автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Совершенствование технологии и управления процессом очистки оборотных вод в бассейнах с морской водой

На правах рукописи

005015577

КОЖИН СЕРГЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ И УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ОЧИСТКИ ОБОРОТНЫХ ВОД В БАССЕЙНАХ С МОРСКОЙ ВОДОЙ

05.23.04 Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

і мар ті

Волгоград-2012

005015577

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Ростовском государственном строительном университете.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор СЕРПОКРЫЛОВ

НИКОЛАЙ СЕРГЕЕВИЧ

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, КИМ

АРКАДИЙ НИКОЛАЕВИЧ

доктор технических наук, профессор ФЕСЕНКО

ЛЕВ НИКОЛАЕВИЧ

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Новочеркасск: государственная мелиоративна

академия»

Защита состоится 16 марта 2012 г. в 11— часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.026.05 при ФГБОУ ВПО Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1 (корп. Б, ауд. 203).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет».

Автореферат разослан 15 февраля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Юрьев Ю. Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Бассейны с морской водой используются во всем мире: в лечебных и оздоровительных целях, для плавания, а также содержания морских животных. В зависимости от назначения объемы воды в чашах могут достигать от единиц до нескольких тысяч кубометров. В связи с отсутствием в России водозаборов с качеством воды, удовлетворяющим потребителей, и постоянным внесением в воду органических загрязнений от пользователей, остро стоит проблема непрерывной очистки воды бассейнов. Рациональным решением является очистка воды в оборотном цикле, что значительно сокращает объемы сбросов.

В то время, как и зарубежная, и отечественная индустрия бассейнов с морской водой увеличивается, развивается и совершенствуется в соответствии с растущими потребностями и возможностями населения, применяемые в соответствии с устаревшими стандартами технологии не обеспечивают требуемого качества очистки и обеззараживания воды.

Применение современных методов позволяет добиться приемлемого качества очистки оборотных вод бассейнов при минимальных количествах вносимых химикатов, однако без автоматического управления процессом имеют место периоды передозировок' реагентов или низкой эффективности. Поэтому к решению проблемы необходимо подходить комплексно, производя одновременно внедрение новых технологий, и управление процессом очистки оборотных вод бассейнов.

Вышеизложенное определяет актуальность настоящей работы.

Цель работы. Повышение эффективности очистки оборотных вод в бассейнах с морской водой на базе теоретико-экспериментального обоснования принципов технологии и управления процессом водоочистки.

Поставленная цель предопределила постановку следующих задач:

- разработка классификации систем водоподготовки бассейнов с морской водой в замкнутом цикле;

- теоретическое обоснование оптимальной технологии очистки оборотных вод для бассейнов с морской водой;

з

- обоснование выбора параметров окислительно-восставновительный потенциал (ОВП), рН и гН2, как определяющих при управлении процессом очистки оборотных морских вод;

- экспериментальное определение зависимости ОВП в бассейнах с морской водой при обеззараживании хлорсодержащими реагентами от факторов, влияющих на него, и промышленное апробирование управления обеззараживанием по ОВП;

- разработка регулируемого смесителя для ввода реагентов в оборотную систему очистки морской воды с возможностью автоматического управления;

- разработка и апробирование технологии очистки оборотных вод для бассейна с морской водой при постоянном внесении органических загрязнений без применения хлора;

- разработка технологии очистки оборотных вод в бассейнах с морской водой, рекомендаций по проектированию систем их водоподготовки и применению оборудования автоматического контроля и управления.

Основная идея работы состоит в обосновании и применении параметров ОВП, рН и гНг для управления в автоматическом режиме процессом очистки оборотных вод бассейнов с морской водой.

Методы исследований включали: аналитическое обобщение известных научных и практических результатов, методы математического планирования эксперимента, моделирование изучаемых процессов на испытательных установках, оснащенных контрольно-измерительными приборами. Оптические и физико-химические методы анализа воды бассейнов с морской водой проводились в лабораторных, полупроизводственных и производственных условиях. Обработку экспериментальных данных вели методами математической статистики и корреляционного анализа.

Достоверность полученных результатов обоснована моделированием изучаемых процессов, планированием необходимого объема экспериментов и подтверждена удовлетворительной сходимостью полученных результатов, выполненных в лабораторных и производственных условиях с расчетными зависимостями в пределах погрешности Д=±10% при р=0,95.

Научная новизна:

- разработана классификация систем водоподготовки бассейнов с морской водой в замкнутом цикле;

- экспериментально установлены статистически значимые факторы, влияющие на изменение ОВП воды бассейна с морской водой при обеззараживании хлорсодержащими реагентами;

- впервые эмпирически установлена зависимость концентрации свободного хлора, ОВП и рН, позволяющая регулировать обеззараживание воды в бассейне в автоматическом режиме;

- впервые обосновано оптимальное значение показателя гНг для бассейнов с морской водой.

Практическое значение:

- разработана технология очистки оборотных вод для бассейнов с морской водой при постоянном внесении органических загрязнений без применения хлора и способ контроля её качества по ОВП;

- разработана, защищена патентом РФ и внедрена технология очистки оборотных вод бассейнов с морской водой и управления дозированием химреагентов по ОВП и рН, стабильно обеспечивающая требуемую эффективность;

- предложена и внедрена конструкция регулируемого смесителя для ввода реагентов в оборотную систему очистки морской воды;

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы:

- использованы в проектах ООО «Аква Инжиниринг» (г. Ростов-на-Дону), ООО «Проектная фирма ABC» (г. Анапа), ООО «Новая РАСА» (г. Ростов-на-Дону);

- внедрены ООО «Аква Инжиниринг» при оборудовании системами очистки воды следующих объектов: бассейн с морской водой сан. «Тихий Дон» в п. Лазаревский (2011 г.), «Дельфинарий-океанариум в г. Анапа» (20092010 гп), «Дельфинарий в п. Небуг» (2010 п), «Дельфинарий в п. Голубицкая Краснодарского края» (2010-2011 г.);

внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Ростовский

государственный строительный университет».

5

На защиту выносятся следующие основные положения: - концентрация остаточного активного хлора и рН воды обусловливают показатели ОВП воды в бассейнах с морской водой при обеззараживании хлорсодержащими реагентами; температура, солесодержание и концентрация связанного хлора оказывают незначительное влияние на изменение ОВП;

- следует вести управление дозированием хлорсодержащего реагента в автоматическом режиме и поддержание минимальной концентрации хлора в бассейне 0,1+0,3 мг/л по найденной эмпирической зависимости концентрации остаточного хлора от ОВП и рН с использованием программируемых контроллеров;

- следует производить введение коагулянта в систему очистки оборотных морских вод перед напорными зернистыми фильтрами с применением регулируемого смесителя;

- следует производить оперативный контроль за качеством воды по показателю гНг, значения которого для бассейнов с морской водой должны быть в пределах 30,5+40,6; оптимальное значение 36,6; отклонения свидетельствуют о необходимости изменения показателей воды и управления процессом её очистки;

- смена или ударное обеззараживание морской воды в бассейне для содержания животных без применения хлора требуется при снижении ОВП ниже нуля, В.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на: Международной научно-практической конференции института инженерно-экологических систем РГСУ (г. Ростов-на-Дону, 2010,2011 г.), «Техново д-2011» (г. Чебоксары).

Публикации. По результатам исследований опубликованы 8 печатных работ, в том числе - 2 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 патент РФ.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и выводов. Работа изложена на 164 страницах машинописного текста, включает 47 рисунков, 29 таблиц и 6 приложений. Список литературы представлен 133 источниками.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований, сформулированы научная новизна и практическая значимость, представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации проведен анализ научно-технической и патентной литературы, что позволило систематизировать и критически оценить существующие технологические схемы и методы очистки морской воды в бассейнах в зависимости от их назначения.

Проанализированы нормативные требования, предъявляемые к бассейнам с морской водой и сооружениям, где они используются для содержания животных (дельфинарии, океанариумы). Отмечено, что рассмотренные стандарты не регламентируют систему очистки воды в бассейнах.

В результате обобщения опыта очистки морской воды в РФ, установлено, что практически все российские бассейны оборудованы рециркуляционной полузакрытой схемой физико-химической обработки с обеззараживанием гипохлоритом натрия, которая имеет основные недостатки:

- качество очистки и обеззараживания воды в бассейне не отвечает современным техническим и экономическим требованиям (повышенные концентрации хлорреагента в чаше бассейна в связи с отсутствием регулирования рН, необходимость применения дополнительных реагентов);

- использование зернистых фильтров для водоподготовки, не учитывающих рециркуляционную схему очистки маломутных вод, что приводит к значительному увеличению фильтроцикла, вторичному загрязнению, кольматации загрузки;

- высокая остаточная концентрация хлора в чаше, отсутствие дополнительных физических методов обеззараживания;

- отсутствие постоянного автоматического контроля качества воды и управления процессом очистки;

- большие количества сбросных вод (от 10 % от объема чаши в сутки).

При устранении недостатков схему физико-химической обработки воды

бассейнов с морской водой в оборотном цикле можно считать наиболее

7

рациональной: она может применяться в оздоровительных плавательных бассейнах при санаториях, БРА-бассейнах, большинстве бассейнов для содержания животных в дельфинариях.

Проведенный литературный анализ показал также, что существует ряд бассейнов с морской водой для содержания животных, в которых отсутствует возможность применения хлорсодержаших реагентов. В этом случае животные содержатся в бассейнах проточного или наливного типа без водоочистки. Такие схемы не отвечают стратегии ресурсосбережения, отрицательно сказываются на здоровье животных и требуют доработки.

Таким образом, необходима разработка двух принципиально различных технологических схем очистки морской воды в оборотном цикле: для традиционных бассейнов с использованием дезинфицирующих веществ и бассейнов с постоянным внесением органических загрязнений без применения хлора.

Во второй главе приводится теоретическое обоснование принципов технологии очистки оборотных вод в бассейнах с морской водой, которые позволяют преодолеть основные недостатки существующих схем водоподготовки. В результате анализа зарубежного опыта и современных патентных решений были сформулированы основные технические и технологические требования:

- в качестве фильтров необходимо использовать современные сверхскоростные напорные зернистые фильтры для плавательных бассейнов, характеризующиеся малой крупностью песка (0,4-И),8 мм), высокой скоростью фильтрования (25+40 м/ч), оптимальными грязеёмкостью и фильтроциклом;

- время полного водообмена в чаше должно устанавливаться в зависимости от назначения бассейна, но не более 6 часов;

- для увеличения обеззараживающей способности хлорсодержащего реагента необходимо поддерживать рН воды в чаше в пределах 7,2+7,6;

- необходимы дополнительные физические методы обеззараживания

воды, обеспечивающие санитарно-гигиенические, токсикологические и

эпидемиологические требования при возможности снижения концентрации

остаточного свободного хлора в чаше бассейна до 0,1+0,3 мг/л, а также

8

смесительные устройства для введения реагентов;

- управление процессом очистки морской воды в бассейне с остаточной

концентрацией свободного хлора менее 0,3 мг/л должно осуществляться в

автоматическом режиме.

Изменение концентрации хлора в чаше бассейна происходит в короткие

промежутки времени: при этом без постоянного контроля образуются зоны с

отсутствием обеззараживающего вещества и периоды перехлорирования.

Особенно остро эта проблема стоит в дельфинариях, где при больших

количествах вносимых органических загрязнений (по твердой составляющей

11,5 % от количества потребляемой пищи в сутки) требуется поддержание

минимально допустимой концентрации хлора.

Для приборов, которые измеряют свободный и общий хлор в воде,

характерны большие погрешности, они не отражают её реальную

окислительную способность. В состав свободного хлора входят

хлорноватистая кислота и гипохлорит-ион, которые обладают различными

окислительными свойствами, поэтому определяющим фактором качества воды

должно служить не содержание хлора, а реальные окислительные свойства,

которые достаточно полно характеризует ОВП,

ОВП воды бассейнов с морской водой невозможно определить

теоретически, т.к. на него влияет огромное количество изменяющихся во

времени факторов, поэтому ОВП, рН и температуру необходимо измерять

аппаратурным методом. Рекомендации по применению ОВП для управления

процессом обеззараживания морской воды в литературе не приводятся, в связи

с этим потребовалось проведение экспериментальных исследований с целью

установления зависимости ОВП от влияющих на него показателей.

Проведен сравнительный эколого-экономический анализ технологий

бесхлорной обработки воды бассейнов для животных. Рассматривались

методы озонирования с использованием генератора озона и

ультрафиолетового (УФ) излучения, электролитические методы, обработка

активным кислородом. Наиболее безопасными, сбалансированными по

стоимости и накопленному опыту являются методы обеззараживания УФ

облучением и озонированием с использованием УФ. Для очистки воды при

9

снижении её качества может быть использован метод «ударной» химобработки в отсутствии животного в бассейне.

Для создания замкнутой системы водоочистки бассейнов с морской водой необходим комплексный подход, в соответствии с предлагаемой нами классификацией систем водоподготовки в замкнутом цикле (рис. 1).

Рис. 1. Классификация систем водоподготовки бассейнов с морской водой в замкнутом цикле

В третьей главе изложены методики проведения исследований и описание экспериментальных установок.

Исследования проводились в лабораторных, полупроизводственных и опытно-промышленных условиях. Обработку экспериментальных данных выполняли по стандартным методикам статистики и планирования эксперимента с помощью лицензионного программного обеспечения.

Производственной площадкой для испытаний и последующего внедрения полученных результатов на реальных бассейнах являлись дельфинарии в гг. Анапа, Геленджик, а также плавательные бассейны в г. Ростов-на-Дону и пос. Лазаревский Краснодарского края.

На первом этапе определяли факторы, влияющие на ОВП воды в бассейне с морской водой, после чего проводили промышленное апробирование технологии управления обеззараживанием воды по ОВП.

ю

Исследования проводили на экспериментальной установке, моделирующей бассейн в полупроизводственных условиях с использованием воды из бассейна китообразных в дельфинарии-океанариуме г. Анапа*(рис. 2).

Проводился активный эксперимент с использованием матрицы планирования !4 реплики от полного факторного эксперимента типа 25'2 с тремя повторностями. Исследуемыми факторами многофакторного эксперимента являлись: концентрация свободного (XI) и связанного (Х2) хлора, температура (ХЗ), рН (Х4), солесодержание (Х5).

Рис. 2. Экспериментальная установка по изучению ОВП. Объем 100 л.

После установления экспериментальной зависимости ОВП была промышленно апробирована технология регулирования качества воды. С этой целью водоочистная установка бассейна для содержания китообразных в дельфинарии г. Анапа была оборудована контроллерами ОВП и рН.

Трехмесячные наблюдения за работой водоочистной установки с контроллерами ОВП и рН позволили сделать вывод о необходимости применения коагулянта для устранения взвесей из воды.

В связи с этим, на втором этапе проводились исследования по изучению коагулирующих свойств реагента «Эквиталл». Данный коагулянт (алюминия полиоксихлорид) разработан специально для плавательных бассейнов и безопасен для пользователей. Исследования по определению оптимальной точки введения реагента в систему (по дозам, времени и степени осветления) проводились на эксплуатируемом плавательном бассейне «Голубая волна» (г. Ростов-на-Дону) с пресной водой в течение 30 дней и на

* Автор искренне благодарит коллектив ЗАО «Чудное море» (г. Анапа) за предоставленную возможность проведения исследований.

каф. ВиВ РГСУ. Режимы смешения коагулянта с водой исследовались с применением регулируемого смесителя. По результатам исследований предложена оптимальная схема подачи и смешения коагулянта, которая была внедрена в бассейне с морской водой сан. «Тихий Дон» в пос. Лазаревский.

На третьем этапе отрабатывалась технология очистки воды в бассейне для содержания животных без применения хшра, и определялось минимально допустимое значение ОВП. Для этой цели на действующем дельфинарии ЗАО «Геленджикский дельфинарий» по нашим рекомендациям была смонтирована опытно-промышленная установка для бассейна с моржом* (рис. 3). В процессе работы установки определяли хлоропоглощаемость, ОВП, прозрачность воды.

Сброс в канализацию промывных вод

Цирк.насос Забор исходной воды для промывки фильтра

Рис. 3. Экспериментальная установка по очистке оборотных вод бассейна для содержания моржа.

В четвертой главе приведены и обсуждены результаты экспериментальных исследований.

С использованием критерия Стьюдента установлено, что при контроле процесса обеззараживания по ОВП статистически значимыми факторами являются концентрация свободного хлора и рН воды. Остальные факторы (концентрация связанного хлора, температура, солесодержание) оказывают незначительное влияние на изменение ОВП в бассейне с морской водой.

Для определения характера изменения кривой зависимости ОВП от концентрации хлора и рН в каждом последующем опыте рН повышали на

* Опытно-промышленная установка изготавливалась компанией ООО «Аква Инжиниринг», имеющей лицензию и допуск к выполнению соответствующих видов работ (СРО).

0,1 ед., после чего повторяли эксперимент (табл. 1).

Таблица - 1. Значения ОВП при различных рН и концентрации свободного хлора.

Концентрация остаточного свободного хлора Ссь мг/л

рН 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

Окислительно-восстановительный потенциал ЕЬ, В

7,2 0,600 0,660 0,695 0,710 0,725 0,732 0,740 0,745 0,750

7,3 0,580 0,640 0,670 0,700 0,710 0,720 0,730 0,740 0,750

7,4 0,560 0,610 0,660 0,685 0,700 0,710 0,720 0,730 0,740

7,5 0,540 0,610 0,650 0,680 0,700 0,710 0,715 0,730 0,740

7,6 0,530 0,590 0,640 0,675 0,697 0,703 0,710 0,720 0,730

Эмпирическая зависимость (1), найденная по методу наименьших квадратов, позволяет с использованием контроллера ОВП управлять дозированием хлорсодержащего реагента при различном рН воды. При этом измеряемой величиной выступает не концентрация остаточного хлора, а реальные окислительные потенциалы, что является наиболее надежным методом контроля качества воды, поскольку учитывается влияние совокупности всех загрязнений.

ЕМ-0,225.рНг+3,452-РН-Щ14) а 1 -1,2433 • ЕЬ У '

где ЕЬ - ОВП воды бассейна для дельфинов, В;

рН - водородный показатель;

Са - концентрация остаточного свободного хлора, мг/л.

Оптимальными для обеззараживания воды и содержания китообразных согласно требованиям эксплуатации являются: Са=0,3 мг/л, рН=7,2, ЕЬ=0,66В.

Для периодической оперативной проверки качества воды предложено использовать условный показатель - гНг, вычисляемый по уравнению Нернста. ОВП зависит от концентрации ионов водорода в воде, с его помощью можно характеризовать окислительно-восстановительные условия только при постоянном значении рН, что не всегда соблюдается в процессе эксплуатации. В то же время гН2 зависит только от концентрации восстановителя, т. е. гНг непосредственно характеризует окислительно-восстановительные условия.

Выявлена устойчивая взаимосвязь гН2 с концентрацией хлора, рН и температурой воды в бассейне с дезинфекцией гипохлоритом натрия (рис. 4,5).

--8

л-

-♦•14 град. С -»•20 град .С

к у

-0,70 -0,52 -0,40 -0,30 -0,22 -0,15 -0.10 -0,05 0,00

1_д(Сс)

-0,70 -0,52 -0.40 -0,30 -0,22 -0.15 Л,10 -0.05 0.00

ид(Сс!)

Рис. 4. Зависимость гНг от концентрации Рис. 5. Зависимость гНг от изменения

свободного хлора при различном концентрации хлора при различной

рН температуре воды

В бассейнах для содержания животных, где допускается большой интервал изменения температуры, гН2 может выступать в качестве показателя степени загрязненности воды. С использованием рекомендаций «Утришского дельфинария» по оптимальным условиям содержания китообразных вычислено оптимальное значение гНг, равное 36,6. Значения гНг ниже 30.5, а также выше 40.6 свидетельствуют о возникновении аварийной ситуации -один или несколько параметров (температура, рН, концентрация свободного хлора, ОВП) находятся за пределами допустимых значений для содержания животных.

На этапе промышленных исследований отрабатывалась технология контроля качества воды по показателям рН и ОВП с использованием (1) непосредственно в бассейне дельфинария г. Анапа, что позволило вести дозирование гипохлорита натрия с высокой точностью по показателю ОВП. При проведении исследований рН составлял 7.2^8.0, концентрация свободного хлора 0,1-Ю,5 мг/л. ОВП поддерживался в пределах 440-^660 мВ, гН2 составлял 31,1-КЗ 7,2. Качество воды было стабильно высоким. Однако в период интенсивного выпадения осадков наблюдалось снижение прозрачности воды. В таких случаях ошибка измерения концентрации хлора с использованием ОВП и ручным тест-прибором по методу Пейлина составляла 15^-20 %. Для устранения мутности в чашу бассейна вводили коагулянт «Эквиталл».

Определение оптимальной точки введения коагулянта в систему водоподготовки плавательного бассейна «Голубая волна» показало, что подача реагента непосредственно в чашу бассейна приводит к выпадению белесого

14

«вспушенного» осадка, оптимальная доза коагулянта - 2 мг/л. При подаче реагента непосредственно в технологический трубопровод перед кварцевыми фильтрами выпадения осадка в чаше не наблюдалось. Полное осветление воды в бассейне происходило на 2-3 часа быстрее, оптимальная доза коагулянта -0,4 мг/л. Это, вероятнее всего, связано с большей эффективностью задержания коллоидных частиц при связывании их на зернистом фильтре, в котором происходит процесс контактной коагуляции.

При коагуляции необходимо обеспечить максимальный контакт частиц примесей воды с промежуточными продуктами гидролиза коагулянта. Для определения оптимальной конструкции смесительного узла в лаборатории каф. ВиВ РГСУ проводились исследования по изучению возможности использования в качестве смесителей регулируемых вставок. Исследования работы регулируемого смесителя в сравнении с шайбовым, при одинаковых условиях (потеря напора в смесителе 0,3-Ю,4 м; скорость потока 1+1,5 м/с) показали, что устройства обеспечивают равную степень гомогенизации потока при введении в него красителя. Причем, учитывая возможность изменения проходного сечения, регулируемая вставка позволяет увеличить меру смешения по сравнению с диафрагмой при скоростях ниже 1 м/с. Во время отсутствия подачи реагента регулируемая вставка может быть полностью открыта, за счет чего потери напора в узле смешения минимальны.

Производственные исследования после установки регулируемых смесителей в бассейне с морской водой сан. «Тихий Дон» показали, что за месяц наблюдений удалось сократить потребление коагулянта на 18 %.

Заключительным этапом исследований была отработка режимов работы бесхлорной системы очистки воды бассейна для содержания ластоногих, не переносящих содержания хлора в воде. Исследования эффективности работы опытно-промышленной установки в дельфинарии г. Геленджика показали, что установка очистки воды позволяет содержать моржа в бассейне до 14 дней (рис. 6). Количество восстановителей в системе в данном случае определяли по показателю хлоропоглощаемость. Максимальной хлоропоглощаемости, установленной ветеринарами,

соответствует значение ОВП - ноль, В.

15

Т, сутки

Рис. 6. Показатели качества воды в экспериментальном бассейне с моржом при различных режимах работы установки.

Исследования «ударной дезинфекции» загрязненной воды после содержания ластоногого показали возможным произведение очистки сточной воды бассейна с морской водой по исследуемым показателям (прозрачность, ОВП, хлоропоглощаемость). Повторное использование воды при такой схеме составляет около 75 %.

В пятой главе на основе анализа накопленного опыта, теоретического обоснования и результатов экспериментальных исследований приведены рекомендации по управлению процессом очистки оборотных вод бассейнов с морской водой по проектированию и эксплуатации систем водоподготовки с использованием предложенных технологических схем водоочистки (рис. 7, 8).

Промышленные испытания предложенных технологических решений на новом дельфинарии в п. Голубицкая Краснодарского края позволили добиться стабильно высокого качества воды бассейнов без постоянного присутствия оператора. Результаты анализа воды соответствуют требованиям регламента по эксплуатации и составляют после месяца пребывания китообразных в бассейне: ОВП - +0,66 В.; цветность - 5 град.; мутность - 0,9 мг/л; БПК5 - 1,06 мг 02/л; фосфор общий - 0,095 мг/л; азот аммонийный - 0,211 мг/л, гН2 - 36,1.

Подающая форсунка \

Поверхностный ЬВОД

водозвоорник ввод раствора коагулянта ; «*"ммеР> хлорсодержащеїчЛ 1

Регулируемый смеситель

m/ }

Бассейн с обеззараживанием хлором

В10.1/ Донный

і аодозаборнкк\

Циокуляционный

насос ВУ

насос забора воды онгроль качества

В вод реагента ИР М~

(І ТІ и

Оборудование контроля качества воды и дозирования реагентов

да

Солерастворитель

Регулируемый / II \ В15 смеситель .

Оборудование ^ подогрева или охлаздения воды

ультрафиолетовой обработки воды

от водопровода 2% от объема бассейна в сут.

Насос для промывки фильтра

Условные обозначения трубопроводов:

В 10.1-Трубопровод забора воды на очистку; В13 - Трубопровод отведения промывной BIO - Трубопровод подачи воды на очистку; воды;

В11 - Трубопровод отведения очищенной воды; В14 - Трубопровод подачи воды на В12 - Трубопровод подачи воды на контроль промывку напорного кварцевого фильтра; качества; В15 - Трубопровод подачи рассола;

Рис. 7. Технологическая схема очистки морской воды бассейна с

обеззараживанием хлорсодержащими реагентами.

Канализационный трап

г-tri---о I—*

| А Заполнение и подпитка

Скиммер 'Т от водопровода

Префильтр (волосоуловитель)

Цирк, насосы/

Рис. 8. Технологическая схема очистки морской воды бассейна без

iteofl реагента __

коррекции pH " Сброс в канализацию промывных вод

постоянного применения хлора.

Эколого-экономический расчет эффективности предложенных технологических схем водоочистки на примере дельфинария показал, что экономия эксплуатационных затрат на содержание 1 м3 воды в сравнении со схемой водоподготовки существующего дельфинария в г. Кисловодске составит: для бассейнов китообразных - 21,2+28,7 %, для бассейнов ластоногих - 64,1+75,3 % - в зависимости от размера чаши бассейна и количества животных,

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе на основе проведенных исследований дано новое технологическое решение актуальной научно-технической проблемы повышения эффективности очистки оборотных вод в бассейнах с морской водой на базе теоретико-экспериментального обоснования принципов технологии и управления процессом водоочистки, что обеспечивает высокую эколого-экономическую эффективность предлагаемых схем очистки морской воды.

Основные выводы по работе

1) Предложена классификация систем водоподготовки бассейнов с морской водой в замкнутом цикле, которые позволяют минимизировать потребление свежей воды, и сократить количество сбрасываемых сточных вод.

2) Эмпирически установленная зависимость концентрации свободного хлора, ОВП и рН в бассейне с морской водой позволяет с использованием контроллеров управлять дозированием хлорсодержащего реагента в автоматическом режиме и стабильно поддерживать минимальную концентрацию хлора в бассейне 0,1+0,3 мг/л.

3) Установлено оптимальное значение параметра гН2 для бассейнов с морской водой - 36,6; отклонения свидетельствуют о необходимости изменения показателей воды и управления процессом её очистки.

4) Разработана технология очистки оборотных вод традиционных бассейнов с

морской водой, которая характеризуется окислением вносимых загрязнений

дезинфицирующими веществами и установками УФ-облучения, их

связыванием коагулянтами и фильтрованием на сверхскоростных зернистых

фильтрах. Введение основных реагентов производится перед фильтрами с

18

использованием регулируемых смесителей. Управление процессом очистки и обеззараживания производится в автоматическом режиме по параметрам ОВП, рН, гН2 Достоинства предложенной технологии: высокое качество очистки, сокращение водопотребления, реагентов, занимаемых оборудованием площадей, персонала, сокращение эксплуатационных затрат до 28 %.

5) Разработана технология очистки воды бассейнов для содержания животных без постоянного применения хлора, которая характеризуется окислением вносимых животными загрязнений озоном, установками УФ-облучения и осветлением на напорных зернистых фильтрах. Постоянный контроль качества воды осуществляется по ОВП, значение которого должно быть больше ноля, В. Экономический эффект применения разработанной технологии для содержания одной особи ластоногого составляет 2,3 млн. руб/год.

6) Разработаны рекомендации по проектированию и эксплуатации систем водоподготовки бассейнов для китообразных и ластоногих, принятые тремя проектными организациями и реализованные в четырех дельфинариях на Юге России.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ОТРАЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ

ПУБЛИКАЦИЯХ:

Публикации в ведущих рецензируемых научно-технических журналах и изданиях, определенных ВАК РФ по направлению «Строительство»

1. Кожин, C.B. Регулирование качества воды в бассейне для содержания китообразных при помощи редокс-потенциала [Текст] / Н.С. Серпокрылов, C.B. Кожин // Вода: химия и экология. - 2011. - № 11. - С. 90-96.

2. Кожин, C.B. Очистка сточных вод бассейнов для содержания ластоногих до норм оборотного водоснабжения. [Текст] / Н.С. Серпокрылов, C.B. Кожин, Е.А. Тайвер // Инженерный Вестник Дона. - 2011. - № 1. - Электронный журнал.

Патенты РФ на изобретения и полезные модели

3. Кожин, C.B. Решение о выдаче патента на полезную модель по заявке 2011145823/05(068606) от 10.11.2011 «Установка очистки и обеззараживания воды бассейнов для содержания морских млекопитающих» / Кожин C.B., Серпокрылов Н.С., Титов Г.В.

Отраслевые издания и материалы конференций

4. Кожин, C.B. Технология физико-химической обработки воды бассейнов для содержания китообразных в стационарных дельфинариях [Текст] / Н.С. Серпокрылов, C.B. Кожин,

19

Л '■>

л У

М.И. Коробка // Технология очистки воды «Техновод-2011»: материалы VI Межд. науч,-пракг. конф./ Чебоксары, 20-23 сент. 2011 г./ Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. (НПИ). -Новочеркасск: «Лик». - 2011. - С. 124-129.

5. Кожин, C.B. Обоснование требований к качеству воды в дельфинариях и бассейнов для морских млекопитающих [Текст] / Н.С. Серпокрылов, C.B. Кожин // Строительство 2011: Материалы Международной научно-практической конференции. - Ростов н/Д: Рост. гос. строит, ун-т. - 2011. - С. 12-15.

6. Кожин, C.B. Водоподготовка бассейнов рециркуляционного типа для содержания морских млекопитающих [Текст] / Н.С. Серпокрылов, C.B. Кожин // Водоснабжение и канализация. - 2011. - №1-2. - С. 48-58.

7. Кожин, C.B. Советы технолога [Текст] / Г.В. Титов, Е.В. Титова, C.B. Кожин // Ассоциация плавательных бассейнов. - 2006. - №28. - М.: Водолей вест. - С. 26-27.

8. Кожин, C.B. Спортивные бассейны - грамотный подход [Текст] / Е.В. Титова, C.B. Кожин // Ассоциация плавательных бассейнов. - 2006. - №30. - М.: Водолей вест. - С. 26-27.

9. Кожин, C.B. Бассейны с минеральной водой в Анапе [Текст] / Е.В. Титова, C.B. Кожин I! Ассоциация плавательных бассейнов. - 2005. - №27. - М.: Водолей вест. - С. 34-35.

КОЖИН СЕРГЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ И УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ОЧИСТКИ ОБОРОТНЫХ ВОД В БАССЕЙНАХ С МОРСКОЙ ВОДОЙ

05.23.04 Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 10.02.12. Формат 60x84 1П6. Бумага писчая. Ризограф.

Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 102/12._

Редакционно-издательский центр

Ростовского государственного строительного университета 344022, г. Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162

20

61 12-5/1804

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ

КОЖИН СЕРГЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ И УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ОЧИСТКИ ОБОРОТНЫХ ВОД В БАССЕЙНАХ С МОРСКОЙ ВОДОЙ

05.23.04 Водоснабжение, канализация, строительные системы

охраны водных ресурсов

высшего профессионального образования

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Серпокрылов Николай Сергеевич

Ростов-на-Дону

2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

Введение.................................................................................... 5

1. Современное состояние вопроса............................................. 10

1Л. Бассейны с морской водой и дельфинарии в России и мире...... 10

1.2. Нормативные требования, предъявляемые к бассейнам с морской водой............................................................... 16

1.3. Анализ технологических схем водоподготовки бассейнов с морской водой................................................................ 18

Выводы по 1 главе, постановка цели и задач исследований....................... 31

2. Теоретические исследования................................................. 34

2.1. Теоретическое обоснование принципов технологии очистки оборотных вод в бассейнах с морской водой.......................... 34

2.2. Теоретическое обоснование нормативных показателей качества воды в бассейнах дельфинария.......................................... 39

2.3. Обоснование выбора ОВП и гН2 для осуществления автоматического контроля качества воды............................. 47

2.4. Теоретическое обоснование выбора технологии бесхлорной обработки воды бассейнов для ластоногих............................ 55

Выводы по 2 главе......................................................................... 59

3. Методы и материалы исследований.......................................... 61

3.1. Полупроизводственные исследования по изучению ОВП в дельфинарии-океанариуме г. Анапы.................................... 62

3.2. Производственные исследования по регулированию качества воды в бассейне для содержания китообразных в дельфинарии

г. Анапы....................................................................... 66

3.3. Опытно-промышленные исследования коагулирования примесей в плавательном бассейне ЗАО «Голубая волна»

(г. Ростов-на-Дону)......................................................... 68

3.4. Лабораторные исследования регулируемых шаровых смесителей.................................................................... 70

3.5. Производственные исследования с использованием бесхлорной системы водоподготовки бассейна для содержания моржа в ЗАО «Геленджикский Дельфинарий»......................................... 73

Выводы по 3 главе.......................................................................... 75

4. Экспериментальные исследования.......................................... 77

4.1. Дробный факторный эксперимент по изучению показателей, влияющих на ОВП воды бассейна с морской водой................ 77

4.2. Определение эмпирической зависимости ОВП от концентрации свободного (активного) хлора и рН...................................... 80

4.3. гН2 как критерий качества воды. Определение оптимальных и аварийных значений гНг.................................................... 87

4.4. Результаты производственных исследований в г. Анапе по автоматическому регулированию подачи хлорреагентата в бассейн с морской водой................................................................ 91

4.5. Определение оптимальной точки введения и дозы реагента для коагулирования примесей в плавательном бассейне ЗАО «Голубая волна»............................................................. 94

4.6. Натурное изучение эффективности смешения трассера в регулируемом шаровом смесителе...................................... 97

4.7. Активный эксперимент по пробной коагуляции с использованием регулируемых шаровых смесителей............... 102

4.8. Опытно-промышленные исследования бесхлорной системы водоподготовки бассейна для моржа в дельфинарии г.Геленджика................................................................ 106

Выводы по 4 главе......................................................................... 109

5. Технологические схемы водоподготовки бассейнов с морской

водой с эколого-экономическим обоснованием и промышленное

внедрении............................................................................ 111

5.1. Технологическая схема очистки морской воды бассейнов с морской водой при обеззараживании хлорсодержащими реагентами.................................................................... 111

5.2. Определение основных параметров сооружений для содержания морских млекопитающих.................................................. 115

5.3. Технологическая схема водоподготовки бассейнов для китообразных................................................................ 129

5.4. Технологическая схема очистки морской воды бассейнов без постоянного применения хлора для ластоногих..................... 134

5.5. Эколого-экономическая оценка применения систем водоподготовки бассейнов с морской водой............................ 137

5.6. Промышленное внедрение предложенных технологических решений........................................................................ 145

Выводы по 5 главе......................................................................... 150

Заключение................................................................................. 151

Общие выводы по работе................................................................ 151

Литература.................................................................................. 153

Приложение А. Акты и справки внедрения результатов диссертационной

работы........................................................................................ 167

Приложение Б. Инструкции по применению средств ухода за водой

(Данные производителя ООО «Маркопул Кемиклс», Россия)................... 180

Приложение В. Обработка результатов ДФЭ по изучению факторов,

влияющих на ОВП воды бассейна китообразных.................................. 186

Приложение Г. Фотографические данные натурного изучения

эффективности смешения трассера в смесителях................................... 194

Приложение Д. Обработка результатов ДФЭ по пробной коагуляции с

использованием регулируемых шаровых смесителей.............................. 200

Приложение Е. Состав и площадь помещений обслуживания дельфинария................................................................................. 207

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Бассейны с морской водой используются во всем мире: в лечебных и оздоровительных целях, для плавания, а также содержания морских животных. В зависимости от назначения объемы воды в чашах могут достигать от единиц до нескольких тысяч кубометров. В связи с отсутствием в России водозаборов с качеством воды, удовлетворяющим потребителей, и постоянным внесением в воду органических загрязнений от пользователей, остро стоит проблема непрерывной очистки воды бассейнов. Рациональным решением является очистка воды в оборотном цикле, что значительно сокращает объемы сбросов.

В то время, как и зарубежная, и отечественная индустрия бассейнов с морской водой увеличивается, развивается и совершенствуется в соответствии с растущими потребностями и возможностями населения, применяемые в соответствии с устаревшими стандартами технологии не обеспечивают требуемого качества очистки и обеззараживания воды.

Применение современных методов позволяет добиться приемлемого качества очистки оборотных вод бассейнов при минимальных количествах вносимых химикатов, однако без автоматического управления процессом имеют место периоды передозировок реагентов или низкой эффективности. Поэтому к решению проблемы необходимо подходить комплексно, производя одновременно внедрение новых технологий и управление процессом очистки оборотных вод бассейнов.

Вышеизложенное определяет актуальность настоящей работы.

Цель работы. Повышение эффективности очистки оборотных вод в бассейнах с морской водой на базе теоретико-экспериментального обоснования принципов технологии и управления процессом водоочистки.

Поставленная цель предопределила постановку следующих задач:

- разработка классификации систем водоподготовки бассейнов с морской водой в замкнутом цикле;

- теоретическое обоснование оптимальной технологии очистки оборотных вод для бассейнов с морской водой;

- обоснование выбора параметров окислительно-восстановительный потенциал (ОВП), рН и гН2, как определяющих при управлении процессом очистки оборотных морских вод;

- экспериментальное определение зависимости ОВП в бассейнах с морской водой при обеззараживании хлорсодержащими реагентами от факторов, влияющих на него, и промышленное апробирование управления обеззараживанием по ОВП;

- разработка регулируемого смесителя для ввода реагентов в оборотную систему очистки морской воды с возможностью автоматического управления;

- разработка и апробирование технологии очистки оборотных вод для бассейна с морской водой при постоянном внесении органических загрязнений без применения хлора;

- разработка технологии очистки оборотных вод в бассейнах с морской водой, рекомендаций по проектированию систем их водоподготовки и применению оборудования автоматического контроля и управления.

Основная идея работы состоит в обосновании и применении параметров ОВП, рН и гН2 для управления в автоматическом режиме процессом очистки оборотных вод бассейнов с морской водой.

Методы исследований включали: аналитическое обобщение известных научных и практических результатов, методы математического планирования эксперимента, моделирование изучаемых процессов на испытательных установках, оснащенных контрольно-измерительными приборами. Оптические и физико-химические методы анализа воды бассейнов с морской водой проводились в лабораторных, полупроизводственных и производственных условиях. Обработку экспериментальных данных вели методами математической статистики и корреляционного анализа.

Объект исследования - системы очистки оборотных вод бассейнов с морской водой.

Предмет исследований - управление процессом физико-химической очистки воды бассейнов с морской водой.

Достоверность полученных результатов обоснована моделированием изучаемых процессов, планированием необходимого объема экспериментов и подтверждена удовлетворительной сходимостью полученных результатов, выполненных в лабораторных и производственных условиях с расчетными зависимостями в пределах погрешности Д=±10% при р=0,95.

Научная новизна:

- разработана классификация систем водоподготовки бассейнов с морской водой в замкнутом цикле;

- экспериментально установлены статистически значимые факторы, влияющие на изменение ОВП воды бассейна с морской водой при обеззараживании хлорсодержащими реагентами;

впервые эмпирически установлена зависимость концентрации свободного хлора, ОВП и рН, позволяющая регулировать обеззараживание воды в бассейне в автоматическом режиме;

- впервые обосновано оптимальное значение показателя гН2 для бассейнов с морской водой.

Практическое значение:

- разработана технология очистки оборотных вод для бассейнов с морской водой при постоянном внесении органических загрязнений без применения хлора и способ контроля её качества по ОВП;

- разработана, защищена патентом РФ и внедрена технология очистки оборотных вод бассейнов с морской водой и управления дозированием химреагентов по ОВП и рН, стабильно обеспечивающая требуемую эффективность;

- предложена и внедрена конструкция регулируемого смесителя для ввода реагентов в оборотную систему очистки морской воды;

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы:

- использованы в проектах ООО «Аква Инжиниринг» (г. Ростов-на-Дону), ООО «Проектная фирма ABC» (г. Анапа), ООО «Новая РАСА» (г. Ростов-на-Дону);

- внедрены ООО «Аква Инжиниринг» при оборудовании системами очистки воды следующих объектов: бассейн с морской водой сан. «Тихий Дон» в п. Лазаревский (2011 г.), «Дельфинарий-океанариум в г. Анапа» (2009-2010 гг.), «Дельфинарий в п. Небуг» (2010 г.), «Дельфинарий в п. Голубицкая Краснодарского края» (2010-2011 г.);

внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный строительный университет».

На защиту выносятся следующие основные положения: - концентрации остаточного активного хлора и рН воды обуславливают показатели ОВП воды в бассейнах с морской водой при обеззараживании хлорсодержащими реагентами; температура, солесодержание и концентрация связанного хлора оказывают незначительное влияние на изменение ОВП;

- следует вести управление дозированием хлорсодержащего реагента в автоматическом режиме и поддержание минимальной концентрации хлора в бассейне 0Д-Ю,3 мг/л по найденной эмпирической зависимости концентрации остаточного хлора от ОВП и рН с использованием программируемых контроллеров;

- следует производить введение коагулянта в систему очистки оборотных морских вод перед напорными зернистыми фильтрами с применением регулируемого смесителя;

- следует производить оперативный контроль за качеством воды по показателю гН2, значения которого для бассейнов с морской водой должны быть в пределах 30,5^40,6; оптимальное значение 36,6; отклонения свидетельствуют о необходимости изменения показателей воды и управления процессом её очистки;

- смена или ударное обеззараживание морской воды в бассейне для содержания животных без применения хлора требуется при снижении ОВП ниже нуля, В.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на Международной научно-практической конференции

института инженерно-экологических систем РГСУ (г. Ростов-на-Дону, 2010, 2011 г.), «Техновод-2011» (г. Чебоксары).

Публикации. По результатам исследований опубликованы 8 печатных работ, в том числе - 2 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 патент РФ.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и выводов. Работа изложена на 164 страницах машинописного текста, включает 47 рисунков, 29 таблиц и 6 приложений. Список литературы представлен 133 источниками.

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю доктору техн. наук профессору Н.С. Серпокрылову за постоянные научные консультации и помощь в работе; коллективу кафедры «Водоснабжение и Водоотведение» РГСУ (г. Ростова-на-Дону) - за внимание и поддержку при проведении исследований; коллективу кафедры «Инженерной защиты окружающей среды» РГСУ (г. Ростова-на-Дону) - за помощь в работе; коллективу ООО «Аква Инжиниринг» - за помощь во всех начинаниях; ЗАО «Геленджикский дельфинарий» - за консультации тренеров и ветеринаров, предоставление возможности проведения исследований; ЗАО «Чудное море» -за предоставленную возможность проведения исследований в дельфинарии-океанариуме г. Анапа.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1 Бассейны с морской водой и дельфинарии в России и мире

Несмотря на то, что история плавательных бассейнов ведет свое начало с третьего тысячелетия до нашей эры, когда в Индии появились первые купальни и искусственные бассейны, в России бассейны стали строить только после 1945 г. В 1960 г. в СССР было около 30 плавательных бассейнов стандартных размеров (25x16 м, 50x21), 5 из них были расположены на побережье Черного моря, где использовалась натуральная морская вода [1].

В современных плавательных бассейнах в основном используется пресная вода. К таким бассейнам относятся спортивные плавательные бассейны, бассейны при школах олимпийского резерва, домах отдыха, санаториях, СПА-центрах. Однако бассейны с морской водой по-прежнему распространены как в России, так и в мире. Применение морской воды накладывает существенные особенности на технологические схемы водоподготовки бассейнов. Определенные требования к технологии очистки воды формирует и назначение бассейнов.

По назначению бассейны с морской водой можно разделить на:

- оздоровительные бассейны;

- развлекательные бассейны;

- гидромассажные бассейны;

- детские бассейны;

- бассейны для содержания морских млекопитающих.

Первые 4 группы относят к традиционным плавательным бассейнам, к которым предъявляются те же требования, что и к бассейнам с пресной водой, за исключением некоторых характеристик, связанных с солесодержанием. Бассейны для содержания морских млекопитающих используются в дельфинариях и океанариумах. К ним предъявляются особые требования, связанные с физиологией животных [2-3].

В настоящее время в мире насчитывается более трех сотен океанариумов с морскими млекопитающими, построенных в десятках странах. Наиболее многочисленны они в США, Японии и Китае [4].

Крупнейшая российская научно-исследовательская база, занимающаяся изучением морских млекопитающих в неволе, - «Утришский дельфинарий» -расположена в Краснодарском крае на Черном море в п. Малый Утриш на озере Соленом. Дельфинарий создан по инициативе Института проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова Российской академии наук в 1984 году и имеет несколько филиалов в городах России [5]. Всего в России по данным на 2010 год было зарегистрировано и работало 15 стационарных зрелищных дельфинариев, которые принимали в год около 3 млн. посетителей [6].

Помимо существующих научно-исследовательских баз и крупных зоопарков, содержанием и разведением дельфинов в неволе занимаются небольшие предприятия, частные инвесторы,