Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Особенности биообрастания оголовка водозаборных сооружений 12
1.1 Снижение надежности сооружений систем водного хозяйства в результате биообрастания 12
1.2 Особенности биообрастания поверхностей сооружений в системе водоснабжения из поверхностных пресноводных источников 14
1.3 Снижение эксплуатационных характеристик решеток оголовка ВЗС 17
1.4 Биообрастание решеток оголовка водозаборных сооружений 26
1.5 Методы и устройства защиты решеток оголовка ВЗС от биообрастания 28
Глава 2. Аппаратура и методика исследований 35
2.1. Объекты исследования 35
2.2 Методы и приборы лабораторных исследований 40
2.3 Описание модельной установки 43
2.4 Методы исследования биоповреждений 45
2.5 Математические методы исследования 56
Глава 3. Экспериментальная часть 62
3.1 Определение влияние состава речных вод на скорость биообрастания решеток оголовка ВЗС 62
3.2 Исследование влияния биологического фактора на коррозию и обрастание металла в речных водах 67
3.2.1 Роль бактериальной пленки в коррозии металла в пресных водах 72
3.2.2 Влияние примесей в пресных водах на рост биопленки 73
3.2.2.1 Выявление органического вещества, инициирующего рост биопленки 74
3.3 Механизм процесса коррозии и обрастания металла под действием сульфатвосстанавливающих бактерий 75
3.3.1 Коррозионные исследования металла в среде СВБ 75
3.3.2 Определение влияние химического состава на скорость коррозии стали в среде СВБ 78
3.3.3 Влияние материала поверхностей на процесс биообрастания 80
3.3.4 Влияние электрохимических воздействий на процесс биообрастания 84
3.3.5 Изучение устойчивости пленки из продукта СВБ 86
3.4 Разработка системы диагностики и предупреждения коррозионных разрушений и биообрастаний решеток оголовка ВЗС 89
3.5 Разработка эффективного метода защита от биообрастания и коррозии под действием анодного окисления 94
Глава 4. Технологические рекомендации защиты решеток оголовка ВЗС от биообрастания и эколого-экономическое обоснование 108
4.1 Совершенствование защиты решеток оголовка ВЗС от биообрастания 108
4.2 Экологическое воздействие от биообрастания 117
4.2.1 Биообрастание металлов, как причина аварий 119
4.2.2 Экономические потери от биообрастания прямые и косвенные 120
4.2.3 Количественная оценка биообрастания 124
4.3 Определение прямых потерь от биообрастания 125
4.4 Определение косвенных потерь от биообрастания 126
Общие выводы 132
Список литературы 133
- Снижение эксплуатационных характеристик решеток оголовка ВЗС
- Исследование влияния биологического фактора на коррозию и обрастание металла в речных водах
- Разработка эффективного метода защита от биообрастания и коррозии под действием анодного окисления
- Определение косвенных потерь от биообрастания
Введение к работе
Актуальность работы. Растущее с каждым годом водопотребление требует усовершенствования работы инженерных сооружений, обеспечивающих прием воды из природного источника. На эффективность работы ВЗС, особенно в теплый период года, отрицательно влияет биообрастание. Водоприемные окна с сороудерживающими решетками, самотечные, всасывающие и напорные трубопроводы на водозаборах (особенно на зарегулированных источниках) подвержены внутреннему обрастанию гидробионтами, из которых наибольший вред приносят моллюски дрейссены.
Биообрастание решеток оголовков ВЗС приводит к неизбежным осложнениям при эксплуатации сооружения: увеличению затрат, снижению качества очищаемой воды (более чем на 40% снижается качество очищаемой воды), к критическим потерям напора во всасывающей системе водозабора, к угрозе остановки насосных станций, увеличению затрат на их эксплуатацию. В последнее время процесс усугубляется в связи с потеплением климата и увеличением техногенного загрязнения. Прежде всего это коснулось южных регионов, где период биообрастания возрос с 2-3 месяцев до 6-7.
В связи с разнообразием видового состава микроорганизмов не может быть универсального способа борьбы с биообрастаниями. В каждом конкретном случае необходимо проводить корректирование предлагаемых методов. Обозначенное подчеркивает сложность, многофакторность рассматриваемой проблемы и необходимость ее последовательного решения. В представленной работе рассмотрена ситуация с пресноводным поверхностным источником, а именно Нижнее Поволжье, где вода представляет собой идеальную среду для развития и интенсивного размножения микроорганизмов не менее 7 месяцев в году.
Следует отметить, что применяемые в настоящее время методы борьбы с биообрастанием водозаборного оборудования направлены на ликвидацию последствий, а не на устранение причины образования отложений. Поэтому задача предотвращения или достижения возможного минимума интенсивности биообрастания решеток оголовков ВЗС состоит в том, чтобы обеспечить максимальную эффективность защиты решеток, что в результате позволит повысить экономические показатели водного хозяйства.
В этой связи предотвращение биообрастания решеток оголовка водозаборных сооружений является приоритетным направлением рационального водопользования, что и подтверждает актуальность темы данного исследования.
Представленная работа выполнена в рамках реализации федеральных целевых программ "Экология и природные ресурсы России (2002-2010 годы)", "Развитие водохозяйственного комплекса Российской Федерации в 2012-2020 годах".
Цель работы: разработка метода предотвращения биологического обрастания решеток оголовка водозаборных сооружений.
Цель предопределила следующие задачи:
- исследовать известные методы предотвращения биообрастания металлических поверхностей ВЗС, выделить основные причины их малого использования в условиях пресноводных поверхностных источников южных регионов (при средней температуре воды 15-250С), в течение 6-7 месяцев в году;
- установить главные факторы, определяющие первопричину интенсивного биообрастания (резкий рост моллюсков дрейссены и СВБ), с целью теоретического обоснования выбора направления научного поиска по обозначенной проблеме;
- создать модельную установку для изучения рассматриваемого процесса биообрастания решеток оголовка ВЗС в лабораторных условиях в зависимости от различных факторов: жесткости, температуры, химического состава речной воды Нижнего Поволжья, материала подложки (решетки);
- исследовать условия формирования, состав диффузионного слоя, образующегося на границе раздела металл-биопленка решетки ВЗС;
- провести комплексное исследование элементного состава биообрастаний (продуктов жизнедеятельности СВБ), физико-химических свойств биопленок из СВБ, состава воды, продуктов коррозии, выявить недостатки способов защиты металлических поверхностей, подверженных биообрастанию в речной воде, и наметить условия поиска более эффективного способа снижения биобрастания поверхности решетки оголовка ВЗС в реальных условиях эксплуатации;
- разработать и апробировать в реальных условиях, с соответствующими рекомендациями, методику предотвращения биообрастания решеток оголовка ВЗС.
Основная идея работы. Приведённые обстоятельства определили в качестве предмета научных исследований такие вопросы, как профилактика и защита от биообрастания металлических конструкций оголовка водозаборных сооружений, в частности решеток, как наиболее важной и уязвимой их эксплуатационной составляющей. Увеличение технико-экономических показателей ВЗС, на основе разработки наиболее экологичного и экономичного способа защиты от биообрастания решетки оголовка ВЗС.
Методы исследований включали: аналитическое обобщение известных научных и практических результатов. Оптические и физико-химические методы анализа состава речной воды, продуктов коррозионных и биопроцессов проводились в лабораторных, полупроизводственных условиях; методы математического планирования эксперимента, моделирование изучаемых процессов на испытательных установках, оснащенных контрольно-измерительными приборами, обработку экспериментальных данных вели методами математической статистики и корреляционного анализа.
Достоверность полученных результатов обоснована моделированием изучаемых процессов, планированием необходимого объема экспериментов и подтверждена удовлетворительной сходимостью полученных результатов, выполненных в лабораторных и производственных условиях с расчетными зависимостями в пределах погрешности =±10% при установленной доверительной вероятности р=0,95.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- теоретически обоснована и доказана на основе комплексного экспериментального исследования причина обрастания моллюсками дрейссены решетки оголовка ВЗС в воде Нижней Волги: возрастает химическая активность металлической поверхности;
- установлено, что интенсивному росту СВБ способствуют биокатализаторы, образующиеся в процессе биокоррозии в диффузионном слое на границе раздела металл – биопленка;
- определено, что через 120-140 часов контакта речной воды с поверхностью решетки, при t=12-15 0C, когда толщина диффузионного слоя более 10-12 мкм, а биопленки 4-5 мм, скорость атмосферной коррозии резко падает (до 10-13%), а биокоррозии – возрастает (до 58-64%);
- доказано и теоретически обосновано, что биообрастание возможно предотвратить, если создать условия на металлической поверхности решетки максимально замедляющие развитие диффузионного слоя, прежде всего, процесс биокоррозии, используя вещества - производные ферроценов;
- впервые выявлены условия, позволяющие на основе активации поверхности решетки оголовка ВЗС анодным током, получать в диффузионном слое вещества класса ферроценов, способных обеспечить защиту металлической решетки от биообрастания;
Практическая значимость. Разработаны практические рекомендации по предотвращению биообрастания металлических решеток оголовка водозаборных сооружений, в условиях поверхностных водных источников Нижней Волги, на основе электрохимического воздействия, не требующие дополнительных затрат на демонтаж и очистку основных конструкций.
Определено, что совместное применение анодного окисления и стандартных способов повышает степень защиты поверхностей оборудования систем водоснабжения от биообрастания.
Результаты выполненных исследований рекомендуется применять в комплексных технологиях защиты от биообрастания как новых, так и действующих ВЗС, и на сооружениях промышленных предприятий, включая профилактические мероприятия.
Разработанные рекомендации и предложения подтверждены материалами теоретических и экспериментальных работ, показавших высокую степень сходимости, что обеспечило возможность их использования в производственных условиях с учетом особенностей физико-химических параметров водного объекта и конструктивно-технологических характеристик данных систем водоснабжения.
Реализация результатов работы:
- проведены полупроизводственные испытания на водозаборных сооружениях в Волгоградской области.
- технология защиты от биообрастания, методики исследования и результаты практической реализации работы включены в курс лекций по водозаборным сооружениям, химии и микробиологии воды и в спецкурсе по микробиологической экологии для студентов ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет», обучающихся по направлению подготовки дипломированных специалистов «Водоснабжение и водоотведение», а также использованы в научно-исследовательской деятельности.
Предложены и апробированы в опытно-промышленных условиях предприятий технологические схемы защиты от биообрастания металлических конструкций оголовка ВЗС, содержащих различные загрязнители. Разработана, экономически обоснована и доведена до стадии практической реализации технология защиты от биообрастания. На основе предложенного способа сконструировано устройство обработки решетки оголовка ВЗС (акты внедрения прилагаются).
На защиту выносятся следующие положения:
- результаты исследования причин биообрастания решеток оголовка и водоводов водозаборных сооружений в присутствии СВБ;
- результаты исследований по электрохимическому воздействию на решетки водозаборных сооружений, при наличии СВБ;
- блок-схема технологии защиты от биообрастания электрохимическим анодным воздействием на стальные решетки ВЗС в реальных условиях.
Апробация работы. Базовые теоретические положения и результаты исследований докладывались на Международной научно-практической конференции 2009 г. г. Волгоград, региональных конференциях молодых исследователей Волгоградской области, ХI промышленно-технической выставке "Технофорум", заслушаны на круглом столе «Юнеско» в Казахстане и выставке-конференции «Энергоэффективность и энергетика» 2011 г. В г. Волгограде.
Публикации. Основные результаты и положения диссертации отражены в 11 печатных работах, включая учебные пособия, 8 статей в реферируемых изданиях.
Личный вклад автора состоит в формулировании цели и задач, организации и непосредственном участии в проведении теоретических и экспериментальных исследований, анализе их результатов, формировании выводов, разработки тактических методических подходов к защите от коррозии водоотводящих сетей с использованием электрохимических методов, а также написании статей по результатам собственных разработок и анализа предшествующего опыта.
Структура и объем диссертации. Диссертация включает введение, пять глав, общие выводы, список литературы. Общий объём диссертационной работы: 150 страниц машинописного текста, 10 таблиц, 25 рисунков, приложения.
Снижение эксплуатационных характеристик решеток оголовка ВЗС
Исследования образования биопленок на высококачественной стали, поливинилхлориде, полиэтилене и меди были проведены Г.-К. Флемингом при разном времени экспозиции в питьевой воде. В качестве материалов для сравнения применялись стекло и парафин. Время экспозиции составляло от одного дня до нескольких месяцев. Было установлено, что существенные различия в плотности заселения сглаживаются (выравниваются) при длительном времени экспозиции. Так, по данным Grubert L. после максимальной (восьмимесячной) эксплуатации полиэтиленового трубопровода на его поверхности образовывается такая же биопленка, как и на стальных трубах, обработанных специальными покрытиями. Даже на поверхности меди, которая на первоначальных этапах экспозиции (свежая поверхность) заселяется незначительно, после эксплуатации от месяца до года обнаруживается достаточно развитая биопленка.
Одним из методов борьбы с биологическими обрастаниями является также применение материалов, не подверженных или слабо подверженных воздействию микроорганизмов.
Именно поэтому, в составе мероприятий, применяемых для предотвращения обрастаний, способствующих коррозии труб и элементов оборудования, омываемых водой, существенное место принадлежит защитным покрытиям. Более гладкая поверхность таких покрытий существенно затрудняет прикрепление микроорганизмов. Кроме того, применение получают бактерицидные покрытия, содержащие токсические для микробов вещества. Механизм их действия заключается в ламинарном (пристеночном) слое покрытия такой концентрации биоцида, которая была бы достаточной для уничтожения попадающих в него расселительных форм. Необходимая концентрация биоцида, превышающая некоторое критическое значение, поддерживается благодаря постоянному выщелачиванию его из покрытия [29].
Из защитных мероприятий широко известна санация трубопроводов песчано-цементными смесями и полимерными покрытиями. Однако, в связи с тем, что санация - мероприятие дорогостоящее и требует отключения и полного опорожнения водопроводов, применение ее предприятиями водопроводно-канализационных хозяйств ограничено.
Как следует из результатов исследования процессов биологических обрастаний трубопроводов, при увеличении скорости течения воды биомасса обрастания сначала возрастает, что связано с усилением аккумуляции и роста. При скоростях, превышающих критическое значение - 0,2-0,5 м/с, она резко снижается, вероятно, вследствие возрастания напряжения сдвига в пограничном слое и нарушения условий адгезии и прикрепления. Наконец, при скорости течения, превышающей 1,5 м/с, обрастание вообще оказывается невозможным.
Понятно, что для обеспечения таких скоростей потока, необходимо уменьшать диаметры водопроводов, однако, это приведет к неоправданному росту энергетических затрат на подачу воды потребителям, поэтому практическое применение данного метода предупреждения биообрастания сомнительно.
Уничтожение уже развившихся обрастаний ведется, как правило, химическими методами [30].
Химическая зашита от биообрастания, основанная на применении токсичных для микроорганизмов веществ (биоцидов), ввиду использования системы водоснабжения для питьевых нужд, крайне ограничена. Самый известный и в настоящее время наиболее широко применяемый метод - хлорирование. Оптимально необходимые дозы хлора устанавливаются с учетом хлоропоглощаемости воды и должны обеспечивать наличие остаточного хлора в соответствии с СанПиН 10-124 РБ 99. Дозы хлора, время контакта и периодичность воздействия зависят от того, какие организмы преобладают в обрастаниях.
Режимы хлорирования (периоды подачи хлорированной воды и интервалы между ними) могут быть весьма разнообразными. Если обрастания образуются быстрорастущими микроорганизмами, периоды подачи хлора устанавливаются порядка 5-15 мин, а интервалы между ними - 45-55 мин [31]. Интервалы между периодами подачи хлора подбираются такими, за время которых возможно крайне небольшое оседание и прикрепление микробов. В период подачи хлора они окажутся убитыми, а поверхность металла освеженной. Слизистые налеты при этом распадаются и легко смываются напором воды.
Для борьбы с подвижными, плавающими клетками микробов обычно применяются низкие дозы хлора, например, такие, какие подаются на питьевьк водопроводах для дезинфекции воды.
Рациональные режимы хлорирования должны устанавливаться во всех случаях на основании изучения биологии и физиологии соответствующих организмов, вызывающих обрастание.
Применение хлора имеет свои недостатки. Известно, что даже при концентрации свободного хора в воде до 4 мг/л и времени воздействия 8 часов на обрабатываемой поверхности сохраняется до 20% микрофлоры биопленки обрастания. Интересно также, что в результате применения окислительных биоцидов, каким является хлор, происходит частичное разрушение биопленок, образуются легкоокисляемые органические соединения, т.е. среда обогащается питательными веществами, что, в свою очередь, способствует активному вторичному микробному росту. При взаимодействии хлора с органическими веществами биопленок возможно также образование соединений, обладающих канцерогенными свойствами.
Монохлорамин и перекись водорода оказывают, по сравнению с хлором, лучшее дезинфицирующее действие на организмы биопленок.
К сожалению, исследования по воздействию известных биоцидов на микроорганизмы относятся, в большинстве своем, к суспендированным (планктонным) клеткам. Эффективность воздействия биоцидов на клетки биопленки до конца не выяснена, т.к. микроорганизмы в биопленке распределены неравномерно и часто, как показано выше, оказываются защищенными от воздействия биоцидов внеклеточными полимерными веществами [32-35].
Главное преимущество хлорирования перед альтернативными методами заключается в создании в воде его остаточного последействия, что обеспечивает сохранение качества воды в распределительных сетях. Поэтому, несмотря на расширение применения других методов обеззараживания, технологии с использованием жидкого хлора являются наиболее распространенными.
Совершенствование технологии хлорирования остается актуальным, поскольку известны негативные факторы применения сжиженного хлора. В первую очередь это токсичность газообразного хлора (он относится к сильнодействующим ядовитым веществам), взрывоопасность из-за высокой реакционной способности и высокая коррозионная активность водных растворов. Другим известным недостатком процесса является образование при хлорировании, как указывалось выше, галогенорганических соединений. Основными и наиболее опасными среди них являются летучие галогенорганические соединение (ЛГС), большую часть которых при хлорировании природных вод составляют тригалогенметаны (ТГМ). Среди ТГМ наиболее вероятным является образование хлороформа, содержание которого, по некоторым оценкам, на 1 - 3 порядка выше других ЛГС. Необходимо также учитывать тот факт, что хлорирование приводит к появлению наряду с хлорсодержащими соединениями и их бром содержащих аналогов (бром дихлорметан и дибром хлорметан). Причем ПДК для бром дихлорметана и дибром хлорметана почти в семь раз ниже, чем для хлороформа, и в отдельных случаях они вносят основной вклад в составляющую токсичности воды. Поэтому снижение дозы хлора при первичном хлорировании воды является одним из наиболее доступных приемов, предотвращающих образование ЛГС на действующих водопроводах. На взаимодействие хлора с органическими веществами, в результате которого образуются ЛГС, оказывает влияние их состав и количество, а также сочетание процесса хлорирования с другими технологическими процессами, такими как коагулирование, фильтрование, озонирование. Установлено, что в процессе коагуляции, отстаивания и фильтрования ЛГС из воды, как правило, не удаляются, а после вторичного хлорирования их концентрация в очищенной воде возрастает и в резервуаре чистой воды достигает максимального значения. Образование ЛГС значительно уменьшается, если хлорированию подвергается вода, предварительно очищенная от взвешенных и растворенных органических веществ в процессе коагуляции, отстаивания и фильтрования. Таким образом, важным мероприятием, направленным на снижение суммарного количества ЛГС, является эффективная очистка обрабатываемой воды от природных органических соединений и микрофлоры, ответственных за образование ЛГС.
В настоящее время осуществляются мероприятия по сокращению числа объектов, использующих жидкий хлор.
Оптимизм ряда ученых и специалистов относительно быстрой замены хлорирования альтернативными методами обеззараживания, прежде всего озонированием и обработкой УФ-лучами, ввиду тяжелого материального положения большинства предприятий водопроводно-канализационного хозяйства зачастую несостоятелен. Кроме этого, преимущества, например, озонирования отнюдь не бесспорны.
Исследование влияния биологического фактора на коррозию и обрастание металла в речных водах
Даны результаты исследований микробиологического состава биологических обрастаний функционирующих решеток оголовка водозаборных сооружений. Микроскопический анализ микрофлоры обрастаний решеток показал, что преобладающими в природной ассоциации являются данные железобактерии: из одноклеточных - различные морфотипы «Siderocapsa» (Arthrobacter) и Gallionella; из нитчатых форм -Leptothrix. Главную массу бактериальных обрастаний образуют представители рода морфотипов «Siderocapsa», Leptothrix. Они присутствуют в малом количестве и ещё меньше - Gallionella (рис. 3.3). Помимо железобактерий, покрытых оксидами металлов, наблюдаются и другие бактериальные элементы, водоросли и простейшие.
Наряду с качественным составом железобактерий в обрастаниях оголовка был произведен количественный учёт микроорганизмов. Наблюдения при застойных явлениях. В условиях кратковременного застоя воды численность одноклеточных железобактерий составила (28,13 ± 0,88)хЮ5 кл/мл в воде на выходе и (2,20±0,05)х105 кл/г сырого песка из оголовка. При долговременном застаивании осуществляли количественный учёт микроорганизмов, участвующих в процессах редукции растворимых форм Fe и Мп. Количество микроорганизмов составило (18,52±0,56)х 105 кл/мл в воде на выходе. На этом этапе в нижних слоях не выражалось отложений оксидов на стёклах обрастаний. Вследствие торможения протока воды в оголовке создавались анаэробные условия. Также при этом наблюдали обильнейшие бактериальные обрастания, представленные неожелезнёнными клетками нитчатых и крупных одноклеточных бактерий.
Анализ микробиологического состава оголовков ВЗС г. Волжского в период технической остановки забора воды (технологическая остановка связана с ремонтными работами или с промывом фильтров обратным током воды), показал, что общая численность одноклеточных Fe- и Мп-окисляющих органотрофных бактерий в речной воде из источника составила (240,00±7,00)хЮ5 кл/мл, анаэробных железо- и марганецредуцирующих бактерий (8,15±0,37)х105 кл/мл. Учёт количества микроорганизмов на решетке показал, что количество анаэробных Fe- и Мп-редуцирующих бактерий на 1 г решетки достигало порядка (2000,12±74,20)х 105 кл. Общее число Fe- и Мп-окисляющих микроорганизмов: органотрофных бактерий (13,20±0,51)х105 кл/г; одноклеточных бактерий (127,33±4,36)хЮ5 кл/г.
Полученные данные указывают на наличие застойных явлений в оголовке и модельной установке. Поэтому, после начала втекания находящаяся в состоянии застоя вода оголовка имеет в своем составе растворимое двухвалентное Fe. Оно начинает окисляться в трубах системы городского водоснабжения, а не на фильтрах водоподъёмной станции очистных сооружений.
Таким образом, в результате проведенных исследований было показано, что в оголовке модельной установки обитают типичные представители железобактерий, развивающихся при нейтральной реакции среды. Количественный учёт микроорганизмов выявил их высокое содержание в биобрастаниях решетки оголовка ВЗС (50 % составляют железобактерии). Была установлена важная роль железоредукторов во вторичном загрязнении питьевой воды растворимыми формами железа.
В данной главе представлены результаты полученные с использованием современной методологии. В частности применяемого сканирующего микроскопа JEOL JSM-6390 LV (с энергодисперсионной приставкой INCA Energy-250). Он основан на методе рентгеноспектрального анализа с микрозондовым анализатором в трансмиссионном микроскопе фирмы «JEOL» JEM 100 С.
Комплексное изучение элементного состава биологических обрастаний решетки оголовка ВЗС выявило наличие разнообразных химических элементов: S, С1, К, Са, Mn, Fe, С, О, Na, Mg, Al, Si, Cu, Zn, P, Mo. Преобладающее количество атомов тяжёлых металлов (Мп, Fe) связано с их биологической сорбцией на элементах оголовка и стеклах обрастаний в результате деятельности Fe- и Мп-окисляющих микроорганизмов. Из данных видно, что такие элементы как С, О, Si, Fe присутствуют у всех исследуемых образцов, причём с повышением ожелезненности наблюдается соотносительное увеличение атомного процента С, Fe, Са. Атомный % кислорода изменяется незначительно, а атомный % Si снижается, что, скорее всего, связано с увеличением интенсивности сорбции ионов металлов на поверхности фрагмента оголовка. Также за счёт деятельности микроорганизмов, способных окислять двухвалентные формы Fe и Мп с отложением окислов этих металлов на поверхности клеток. Наличие Мп на фрагментах решетки оголовка также подтверждает наличие окислительных процессов в фильтруемой воде. Процессы связаны с переводом соединений данного металла в нерастворимую форму. Атомные проценты для Na, Mg, Al оставались на одном уровне. Такие элементы как Р, С1, Мо были выявлены лишь единожды на различных образцах, и по ним сложно судить о каких либо динамических процессах.
По данным таблиц 3.3 и 3.4 можно сделать вывод, что атомный процент элементов: Fe, Си, Zn возрастает на снятых с поверхности стекла обрастаниях. Следовательно, происходит их концентрирование на сканируемой поверхности. Это еще раз подтверждает наличие окислительных и сорбционных процессов в оголовке. Высокий атомный процент элемента С в образцах обусловлен углеродным напылением.
Разработка эффективного метода защита от биообрастания и коррозии под действием анодного окисления
Для металлических конструкций ВЗС к наиболее распространенным можно отнести различные ингибиторы: гексаметафосфат натрия, триполифосфат натрия, трисиликат натрия, магномасса (доломит, двойная углекислая соль кальция и магния).
Весьма проблематично применение перечисленных ингибиторов, т.к. способ их нанесения на поверхность металла не отработан для рассматриваемых условий эксплуатации ВЗС, Наиболее удовлетворительными результаты привели испытания при использовании ферроцена (время действия составило 7-9 месяцев, и, следовательно, начало резкого роста биомассы - моллюсков, через обозначенный промежуток времени). Следует отметить, что ферроцен и его гомологи не являются токсикантами для воды.
Проблема биообрастания это моллюски и водоросли, но первичная роль отводится водорослям - как питательной среде. Среди них в пресноводных водных средах ведущая роль моллюсков дрейссены, для которых благоприятной средой являются СВБ - это бактерии, которые являются основной составляющей биопленки образующейся обязательно в водной среде на поверхностях из различных материалов (т.е. имеющих различный химический состав). Наиболее активный рост СВБ наблюдается на поверхности изделий (конструкций) содержащих железо и, прежде всего, ст. 20. В большинстве работ, посвященных изучению процессов взаимодействия микроорганизмов биопленки с поверхностью подложки, рассматривается коррозия, явление наносящее огромный непоправимьш ущерб конструкционным материалам сооружениям водоснабжения, и далее способы защиты от нее.
В представленной работе впервые излагается иная, принципиально противоположная известным, точка зрения на процессы протекающие на поверхности раздела металл (железо):биопленка (СВБ). Автором очень тщательно был исследован материал, касающийся физико-химического состава продуктов взаимодействия СВБ, условий катализирующих те или иные реакции.
Как известно, СВБ - группа, объединяющая восемь родов различных бактерий, но из них более 70% приходится на одноклеточные и нитчатые, которые образуют в процессе своей жизнедеятельности, окисляя железо (Fe - 2 е =е2+) биокатализаторы для всех видов СВБ, особенно и тем самым активизируя по цепочке весь процесс биообрастания. В работе исследованы условия образования биокатализатора с Fe и далее провели экспериментальный поиск фактора, наличие которых пассивирует металлическую поверхности решетки оголовков в пресной природной воде.
В лабораторных условиях при работе с модельными и реальными раст-ми показано, что биосинтез катализаторов из СВБ ускоряется, если в среде присутствуют определенные органические соединения: жирные кислоты (от 1 до 18 условных обозначений, а также их соли, спирты (этанол, пропанол, бутанол, углеводы (сахара и т.д.), циклические хлорсодержащие соединения).
Таким образом, на основании проведенного теоретического анализа биообрастания, причин его возникновения, основных факторов инициирующих его, установлено: биообрастание возможно предотвратить если перевести основания -площадки для размножения первоначальных колоний - микроорганизмов в пассивное состояние, т.е. в данном исследовании максимально. Требуется определить факторы (условия перевода) способные сделать инертной поверхность решетки оголовка в инертное состояние.
Существуют различные методы зашиты металлов от взаимодействия с окружающей средой, т.е. коррозии. В представленной работе опробировались, изучались только те, которые оказались бы впоследствии экономически выгодными, экологически безопасными и удобными при эксплуатации. В результате проведенного теоретического и экспериментального поиска определили: дальнейшие исследования для решения поставленных задач целесообразно проводить в диффузионном слое неизбежно образующимся при контакте материала (Fe) решетки с водой. Требовалось определить факторы (среду), в которой бы биопленки поверхность решетки являлась опасной для развития биопленки и далее биообрастания.
На опытных образцах наиболее приемлимым вариантом оказался ферроцен. На подготовленную поверхность наносили тонким слоем таким образом чтобы минимальное было время высыхания, после погружали в воду и анодно обработали. Опытным путем перепроверено, учитывая что пентадиен возможно перевести в анион и железо возможно окислить, попытка реализации синтеза ферроцена на поверхности решетки. Предварительно в лабораторных условиях получили ферроцен из биомассы, собранной с продуктов биообрастания, где в качестве анода использовался опытный образец. Снятая с образца биомасса не менее 150-170 г, помещалась в химический стакан и сюда же помещалась пластина из исследуемой стали 20. Эксперимент проводился в электро-химической ячейки с разделенным анодным и катодным пространством. Редоксо потенциал алкенов в пределах от +0,25 до 0,3 В.
Получение ингибиторной пленки из ферроцена и его гомологов в диффузионном слое металлической поверхности (ст.20) решетки осуществлялось по следующей цепочке: ферроцен - производное циклопентадиена (С5Н6 жидкость) получаем электрохимически - анодным окислением, предварительно собрав результаты экспериментов, необходимых для реализации схемы.
Потребовалось определить химический состав СВБ и в нем выявить требуемые структуры органических веществ; далее подобрать условия - величин роста СВБ, для определения требуемой биомассы на границе раздела металл - СВБ (включающие диффузионный слой и часть биопленки СВБ), которая содержала требуемое количество исходных веществ для ингибиторной пленки.
Ферроцен - относится к органическим производным переходным элементов. Его молекула имеет «сандвичевую» структуру, что вероятно и обеспечивает его высокую адгезионную способность, и позволяет уже при толщине ингибиторной пленки от 3 мкм, металлическую поверхность решетки содержать в пассивном состоянии, тем самым, практически остановить рост СВБ и далее - биообрастание.
В лабораторных условиях проведен эксперимент по выявлению условий обрастания ингибиторной пленки и далее исследовался процесс биообрастания на полученной поверхности:
Поверхность образцов из стали 20, площадью 4 см , класс чистоты 5, (с обратной стороны поверхность изолирования), и на нее наносили предварительно слой ферроцена не менее 0,3-0,4 мм и придавливании пластиной из орг. Стекла. Рабочий раствор находился в состоянии покоя. Время воздействия от 5 до 40 мин. После анодной обработки ф ан. = 0,300 В.
Установили: исходным сырьем для получения ферроценовой пленки послужат органические соединения класса циклоолефинов входящие в состав СВБ - ауксины и простгландины (стимуляторы роста и регуляторы функции клеток СВБ). Для образования ИП (ингибиторной пленки) толщиной не менее Змкм, требуется количество биомассы на 1 см поверхности не менее 26-30 мг.
Под воздействием анодного потенциала величиной 250-400 мВ, реакция, вероятнее всего, протекает по ионному механизму: циклопентадиен и его гомологи в СВБ, хотя и не обладают ароматическим характером и ведут себя как непредельные вещества, могут образовывать ионы с типичными ароматическими свойствами - отщепляя протон и сохраняя при этом электронную пару, превращается в ароматический циклопентадиенильньш анион, имеющий секстет электронов: С5Нб -ЬҐ - 250-400 мВ С4Н4 - С:Н (3.9)
Одновременно с реакцией по уравнению (3.9) протекает реакция Fe-2e=Fe+2 (2), что приводит к образованию требуемого соединения, которое обладает ароматическими свойствами.
Разработан удобный метод синтеза ферроцена и его моноалкил 1,3-диметил, 1. -дифенилбутильных, диметилкарбинольных и аминометильных производных. Установлены некоторые физико-химические показатели полученных соединений. Известно, что эффективность тех или иных ингибиторов коррозии различных стальных оборудований и конструкционных материалов при прочих равных условиях зависит от рН коррозионной среды [67]. При этом наиболее простым и экономичным способом борьбы с коррозией является либо добавление в коррозионно-агрессивную среду поверхностно активных веществ (ПАВ), либо изолирование металлов с помощью гшенкообразуюншми смесями состоящими из ПАВ с различными нефтеполимерными материалами [68]. На практике в качестве ПАВ используется обычно как органические с различными функциональными группами, так и 0,S,P,N содержащие гетероатомные соединения, такие как спирты, альдегиды, кетоны, органические кислоты, сложные эфиры, (полисульфиды, сульфоксиды, амиды, амины, четвертичные аммониевые соли и др.) [69].
Определение косвенных потерь от биообрастания
1. Косвенные потери Ск следует определять по формуле Ск =Спо+ Свп+ Сск+ Смк+ Свз, (4.5) где Спо - потери из-за возможного простоя основных производственных фондов в период ремонтно-восстановительных работ; Свп - потери от снижения объема выпускаемой продукции; Сек - потери из-за ухудшения качества выпускаемой продукции; Смк - потери продукции из-за сквозной коррозии конструкций; Свз - издержки по возмещению ущерба смежным отраслям промышленности, сельскому хозяйству и окружающей среде. Ск=51 300+350 650+150 460+78 900+280 120=911430 руб.
2. Потери от возможного простоя основных производственных фондов в периоды проведения ремонта строительных конструкций определяются по формуле (8) части I настоящих методических рекомендаций.
3. Потери, связанные с остановкой производства и снижением объема выпускаемой продукции Свп, следует определять по формуле
Свп=(Цк -Ссб) Ml tnn, (4.6)
где Цк- оптовая цена сбыта единицы продукции;
Ссб - себестоимость единицы продукции;
Ml - средний однодневный объем выпуска продукции;
tnn - время простоя производства (в днях).
Свп=(Цк -Ссб) М1 иш=350 650 руб.
4. Потери из-за ухудшения качества выпускаемой продукции Сек следует определять по формуле Сск= М2 (Цк -Цнк), (4.7) где М2 - количество продукции худшего качества; Цк - оптовая цена сбыта единицы продукции; Цнк -тоже со сниженными показателями качества. Сск= М2 (Цк -Цнк)= 150 460 руб.
5. Потери от утечки или порчи материалов и продукции Смк из-за сквозной коррозии конструктивных элементов зданий или сооружений (например, резервуаров, трубопроводов, складов и хранилищ) определяются по формуле Смк=МЗ Цп, (4.8) где МЗ - потери продукции из-за сквозной коррозии; Цп - оптовая цена потерянной продукции. Смк= МЗ Цп=78 900 руб.
6. Издержки Свз из-за нарушения сроков поставки продукции, а также от загрязнения окружающей среды, определяются по соответствующим актам, составляемым на действующих предприятиях органами надзора [95].
Прямой ущерб включает затраты на замену прокорродировавших конструкций, сооружений, узлов и деталей оборудования, недоамортизированную стоимость списанных в результате коррозии основных фондов, стоимость металлических полуфабрикатов, материалов и металлосодержащей готовой продукции, вышедшей из строя в результате коррозионного износа.
К косвенным относят те потери, которые проявляются в социальной, экологической и оборонной сферах жизни государства. Согласно экспертным оценкам косвенные потери многократно превышают прямые. [93]
Основная задача АКЗ - снизить в основном прямые расходы и частично косвенные.
В настоящее время нет единой методики оценки ущерба, наносимого коррозией. В общем виде прямой ущерб от коррозии можно оценить с помощью следующих показателей: [93]
1) Остаточная стоимость конструкции (О)
0=IT-A (1+D), (4.9)
где П - первоначальная стоимость конструкции;
А - амортизационные отчисления;
D - доля поврежденной конструкции в результате коррозии;
0= П - A (l+ D)=35 000 - 12 000 (1+0,35)=18 800 руб.
2) Стоимость замены прокорродировавшей конструкции (3)
3 = П + Пркт+Р + Д+Прч, (4.10)
где П - стоимость покупки новой конструкции;
Пркт - стоимость проекта;
Р - стоимость работа;
Д - стоимость демонтажа;
Прч - прочие затраты;
3 = П + Пркт +р + Д +Прч=35 000+55 500+21 000+18 000+ 10 000=139500 руб.
Оценка косвенного ущерба наносимого коррозией не менее важна, но более трудоемка по сравнению с оценкой прямого ущерба:
1) Экологический ущерб от загрязнения окружающей среды вследствие влияния коррозии и биообрастания (Уэ):
Y3 = S T C (4.11)
S - площадь загрязненной территории, м2;
Т - срок вывода из оборота загрязненной территории, год;
С - стоимость работ по очистке загрязненной территории, руб/м год.
Уэ = S Т С=1000 2 1000= 2 000 000 руб.
2) Ущерб жизни и здоровью населения (Ун): Ун = Кп Вп + Кпостр Впостр, (4.12)
где Кп - количество погибших в результате влияния коррозии и биообрастания, чел.;
Кпостр — количество пострадавших в результате влияния коррозии и бииобрастания, чел.;
Вп - выплаты членам семей погибших в результате коррозии, руб.;
Впостр - выплаты членам пострадавших семей в результате коррозии и биообрастания, руб.
Кроме того, величина косвенного ущерба рассчитывается достаточно приближенно, поскольку в настоящее время невозможно количественно оценить реальный урон, наносимый окружающей среде и здоровью человека.
Стоимость защиты от биообрастания намного дешевле, чем затраты, которые понесет предприятие в случае аварии. Для сравнения: затраты на осмотр и АКЗ для данного объекта ориентировочно составили бы около 300 тыс. руб. По оценкам специалистов затраты на восстановление и АКЗ в настоящее время составят примерно 30 млн. руб. Что существенно выше, чем плановая АК.
В главе проведен расчет эколого-экономической эффективности наиболее долговечных систем защиты решеток оголовка ВЗС (металлоконструкций) в соответствии со СНиП 2.03.11-85, ГОСТ 9.401-91 и ВСН 214-82 ., на основе предложенного метода
Эколого-экономический расчет эффективности предложенного технологического метода защиты водоводов и решеток ВЗС от биообрастаний показал, что снижение эксплуатационных годовых затрат на систему водоснабжения составит 22,8-28,2%. Окончательный ожидаемый экономический эффект составит 1,67 млн. рубУгод (акты внедрения прилагаются). С учетом дисконтирования предполагаемый срок окупаемости 3 года, по окончании поэтапного внедрения в соответствии с мероприятиями, запланированными Федеральным законом Российской Федерации от 7 декабря 2011 г. N 416-ФЗ "О водоснабжении и водоотведении".
