На правах рукописи

Герасимов Михаил Михайлович

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ БАРЬЕРНЫХ ФУНКЦИЙ ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ ВОДОПРОВОДОВ В ОТНОШЕНИИ АНТРОПОГЕННЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ

05.23.04 - Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2008

Работа выполнена в Открытом Акционерном Обществе - Ордена Трудового Красного Знамени комплексный научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт водоснабжения, канализации, гидротехнических сооружений и инженерной гидрогеологии НИИ ВОДГЕО (ОАО НИИ ВОДГЕО)

Научный руководитель: доктор технических наук

Смирнов Александр Дмитриевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Стрелков Александр Кузьмич

кандидат технических наук

Белевцев Алексей Никитович

Ведущая организация: ОАО Сибгипрокоммунводоканал

Защита состоится л16 апреля 2008аг. в 1030 на заседании диссертационного совета Д 303.004.01 при ОАО НИИ ВОДГЕО по адресу: Комсомольский проспект, 42, стр.2, г.аМосква, Г-48, ГСП-2, 119048.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО НИИ ВОДГЕО, тел. (495) 245-97-87, (495) 245-95-56, факс (495) 245-96-27

Автореферат разослан л11 марта 2008аг.

Список сокращений:

ПАУ - порошкообразный активированный уголь,

ФЛ - флокулянт (в пилотных испытаниях - ПАА),

КГ - коагулянт:

СА - коагулянт сульфат алюминия (ГОСТ 12966-85),

АА - коагулянт Аква-Аураттм 30, 30 % по Аl2O3, О - 43а%.

(ОАО Аурат, ТУ 2163-069-00205067-2007),

ГХА - гидроксохлорид алюминия, марка Б: 42 % по Аl2O3, О - 75а%.

(ОАО Сорбент, ТУ 6-00-05795731-25-96).

Cl - хлорирование,

СМ - смеситель,

КХО - камера хлопьеобразования,

МФ - механический фильтр,

ГАУ - гранулированный активированный уголь:

АГ-3 (ТУ 6-16-28-1477-92), СКД-515 (ТУ 922406-001-95)

ДФ - двухслойный фильтр с загрузкой ГАУ + песок,

ИСХ - исходная вода,

ГОС - галогенорганические соединения: CHCl3, CCl4, CHBrCl2, CHBr2Cl

УФО - ультрафиолетовое облучение (воды),

ПМО - перманганатная окисляемость.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

На фоне развития производства в Российской Федерации наблюдается неблагополучное состояние многих источников питьевого водоснабжения по широкому спектру токсикантов антропогенного генезиса, прежде всего по нефтепродуктам, фенолам, полиароматическим соединениям и СПАВ. Эти токсиканты составляют менее 1а% по массе от всех примесей воды, однако отрицательно влияют на качество питьевой воды. Недостаточность барьерных функций многих действующих очистных сооружений водопроводов по отношению к указанным токсикантам делает актуальной задачу разработки и реализации мероприятий по обеспечению нормативного качества питьевой воды.

Для достижения цели повышения барьерных функций очистных сооружений на действующих водопроводах в отношении указанных токсикантов наиболее эффективным является углевание воды порошкообразными активированными углями (ПАУ). Сорбционная обработка воды с помощью ПАУ не требует значительных инвестиций и может быть использована на любых сооружениях.

Несмотря на то, что метод углевания известен давно, его широкое распространение сдерживается по следующим причинам: недостаточно изучены области применимости процессов извлечения микропримесей токсикантов из реальных вод комплексным реагентно-сорбционным методом; отсутствуют рекомендации по выбору сорбентов и эффективности удаления токсикантов, при их одновременном нахождении в смеси; существующие технические решения для реализации процесса углевания на действующих сооружениях недостаточно надежны.

Учитывая реальную потребность водного хозяйства в высокоэффективных, малозатратных и быстро реализуемых способах очистки питьевой воды, данное направление исследований было выбрано как приоритетное.

Цель и задачи исследований

Целью диссертационной работы являлась разработка методов повышения барьерных функций очистных сооружений водопроводов в отношении основных классов токсикантов, обеспечивающих максимальную безопасность очищенной воды для потребителей при минимизации материальных затрат и сроков модернизации объектов.

Достижение поставленной цели требовало решения следующих задач:

а)авыявление приоритетных типов антропогенных загрязнений с позиций их распространенности в водоисточниках различных регионов РФ и возможностей удаления из воды;

б)аанализ технологических схем и эффективности работы существующих сооружений водопроводов с позиций возможностей их модернизации;

в)аисследование технологических процессов и определение условий удаления конкретных типов загрязнений реагентными и сорбционными методами при наличии реального фона природных примесей;

г)аразработка методик лабораторных и пилотных тестов для выбора технологии и адаптации ее на объектах с учетом масштабного перехода и специфики сооружений;

д)аразработка эффективных методов обработки исходной воды порошкообразными углями (ПАУ) и инженерных решений по их реализации в процессе водоподготовки;

е)аразработка рекомендаций на проектирование блока углевания воды и его узлов с учетом современных требований к качеству очищенной воды для населения и безопасности труда на сооружениях.

Научная новизна работы заключается в следующем:

а)аисследованы возможности удаления фоновых и экстраординарных количеств наиболее распространенных типов антропогенных токсикантов из маломутных среднецветных вод и научно обоснованы наиболее эффективные режимы обработки воды традиционными реагентами (коагулянтом, флокулянтом) и ПАУ, в зависимости от природного фона примесей и состава технологической схемы очистных сооружений;

б)аустановлена необходимость моделирования реальных (прогнозируемых) концентраций токсикантов в водоисточнике путем создания смесей токсикантов, а также научно обоснованы принципы создания модельных смесей приоритетных токсикантов, основанные на закономерностях различной растворимости веществ в воде и других физико-химических свойствах;

в)анаучно обоснованы и сформулированы принципы выбора наиболее эффективного сорбента, учитывающие его структурные характеристики, одновременное присутствие в воде нескольких токсикантов (смесь) и различную степень их сорбируемости, а также природный фон водоисточника.

Практическая ценность

Предлагаемые технологические и технические решения для модернизации очистных сооружений водопроводов позволяют в короткие сроки при малых затратах минимизировать опасность воздействия антропогенных токсикантов, находящихся в поверхностных водоисточниках, на потребителей воды.

Разработаны эффективные технологии повышения барьерных функций водоочистных станций путем обработки воды порошкообразными активированными углями (ПАУ).

Разработаны и обоснованы принципы модернизации технологических схем и сооружений существующих водопроводных станций крупных городов в зависимости от характера и уровня концентраций приоритетных токсикантов и природной загрязненности водоисточников в виде методических указаний по усовершенствованию технологий очистки природных поверхностных вод реагентными и сорбционными методами.

Разработаны рекомендации на проектирование узлов аппаратурно-технической базы (включая специальный контейнер для перевозки, хранения и приготовления раствора ПАУ с водой), позволяющие осуществить полный цикл применения ПАУ для обработки воды на существующих очистных сооружениях водопроводов с соблюдением санитарно-технических нормативов и правил безопасности работы с ПАУ, исключающих ручной труд и загрязнение помещений.

Внедрение

Осуществлено внедрение блоков приготовления и дозирования ПАУ на двух объектах ВКХ: очистных сооружениях ОАО АвтоВАЗа (г.аТольятти, производительность 450 тыс. м3/сут) и головных очистных сооружениях водопровода (ГОСВ) г. Хабаровска (производительность 250 тыс. м3/сут).

Разработаны рекомендации и осуществлено внедрение технических решений на очистных сооружениях водопроводов гг.аУфы, Москвы, Сарапула, Ижевска и др.

Апробация работы

Результаты и основные положения работы доложены на Международном конгрессе и технической выставке ЭТЭВК-2005: Экология, технология, экономика, водоснабжение, канализация (Украина, г.аЯлта, 24-27 июня 2005аг.), Второй международной научно-практической конференции Решение водохозяйственных проблем в Сибирском регионе (г. Новосибирск, 27-28 октября 2005 г.), Региональной научно-практической конференции Проблемы и пути развития водопроводно-канализационного хозяйства в современных условиях (г.аИжевск, 28-29 июня 2006аг.), Третьей международной научно-практической конференции Решение проблем развития водохозяйственных систем Новосибирска и городов Сибирского региона (г.аНовосибирск, 25-26 октября 2006 г.).

Публикации

По теме диссертации автором опубликовано 12 научных работ, в том числе 3 в рекомендованном ВАК РФ издании - журнале Водоснабжение и санитарная техника.

Объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка использованной литературы, включающего 148 наименований, и одного приложения. Общий объем работы составляет 185 страниц текста, включая 17 рисунков и 63 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность работы, выявлена потребность водопроводного хозяйства страны в эффективных и малозатратных технологиях повышения барьерной роли водоочистных станций в отношении широкого спектра антропогенных примесей, намечены пути совершенствования технологий очистки воды с использованием реагентных и сорбционных методов.

В главе 1 Анализ состояния вопроса очистки природных вод от загрязнений антропогенного характера отмечено, что наиболее распространенными антропогенными примесями воды поверхностных водоисточников питьевого водоснабжения являются нефтепродукты, фенолы, СПАВ и полиароматические соединения. Действующие очистные сооружения водопроводов, использующие типовые одно- и двухступенчатые схемы лосветление-фильтрование, с использованием обычных коагулянтов, недостаточно эффективно очищают воду от этих токсикантов.

Внедрение новых технологий (мембранных и озоно-сорбционных) и многоступенчатых процессов с использованием высокотехнологичного оборудования осуществляется пока медленно. Это обуславливает необходимость поиска эффективных некапиталоемких решений, не требующих дополнительных площадей под модернизацию. Указанным критериям отвечают, более других, реагентные методы обработки воды, которые реализуются в существующих объемах сооружений. К наиболее безопасным и эффективным относится одна из разновидностей реагентной обработки воды - обработка порошкообразными активированными углями (ПАУ).

Существующие примеры внедрения технологий углевания в предыдущие годы демонстрируют ряд трудностей, с которыми сталкиваются проектные и эксплуатационные организации: часто не учитываются конкретные условия того или иного объекта, в т.ч. перечень приоритетных токсикантов и генезис их поступления в воду, сопутствующие примеси, распределение видов токсикантов и их концентраций во времени и т.д.

При рассмотрении вопросов, связанных с принятием решений по дооснащению технологии очистки воды блоком углевания, как правило не учитывают: соотношения доз сорбента и основных реагентов, возможности повышения эффективности путем перехода на альтернативный коагулянт, качественные особенности процесса в зависимости от места ввода сорбента.

Аппаратурно-технологическая база приготовления и дозирования ПАУ не охватывает полный цикл очистки воды.

Отсутствует понимание роли предподготовки сорбента, сложности свойств концентрированных суспензий ПАУ, особенностей транспорта и дозирования пульпы угля.

Таким образом, имеющиеся данные о реализации процесса углевания на действующих станциях требуют дальнейшего изучения и создания комплексного подхода, начиная от выявления лимитирующих параметров (видов токсикантов и их концентраций, особенностей водозабора, условий работы очистных сооружений) и, заканчивая, выбором наиболее эффективных режимов обработки воды.

В главе 2 Методика проведения исследований представлены методологические подходы, использованные в работе.

Все исследования проводились на действующих объектах с реальной водой в различные периоды года, для чего был сконструирован и прошел многолетнюю апробацию специальный пилотный комплекс. Методика работы на пилотном комплексе (рис.а1) позволяла моделировать состав различных технологических схем и параметры процессов, что сводило к минимуму проблемы масштабного перехода. Состав комплекса позволял сравнивать эффективность извлечения приоритетных токсикантов различными сорбционными методами по схеме: первичное обеззараживание (хлор или УФ-облучение) реагентная обработка коагулянтом (сульфат алюминия, гидроксохлорид алюминия, Аква-Аурат) и флокулянтом (ПАА) хлопьеобразование в КХО отстаивание механическое фильтрование сорбция на ГАУ (АГ-3, СКД-515). Вторая модификация схемы - использование двухслойного фильтра с ГАУ сразу после стадии отстаивания.

Ввод порошкообразного сорбента предусмотрен как перед смесителем, так и перед фильтрами.

Параметры комплекса: расход исходной воды - до 15 м3/сут, время пребывания воды в камере хлопьеобразования от 15 до 30 мин, время отстаивания от 2 до 3 ч, скорость фильтрования от 4 до 10 м/ч. Режимы ввода и смешения реагентов определялись в зависимости от существующей схемы на данном объекте.

Технологические схемы комплекса позволяют производить испытания в широком диапазоне качественных характеристик исходной воды. Для проведения исследований были выбраны наиболее представительные (типичные) диапазоны параметров качества воды источников водоснабжения: мутность 1-50 мг/л, цветность 20-53 град, окисляемость 5-12 мг О/л.

В соответствии с данными российских специалистов и на основе анализа состава и распространенности загрязнений в водоисточниках РФ для исследований были выбраны следующие группы токсикантов и их представители: нефтепродукты (НП), фенолы (фенол), СПАВ (сульфонол) и полиароматические соединения (бифенил), которые различаются величиной молекулярной массы (низко- и высокомолекулярные) и гидрофобностью.