Введение к работе
Актуальность работы. В стабилизационной обработке нуждаются воды с нарушенной солевой структурой при их использовании в современных системах водообеспечения. Это - опреснённые, оросительные, умягчённые и мягкие северные воды, атмосферные осадки, циркуляционные воды систем оборотного водоснабжения промышленных и сельскохозяйственных предприятий, и др. Недостаток кальциевой жёсткости в воде интенсифицирует коррозионное разрушение омываемых поверхностей конструкционных материалов (малоуглеродистых сталей, бетона и др.) и снижает плодородие почв. Циркуляционная вода после декарбонизации в аэрационных охладителях, наоборот, формирует трудноудаляемые карбонатные отложения на поверхностях теплообмена технологического оборудования.
На многочисленных объектах агропромышленного комплекса совершенствование техники стабилизационной водообработки по существу является одним из основных факторов, управляющих практикой регламентирования расхода и качества воды различного назначения. В орошаемом земледелии это - контроль выпадения из поливной воды карбоната кальция и адсорбции натрия в корнеобитаемом слое почвы, в животноводстве и обслуживающей сельское хозяйства промышленности — нормирование расхода и состава технической воды, в сельских населённых пунктах -предотвращение вторичного загрязнения водопроводной воды продуктами внутренней коррозии труб.
Исследования по регламентированию водообеспечения должны носить перманентный характер с учётом прогресса в технологии стабилизационной обработки воды и изменения экологической ситуации в стране. Этим определяется актуальность дальнейших исследований по данной проблеме.
Большой вклад в развитие технологии стабилизационной водообработки внесли такие отечественные учёные как Апельцин Н.Э., Гладков В.А., Егоров А.И., Клячко В.А., Кучеренко Д.И., Пономаренко B.C., Фрог Б.Н., Шабалин А.Ф. и др. Среди зарубежных исследователей можно отметить Бренда, Ланжелье, Ларсена, Меррила, Ризнера, Россума, Сноинка.
Качественно новый этап в регламентировании воды был открыт после ввода в действие Водного кодекса Российской Федерации и принятием Федерального закона Российской Федерации «Об охране окружающей среды». Этими основополагающими документами, в частности, впервые введено требование обеспечения режимов водообеспечения «наилучшей доступной технологией».
Законом РФ №184-ФЗ от 27.12.02 «О техническом регулировании» предусмотрено внедрение с середины 2003 г. до 2010 г. при контроле качества продукции обязательных технологических регламентов, утверждаемых законодательно.
Многолетние теоретические и экспериментальные исследования, а также
многочисленные опытно-конструкторские работы и производственные
испытания позволили автору решить крупную научную проблему: создать
универсальную методическую базу и на её основе - новые и
усовершенствованные известные технологии стабилизации и
регламентирования режимных параметров водообеспечения различных отраслей АПК и организационно-техническое обеспечение их внедрения.
Цель работы. Совершенствование и развитие методов стабилизационной обработки воды для создания наилучшей доступной технологии, обеспечивающей регламентирование работы объектов водного хозяйства АПК с учётом современных и перспективных технико-экономических условий их функционирования.
При этом термин «регламентирование расхода и качества воды» в работе понимается расширительно: как строгое и точное подчинение требованиям водоохранного законодательства, гарантии качества выпускаемой продукции и предотвращения техногенных и экологических катастроф.
Объект исследования - параметры безопасного технологического режима водообеспечения предприятий АПК, новые и усовершенствованные известные технологии стабилизационной обработки воды, корректировка содержания в воде мешающих стабилизации примесей, удельные расходы воды, индексы и нормы стабильности воды и экспериментальные методы её оценки, градирни и электрохимическая коррозия омываемых водой конструкционных металлов водопровода, минеральные отложения в теплообменных аппаратах, циркуляция соединений неорганического углерода в водной и воздушной средах, оросительные, технические, опреснённые, коллекторно-дренажные и сточные воды.
Основные задачи исследования:
-
На основе аналитического исследования литературы и материалов исследований по данному направлению произвести выбор методов стабилизационной обработки, пригодных для разработки наилучшей доступной технологии в проектах регламентирования параметров воды на объектах АПК.
-
Теоретически исследовать закономерности гидрохимии карбонатов и законов массовых процессов для создания и внедрения с их помощью методической базы новых и усовершенствованных известных технологий стабилизации воды, обеспечивающих регламентирование воды как в малых, так и больших выборках объектов водного хозяйства АПК.
3. Разработать двухуровневый критерий индексов и норм стабильной воды
и экспериментальных методов контроля её стабильности, и обосновать область
их эффективного применения для контроля параметров стабильной воды.
4. Корректировать методики зксгіег^иміеіггальїпм^^исследования
технологии совершенствования стабилизации воды, учитывающие её
нормообразующие функции.
5. Экспериментально исследовать новые сооружения предподготовки воды,
отвечающие требованиям наилучшей—<цоступной технологии, для
интенсификации стабилизационной обработки и адаптирования её к обработке воды как в обычных, так и экстремальных условиях водопользования.
6. Внедрить новые и усовершенствованные существующие методы
стабилизационной обработки воды в крупные водохозяйственные объекты и
проекты, и на практике оценить опыт их многолетнего применения в области
обработки воды и её регламентирования.
-
Определить экономическую эффективность стабилизационной обработки воды при регламентировании технологического режима водообеспечения.
-
Разработать обобщающие рекомендации по перманентному регламентированию параметров воды на объектах АПК с использованием наилучшей доступной технологии её стабилизационной обработки.
Методы исследования. Выполнены стендовые исследования лабораторных и опытно-производственных установок реагентной и фильтрационной стабилизации вод различного происхождения с использованием теории подобия для определения гидравлических закономерностей загрузок стабилизационных фильтров при работе их в турбулентном режиме движения воды.
Осуществлён системный анализ существующих методов стабилизации воды и контроля её расходования на объектах АПК, а также гидрохимический анализ составляющих углекислотно-кальциевого равновесия в воде и их влияния на процессы химической мелиорации, предотвращения образования карбонатных отложений и электрохимической коррозии конструкционных металлов при обычных и экстремальных режимах эксплуатации систем водообеспечения.
С помощью классических методов моделирования проведены опытно-
конструкторские разработки новых устройств гидроавтоматики и
саморегенерации стабилизационных фильтров и градирен, совмещённых с
установками стабилизации воды и очистки её от примесей, затрудняющих
протекание процесса стабилизации. ,
Предложена методика физиолого-гагиенического обоснования минимально допустимого содержания кальций-иона в питьевой воде.
Методами математической статистики произведён анализ рядов распределения удельных расходов стабильной воды в выборках отраслевых предприятий и определена их корреляция с различными показателями водного хозяйства; с помощью эвристических методов дан прогноз изменения удельных расходов стабильной воды на перспективу.
На основе дисконтного метода оценена целесообразность вложения инвестиций в реконструкцию объектов водного хозяйства при стабилизации и регламентировании технологического режима их водообеспечения.
Научные положения, выносимые на защиту:
методологический подход к регламентированию параметров работы систем водообеспечения объектов АПК, заключающийся во взаимосвязи
методов стабилизации агрессивных и инкрустабельных вод с регулированием их качества и расхода;
научные основы текущего и перспективного регламентирования стабильности воды в больших выборках водопотребителей с использование аппарата математической статистики и эвристики;
двухуровневая оценка стабильности воды различными индексами, учитывающая фазовые переходы соединений углерода в процессе их трансформации;
комплекс новых и усовершенствованных известных методов стабилизации воды, в том числе вод с нарушенной солевой структурой (высокощелочных или низкощелочных) в экстремальных условиях (в степных и засушливых местностях, в областях с резко континентальным климатом и в высокоширотных районах земли);
принципы конструирования новых сооружений по наилучшей доступной технологии для предварительной очистке воды от примесей, в наибольшей степени угнетающих стабилизационную обработку (нефтемаслопродукты, органические загрязнения, механические примеси и др.);
методы приготовления стабильной воды с заданными потребительскими свойствами из опреснённых солёных вод, в том числе и при химмелиорации.
Научная новизна работы. Разработаны и научно обоснованы новые пути исследования кислотно-основного взаимодействия углеродсодержащих соединений, фазовых трансформаций карбонатной системы и параметров регулирования баланса соединений углерода в воде и использование их в качестве методической основы стабилизационной водообработки и регламентирования технологического режима водообеспечения объектов АПК.
Впервые создана и научно обоснована методика экспериментального исследования технологии совершенствования стабилизационной обработки воды. В числе её составных элементов органически сочетаются: откорректированные стендовые гравиметрические измерения, натурные исследования коррозионной стойкости действующих стальных водоводов большой протяжённости, гидравлические исследования стабилизационных загрузок из местных пород, методика выборочного обследования водного хозяйства предприятий АПК и поиск новых нормообразующих составляющих.
Предложены и научно обоснованы новые методики определения параметров: 1) карбонизации щелочных природных и отработанных вод диоксидом углерода, содержащимся в воздухе, и техническим и пищевым С02 в барботажных реакторах проточного и циклического действия; 2)кислотной обработки подпиточной воды для предотвращения карбонатных отложений на поверхностях нагрева в системах оборотного водоснабжения при коэффициенте упаривания Ку > 3; 3) кинетики фильтрационной стабилизации агрессивных вод в турбулентном режиме, а также реагентной их стабилизации известью и содой в режиме контролируемого пересыщения по СаСОз с учётом образования ионных пар.
Разработан и научно обоснован метод стабилизации агрессивных вод добавкой минерализованных вод искусственного (рассол опреснителей и каталит) и природного (морская и артезианская воды) происхождения.
Впервые предложен и научно обоснован двухуровневый классификатор из 15 индексов стабилизационной обработки воды, который регламентирует область pix эффективного применения и позволяет повысить не только надёжность индексного прогноза, но «работоспособность» самих технологий стабилизации и контроля параметров стабильной воды.
Созданы и научно обоснованы конструкции оригинальных комбинированных сооружений, размещаемых в системах кондиционирования оборотной воды холодильных машин, компрессоров и печей производственного назначения и предназначенных одновременно для процессов тепло- и массообмена и стабилизации воды или интенсификации этого процесса путём её осветления в отстойнике, фильтре, флотаторе или нефтеловушке, встроенных в резервуаре охлаждённой воды градирни; в этих сооружениях реализованы основы наилучшей доступной технологии.
Выполнены и научно обоснованы классификация и структурный анализ норм водопотребления и водоотведения с учётом качества потребляемой и отводимой воды на предприятиях АПК; принципы отбора номенклатуры выпускаемой продукции для перспективных норм расхода воды и их верификации.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается многократным воспроизведением ряда экспериментов, использованием известных методик экспериментов, статистической обработкой результатов экспериментов, сопоставимостью ряда полученных данных с описанными в литературе. Наиболее значительные работы автора [1-3] имели положительные рецензии ведущих специалистов в центральных журналах страны. Обоснованность предлагаемых технологических схем стабилизации и водообработки подтверждена производственными и лабораторными испытаниями на реальных водах. Установлено совпадение ранее рассчитанных оперативных и перспективных расходных составляющих регламентов технологических режимов водопотребления и водоотведения с фактическими по многим видам выпускаемой продукции.
5. Практическая значимость и реализация результатов работы заключается в:
создании системы водообеспечения объектов АПК с применением новых и усовершенствованных известных методов стабилизационной обработки воды, позволяющая увеличить ресурс и надёжность работы их технологических установок;
разработке предложений по корректировке разделов действующих строительных норм и правил по фильтрационному и реагентному методам стабилизационной водообработки для включения в обобщающий требования СНиП 2.04.02-85* технический регламент;
создании рекомендаций по повышению надёжности экспериментальных способов контроля коррозионной стойкости металлов в стабилизируемой воде ;
внедрении технологии стабилизационной обработки и получения воды заданного химического состава из опреснённой солёной воды на крупных водохозяйственных объектах, расположенных в аридных и полуаридных районах на побережье: Каспийского моря — Мангышлакский атомно-опреснительный комплекс в г.Актау (Казахстан), опреснительные комплексы в г. Бекдаш и Красноводск (Туркмения); Персидского залива и Аравийского моря - бухта Таваха ТЭС и опреснительный комплекс "Аден" (Йемен); ОАО «Апатиты»; отдельные результаты диссертации внедрены на Бийском маслоэкстракционном заводе (Алтай), фирме «Агрокомплекс» (Краснодарский край), фермерском хозяйстве п. Адыгеи Хабль (Карачаево-Черкесская республика), ОАО «Судогодский молочный завод», ликёро-водочный завод ЗАО фирма «Урожай» (Московская обл.) и др.;
внедрении станций стабилизации воды в проекты: двухцелевой атомной, электростанции и опреснительного комплекса в г.Триполи (СНЛАД) производительностью 80 тыс. м3 /сут (1981 г.); опреснительного комплекса в республике Катар производительностью 185 тыс. м /сут (1994 г.); плавающих атомно-опреснительных комплексов для акваторий Средиземного моря производительностью 140 тыс. м3 /сут (1990 г.); плавающих атомно-опреснительных комплексов для акваторий северной части Индийского океана производительностью 350 тыс. м3 /сут (2001 г.); и посёлке Проведения (оз. Истихед); маслоэкстракционных заводов (республика Бенин, 2000-2004 гг.),
разработке и издании массовым тиражом в виде справочника укрупнённых норм водопотребления и водоотведения с учётом качества потребляемой и отводимой воды для 33 отраслей наиболее водоёмких отраслей экономики страны;
формировании постоянно обновляемой на протяжении 4-х пятилеток системы текущих и перспективных норм и лимитов воды для 3,5 тысяч видов производственной продукции, основанной на внедрении новых и интенсификации существующих методов стабилизации воды, что обеспечило получение высокого водоохранного и экономических эффектов;
разработке 145 базовых терминов, определяющих основные понятия в области водоснабжения и водоотведения;
использовании материалов диссертационной работы в практике учебно-
педагогической работы водохозяйственных кафедр ведущих строительных и
сельскохозяйственных ВУЗов страны. На их основе разработаны учебник и
учебное пособие соответственного для среднего и высшего образования, а
также 9 методических указаний.
Личный вклад автора. Автор лично участвовал в разработке методологии исследований, опытно-конструкторских работах, постановке и проведении экспериментов, обработке и обсуждении научных результатов, создании и совершенствовании принципиальных технологических схем
стабилизации и очистки воды, их апробации в системах водопользования различного назначения.
В отдельных экспериментальных исследованиях совместно с автором принимали участие ряд сотрудников ФГУП "НИИ ВОДГЕО" и ВНИИ ЭУВХ, являющихся соавторами ряда публикаций (см. список опубликованных работ). В этих работах доля соискателя составила от 50 до 70 %.
Автор выражает глубокую благодарность Воронову Ю.В., Ивлевой Г.А. и Румянцеву И.А. за помощь в организации и проведении исследований по теме диссертации и обсуждении их результатов.
Апробация результатов исследований. Основные результаты и
положения диссертации доложены и обсуждены на следующих форумах,
конференциях и симпозиумах: Ш-ем международном симпозиуме по
опреснению морской воды (Югославия -Дубровник, 1970 г.); научно-
техническом семинаре «Опреснение солёных вод и использование их в
водоснабжении» (Москва, 1972 г.); пятой научно-технической конференции
молодых специалистов ВНИИ ВОДГЕО (Челябинск, 1972 г.); Всесоюзной
научно-технической конференции «Охрана водных ресурсов от загрязнения и
их рациональное использование в народном хозяйстве» (Ровно, 1972 г.);
конференции молодых специалистов объединения «Союзводоканалпроект»
«Инициатива молодых и новая техника - охране природы» (Ленинград, 1973 г.);
IV-ом международном симпозиуме по опреснению морской воды (ФРГ -
Гейдельберг, 1973 г.); производственно-техническом семинаре «Нормирование
и регулирование расходов воды на производственные цели» (Москва, 1974 г.);
Всесоюзной научно-методической конференции «Прогнозирование развития
водного хозяйства» (Москва, 1975 г.); научно-теоретической конференции по
охране окружающей среды «Научные и практические аспекты охраны
природной среды в Пермской области в связи с перспективами развития
народного хозяйства». (Пермь, 1978 г.); Республиканской научно-технической
конференции «Совершенствование технологии очистки питьевой воды и
автоматизации водопроводных сооружений. (Харьков,1974 г.), Всесоюзной
научно-технической конференции «Экономические проблемы
водообеспечения» (Батуми, 1978 г.); семинаре «Методология нормирования и
рациональное использование водных ресурсов» (Киев, 1979 г.);
республиканской конференции «Совершенствование нормирования
водопотребления и водоотведения в промышленности» (Киев, 1980 г.); научно-технической конференции «Повышение эффективности природоохранных мероприятий на основе внедрения современных методов контроля и управления» (Пермь, 1981 г.); совместном заседании секции по эксплуатации, ремонту и защите оборудования от коррозии научно-технического совета Миннефтехимпрома СССР и межзаводской школы «О состоянии и мерах по защите металла конденсациошю-холодилыюго оборудования, градирен и коммуникаций от воздействия оборотной воды и обмен опытом работы по эффективным методам очистки теплообменных и холодильных аппаратов» (Салават, 1981 г.); научно-техническом семинаре «Рациональное использование
воды в коммунальном водоснабжении» (Москва, 1981 г.); научно-техническом семинаре «Новое в проектировании и эксплуатации систем оборотного водоснабжения» (Москва, 1983 г.); научно-технической конференции факультета ВиВ МГСУ (Москва, 2002 г.), международной научно-технической конференция «Энергосберегающие технологии, методы повышения эффективности работы систем и сооружений водоснабжения и водоотведения» (Иркутск, 2003 г.); международная научно-практической конференция «Проблемы экологической безопасности и природопользования» (Москва, 2006 г.) Всего 20 сообщений.
Публикации. Материалы по теме диссертации представлены в 194 научных работах, в том числе в 6 монографиях и 46 статьях, опубликованных в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК РФ, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание учёной степени доктора наук.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав и заключения. Работа изложена на 305 страницах, включая 57 рисунков и 31 таблицу; список использованных источников содержит 170 наименований.
