной питьевой воды, в том числе и обезвреженной от микроорганизмов любого происхождения, был выполнен комплекс лабораторных исследований с тест-объектами.
Как уже было отмечено, озон имеет высокий окислительный потенциал (табл.3.1), что является главной причиной его активности по отношению к различного рода загрязнениям воды, включая микроорганизмы, поскольку вода является транспортирующей средой для микроорганизмов: сапрофитных и патогенных бактерий, различных вирусов, водорослей, грибов и т.д.
В отличие от хлора, который пассивен по отношению к некоторым типам бактерий, озон является универсальным окислителем, осуществляющим почти мгновенную инактивацию. Действие озона на болезнетворные микробы в десятки раз быстрее хлора. Озон воздействует как на окислительно-восстановительную систему бактерий, так и на их протоплазму, тогда как хлор разрушает только ферментную систему бактериальной клетки. Например, вирусы полиомиелита погибают при действии озона через 2 минуты, а при действии хлора через 3 часа, при этом доза хлора должна быть в 2 раза больше чем озона. Действие же озона на споровые формы бактерий в 500 раз сильнее, чем хлора и т.д. Озон обладает также и высоким вирулицидным действием.
Благодаря высокой окислительной способности озон может разрушать трудноокисляемые микропримеси, не разрушаемые традиционными окислителями, например, циансоединения, хлорорганические и фосфорорганические пестициды, гербициды и т.д. При озонировании воды не происходит изменения состава минеральных веществ; происходит устранение неприятных запахов; снижается мутность воды; уменьшается содержание железа и марганца в воде вследствие повышения эффективности фильтрации; на 30-40 % уменьшается расход коагулянта; вода насыщается кислородом и приобретает голубой цвет; отсутствует раздражение дыхательных путей и покраснение глаз и т.д. Необходимо отметить, что эффект обезвреживания и обеззараживания воды озоном температура и рН оказывают меньшее влияние, чем при хлорировании.
В работах [100-133] приводятся данные по эффективному использованию озона и УФ-излучения для антимикробного обеззараживания воды с использованием культуры Escherichia coli 1257. Наши лабораторные исследования антимикробного воздействия озона были выполнены с использованием в качестве тест-объектов наиболее устойчивых к внешним воздействиям микроскопических грибов [134,135]. Лабораторные исследования проводились по следующей методике: определение методики проведения анализов, оценка эффективности воздействия озона на споры тестируемых микроскопических грибов; определение параметров озонирования с учётом эффективности воздействия на тестируемые объекты. Для достижения поставленной цели были спланированы две серии лабораторных экспериментов: - в первой серии исследовалась эффективность воздействия озона на каждый тест-объект в отдельности при различных способах ввода озона в суспензию, параметрах озонирования и времени контакта; - во второй серии исследовалась эффективность воздействия озона на смесь тест-объектов при тех же условиях, как и в первой серии. Лабораторные эксперименты проводились с использованием в качестве тест-объектов наиболее устойчивых к внешним воздействиям болезнетворным микробам. К их числу, прежде всего, следует отнести микроскопические грибы (микромицеты). Известно, что споры клинических микромицетов сохраняют жизнеспособность в широком диапазоне температуры и выдерживают различные стрессовые (в т.ч. химические) воздействия. С учетом этого обстоятельства, для первичных испытаний должны быть отобраны агрессивные штаммы, легко образующие споры. В эксперимент следует включить виды грибов, формирующие споры различного размера и обладающие высокой адгезивной способностью. С учетом сказанного, на основе детального анализа клинических особенностей, частоты встречаемости в помещениях и способности колонизировать открытые поверхности отобраны 3 штамма грибов из коллекции лаборатории низших растений Биологического НИИ Санкт-Петербургского государственного университета: Cladosporium cladosporioides, Altemaria alternata, Aspergillus terreus. При выборе тест-объектов учитывали их устойчивость к стрессовым воздействиям, морфологические и физиологические различия. Два из трех видов (Alternaria alternata, Cladosporium cladosporioides) содержат в клеточной стенке пигмент меланин, который выполняет защитные функции. За счет этого, данные виды грибов обладают способностью развиваться в широком диапазоне различных факторов и проявлять устойчивость к изменению температур, недостатку источников питания, недостатку кислорода, различным видам излучений и др. Вместе с тем, отобранные виды различаются по размеру спор: Alternaria alternata - крупные темноокрашенные споры, Cladosporium cladosporioides - среднего размера темные споры. Третий вид - Aspergillus terreus характеризуется как один из наиболее агрессивных представителей рода Aspergillus. Он также хорошо адаптирован к существованию в различных условиях среды. Данный вид имеет желтовато-коричневую окраску колоний и формирует очень мелкие споры в огромном количестве. Все три тест-объекта хорошо известны как возбудители различных микозов. Причем важно отметить, что микотические инфекции часто проявляются именно тогда, когда иммунитет больного человека оказывается ослабленным, в частности, в послеоперационный период. Важно отметить, что даже минимальное содержание органики позволяет грибам не только закрепиться в среде, но и начать свое развитие. Это может привести к повышению потенциала инокулю-ма и спровоцировать начало инфекционного процесса. Таким образом, выбор тест-объектов был обусловлен совокупностью параметров, среди которых решающими оказались: - патогенность видов; - высокая частота встречаемости в природе и, в частности, в помещениях; - высокая агрессивность в отношении различных субстратов; - способность к интенсивному размножению; - устойчивость к различным стрессовым воздействиям; - способность к адгезии на твердых поверхностях; - морфологические различия (прежде всего размеры спор); - способность к быстрому прорастанию; - возможность быстро и точно оценивать результаты экспериментов. Подготовка к экспериментам осуществлялась на базе Биологического НИИ Санкт-Петербургского государственного университета. В ходе подготовительного этапа отработаны методики получения биомассы грибов на твердой питательной среде, а также получения суспензии спор заданной концентрации. Расчет концентрации суспензии производился с использованием светового микроскопа в камере Горяева. При постановке эксперимента для каждого варианта рассчитывали содержание спор в 1 мл суспензии. Приготовление суспензии осуществляли непосредственно перед постановкой эксперимента, чтобы исключить возможность преждевременного прорастания спор в водной среде. Для оценки воздействия озонирования на споры грибов, находящихся на твердой поверхности, в качестве подложки использовали стерильную фильтровальную бумагу. Выбор ее обоснован тем, что споры грибов хорошо сорбируются на поверхности шероховатой фильтровальной бумаги, особенно при ее увлажнении. Суспензию спор наносили на поверхность бумаги непосредственно перед обработкой. После обработки бумагу покрывали тонким слоем агари-зованной среды Чапека-Докса, через которую могли прорастать споры грибов в случае сохранения жизнеспособности.
