Содержание к диссертации
Введение
1. Гидрогеологические и природно-климатические условия формирования зажелезненных подземных вод 11
1.1. Формирование подземных вод 11
1.2. Особенности формирования зажелезненных подземных вод 13
1.3. Характеристика месторождений подземных вод Приморского края 18
1.4. Особенности формирования зажелезненных подземных вод юга Дальнего Востока 24
2. Современные способы обезжелезивания 32
2.1. Общая характеристика 32
2.2. Безреагентные способы обезжелезивания 35
2.3. Реагентные способы обезжелезивания 53
2.4. Особенности обработки зажелезненных природных вод Дальнего Востока 58
3. Основы биологической обработки зажелезненных природных вод 65
3.1. Анализ существующих способов биологической деферризации 65
3.2. Характеристика железоокисляющих микроорганизмов и способы накопления ими железа 73
3.3. Классификация и зона обитания гетеротрофных железоокис-ляющих микроорганизмов 84
3.4. Особенности распространения железоокисляющих микроорганизмов в системах обработки, подачи и распределения воды 88
3.5. Особенности биокоррозии и биообрастания систем ПРВ 92
3.6. Мероприятия для исключения попадания железоокислятощих микроорганизмов в системы подачи-распределения воды 95
4. Технология безреагентной обработки подземных вод с устойчивыми формами железа 107
4.1. Физический смысл и факторы, влияющие на интенсивность протекания процесса биологического обезжелезивания 107
4.2. Особенности систем биологической обработки природных вод 112
4.3. Обоснование оптимальной гидродинамической схемы биореактора 118
4.4. Особенности технологии безреагентного обезжелезивания подземных вод с устойчивыми формами железа 130
4.5. Эффективность использования водных ресурсов в технологии безреагентного обезжелезивания подземных вод с устойчивыми формами железа 142
Заключение 147
Литература 150
Приложение 159
- Особенности формирования зажелезненных подземных вод юга Дальнего Востока
- Характеристика железоокисляющих микроорганизмов и способы накопления ими железа
- Мероприятия для исключения попадания железоокислятощих микроорганизмов в системы подачи-распределения воды
- Эффективность использования водных ресурсов в технологии безреагентного обезжелезивания подземных вод с устойчивыми формами железа
Введение к работе
Обеспеченность населения Земли питьевой водой в настоящее время относится к разряду глобальных проблем. Всемирная организация здравоохранения считает, что 80% всех болезней на Земле вызываются загрязненной водой или отсутствием элементарных гигиенических условий. В то же время, в связи с все более увеличиваювдимся антропогенным прессингом усиливается деградация природных источников питьевой воды, в результате чего их качественные показатели неуклонно ухудшаются.
В большинстве населенных пунктах в качестве источника водоснабжения используются поверхностные водоемы, формирование качества воды в которых зависит от большого числа факторов, причем только некоторые из них могут быть оценены достаточно полно и корректно это организованные сбросы промышленных и коммунально-бытовых сточных вод. Влияние других факторов изучено недостаточно, например, загрязнения, индуцируемые половодьями и паводками, а также связанные с выпадением атмосферных осадков. Развитие промышленного и сельского хозяйства, коммунального хозяйства городов, населенных мест и связанный с этим рост водопотребления и водоотведения, использование прибрежных водо-охранных полос, нарушение правил хранения и использования ядохимикатов, распашка пойм, развитие эрозионных процессов, неадекватные требования к качеству очистки сточных вод? а иногда и полное отсутствие их очистки, влекут за собой постоянную деградацию водоисточников. В результате, поверхностные водоёмы теряют способность к самоочищению. Постоянно накапливающиеся ионы тяжелых металлов, детергенты, пестициды, биогенные элементы, токсичные химические соединения, фенолы, нефтепродукты, хлор органика приводят к тому, что вода поверхностных водоисточников по своему качеству приближается к слабо концентрированным сточным водам.
Применение в этих условиях традиционных способов обработки воды приводит: к увеличению расхода реагентов, к изменению химического состава, увеличению солесодержания и коррозионной активности очищаемой воды, к увеличению образования в уже обработанной воде опасных для здоровья человека токсичных соединений; к увеличению объема отходов, образующихся при очистке воды и загрязнению ими окружающей среды, и, при этом, не обеспечивается получение питьевой воды, качество которой соответствует возросшим требованиям стандартов [ 75]. По свидетельству Гос-санэпидемнадзора, каждая восьмая проба в исследованной водопроводной воде не соответствуют гигиеническим требованиям и представляют опасность в эпидемиологическом отношении, каждая пятая нестандартна по химическим показателям.
В связи с этим, все чаще для водоснабжения привлекаются подземные водоисточники, обладающие достаточно стабильным физико-химическим составом и наибольшей защищенностью в санитарно-бактериологическом отношении. Причём их использование требует при равной производительности в сравнении с поверхностными водоисточниками строительства менее сложных технологически сооружений вод о подготовки. Однако возможности подземных водоносных месторождений используются только частично (например, на Дальнем Востоке используется не более 2% от всех разведанных запасов), что связано с качественными показателями воды. Физико-химический состав подземных вод определяется особенностями их формирования, представляющими собой естественную природную систему обработки, в которой за счет большой продолжительности пребывания воды, а, следовательно, и малых скоростей фильтрования обеспечивается значительное изменение состава инфильтрующих вод. Причем эти изменения происходят не только под влиянием чисто химических взаимодействий, значительное влияние на этот процесс оказывает и микробиальная деятельность. Однако изменение качественных параметров воды не может быть оценено однозначно. Так, если по большинству параметров качество улучшается, то по некоторым показателям может наблюдаться значительное ухудшение. Это, прежде всего, соединения железа, марганца, растворенная углекислота, сероводород, различные органические кислоты. Причём спецификой подземных вод является то, что несоответствие качественных показателей воды требованиям санитарно-гигиеническим нормативам может наблюдаться только по одному-двум параметрам.
Для Дальневосточного региона, особенно для южной его части таким показателем являются растворенные соединения железа. Причём в используемых для нужд водоснабжения подземных водах, мероприятия по деферризации явно недостаточны, в связи с чем, население для хозяйственно-питьевых нужд использует воду с концентрациями железа постоянно или периодически превышающими требования санитарно-гигиенических норм. В то же время, в соответствии с СанПиН 2.1.4.559-96 железо относится к третьему классу опасности и его ПДК в воде составляет 0.3 мг/л.. Несмотря то, что превышение ПДК на содержание железа в питьевой воде приводит, прежде всего, к ухудшению её органолептических показателей (неприятный привкус и характерный цвет), необходимо отметить негативное влияние избытка железа на нормальное функционирование человеческого организма. При избыточном введении в организм железа, оно откладывается в виде коллоидной формы окиси железа (гемосидерин), разрушающей клетки печени. Кроме того, при усвоении человеческим организмом минеральных элементов имеет место усиливающее или уменьшающее биодоступьтость взаимодействие самих микроэлементов в желудочно-кишечном тракте. В настоящий момент доказано, что избыточное потребление соединений железа подавляют всасывание в тонкой кишке таких микроэлементов как марганец, медь и кобальт [ 44]. В свою очередь это приводит к развитию анемии, ишемических болезней сердца, пневмонии,
Таим образом, зажелезненные воды необходимо обязательно подвергать деферризации с цель снизить содержание солей железа до 0.3 мг/л. Для этого требуется достаточно дешевый и простой в эксплуатации, и при этом очень надежный в экологическом отношении, способ деферризации.
Изучение структуры технических решений заложенных в изобретения, запатентованные за последние двадцать лет в области обезжелезивания, показывает, что основными направления развития являются:
Совершенствование таких известных технологий, как введение кислорода или кислородотдающей среды, применение катализаторов и реагентов, фильтрование;
Исследования в области новых технологий, таких как: магнитная обработка, обработка ультрафиолетовым излучением, обработка с помощью микроорганизмов.
Для каждого из этих способов существуют, определенные ограничения, связанные, прежде всего, с качественными параметрами обрабатываемой воды, такими как природа соединений железа (органическая или неорганическая), присутствие железоокисляющих микроорганизмов, наличие и концентрация растворенных в зажелезненной воде газов.
В Дальневосточном регионе зажелезненные подземные воды їлироко распространены в основном на равнинных территориях, на которых в на-стоящий момент проживает большинство населения. Качественный состав таких вод представлен органическими соединениями железа, аномальными концентрациями растворенной углекислоты (до 300 мг/л), в некоторых случаях присутствует сероводород, что предопределяет неэффективность применения безреагентных способов обработки. Опыт эксплуатации станций безреагентного обезжелезивания Приморского края, в условиях, когда водоносные пласты имеют гидравлическую связь с заболоченными территориями (т. е. железо находится в виде органических комплексов) подтверждает это. Причем наиболее опасно то, что использование для обеззараживания воды хлора приводит к появлению в обрабатываемой воде токсичных хлороргани-ческих комплексов (полихлорфенолы, хлорированные дифенолы) и повышению ее коррозионной активности [ 12]. Озонирование не применяется в широких масштабах из-за недостаточной изученности, и? кроме того, при озонировании образуются вредные побочные продукты, такие как формальдегид, бензальдегид, ацетальдегид, кетоны.
Обработка подобных природных вод рекомендуется исключительно реагентными способами. Однако их использование затруднено не только технологически, также возникает проблема осадка, который образуется в значительных количествах, имеет высокую влажность и в ряде случаев токсичен, При этом расход на собственные нужды станции реагентного обезжелезивания может достигать 10% от всего количества обрабатываемой воды.
Таким образом цель диссертации - разработка безреагентного способа удаления из подземных вод органических соединений железа.
При этом задачами проводившихся исследований являлись:
- изучение и анализ факторов, влияющих на процессы обезжелезивания и определяющих эффект использования традиционных технологий;
- изучение особенностей метаболизма железобактерий и их влияние на процессы обезжелезивания;
- исследование эффекта биологической деструкции железоорганических комплексов подземных вод технологическим моделированием;
- разработка методики расчёта и конструкции биореакторов;
- обоснование возможности практического использования способа в системах ВОДОЇТОДГОТОВКИ Дальнего Востока.
В основу диссертации положены результаты исследовании, проводившихся в соответствии с государственным заданием № 22.1.22.03.6 Б (04.03.05) в ГП ДальНИИГиМ и Строительном институте ДВГТУ.
Положения, выносимые на защиту:
1. Наличие в подземной воде железоорганических соединений ограничивает применение традиционных технологий водоподготовки;
2. Возможность использования в технологии водоподготовки природного механизма удаления железоорганических комплексов из подземных вод;
3. Целесообразность применения новой безреагеитной технологии биологической деструкции железоорганических комплексов подземных вод.
Структурно работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и приложения. В первой главе изложены основные особенности формирования зажелезнённых природных вод. Рассмотрены общие свойства железа, особенности его миграции в водоносных пластах, освещены вопросы формиро-вания и специфика подземных вод юга Дальнего Востока.
Во второй главе рассмотрены физико-химические процессы лежащие в основе кондиционирования зажелезнённых вод и основные факторы» влияющие на скорость их протекания. Показано, как эти факторы определяют выбор технологической схемы и сооружений обезжелезивания. Особое внимание уделено железоорганическим соединениям и влиянию их на процессы водоподготовки. Сформулированы главные положения нового подхода для обеспечения эффективной обработки зажелезнённых подземных вод Дальнего Востока.
В третьей главе рассмотрены особенности биологической обработки зажелезнённых подземных вод. Проанализированы существующие способы обезжелезивания с использованием биотехнологии, определены их достоинства и недостатки. Сделан.обзор микробиологических исследований, проводившихся различными авторами. Анализ этих исследований позволил установить, что окисление железа производится микроорганизмами, распространенными в подземных водах (используемых для водоснабжения), неспецифически, путём реакции с перекисью водорода, выделяющейся в процессе их жизнедеятельности. При этом, энергия выделяющаяся при окислении железа, не играет значимой роли. Кроме того, установлено, что подобные микроорганизмы относятся к гетеротрофам, т. е. для их развития обязательно требуются органические вещества. Рассмотрен процессы экстрагирования железа подобными микроорганизмами и химический состав накапливаемых соеди -10
нений железа. Данные приводимые в литературе и непосредственно наблюдения самого автора позволили определить экологические границы распространения железоокисляющих микроорганизмов. В частости, установлено их присутствие в большинстве подземных водоисточников Дальнего Востока, что показывает возможность использования способа биологического обезжелезивания для обработки региональных подземных вод. Проведен анализ распространения подобных микроорганизмов в системах ПРВ и наиболее значительные факторы, влияющие на их метаболизм. Установлено, что активное развитие железоокисляющих микроорганизмов в воде является признаком специфического органического загрязнения, в связи с чем необходимо предусматривать удаление органических соединений, а не только проводить деферризацию.
В четвёртой главе рассмотрены особенности технологии безреагент-ной обработки подземных вод с устойчивыми железоорганическими комплексами и проанализирована специфика систем биологической обработки природных вод. Представлены факторы, влияющие на интенсивность протекания процесса биологического обезжелезивания и их физический смысл. На основании проведённых в диссертационной работе исследований предложены условия применимости способа биологической обработки железосодержащих природных вод. Приведена методика расчёта биореактора - основного сооружения технологии, представлены различные компоновочные схемы и особенности эксплуатации станции обезжелезивания с блоком биологической обработки. Проведена сравнительная оценка эффективности использования водных ресурсов предлагаемой технологии в сравнении с технологией реагентной обработки.
В заключении приведены основные результаты диссертационной работы и намечены дальнейшие пути исследований.
В приложении приведены результаты экспериментальных исследований.
Особенности формирования зажелезненных подземных вод юга Дальнего Востока
Для всего Дальневосточного региона, особенно для его южной части характерны очень резкие изменения погодных условий в течение года. Это связано с тем, что Приморский край расположен между влажными районами Тихого океана и сухими пространствами Азиатского материка. В свою очередь, это обуславливает континентально муссонный климат этой территории, проявляющийся в резко выраженном различии зимних и летних температур воздуха - теплое и влажное лето и суровая малоснежная зима (средняя температура июля и августа +16 - +20, а января -10 - 20). Абсолютные минимумы температуры по краю имеют диапазон от -28 - 31 на юге, до -52 на севере. Абсолютные максимумы н-36 - +40.
Из-за подобных резких температурных колебаний условия миграции химических элементов в Приморском крае в летний период весьма сходны с зоной влажных субтропиков, но, кроме того этот процесс усугубляется тем, что в зимний период климат региона близок к арктическому. Из-за этого происходит активная эрозия и вынос из профиля выветривания верхней части зоны гипергенеза, особенно почвы, большого количества химических элементов, в том числе и железа.
Период с отрицательными среднемесячными температурами на большей части Приморья продолжается 5 месяцев, с ноября по март. Средняя продолжительность безморозного периода равна 154 дням (для равнин).
Общее количество выпадающих за холодный период (октябрь - март) осадков в виде снега изменяется от 12 до 25 % от годовой суммы. Меньше всего их на Приханкайской равнине. Из-за небольшого количества осадков и относительной сухости зимы снежный покров маломощен. Незначительный и к тому же неустойчивый снежный покров на равнине вызывает глубокое промерзание почвы. Наибольшее промерзание почвы наблюдается на Приханкайской равнине и в долине р. Раздольной, достигая глубины 162 см.
Оттаивание начинается в марте и закачивается к концу апреля - в первой половине мая. С середины мая по октябрь включительно, сезонное промерзание полностью отсутствует.
Таким образом, с октября по май наблюдается период отрицательных температур. Это время, когда образуется ледяной покров и возможно промерзание поверхностных водотоков, в связи с чем, резко сокращаются запасы подземных вод, что связано со значительным сокращением инфильтрующей в водоносные пласты поверхностной воды.
Разрушение устойчивого снежного покрова обычно происходит в предгорьях с 10 по 31 марта, в горных и высокогорных районах с 13 апреля по 13 мая. На юго-западе Приморья и на Приханкайской равнине - в конце февраля, а в северных районах края во второй декаде апреля. Следовательно, процесс снеготаяния приходится на то время, когда почва еще не успела протаять, т.е. эта влага не идет на пополнение подземных вод. В связи с этим запа-т" сы подземных вод формируются исключительно за счет осадков» выпадающих за период с апреля по октябрь. В этот период выпадает около 90% годовой суммы осадков, причем максимум их приводится на август-сентябрь.
Приморье относится к типичным областям с избыточным увлажнением. Однако сложные орографические условие создают очень пеструю карти ну распределения осадков по площади, по сезонам года и в многолетнем раз ; резе. Среднемноголетние суммы осадков по Приморью изменяются от 530 до 1100 мм, увеличиваясь в направлении с запада на северо и юго-восток. Наи меньшее их количество отмечено на западном побережье оз. Ханка (535 мм), наибольшее - на западном побережье залила Петра Великого, побережье Японского моря и в северных горных районах Сихоте-Алиня (бассейн р. Большой Уссурки), где их сумма достигает 800-1000 мм. Особенно резкая разница в осадках наблюдается по сезонам года: летом {июль - сентябрь) выпадает около 49 % годового количества осадков, весной (апрель - июнь) около 28 %, осенью (октябрь - ноябрь) около 13 %, зимой (декабрь - март) около 10%. Необходимо отметить, что региональные атмосферные осадки имеют слабокислую реакцию рН. По опубликованным данным [ 28, 99] на юте Дальнего Востока выпадают осадки с рН до 4.5-5.0
Атмосферные осадки при инфильтрации через зону аэрации пород, выходящих на поверхность, изменяют величину рН в сторону увеличения. Особенно это характерно для участков маломощных почв или там, где почвенный слой, покрывающий зону выветривания, значительно эродирован [66]. Атмосферные осадки, инфильтрующиеся через породы зоны аэрации, перекрытые достаточно развитым слоем почвы, изменяют величину рН в сторону уменьшения, что показывает значимость по щ в формировании подземных вод со слабокислой реакцией, благоприятных для накопления железа. При обильном выпадении осадков в условиях постоянно высокой температуры (лето - осень) создаются благоприятные условия для бактериального разложения органических остатков, происходящеі-о в переувлажненных почвенных горизонтах региона. В результате протекания подобных процессов обеспечиваются высокие парциальные давления углекислого газа в почвенной атмосфере. По данным [18], содержание углекислоты в почвенном воздухе в 100-500 раз больше, чем в атмосфере, причем ее накопление в почвенном воздухе за июнь - сентябрь увеличивается в 10 раз. Так, например, в результате исследований, проводившихся на водозаборе п. Новошахтинского (Ип-политовское месторождение подземных вод) в период с июня по сентябрь 1989 г. было установлено, что после прохождения ливневых дождей 30-31 августа концентрация углекислоты в подземной воде превысила 300 мг/л при фоновом ее значении 60-120 мг/л. В то же время, обилие полуразложившегося органического вещества в водовмещаюших породах (четвертичных и плиоцен-нижнечетвертичных) создает подобные условия в течение длительного времени.
Почвы и породы зон аэрации региона в начале теплого периода года, когда выпадает минимальное количество осадков и снижается уровень грунтовых вод, обогащаются гидроокисными соединениями железа (в результате гидролиза двухвалентного железа)- Кислород атмосферных осадков при фильтрации последних через почвы быстро расходуется на окисление органических компонентов. Обогатившись в результате этого продуктами разло-жения органических веществ» инфильтруюівде атмосферные осадки подкисляются и становятся еще более агрессивными по отношению к фильтруемым почвам и породам зоны аэрации. Такие воды энергично растворяют окисные минералы железа, и, при достижении уровня грунтовых вод, пополняют их растворенными веществами почвенного слоя и пород зон аэрации. Выше уже отмечалось, что физико-химические условия грунтовых вод в большинстве своем способствуют накоплению и сохранению значительных концентраций растворенных соединений железа.
Характеристика железоокисляющих микроорганизмов и способы накопления ими железа
В то же время, если строго подходить к определению биологического способа обезжелезивания, то необходимо отметить, что обработка этим способом должна проводиться исключительно за счет использования метаболизма железоокисляющих микроорганизмов. В связи с этим, способы, в которых метаболизм железоокисляющих микроорганизмов не используется, как главное условие обеспечения процесса деферризации, весьма условно могут быть отнесены к биологическим способам обезжелезивания.
За рубежом биологические способы применялись для очистки про мышленных сточных вод с пониженными рН (менее 5) и высоким содержа нием двухвалентного железа. Для них характерным является высокая произ водительность и эффективность, определяющаяся прежде всего тем, что культивируемыми микроорганизмами являются виды Thiobacillus ferrooxidans и Leptospirilhtm ferrooxidans. В природных водах с их близкой к нейтральной реакцией рН, при которой деятельность данных микроорганиз мов угнетается, имеют развитие микроорганизмы совершенно других видов, развитие которых и обеспечивает протекание процессов биологического обезжелезивания. Одним из наиболее известных способов обработки зажелезненных подземных вод, который основывается на способности микроорганизмов окислять соединения железа - это метод обработки непосредственно в водоносном пласте - "Vyredox" и более совершенный "Vuregard". Метод основан на создании в водоносном горизонте "зоны осаждения" из соединений железа и последующем прохождении через этот фильтр подземной воды (рис. 13) Предварительно аэрированная вода с помощью насоса 4 закачивается в подземный водоносный горизонт через одну или несколько скважин 2. Таким образом происходит зарядка водовмещающеи породы, которая связывает большое количество кислорода. После окончания процесса зарядки начинается откачка обезжелезненной воды из рабочей скважины или скважин 1, расположенных на некотором расстоянии от нагнетательной скважины. С течением времени в результате истощения кислорода в адсорбционном слое в отбираемой воде возрастает содержание железа. Это служит сигналом для повторения процесса зарядки, за которым вновь следует рабочий цикл и т. д.
Извлечение из воды ионов закисного железа достигается адсорбцией на поверхности зерен водовмещающеи породы и ранее образовавшихся окислов железа (адсорбционный осадок). При этом, как отмечают сами авторы данно-го метода [43] существенное влияние на протекание данного процесса оказывают железоокисляющие микроорганизмы видов Leptothrix и Gallionella, которое описывается по Бегеру следующим образом
Бегер считает, что вид Gallionella является автотрофом, т. е. они извлекают энергию для обеспечения метаболизма, окисляя соединения закисного железа, а для построения клеточного материала они используют только неорганический углерод (в составе С02).
В качестве примера применения способа обезжелезивания "Vyredox" можно привести водозабор Ландригхаузен в районе г. Ганновер [50], где были запущены две установки с использованием данного способа, каждая из которых включала в себя одну водозаборную и четыре поглощающие скважины, Для обеспечения непрерывной подачи воды потребителю установки функционировали независимо друг от друга.
Аэрация питательной воды производилась в оксигенераторе. После этого она поступала в резервуар, где производилось удаление из воды избытка кислорода Й озона, а затем вода подавалась в скважины. Установлено, что при закачке в скважины до 2000 м воды в среднем удается получить до 12,..20 тыс. м3 обезжелезненной воды. Данные об изменении химического состава подземных вод в результате применения данного способа приведены в таблице 3
В первые три дня эксплуатации установки концентрация железа в откачиваемой воде составляла 0.1...0.2 мг/л, на четвертый день работы вода практически не содержала железа и лишь после отбора 24 тыс. м воды концентрация железа увеличилась до 0.03 мг/л, оставаясь при дальнейшей эксплуатации менее 0.1 мг/л. Отмечается, что процесс обезжелезивания протекал более интенсивно за счет массового развития железоокисляющих микроорганизмов Leptothrix и Gallionella, хотя авторы данного способа не считают метаболизм данных микроорганизмов основным фактором, обеспечивющим значительное улучшение качественных показателей обрабатываемой воды.
Как видно из табл. 5, откачиваемая вода практически не содержит железа, а концентрация марганца остается прежней. По-видимому, причина в значительном отличии химических свойств марганца и железа, а следовательно и в различном их влиянии на метаболизм железоокисляющих микроорганизмов. Особый интерес представляет уменьшение в обработанной воде концентрации фосфатов, которые являются необходимым элементом для жизнедеятельности микроорганизмов. Можно утверждать, что высокая эф-фективность данного способа обезжелезивания основывается на том, что в водоносном пласте создаются благоприятные условия для развития железоокисляющих микроорганизмов.
Мероприятия для исключения попадания железоокислятощих микроорганизмов в системы подачи-распределения воды
Для исключения негативного влияния, связанного с развитием железоокисляющих микроорганизмов в системах водообработки и ЇЇРВ, использующих зажелезненные подземные воды при наличии органических веществ, необходимы обязательные мероприятия для исключения попадания железоокисляющих микроорганизмов в эти системы.
Наибольший положительный эффект дают комплексные мероприятия с защитой от электрокоррозии [57]. К таким мероприятиям относятся: фильтрация через песчаные фильтры, снижающая численность железоокисляїощих микроорганизмов в фильтрате; хлорирование, угнетающе воздействующее на развитие колоний железоокисляющих микроорганизмов; использование конструкций и трубопроводов системы ПРВ из неметаллических материалов или применение специальных покрытий, что препятствует и уменьшает интенсивность прикреплению микрооргнизмов к поверхности; снижение содержания растворенных в воде солей железа, фосфора, азота, что обеспечивает неблагоприятные условия для развития микроорганизмов; сокращение или полное исключение участков в системе ПРВ имеющих застойные зоны или малые скорости движения, воды. В таблице приведены основные способы борьбы с железоокисляющими микрорганизмами путём фильтрования.
Ранее отмечалось, что хлорирование воды, подаваемой в системы ПРВ, угнетающе воздействует на жизнедеятельность железоокисляїощих микроорганизмов. Оценка эффективности влияния хлора на развитие этих микроорганизмов проводилось на экспериментальном участке Петрашюн-ской системы водоснабжения. При пропуске воды, в которой содержались железоокисляющие микроорганизмы, по трубопроводу длинной 300 мм со скоростью 0.22 м/с, содержание в воде железа увеличилось с 0.5-0.8 мг/л до 3.6 мг/л и появился сероводородный запах. По-видимому» это свидетельствует об активном развитии анаэробной микрофлоры под слоем биообрастаний, образованных железоокисляющими микроорганизмами, которые были представлены видами Gallionella ferrugenea и Siderolapa major в большом количестве как в начале так и в конце экспериментального трубопровода. После хлорирования воды дозой 2 мг/л и контакта хлора с водой в течение 20 минут в специальном резервуаре, концентрация железа в конце экспериментального участка трубопровода не увеличилась, исчез сероводородный запах. После прекращения хлорирования содержание железа вновь стало возрастать.
Хлорирование воды, содержащей железоокисляющие микроорганизмы, является одним из эффективных способов с микроорганизмами. Отмечено [19], что наилучший эффект достигается при постоянном хлорировании воды, возможно однако и периодическое хлорирование при относительно невысоки содержании железоокисляющих микроорганизмов. Периодическое хлорирование возможно также в тех системах, где воду накапливают в резервуарах с последующим расходованием в течение определенного периода.
При проектировании систем водоснабжения, где отмечены железоокисляющие микроорганизмы, обычно рекомендуется предусматривать хлорирование воды вблизи водозабора. При наличии в воде кокковых форм хлор допускается вводить непосредственно в трубопровод. При наличии нитчатых форм рекомендуется, особенно при концентрации их более 103 кл/мл, проводить хлорирование в специальной емкости (резервуаре-отстойнике), где бы происходило взаимодействие хлора с водой достаточно длительное время.
При транспортировании воды на дальние расстояния, когда протяженность магистральных трубопроводов превышает 20 км, когда разовое хлорирование может оказаться недостаточным, рекомендуется применять хлораммонизацию воды или поэтапное дополнительное хлорирование на участках, где остаточный хлор присутствует в малых количествах (до 0.3 мг/л)[8,9].
Для обоснования хлорирования воды в целях борьбы с железоокисляющими микроорганизмами некоторыми авторами [10,11, 57] предлагаются вполне конкретные мероприятия. Так, в частности, для снижения масштабов биообрастаний, вызываемых железоокисляющими микроорганизмами, в два раза достаточно обеспечить остаточный хлор и длительность контакта хлора с водой в соответсвии с действующими требованиями. Для снижения масштабов биообрастаний в 10 раз требуемая остаточная концентрация хлора в воде должна составлять 1 мг/л, при длительности контакта 30 мин. при наличии свободного хлора, или остаточный хлор - 2 мг/л , при длительности контакта 60 мин., если хлор присутствует в связанной форме.
В практике водообработки хлор может быть использован либо в виде непосредственно газообразного хлора, при достаточно большой производительности станции водоподготовки (так как это сопряжено с достаточно серьезными осложнениями в технологии), либо применением хлорной извести. В последнем случае диссоция в воде протекает в две ступени следующим образом:
Считается, что гибель бактериальных клеток происходит в результате окисления основных бактериальных ферментов хлорноватистой кислотой, в связи с чем разрывается метаболизм организма. Кроме того, вследствие электрической нейтральности этой кислоты, а также из-за ее малых размеров она способна быстро внедряться через стенки клеток бактерий.
Однако, хлорноватистая кислота в водном растворе диссоциирует на ионы водорода и гипохлорита (ОСГ), причем на протекание этой реакции существенное влияние оказывают рН и температура. При рН ниже 6 в основном присутствует хлорноватистая кислота. При 6,0 рН 8,5 хлорноватистая кислота еще доминирует. Это важно, так как ион гипохлорита не настолько сильные окислители, как хлорноватистая кислота, кроме того их отрицательный заряд препятствует проникновению в клетки железоокисляю-щих микроорганизмов (как уже отмечалось клетки имеют поверхностно отрицательный заряд). В связи с этим, при обеззараживании хлором необходимо поддерживать оптимальное значение рН при котором хлорноватистая кислота наиболее полно представлена в воде.
Так как проблемы, связанные с развитием железоокисляющие микроорганизмы в системах ГТРВ, возникают в основном при использовании заже-лезненных вод, то хлорирование применяется как дополнительное мероприятие после очистки воды на станции обезжелезивания.
Эффективность использования водных ресурсов в технологии безреагентного обезжелезивания подземных вод с устойчивыми формами железа
Прежде всего необходимо отметить, что применение хлора в повышенных концентрациях в качестве дезинфицирующего реагента не только очень сложно в технологическом плане, но и приводит к тому, что вода после обезжелезивания на станции деферризации с использованием безреагентных методов, таких как упрощенная аэрация и т. п., после обработки хлором усиливает свои агрессивные свойства. Это приводит к вторичному зажелезне-ник обработанной воды, в результате корродирования металлических элементов системы ПРВ.
Кроме того, так как в зажелезненных водах, содержащих повышенные количества железоокисляющих микроорганизмов, всегда присутствуют растворенные органические соединения в повышенных концентрациях (так как подобные микроорганизмы относятся к гетеротрофам), то при их неполном удалении перед хлорированием возможно образование токсичных хлорорга-нических комплексов,
Необходимо также отметить, что отсутствие увеличения эффекта задержания микроорганизмов при фильтровании с хлорированием, как отмечено в [11] связано, по-видимому с тем, что при фильтровании без хлорирования, образующаяся на поверхности фильтрующей загрузки биопленка весьма эффективно извлекает из воды органические соединения, (которые используются железоокисляющими микроорганизмами для поддержания метаболизма), вследствие чего количество железоокисляющих микроорганизмов значительно уменьшается. В то же время использование хлора приводит к угнетению развития биопленкн, вследствие чего количество органических веществ в воде уменьшается незначительно, и хлор оказывает воздействие только как токсичный реагент. При использовании же коагулянтов эффект очистки от микроорганизмов возрастает, так как коагулянты воздействуют на растворенное органическое вещество, переводя его в нерастворимую форму, вследствие чего оно задерживается в фильтрующей загрузке и не может использовать железоокисляющими микроорганизмами в качестве питательного субстрата.
Железоокисляющие микроорганизмы, представляющие собой микрофлору природных подземных вод используемых для водоснабжения, относятся к гетеротрофам, т, е. для их нормальной жизнедеятельности обязательно необходимы органические вещества. В связи с этим все мероприятия по снижению численности железоокисляющих микроорганизмов без удаления органических соединений из обрабатываемой воды не будут обеспечивать защиту систем подачи распределения воды (ПРВ), это связано прежде всего с тем, что в благоприятных условиях систем ПРВ и в присутствии органических соединений будет наблюдаться активное размножение железоокисляющих микроорганизмов со всеми вытекающими последствиями. Для того, чтобы эффективно удалять железоокислящие микроорганизмы, необходимо знать основные факторы, оказывающие влияние на их метаболизм.
Естественным поставщиком питательных соединений в системах обработки подземных вод являются непосредственно подземные воды. Очевидно, что изъятие из подземных вод всех органических соединений лишит микроорганизмы питательного субстрата, а следовательно будет способствовать угнетению роста железоокисляющих микроорганизмов.
Кроме того в силу специфики метаболизма на железоокисляющие микроорганизмы положительное влияние оказывает присутствие закисных соединений железа. В связи с этим полное окисление закисных соединений железа также будет способствовать угнетению роста железоокисляющих микроорганизмов.
Отдельно необходимо отметить такой вид железоокисляющих микроорганизмов, как сапрофитные микоплазмы, в настоящее время к ним относят такие типичные железоокисляющие микроорганизмы как Gallionella и Sidero-coccus. Для микоплазм характерно отсутствие жесткой клеточной стенки. В связи с этим данные микроорганизмы способны, трансформируя свою форму, проникать через отверстия, меньше чем их собственный размер. Из-за этой их особенности они вообще не задерживзются при фильтровании. Причем характерным для данной группы микроорганизмов является то, что для их нормальной жизнедеятельности необходимы так называемые клетки спутники, которые выполняют поддерживающие функции. Поэтому сапрофитные микоплазмы могут существовать только как паразиты в бактериальных клетках спутниках. Однако железоокисляющие микоплазмы могут быть отнесены к особому типу. Это связано с тем, что крупные тела и волокна Gallionella, имеющие размер, сходный с жизнеспособными формами микоплазм, способны к самостоятельному развитию [7], Причем, образуемая ими жесткая оболочка из окислов железа заменяет им ригидную клеточную стенку и позволяет существовать в осмотически неуравновешенной среде. В то же время, мелкие тела и волокна Gallionella, размеры которых меньше самовоспроизводимых форм микоплазм, могут жить только в бактериальных клетках сопутствующих микроорганизмов.
Исходя из специфики метаболизма микоплазм можно определить факторы, негативно влияющие на развитие подобных микроорганизмов. Прежде всего, так как эти микроорганизмы относятся К микроорганизмам-паразитам, то для угнетения их развития надо удалить бактерии в которых они паразитируют. В подземных водах такими бактериями являются в основном гетеротрофные микроорганизмы. Следовательно на угнетение сапрофитных микоплазм можно воздействовать косвенно, путем удаления микрофлоры. Кроме, того для угнетения самостоятельных жизнеспособных форм Gallionella необходимо удаление из воды растворенных соединений железа, которые используются данными микроорганизмами для построения оболочек, заменяющим им клеточную стенку,
