Введение к работе
Актуальность работы. В соответствии с требованиями СанПиН 2.1.4.1074-01 и ГОСТ 2874-82 питьевая вода должна быть безопасна в эпидемическом отношении, безвредна по химическому составу и обладать благоприятными органолептическими свойствами. В России пролонгированный обеззараживающий эффект при транспортировке подготовленной воды с водоканалов потребителю по многокилометровым системам водоснабжения обеспечивается гарантированным наличием остаточного хлора в воде у потребителя (0,3-0,5 мг/л). Физические способы обеззараживания озоном, ультрафиолетом не обеспечивают пролонгированного обеззараживающего действия. Поэтому на сегодняшний день применение хлорсо-держащих реагентов, несмотря на ряд недостатков, является основным методом обеззараживания на коммунальных водопроводах и станциях по обработке технических и сточных вод.
При обеззараживании питьевой воды хлорсодержащими реагентами опасность для человеческого организма представляют хлорорганические токсичные, мутагенные и канцерогенные соединения, образуемые при взаимодействии хлора с органическими загрязнениями, всегда присутствующими в поверхностных источниках.
Применение хлорсодержащих реагентов для обеззараживания стоков может приводить к образованию еще более токсичных, чем исходные загрязнители, устойчивых химических соединений. Кроме того, хлор и его соединения не должны содержаться в сточных водах, сбрасываемых в поверхностные воды.
Биологические методы очистки сточных вод общепризнанно считаются наиболее экономически эффективными и экологически приемлемыми для удаления так называемых макрозагрязнений (биоразлагаемых органических веществ, соединений азота, фосфора, серы и т.д.). После биоразложения, как правило, применяется доочистка стоков с помощью концентрированного или электролизного гипохлорита для выполнения требований к содержанию бактерий и микроорганизмов в сбрасываемых в реки сточных водах. Однако в этом случае не выполняются требования по отсутствию хлора в сточных водах. Если доочистка не используется, не выполняются требования к содержанию бактерий и микроорганизмов в сбросах с очистных сооружений, попадающих в реки и залив.
Поэтому остро стоит задача поиска более дешевых и экологичных промышленных технологий как для обеззараживания питьевой воды, так и технологий доочистки стоков без хлорсодержащих реагентов, не уступающих применяемым технологиям с использованием гипохлорита в части эффективности очистки и стоимости, а также решающих проблему выполнения требований к чистоте стоков и отсутствия в них хлора. Кроме того, снижение содержания хлорорганических соединений в воде и также является серьезной проблемой, которая до сих пор не решена.
Перспективная и интенсивно развивающаяся в последние годы технология очистки воды и стоков ферратами щелочных металлов обеспечивает дезинфицирующее и коагулирующее действие, но не дает пролонгированного эффекта. Применение ферратной технологии в сочетании с хлорированием позволяет существенно снизить количество потребляемого для очистки хлора, а значит и образуемой канцерогенной хлорорганики, а в некоторых случаях (например, при очистке стоков) вообще обойтись без применения хлора.
Целью работы является разработка технологического процесса и технического решения комплексного электролизного агрегата (КЭА) для одновременного производства анолита и феррата, позволяющих существенно повысить эффективность обеззараживания и очистки воды и стоков и экологическую безопасность при одновременном снижении стоимости процессов по сравнению с существующими технологиями.
Задачи, решаемые для достижения поставленной цели:
- анализ существующих методов и устройств получения анолита и феррата натрия для обеззараживания питьевой и технической воды и очистки хозяйственно-бытовых и промышленных стоков;
- обоснование концепции получения анолита и феррата путем мембранного электролиза в едином комплексном электролизном агрегате (КЭА);
- математическое моделирование процесса получения анолита и феррата,
конструктивных и технологических параметров модулей КЭА, обеспечивающих повышение
производительности, энергоэффективности и ресурсосбережения процессов;
разработка, изготовление и испытание в промышленных условиях КЭА и адаптивной системы управления производительностью его модулей;
оценка эффективности промышленного применения феррата натрия и технических средств для его получения;
разработка рекомендаций по использованию результатов работы в обеззараживании воды, промышленных и бытовых стоков.
Методы исследования: математическое моделирование оборудования для производства анолита и феррата, фотоколориметрический метод определения концентрации феррата в растворе; амперометрический метод определения содержания хлора в воде; математические расчеты на основе теории электрохимии и экспериментальные исследования производительности и энергопотребления производства анолита и феррата натрия; потенциометри-ческое титрование; масс-спектрометрия; вольтамперометрия состава промышленных стоков, лабораторные исследования химического и биологического состава проб питьевой воды и хозяйственно-бытовых стоков после обеззараживания анолитом и ферратом; апробация в промышленных условиях анолита и феррата и технических средств для их получения для обеззараживания питьевой воды, хозбытовых стоков, коагуляции токсичных отходов и ливневых стоков.
Научная новизна работы:
впервые научно обоснованы концепция и параметры технологического процесса промышленного производства анолита и феррата для обеззараживания воды и стоков в едином комплексном электролизном агрегате;
разработаны схемные и конструктивные решения КЭА и его модулей, обеспечивающие заданную производительность по анолиту и феррату, повышение эффективности обеззараживания и очистки воды и стоков при одновременном снижении стоимости процессов по сравнению с существующими технологиями.
Новизна предложенных технических и технологических решений подтверждена семью патентами РФ: № 113735 от 03.05.2011; № 2471891 от 15.03.2011; № 142205 от 05.12.2013; №160773 от 08.09.15; №162651 от 09.11.15; № 165201 от 08.09.15; № 169435 от 04.07.2016.
Достоверность результатов и обоснованность основных положений и выводов диссертационной работы обеспечивается корректностью постановки задач исследования, корреляцией полученных экспериментальных результатов с известными данными, использованием современных методов исследования (потенциометрическое титрование, фотоколориметрия раствора феррата, масс-спектрометрия, вольтамперометрия состава промышленных стоков), а также успешной апробацией результатов работы в промышленных условиях.
Практическая значимость определяется:
- реализованы на практике агрегаты для получения анолита и феррата для обеззаражи
вания воды и стоков в промышленных условиях;
разработаны рекомендации по внедрению предложенных технических решений по очистке воды и стоков систем водоснабжения городов;
обоснована экологическая и экономическая эффективность предложенных технических решений по очистке воды и стоков.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих семинарах и конференциях: второй межотраслевой конференции «Вода в промышленности-2011», Москва, 2011 г.; Международном форуме «Крым Hi-Tech – 2014», Севастополь, 2014; Международной научно-технической конференции «Автоматизация: проблемы, идеи, решения», Севастополь, 2015; Международной конференции «Приборостроение, электроника и телекоммуникации-2015» - IEET-2015, г. Ижевск, 2015; Международной научно-технической конференции «Автоматизация: проблемы, идеи, решения», Севастополь, 2016; Международной конференции «Современное машиностроение: наука и образование
MMESE-2016» СПб, 2016.
Работа выполнялась в рамках государственного контракта № 14.740.11.1024 от 23 мая 2011 г. «Разработка принципов адаптивного управления и регулятора установок мембранного электролиза для обеззараживания воды с пролонгированным действием и высоким КПД» 2011-2013 гг., ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы», и соглашения № 14.575.21.0080 от 16 июля 2014 г. «Разработка конструкции и общих принципов управления комплексным электролизным агрегатом для одновременной выработки анолита для обеззараживания воды и феррата для обеззараживания стоков», 2014-2016 гг., ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы».
Основные положения диссертационной работы, выносимые на защиту:
концепция и технологические процессы получения анолита и феррата натрия путем электролиза в едином комплексном электролизном агрегате, их практическая реализация;
КЭА для получения анолита и ферратов в промышленных условиях, его схемные и конструктивные решения, программно-аппаратная реализация;
- результаты экспериментальных исследований процесса электролиза анолита и
феррата натрия в КЭА и промышленного применения полученных реагентов;
- обоснование промышленной применимости и экономической эффективности
предложенных технических и технологических решений;
- рекомендации по использованию результатов работы в обеззараживании питьевой и
технической воды, промышленных и бытовых стоков.
Личное участие автора. Все результаты исследований, изложенные в настоящей диссертации, получены автором самостоятельно. Им выполнены постановка задач, разработка технических и технологических решений, разработка методик исследований и проведение экспериментов, обработка и анализ результатов, написание статей и заявок на патенты, формулировка основных выводов.
Публикации. По материалам диссертации имеется 21 печатная работа, в том числе 7 работ в рецензируемых научных изданиях, входящих в международные системы цитирования Scopus или Web of Science, 7 патентов, из них 1 патент на изобретение и 6 на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы, включающего 131 наименование, двух приложений. Работа изложена на 192 страницах машинописного текста, содержит 54 рисунка и 27 таблиц.