Введение к работе
Актуальность работы. Вода - естественное природное достояние человека, необходимое условие его жизнедеятельности, важнейший фактор здоровья. Обеспечение населения качественной питьевой водой способствует достижению главной цели - улучшению и сохранению здоровья населения и в целом безопасности нации.
Причины обострения проблем питьевого водоснабжения связаны с качественными и количественными аспектами состояния водных ресурсов, все возрастающими объемами водопотребления и интенсивностью антропогенного загрязнения водоисточников, что и обусловило актуальность проблемы.
В России и за рубежом существует мнение, что типовые системы очистки не являются барьером по задержанию целого ряда загрязнителей воды - гидробионтов, органических веществ, ионов тяжелых металлов, вирусов. Кроме того, в процессе традиционной очистки воды с прехлориро- ванием, коагулированием, осаждением, фильтрованием, постхлорированием в питьевой воде образуется класс веществ, относящихся к летучим га- логенорганическим соединениям (ЛГС), в состав которых входят тригало- генметаны.
Реализация использования озона в водопроводной практике потребовала теоретического обоснования выбора рациональных конструкций и схем очистки для вод различного качества, обобщения накопленного и получения дополнительного экспериментального материала, различного подхода к подготовке питьевой воды для крупных промышленных регионов, малых населенных пунктов, чрезвычайных ситуаций.
Полученный автором в результате исследований материал по аккумулирующей способности биоценоза источников водоснабжения позволил, наряду с использованием экологически чистого и мощного окислителя озона приблизить решение задачи возвращения питьевой воде природных свойств.
Отсутствие водоочистного оборудования для очистки воды в небольших населенных пунктах, вахтовых поселках предопределило необходимость разработки конструкций устройств с последующим их промышленным выпуском.
Немаловажным является разработка информационной системы управления технологическим процессом производства питьевой воды, показать место этой системы в общей схеме социального мониторинга.
Цели и задачи работы. Указанный выше круг проблем определил цель диссертационной работы: разработать, исследовать, теоретически обосновать и внедрить технологии очистки воды пресных поверхностных источников с использованием естественного биоценоза, озонирования, сорбции для крупных регионов, контейнерные установки для малых населенных пунктов. Разработать и испытать переносные аппараты водоподго- товки для чрезвычайных ситуаций. Разработать и испытать озонаторное оборудование. Разработать концепцию информационной системы поддержки принятия решений для водопроводных станций.
Для достижения намеченной цели были поставлены следующие основные задачи:
Идентифицировать растворенные органические соединения в процессе подготовки питьевой воды.
Разработать конструкцию биопоглотителя для предварительной очистки воды естественным биоценозом с исследованием режимов его работы.
3 .Разработать и исследовать способ очистки природных вод естественным биоценозом, микрофильтрацией и озонированием.
4. Разработать теоретические основы технологии очистки воды поверхностных источников с использованием аккумулирующей способности гидробионтов.
Разработать конструкции аппаратов воздухоподготовки и синтеза озона с вихревыми трубами.
Разработать теоретические основы растворения озона в технологическом трубопроводе.
Разработать и испытать переносные, передвижные и малогабаритные установки подготовки питьевой воды.
Разработать математическую модель двухступенчатого фильтрования с использованием озонирования.
Разработать концепцию автоматизированной информационной системы поддержки принятия решения (АИС 111 IP), предназначенной для оперативного управления водопроводными станциями на основании поступающей информации, ее смыслового анализа и выработки управленческих решений.
Научная новизна работы:
-
исследованы закономерности аккумулирующей способности гид- робионтов по задержанию органических и неорганических загрязнителей;
-
исследовано влияние различных факторов (температура воды, материал носителя, скорость потока воды, концентрация озона) на эффективность биологической очистки воды;
-
разработана экологически чистая технология с узлом биологической предочистки, микрофильтрации и озонированием;
-
разработаны теоретические основы технологии очистки воды поверхностных источников с использованием аккумулирующей способности гидробионтов;
-
разработаны новые конструкции озонаторного оборудования: многоступенчатый аппарат воздухоподготовки и высокочастотный генератор озона, на основе которых созданы комплексные установки обработки воды озоном;
-
разработана математическая модель работы аппарата смешения текучих сред с введением озона в напорный технологический трубопровод;
-
разработаны экологически безопасные технологии, обеспечивающие высокий качественный уровень питьевой воды для малых населенных пунктов;
разработаны новые конструкции водоочистного оборудования, совмещающего окислительные и фильтрационные процессы;
-
разработана модель двухступенчатого фильтрования воды с использованием озонирования;
-
разработаны конструкции переносных аппаратов обработки природных вод для использования в условиях чрезвычайных ситуаций;
-
разработана концепция информационной системы поддержки принятия решений для оперативного управления водопроводными станциями.
Практическая значимость результатов работы.
Проведенные исследования явились основой для создания технологий очистки воды в крупных мегаполисах и малых населенных пунктах, источники водоснабжения которых подвержены антропогенному воздействию.
Предлагаемые технологии имеют ряд преимуществ перед существующими, а именно:
-
позволяет очищать воду 3 класса загрязненности;
-
не образует в процессе очистки новых загрязнителей, таких, как
ЛГС;
-
гарантирует вирусологическую безопасность и отсутствие токсичности питьевой воды;
Разработаны передвижные и переносные установки для очистки воды в чрезвычайных ситуациях.
Разработаны установки синтеза озона, производительностью до 1000 г О /час, которые могут использоваться не только в практике во до- подготовки, но и в других отраслях.
Результаты исследований внедрены при выполнении работ по программам: "Строительство" №10.18, 1993 г., "Тематический план" №93/12-
ТП, 1993 г. №1.10.1995, "Здоровье населения России" №93/70, 1993 г., региональных нижегородских программ «Чистая вода», «Чистая вода детям» в 1996-1998 г.г., проект №3977 «Разработка научных основ и технологий защиты урбанизированных территорий от природных и антропогенных катастроф и негативных воздействий» 2009 г., а также тематическим планам ННГАСУ. Разделы работы выполнялись по международным программам «Ока - Эльба», «Волга - Рейн», а также в рамках федеральной целевой программы «Возрождение Волги». В 2009 г. и 2010 г. на работы по теме диссертации были выиграны 2 гранта Нижегородской области в сфере науки и техники.
Разработаны рабочие проекты во всех частях на водопроводных очистных сооружениях в городах Нижегородской области: Кетово, Лыско- во, Семенов, г. Любань Ленинградской области, поселков Сунтар и Ытык- Кюэль республики Саха, Филинское Вачского района Нижегородской области.
По разработанным проектам построены и эксплуатируются станции в г. Любань Ленинградской области, поселке Филинское Вачского района, поселках Сунтар и Ытык-Кюэль республики Саха и др.
Отдельные аппараты, а именно осушитель воздуха внедрен для спецпроизводства ПО "Сульфид" г.Красноярск; изготовлено и поставлено фильтровальное и озонаторное оборудование для плавательного бассейна предприятия НИИИС г. Н.Новгород и в городах Луховицы, Коломна, Де- довск Московской области; внедрено озонаторное оборудование в Брянской области на Ивотском стекольном заводе, на ПО "Дальвостокуголь", АО "Зеягэсстрой", на лесопереабатывающем комплексе г.Любань Ленинградской обл., изготовлены и смонтированы установки синтеза озона на пассажирских судах «Пирогов», «А.Суворов», «Ф.Шаляпин» и др.
Личный вклад автора.
Решения поставленных в работе задач основаны на обобщении и систематизации результатов многолетних исследований (с 1992 по 2011 г.г.), выполнявшихся автором в рамках инициативной, хоздоговорной и госбюджетной тематики научно-исследовательских работ Нижегородского государственного архитектурно-строительного университета.
В диссертацию вошли результаты, полученные автором лично и в сотрудничестве с научными работниками лаборатории очистки природных вод университета и другими организациями. Автору принадлежит формулировка цели работы и постановка задач, обоснование и выбор путей их решения и методик исследований, интерпретация и обобщение результатов, формулировка научных положений, выносимых на защиту, и выводов.
Апробация работы.
Результаты исследований докладывались на следующих Всесоюзных, международных, республиканских совещаниях и конференциях:
-
Советско-американский научно-технический симпозиум, Нижний Новгород, «Развитие методов очистки сточных и природных вод», 1991 г.;
-
1-я и 2-я Всероссийские научно-практические конференции, Н.Новгород, «Озон в биологии и медицине», 1992 г., 1995 г.;
-
Международная научно-техническая конференция, Н.Новгород, «Проблемы реконструкции исторических центров крупных городов России», 1994 г.;
-
Международная научная конференция, С.-Петербург, «Устойчивое развитие и экологический менеджмент», 2005 г.;
-
3-й и 4-й Международные конгрессы, Москва, ЗАО «Фирма СИ- БИКО Интернешнл», 1998 г., 2000 г.;
-
Международная научно-методическая конференция, Пенза, «Строительство и эксплуатация сооружений в условиях плотной городской застройки», 2007 г.;
-
Международный научно-промышленный форум, Н.Новгород, «Великие реки», 2000 - 2010 г.г.
Разработанные аппараты и технологии экспонировались:
-
на выставке ВДНХ в Москве, где присужден диплом и серебряная медаль ВДНХ СССР №8298 от 15.10.1990 г.;
-
на выставке ВДНХ в Москве, где присужден Диплом почета главного комитета выставки народного хозяйства СССР №840 (постановление от 06.12.91, №164-Н);
-
на IV Московском международном салоне инноваций и инвестиций, где удостоена диплома установка получения питьевой воды, 2006 г.;
-
на «Нижегородской ярмарке» в г. Нижнем Новгороде в ноябре 2007г., где было удостоено диплома устройство для обработки воды озонам для стационарных и мобильных установок водоподготовки;
-
на VIII Московском Международном салоне инноваций и инвестиций, где золотой медали удостоена универсальная переносная установка получения питьевой воды, 2008 г.;
-
на Международном салоне инноваций и инвестиций г. Женева, где золотой медали удостоена универсальная переносная установка получения питьевой воды, 2008 г.;
-
на I Всероссийском конкурсе «Экология России» г. Нижний Новгород, где серебряной медали удостоена универсальная переносная установка получения питьевой воды, 2008 г.
На 11-м конкурсе объектов интеллектуальной собственности на соискание премии Нижегородской области имени И.П.Кулибина «Лучшее изобретение в Нижегородской области в области химии и металлургии» за патент №2311348 «Устройство для обработки воды» присуждено III место.
На защиту выносятся научные положения:
-
результаты исследований закономерностей аккумулирующей способности гидробионтов по задержанию органических и неорганических загрязнителей с разработкой и исследованием нового способа обработки воды и конструкций аппаратов - биопоглотителей;
-
математическая модель расчета режимов предочистки воды поверхностных источников с использованием биопоглотителя, учитывающая влияние различных факторов;
-
экологически чистая технология водоподготовки с использованием биологической предочистки, озонирования и сорбции, гарантирующая получение питьевой воды, отвечающей требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01;
-
новые конструкции озонаторного оборудования: многоступенчатый аппарат воздухоподготовки и высокочастотный генератор озона, на основе которых разработаны комплексные установки обработки воды озоном;
-
теория смешения озона с обрабатываемой водой в аппарате для смешения жидкостей и газов;
-
малогабаритные установки подготовки воды для питьевых целей с использованием двухступенчатого фильтрования и трехстадийного использования озона, которые могут быть реализованы как в мобильном, так и стационарном вариантах;
-
математическая модель двухступенчатого фильтрования воды с использованием озонирования;
-
различные варианты переносных установок водоподготовки двойного назначения для специальных подразделений и гражданских целей;
-
концепция автоматизированной информационной системы поддержки принятия решений для управления технологическими процессами производства питьевой воды.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 133 научных работ, в том числе 3 монографии и 8 авторских свидетельств (из них 4 патента).
Объем и структура работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения, списка литературы из 212 наименований источников, в том числе зарубежных, изложена на 390 страницах, содержит 52 таблицы, 136 рисунков.
