Введение к работе
Актуальность темы. Питьевое водоснабжение является важнейшим элементом жизнеобеспечения городов и фактором национальной безопасности в области охраны здоровья населения. Многие поверхностные и подземные водоисточники загрязнены химическими веществами, в отношении которых барьерная роль существующих водоочистных сооружений чрезвычайно мала. По данным Программы ООН по окружающей среде (ЮНЕП) в России ежегодно регистрируется около 30 инфекционных вспышек дизентерии, брюшного тифа, гепатита, менингита и др., связанных с употреблением некачественной питьевой воды. Материальный ущерб от потери здоровья населения оценивается почти в 34 млрд. рублей в год.
Более трети поверхностных источников России характеризуются высоким содержанием органических веществ, интегрально оцениваемым окисляемостью и цветностью воды, достигающими 3 ПДК и более. Кроме того, воды имеют малую мутность (до 50 мг/л).
Органические вещества, поступающие в открытые водоемы в результате вымывания гумусовых веществ из почв, торфяников, а также отмирания и разложения водных организмов в самих водоемах, являются главной причиной появления в воде привкусов и запахов. Природный гумус, представлен гуминовыми и фульвокислотами, которые придают воде желто-коричневую окраску и образуют с металлами (в первую очередь с железом и марганцем) растворимые в воде, устойчивые к окислению комплексные соединения. Образование комплексных соединений алюминия в процессе коагуляционной очистки и защитное действие гуминовых кислот увеличивает концентрацию остаточного алюминия в очищенной воде. В результате хлорирования воды образуются токсичные галогенорганические соединения: хлороформ, дихлорбромметан, хлорфенол и др.
Многие подземные водоисточники также имеют повышенное содержание природных органических соединений связанных с интенсивным отбором подземных вод и притоком в них загрязненных аллювиальных и поверхностных вод. В ряде источников поверхностных и подземных вод отмечено присутствие специфических органических примесей - фенолов, нефтепродуктов и др.
Наиболее широко используемые двухступенчатые реагентные технологии очистки, соответствующие СНиП 2.04.02-84 на первой ступени очистки предусматривают осветление в отстойниках, осветлителях со взвешенным осадком и контактных префильтрах, на второй ступени – очистку на скорых фильтрах. Отстойники и осветлители со взвешенным осадком при очистке маломутных вод с высоким содержанием органических веществ работают неудовлетворительно. В первую очередь это обусловлено неэффективным протеканием процесса коагуляции из-за невысокой концентрации твердой фазы в исходной воде. В маломутной воде отсутствуют центры конденсации продуктов гидролиза коагулянта, поэтому не создаются условия для возникновения зародышей твердой фазы и осадок не образуется. Нагрузка по взвешенным веществам приходится на скорые фильтры, барьерная роль которых оказывается недостаточной. Применение контактных префильтров перед скорыми фильтрами требует большого расхода промывной воды (до 15% и более от расхода очищаемой воды), что снижает их производительность, увеличивает стоимость эксплуатации.
Рациональное функционирование станций очистки природных вод связано с комплексным решением проблем ресурсосбережения и охраны водоемов от загрязнения очисткой, повторным использованием промывных вод фильтров и утилизацией водопроводных осадков.
Таким образом, проблема разработки эффективных технологий очистки маломутных природных вод с высоким содержанием органических соединений для питьевого водоснабжения и с решением экологических вопросов требует глубокого изучения и проведения специальных исследований.
Цель исследования. Целью диссертационной работы является разработка научных и практических основ эффективных, экологически безопасных технологий подготовки питьевой воды для населенных пунктов из источников маломутных вод с высоким содержанием органических соединений.
Для достижения поставленной цели в работе необходимо решить следующие задачи:
1.На основе теоретических и экспериментальных данных выполнить анализ загрязненности вод поверхностных и подземных источников водоснабжения и технологий подготовки питьевой воды.
2.Разработать рациональную конструкцию и методику расчета реактора-осветлителя, позволяющую оптимизировать его конструктивные и технологические параметры.
3.Изучить процессы реагентной очистки природных вод с применением реакторов-осветлителей.
4.Провести исследования по оптимизации процессов доочистки природных вод после реакторов-осветлителей на скорых фильтрах.
5.Исследовать методы обработки и утилизации промывных вод и осадков, образующихся в процессе подготовки питьевой воды.
6.Разработать экологически безопасные и эффективные технологии подготовки питьевой воды из поверхностных и подземных источников маломутных вод с высоким содержанием органических соединений.
Объект исследования. Процессы очистки маломутных природных вод из поверхностных и подземных источников с высоким содержанием органических соединений осветлением в слое взвешенной контактной загрузки и фильтрованием.
Предмет исследования. Факторы, влияющие на эффективность очистки маломутных вод с высоким содержанием органических соединений.
Научная новизна. В результате проведенных исследований впервые:
-разработаны эффективные комплексные, экологически безопасные технологии подготовки питьевой воды из поверхностных и подземных источников маломутных вод с высоким содержанием органических веществ, позволяющие обеспечить экономию капитальных вложений и эксплуатационных затрат;
-разработаны теоретические основы процесса очистки маломутных вод в слое взвешенной контактной загрузки, методика моделирования и расчета реакторов-осветлителей, основанная на оценке параметров осветления с учетом структурных прочностных свойств осадка;
-на основании установленных закономерностей и особенностей очистки маломутных вод показано, что при минимально взвешенном слое контактной загрузки е=0,12 на 30% и более повышается производительность реакторов-осветлителей по сравнению с контактными префильтрами;
-в результате технологического моделирования процессов реагентной очистки поверхностных вод во взвешенном слое загрузки реакторов-осветлителей установлена эффективность применения в качестве коагулянтов сульфата и оксихлорида алюминия в зависимости от температуры и качества обрабатываемой воды. При очистке подземных вод наиболее эффективны гидроксид натрия и перманганат калия;
-теоретически и экспериментально обоснована эффективность применения дегазаторов-окислителей новой конструкции для очистки подземных вод, позволяющих снизить расход реагентов до 20%.
-рекомендованы марки гранулированных активных углей, технологически и экономически целесообразных для очистки поверхностных и подземных вод от остаточного содержания органических веществ в очищенной воде (АГ-3 и АГ-ОВ-1 соответственно);
-разработан новый модифицированный фильтрующий материал АРП для очистки природных вод от железа и марганца, позволяющий сократить или исключить использование реагентов;
-разработаны технологии реагентного осветления промывных вод фильтровальных сооружений с использованием нового высокоэффективного коагулянта СК-1 и утилизации осадка. Технологии повышают производительность водоочистных станций до 15%.
Достоверность теоретических положений и результатов работы основана на применении методов теоретического анализа, проведении необходимого объема экспериментов, а так же патентной чистоты предложенных технических решений. Для решения конкретных задач использованы фундаментальные уравнения гидравлики. Анализ качества воды проводился стандартными физико-химическими методами исследований. Результаты работы подтверждены производственными испытаниями на реальных промышленных объектах.
Практическая значимость. На основании результатов исследований:
-разработаны комплексные, экологически безопасные технологии очистки маломутных поверхностных и подземных вод с высоким содержанием органических соединений, позволяющие получить высокое качество питьевой воды при минимальных затратах, отличающиеся высокой степенью надежности и простотой эксплуатации. Разработанные технологии внедрены на станциях очистки природных вод в 12 населенных пунктах Сибирского федерального округа.
-разработана и внедрена новая технология очистки промывных вод фильтровальных сооружений для их повторного использования с применением нового высокоэффективного коагулянта СК-1 и утилизации осадка, позволяющая создавать безотходные производства питьевой воды, снижать эксплуатационные затраты и повышать экологичность водоочистных сооружений.
-разработано и внедрено новое высокоэффективное оборудование: реактор-осветлитель, дегазатор-окислитель, аэратор-распылитель, бункер осадка и активный фильтрующий материал, позволяющие повысить эффективность очистки воды, снизить капитальные и эксплуатационные расходы водоподготовительных сооружений;
-проектным институтам «Кузбассгипрошахт» г. Кемерово, «Гипроводхоз» г. Новосибирск, а также СП «Росводоканал» г. Новосибирск и ОАО «КемВод» г. Кемерово даны рекомендации по расчету, проектированию и эксплуатации водоподготовительных сооружений поверхностных и подземных вод
-результаты исследований используются в курсовом и дипломном проектировании для студентов строительных специальностей НГАСУ (Сибстрин).
Новизна и практическая значимость разработок подтверждена десятью патентами РФ.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту:
-новые направления совершенствования технологий и оборудования очистки маломутных вод с высоким содержанием органических соединений для питьевого водоснабжения;
- новые конструкции водоподготовительных сооружений;
-особенности реагентной очистки воды в слое взвешенной загрузки реактора-осветлителя;
- методика расчета и оптимизации реакторов-осветлителей, учитывающая их гидравлические и конструктивные особенности;
-технологии обработки и утилизации промывных вод и осадка реакторов-осветлителей и фильтров водоподготовительных сооружений;
-эффективные технологии очистки маломутных вод с высоким содержанием органических веществ из поверхностных и подземных источников для питьевого водоснабжения.
Апробация работы. Основные результаты исследований, изложенные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на международном конгрессе ЭКВАТЕК-2008 «Вода: экология и технология» (г. Москва, 2008 г.), международных научно-практических конференциях: «Водоснабжение - качество и эффективность» г. Кемерово (г. Кемерово 1998, 2002-2008 гг.), «Чистая вода -2009» (г. Кемерово, 2009 г.), «Современные технологии очистки в водоснабжении и водоотведении» (г.Новосибирск, 2006 г.), «Решение проблем развития водохозяйственных систем г. Новосибирска и городов Сибирского региона» ( г. Новосибирск, 2006 г.), «Обеспечение экологической безопасности систем водоснабжения и водоотведения Новосибирска и городов Сибирского региона» (Новосибирск, 2008 г.), «Решение проблем экологической безопасности в водной отрасли» (Новосибирск, 2009 г.), «Решение проблем экологической безопасности в водохозяйственной отрасли» (г. Новосибирск 2010 г.), «Надежность и экологическая безопасность работы систем водоснабжения и водоотведения» (Новосибирск, 2011 г.), международной конференции в Тунисе (г. Хаммамет, 2004 г.), международной научно-практической конференции IFOST-2007 в Монголии (г. Улан-Батор, 2007 г.), всероссийских конференциях «Актуальные проблемы строительной отрасли (г. Новосибирск, 2008-2010 гг.), научно-технических конференциях НГАСУ (Сибстрин) (Новосибирск 1988-2011 гг.). Разработанные технологии и оборудование очистки воды из природных источников демонстрировались на международных выставках «ИНТЕХВОД-2000», «ИНТЕХВОД-2001», «ИНТЕХВОД-2007» (г. Кемерово), Сибирской Ярмарке «СТРОЙСИБ-2004», «СИБПОЛИТЕХ-2010» (г. Новосибирска) и отмечены дипломами и золотыми медалями.
Реализация результатов работы. Результаты работы использованы при строительстве новых водоочистных станций и реконструкции существующих сооружений в населенных пунктах Кемеровской области: п. Яшкино, п. Промышленная-1, п. Зеленогорский, п. Ягуновская, г. Кемерово. г. Киселевске, г. Березовский, п. Кедровка, п. Промышленная-2 а также в г. Ачинске (Красноярский край), г. Новосибирске (две станции), г. Куйбышеве (Новосибирской области), г. Северске (Томской области).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 80 печатных работах, включая 2 монографии,10 патентов на изобретения РФ и 20 работ, опубликованных в реферируемых журналах, рекомендованных ВАК Минобразования и науки РФ.
Личный вклад автора состоит в выдвижении идей, научном обосновании, постановке и непосредственном участии в проведении экспериментальных исследований, анализе полученных результатов и их обобщении, разработке оборудования и технологий, их патентовании, проектировании водоочистных сооружений, авторском надзоре за строительством, наладке и пуске сооружений в эксплуатацию.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, списка использованных источников, насчитывающего 219 библиографических ссылок и приложений. Она изложена на 274 страницах, содержит 57 рисунков и 54 таблицы. В приложении приведены справки и акты об испытаниях и внедрении разработанных технологий.
