Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современного состояния в области очистки природных вод, содержащих антропогенные примеси
1.1. Ухудшение качества природных вод под воздействием антропогенных нагрузок на водоисточники 13
1.2. Анализ антропогенных загрязняющих веществ и методов их извлечения . 22
1.3. Анализ эффективности традиционных технологий очистки природных вод для питьевых целей 39
1.4. Современные технические приемы повышения барьерной роли водоочистных сооружений и их оценка 46
1.5. Цель и задачи исследований 55
Выводы по главе 1 56
Глава 2. Системный подход к обоснованию водоочистных технологий
2.1. Системный подход к выбору водоочистных технологий 57
2.2. Анализ существующих и обоснование новых классов поверхностных вод 61
2.3. Оценка качества исходной воды при выборе технологических схем очистки 66
2.4. Разработка классификаторов технологий очистки природных вод... 75 Выводы по главе 2 85
Глава 3. Теоретическое обоснование модифицированных технологических процессов
3.1. Концептуальная модель теоретического обоснования водоочистных технологий 87
3.2. Биохимическая сущность пред очистки воды в биореакторах с носителями прикрепленных микроорганизмов 90
3.3. Физико-химическое воздействие на обрабатываемую воду сильных окислителей и УФ-облучения 99
3.3.1. Первичное озонирование воды, содержащей органические загрязнения 99
3.3.2. Совместная обработка воды окислителями и УФ-облучением 103
Закономерности осветления воды в комбинированном осветлительно-сорбционном слое загрузки 106
Теоретические основы глубокой сорбционной очистки воды в осветительно-сорбционном слое загрузки 113
Гидравлические и технологические закономерности работы фильтров с гранулированно-волокнистым плавающим слоем 119
Теоретические основы процесса обезжелезивания подземных вод с использованием прикрепленной микрофлоры 130
Выводы по главе 3 134
4 Экспериментальные исследования процессов очистки воды, содержащей антропогенные примеси цель и задачи исследований. эк спериментальная база и методики проведения исследований 136
4.1.1. Цель и задачи исследований 136
4.1.2. Экспериментальные установки и методика исследований очистки цветных маломутных вод . 137
4.1.3. Методика исследования мутных цветных вод, содержащих антропогенные примеси 146
4.1.4. Экспериментальные установки и методика проведения исследований фильтров с пенопласто-волокнистой загрузкой
(ФПВЗ) 152
4.1.5. Установки и методика испытаний по обезжелезиванию подземных вод 156
4.1.6. Установки и методика исследований очистки воды, содержащей высокоустойчивую коллоидную взвесь и нефтепродукты 159
4.2 Биологическая предочистка поверхностных вод 162
4.3 Первичное озонирование маломутных цветных вод. 173
4.4. Совместная обработка воды озоном, пероксидом водорода и УФ-облучением 180
4.5. Осветление воды на фильтрах с пенопласто-волокнистой загрузкой 189
4.6. Глубокая доочистка воды в комбинированном осветлительно-сорбционном слое 200
4.7. Обезжелезивание подземных вод на биореакторах-фильтрах с плавающей загрузкой 214
Выводы по главе 4 224
Глава 5. Разработка технологий очистки природных вод, содержащих антропогенных примеси
5.1. Очистка мало мутных цветных вод, содержащих антропогенные примеси 226
5.2. Очистка вод с повышенной бактериальной и антропогенной загрязненностью 238
5.3. Очистка мутных вод, содержащих антропогенные примеси 244
5.4. Оценка исследуемых технологий биотестированием 249
5.5. Область применения усовершенствованных технологических схем водоочистки 256
Выводы по главе 5 260
Глава 6. Технико-экономическое обоснование и промышленная апробация усовершенствованных технологий водоподготовки
6.1. Обоснование исходных данных.
Анализ методов технико-экономических расчетов 261
6.2. Технико-экономическое обоснование водоочистных технологий по приведенным затратам и чистому дисконтному доходу 271
6.2.1. Выбор наиболее выгодной технологии на базе приведенных затрат 271
6.2.2. Расчет по чистому дисконтному доходу 279
6.3. Испытания новых технологий водоочистки в производственных условиях и их экономический эффект 285
6.3.1. Станция подготовки питьевой воды г.Макушино 285
6.3.2. Контейнерная станция подготовки питьевой воды
в г.Каспийске 290
6.3.3. Станция кондиционирования подзем ных вод г.Ня гань 296
6.3.4. Станция обезжелезивания подземных вод на биореакторах и фильтрах с плавающей гранулировано-волокнистой загрузкой 300
6.3.5. Станции очистки поверхностных вод 301
Выводы по главе 6 310
Глава 7. Оптимизация режимов работы водоочистного комплекса
7.1. Постановка задачи 312
7.2. Разработка структурных моделей оптимизации технологических схем водоочистки 314
7.3. Математические модели для решения оптимизационных задач 319
7.4. Определение расчетных зависимостей эффективности работы отдельных сооружений в технологической схеме 326
7.5. Нахождение аналитических выражений для определения приведенных затрат 333
7.6. Программные средства для решения оптимизационных задач 336
7.7. Оптимизации действующего водоочистного комплекса 341
7.8. Влияние изменения производительности станций во времени 3 42
7.9. Оптимизация режимов работы станции с учетом показателей риска 345
Выводы по главе 7 349
Глава 8. Разработка технологических основ построения автоматизированных систем управления работой водоочистных станций в оптимальном режиме
8.1. Характеристика объекта автоматизации 350
8.2. Структура и принципы построения автоматизированных систем управления работой водоочистных станций в оптимальном режиме 353
8.3. Технологические требования к приборам и средствам автоматизации 354
8.4. Основы создания программного обеспечения 359
Выводы по главе 8 366
Общие выводы 367
Список использованной литературы 370
Приложения 390
- Анализ эффективности традиционных технологий очистки природных вод для питьевых целей
- Анализ существующих и обоснование новых классов поверхностных вод
- Биохимическая сущность пред очистки воды в биореакторах с носителями прикрепленных микроорганизмов
- Биологическая предочистка поверхностных вод
Введение к работе
Основные положения Закона Российской Федерации «О питьевой воде», федеральной целевой программы «Обеспечение населения России питьевой водой», «Водного Кодекса РФ», межрегиональной программы «Возрождение Волги» и аналогичных региональных программ предусматривают повышение санитарно-гигиенической надежности технологий водоподготовки в условиях трансформации качества воды в водоисточниках под воздействием природных и антропогенных факторов.
Станции очистки природных вод для питьевых и технических целей являются одними из главных составляющих звеньев в системах водоснабжения. От их работы зависит надежное обеспечение водопотребителей водой соответствующего качества.
Основными источниками централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения в большинстве регионов Российской Федерации и стран СНГ остаются поверхностные воды рек, водохранилищ и озер, на долю которых приходится около двух третей от общего объема водозабора.
Усиление антропогенных нагрузок на водоисточники с одной стороны, повышение требований СанПиН 2.1.4.1074-01 к качеству питьевой воды и сложившаяся экономическая ситуация в стране с другой, обуславливают необходимость создания новых и усовершенствования существующих технологий очистки природных вод. Вышеупомянутые технологии должны основываться на более экономной реализации таких дорогостоящих методов как озонирование, сорбция, ионный обмен, обратный осмос при одновременном повышении санитарной надежности и экологичности станций водоподготовки.
Ухудшение санитарно-гигиенического состояния большинства (поверхностных, в первую очередь) источников водоснабжения и появление в местах расположения водозаборов загрязняющих веществ техногенного происхождения вызвало необходимость пересмотреть методику оценки качества воды в источниках водоснабжения применительно к обоснованию технологии водоочистки, разработать классификаторы технологий водоочистки с учетом фазово-дисперсного состояния примесей, временного фактора их присутствия в районах водозабора и антропоген-
8 ной нагрузки, уточнить методики технико-экономического обоснования, создать структурные и математические модели оптимизации, разработать программное обеспечение для автоматизированных систем управления режимами эксплуатации водоочистных комплексов в оптимальном режиме. Такой системный подход к выбору технологий очистки воды позволяет научно обосновать предлагаемые методы интенсификации и повышения санитарно-гигиенической барьерной возможности как традиционных технологий и сооружений, так и вновь создаваемых.
Все вышеизложенное и определяет актуальность данной диссертационной работы.
Работа выполнялась в рамках комплексной целевой программы Министерства науки, промышленности и технологий по плану фундаментальных и поисковых исследований (государственные контракты №№ ГНТД/ГК-034/00ЛП, ГНТДОГК-034-(00)-Д01, 43.600.1,4.0034, тема: «Теоретическое обоснование и разработка технологий подготовки питьевой воды в условиях повышенных антропогенных нагрузок на водоисточники»), в соответствии с техническими заданиями по разделам очистки и кондиционированию воды целевых программ «Обеспечение населения России питьевой водой» и «Возрождение Волги», а также по хоздоговорным работам с рядом водохозяйственных и промышленных предприятий.
Целью диссертационной работы является теоретическое обоснование, разработка новых и усовершенствование существующих технологий очистки природных вод при повышенных антропогенных нагрузках на водоисточники. В соответствии с поставленной целью были сформулированы задачи исследований, которые отражены в содержании работы.
Методика проведения исследований включает:
сбор, анализ и обобщение научно-технической (включая патентную) литературы для оценки современного состояния, обоснования актуальности и формулировки цели и задач исследований в области очистки природных вод, содержащих антропогенные примеси;
теоретические исследования и создание системного подхода к обоснованию и оптимизации водоочистных технологий и методов их инженерного расчета;
экспериментальные исследования в лабораторных и полупроизводственных условиях процессов и сооружений биологической предочистки, окисления орга-
9 нических веществ и фильтрования через осветлительно-сорбционные загрузки и
др.;
- апробацию предложенных новых технологий и сооружений в производствен
ных условиях и их технико-экономическую оценку;
Достоверность и эффективность результатов исследований подтверждены данными промышленного внедрения разработок при проектировании, строительстве и эксплуатации станций очистки природных вод для питьевых и технических целей. Научная новизна работы заключается в следующем;
предложен новый системный подход к обоснованию технологий очистки природных вод и разработан их классификатор;
разработан метод определения расчетных концентраций удаляемых из поверхностных вод ингредиентов с учетом широкого диапазона изменений их концентраций за период наблюдений, фактора временного присутствия в очищаемой воде и величин риска для здоровья человека;
созданы новые технологии и конструкции сооружений водоочистки (биореакторы, волокнисто-пенополистирольные и осветлительно-сорбционные комбинированные фильтры), в основу которых положен принцип экономичности и достаточности использования энергоемких устройств и оборудования, и на 7 из которых получены авторские свидетельства и патенты на изобретения;
разработаны впервые структурные и математические модели оптимизации режимов работы водоочистных комплексов и программное обеспечение для решения оптимизационных задач;
получены новые экспериментальные данные, на основании которых установлены гидродинамические и технологические закономерности работы предложенных сооружений, явившиеся основой для инженерных расчетов при проектировании, строительстве и эксплуатации станций водоочистки с новыми технологиями.
Практическая ценность работы
Результаты выполненных исследований использованы в разработанных и реализованных проектах на 23 объектах России, в том числе: на станциях очистки природных поверхностных вод в гг. Каспийске, Маку шино, Вологде, Великом Устюге; на станциях кондиционирования подземных вод в гг.Нягани, Базарном Кара-
10 булаке, Щелково, Сергиевом Посаде, Петровске, пос.Молочное, в системах оборотного технического водоснабжения г.Москвы.
Для различных проектных и эксплуатационных организаций страны разработано и передано свыше 30 рекомендаций на проектирование и эксплуатацию предложенных технологий и сооружений.
Экономический эффект, подтвержденный Актами внедрения предложенных технологий и сооружений водоочистки в условиях повышенных антропогенных нагрузок на водоисточники составил 16,4 млн.руб. по сравнению с базовыми аналогами
Апробация результатов диссертации
Результаты исследований докладывались, обсуждались и были одобрены:
на международных конгрессах, симпозиумах и конференциях: МК «Вода: экология и технология» ЭКВАТЭК-96, 98, 2000, 2002, (г.Москва); МФ «Экология города и здоровье человека» (г.Москва, 2000); МНТК «Проблема экологии на пути к устойчивому развитию регионов» (г.Вологда, 2001); МНПК «Градоформирую-щие технологии XXI века» (пМосква, 2001); МНТК «Актуальные проблемы водохозяйственного строительства» (г.Ровно, 1997, 2002); МК «ЕТЕВК-2003» (гЛлта, 2003);
на всероссийских научно-технических и научно-практических конференциях: IV РНПК «АСУ и современные технологии водоснабжения и водоотведения в условиях Дальнего Востока» (г.Владивосток, 1990); VII НТК «Научно-технические и социально-экономические проблемы охраны окружающей среды» (г.Н.Новгород, 1992); НТК ВоПИ «Экологические проблемы рационального использования и охраны водных ресурсов» (г.Вологда, 1994); ОНПК «Санитарно-эпидемиологической службе 75 лет» (г.Вологда, 1997); НТК «Современные проблемы водоснабжения, водоотведения и охраны водных ресурсов» (г.Санкт-Петербург, 1998); академических чтениях РААСН «Системы водоснабжения, водоотведения и охраны водных ресурсов в начале XXI века» (г.Санкт-Петербург, ПГУПС, 2001); НПК «Современные технологии, методы очистки и обеззараживания питьевых и сточных вод» (г.Череповец, 2003);
- на заседаниях секции научно-технических советов: Госстроя РФ (2001); Московского ГТУ (2000); Нижегородского ГСУ (2001); Вологодского ГТУ (1994, 2001); НИИ ВОДГЕО (2001-2003).
Работа отмечена Большой золотой медалью ВВЦ за 2002 г. и Почетной грамотой Министерства науки, промышленности и технологий РФ.
Личный вклад соискателя
Основные выводы и положения диссертации основаны на теоретических и экспериментальных исследованиях выполненных непосредственно самим автором. В качестве научного соруководителя трех аспирантов, соискателем осуществлялись постановка задач, разработка методик, анализ и обобщение результатов исследований и внедрения. Исследования проводились в период с 1994 по 2003 годы в Вологодском ГТУ, НИИ ВОДГЕО, на водопроводных станциях гг. Кишинева, Витебска, Вологды, Макушино, станциях очистки поверхностного стока г,Москвы.
В отдельных экспериментальных исследованиях совместно с автором принимали участие кандидаты технических наук Орлов М.В., Покровский М.С., Жаво-ронкова В.И., Селюков А.В., Мякишев В.А., Васечкин Ю.С., Лебедева Е.А., являющиеся соавторами ряда публикаций (см.список опубликованных работ). В этих работах доля соискателя составила от 50 до 70%.
Публикации
Основные положения и результаты исследований соискателя опубликованы в 62 научных трудах, из которых одна монография, 4 книги и учебных пособия (в соавторстве), 7 авторских свидетельств СССР и патентов РФ на изобретения, две обзорных научно-технических информации с общим объемом 56,8 печатных листов.
Объем и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, восьми глав, общих выводов, списка использованных источников из 238 наименований, в том числе 30 иностранных и четырех приложений. Работа изложена на 422 страницах, содержит 109 рисунков и 85 таблиц.
Автор приносит глубокую признательность и благодарность профессору, д.т.н. Журбе М.Г. за научные консультации и помощь, оказанные при выборе темы диссертации и работе над ней, а также благодарность ведущим научным сотрудни-
12 кам НИИ ВОДГЕО (д.т.н. Лезнову Б.С., д.т.н. Швецову В.Н., д.т.н. Смирнову А.Д., к.т.н. Соколовой Е.В., к.т.н. Прохорову Е.И., к.т.н. Белевцеву А.Н. и др.), кафедр водоснабжения и водоотведения Вологодского ГТУ (д.т.н. Соколову Л.И., к.т.н. Лебедевой Е.А.), Московского ГСУ (к.т.н. Сомову М.А.), Нижегородского ГАСУ (д.т.н. Губанову Л.Н., д.т.н. Васильеву Л.А., к.т.н. Горбачеву Е.А., д.ф-м.н. Супруну А.Н.), Петербургского ГСУ (д.т.н. Алексееву М.И., д.т.н. Курганову А.М., д.т.н. Феофанову ЮЛ.) за ценные советы и замечания, сделанные ими при обсуждениях результатов исследований диссертанта.
Анализ эффективности традиционных технологий очистки природных вод для питьевых целей
Традиционные технологии очистки природных поверхностных вод, разработанные и реализованные по проектам 50-60-х годов, базируются в основном на процессах первичного хлорирования, коагулирования, отстаивания (или осветления в слое взвешенного осадка) с последующим скорым фильтрованием воды и вторичным хлорированием /87, 88/.
На примере нескольких водопроводных станций, расположенных в разных регионах РФ и СНГ, забирающих воду из поверхностных источников, проанализирована эффективность работы традиционных сооружений в условиях повышенной антропогенной нагрузки на водоисточники.
В отдельные периоды года в воде р.Волга в районе г.Нижнего Новгорода при содержании взвешенных веществ до 35 мг/л, цветности до 29-42 град, и перманга-натной окисляемости от 6 до 11,5 мгОг/л, обнаруживаются также нефтепродукты и фенолы в количествах, превышающих ПДК соответственно в 3,2-8 и 4-6 раз. Как показали результаты анализов, в питьевой воде после очистки на водопроводных сооружениях Ново-Сормовской станции производительностью 380 тыс.мэ/сут содержание нефтепродуктов составляет 0,15-0,2 мг/л/89/.
Насосно-фильтровальные станции № 1 (осветлители со взвешенным осадком - скорые фильтры) и № 2 (горизонтальные отстойники - скорые фильтры), осуществляющие подготовку воды из реки Томь для г.Кемерово, в периоды паводков, когда наблюдается повышенное содержание фенолов (0,002-0,006, в отдельных случаях, до 0,02 мг/л) в речной воде с мутностью 40-80 мг/л и цветностью - 40-60 град., не всегда способны обеспечить требуемое качество питьевой воды по фенолам, нефтепродуктам и другим химическим загрязнениям при фактической сум-марной производительности станций 270 тыс. м /сут /6/.
Водопроводные очистные сооружения г.Вологды, работающие на воде р.Вологда и оз.Кубенское с общей мощностью до 140 тыс.м /сут позволяют обеспечить требуемую степень очистки воды по мутности, цветности, соединениям железа и марганца. Однако достичь снижения до санитарных норм отдельных химических загрязнений антропогенного происхождения на таких сооружениях не всегда представляется возможным. По данным ЦГСЭН г.Вологды в разные годы в период с 1994 по 1998 г.г. в речной воде обнаруживалось присутствие фенолов в концентрациях до 0,006 (0,19) мг/л, АПАВ - до 3,15 мг/л, нефтепродуктов - 0,15-0,45 мг/л, свинца - 0,04-0,06 мг/л. В воде оз.Кубенское содержание в воде фенолов колебалось в пределах 0,002-0,004 мг/л, нефтепродуктов до 0,32 мг/л, кадмия - до 0,003 мг/л /90/.
При обработке мутных мало цветных вод, содержащих примеси антропогенного происхождения возникают аналогичные трудности по обеспечению требуемо В условиях постоянно изменяющегося качества воды, повышенной загрязненности водоисточников примесями антропогенного происхождения, поступающими с неочищенными промышленными и бытовыми сточными водами и наличия в них широкого спектра загрязняющих веществ, в том числе и техногенного происхождения (нефтепродукты, фенолы, пестициды, соли тяжелых металлов, ПАВ и др.), с одной стороны, и ужесточение требований к качеству питьевой воды, подаваемой потребителям, с другой, такие технологии не способны обеспечить нормативную степень очистки по отдельным показателям /92/.
Кроме того, нерациональное использование потенциала сооружений предварительной очистки (водозаборов-ков шей, фильтрующих каналов, больших искусственных наливных водоемов и «биоплато») приводит к увеличению в целом грязевой нагрузки на водоочистные сооружения.
Наиболее сложная ситуация в процессе эксплуатации водопроводных станций складывается в периоды паводков и аварийных залповых выбросов, когда при относительно стабильных уровнях примесей естественного характера, прогнози руемых по многолетним наблюдениям, зачастую фиксируются достаточно высокие (пиковые) концентрации токсичных примесей антропогенного происхождения. При этом в результате очистки воды традиционными методами могут быть выделены из нее в основном примеси антропогенного происхождения, способные переходить в нерастворимую форму при введении реагентов или сорбироваться на хлопьевидном осадке, образующемся в процессе коагуляции.
Вместе с тем, практически не удаляются из воды химические загрязнения, находящиеся в растворенном виде, такие как фенолы, СПАВ, растворенные фракции нефти, ионы тяжелых металлов (например, Oi+, №2+, Я +, As3 ) и др. /28/. Реа-гентные традиционные методы отстаивания и фильтрования не могут обеспечить в достаточной степени удаление загрязняющих веществ, перечисленных в табл. 1.13.
По данным Васильева Л.А. /93/ наличие гумусовых веществ, нефти и нефтепродуктов, синтетических поверхностно-активных веществ, продуктов переработки древесины, а также пестицидов приводит в процессе хлорирования, коагулирования речной воды и последующего ее фильтрования к появлению в обрабатываемой воде предельных и ароматических углеводородов, таких как гексана, бензола и др., альдегидов и летучих хлорорганических соединений (например, тетрахлорэти-лена, гексахлорэтана, хлорпикрина и др.). Последующее обеззараживание очищенной воды способствует дальнейшей трансформации соединений и увеличению общего количества примесей примерно в 2,5 раза по сравнению с начальным их содержанием.
В большинстве случаев не задерживаются на очистных сооружениях и летучие хлорорганические соединения, которые образуются в процессе хлорирования воды, содержащей органические загрязнения. Наиболее часто отмечается образование тригалогенметанов, оказывающих общетоксическое действие на организм человека /94-96/. Тенденция к увеличению количества образующихся хлороргани-ческих соединений обусловлена возрастанием антропогенных нагрузок на источники водоснабжения, а также изменением технологических режимов водоочистки, в частности, применением повышенных доз хлора и коагулянта и увеличением времени контакта хлора с водой.
Сотрудниками кафедры водоснабжения НГАСА были получены экспериментальные данные /97/ на одной из водоочистных станций г.Нижнего Новгорода по влиянию хлорирования воды на образование летучих галогенсодержащих органических соединений. Так, общее содержание последних в воде после первичного хлорирования снизилось с 242 до 235 мкг/л и выросло в питьевой воде до 308 мкг/л (табл. 1.14).
Исследования динамики изменения некоторых соединений (хлороформа, четы-реххлористого углерода, дихлорэтана и др.) по ступеням очистки на действующих водопроводных станциях проводились сотрудниками НИИ ВОДІ НО (табл. 1.15).
Как показали их результаты /90, 98, 99/, наиболее часто в хлорированной воде обнаруживаются в концентрациях, превышающих ПДК, четыреххлористый углерод и хлороформ, обладающие канцерогенными и мутагенными свойствами. По мере извлечения из воды органических загрязнений снижается и содержание этих хлорорганических соединений. Однако обеспечить их нормативные концентрации после всего цикла водообработки на традиционных сооружениях не всегда удается.
Анализ существующих и обоснование новых классов поверхностных вод
В технической литературе /87, 120-122/ приводится ряд детализованных классификаций природных вод по физико-химическим показателям, одна из которых в качестве примера приведена в табл.2.1.
Природные воды по химическому составу растворенных примесей Щукаре-вым С.А. предложено подразделять на 49 классов (например, хлоридно-натриевые воды, карбонатно-сульфатно-магниевые и т.д.), а Алекиным О.А. - на гидрокарбонатные, сульфатные и хлоридные классы; группы по преобладающему катиону (Na+, Са2 , М$?+) и типы вод по соотношению между ионами /123-125/.
Широкую известность приобрела классификация примесей воды на основании фазово-дисперсного состояния, разработанная Кульским Л.А- /87/ В основу ее положено понятие о фазовом состоянии вещества в водной среде, определяемым в основном дисперсностью, агрегативной и кинетической устойчивостью частиц. Этот принцип позволил автору объединить широкий спектр разнообразных по физической, химической и биологической характеристике примесей, имеющихся в природных и сточных водах, в четыре обобщающие группы. Две из них относятся к гетерогенным системам, представленным в воде взвесями, коллоидами, эмульсиями и пенами. Обязательным признаком гетерогенных систем является существование поверхностей раздела. Две другие относятся к гомогенным системам -веществам, образующим с водой молекулярные и ионные растворы. Чем меньше размер частиц дисперсной фазы в дисперсионной среде, тем больше величина их удельной межфазной поверхности, и тем сильнее влияние поверхностных явлений на свойства системы.
По Л.А.Кульскому, водные дисперсии, содержащие крупные частицы размером более 10" см, обладают, как правило, полной кинетической неустойчивостью; содержащие частицы с размером 1 (Г -10"5 см (суспензии, эмульсии, пены) обладают слабой интенсивностью теплового движения и невысокой кинетической устойчивостью; содержащие частицы с размером 10і-10"6 см (коллоиды) обладают сильно развитой меж фазной поверхностью и высокой кинетической устойчивостью. Растворы высокомолекулярных соединений представляют собой обычно однофазные термодинамически устойчивые, обратимые системы, а истинные растворы различных веществ являются термодинамически устойчивыми и могут существовать без изменения сколь угодно долго.
В таблице 2.2 приведены классификация взвешенных веществ по гидравлической крупности - скорости осаждения частиц взвеси в неподвижной воде при температуре 10 С /88/.
По мнению специалистов фирмы «Дегремон» /112/ при очистке воды играет роль размер растворенных частиц и электрокинетический или потенциал их поверхности - -потенциал (табл.2.3).
Рассмотренные выше примеры классификаций представляют собой интерес для общей оценки качества вод природных источников и, в отдельных случаях, могут быть применимы для обоснования того или иного технологического процесса и метода очистки. Однако они не дают возможности в каждом конкретном случае в должной мере решать задачу по составлению технологической схемы очистки в виде последовательно или последовательно и параллельно работающих сооружений.
Выбор технологии водоподготовки в современных условиях должен базироваться на анализе данных по качеству очищаемой воды, фазово-дисперсному состоянию примесей, временному фактору присутствия основных ингредиентов в заданном интервале концентраций и известных, апробированных в практике водоподготовки, методов очистки. В свете этого нами предложены и разработаны новые классы наиболее часто встречающихся поверхностных вод по фоновым и их подклассы по антропогенным определяющим ингредиентам, предназначенные для использования при обосновании водоочистных технологий /26/.
К сожалению, охватить все множество вариантов качества природных поверхностных вод при изменяющихся их расходах в створах водозаборов в течение всего срока эксплуатации станций водоподготовки, и тем более, придать более строгую область их отношения к предлагаемым классам водоисточников в настоящее время весьма трудно. Это объясняется отсутствием необходимого ряда наблюдений за изменением качества воды и их статической обработки. Реальное воздействие антропогенных факторов и хозяйственное влияние на некоторые водоисточники в ряде случаев не позволяют четко относить водоисточник к определенному классу. Тем не менее, даже приближенная классификация таких поверхностных вод, позволяет считать их исходной позицией для обоснования 3-4 альтернативных технологий очистки и кондиционирования природных вод.
В качестве определяющих природных (фоновых) ингредиентов были приня-ты помимо цветности и мутности, температура воды, водородный показатель рН, перманганатная окисляемость, количество клеток фитопланктона и общая минерализация. Каждому из тринадцати классов присвоено буквенное обозначение с числовым индексом, а восьми подклассам по антропогенным ингредиентам - числовое обозначение, указаны интервалы концентраций перечисленных выше ингредиентов и временной фактор их присутствия в воде за период эксплуатации водоочи стных станций (табл.2.4 и 2.5).
Для того чтобы водопроводные очистные сооружения (В ОС) служили надежным барьером, предотвращающим поступление загрязнений с водой потребителям, при подборе технологии водоподготовки необходимо провести объективный анализ информации об изменчивости показателей качества исходной воды за период, составляющий не менее трех-пяти лет. Методы очистки воды, рекомендуемые для применения на ВОС, должны обеспечивать ее кондиционирование в соответствии с требованиями /8/ на протяжении всего периода эксплуатации сооружений при изменяющемся качестве воды в водоисточнике. Однако, характер изменчивости таких показателей как мутность, цветность, окисляемость, нефтепродукты и других, наблюдаемый в конкретном месте водозабора согласно действующим проектным нормативам в настоящее время формально можно не учитывать/
В процессе эксплуатации запроектированных без учета этого фактора сооружений, особенно с появлением в воде водоисточника повышенных концентраций антропогенных загрязнений выясняется, что ВОС не могут должным образом выполнять свои функции из-за недостаточной барьерной способности, запроектированной и внедренной в практику технологии водоочистки.
Самой сложной задачей, возникающей при оценке загрязнений в исходной воде, влияющих на выбор технологической схемы водоочистки, является нахождение верхних пределов концентраций загрязняющих веществ (Q ,,), на которые должны быть ориентированы защитные функции очистных сооружений, включаемых в технологическую схему станции. Под лимитирующими ингредиентами загрязнений природной воды принимаются такие, за которыми ведется постоянный или периодический контроль в створе водозабора в соответствии с требованиями /8/. Учитывая, что в ряде случаев превышения концентраций отдельных ингредиентов исходной воды над их средними значениями за наблюдаемый период могут достигать 3-5 и более раз, нетрудно убедиться о существенном влиянии значений Cimax на будущие капитальные и эксплуатационные затраты проектируемых ВОС.
Для выбора и обоснования технологии водоподготовки необходимо установить границы поля концентраций ингредиентов исходной воды. Нижней границей этого поля является установленный нормативными документами лимит на содержание вещества в обработанной воде. Например, для питьевой воды - это норма, принимаемая по /8/.
Биохимическая сущность пред очистки воды в биореакторах с носителями прикрепленных микроорганизмов
В основу биологической предочистки воды, осуществляемой непосредственно в руслах рек, подводящих каналах или приемных отделениях береговых колодцев водозаборов могут быть положены процессы деструкции и превращения органических веществ в природных водотоках и водоемах. Органические растворимые вещества, образующиеся в процессах фото- и хемосинтеза под воздействием солнечной энергии и круговорота в природе, относятся к первичной продукции. Автотрофи создают органическое вещество фиксацией углекислоты. К этим продуцентам относятся все растения (кроме грибов) и автотрофные бактерии.
Биомасса автотрофних организмов - водорослей, высших водных растений и бактерий служит источником питания для гетеротрофных организмов (консумен-тов): бактерий, грибов, зоопланктона. Среди них выделяется особая группа организмов — редуцентов, которые минерализуют мертвое органическое вещество, обеспечивая тем самым, продуценты элементами минерального питания.
При разложении бактериям и грибам отмерших водорослей часть сложных органических веществ минерализуется, а часть превращается в более простые соединения, усвояемые микроорганизмами. В клетках последних они трансформируются и входят в состав тел микроорганизмов в виде белков или запасных питательных веществ. Таким образом, микроорганизмы участвуют в деструкции органического вещества продуцентов и синтезируют органическое вещество собственного тела. Органическое вещество, образующее тело фитофагов, представляет вторичную продукцию и в дальнейшем может еще трансформироваться и образовывать третичную и последующие продукции /137/. Так образуются «трофические цепи». Переход от одного «трофического уровня» к другому осуществляется через пищевые цепи, в которых каждое предыдущее звено служит пищей последующему.
На любом трофическом уровне потребляемая организмами пища полностью не усваивается. Количество первоначальной энергии, содержащейся в пище (Э), равно сумме количества энергии, заключенной в приросте биомассы (/7$), потраченной в процессах обмена (О) и части неусвоенной пищи (//„):
Эффективность использования пищи характеризуют коэффициентом использования потребленной пищи на рост биомассы:
Чем больше трофических уровней в экосистеме, тем меньше конечный прирост биомассы. При каждом переходе органического вещества на последующие трофические уровни аккумулируемая фитопланктоном энергия снижается примерно в 10 раз. Основную роль в минерализации органических соединений, поступающих в водоисточник со сточными водами и образующимися в нем в результате синтеза первичной продукции, играют бактерии. В зимнее время сроки бактериального самоочищения водоемов затягиваются, и возрастает опасность распространения патогенных бактерий. Основными поставщиками кислорода, расходуемого на окисление органических веществ бактериями, являются растения, представленные фитопланктоном (сине-зеленые, диатомовые водоросли и др.). Большую роль в самоочищении вод водоемов и водотоков играет фитобентос на мелководье и в подводящих к насосным станциям первого подъема каналах, где более эффективен прогрев воды и проникновение света. Весьма велика роль фитопланктона в процессах удаления из очищаемых вод соединений азота и фосфора, используемого водорослями на построение своей биомассы.
Не менее важна, а в ряде случаев и преобладающая роль в самоочищении водоемов и водотоков принадлежит макрофитам. К ним относятся рогоз, тростник, камыш, рдест и другие высшие водные растения. Они участвуют в процессах осветления воды за счет механического задержания и адгезии взвеси, удаления минеральных солей и оказывают влияние на химизм воды. Многие из них способны аккумулировать в своем теле различные элементы. Например, в пересчете на 1 кг сухой массы сустака, последний способен извлечь из воды — 7,5 мг фосфора. Растение камыша массой 100 г извлекает за сутки до 4 мг фенола. Камыш активно поглощает марганец, ирис — кальций, ряска — медь, рогоз и камыш - нефтепродукты /137/.
На основании этих способностей макрофитов уже испытаны и нашли практическое применение в водоочистке биоканалы и биоплато /135, 3/. Основной задачей при успешном применении макрофитов в практике водоочистки является оперативный контроль за процессом накопления в них токсичных продуктов и своевременная уборка, утилизация отработанных стеблей или растений в целом.
Основную роль в биоседиментации и биофильтрационном осветлении воды играют беспозвоночные филътраторы типа пресноводных двустворчатых моллто сков Dreissena polymorpha Pall. Они изымают из воды взвесь, трансформируя ее в осадок в виде фенольных комочков и псевдофекалий. На примере Волгоградского водохранилища установлено, что количество профильтрованной воды моллюсками за вегетационный период может достигать 840 см /м . Биологическая детоксикация осуществляется всеми гидробионтами биоценоза обрастаний. На ускорение многих процессов биологического самоочищения воды влияет выделяющийся в процессе фотосинтеза кислород, на содержание которого в воде существенное влияние оказывают нитчатые водоросли родов энтероморфа, кладофора, спирогира и эпи-фитные виды, развивающиеся на них.
Учитывая разные климатические условия, степень загрязненности воды, характер водотоков и водоемов и количество обрабатываемой воды в сутки, основная задача по более эффективному использованию биологической активности естественных биоценозов водоемов и водотоков природных вод для извлечения взвешенных минеральных и органических веществ в зоне водозаборов и на входе в очистные сооружения должна заключаться в создании условий для закрепления их на специальных носителях с высокоразвитой поверхностью. При реализации такой технологии обеспечивается: - большая удельная концентрация естественного биоценоза, очищающего загрязненную воду в относительно небольшом объеме; - формирование пространственной сукцессии гидробионтов, осуществляющих на первом этапе очистку воды от органических и неорганических примесей, а также от возбудителей заразных заболеваний с помощью микроорганизмов, в частности, бактерий и фитоценоза; - образование естественной трофической цепи гидробионтов для последующего освобождения воды от микроорганизмов, например, с помощью простейших, фильтраторов и других представителей ценоза. Исследованиям биопредочистки воды с использованием иммобилизованных на инертных и активных носителях микроорганизмов посвящены работы ученых д.б.н. Гвоздика П.И., д.б.н, Глобы Л.И., д.б.н. Заторной Н.Б., д.т.н. Васильева Л.А., д.т.н. Швецова В.Н. и др. /138-145/. На рис.3.2. представлены конструкции сооружений для биологической пре-дочистки воды с использованием различных насадок для прикрепленной микрофлоры..
Биологическая предочистка поверхностных вод
Химические и биологические процессы взаимодействия биоценозов водотоков с ингредиентами природного и техногенного происхождения загрязняющими воду, характеризуются: минерализацией органических веществ гетеротрофными гидробионтами за счет деятельности аэробных бактерий и простейших; биоседиментацией, основанной на биокоагуляции пресноводных и двухстворчатых фильт-ратов-малюсков типа; биологической детоксикацией, основанной на использовании токсикантов как источника пищи и доминаторов кислорода; фотосинтетической аэрации - способности нитчатых (эпифитных) водорослей продуцировать кислород (до 3-5 г02/м2 сут).
К методам биологической предо чистки и очистки природных вод, содержащих антропогенные примеси относятся: очистка воды (отстаивание, отстаивание с принудительной аэрацией или озонированием) в наливных искусственных водоемах и каскаде естественных озер и проточных водоемов; очистка воды в каналах и водоемах с высаживаемыми в них водными растениями (тростник, рогоз, ирис и др.), включая наплавные биоплато; очистка воды в биореакторах с носителями прикрепленных микроорганизмов, размещаемых в водозаборных узлах и входных сооружениях очистных станций.
Наиболее индустриальный метод с использованием управляемых гидробио-нтов, реализуется на относительно простых по конструкции предложенных и разработанных нами биореакторах (биофильтрах) с волокнистой и гранулированной насадкой. При использовании воды из поверхностных водоисточников размещение биореактора возможно, например, непосредственно в оголовке руслового водозабора или в приемном отделении HC-L При этом необходимо учитывать реальные, достаточно высокие входные скорости потока воды в водозаборный элемент.
Конструкция биоректора рассчитывается так, чтобы не происходило разрушение (отрыв) элементов наживления биоценоза.
В качестве носителей для прикрепленных микроорганизмов могут использоваться материалы из естественного минерального сырья - вспученные керамзиты, шунгизит, редоксид, а также волокна, изготовленные из полиэтилена и полипропилена. Последние обладают высокой прочностью и стойкостью к действию микроорганизмов, они нерастворимы в воде, спирте, минеральных кислотах (серной, соляной и др.) и щелочах. Капрон также нерастворим в воде, обладает стойкостью к действию микроорганизмов, не токсичен, неустойчив по отношению к ряду минеральных кислот (серной, соляной, азотной), при этом высоко устойчив к щелочам и не оказывает токсичного действия на организм /193, L95-200/.
Использование материала с высокой удельной поверхностью необходимо для эффективной очистки воды при высоких скоростях потока. С этой целью были проведены сравнительные исследования различных типов волокон (таблица 4.6).
Эффективность снижения в речной воде взвешенных веществ, перманганат-ной окисляемости и хлоропоглощаемости воды до и после биореактора приведены на графиках рис.4.13. В дальнейших исследованиях применялась насадка из капроновых нитей.
В разработанных комбинированных сооружениях, сочетающих в себе биореактор и контактный осветлительный фильтр с плавающей загрузкой (рис.4.14), исходная вода обогащается кислородом воздуха, а затем поступает в биореактор, на поверхности волокнистой или гранулированной загрузки которого развивается биоценоз, поглощающий из воды, растворенные органические загрязнения. взвешенные вещества; б) хлоропоглощаемость; в) перманганатная окисляемость Во время "зарядки" биореакторов и в периоды ухудшения качества исходной воды может быть предусмотрена дополнительная подача воздуха в толщу загрузки биореактора через распределительные системы и при необходимости реагентная обработка воды перед поступлением на фильтры с плавающей загрузкой. Под временем "зарядки" биореактора понимается время, необходимое для образования на поверхности материала загрузки биоценоза обрастания, в количестве и качестве, достаточном для его эффективного взаимодействия с органическими веществами в природной воде. Оно эквивалентно продолжительности работы биореактора с момента пуска его в работу до начала снижения перманганатной окисляемости на 10 %. При достижении такого эффекта очистки заметно снижается и хлоропоглощаемость воды (на 5-15%).
При анализе обрастаний и осадка в пробах воды обнаруживался: детрит, множество мелких крипто монад (Cryptomonas sp., Rhodomonas sp.); обломки панцирей диатомовых водорослей (Synedra, Navicula, Melosira). Среди организмов зоопланктона были отмечены Chydorus ovalis, Chydorus sp.
Динамика накопления биомассы на носителях-вол окнах в течение года в сопоставлении с изменением в этот период температуры и перманганатной окисляемости воды реки Вологда представлена на рис.4.15. При сопоставлении данных по изменению концентрации биомассы и перманганатной окисляемости в течение года видно, что в периоды ухудшения качества воды и возрастания температуры (апрель-октябрь) наблюдается более высокая интенсивность обрастания на носителях (до 0,6-0,8 г/г насадки).
Опытным путем (рис.4.16) было установлено, что достижение 10 % эффекта безреагентной очистки воды по пермангантной окисляемости, химическому потреблению кислорода и азоту аммонийному при разной степени наполнения корпуса биореактора капроновыми нитями (ф) наблюдается через 1,5-2 суток ( р = 0,2), 2,5-3,5 суток {(р = 0,15) и от 3 до 8 суток ( р = ОД). Максимальное снижение (до 20-35%) в исходной воде концентраций этих показателей при температуре воды 8С фиксировалось при степени наполнения р = 0,15-0,25. В зимнее время при температурах воды близких к 0С и незначительном содержании взвеси следует принимается наибольшую степень наполнения. При температуре воды более 8С степень наполнения объема биореактора загрузкой может быть уменьшена до 0,1.
Сложность состава природных вод, наличие в ней широкого спектра органических и неорганических веществ, реагирующих с хлором, является причиной того, что до настоящего времени эти сложные процессы комплексно оцениваются лишь суммарной характеристикой - величиной хлоропоглощаемости. Исходя, из величины хлоропоглощаемости назначается доза хлора. Увеличение дозы хлора при обработке вод, содержащих органические примеси, в том числе техногенные, способствует росту концентрации в воде летучих хлорорганических соединений. Поэтому, добиваясь снижения содержания органических веществ биологическими методами в исходной воде на первой стадии ее обработки, можно исключить (существенно снизить) количество вводимого в исходную воду хлора, а, следовательно, и предотвратить образование токсичных тригалогенметанов.
На эффективность изменения хлоропоглощаемости оказывает влияние температура воды напрямую связанная с жизнедеятельностью микроорганизмов. Условия формирования устойчивого биоценоза обрастания зависят от скорости фильтрования воды через слой носителя. Так, при высоких скоростях фильтрования будет происходить преждевременное разрушение биоценоза, а при слишком малых - может оказаться недостаточной величина поступления питательных веществ для нормальной жизнедеятельности микроорганизмов.
На основании экспериментальных данных с использованием ЭВМ были получены расчетные зависимости для определения эффективности снижения хлоропоглощаемости воды (4.1-4.2). Установлено, что полученная модель адекватна (проверка по Фишеру), опыты воспроизводимы (проверка по критерию Кохрена) и все коэффициенты - значимы (проверка по критерию Стьюдента). где ХП и ХП0 - хлоропоглощаемость воды, мг/л; Г- температура воды, С; v - скорость фильтрования, м/ч.
Формула (4.1) справедлива для условий работы биореактора с момента его полной «зарядки», при изменении температуры воды в интервале от 4 до 12 С, р = 0,1-0,2 и v = 2-7 м/ч. Относительная погрешность в расчетах не превышала 10%. При расчетах для температуры воды менее 4С и более 12С, эффективность сни
