На правах рукописи

ХАРАБРИН АНДРЕЙ ВАЛЕРЬЕВИЧ ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ КАЧЕСТВА ВОДЫ И ОЦЕНКА БАРЬЕРНОЙ РОЛИ СООРУЖЕНИЙ ВОДОПОДГОТОВКИ (на примере Северного ковшового водопровода г.Уфы) Специальности: 03.00.16 - УЭкологияФ;

05.23.04 - УВодоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсовФ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа - 2004 2

Работа выполнена в Уфимском государственном нефтяном техническом университете и муниципальном унитарном предприятии УУфаводоканаФ.

Научные руководители: доктор химических наук, профессор Клявлин Марс Салихович;

кандидат технических наук Кантор Лев Исаакович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Драгинский Виктор Львович;

доктор химических наук, профессор Петров Сергей Иосифович.

Ведущая организация ГУП УНИИ безопасности и жизнедеятельности Республики БашкортостанФ.

Защита состоится л22 декабря 2004 года в 14-00 на заседании диссертационного совета Д 212.289.03 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан л_ ноября 2004 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Абдульминев К.Г.

3 Актуальность проблемы. Обеспечение устойчивого развития человеческого общества невозможно без стабильного состояния природной среды. Вода является необходимой частью среды существования и оказывает существенное влияние на здоровье человека. Особенно это относится к той ее части, которая представляет собой питьевое водоснабжение. В последние годы наблюдается снижение качества воды поверхностных источников водоснабжения, что обостряет проблему чистой питьевой воды. В первую очередь, это связано с тем, что масштабы антропогенного воздействия стали соизмеримы со способностью гидросферы к самовосстановлению. Поэтому экологический мониторинг (далее УмониторингФ) состояния водоисточника и питьевой воды приобретает все большее значение.

С другой стороны, сведения о качестве воды водоисточника являются основой для управления режимом работы сооружений водоподготовки. Таким образом, повышение эффективности функционирования и совершенствование технологической системы подготовки воды хозяйственно-питьевого назначения на основе мониторинга состояния водоисточника и питьевой воды являются актуальными задачами.

Работа выполнена на основании Постановления Правительства Российской Федерации от 05.09.2001 г. № 660 УО федеральной целевой программе УИнтеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 годыФ, а также приказа Министерства образования России от 02.11.2001 г. № 3544 УО проведении открытого конкурса на размещение заказов на выполнение работ по реализации федеральной целевой программы УИнтеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 годыФ. Тема выполняемого проекта: УНаучно-образовательнотехнологический центр по мониторингу водоисточников и обеспечению качества питьевой воды из источников, подверженных техногенным загрязнениямФ (Государственный контракт П0026/1183 от 11.09.2002 г. и дополнение к государственному контракту № 1004 от 18.06.2003 г.).

Объектами исследования выбраны: источник водоснабжения г. Уфы - река Уфа и сооружения водоподготовки Северного ковшового водопровода из поверхностного водоисточника.

Цель работы - мониторинг состояния воды водоисточника, питьевой воды и научное обоснование технологических решений (барьерных технологий) для обеспечения качества питьевой воды в условиях антропогенного загрязнения поверхностного водоисточника.

Задачи исследования:

мониторинг состояния воды водоисточника по показателям: мутность, перманганатная окисляемость и температура статистическими методами;

мониторинг состояния питьевой воды по показателям: мутность, перманганатная окисляемость и остаточный алюминий статистическими методами;

выявление возможности дифференцирования годового цикла водоисточника на периоды, в которых качество воды имеет характерные особенности;

количественная оценка эффективности работы сооружений водоподготовки в течение годового цикла и обоснование технологий и методов интенсификации водоподготовки в отдельные периоды.

Научная новизна:

Х Впервые методом анализа временных рядов проведен мониторинг состояния качества воды водоисточника и питьевой воды по показателям мутности, окисляемости, температуры и остаточному алюминию. Количественно оценен вклад компонент в изменчивость показателя перманганатной окисляемости, при этом выявлена весовая доля вклада фактора случайности (в питьевой воде - 38,4%, в воде водоисточника - 29,9%).

Х На основании выявленных закономерных изменений показателей мутности, окисляемости и температуры проведено дифференцирование годового цикла водоисточника на периоды, в которых качество воды имеет характерные особенности.

Х По сочетанию параметров (технологических и показателей качества воды) обоснованы периоды, в которых возможно повышение барьерной роли сооружений за счет интенсификации процессов водоподготовки.

Практическая значимость работы: разработаны рекомендации по повышению барьерной роли сооружений водоподготовки Северного ковшового водопровода МУП Уфаводоканал, основанные на использовании известных методов интенсификации процесса водоподготовки.

Апробация работы.

Основные положения работы изложены и представлены: на V, VII и VIII Международных практических научно-технических конференциях УПроблемы строительного комплекса РоссииФ при Международной специализированной выставке УСтроительство, коммунальное хозяйство, энергоресурсосбережениеФ (г. Уфа, 2001 г., 2003 г., 2004 г.); научно-технической конференции ФВодоснабжение на рубеже столетийФ (г. Уфа, 2001 г.); на V, VI международных конгрессах УВода: экология и технологияФ ЭКВАТЭК - 2002, 2004 (г. Москва, 2002 г., 2004 г.);

на конференции, посвященной Международному дню воды, проводимой Министерством природных ресурсов Российской Федерации и Главным управлением природных ресурсов по Республике Башкортостан 22 марта 2003 г. (г. Уфа).

Публикации. Результаты диссертационной работы изложены в 5 статьях и представлены на 7 конференциях, опубликованы в материалах этих конференций в 9 тезисах докладов.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и общих выводов (217 страниц текста, 47 иллюстраций, 39 таблиц), 5 приложений и библиографии из 203 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность мониторинга состояния качества воды поверхностного водоисточника, питьевой воды и эффективности водоподготовки как основы для анализа работы и повышения барьерной роли очистных сооружений.

В первой главе рассмотрены: современное состояние источников водоснабжения; требования, предъявляемые к качеству питьевой воды; приведен обзор методов удаления антропогенных загрязнений в процессе водоподготовки и интенсификации работы очистных сооружений водоподготовки из поверхностного водоисточника.

Вторая глава посвящена мониторингу состояния воды водоисточника и питьевой воды; проведены количественная оценка эффективности очистки по показателю окисляемости и комплексный анализ работы очистных сооружений водоподготовки.

1. Мониторинг состояния воды водоисточника Мониторинг состояния воды водоисточника проведен по перманганатной окисляемости (ПМО), мутности (М) и температуре (Т), которые также являются основными параметрами, влияющими на выбор технологического режима водоподготовки. Исследования выполнены на основе данных ежедневных технологических анализов показателей, проводимых лабораторией Северного ковшового водопровода (СКВ) МУП УУфаводоканаФ за 1994Ц2002 годы. Исходные данные усреднены: каждый месяц разбит на четыре периода, характеризуемых величиной показателя, вычисляемой как среднее арифметическое от до 8 измерений; каждому полученному таким образом значению, присвоен порядковый номер, начиная с единицы. Таким образом, сформированы последовательности, представляющие собой временные ряды и состоящие из 432 значений. Полученные ряды имеют строгие временные границы - по 48 значений в году, что определяет их период сезонности. Сезонная декомпозиция мутности, окисляемости и температуры проведена по модели (2).

Исследование влияния различных типов трендов на значения сезонных индексов в процедуре сезонной декомпозиции показывает, что применение в качестве тренда скользящего среднего, ступенчатой функции среднегодовых значений и среднемноголетнего значения не влияет на расчетные значения сезонных индексов, при этом значения трендов отличаются не значительно. Это позволяет в качестве тренда рассмотреть среднемноголетние значения показателей и перейти к рассмотрению детерминированной компоненты в течение годового цикла. Таким образом, проведена свертка временного периода (9 лет) к УгипотетическомуФ году, который, по сути, является моделью временного периода.

Детерминированные компоненты описывают закономерные изменения окисляемости, мутности и температуры в речной воде в годичном цикле (рис. 1), причем значения с номерами (i=1Е4) соответствуют январю, (i=5Е8) - февралю и т.д. Из годового периода по значениям детерминированных компонент выделен паводковый период (рис. 1), который укладывается в значениях сформированного ряда (i=11Е25). Более подробный анализ изменения величин закономерных составляющих позволяет выявить в годовом цикле водоисточника и другие периоды, которые будут иметь свои характерные особенности формирования качества воды (рис. 1). Так, можно выделить два Унеустойчивых периодаФ - первый (i=25Е29) и третий (i=36Е46), в которых значения мутности и окисляемости могут как увеличиваться, так и уменьшаться. Периоды (i=29Е36) и (i=46Е11) характеризуются монотонным понижением мутности и окисляемости.

В целом первый период (i=25Е29, рис. 1) характеризуется флуктуациями значений окисляемости и мутности в речной воде и ростом температуры воды до наибольших значений в году. В этот период колебания мутности и окисляемости, очевидно, связаны с осадками (рис. 1).

Второй период (i=29Е36, рис. 1) характеризуется понижением температуры, окисляемости и мутности в реке на 6,0 С, 0,5 мгО/дм3 и 2,8 мг/дм3 соответственно. Третий период (i=36Е46, рис. 1) характеризуется стабильным понижением температуры до минимального значения (1-2 С), при этом уровень окисляемости в речной воде практически постоянен. Колебания мутности в этом периоде можно объяснить влиянием осенних осадков, а в конце периода - увеличением попусков Павловского водохранилища, связанного с особенностями работы ГЭС в осенне-зимний период. Четвертый период (i=46Е11, рис. 1) характеризуется стабильным снижением концентраций природных органических и взвешенных веществ в речной воде, о чем свидетельствует снижение окисляемости и мутности до минимальных значений, при этом температура речной воды минимальна.

Сравнение детерминированных компонент в паводковый период (i=11Е25, рис. 2) позволяет провести дифференцирование и выявить характерные особенности изменения качества воды и в этот период. Так, в первый подпериод паводка (i=11Е13, рис. 2) мутность в воде начинает расти, темп роста показателя в среднем составляет 0,9 (мг/дм3 за сутки), в то время как значения температуры и окисляемости практически не изменяются. Второй подпериод (i=13Е16, рис. 2) характеризуется ростом значений мутности и окисляемости с темпом 2,0 (мг/дм3за сутки) и 0,2 (мгО/дм3за сутки) соответственно до достижения наибольших значений за паводок. Третий подпериод (i=16Е19, рис. 2) характеризуется резким спадом величины мутности, в среднем на 1,5 (мг/дм3 за сутки), дальнейшим подъемом температуры воды (примерно на 5,5 С), при этом снижение показателя окисляемости воды происходит плавно. В четвертом подпериоде паводка продолжается дальнейшее плавное снижение мутности и окисляемости до некоторого предела (i=19Е25, рис. 2). Рост температуры воды в этот период наибольший и составляет примерно 6,5 С. Полученные результаты по изменению показателей качества речной воды в течение годового цикла и граничные значения периодов приведены в табл. 1.

Таблица Значения показателей качества воды водоисточника в периодах сезонности Периоды в годовом Окисляемость, Температура, Мутность, Отношение цикле (временные ин- мгО/дм3 С мг/дм3 ПМО/М, мгО/мг дексы i) От До От До От До От До I подпериод паводка 1,2 1,6 1 1,5 1,7 8 0,70 0,(i=11Е13) II подпериод паводка 1,6 6 1,5 4 8 52 0,20 0,(i=13Е16) III подпериод паводка 6 5 4 10 52 17 0,11 0,(i=16Е19) IV подпериод паводка 5 3 10 16,5 17 4,2 0,29 0,(i=19Е25) I период 3 2,8 16,5 20 4,2 3,8 0,75 0,(i=25Е29) II период 2,8 2,2 20 12 3,8 1,2 0,75 1,(i=29Е36) III период 2,2 2,5 12 2 1,2 2,5 1,85 1,(i=36Е46) IV период 2,5 1,2 2 1 2,5 1,7 1,15 0,(i=46Е11) Вклад тренда, сезонности и случайной компоненты в общую изменчивость показателей мутности, окисляемости и температуры оценены по формуле (6). Расчеты показывают, что сезонная компонента вносит наибольший вклад в общую изменчивость показателей качества воды водоисточника (табл. 2).

Таблица Вклады компонент в изменчивость показателей мутности, окисляемости и температуры в воде водоисточника Вклад компоненты, % Показатель Тенденция Сезонная Случайная Мутность 0,7 67,1 32,Окисляемость 6,2 63,9 29,Температура 0,9 96,1 3,Таким образом, в годовом цикле водоисточника помимо паводкового периода выделены четыре периода, в которых сочетание показателей качества воды водоисточника имеет характерные особенности, что может являться основой выбора метода для повышения эффективности водоподготовки.

2. Мониторинг состояния питьевой воды. Мониторинг состояния качества питьевой воды (ПВ) проведен показателям мутности, окисляемости и остаточного алюминия с применением метода анализа временных рядов.

Исследование автокорреляционной функции и периодограммы показывают, что изменение мутности в питьевой воде не имеет сезонности. Значения мутности в питьевой воде находятся на уровне предела определения, что практически равно нулю, поэтому этот показатель был исключен из дальнейшего рассмотрения (рис. 3).