автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Разработка метода очистки воды в плавательных бассейнах от поверхностно-активных веществ

На правах рукописи

Гиззатова Гульнара Линуровна

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОЧИСТКИ ВОДЫ В ПЛАВАТЕЛЬНЫХ БАССЕЙНАХ ОТ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ

05.23.04-Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

?1 окт 2014

Волгоград-2014

005553742

005553742

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

Москвичева Елена Викторовна

Желтобрюхов Владимир Федорович ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет», заведующий кафедрой «Промышленная экология и безопасность жизнедеятельности»

кандидат технических наук

Кожин Сергей Владимирович

Начальник проектно-технического отдела ООО «Аква Инжиниринг» (г. Ростов-на-Дону)

Ведущая организация

ГАОУ АО ВПО «Астраханский инженерно-строительный институт»

Защита состоится 13 ноября 2014 г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета ДМ212.026.05 при ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1(корп. Б ауд. 203)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета

Автореферат разослан 2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Юрьев Юрий Юрьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Решение основной задачи очистки воды плавательного бассейна - гарантированное качество воды в соответствии с гигиеническими требованиями и правилами - затратный и сложный процесс

Из -за больших объемов, воду восстанавливают по замкнутой схеме, предотвращая дополнительные расходы на слив, наполнение, подогрев и первичную обработку воды плавательного бассейна.

Обработка воды бассейна намного является более сложным процессом, нежели очистка питьевой воды, из-за необходимости проводить ее многократно.

Существующие системы очистки воды в бассейнах, использующие последние новейшие достижения отечественных и зарубежных ученых показали, что в ходе эксплуатации, их эффективность, не достигнув запланированного рабочего ресурса, падает до 20-26 %. Руководствуясь конечным результатом, в плавательных бассейнах вынуждены увеличивать объемы потребляемой воды.

На сегодняшний день возникла необходимость выявления причины обозначенной проблемы и ее решения.

В представленной работе исследуется и решается ряд вопросов, касающихся повышения эффективности очистки воды в плавательных бассейнах, что подтверждает ее актуальность.

Исследование проводилось в рамках комплексной Федеральной целевой программы «Чистая вода» (2011-2017 гг.), Федеральной целевой программы «Развитие водохозяйственного комплекса Российской Федерации в 20122020 годах», Областной целевой программы «Охрана окружающей среды и рациональное природопользование на территории Волгоградской области» (2009-2013 гг.), тематического плана научно-исследовательских работ ФГБОУ В ПО Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Работа выполнена в соответствии с пунктами 2, 10 паспорта специальности 05.23.04 Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов.

Цель работы - разработка метода очистки воды плавательных бассейнов от поверхностно-активных веществ.

Поставленная цель предопределила постановку следующих задач:

- теоретически и экспериментально обосновать, что для очистки воды плавательных бассейнов от неионогенных и анионных ПАВ необходимо использовать специальные адсорбенты;

- экспериментально установить значения сорбционных характеристик, которыми должен обладать сорбент для очистки водных сред от ПАВ;

- изучить физико-химические свойства природного минерала - опоки;

- установить параметры проведения процесса модификации опоки;

- определить параметры фильтрования воды плавательных бассейнов через модифицированную опоку для удаления неионогенных и анионных ПАВ.

Основная идея работы состоит в снижении водопотребления в плавательном бассейне на основе повышения эффективности очистки воды от ПАВ.

Методы исследования. В работе для решения конкретных задач проводились теоретические и экспериментальные исследования с модельными, реальными растворами на лабораторных и пилотных установках. Использован комплекс стандартных физико-химических методов исследования: масс-спектроскопия, атомно-адсорбционный с электротермической атомизацией пробы, жидкостная хроматография, фотоколориметрия, а также лицензионное программное обеспечение.

Достоверность полученных результатов подтверждается тем, что их получение основано на проведении экспериментов в лабораторных, производственных условиях с использованием современных, стандартных методик на приборах, оборудовании, обеспечивающих требуемую точность и надежность. Результаты, полученные при внедрении, соответствуют результатам, полученным в лаборатории.

На защиту выносятся:

- результаты исследований, доказывающих низкую эффективность очистки водных сред от неионогенных и анионных ПАВ при использовании традиционных сорбентов;

- способ получения сорбента для очистки воды от ПАВ;

- технологическая схема и параметры проведения процесса сорбционной очистки водных сред от ПАВ;

методика проведения экспресс-анализа азотоаммонийных органических веществ неионогенных ПАВ;

- упрощенная формула расчета величины ХПК в воде, в состав которой входят ПАВ.

Научная новизна работы:

- установлено, что для очистки водных сред от неионогенных и анионных ПАВ необходимо использовать сорбенты, имеющие в составе оксиды и гидроксиды в, р, с! - металлов;

- экспериментально доказана возможность применения природного минерала - опоки для удаления ПАВ из воды бассейнов;

- определены условия и реагенты для модификации исходного минерального сырья;

- разработан экспресс-метод анализа азотоаммонийных органических веществ неионогенных ПАВ;

- предложена упрощенная формула расчета величины ХПК в водных средах, содержащих ПАВ и другие органические соединения.

Практическая значимость работы:

■ разработана технология получения сорбента для очистки водных сред от неионогенных и анионных ПАВ;

- предложена технологическая схема очистки воды бассейнов от ПАВ, позволяющая получать воду, отвечающую нормативным требованиям, предъявляемым к качеству воды бассейнов.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы кафедрой «Водоснабжение и водоотведение» ФГБОУ ВПО Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета в учебном процессе при подготовке инженеров специальности 270112 «Водоснабжение и водоотведение», 280202 «Инженерная защита окружающей среды». Разработаны рекомендации для практического использования.

Полученные результаты применены при разработке проектной документации для строительства новых и реконструкции действующих плавательных бассейнов.

Апробация работы. Изложенные в диссертационной работе материалы докладывались и обсуждались на 69-ой Всероссийской научно-технической конференции «Традиции и инновации в строительстве и архитектуре» 2012 г.; научно-практической конференции, посвященной памяти академика РАН С.В.Яковлева - «Яковлевские чтения» 2012 г.; второй межрегиональной научно-практической конференции «Водные ресурсы Волги: история, настоящее и будущее, проблемы управления» г. Астрахань 2012 г.; форуме-выставке «Промышленность. Инновации. Технологии» г. Волгоград 2013, форуме-выставке «Энергосбережение и энергоэффективность» г. Волгоград 2013 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 22 работы, в том числе, 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ и 1 патент.

Личный вклад автора состоит в выдвижении идей, научном обосновании, постановке и проведении исследований, анализе результатов, разработке метода очистки от ПАВ, технологии его внедрения экспресс-метода анализа азотоаммонийных органических веществ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы. Общий объем работы 135 страниц, 18 рисунков, 14 таблиц, 1 приложение, список использованной литературы из 179 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель, задачи исследования, научная новизна, практическая значимость, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации приведены результаты анализа современного состояния водоочистки в плавательных бассейнах, рассмотрены новейшие технологии на основе сорбционных процессов, автокатализа, предполагающие многократное использование очищенной воды. Большой вклад в развитие данной темы внесли ученые зарубежных и отечественных научных школ: С.Н. Линевич, В.Н. Швецов, В.Л. Драгинский, Б.Р. Мишуков, О.Г. Примин, Л.В. Гандурина, В.И. Кичигин, Н.С. Серпокрылов, В.И. Аксенов, Б.П. Садковский и многие другие.

Проработка литературных источников показала, что проблема содержания ПАВ в водах общественных плавательных бассейнов изучена весьма фрагментарно, полученные результаты отличаются заметной противоречивостью и разбросом величин. Особенно это касается исследования неионогенных азотоаммонийных ПАВ. Имеются лишь единичные работы, посвященные их биотрансформации.

На сегодняшний день отсутствуют рекомендации по очистке воды в бассейнах от органических веществ, учитывающие их состав, функциональные группы в молекуле и способ получения.

Современная инструментальная аналитическая база, позволяет получать исчерпывающую, точную информацию, но процедура анализа трудоемка, требует специальных профессиональных навыков. Необходима разработка, удобных в эксплуатации экспресс-методов анализа «типичных» органических загрязнителей в воде бассейнов, искусственных водоемах. Полученные данные позволят, с учетом химических особенностей рассматриваемых веществ-загрязнителей, подбирать более гибкие, экономически выгодные водоочистные технологии.

На основе проведенного анализа, были уточнены задачи данной диссертации, касающиеся очистки воды в бассейнах от загрязнителей - ПАВ, прежде всего, неионогенных ПАВ, а также аналитического контроля азотоаммонийных органических соединений.

Во второй главе проводится описание методов исследования, средств измерений, методики обработки экспериментальных данных. Исследования выполнялись на лабораторных и пилотных установках в производственных условиях - плавательных бассейнах г. Волгограда и Волгоградской области с целью отработки технологических параметров в реальных условиях.

Пилотные установки изготавливались ЗАО Компанией «Амазон» (лицензия прилагается).

Физико-химические свойства растворов (структуру растворов) исследовали: методом обратного гидростатического взвешивания - плотность растворов; вязкость - на вискозиметре типа «Реотест»; удельная электропроводность - на кондуктометре типа Марк 603/1; сталагмометрически - измерением поверхностного натяжения.

Состав и свойства продуктов взаимодействия адсорбента и адсорбата изучали с использованием рентгенофазового анализа.

Производственной площадкой для испытаний и последующего внедрения полученных результатов на реальных водах, являлись общественные плавательные бассейны в г. Волгограде (4 бассейна).

Полученные экспериментальные данные обработаны известными методами статистики с помощью лицензионного программного обеспечения на ЭВМ.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям в соответствии с поставленными задачами.

Вода бассейнов при относительно высокой постоянной температуре (28-30°С) является химически и биологически особой средой, отличной от природной. Большинство органических соединений, вносимых купальщиками, в воде бассейна ведут себя не так как в естественной водной среде, для которой российскими и зарубежными учеными предлагается огромный диапазон высокоэффективных технологий очистки. В связи с этим их рабочий ресурс не используется полностью (20-26%), приходится использовать дополнительные средства, что усложняет процесс водоочистки бассейнов.

На первом этапе экспериментальных исследований проведен анализ используемых технологий с целью выявления причины неудовлетворительной очистки ВБ.

Некоторые показатели как цветность, запах изменяются незначительно (в пределах 6-10%) после «жестких» условий обработки, причем качество очистки падает по мере увеличения кратности циклов оборотной воды.

Устранение этих явлений корректировкой режимов работы водоочистных станций (повышение дозы коагулянтов, добавление флокулянтов и порошкового активированного угля, иногда добавление реагентов для корректировки водородного показателя) связано с определенными трудностями. Возникает необходимость круглосуточного контроля качества исходной воды, своевременных корректировок режимов эксплуатации ВОС, использования дополнительных реагентов.

В водах бассейна обязательно появляются поверхностно-активные вещества (ПАВ) - органические вещества, снижающие поверхностное натяжение (поверхностную энергию) вследствие адсорбции на границе раздела фаз. Такие соединения являются составной частью шампуней, гелей и других косметических средств.

При очистке воды в бассейнах труднейшей задачей является ликвидация всех ПАВ, особенно НПАВ.

ПАВ ориентировано адсорбируясь, образуют новый поверхностный слой с особыми физико-химическими свойствами, которые практически не учитываются в технологическом цикле очистки. Прежде всего, это важно при

фильтровании через сорбент и, тем более, при определении концентрации обозначенных соединений.

Предлагаемые методы не выявляют аммонийный азот в органических соединениях (ПЛАВ), необходимо проведение хромато-масс-спектрального анализа. Удобные в эксплуатации, малозатратные экспресс-методы отсутствуют.

Анализ химического состава вод бассейна показал, что НПАВ, с течением времени, накапливается в рассматриваемой водной субстанции, «отравляюще» действуя на поверхность сорбента. В данной работе выявлялась причина преждевременного снижения эффективности используемых сорбентов, требовалось выявить компоненты водной среды, снижающие эффективность сорбции.

В эксперименте, в качестве «рабочих» соединений в модельных растворах выбраны:

I - анионный ПАВ - додецилбензолсульфонат (сульфанол) - ДБС.

II - неионогенный ПАВ: - п-метиламинофенол (метол).

Из сорбентов, которые использовали в системе очистки воды рассматриваемых бассейнов, были выделены известными аналитическими приемами вещества, адсорбированные за первый и второй циклы очистки. Результаты анализа выделенных веществ и сорбента показали, что лишь 4346% поверхности сорбента участвовало в сорбции - остальное находилось в пассивном состоянии.

Из активированного угля выделены органические вещества, которые представляли собой ассоциаты из молекул неионогенных и анионных ПАВ, причем, содержание этих балластных веществ не изменялось существенно (около 30%). Поэтому в «очищенной» воде, отвечающей нормативным требованиям, после технологического цикла очистки, содержание аммонийного азота соответствовало нормам.

Для упрощения аналитического сегмента в исследовании разработан экспресс-метод анализа НПАВ, позволивший оперативно проводить поиск адсорбента, имеющего электрофильное сродство к НПАВ.

Анионные ПАВ, обладая высокой эмульгирующей и смачивающей способностями, могут присутствовать в водной среде в предельно-минимальной концентрации и при этом достигать желаемого эффекта, если в равной концентрации с ними будут присутствовать молекулы неионогенного ПАВ, например, метола. Многие НПАВ выполняют также функцию красителей в CMC.

Для разработки технологии очистки пресной воды в бассейнах, обеспечивающей стабильное нормативное качество, рассматривались варианты усовершенствования фильтрующих загрузок. В результате в качестве фильтрующей загрузки было предложено использовать

модифицированный природный .минерал - опоку Каменноярского месторождения Астраханской области.

В лабораторных условиях проводили исследования на изготовленной установке производительностью 200 л (рис. 1).

СР; 6 - мерный сосуд для очищенной воды; 7 - 3-х горловая колба; 8 -вакуумный насос; 9 - Ц-образный манометр.

Рис. 1 — Схема фильтровальной установки.

На установке, представленной на рис. 1, изучалась эффективность очистки от ПАВ в зависимости от различной концентрации загрязнителей, диаметра фракций опоки (табл. 1).

Таблица 1 - Результаты испытаний установки

Цветность, град, по (Сг-Со) Мутность мг/л рН Концентрация НПАВ мг/л

Бассейн №1 1 2 6,5 1,6

Бассейн №2 1 2 6,6 1,7

Бассейн №3 2 1 6,8 1,4

Бассейн №4 1 2 7,1 2,0

Модельный раствор 1 неиоиогенный ПАВ(НПАВ)-20 г/л 0 0 7,2 0,8

Модельный раствор 2 Анионный ПАВ (АПАВ) 20г/л 0 0 7,6 0,9

Модельный раствор 3 НПАВ:АПАВ = 1:1 (40 г/л) 0 1 7,4 1,6

За основу производственных - реальных данных в рассматриваемой работе взяты показатели четырех плавательных бассейнов г. Волгограда, которые объединяют несколько признаков:

- высокое качество воды, низкий процент замечаний со стороны надзорных организаций за период с 2005 по 2010 г.г.;

- применение в системе очистки воды высокотехнологичных методов; обеззараживание на основе озонирования;

- оборотное водоснабжение (не более 10% на подпитку);

- высокий процент (40-43%) неиспользованного рабочего ресурса, фильтрующей загрузки - уголь активированный коксовый дробленный марки

обозначенное сопровождается, более частой регенерацией или заменой загрузки и, соответственно, повышением стоимости очистки воды;

- исходная вода из одного источника - питьевая вода городского водопровода г. Волгограда (одинаковый химический состав);

- пропускная способность (средняя за год количество людей/м3).

В работе исследовали влияние температуры, начальной концентрации загрязнителей в растворе на процесс фильтрования через опоку.

Влияние температуры модельного раствора на интенсивность процесса фильтрования изучали при высоте слоя 100 мм. Удельный расход воды, проходящей через колонку, был 6,5 м3 /(м2 -ч). Изучение влияния температуры модельных растворов и реальной воды на интенсивность процесса фильтрования показало, что при снижении температуры возрастает эффективность удаления неионогенного ПАВ (№1) и ПАВ в реальном растворе (рис. 2-4).

Повышается эффективность извлечения ионогенного ПАД, но снижается для неионогенного, продукты взаимодействия НПАВ и АПАВ превращают поверхность сорбента в инертную составляющую, снижая хемосорбцию.

Также из полученных данных видно, что с повышением начальной концентрации загрязнителей (ПАВ) и размеров фракций эффективность очистки увеличивается. При температуре 20 С и начальной концентрации ПАВ в воде до 5 мг/л и размере частиц фракции СР, не превышающим 1-5 мм, степень очистки воды составляет более 95 % (рис. 2-4).

1 1 1

1 1 1

! 1 !

!--------■--! -----*.....' " . ----.....—

0 'С тс^'^йгурзвоё&.по^ 40 50

—►—Фракция СР 0,1-0,5мм (1) -»- Фракция СР 1,0-5,0мм (3)

Фракция СР 5,0-10,0мм <2)

Рис. 2 - Зависимость остаточной концентрации неионогенного ПАВ (№1) в отфильтрованной воде от температуры при использовании различных фракций СР.

о < * с

5 3, Я» о

з-

ш и 1.

0.

10 20 30 40 50 температура воды, по С

-•— Фракция СР 0.1-0.5мм (1) Фракция СР5.0-10.0мм (2)

- Фракция СР1.0-5.0мм (3)

Рис- 3 - Зависимость остаточной концентрации смеси (НПАВ:АПАВ=1:1) от температуры очищаемой воды

0 10 20 "О . 40 50 температура роды, по С

—•—Фракция СР0.1-0.5мм (1> -»-Фракция СР 1,0-5,0мм (3) Фракция СР 5.0-10,0мм (2)

Рис. 4 - Зависимость остаточной концентрации загрязнителей ПАВ в реальном растворе

В работе исследовали влияние удельного расхода воды, гидравлического сопротивления слоя смешанного реагента (СР) на процесс фильтрования.

Изучение интенсивности процесса фильтрования модельных растворов через слой СР, показало, что степень очистки меняется в зависимости от удельного расхода воды.

Значения показателей (табл. 3) очистки достигались при комнатной температуре спустя определенное время после начала работы фильтра, а в начальный период фильтрования они превосходили табличные значения.

Таблица 3 - Показатели очищенной воды при различных удельных

расходах модельного раствора неионогенного ПАВ (5 мг/л), 1 = 20 "С

№ опыта Удельный расход воды, м3/(м-ч) Содержание неионогенного ПАВ в очищенной воде, мг/л

Размер фракции СР: 0,1-0,5 мм Размер фракции СР: 1,0-5,0 мм Размер фракции СР: 5,0-10,0 мм

1 1,0 0,02 0,09 1,10

2 1,5 0,02 0,11 1,12

3 2,1 0,03 0,14 1,16

4 3,0 0,05 0,19 1,22

5 4,1 0,07 0,21 1,30

6 5,2 0,09 0,24 1,47

7 6,4 0,10 0,27 1,65

8 7,0 0,12 0,31 1,90

9 8,0 0,19 0,39 2,51

10 9,0 0,28 0,59 3,37

При применении мелких фракций смешанного реагента степень извлечения неионогенных поверхностно-активных веществ выше. Так, концентрации рассматриваемого НПАВ в очищенной воде после фильтрования через слой СР высотой 100 мм для смеси фракций СР 0,1-0,5 мм лежат в интервале 0,03-0,12 мг/л, для смеси фракций СР 1,0-5,0 мм - в интервале 0,1-0,3 мг/л, а для смеси фракций СР 5-10 мм соответствующий показатель очистки меняется в пределах 1,1-1,9 мг/л, при тех же удельных расходах воды. Степень очистки при этом составляет соответственно, не менее 98,8%, 96,9% и 81,0%.

При удельных расходах модельного раствора до 6,5 м3/(м2-час) и температуре 20°С снижение концентрации НПАВ в фильтрате до не фиксируемых аналитически значений может достигаться увеличением площади и времени связи загрязненной воды со смешанным реагентом, то есть, применением фракции с малыми размером частиц и увеличением высоты слоя СР в фильтре.

Измерения гидравлического сопротивления слоя СР показали, что с возрастанием удельного расхода загрязненной воды оно возрастает. Согласно табличным данным, применение загрузок с разным фракционным составом не слишком влияет на перепад давления. Видимо, вследствие того, что при указанных расходах линейные скорости воды в адсорбере малы и гидродинамический режим потока ламинарный (Ке<2300). Но, с увеличением дисперсности используемого смешанного реагента, гидравлическое сопротивление растет.

Таблица 4 - Показатели гидравлического сопротивления СР в фильтре при различных удельных расходах модельной сточной воды 0:=20°С, 5 мг/л НПАВ) _

№ опыта Удельный расход поды, м3/(м2-ч) Сопротивление СР, мм вод.ст.

Размер фракции СР: 0,1 -0,5мм Размер фракции СР: 1,0-5,0мм Размер фракции СР: 5,0-10,0мм

1 6,0 378 328 314

2 5,1 264 264 220

3 4,2 240 240 212

4 3,3 230 230 204

С увеличением удельного расхода до 6,0 м^м^-ч) наблюдается уменьшение эффективности, поэтому оптимальным можно считать расход воды 5-5,5 м3/(м -ч).

В работе исследовали влияния высоты фильтрующего слоя СР на процесс очистки через смешанный реагент.

Варьировали высоту загрузки (фракция 1,0-5,0 мм) при постоянном значении удельного расхода воды 5,5 м3/(м2-ч) (рис. 5).

со <

с

X

о ^

о

Ё 0 0.2 5 10 14 15 19 20 25 27 30 33"

-8- 10"(-

г? з>'

Обьем раствора V. м*3

I —Н=20мм —Н-40мм —л-Н=60мм ——Н=100м1(П

Рис. 5 - Зависимость эффекта очистки стоков от объема раствора при различной высоте слоя загрузки Н

Н = 20 мм; (1 фракции = 1,0-5,0мм.

Используя различную высоту слоя СР в колонке (рис. 5.), удостоверились в том, что по истечение некого промежутка времени профиль фронта адсорбции оказывается практически неизменным и передвигается по направлению потока.

При удельном расходе 5-5,5 м3/(м2-ч) до «проскока» ПАВ в фильтрат отфильтровано 25 л модельной сточной воды через ряд последовательно расположенных слоев СР. Дистиллированная вода пропускалась сверху вниз, перед разборкой слоев через фильтр. Анализ указал отсутствие в ней ПАВ (менее 0,01%), что свидетельствует о достаточной прочности связывания ПАВ с СР. Далее, разобрав фильтр, слои СР были извлечены, отдельно

взвешены и подвергнуты экстракции. Результаты анализов позволили определить количество извлеченных ПАВ по высоте слоя СР.

В процессе фильтрования воды частицы метола по направлению потока слоями сорбента улавливаются первыми, заполняя некоторую часть его пор и насыщая этот объем. Это приводит к тому, что данный слой сорбента уже не в состоянии удерживать дополнительные количества метола и, поэтому, он с сульфанолом стекает по стенкам каналов слоя в направлении потока воды. В какой-то временной период, в данном сечении слоя устанавливается равновесие между количеством метола и сульфанола, попадающих на поверхность слоя, и количеством ПАВ, стекающих из данного слоя в последующие слои, т.е. происходит максимальное насыщение слоя. С течением времени фронт максимальной насыщенности сдвигается к верхней границе насадки, из-за чего концентрация ПАВ в фильтрате увеличивается. Это является условием проведения процесса регенерации фильтра.

4.5 4

3.5 3 2.5 2 1.5 1

0.5 0

0 10 20 40 50 80 100 120 Высота слоя СР Н. мм

Рис. 6 - Зависимость количества удельно извлеченных (поглощенных) ПАВ от высоты слоя СР (расход загрязненной воды 5-5,5 м3/(мг-ч)) С=157,31Н108 R2=0.9963

Режим параллельного переноса фронта адсорбции, перемещающегося с постоянной скоростью U (что указывает на стационарность процесса), выражается известным уравнением H.A. Шилова.

Т = КН-т, (1)

где Т - время защитного действия фильтрующего слоя, мин.; К -коэффициент фильтрующего (защитного) действия слоя; i - потеря времени защитного действия слоя; Н - высота неподвижного слоя загрузки, мм.

Для построения зависимости времени защитного действия от высоты слоя СР (фракция 1,0-5,0 мм), определяли соответствующие объемы фильтрата и, тем самым, время защитного действия при различных высотах. Задаваясь требуемой эффективностью процесса очистки воды 98 % при

различных высотах, построена графическая зависимость времени защитного действия Т от высоты слоя загрузки СР (Н), которая представлена на рис. 7.

3 20 40 60 80 100

Высота загрузки Н. мм

Рис. 7. - Зависимость времени защитного действия слоя от высоты слоя загрузки (Н) через СР, 1е = 20 °С, С0 пдВ = 5 мг/л

В результате математической обработки графической зависимости (рис. 7) получено уравнение зависимости времени защитного действия фильтра от высоты слоя СР (время Т в мин, высота Н в мм):

Т = 1,57 Н-7,73 (2)

Стоит отметить, что экспериментальные данные (рис. 7) хорошо аппроксимируются уравнению (1), уравнение (2) выведено с множественным коэффициентом детерминации II2 = 0,9963».

Из уравнения (2) и. рисунка 7 следует, что при высоте слоя загрузки СР (фракция 1,0-5,0 мм) в фильтре более 100 мм, расходе загрязненной воды 55,5 м /(м 'ч)' время защитного действия фильтра составляет более 175 мин, достигается степень очистки от ПАВ более 98 % при достаточно высокой прочности связывания веществ в слое СР, что подтверждает выводы о хороших сорбционных свойствах СР по ПАВ.

В методическом плане в настоящем исследовании проведен эксперимент по разработке способа качественного и количественного определения содержания азотосодержащих органических загрязнителей в образцах ВБ. Речь идет об аммонийном азоте в составе молекул органических соединений. Ряд образцов воды исследовался на содержание неорганических фосфатов.

Как указывалось ранее, проблема контроля качества и безопасности ВБ достаточно сложна по двум причинам. Во-первых, в связи с большим разнообразием растворенных в воде веществ. На практике всё разнообразие водных поллютантов полностью никогда не может быть достоверно и полностью учтен. С другой стороны, концентрации водных загрязнителей в ВБ зачастую настолько низки, что не поддаются анализу общепринятыми химическими методами, требуя сверхдорогого аналитического оборудования. При этом надо учитывать большую вариабельность уровня содержания исследуемых поллютантов в зависимости от условий.

Современная аналитическая химия водных систем, помимо традиционных органолептических тестов (цветность, прозрачность, запах и

160 141)

ио 100 60 го 40

зо о

тому подобное), предлагает анализы на окисляемость; определение величин биологического потребления кислорода (БПК), химического потребления кислорода (ХПК) и др.

В работе представлен метод определения в водах бассейна неионогенных ПАВ, по поглощению ультрафиолетовой части спектра (диапазон ультрафиолетовых лучей от 310 нм до 400 нм обозначается как ближний ультрафиолет или УФ-А область), а также простое уравнение, устанавливающее корреляцию между общепринятым анализом ХПК и представленным здесь методом:

ХПК = 83 • А + 60, (3)

где ХПК - химическое потребление Ог в мг/л, А - оптическая плотность образца при 315 нм, толщина кюветы 50 мм.

В четвертой главе исследована стабильность и дана гигиеническая оценка анионных и неноногенных ПАВ до и после сорбции модифицированной опокой.

Вопросы стабильности химической структуры вещества-загрязнителя и оценки опасности его, риска для здоровья населения обязательно необходимо исследовать, применяя в процессе очистки водной среды тот или иной метод.

Приводятся результаты изучения химических веществ, являющихся ПАВ (метол и сульфанол), их изменения в результате сорбционной очистки модифицированным природным минералом - опокой.

Идентификацию производных проводили на основе изменений в спектре поглощения исходного вещества или с помощью газовой хроматографии. Количественный анализ соединений осуществляли в основном с использованием метода фотоколориметрии и спектрофотометрического метода.

В результате проведенных исследований, показано, что рассматриваемые ПАВ на модифицированной поверхности сорбирующего вещества не успевают образовывать теоретически предполагаемые производные.

Установлено, что в условиях очистки воды в бассейнах, технические значения концентраций рассматриваемых веществ и их изменения составили менее 0,001 %. Поэтому говорить об изучении продуктов трансформации этих соединений нецелесообразно. Гигиеническую оценку сульфанола и метола провели исходя из теоретически возможной, но недопустимой в реальных условиях, концентрации рассматриваемых соединений. В условиях близких к рабочим, эксперимент осуществить затруднительно.

Данные по гигиенической оценке воды бассейна, прошедшей очистку через модифицированный природный минерал, получены совместно с коллективом лаборатории Федерального государственного унитарного предприятия «Научно-исследовательский институт гигиены, токсикологии и

профпатологии» Федерального медико-биологического агентства (ФГУП «НИИ ГТП» ФМБА России).

О продуктах трансформации, полученных в результате взаимодействия вещества с опокой, никаких сведений найти не удалось. Изучались лишь сами вещества - сульфанол и метол (табл. 5).

Таблица 5 - Гигиеническая оценка продуктов трансформации ПАВ в воде бассейна

№ п/п Вещество ЛД50 для крыс, мг/кг Оценка кумуляции (ЛД50/ГЩчр) Оценка канц-ти по МАИР Итог. Оценка мутагенности ПДК гиг. (ОДУ) мг/л Класс опасности лсм ДЛЯ дафний, мг/л

1 Метол 1100,0 - - - 0,01 4

2 Сульфанол 2010,0 - - - 0,50 4 _

3 Метол: сульфанол = 1:1 3100,0 310,0 0,50 4 -

4 Водный раствор бассейна после очистки 13000,0 0,10 4

На основании изложенного сформулированы выводы:

- канцерогенная и мутагенная активность отсутствует;

- ПДК метола, сульфанола и реального раствора составляют 0,01 мг/л, 0,5 мг/л, 0,1 мг/л соответственно; - класс опасности рассматриваемых веществ 4.

Обозначенное подтверждает целесообразность использования модифицированного природного минерала для очистки воды в бассейнах.

Технологическая блок - схема очистки воды в бассейне с пресной водой

На основе теоретических и полученных экспериментальных данных разработана схема очистки воды в бассейнах с пресной водой.

Ее реализация предполагает решение главной задачи для всех плавательных бассейнов: гарантированное качество воды, включающее содержание ПАВ и, прежде всего, неионогенных ПАВ в пределах ПДК.

В настоящий период времени отрабатываются технологические параметры очистки с учетом условий, не предусмотренных в лаборатории. В фильтрах заменили активированный уголь на модифицированную опоку Каменноярского месторождения Астраханской области.

1 - бассейн;

2 - фильтр;

3 - озонирование; 4-УФО;

5 - источник хоз-питьевого водопровода;

6 - блок очистки промывной воды

осадок на утилизацию

Рис. 8 - Блок-схема очистки и повторного использования воды бассейна

Согласно представленной блок-схеме (рис. 8) вода из бассейна подвергается обработке:

- на фильтре (№2), в котором смешанный реагент (модифицированная опока*) очищает от ПАВ и, частично, окисляет другие органические загрязнители, включая микроорганизмы;

- из фильтра вода подается на озонирование (№3) для обеззараживания и дезинфекции, песчаная загрузка в фильтре заменена на МОП;

- УФО (№4), вода после №3 (доочистка).

Контроль азотаммонийного органического соединения проводится по способу, разработанному в представленной работе. По результатам анализа делается корректировка, касающаяся времени пребывания вещества, в объеме фильтра, при необходимости поток воды из подблока №2 идет на повторную доочистку в фильтре (в резервный фильтр), аналогичный №2.

Экологическая эффективность предлагаемых технологических решений состоит в исключении хлорирования, снижении:

- объемов потребляемой воды;

- содержания загрязнителей.

Очистка от ПАВ предлагаемая в данной работе, существенно изменяет состав, структуру бассейновой воды, которая непосредственно влияет на здоровье купающихся, на состав окружающего бассейн воздуха.

* Опока Камешюярского месторождения Черноярского района Астраханской области

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе, на основе проведенных исследований, дано новое технологическое решение актуальной научно-технической проблемы повышения эффективности очистки оборотных вод в плавательных бассейнах, обеспечивающее высокие эколого-экономические показатели водоочистки.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Теоретически обосновано и экспериментально доказано: при очистке водных сред и, в частности, в плавательных бассейнах, от неионогенных и анионных ПАВ необходимо использовать специальные адсорбенты, способные обеспечить максимальную адаптацию названных загрязнителей.

Такими свойствами, исходя из величин энергии образования адсорбционных комплексов, обладают пористые структуры, имеющие в составе оксиды и гидроксиды в, р, (1 - металлов.

2. Экспериментально доказано, что высокими сорбционными характеристиками при поглощении из водных сред ПАВ могут обладать природные минералы-опоки, в частности, опока Каменноярская Астраханского месторождения.

С целью повышения сорбционных свойств опоки предложено модифицировать ее поверхность окислителем.

3. Изучены физико-химические свойства и характеристики природного минерала-опоки, определены закономерности ее модификации окислителем.

4. Определены параметры фильтрования с использованием МО в качестве загрузки: при высоте слоя загрузки (фракция 1,0-5,0 мм) не более 100 мм, расходе загрязненной воды 5-5,5 м3/(м2-ч) время защитного действия фильтра составляет 175 мин., степень очистки более 98 %.

5. Разработан экспресс-анализ азотоаммонийных органических веществ (НПАВ), защищенный патентом.

6. Предложена упрощенная формула расчета величины ХПК в водных средах, содержащих ПАВ и другие органические соединения.

7. Применение модифицированной опоки для очистки от неионогенного и анионных ПАВ позволяет получать более стабильное нормативное качество воды в бассейнах круглый год с незначительными затратами на обработку (модифицирование) опок и регенерацию обработанного сорбента.

8. Выполнена экономическая оценка метода очистки воды в бассейне с применением модифицированной опоки. Экономия эксплуатационных затрат более 58% в год по сравнению с применяемой на основе активных углей сорбционной загрузкой. Экономический эффект составил 207 697 руб./год (объем чаши бассейна равен 1 200 м3).

Основное содержанке работы отражено в следующих публикациях:

Публикации в ведущих рецензируемых научно-технических журналах и

изданиях:

1. Гиззатова, Г. JL, Храмов, В. А. Органические поллютанты в природных водах [Текст] / В. А. Храмов, Г. Л. Гиззатова // Аграрная наука. -2004. - № 6. - С. 11-14.

2. Гиззатова, Г. JL, Храмов, В. А. Мочевина как индикатор антропогенного загрязнения воды плавательных бассейнов [Текст] / В. А. Храмов, Г. JI. Гиззатова // Гигиена и Санитария. - 2006. - № 3. - С. 3-5.

3. Изучение процесса адсорбции органических веществ в водных средах силикатсодержащими частицами [Текст] / Г. Л. Гиззатова, Л. В. Воронина [и др.] // Вестн. Волгогр. гос. архит.-строит. ун-та. Сер.: Стр-во и архитектура. -2013.-Вып. 32 (51).-С. 116-121.

4. Модели адсорбционных комплексов углеводородов с активными центрами кремнеземов и алюмосиликатов [Текст] / Г. JI. Гиззатова, JI. В. Воронина [и др.] // Вестн. Волгогр. гос. архит.-строит. ун-та. Сер.: Стр-во и архитектура. - 2013. - Вып. 32 (51). - С. 122-129.

Патент РФ на изобретение

5. Пат. 2322670 С1 РФ, МПК G01N 33/18, G01N 31/22, G01N 21/78.

Способ контроля чистоты воды / Г. JI. Гиззатова, В. А. Храмов [и др.]. - № 2006146766/04 ; заявл. 26.12.06 ; опубл. 20.04.08, Бюл. №11.

Отраслевые издания и материалы конференций

6. Гиззатова, Г. Л., Храмов, В. А. Индикатор биозагрязнения воды [Текст] / В. А. Храмов, Г. JI. Гиззатова // Здоровье и экология. - 2003. - июль. -С. 3.

7. Гиззатова, Г. JL, Храмов, В. А. Мочевина в водоемах пригородной зоны Волгограда [Текст] / В. А. Храмов, Г. Л. Гиззатова // Современные геоэкологические проблемы горных регионов России : материалы Всерос. науч. конф. - Карачаевск: [б.и.], 2003. - С. 251-253.

8. Гиззатова, Г. Л., Храмов, В. А. Фенилпропаноиды в природных водах Волгоградской области [Текст] / В. А. Храмов, Г. Л. Гиззатова // Региональные проблемы народного хозяйства : материалы Всерос. науч. практ. конф. молодых ученых, 8-9 апреля 2004 г, - Ульяновск : [б.и.], 2004. -Ч. 1,-С. 40-41.

9. Гиззатова, Г. Л., Храмов, В. А. Определение ультрафиолет-поглощающих компонентов природных вод и оценка качества фильтров для

очистки воды [Текст] / В. А. Храмов, Г. Л. Гиззатова// Водоочистка. - 2005. -№ 8. - С. 64-65.

10. Гиззатова, Г. Л. Степень загрязненности природных вод в окрестностях г. Волгограда неорганическими фосфатами [Текст] / Г. Л. Гиззатова, В. А. Храмов // Водоочистка. - 2006. - № 1. - С. 4-7.

11. Гиззатова, Г. Л., Храмов, В. А. Экстракция аминосоединений из проб воды водоемов Волгоградского региона [Текст] / В. А. Храмов, Г. Л. Гиззатова // «Ломоносов - 2006». Химия : материалы Междунар. конф. молодых ученых по фундам. наукам, 12-15 апреля 2006 г. - Москва : [б.и.], 2006.-Т. 1.-С. 16.

12. Гиззатова, Г. Л., Храмов, В. А. Биогенный гидролиз мочевины в образцах природной воды [Текст] / В. А. Храмов, Г. Л. Гиззатова // Экоаналитика - 2006 : VI Всерос. конф. по анализу объектов окружающей среды, 26-30 сент. 2006 г., Самара: тез. докл. - Самара : [б.и.], 2006. - С. 289.

13. Гиззатова, Г. Л., Храмов, В. А. Сезонные колебания мочевины в природных водах [Текст] / В. А. Храмов, Г. Л. Гиззатова // Международный молодежный научный форум «Ломоносов - 2007» : XIV междунар. науч. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых, 11-14 апреля 2007. - Москва : Моск. гос. ун-т им. М. В. Ломоносова, 2007. - С. 15.

14. Гиззатова, Г. Л., Анализ работы самотечной сети водоотведения в условиях ее переполнения [Текст] / А. А. Болеев, Ю. Н. Гончар, Г. Л. Гиззатова // Водные ресурсы Волги: история, настоящее и будущее, проблемы управления : материалы Второй межрегион, науч.-практ. конф. Астрахан. обл., 25-27 окт. 2012 г. - Астрахань : Изд-во ГАОУ АО ВПО «АИСИ», 2012. - С. 246-249.

15. Гиззатова, Г. Л. Применение глубокой очистки сточных вод, содержащих водно-дисперсионные акриловые лакокрасочные материалы строительного назначения [Текст] / Р. В. Потоловский, Ю. Н. Гончар, Г. Л. Гиззатова // Водные ресурсы Волги: история, настоящее и будущее, проблемы управления : материалы Второй межрегион, науч.-практ. конф. Астрахан. обл., 25-27 окт. 2012 г. - Астрахань : Изд-во ГАОУ АО ВПО «АИСИ», 2012. - С. 260-265.

16. К механизму адсорбции неорганических и органических веществ на кремнеземах и алюмосиликатах, входящих в состав природных минералов [Текст] / Г. Л. Гиззатова, Л. В. Воронина [и др.] // Альманах-2013. -Волгоград : [Изд-во ВолГУ], 2013. - С. 95-102.

17. Расчеты моделей адсорбционных комплексов молекул углеводородов с активными центрами поверхности кремнеземов и алюмосиликатов полуэмпирическими методами [Текст] / Г. Л. Гиззатова, Л. В. Воронина [и др.] // Альманах-2013. - Волгоград : [Изд-во ВолГУ], 2013. - С. 86-95.

18. Выявление факторов жизнеобеспечения в водоемах степно-пустынной зоны [Текст] / Г. Л. Гиззатова, Л. В. Воронина [и др.] // Научный

потенциал регионов на службу модернизации : межвуз. сб. науч. ст. -Астрахань : Изд-во ГАОУ АО ВПО «АИСИ», 2013. - С. 108-113. -Библиогр.: с. 113 (7 назв.).

19. Гиззатова, Г. Л.. К вопросу о факторах, влияющих на процессы самоочищения искусственных водоемов [Текст] / Н. А. Сахарова, А. А. Сахарова, Г. Л. Гиззатова // Потенциал интеллектуально одаренной молодежи - развитою науки и образования : материалы II междунар. науч. форума молодых ученых, студентов и школьников, 20-24 мая 2013 г. -Астрахань, 2013,- С. 342-345. - Библиогр.: с. 344-345 (7 назв.).

20. Совершенствование методов анализа воды в период биообрастаний [Текст] / Г. Л. Гиззатова, Л. В. Воронина [и др.] // Научный потенциал регионов на службу модернизации : межвуз. сб. науч. ст. - Астрахань : Изд-во ГАОУ АО ВПО «АИСИ», 2013. - С. 113-120. - Библиогр.: с. 120 (8 назв.).

21. Совершенствование системы оборотного водоснабжения предприятия, работающего по малоотходной технологии [Текст] / Г. Л. Гиззатова, Е. В. Москвичева [и др.] // Качество внутреннего воздуха и окружающей среды = Indoor air and environmental quality : материалы ХП Междунар. науч. конф., 23 марта-3 апреля 2014 г., г. Хайфа /М-во образования и науки Рос. Федерации, Волгогр. Гос. архит.-строит. ун-т, Рос. акад. архитектуры и строит, наук (РААСН). - Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2014. - С. 59-64.

22. Стабильность и гигиеническая оценка ряда органических соединений при обработке воды в бассейнах модифицированным смешанным реагентом [Текст] / Г. Л. Гиззатова, Д. В. Щитов [и др.] // «Инженерно-строительный вестник Прикаспия» Научно-технический журнал, г. Астрахань: Изд-во ГАОУ АО ВПО «АИСИ», 2014,- №1 (7).-С. 71-75. - Библиогр.: с. 75 (13 назв.).

Автор благодарит за помощь коллектив аналитической лаборатории международного института в г. Циттау, Германия.

Условные обозначения

CP - смешанный реагент

ПАВ - поверхностно-активные вещества

ВБ - вода в бассейне

ВОС - водоочистные сооружения

АБС - алкилбензолсульфонат натрия

ДБС - додецилбензолсульфонат

CMC — синтетические моющие средства

АПАВ - анионные поверхностно-активные вещества

НПАВ - неионогенные поверхностно-активные вещества

АОС - аммонийсодержащие органические соединения

ПДК - предельно-допустимая концентрация вещества

МОП - модифицированная опока

Гиззатова Гульнара Линуровна

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОЧИСТКИ ВОДЫ В ПЛАВАТЕЛЬНЫХ БАССЕЙНАХ ОТ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ

05.23.04 - Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 04.07.2014 г. Заказ № 136. Тираж 100 экз. Печл. 1,0 Формат 60x84 1/16. Бумага писчая. Печать плоская. Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет 400074, Волгоград, ул. Академическая, 1. Отдел оперативной полиграфии