автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Разработка методов повышения барьерных функций очистных сооружений водопроводов в отношении антропогенных загрязнений

На правах рукописи

ооз1б59эе

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

Л

#

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 «16» апреля 2008 г в Ю30 на заседании диссертационного совета Д 303 004.01 при ОАО «НИИ ВОДГЕО» по адресу Комсомольский проспект, 42, стр.2, г Москва, 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 «11» марта 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, ^ ^

канд техн. наук Ю В Кедров

Список сокращений:

ПАУ - порошкообразный активированный уголь, ФЛ - флокулянт (в пилотных испытаниях - ПАА), КГ - коагулянт

СА - коагулянт сульфат алюминия (ГОСТ 12966-85), А А - коагулянт «Аква-Аурат™ 30», 30 % по А1203, 0-43 % (ОАО «Аурат», ТУ 2163-069-00205067-2007), ГХА - гидроксохлорид алюминия, марка Б 42 % по А1203, О - 75 % (ОАО «Сорбент», ТУ 6-00-05795731-25-96) С1 - 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 СНС13, ССЦ, СНВгС12, СНВг2С1 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 1 % 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) выявление приоритетных типов антропогенных загрязнений с позиций их распространенности в водоисточниках различных регионов РФ и возможностей удаления из воды,

б) анализ технологических схем и эффективности работы существующих сооружений водопроводов с позиций возможностей их модернизации,

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

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

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

е) разработка 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) исследованы 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) установлена 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) научно 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 Тольятти, 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 Уфы, 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 Ялта, 24-27 июня

2005 г ), Второй международной научно-практической конференции «Решение

водохозяйственных проблем в Сибирском регионе» (г Новосибирск, 27-28

6

октября 2005 г ), Региональной научно-практической конференции «Проблемы и пути развития водопроводно-канализационного хозяйства в современных условиях» (г Ижевск, 28-29 июня 2006 г ), Третьей международной научно-практической конференции «Решение проблем развития водохозяйственных систем Новосибирска и городов Сибирского региона» (г Новосибирск, 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 «осветление-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 1) 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

8

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.

Рис. 1. Принципиальная технологическая схема пилотного комплекса (ПК)

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 щдрофобностью

Анализ данных о загрязненности водоисточников позволил осуществить

в работе разделение уровней загрязнений источников на фоновые и

надфоновые (или экстраординарные) Для фонового уровня были приняты

концентрации целевых токсикантов в воде до 1,5-2 ПДК, для надфонового -

концентрации существенно выше этих значений Уровни содержания

приоритетных токсикантов в воде изменялись в следующих диапазонах

нефтепродукты от 6 до 21 ПДК (норматив - 0,1 мг/л), СПАВ - от 1,5 до 5 ПДК

(норматив - 0,5 мг/л), фенол - от 7 до 35 ПДК (норматив - 0,001 мг/л), бифенил

- от 3 до 9 ПДК (норматив - 0,001 мг/л)

Методика проведения исследований предполагала поиск технологических

и технических решений с использованием серийно выпускаемых реагентов,

сорбентов и оборудования

Воспроизводимость условий исследований реализовывалась с помощью

моделирования уровней концентраций токсикантов в водоисточнике и генезиса

попадания исследуемых загрязнителей в воду Были разработаны принципы

создания смесей токсикантов, которые базировались на их различной

растворимости в воде и в органических растворителях, а также с учетом

взаимной растворимости Методика приготовления смеси заключалась в

следующем заданное количество токсикантов совместно или группами

растворяли в промежуточном растворителе (ацетон или спирт), затем

осуществлялся перенос этого раствора в малый объем воды с длительным

перемешиванием и последующей фильтрацией, далее этот фильтрат вводили в

обрабатываемую воду и тщательно перемешивали

Для воспроизводимости условий экспериментов также было важно,

чтобы сорбционные материалы работали в одинаковых условиях Поэтому

были разработаны принципы предподготовки сорбентов перед их

непосредственным использованием Для осуществления эффективного

процесса сорбции необходимо предварительное замачивание угля, которое

позволяет ликвидировать газовый «барьер» и перейти к системе «сорбент-

вода-примеси воды» Была исследована зависимость изменение времени

10

замачивания от температуры в диапазоне температур воды от +2 до +60 °С и

показано, что предобработка сорбента горячей водой определенной

температуры позволяет многократно сократить время замачивания и тем самым

увеличить долю работающего сорбента

Выбор сорбционных материалов для работы осуществлялся на основе

оценки их характеристик пористой структуры, полярных свойств поверхности

угля, эффективности сорбции стандартных растворов низко- и

высокомолекулярных соединений (метиленовый голубой, фенол, йод) и др

Оценка свойств выбранных типов загрязнений и исследованных

сорбентов показала, что наиболее эффективны сорбенты, обладающие

одновременно развитой мезопористой структурой, с достаточно большим

суммарным объемом пор и высоким значением адсорбционной активности как

по метиленовому голубому, так и по йоду По этим критериям были выбраны

три марки углей СПДК-27Д, ОУБ-12 и АБГ-П59

После анализа физических и структурных характеристик углей

производился выбор наиболее эффективного сорбента с использованием смеси

токсикантов С использованием ранее описанной методики приготовления

модельных смесей токсикантов была смоделирована смесь фенола (17,3 ПДК),

дихлорфенола (9 ПДК), бифенила (8 ПДК), гексадекана (10 ПДК) и сульфонола

(5 ПДК) Использование одной дозы угля (15 мг/л) для выбранных марок

сорбентов позволяло достигать эффективности очистки от указанных

загрязнителей от 74 до 95 % По эффективности извлечения суммы соединений

был выбран наиболее эффективный сорбент — СПДК-27Д, использование

которого позволяло очистить воду до концентраций, не превышающих норм

ПДК для питьевой воды Данный сорбент использовался в качестве основного в

дальнейших исследованиях

В главе 3 «Экспериментальная часть» приведены результаты

исследований сорбционных методов повышения барьерной роли сооружений с

фоновыми (фактическими) и экстраординарными (смоделированными)

уровнями концентраций приоритетных токсикантов в воде

Исследование сорбционных процессов (с ПАУ и ГАУ) проводилось

совместно с реагентными методами, в полном цикле очистки воды С целью

выбора наиболее эффективной технологии исследовались схемы с ГАУ, с ПАУ

(в зависимости от дозы и места ввода), с коагулянтами различной основности

I. Изучение режимов очистки воды с фоновым содержанием

антропогенных примесей производилось по следующим схемам «первичное

11

хлорирование —> сорбционная обработка ПАУ —» коагуляционная обработка коагулянтом (СА, ГХА, АА) и флокулянтом (ПАА) —> хлопьеобразование в КХО —» отстаивание —> механическое фильтрование или фильтрование на двухслойном фильтре с ГАУ (АГ-3, СКД-515)».

Было установлено, что в схемах с доочисткой воды на механических фильтрах замена однослойной песчаной загрузки на двухслойную с ГАУ позволяет снизить концентрации токсикантов, а также количество образующихся в процессе хлорирования галогенорганических соединений в фильтрате ниже их нормативных уровней.

Извлечение нефтепродуктов после двухслойных загрузок происходило на 60 %,

Исх. НП = 0,08-0,1 мг/л, СПАВ = 0,2-0,5 МГ/Л, ГОС после МФ = 20,2 мкг/л

л

■в-§

сз

НП СПАВ ГОС

0МФ НМФ+СКД-515 ЕЭМФ+АГ-3

Рис. 2. Эффективность очистки после фильтрования через различные загрузки

независимо (структуры) Напротив, извлечения

от марки сорбента, эффективность СПАВ, в

зависимости от марки ГАУ, составляла от 70 до 85 %, ГОС от 20 до 50 %.

При фоновых концентрациях токсикантов в водоисточнике, остаточные их концентрации в фильтрате после двухслойных загрузок находились на уровне 0,03-0,4 ПДК.

Увеличение эффективности очистки воды от исследуемых токсикантов наблюдалось при использовании более основных, чем сульфат алюминия коагулянтов - оксихлоридов алюминия (ОХА).

Эффективность извлечения нефтепродуктов, при использовании ОХА, возрастает вследствие более высокой сорбционной способности полимерных продуктов гидролиза ОХА (рис. 3). Одновременно происходит снижение рабочих доз коагулянта.

Например, эффективность удаления нефтепродуктов из речной воды возрастает в ряду: СА —» АА —> ГХА, при этом доза ОХА марки «ГХА» в 2,5 раза меньше дозы сульфата алюминия.

При введении в

существующую технологию очистки воды нового «реакционного» материала -ПАУ - необходимо было понять, каким образом он влияет на изменение общих показателей качества воды.

Ввод ПАУ в смеситель с последующей реагентной обработкой «СА+ПАА» увеличивает эффект очистки воды по сравнению со стандартной схемой дозирования реагентов. Например, при использовании одного коагулянта дозой 5 мг/л достигается степень обесцвечивания воды на уровне 45 %. Добавление в этот режим флокулянта дозой 0,15 мг/л увеличивает степень обесцвечивания фильтрата до 60 %. Максимальное обесцвечивание исходной воды (75 %) наблюдается при углевании ПАУ (доза 10 мг/л) совместно с реагентной обработкой по режиму «СА+ПАА = 5+0,15».

При увеличении дозы ПАУ, как правило, увеличивается мутность фильтрата. Однако, в диапазоне доз ПАУ от 10 до 20 мг/л, величина показателя мутности находилось в пределах нормы (0,2-0,6 ПДК).

Показано, что глубокое обесцвечивание воды и снижение перманганатной окисляемости достигается в режимах углевания как при использовании флокулянта, так и без него.

Получено, что при одинаковой дозе флокулянта двойное увеличение дозы ПАУ приводит к аналогичному снижению дозы коагулянта и наоборот (рис. 4): цветность и окисляемость снижаются лучше в режимах «ПАУ/СА = 1/1», чем в режимах «ПАУ/СА= 4/1».

Таким образом, в периоды дозирования ПАУ возможен отказ от применения флокулянта.

В сравнении с режимами использования сульфата алюминия, применение коагулянтов с повышенной основностью в режимах углевания (в т. ч. гидроксохлорида алюминия) обеспечивает минимальные значения общих показателей качества очищенной воды.

И ох. НП = 0.08-0,14мг/л

СА, 10 мг/л АА, 10 мг/л ГХА, 4 мг/л

Рис. 3. Извлечение нефтепродуктов коагулянтами разной основности (после стадии фильтрования)

20 15 -10 5 -0

с О г о"

С

8

1 2 3

Режимы обработки

Режимы обработки: Дпау + Дкг+ ДфЛ(мг/л): О - исходная; 1-10+10 + 0; 2-20 + 5 + 0; 3 - 10+10 + 0,15; 4-20 + 5 + 0,15

Рис. 4. Изменение общих показатели качества воды при ее совместной обработке ПАУ и реагентами

Доза ПАУ после С1 -15 мг/л

Близкие эффективности в режимах с сульфатом алюминия и ГХА достигаются меньшими дозами ГХА, притом, что данный коагулянт эффективно работает и в отсутствии флокулянта.

В условиях присутствия в водоисточнике фоновых количеств исследуемых токсикантов, а также в зависимости от времени года и концентрации каждого из них, дозирование ПАУ перед смесителем дозами 5-10 мг/л обеспечивает достижение их концентраций в очищенной воде на уровне 0,1-0,5 ПДК.

Для токсикантов

галогенорганического ряда,

образующихся в процессе первичного хлорирования,

требуемое снижение их концентраций в фильтрате после механических фильтров

достигается путем введения порошкообразного сорбента

указанными дозами в смеситель после стадии хлорирования (рис. 5).

40 -,

30 -

£

О

о 20 -

да £

10 -

<5-

Мф МФ+ПАУ

Рис. 5. Изменение концентрации суммы галогенорганических соединений по стадиям обработки воды

Приведенные выше данные исследований в периоды фонового загрязнения водоисточника токсикантами показывают, что требуемый эффект очистки воды по приоритетным токсикантам, общим показателям качества, а также по вторичным соединениям, образующимся в процессе хлорирования

воды достигается путем использования ПАУ и ОХА повышенной основности Регулирование эффективности удаления токсикантов и снижения общих показателей качества осуществляется путем изменения соотношения доз ПАУ и ОХА

II. Изучение режимов очистки воды с экстраординарным содержанием токсикантов производилось по следующим схемам «первичное хлорирование —» сорбционная обработка ПАУ —» коагуляционная обработка коагулянтом (СА, ГХА, АА) и флокулянтом (ПАА) —* хлопьеобразование в КХО —> отстаивание —> сорбционная обработка ПАУ —> а) механическое фильтрование или б) фильтрование на двухслойном фильтре с ГАУ (АГ-3, СКД-515) или в) механическое фильтрование —> сорбционное фильтрование (АГ-3, СКД-515)»

В результате сравнений эффектов очистки воды от исследуемых токсикантов более эффективными коагулянтами установлено следующее Реагентная обработка воды только сульфатом алюминия и ПАА, без применения углеродных сорбентов, не обеспечивает требуемой степени очистки Например, для режима коагуляции «Дкг/Дфл = 10/ 0,15» в фильтрате после механического фильтра остаточная концентрация токсикантов снижалась соответственно для НП с 8,5 до 1,3 ПДК, СПАВ с 2,5 до 1,1 ПДК, фенола с 10 до 1,2-1,3 ПДК, бифенила от 8 до 1,4-1,5 ПДК

Замена сульфата алюминия и ПАА на гидроксохлорид алюминия для режима коагуляции «ДК17ДфЛ = 4/ 0» также не позволяет достичь нормативных требований Остаточные концентрации токсикантов после механического фильтра снижались соответственно для НП с 5,4 до 1,5 ПДК, СПАВ с 3,4 до 1,5 ПДК, фенола с 8,1 до 2,8 ПДК, бифенила от 2,9 до 0,1 ПДК

Показано, что дополнение режима обработки воды «СА+ПАА = 10+0,15» процессом углевания ПАУ дозами до 15 мг/л увеличивает эффективность очистки воды по всем исследуемым токсикантам (рис 6) В зависимости от исходной концентрации каждого загрязнителя в смеси, снижение их концентраций в очищенной воде происходит до остаточных величин на уровне 0,1-0,5 ПДК

Сравнение схем углевания (по качеству фильтрата механического фильтра) с применением ГХА и наиболее эффективной схемы обработки воды сульфатом алюминия и ПАА (ДК1УДфл = 10/0,15) показал, что обе схемы работают с близкой эффективностью - от 85 до 99 % (в зависимости от класса соединений)

100 80 60 40

■е

■е 20

Эффективность очистки воды от СПАВ и бифенила была несколько выше при ее обработке с использованием ГХА, а эффективность извлечения нефтепродуктов и фенолов - несколько выше в схемах с использованием

НП СПАВ Фенол Бифенил □ Без ПАУ В ПАУ = 15 мг/л в СМ

Рис. 6. Эффективность извлечения токсикантов в ^ьфата алюминия И ПАА. режимах углевания с помощью ПАУ и без него

При реализации процесса углевания с применением традиционных или альтернативных реагентов, общие показатели качества очищенной воды (цветность, мутность и окисляемостъ) были примерно на одном уровне, несмотря на то, что дозы реагентов и ПАУ до 1,5-3 раз меньше в режимах очистки воды с ГХА.

Сравнение сорбционной доочистки воды на двухслойных фильтрах (песок+ГАУ) с реагентной обработкой, включающей ввод порошкообразных сорбентов дозами до 10 мг/л (либо в смеситель, либо перед фильтрами), показало равнозначную эффективность этих методов и для НП и для фенола (рис. 7). При удалении бифенила - эффективность схемы с вводом ПАУ (перед МФ) была выше, чем в схемах с ГАУ. Преимущество двухслойных фильтров выявилось только для СПАВ.

100

# е-

(О

НП СПАВ Фенол Бифенил

®МФ+ГАУ тМФ (ПАУ 10 мг/п в СМ) ВМФ (ПАУ 10 мг/л на МФ)

Рис. 7. Эффективность извлечения токсикантов в различных режимах сорбционной обработки воды

Таким образом, показана высокая эффективность углевания для удаления токсикантов как в смеси, так и по отдельности. Доказана возможность отказаться от схем с переоборудованием механических фильтров в двухслойные с ГАУ, тем более, что эффективность работы ГАУ резко снижается при увеличении содержания взвешенных веществ после 1-й ступени очистки.

Более рациональным является применение ГАУ после стадии механического фильтрования. Поэтому на следующем этапе работ изучались схемы с устройством дополнительной сорбционной ступени после стадии механического фильтрования. Исследования режимов обработки воды по схемам «механический фильтр -> сорбционный фильтр» показали, что остаточные концентрации трех из 4-х исследуемых токсикантов в очищенной воде были на уровне 1 ПДК и более (рис. 8). 0,4 -г

0,6 т ГЩК=0,5 мг/л

0,3 --

0,2

с X

0,1 --

ПДК=0,1мг/л

. .. .Евййш Без ПАУ

0,4 --

О 0,2-.

э

к

ПАУ на МФ

Без ПАУ

ПАУ на МФ

2 --

1 --

ГЩК=1,0 мкг/л

Без П«/ ПАУ на МФ

В после МФ Ш после МФ->ГАУ

3 т

ГДК = 1 мкг/л

Без ПАУ

ПАУ на МФ

Рис. 8. Эффективности удаления токсикантов при реализации различных режимов сорбционной очистки воды

Показано, что глубокое извлечение токсичных примесей из воды (до 0,10,4 ПДК) обеспечивается сочетанием углевания с сорбционной доочисткой на ГАУ, однако остаточные концентрации токсикантов в фильтрате при углевании перед механическими фильтрами обеспечивают степень очистки ниже нормативов для всех компонентов смеси, что позволяет отказаться от

дополнительной сорбционной ступени после стадии механического фильтрования

После выявления высокой и достаточной эффективности углевания одинаковыми дозами (до 10 мг/л) в различные точки схемы дальнейшие исследования были направлены на исследование режимов дробного введения ПАУ, с целью поиска возможностей снижения его рабочей дозы

Получены данные по эффективности режимов углевания при вводе ПАУ в разные точки технологической схемы в смеситель и/или перед механическим фильтром (табл 1) Показано, что высокие концентрации НП (до 12 ПДК) удаляются из воды до нормативных значений уже при минимальных дозах сорбента (до 5 мг/л), независимо от места его дозирования Напротив, при экстраординарных концентрациях СПАВ и фенола эффективность их удаления выше, при дозировании сорбента перед фильтрами, а максимальное извлечение данных токсикантов обеспечивается раздельным дозированием ПАУ в обе точки схемы

Таблица 1

Эффективность снижения концентраций ксенобиотиков в воде после механического фильтра при различных режимах углевания

Режим и дозы ПАУ НП, ед ПДК СПАВ, ед ПДК Фенол, ед ПДК

Исходная вода (модель) 1,2-12 1-1,5 23-27

5 мг/л в СМ 0,5 - 14,3

5 мг/л перед МФ 0,5 0,16 8

10 мг/л в СМ 0,5 - 10,1

5 мг/л в СМ + 5 мг/л перед МФ 0,5 0,1 1,2

15 мг/л в СМ 0,5 - 8,7

Как известно, на сорбционные свойства сорбента отрицательно влияет

природный фон загрязнений воды водоисточника Так, при углевании в

смеситель ПАУ работает в наиболее тяжелых условиях, что становится

наиболее заметным в паводковые периоды года

В ходе исследований получены два наиболее эффективных режима

обработки воды ПАУ, в зависимости от качества речной воды в периоды

экстраординарного уровня изученных видов токсикантов а) в межпаводковые

периоды года - дозирование ПАУ в смеситель дозами до 15 мг/л, б) в

паводковые периоды года - одновременное дозирование ПАУ в смеситель и

перед механическими фильтрами суммарной дозой до 20 мг/л

Получены граничные условия применимости режимов совместной

реагентной обработки и углевания (табл 2), в зависимости от значений общих

показателей качества воды (естественного фона) и концентраций смеси

18

токсикантов, а также коэффициента токсичности (Кт) смеси загрязнителей (СанПиН 2 1 4 1074-01, п 3 4 4)

Таблица 2

Режимы обработки воды Общие показатели качества речной воды Суммарная загрязненность речной воды токсикантами

ПАУ в СМ ПАУ перед МФ Мутн, мг/л Цветн, градусы Ок-ть, мгО/л НП, мг/л СПАВ, мг/л Фенол, мкг/л Бифенил, мкг/л К,

5-10 5-10 3-7 40-55 7-12 6-12 0,8-2 12-35 2-5 84-158

10-15 - 0,5-2 25-35 5-8 6-21 1-2 5 7-18 3-9 118-241

В главе 4 «Практическая реализация предлагаемых решений»

приведены методические указания по усовершенствованию технологий очистки природных поверхностных вод реагентными и сорбционными методами, которые определяют перечень мероприятий, в зависимости от характера и уровня концентраций приоритетных токсикантов и степени загрязненности водоисточников природными примесями В них приводится порядок действий, направленных на увеличение защитных (барьерных) функций очистных сооружений водопроводов в отношении широкого спектра антропогенных (техногенных) токсикантов, постоянно присутствующих или периодически появляющихся в воде источников питьевого водоснабжения Предлагаемые решения предназначены, в первую очередь, для действующих сооружений, эксплуатирующихся по типовым одно- и двухступенчатым технологическим схемам, включающим реагентную обработку воды, осветление и фильтрование

Настоящие указания разработаны с учетом а) использования серийно выпускаемых реагентов и оборудования; б) снижения капитальных и эксплуатационных затрат, в) максимального использования при модернизации станций существующих емкостей, коммуникаций и оборудования

При выборе путей повышения барьерных функций очистных сооружений, рекомендуется провести следующие предварительные действия

- статистическая оценка параметров качества исходной воды за представительный период по а) общим показателям, б) токсическим примесям (в первую очередь нефтепродукты, фенолы, хлорфенолы, полиароматические соединения, СПАВ),

- выбор характерных для данного водозабора токсикантов (или их групп), как правило, до 4-5 наименований,

- классификация характерных для данного водозабора токсикантов (или их групп) по уровням их концентраций в водоисточнике, превышающих нормативы для питьевой воды (фоновые и надфоновые)

Предлагаемый вариант классификации предусматривает разделение вредных примесей воды на

а) фоновые - наблюдаются постоянно или с большой частотой,

б) надфоновые (могут иметь место в истории водозабора или прогнозироваться)

-надфоновые с незначительным превышением фоновых уровней концентраций - до 30 дней в году,

- экстраординарные, в отсутствии паводка - до 10 дней в году,

- экстраординарные, в паводки - до 10 дней в году

К фоновым уровням загрязнений отнесены значения концентраций

токсикантов до 1,5-2 ПДК (в соответствие с СанПиН) При превышении этих

значений вещество относится к «надфоновой» группе

В зависимости от преобладания на водоисточнике того или иного периода

его загрязненности рекомендуются следующие модернизированные

технологические схемы

А) Преобладание периодов с фоновыми концентрациями токсикантов

Рекомендуемая схема «первичное хлорирование (УФО) —> реагентная

обработка сульфатом алюминия и ПАА —> отстаивание —> механическое

фильтрование —> вторичное хлорирование (УФО)»

При нахождении в водоисточнике одного или всех изученных

токсикантов на фоновых уровнях рекомендуется реагентная обработка воды

коагулянтом и флокулянтом с использованием наиболее эффективных

коагулирующих реагентов, в т ч высокоосновных солей алюминия, без

использования ПАУ

Б) Преобладание периодов с незначительным превышением фоновых

уровней концентраций

Рекомендуемая схема «первичное хлорирование (УФО) —> углевание

ПАУ —> реагентная обработка «сульфат алюминия+ПАА» / «гидроксохлорид

алюминия+ПАА» —> отстаивание —* механическое фильтрование —» вторичное

хлорирование (УФО)»

Получено, что в периоды года с незначительным превышением фоновых

уровней концентраций таких токсикантов как нефтепродукты, СПАВ, фенол и

бифенил, добиться их нормативного содержания в питьевой воде можно,

20

используя сорбент типа СПДК-27Д, дозируемого в обрабатываемую воду до

ввода основных реагентов (коагулянта, флокулянта) в дозах от 5 до 10 мг/л

В) Преобладание периодов с экстраординарным повышением

концентраций токсикантов

Рекомендуемая схема «первичное хлорирование (УФО) —> углевание

ПАУ —> реагентная обработка «сульфат алюминия+ПАА» / «гидроксохлорид

алюминия+ПАА» —+ отстаивание —» углевание ПАУ —► механическое

фильтрование —> вторичное хлорирование (УФО)»

Данная схема является наиболее полной и предназначена для

эффективной работы сооружений в паводок Дозы сульфата алюминия - 10-15

мг/л, ПАА - 0,05-0,3 мг/л Режим дозирования ПАУ (типа СПДК-27Д) в

смеситель (дозами до 10 мг/л) и перед механическими фильтрами (дозами до 10

мг/л) позволяет получать воду нормативного качества при следующих

концентрациях токсикантов, одновременно находящихся в воде НП до 12 мг/л,

СПАВ до 4 мг/л, фенол до 35 мкг/л, бифенил до 5 мкг/л

В межпаводковые периоды схема эффективно работает при углевании в

одну точку схемы - в смеситель, дозами до 10-15 мг/л

В случае недостижения требуемого эффекта очистки в условиях

существующих на станции режимов реагентной обработки в режимах «Б» и

«В» необходим переход на коагулянт с большей основностью (типа

гидроксохлорида алюминия)

Г) Преобладание периодов значительных колебаний концентраций

токсикантов, находящихся в смеси

Рекомендуемая схема «первичное хлорирование (УФО) —> углевание

ПАУ —> реагентная обработка «гидроксохлорид алюминия+ПАА» —>

отстаивание —» углевание ПАУ —► механическое фильтрование —> вторичное

хлорирование (УФО)»

В данном случае концентрации токсикантов, дозы ПАУ и реагентов могут

выходить за приведенные выше диапазоны, что требует более глубоких

предварительных изысканий, основные из которых это выбор наиболее

эффективного сорбента и определение его рабочих доз с проведением натурных

испытаний на смеси приоритетных токсикантов

Реализация систем углевания воды в промышленных условиях - ОСВ гг

Уфы, Хабаровска и Тольятти - показали, что для снижения экстраординарных

концентраций токсикантов в исходной воде до нормативных уровней

необходимо а) при преобладании в воде низкомолекулярных соединений

21

(например, фенола - до 20 ДДК, бифенила - до 5 ДДК, нефтепродуктов - до 5 ПДК) - дозирование ПАУ перед механическими фильтрами дозами до 15 мг/л, б) при преобладании в смеси токсикантов высокомолекулярных соединений (например, СПАВ - до 10 ПДК) - дозирования ПАУ в «голове» схемы - в смеситель, дозами до 15 мг/л, в) при одновременном присутствии в воде и низкомолекулярных (фенола - до 10-20 ПДК, нефтепродуктов - до 10 ПДК) и высокомолекулярных соединений (СПАВ - до 5 ПДК) - ввод ПАУ и в «голове» схемы и перед механическими фильтрами суммарной дозой до 20 (30) мг/л

Внедрение технологии углевания на сооружениях происходит, как правило, в существующих объемах станции Основным, разработанным с участием автора, элементом блока углевания является специальный контейнер, в котором сорбент доставляется с завода-изготовителя и хранится на сооружениях В этом же контейнере готовится концентрированная суспензия ПАУ, для чего внутри предусмотрены контуры подачи горячей и холодной воды (рис 9) Замоченный сорбент перемешивается и поддерживается во взвешенном состоянии при помощи контуров подачи воздуха.

1 - цистерна, 2 - каркас, 3 - загрузочный люк, 4 - площадка для обслуживания, 5 - патрубок подачи воды в нижний контур, 6 - патрубок подачи воды в эжектор, 7 - патрубок отвода пульпы, 8 -патрубок опорожнения контейнера, 9 - патрубок отвода воды из нижнего контура, 10 - патрубок подачи воздуха, 11 - перелив, 12 - патрубок подачи воды в верхний контур, 13 - патрубок отвода воздуха из контейнера, 14 - шкаф выходных патрубков

Рис. 9. Контейнер для транспортировки, хранения и замачивания ПАУ

Сорбент доставляется с завода-изготовителя автомобильным или железнодорожным транспортом Принципиальная технологическая схема узла углевания аналогична схеме приготовления основных реагентов и включает емкости для приготовления требуемой концентрации суспензии ПАУ и насосное оборудование

Подготовка ПАУ к дозированию включает следующие операции сухой порошок сорбента замачивается водой непосредственно в том контейнере, который доставил его с завода и перекачивается в емкости хранения концентрированного раствора пульпы, по мере необходимости, концентрат перекачивается в расходные емкости, где разбавляется до нужной рабочей концентрации

Результаты сравнения сорбционных блоков (для станций производительностью 250 тыс м3/сут) показывают, что внедрение блока углевания воды ПАУ (используется до 50 дней в году) взамен реконструкции существующего блока фильтров с созданием 2-х слойных фильтров с ГАУ дает годовой экономический эффект в размере 3110 тыс рублей

Таблица 3

Основные технико-экономические показатели

№ Наименование показателей Ед изм Блок ПАУ Ф-ры с ГАУ (аналог)

1 Масса сорбента т 125 300

2 Стоимость сорбента тыс руб/т 60 60

3 Замена загрузки 1/год - 1

4 Капитальные затраты тыс руб 30 312 -

5 Годовые эксплуатац затраты тыс руб 11 253 18 000

б Приведенные затраты тыс руб 14 890 18 000

7 Ожидаемый эконом эффект тыс руб 3 110 -

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1 Анализ фактического состояния источников питьевого водоснабжения крупных городов РФ выявил недостаточную эффективность действующих очистных сооружений водопроводов в отношении таких токсикантов как нефтепродукты, фенолы, СПАВ и полиароматические соединения, что определяет актуальность задачи повышения барьерных функций сооружений для обеспечения нормативного качества водопроводной воды

2 Научно и практически обоснована методика для выбора порошкообразного активированного угля (ПАУ) с использованием смеси наиболее распространенных в водоисточниках РФ токсикантов

3 Установлена необходимость применения разных способов модернизации технологических схем, в зависимости от типа и концентрации токсиканта, качества воды по общим показателям и состава действующих сооружений

4 Показано, что для удаления фоновых количеств (с концентрациями до 1,5-2 ПДК) приоритетных токсикантов, коррекцией типов и доз основных реагентов (коагулянта и флокулянта) в сочетании с углеванием (на уровне доз до 5 мг/л) достигаются нормативы по приоритетным токсикантам, общим показателям качества воды, а также по веществам, образующимся в процессе обеззараживания воды хлором

5 Для периодов экстраординарного загрязнения воды по приоритетным токсикантам от 2-10 до 20-35 ПДК показано, что дополнение реагентной обработки воды углеванием ПАУ дозами от 10 мг/л является эффективным методом очистки от исследованных токсикантов, что дает возможность отказаться от использования фильтров с гранулированными активированными углями (ГАУ)

6 Разработан специальный контейнер для перевозки, хранения и подготовки ПАУ к работе, а также аппаратурно-техническая база, позволяющая осуществить полный цикл углевания на сооружениях с соблюдением санитарно-технических нормативов и вопросов безопасности работы с углем, исключающих ручной труд и загрязнение помещений

7 Предложены рациональные технологические схемы очистки воды от наиболее распространенных токсикантов, которые реализованы в масштабах крупных водопроводных станций (0 от 100 до 450 тыс м3/сут)

8 Сравнение приведенных затрат по двум вариантам модернизации схем с помощью сорбционных методов показало, что внедрение на станции производительностью 250 тыс м3/сут блока углевания воды с помощью ПАУ взамен переоборудования существующего блока фильтров в 2-х слойные фильтры с ГАУ дает годовой экономический эффект в размере 3 110 тыс руб

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1 Архипова Е Е , Домнин К В , Стеблевский В И , Талалаев С А , Шибаева О А., Гусев Е Е , Герасимов М М, Смирнов А Д Апробация мембранной ультрафильтрации в технологии очистки р Амур // Вода и экология Проблемы и решения - 2005 - № 4 - С 40-42

2 Давлятерова Р А , Герасимов М М, Смирнов А Д., Кантор Л И Испытания углеродного волокнистого материала на водозаборе г Уфы в условиях загрязнения речной воды нефтепродуктами // ЭТЭВК-2005 Экология, Технология, Экономика, Водоснабжение, Канализация мат-лы межд конгресса и технич выставки, Украина, г Ялта, 24-27 июня 2005 г - Киев ВПЦ «Три Крапки», 2005 - С 186-190

3 Бивалькевич А И, Смирнов А Д, Герасимов М М, Парфенов О Л, Зайцева С Г Безопасность и эффективность систем обеззараживания воды Опыт городов Сибири // Решение водохозяйственных проблем в Сибирском регионе мат-лы П-й межд НПК, Новосибирск, 27-28 октября 2005 г -Новосибирск, 2005 - С 11-12

4 Жестков Н В , Кабанов Б В , Бивалькевич А И , Герасимов М М , Давлятерова Р А, Талалаев С А Подготовка питьевой воды на станциях с речными водозаборами применительно к Восточной Сибири // Решение водохозяйственных проблем в Сибирском регионе мат-лы П-й межд НПК, Новосибирск, 27-28 октября 2005 г - Новосибирск, 2005 - С 12-13

5 Домнин К В , Архипова Е Е , Давлятерова Р А, Герасимов М М, Гусев Е Е , Талалаев С А, Смагин В А , Шибаева О А , Смирнов А Д Повышение барьерной роли очистных сооружений водопровода г Хабаровска //Обезвоживание, реагенты, техника -2005 -№ 13-14 - С 47-53

6 Смирнов А Д , Гусева О А , Герасимов М М , Парфенов О А , Катаев В В, Баязитов Е В. Об опыте применения современных методов обеззараживания воды в практике крупных водопроводов // Проблемы и пути развития водопроводно-канализационного хозяйства в соврем условиях мат-лы регион НПК, Ижевск, 28-29 июня 2006 г - Ижевск, 2006 - С 30-31

7 Герасимов М М, Смирнов А Д, Беляк А А, Давлятерова Р А , Гусева О А , Задоянный А Г, Домнин К В Проблемы обеспечения населения качественной питьевой водой в условиях работы водоканалов крупных городов // Проблемы и пути развития водопроводно-канализационного хозяйства в соврем условиях мат-лы регион НПК, Ижевск, 28-29 июня 2006 г - Ижевск, 2006 - С 32-34

8 Гусев Е Е, Талалаев С А, Герасимов М М, Смирнов А Д, Смагин В А, Помосова Н Б Снижение концентрации хлорорганических соединений при вторичном хлорировании природных вод / Проблемы и пути развития водопроводно-канализационного хозяйства в соврем условиях мат-лы регион НПК, Ижевск, 28-29 июня 2006 г - Ижевск, 2006 - С 46

9 Помосова Н Б , Становских А А , Синицина О О , Герасимов М М Проблемы водоподготовки в условиях эвтрофикации источника питьевого водоснабжения г, Ижевска // Водоснабжение и санитарная техника - 2006 -№8 -С 55

10 Багаев ЮГ, Мамаев ВВ, Костюченко СВ, Герасимов ММ., Гонтовой А В , Смирнов А Д О выборе схемы обеззараживания водопроводной воды // Решение проблем развития водохозяйственных систем Новосибирска и городов Сибирского региона мат-лы Ш-й межд НПК, Новосибирск, 25-26 октября 2006 г - Новосибирск, 2006 - С 6-7

11 Домнин К В , Архипова Е Е , Самчук И С , Алешко Д С , Дунаевская Е В , Кузьминова Ю А , Герасимов М М, Смирнов А Д, Давлятерова Р А Проблемы обеспечения населения качественной питьевой водой в условиях чрезвычайной ситуации // Водоснабжение и санитарная техника-2007 -№6, ч 2 -С 28-31

12 Домнин КВ, Архипова ЕЕ, Самчук ИС, Алешко ДС, Дунаевская Е В , Смирнов А Д, Герасимов М М, Беляк А А Новые технологии очистки воды р Амура от антропогенных загрязнений // Водоснабжение и санитарная техника - 2007 -№6, ч 2 - С 32-37

Автор выражает благодарность за сотрудничество и консультационную помощь специалистам ОАО «НИИ ВОДГЕО» всем сотрудникам лаборатории глубокой очистки воды, зав лаб, к т н Белевцеву АН, снс, ктн Жаворонковой В И , ктн Свердликову А А , зав лаб , д т н Лезнову Б С , зав лаб , д т н Гандуриной Л В , зав лаб , к т н Соколовой Е В , а также всем коллегам из дружественных организаций, на базе которых была выполнена данная работа

Напечатано с готового оригинал-макета

Издательство ООО "МАКС Пресс" Лицензия ИДИ 00510 от01 12 99г Подписано к печати Об 03 2008 г Формат 60x90 1/16. Уел печл 1,5 Тираж 200 экз Заказ 094 Тел 939-3890 Тел./факс 939-3891 119992, ГСП-2, Москва, Ленинские горы, МГУ им МВ Ломоносова, 2-й учебный корпус, 627 к

ВВЕДЕНИЕ.

1.1. Оценка современного состояния источников питьевого водоснабжения и уровня надежности существующих очистных сооружений водопроводов.

1.2. Обоснование выбора методов очистки природной воды от растворенных примесей антропогенного генезиса.

1.2.1: Сорбционные методы.

1.2.2. Окислительные методы.

1.2.3. Окислителыю-сорбг(ионные методы.

1.2.4. Биологические методы.

1.2.5. Мембранные методы.

1.3. Пути повышения барьерных функций очистных сооружений при антропоге11ном загрязнении водоисточников.

2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1. Разработка, изготовление и монтаж оборудования пилотного испытательного комплекса.

2.1.1. Комплектация оборудования.

2.1.2. Технологические возможности работы на пилотном комплексе

2.2. Методика выбора порошкообразных сорбентов для целей диссертационной работы.

2.2.1. Методика определения структурных и физико-химических характеристик ПА У.

2.2.2. Методики испытаний порошкообразных сорбентов в лабораторных и натурных условиях.

2.3. Сорбенты и реагенты, используемые в исследованиях.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

3.1. Изучение способов повышения барьерной роли сооружений в условиях естественного (фонового) содержания антропогенных примесей в воде.

3.1.1. Поиск оптимальных соотношений доз порошкообразных сорбентов и основных реагентов.

3.1.2. Исследования эффективности использования гранулированных сорбентов после стадии отстаивания.

Выводы к главе 3.1.

3.2. Изучение способов повышения барьерной роли сооружений при экстраординарном загрязнении водоисточника антропогенными примесями.

3.2.1. Исследования способов повышения барьерной роли в условиях отсутствия паводка.

3.2.2. Исследования способов повышения барьерной роли в паводок

Выводы к главе 3.2.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3.

4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ПРЕДЛАГАЕМЫХ РЕШЕНИЙ

4.1. методические указания по усовершенствованию технологий очистки природных поверхностных вод реагентными и сорбционными методами.

4.2. Внедрение технологии углевания на сооружениях.

4.3. Технико-экономическая оценка предлагаемых вариантов.

В настоящее время в Российской Федерации наблюдается нарастание объемов и темпов производства, что приводит к увеличению загрязненности водоисточников. Оборудование (в том числе очистные сооружения для обработки воды и стоков) на многих предприятиях сильно изношено или морально устарело, что вызывает низкий уровень очистки сточных вод, регулярные утечки токсикантов широкого спектра действия и сильно повышает вероятность и масштабность аварийных утечек в окружающую среду таких особо токсичных для человека соединений как нефтепродукты, СПАВ, фенолы и поли ароматические соединения. Большинство водоемов, куда сбрасываются сточные воды или попадают «аварийные» сбросы, уже практически утратили способность к самоочищению и поэтому существенная часть загрязнений обнаруживается в створах водозаборов очистных сооружений водопроводов. Извлечение токсикантов антропогенного генезиса из природных вод практически невозможно с помощью традиционных методов очистки воды, рёализуемых на большинстве станций РФ, поэтому часть из них попадает с обработанной водой непосредственно к потребителю. Все вышесказанное относится также и к биологическим загрязнителям.

С другой стороны, многие токсичные соединения образуются непосредственно на водопроводных станциях в процессах обработки воды при коагуляции, хлорировании, озонировании и др. Состав и количество этих соединений часто трудно предсказуемы.

Оценивая сложившуюся ситуацию в стране, в современных условиях водопользования необходима разработка и внедрение методов модернизации существующих очистных сооружений водопроводов таким образом, чтобы усовершенствовать их работу и увязать качество питьевой воды с вновь вводимыми нормативами безопасности жизнедеятельности, создав максимально возможный барьер для наибольшего (в каждом конкретном случае) числа токсикантов.

К одним из широко применяемых в практике водоподготовки относится метод сорбционного извлечения примесей из воды. В практике водоподготовки используются микропористые углеродные материалы с сильно развитой поверхностью - активные угли (АУ). Они подразделяются на: гранулированные

ГАУ, размер частиц 0,07-7 мм), порошкообразные (ПАУ, размер частиц менее 0,07-0,12 мм) угли, а также на углеродные волокна.

Активными углями в большей или меньшей степени адсорбируется из водных растворов подавляющее большинство органических и многие неорганические соединения практически до любых остаточных концентраций и безотносительно к их биохимической токсичности и химической устойчивости. При этом, изъятие примесей не сопровождается внесением в воду каких-либо продуктов разложения органических примесей или солей.

Одним из главных достоинств сорбционных методов извлечения примесей из воды является отсутствие их деструкции или физико-химической трансформации. Однако, до настоящего времени, в России прослеживаются определенные различия в применимости сорбентов различных классов: если внедрение ГАУ на очистных сооружениях водопроводов (ОСВ) отработано достаточно полно и используется на многих предприятиях ЖКХ, то использование технологии углевания воды с помощью ПАУ ведется на незначительном числе объектов. Это объясняется, в первую очередь, сложностями работы с самим материалом, который является пожаровзрывоопасным и имеет ряд физических характеристик, осложняющих приготовление и дозирование в воду его рабочего раствора (пульпы). Однако, начиная с 1994 г., в НИИ ВОДГЕО с участием автора велись разработки по созданию спецоборудования и аппаратного оформления схем углевания воды, которые к настоящему времени внедрены в промышленных масштабах.

Еще два важных момента, которые необходимо учитывать при выборе схемы модернизации станций в настоящее время - это финансирование и свободные площади. Финансировать проекты по модернизации действующих объектов часто приходится из местных (региональных) бюджетов, при этом отсутствие свободных площадей или (и) инженерное оформление многих очистных сооружений не позволяют внедрить те или иные методы очистки воды. В такой ситуации видны положительные моменты от внедрения метода углевания: затраты на дооснащение сооружений составляют, как правило, 0,52 % от стоимости станции, а дополнительный заем новых площадей минимален. Учитывая реальную потребность ЖКХ в высокоэффективных, малозатратных и быстрореализуемых мероприятиях по улучшению качества питьевой воды, было выбрано данное направление исследований.

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) выявление приоритетных типов антропогенных загрязнений с позиций их распространенности в водоисточниках различных регионов РФ и возможностей удаления из воды; б) анализ технологических схем и эффективности работы существующих сооружений водопроводов с позиций возможностей их модернизации; в) исследование технологических процессов и определение условий удаления конкретных типов загрязнений реагентными и сорбционными методами при наличии реального фона природных примесей; г) разработка методик лабораторных и пилотных тестов для выбора технологии и адаптации ее на объектах с учетом масштабного перехода и специфики сооружений; д) разработка эффективных методов обработки исходной воды порошкообразными углями (ПАУ) и инженерных решений по их реализации в процессе водоподготовки; е) разработка 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) исследованы 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) установлена 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) научно 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 реагентаыми 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, вопросов безопасности работы с ПАУ, исключающих ручной труд и загрязнение помещений.

Автор выражает благодарность за сотрудничество и консультационную помощь специалистам ОАО' «НИИ ВОДГЕО»: сотрудникам л/р глубокой очистки воды, зав. лаб., к.т.н. Белевцеву А.Н., с.н.с., к.т.н. Жаворонковой В.И., к.т.н. Свердликову A.A., зав. лаб., д.т.н. Лезнову Б.С., зав. лаб., д.т.н. Гандуриной Л.В., зав. лаб., к.т.н. Соколовой Е.В. и др.

1. Анализ состояния вопроса очистки природных вод от загрязнений антропогенного характера

Общие выводы

1. Анализ фактического состояния источников питьевого водоснабжения крупных городов РФ выявил недостаточную эффективность действующих очистных сооружений водопроводов в отношении таких токсикантов как нефтепродукты, фенолы, СПАВ и полиароматические соединения, что определяет актуальность задачи повышения барьерных функций сооружений для обеспечения нормативного качества водопроводной воды.

2. Научно . и практически обоснована методика для выбора порошкообразного активированного угля (ПАУ) с использованием смеси наиболее распространенных в водоисточниках РФ токсикантов.

3. Установлена необходимость применения разных способов модернизации технологических схем, в зависимости от типа и концентрации токсиканта, качества воды по общим показателям и состава действующих сооружений.

4. Показано, что для удаления фоновых количеств (с концентрациями до 1,5-2 ПДК) приоритетных токсикантов, коррекцией типов и доз основных реагентов (коагулянта и флокулянта) в сочетании с углеванием (на уровне доз до 5 мг/л) достигаются нормативы по: приоритетным токсикантам, общим показателям качества воды, а также по веществам, образующимся в процессе обеззараживания воды хлором.

5. Для периодов экстраординарного загрязнения воды по приоритетным токсикантам от 2-10 до 20-35 ПДК показано, что дополнение реагентной обработки воды углеванием ПАУ дозами от 10 мг/л является эффективным методом очистки от исследованных токсикантов, что дает возможность отказаться от использования фильтров с гранулированными активированными углями (ГАУ).

6. Разработан специальный контейнер для перевозки; хранения и подготовки ПАУ к работе, а также аппаратурно-техническая база, позволяющая осуществить полный цикл углевания на сооружениях с соблюдением санитарно-технических нормативов и вопросов безопасности работы с углем, исключающих ручной труд и загрязнение помещений.

7. Предложены рациональные технологические схемы очистки воды от наиболее распространенных токсикантов, которые реализованы в масштабах крупных водопроводных станций (С) от 100 до 450 тыс. мэ/сут).

8. Сравнение приведенных затрат по двум вариантам модернизации схем с помощью сорбционных методов показало, что внедрение на станции о производительностью 250 тыс. м /сут блока углевания воды с помощью ПАУ взамен переоборудования существующего блока фильтров в 2-х слойные фильтры с ГАУ дает годовой экономический эффект в размере 3 110 тыс. руб.

1. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы СанПиН 2.1.4.1074-01. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. М.: ФЦ Госсанэпиднадзора Минздрава России, 2002. - 103 с.

2. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы СанПиН 2.1.5.980-00. Водоотведение населенных мест. Санитарная охрана водных объектов. Гигиенические требования к охране поверхностных вод. М. : ФЦ Госсанэпиднадзора Минздрава России, 2000.

3. Санитарные правила СП 2.1.5.1059-01. Гигиенические требования к охране подземных вод от загрязнения. — М. : ФЦ Госсанэпиднадзора Минздрава России, 2001. 20 с.

4. Guidelines for drinking Water Quality / WHO. Geneva. - 1984.

5. Водный кодекс Российской Федерации. М. : Изд-во НОРМА, 2001. -64 с.

6. Лукашевич А.Д. Экологические и технологические аспекты оценки качества природных вод для производственного и хозяйственно-питьевого водоснабжения // Вода и экология. 2007. - № 1. — С. 3-16.

7. О санитарно-эпидемиологической обстановке в Российской Федерации в 2004 году: Гос. докл. М. : Федеральный центр гигиены и эпидемиологии Роспотребнадзора, 2005.

8. Качество питьевой воды в бутылках не лучше водопроводной // NEWSru.com2000-2005 :http://palm.newsru.com/world/03may2001/voda.html.

9. Журба М.Г., Мякишев 'В.А. Очистка поверхностных вод, подвергшихся антропогенному воздействию // Водоснабжение и санит. техника. -1992.-№8.-С. 2-6.

10. Феофанов Ю.А. Проблемы и задачи в сфере обеспечения населения питьевой водой // Вода и экология. 1999. - № 1.

11. Журба М.Г., Любина Т.М. и др. Новые решения в подготовке питьевых вод // Водоснабжение и санит. техника. 1994.- № 1. - С. 3-5.

12. Говорова Ж.М Обоснование и разработка технологий очистки природных вод, содержащих антропогенные примеси : Автореф. дис. . докт. техн. наук. М., 2004.

13. Орлов В.П. Экологическая безопасность: проблемы и задачи природоресурсного комплекса России на XXI век //http://www.ineca.ru (01.10.2005).

14. Воды России: состояние, использование, охрана (1996-2000 гг.) -Екатеринбург : Изд-во РосНИИВХ, 2002.

15. О состоянии и об охране окружающей среды в Российской Федерации в 2003 году : Гос. докл. М. : Государственный центр экологических программ, 2004

16. Вода России. Речные бассейны / Под науч. ред. A.M. Черняева. -Екатеринбург : АКВА-ПРЕСС, 2000.

17. Линевич G.H. Совершенствование технологий подготовки питьевой воды на Донских водопроводах // Водоснабжение и санит. техника. -2001,-№9.-С. 2-5.

18. Зубишина А.П. Экологическая оценка существующей ситуации в воде р. Дон : Заключительный " отчет по экологической оценке, осведомленности общественности и образованию (3352.2004). Ростов-на-Дону : CK «Гипрокоммунводоканал», 2004.

19. Алексеева Л.П., Драгинский В.Л. и др. Применение новых технологий очистки воды на водопроводе г. Ярославля // Водоснабжение и санит. техника. 2003. - № 4. - С. 28-30.

20. Водоснабжение. Проектирование систем и сооружений. В 3-х т. Т 2. Очистка и кондиционирование природных вод : Под общей ред. докт. техн. наук., проф. М.Г. Журбы. Вологда-Москва: ВоГТУ, 2001. -С. 19.

21. Алексеева Л.П., Драгинский B.J1. Очистка подземных вод городов Тюменского региона. // Водоснабжение и санит. техника. 2004. -№ 10.

22. Benbelkacem H., Cano H., Mathe S. Maleic Acid Ozonation: Reactor Modeling and Rate Constants Determination // Ozone. 2003. - Vol. 25. - P. 13-24.

23. Яковлев C.B., Мясникова E.B., Мясников И.Н., Максимов A.B., Эльпинер JI.И., Кочарян А.Г., Шевченко М.А. Совершенствование водоочистных технологий для реализации нормативов качества питьевой воды // Водоснабжение и санит. техника. 2000. — № 5. - С. 910.

24. Попов А.Н. Интенсификация процессов самоочищения водных объектов от органических веществ // Чистая вода России-99 : тез. V межд. симп. (Екатеринбург, 13-17 апреля 1999 г.). Екатеринбург, 1999.

25. Оксиюк О.П., Стольберг Ф.В. Управление качеством воды в каналах. Киев: Наукова думка, 1986.

26. Рябченко В.А., Лукин В.Б., Сапова Е.В., Афанасьева О.Ю. // Водоснабжение и санит. техника. 2002. - № 10. - С. 16-19.

27. Технические записки по проблемам воды «Дегремон». Т. 2. М. : Стройиздат, 1983.

28. Славинская Г.В. Влияние хлорирования на качество питьевой воды // Химия и технология воды. 1991. - № 11, т. 13.-С. 1013-1021.

29. Алексеев B.C. Повышение надежности систем водоснабжения в чрезвычайных ситуациях // Водоснабжение и санит. техника. 2001. -№5,ч. 1,-С. 2-4.

30. Шуберт С. А., Орлов Г. А., Антонова О .Я., Непаридзе Г.Г. Проблемы повышения надежности систем хозяйственно-питьевого водоснабжения // Водоснабжение и санит. техника. 1993. - № 4. - С. 2-5.

31. Порядин А.Ф. Некоторые аспекты новой водохозяйственной политики // Вода: технологии и оборудование : мат-лы межд. НПК (Москва, 11-14 апреля 2007 г.). М. : Изд. комплекс МГУПП, 2007. - С. 64-65.

32. Пупырев Е.И. Экономические аспекты внедрения европейских стандартов качества питьевой воды в России // Водоснабжение и санит. техника. 2004. - № 7. - С. 2-7.

33. Пупырев Е.И., Миркис В.И., Браславский Ю.Д., Смирнова Н.Л. Современные технологии водоподготовки как фактор обеспечения надежности централизованных систем водоснабжения в России // Водоснабжение и санит. техника. 2006. -№ 1, ч 1. - С. 10-18.

34. Nanotechnology: a cause for concern // Water. — 2005 Vol. 21.,

35. Зорина Е.И. Активированные угли для водоподготовки // Водоснабжение и сан. техника. 1998. - № 8. - С. 22-23.

36. Белоусова М.Я., Шварц И.А., Гудыно Т.В. Сорбция некоторых нормируемых в водах органических соединений на «Полисорбе С» // Химия и технология воды. 1987. - № 2, т. 9. - С. 180-181.

37. Якимова Т.И., Мартич В.Е., Мамченко A.B. Внутридиффузионная динамика адсорбции растворенных веществ неоднородно-пористыми активными углями // Химия и технология воды. 1988. - № 4, т. 10. - С. 294-297.

38. Горленко JI.E., Емельянова Г.И., Харланов А.Н., Янковская А., Лунин

39. B.В. Низкотемпературное окислительное модифицирование бурых углей и коксов на их основе // Журн. физ. химии. 2006. - № 6, т. 80.1. C. 878-881.

40. Тарасевич Ю.И. Природные, модифицированные и полусинтетические сорбенты в процессах очистки воды // Химия и технология воды. 1994. - № 6, т. 16.-С. 626-640.

41. Подлеснюк В.В., Фридман Л.Е., Фесенко Е.А., Клименко H.A., Баскаков В.А., Харина Г.П. Равновесная адсорбция некоторых растворенных органических веществ на винилпиридиновых полимерных сорбентах // Химия и технология воды. 1992. - № 1, т. 14. - С. 20-25.

42. Гликин М.А., Клименко H.A., Алексеева Н.П., Кармазина Т.В., Дудник Т.И. Структурно-сорбционные свойства искусственных углеродсодержащих сорбентов // Химия и технология воды. 1990. -№ 10, т. 12.-С. 928-930.

43. Омаров М.А., Гаджиханов М.Н., Драгинский В.Л., Алексеева Л.П. Очистка геотермальных вод от органических загрязнений и цветности // Водоснабжение и санит. техника. 2001. - № 9.

44. Смолин С.К., Тимошенко М.Н., Клименко H.A. Внутридиффузионная кинетик адсорбции ПАВ активными углями различной пористой структуры // Химия и технология воды. 1992. - № 9, т. 14. - С. 648652.

45. Смолин С.К., Тимошенко М.Н., Клименко H.A. Особенности динамики адсорбции неионного ПАВ неподвижным слоем активного угля // Химия и технология воды. 1991. - № 6, т. 13. - С. 495-499.

46. Калинийчук Е.М. Исследование оптимальных технологических условий применения.хлора и активированного угля для очистки питьевой воды от различных органических примесей и загрязнений : Дис. . канд. техн. наук. Киев : ИОНХ РАН УССР, 1967.

47. Бабенков Е.Д., Лимонова Т.П. Технологические аспекты совместного углевания и коагулирования воды // Водоснабжение и санит. техника. -1975.-№ 11. С. 14-16.

48. Смирнов А.Д., Алифанова H.H., Семенов С.Ю., Садова Н.И. Повышение барьерной роли водопроводов в период паводков и аварий // Водоснабжение и санит. техника. 1994. - № 12. - С. 12-13.

49. Махарандин В.Н., Новиков М.Г. Совершенствование технологии очистки воды на Санкт-Петербургском водопроводе // Водоснабжение и санит. техника. 1995. - № 4. - С. 4-5.

50. Новиков М.Г. Основные тенденции в области улучшения качества очистки поверхностных вод // Вода и экология. 1999. -№ 1. - С. 8-11.

51. Новиков М.Г., Ильин С.Н., Нефедов Ю.И. Высокоэффективная технологическая схема очистки поверхностных вод // Инженерные системы. 2006. - № 2 (22). - С. 18-19.

52. Кудрин С.А. Очистка воды от органических соединений с регенерацией углеродных сорбентов электрическим током : Дис. . докт. техн. наук. -М., 1988.- 170 с.61.64