Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Мониторинг водоисточника и деманганация вод на биофильтре

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Мониторинг водоисточника и деманганация вод на биофильтре"

На правах рукописи

ШАЯХМЕТОВА СВЕТЛАНА ГИЛЬМУТДИНОВНА

МОНИТОРИНГ ВОДОИСТОЧНИКА И ДЕМАНГАНАЦИЯ ВОД НА БИОФИЛЬТРЕ

г-

(на примере Патраковского инфильтрационного водозабора Республики Башкортостан)

Специальность 03 00 16 - «Экология»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ООУи(^

Уфа-2007

003070138

Работа выполнена в Уфимском государственном нефтяном техническом университете и муниципальном унитарном предприятии «Нефтекамскводоканал»

Научный руководитель доктор технических наук, доцент

Назаров Владимир Дмитриевич

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Ягафарова Гузсль Габдулловна, кандидат технических наук Смирнов Юрий Юрьевич

Ведущая организация ГУП «НИИ безопасности жизнедеятельности

Республики Башкортостан»

Защита состоится 29 мая 2007 года в 10-00 на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212 289 03 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу 450062, Республика Башкортостан, г Уфа, ул. Космонавтов, 1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета

Автореферат разослан «26» апреля 2007 года

Ученый секретарь совета

Абдульминев К Г

Актуальность проблемы. В общем объеме воды, подаваемой для хозяйственно-питьевых нужд, 31% приходится на долю подземных вод Неоспоримым преимуществом подземных водоисточников является их защищенность от загрязнений природного и антропогенного происхождения

Снабжение водой из подземных водоисточников стала традиционной и в Республике Башкортостан Водоснабжение г Нефтекамска в 1999 году переведено на Патраковскии инфильтрационный водозабор, качество воды которого соответствует нормам СанПиН 2 1 4 1074-01 «Питьевая вода Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем Контроль качества» по всем показателям кроме марганца

Предельно допустимая концентрация марганца, согласно нормам СанПиН 2 1 4 1074-01, равна 0,1 мг/л, лимитирующий признак вредности органолептический

Необходимость извлечения марганца из природных вод вызвана рядом факторов санитарно-гигиеническими требованиями (избыток марганца вызывает заболевания костной системы, по некоторым источникам оказывает мутагенное действие), органолептическими требованиями (металлический привкус воды), эстетическими требованиями (следы на белье, посуде, кухонном и санитарном оборудовании), техническими требованиями (коррозия и забивание трубопроводов)

Концентрация марганца в воде с общего коллектора Патраковского водозабора в 2004 году была в пределах 14 ПДК (при норме 0,1 мг/л) Среднегодовая концентрация марганца на 3-м водоподъеме составила 0,12 мг/л (1,2 ПДК) Свыше 90 % марганца осаждается в водоводах Если пересчитать на двуокись марганца с учетом производительности, то ежесуточно на водоводах оседает около 125 кг черного осадка, забивающего сечение магистральных водоводов, что приводит к стабильному увеличению удельного потребления электроэнергии При любых изменениях давления в сетях происходит вынос осадка к потребителям

Аварийная ситуация произошла в апреле 2004 года при прочистке магистрального водовода диаметром 500 мм, для исправления положения был организован подвоз воды населению

Повышение мутности произошло и в мае 2006 года После этих событий санитарно-противоэпидемической комиссией при правительстве РБ принято решение запустить и вывести на рабочий режим очистные сооружения водопровода, т е перевести город на поверхностный водоисточник

В настоящее время в город подается смешанная вода из двух водоисточников

В перспективе использования двух водоисточников не учтен тот факт, что в г Камбарка (Республика Удмуртия), расположенном в 18 км выше по течению и не имеющем очистных сооружений водоотведения, действует завод по уничтожению химического оружия Ориентирование водоснабжения города при таких обстоятельствах на поверхностный водоисточник - не самое удачное решение Таким образом, деманганация подземной воды Патраковского водозабора г Нефтекамска со 130 тысячным населением является чрезвычайно актуальной проблемой

Объектами исследования выбраны источник водоснабжения г Нефтекамска — Патраковский инфильтрационный водозабор и система централизованного хозяиственно-питьевого водоснабжения г Нефтекамска

Цель работы — мониторинг качества воды водоисточника по содержанию марганца и разработка способа деманганации воды на биофильтрах для обеспечения качества воды Задачи исследования:

• мониторинг качества воды Патраковского инфильтрационного водозабора и р Кама в районе водозабора по содержанию марганца,

• мониторинг качества поступающей в город воды,

• изучение микроорганизмов, идентификация их по морфологическим свойствам,

• изучение влияния температуры, содержания растворенного кислорода, биогенных элементов на жизнедеятельность микроорганизмов,

• изучение возможности деманганации подземной воды биологическим методом

Научная новизна:

• Мониторинг вод Патраковского инфильтрационного водозабора выявил устойчивую тенденцию увеличения концентрации марганца Получена математическая модель процесса

• Впервые проведено сопоставление эффекта очистки воды Патраковского водозабора от марганца методом фильтрования в загрузках с иммобилизованными микроорганизмами Установлено, что максимальный эффект (99,2%) достигается при применении кварцевого песка

• Впервые установлены оптимальные значения скорости фильтрования, влияние концентрации кислорода и биогенных элементов, температуры воды на эффект деманганации биологическим методом

• Впервые определено время «зарядки» фильтра до получения воды питьевого качества, которое составляет 30 суток

• Предложена технологическая схема централизованной системы водоснабжения г Нефтекамска на основе Патраковского водозабора с применением фильтрования в зернистой загрузке с иммобилизованными микроорганизмами

Практическая значимость работы

• Результатом применения диссертационной работы было создание нового технологического процесса «биофильтрация — фильтрация» и соответствующего опытно-промышленного фильтра для деманганации воды

• Наиболее существенным положением успешного применения диссертационной работы являются выбор в качестве инертного носителя микроорганизмов кварцевого песка, определение типа сооружений для проведения биологической деманганации, оптимизация эффекта деманганации воды в зависимости от скорости фильтрования, концентрации биогенных элементов и кислорода, типа фильтрующих загрузок, температуры воды

• В возможности получения товарной продукции в виде фильтрующего материала, модифицированного оксидами марганца

• В возможности повышения экобезопасности системы водоснабжения г Нефтекамска

Апробация работы

Основные положения работ докладывались на VI Международной научно-технической конференции «Проблемы строительного комплекса России», Уфа, 2002 г (диплом II степени), федеральном научно-практическом семинаре-совещании «Эколого-экономические проблемы жилищно-коммунального хозяйства и пути их решения», г Челябинск, 2004 г (диплом II степени), а также других межвузовских и международных конференциях Результаты исследования прошли производственную апробацию в МУЛ «Нефтекамскводоканал» (Республика Башкортостан, г Нефтекамск)

Публикации. Результаты диссертационной работы изложены в 7 статьях в материалах трех научно-технических конференций, 3 из которых включены в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, выпускаемых в Российской Федерации в соответствии с требованиями ВАК

Структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка, включающего 128 наименований Основная часть работы изложена на 127 страницах машинописного текста, содержащего 37 рисунков и 24 таблицы Имеются приложения

Содержание работы Во введении обосновываются актуальность мониторинга качества воды Патраковского инфильтрационного водозабора по содержанию марганца и актуальность проблемы очистки воды от марганца для города Нефтекамска

В первой главе приведены анализ научно-технических источников, содержащих информацию о методах очистки природных и подземных вод от марганца, рассмотрены источники поступления марганца в природные воды, проведен сравнительный обзор методов деманганации воды, а также дан анализ ранее проведенных экспериментальных работ по деманганации воды Патраковского водозабора

Анализ научно-технического материала по деманганации позволяет сделать вывод о том, что реагентные методы с применением сильных окислителей (озон, хлор, двуокись хлора), метод аэрации, совмещаемый с известкованием, применение селективных сорбентов типа «Ьирм» отличаются сложностью и дороговизнои Установлено, что деманганация с применением аэрации неэффективна для воды Патраковского водозабора, т к при рН 6,9-7,5, характерной для исходной воды, растворенный в воде марганец практически не окисляется кислородом воздуха

Вторая глава посвящена мониторингу качества воды по содержанию марганца на Патраковском водозаборе Проанализированы динамика изменения концентрации марганца за 1983 - 2003 годы, температурная зависимость и эффективность деманганации на водоводах Изучен микробный состав воды 1 Мониторинг состояния водоисточника Мониторинг состояния водоисточника проведен по содержанию марганца Исследования выполнены на основе данных ежеквартальных анализов показателей, проводимых аналитическим Центром МУП «Нефтекамскводоканал» за 1983-2003 годы Исходные данные усреднены, и сформированы среднегодовые значения На основании этих данных установлена закономерность, описываемая уравнением

[ Мп+2] =а + Ьх , где [ Мп+2] - концентрация марганца, мг/л, х - время эксплуатации скважин, год В скважинах, пробуренных до 1983 года, наблюдается увеличение концентрации марганца в среднем на 0,059 (0,59 ПДК) На рисунке 1 представлен график изменения концентрации марганца во времени (выбраны скважины, пробуренные ранее 1983 года, в среднем с одинаковым дебитом)

у - 0,0586х + 0 4988

- СКВ 5-49

-средняя линия для 5-49

Время,годы

Рисунок 1 - Изменение концентрации марганца в скважинах, пробуренных до 1983 года

Вновь введенные скважины дают воду с низким содержанием марганца, но закономерность изменения концентрации марганца во времени сохраняется (рисунок 2)

у = О.ОЗЗх + 0 05

-СКВ 14 50-57, 59-63

-средняя

2000

2001 2002 Время,годы

2003

Рисунок 2 - Изменение концентрации марганца в скважинах, пробуренных после 1999 г

Увеличение концентрации марганца зависит от времени эксплуатации скважин, чем больше время эксплуатации скважин, тем больше концентрация марганца Следовательно, со временем концентрация марганца и в новых скважинах будет превышать ПДКМП Таким образом, решить проблему деманганации бурением новых скважин не удастся

Проведен корреляционный анализ концентрации марганца методом корреляционной регрессии в зависимости от значащих факторов (азота аммонийного, перманганатной окисляемости, температуры, рН, щелочности, содержания кислорода и фосфатов) Результаты приведены в таблице 1

Таблица 1 - Результаты корреляционного анализа связи концентрации марганца с параметрами воды

Факторы Коэффициент корреляции Критерий надежности

1 2 3

Азот аммонийный +0,53 5,93

Окисляемость ггерманганатная +0,35 3,07

Температура -0,65 5,51

Кислород -0,25 1,84

Щелочность -0,10 0,76

РН +0,19 1,59

Фосфаты -0,02 0,08

Закономерная связь явлений должна наблюдаться при коэффициенте корреляции более 0,5 и критерии надежности более 3,0 Из результатов анализа следует, что в наибольшей степени на качество воды по содержанию марганца влияют ее температура, содержание аммонийного азота

Была проведена оценка микробного состава воды и отложений труб методом дифференцированной окраски Обнаружены микроорганизмы, которые по морфологическим признакам были определены как железобактерии Кокковые формы чаще встречаются в воде с водозабора (рисунок 3), а в магистральных водоводах встречаются и кокковые и нитчатые

формы (рисунок 4), редко (приблизительно в 1 из 10 проб) магнитобактерии (рисунок 5)

\S-SJ) ' 0

ОсЬгоЫит 1ес1ит

АгШгоЬа^ег (81с1егосар$а)

Рисунок 3 - Кокковые формы бактерий

Ьер^Мтх

СгепоШнх

МеГаНодешит СаПюпсПа

Рисунок 4 - Нитчатые формы бактерий

AquaspirilIum тацпс^а^ит ,_

1 мкм

Рисунок 5 - Магнитные бактерии

Оценена интенсивность развития микроорганизмов с помощью пластинок обрастания Уже через сутки наблюдается массовое развитие микроорганизмов

Обнаружено, что в 1 мл воды Патраковского водозабора содержится 12 клеток микроорганизмов

Рассмотрена динамика изменения концентрации марганца при транспортировке воды по магистральным водоводам (протяженность 20,6 км) Выявлено, что удельная скорость биоокисления возрастает с увеличением диаметра водовода за счет увеличения площади внутренних стенок трубы (таблица 2 и рисунок 6)

Таблица 2 — Зависимость степени деманганации от диаметра водовода

Диаметр водовода, мч Длина водовода, м Расход воды, м3/ч Расход воды, м3/с Скорость течения воды по водоводу, м/с Площадь внутренней поверхности водовода, м" Изменение концентрации марганца, мг/л Степень очистки, % Время прохождения воды ч еГ К X и (К , г-« ; о . « 5 £ б 5 П о. о • К о о я-а к й-" О Ю и

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

300 9800 80,0 0,022 0,31 9231,6 1,02 92,73 8,78 0,0088

500 20600 900,0 0,250 1,27 32342,0 0,47 42,72 4,51 0,0131

700 20600 1000,0 0,280 0,73 45278,2 0,82 74,55 7,84 00181

а *

II 0,02

у = 0,000023х + 0,001766667 Я2 = 0,9974

"I---

о биоокисление

§ = 0,015 -

« I 0,01

■средняя линия

-I-

0 200 400 600 800 Диаметр трубопровода, мм

Рисунок 6 - Зависимость степени деманганации от диаметра водовода

Рабочая гипотеза На основании мониторинга воды можно предположить, что водоводы, имеющие большую протяженность, играют значительную роль в очистке воды от марганца за счет отложений загрязнений на стенках труб Этот процесс носит микробиологический характер и обусловлен жизнедеятельностью железобактерий, которые при отсутствии в воде железа (в нескольких скважинах Патраковского инфильтрационного водозабора концентрация железа на уровне ПДК, а в остальных менее 0,05 мг/л) в процессе жизнедеятельности используют энергию окисления двухвалентного марганца до четырехвалентного состояния При этих процессах биологического окисления марганец удаляется из воды в виде черною осадка двуокиси марганца

Таким образом, для очистки воды от марганца необходимо использовать биологическую активность железобактерий путем создания условий для их закрепления на нейтральных пористых носителях (загрузках) В условиях постоянного притока питательного субстрата (исходной воды) начинается интенсивное размножение микроорганизмов на поверхности носителей Для накопления биомассы необходимо определенное время При оптимальной скорости подачи воды (недостаточной для выноса биомассы, но достаточной для удаления продуктов жизнедеятельности) возможна деманганация биологическим методом

В третьей главе приведены результаты лабораторных исследований по деманганации воды Исследование процесса деманганации проводили на натурной воде Патраковского водозабора В качестве фильтрующих загрузок применили кварцевый песок крупностью 0,6-1,2 мм, керамзит, карбонизированный уголь, гранулированный полиэтилен, пемзу В проведенных экспериментах максимальная степень очистки составляет для песчаной загрузки 99,2%, для загрузки из полиэтилена - 90%

Изучена зависимость степени очистки от температуры Установлено, что оптимальная температура для полиэтиленовой загрузки составляет 14,2 °С (рисунок 7), для песчаной загрузки - 9,6 °С ( рисунок 8)

у = -0.7165Х2 + 20 266х - 59 165 Р!2 = 0 6669

• полиэтилен

13 18 23

Температура, град

Рисунок 7 - Влияние температуры на степень деманганации для загрузки из полиэтилена

100 80 60 40 20 0

у = -0,1757х + 3,856х + 75,473 2 = 0 987

♦ песок

____I

13 18

Температура, град

23

Рисунок 8 - Влияние температуры на степень демангаЕгации для загрузки из песка

Изучено влияние кислорода на процесс деманганации В качестве обескислороживающего агента применили сульфит натрия Результаты экспериментов приведены на рисунке 9

у = -2 4414х * 96 144

Я* = О 7092

Концентрация кислорода, мг/л

а)

♦ 1 колонка

-средняя пиния

* ь 100

80

Г 60

О л 40

X 20

0) с 0

о

о

б)

у = -5 2485х + 77 157

--^"ЕТГВШ

Концентрация кислорода, мг/л

♦ 4 колонка

-средняя линия

Рисунок 9 -Влияние концентрации кислорода на степень демангапации для песка (а), для полиэтилена (б)

Степень очистки с увеличением концентрации кислорода уменьшается, следовательно, железобактерии являются микроаэрофилами

Для определения влияния биогенных элементов использовали добавки солей хлорида аммония Результаты экспериментов приведены на рисунках 10,11

у = -440 5^+ 138 45х + 74 637 Иг = 0 9952 __

2 100 и

I 90

й 80

о

0 02 04

Потребление аммония, мг/ч

а)

полиэтилен

-средняя линия-полиэтилен

2

г" 100

X

О 95

О 90

л

X <и 85

и

• 164 Збх2 + 83 964х + 87 049 ¡Ч5 =0 9857

- средняя пиния -песок

О 0 2 0,4 0,6

Потребление аммония, мг/ч

б)

Рисунок 10 — Влияние аммонийных добавок на степень деманганации для полиэтиленовой загрузки (а), для песка (б)

Степень очистки для обеих кривых имеет четкие максимумы, которые соответствуют для песчаной загрузки 0,25 мг/ч потребления аммония (97,7% эффект очистки) и для полиэтиленовой - 0,23 мг/ч потребления аммония (97,1% эффект очистки)

Изучено влияние катализатора марки АОК 75—41, содержащего соединения алюминия, цинка и хрома При высокой концентрации катализатора из-за подавления биологических процессов наблюдается снижение эффекта очистки При снижении концентрации катализатора, максимальная степень очистки (94,3%) достигается при 20% добавке катализатора на 12-е сутки, тс наблюдается сокращение времени зарядки фильтра из-за усиления иммобилизационных свойств микроорганизмов (рисунок 11)

0 5 10 15 20

Время, сутки

Рисунок 11 - Влияние катализатора АОК 75-41 на степень деманганации

В четвертой главе приведены результаты исследований деманганации на опытно-промышленном фильтре Схема опытно-промышленного фильтра приведена на рисунке 12

в отстоипик промывных вод

вход

т

-СХ1-

пробоотборник

фильтрация

i

Л

\ 1 * !

. .4 ::

промывка фильтра обратным током

4

X

выход

■tx—г

f

пробоотборник

гравии

Рисунок 12 - Схема опытно-промышленного фильтра

Фильтр был загружен следующим образом

1-й слой высотой 50 мм из гравия, работает как поддерживающий слой для предотвращения выноса песка

2-й слой высотой 550 мм из кварцевого песка крупностью 0,6-1,2 мм, используется в качестве бионосителя На этой поверхности происходит рост биомассы, состоящей из железобактерий

Вода на опытно-промышленный фильтр подавалась из машинного зала Патраковского водозабора Качество воды в период проведения испытаний (2 месяца) менялось незначительно (таблица 3)

На фильтр подавали воду со скоростью 5 м/час, при снижении скорости подачи воды фильтр промывали водой, не содержащей хлор, в течение 4-5 минут Эффективность работы фильтра проверяли ежедневным отбором проб до, и после очистки Концентрацию марганца контролировали фотоколориметрическим методом по ГОСТ 4974-72, метод В

Таблица 3 - Качество натурной воды

Показатели Единицы измерения Качество воды Норма по СанПиН 1074-01

до очистки после очистки

1 2 3 4 5

Жесткость мг-экв /л 4,80 4,50 не более 7,0

Цветность градусы 5 4 не более 20

Мутность мг/л 0,36 0,36 не более 1,5

Общая щелочность мг-экв /л 2,80 2,65 -

Железо общее мг/л 0,12 0,05 не более 0,3

Хлориды мг/л 60,9 59,2 не более 350

Сульфаты мг/л 64,5 60,5 не более 500

Аммоний солевой мг/л 0,24 0,05 не более 1,90

Нитриты мг/л 0,009 0,019 не более 3,30

Нитраты мг/л 1,35 1,50 не более 45,0

Окисляемость перманганатная мг О/л 1,6 1,5 не более 5,0

РН - 6,98 7,10 6,0-9,0

ЕЬ мВ -35 -30 -

Марганец мг/л 1,48 0,09 не более 0,1

5

а: 1-О

У О

л

X

о с 0) ь О

100 80 60 40 20

1

*** **е

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 Время эксплуатации, сутки

Рисунок 13 - Эффективность очистки от марганца в зависимости от времени фильтрования

В первые 12 суток степень очистки от марганца незначительна, продолжительность этой фазы, возможно, зависит от того, насколько питательная среда пригодна для развития микроорганизмов

II фаза - от 12 до 22 суток - скорость окисления растет скачкообразно, неравномерно

III фаза - от 22 до 30 суток - степень окисления растет равномерно по линейной зависимости

IV фаза - от 30 до конца фильтроцикла - рабочая фаза биофильтра Достигнута максимальная степень очистки 93,9% При концентрации марганца 14-15 ПДК в подземной воде, в очищенной воде концентрация марганца соответствует нормам СанПиН 2 1 4 1074-01 «Вода питьевая» «Зарядка» фильтра произошла через 30 суток

Определена зависимость степени деманганации от скорости фильтрования (рисунок 14)

Скорость фильтрации, м/ч

Рисунок 14 - Зависимость степени деманганации от скорости фильтрования

Зависимость степени деманганации от скорости фильтрования имеет обратно пропорциональный характер Оптимальная скорость фильтрования для обеспечения качества воды до значения ПДК при исходной концентрации марганца 14 ПДК равна 7, 0 м /час

Необходимо отметить, что при данной конструкции фильтра сложно произвести эффективную промывку фильтра, в результате чего происходит его заиливание продуктами метаболизма железобактерий Данный недостаток

можно устранить делением биофильтра на две ступени биологическую и механическую Схема представлена на рисунке 15

4- исходная вода,

Рисунок 15 - Схема предлагаемого биофильтра

Конструкция состоит из двух частей На первой ступени происходит биологическое окисление марганца до четырехвалентного состояния, марганец переходит из растворимого в нерастворимое состояние В качестве загрузки рекомендуется использовать кварцевый песок Загрузка играет роль бионосителя на ее поверхности происходит иммобилизация железобактерий Для сокращения времени зарядки биофильтра необходим ввод затравки - 5, представляющей собой осадок с водопроводных труб, содержащий большое количество железобактерий На второй ступени происходит механическая задержка марганцевого осадка (работает в режиме обычного скорого фильтра) По мерс накопления марганцевый осадок удаляется обратным током воды, по классической схеме работы скорых фильтров

В г Нефтекамске предлагается технологическая схема очистки воды, изображенная на рисунке 16

на сжрззйоажиаомсм?

1- дренаж,

2- поддерживающий гравийный слой,

3- песчаный слой,

5 - затравка,

6 - решетки,

7 - бионоситель

1- инфильтрационный водозабор, 5 - резервуары чистой воды,

2- теплообменный аппарат, £ _ насосная станция второго подъема,

3- реагентное хозяйство, 7 _ ультрафиолетовое обеззараживание,

4- биофильтр 8 - отстойник промывных вод, 4 1 - биологическая ступень, 9 . ИЛОВЬ[е площадки,

4 2 - механическая ступень, 1 о - промывной насос

Рисунок 16 - Технологическая схема водоподготовки

Вода с подземного инфильтрационного водозабора подается через теплообменный аппарат на биофильтры Необходимо поддерживать температуру воды не ниже 7 °С, перед биофильтрами предусматривается ввод биогенных элементов насосами-дозаторами После биофильтров очищенная вода поступает в резервуары чистой воды и насосами НС-П через установки УФ-облучения транспортируется к потребителю В данной технологической схеме предусмотрено повторное использование воды с помощью отстойника промывных вод Осадок с отстойника подается эрлифтом на иловые площадки Подсушенный осадок с площадок рекомендуется использовать в качестве сырья для производства пигментов

Выводы

1 Мониторинг вод Патраковского водозабора РБ показал устойчивую тенденцию увеличения концентрации марганца по линейному закону Скорость увеличения концентрации зависит от времени эксплуатации

скважин В скважинах, пробуренных до 1983 года, наблюдается увеличение концентрации марганца в среднем на 0,059 мг/л/год (0,59 ПДК), в скважинах, пробуренных после 1999 года, - на 0,033 мг/л/год (0,33 ПДК)

2 В воде со скважин Патраковского водозабора обнаружены микроорганизмы, которые на основании морфологических признаков систематизированы как железобактерии В воде с водозабора чаще встречаются кокковые формы бактерий Ochrobium tectum, Arthrobacter (Siderocapsa), но обнаружены и нитчатые формы бактерий Gallionella, MetaUogenium, Leptothrix, Crenothnx Оценена интенсивность развития железобактерий в лабораторных условиях в водопроводной воде Уже через сутки наблюдается массовое развитие железобактерий на пластинках обрастания

3 Эксперименты по деманганации проведены на фильтрующих материалах из пемзы, карбонизированного угля, кварцевого песка, керамзита и гранулированного полиэтилена в лабораторных условиях Максимальная степень очистки 98,6 % получена при загрузке из кварцевого песка, с остальными загрузками степень очистки несколько ниже и составляет менее 90 %

4 Проведены экспериментальные исследования процесса деманганации воды Патраковского водозабора на опытно-промышленном фильтре биологическим методом Установлено, что фильтрующая загрузка, состоящая из кварцевого песка с железобактериями, высотой 550 мм обеспечивает очистку от марганца от 1,48 мг/л до 0,09 мг/л

5 Экспериментальным способом определена зависимость степени деманганации от температуры, концеп грации растворенного кислорода и биогенных элементов Оптимальная температура для загрузки из кварцевого песка составляет 10 - 11 °С При потреблении 0,25 мг/час солей аммония эффект деманганации для песчаной загрузки достигает

97,7% С увеличением концентрации кислорода эффект очистки уменьшается, следовательно железобактерии являются

микроаэрофилами

6 Исследовано влияние катализатора АОК 75-41 на процесс деманганации фильтрованием через песчаную загрузку При концентрации катализатора 20% достигается максимальная степень очистки от марганца 94,3% и сокращается срок зарядки фильтров от 30 до 12 суток

7 Предложена технологическая схема деманганации воды Патраковского водозабора РБ с применением фильтрования в зернистой загрузке с иммобилизованными микроорганизмами

Содержание работы опубликовано в 7 научных трудах, из которых №1-3 включены в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, выпускаемых в Российской Федерации в соответствии с требованиями ВАК Минобразования п науки РФ.

1 Шаяхметова, С Г / С Г Шаяхметова / Окислительно-восстановительный потенциал воды Патраковского инфильтрационного водозабора // Башкирский химический журнал -2007 -Т 14 -№2 - С 118-120

2 Шаяхметова, С Г / Роль железобактерий при очистке воды от марганца Патраковского водозабора Краснокамского района РБ/ С Г Шаяхметова, В Д Назаров, Р 3 Шаяхметов, В В Яковлев // Башкирский химический журнал - 2007.-Т 14 - №2 - С 126-130

3 Шаяхметова, С Г / Получение пигмента в результате утилизации отходов в процессе очистки подземных вод (на примере Патраковского водозабора г Нефтекамска) / Р 3 Шаяхметов, В Д Назаров, В В Яковлев, С Г Шаяхметова//Башкирский химический журнал - 2007 -Т14-№2-С 90

4 Шаяхметова, С Г / Деманганация природных вод (на примере Краснокамского района и г Нефтекамска РБ) / В.Д. Назаров, С Г Шаяхметова, Р 3 Шаяхметов // Строительство, архитектура, коммунальное хозяйство-2004 перспективы и пути развития Межвуз сб науч ст /редкол . В И Агапчев и др - Уфа Изд-во УГНТУ, 2004 - С 199-207

5 Шаяхметова, С Г / Особенности деманганации природных вод г Нефтекамска / В Д Назаров, С Г Шаяхметова, Р 3 Шаяхметов // Строительство, архитектура, коммунальное хозяйство-2004 перспективы и пути развития Межвуз сб науч ст /редкол В И Агапчев и др -Уфа Изд-во УГНТУ, 2004 - С. 208 - 214

6 Шаяхметова, С Г / Роль окислительно-восстановительного потенциала при выборе метода деманганации подземных вод / Шаяхметова С Г , В Д Назаров, Р 3 Шаяхметов // Проблемы строительного комплекса России материалы XI Междунар науч -техн конф в рамках XI специализированной выставки «Строительство Коммунальное хозяйство — 2007» / редкол В И Агапчев и др -Уфа Изд-во УГНТУ, 2007 -Т 1 -С 173-175

7 Шаяхметова, С Г / Биологический метод окисления марганца в системе водоснабжения г Нефтекамска / В Д Назаров, С Г Шаяхметова, Ф X Мухнуров, Р 3 Шаяхметов // Вода и экология - 2005 - № 4 -С 28-39

Подписано в печать 20 04 07 Бумага офсетная Формат 60x80 1/16 Гарнитура «Тайме» Печать трафаретная Уел печ л 1 Тираж 90 Заказ 114 Типография Уфимского государственного нефтяного технического университета Адрес типографии 450062, Республика Башкортостан, г Уфа, ул Космонавтов, 1

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Шаяхметова, Светлана Гильмутдиновна

Введение

1. Обзор методов деманганации природных и питьевых вод

1.1 .Образование природных марганецсодержащих вод

Влияние марганца на здоровье человека и на качество природной 19 воды

1.2.Методы деманганации воды

1.2.1. Окислительные и каталитические методы

1.2.2. Деманганация фильтрованием через активные 30 фильтрующие материалы

1.2.3. Ионообменные методы •

1.2.4.Биологический метод удаления марганца

1.2.5.Новые методы в технологии очистки воды

1.3.Железобактерии в подземных водах 34 1.3.1 .Микробиологическое окисление металлов 3 7 1.3.2. Влияние железобактерий на эксплуатационные характеристики водопроводной сети

1.4. Выводы. Цель и задачи исследования. Рабочая гипотеза 46 2. Мониторинг природных вод Патраковского водозабора. 56 2.1 .Анализ тенденции изменения концентрации марганца во времени

2.2.Анализ температурной зависимости

2.3. Анализ эффективности деманганации на водоводах

2.4.Изучение микроорганизмов 67 2.4.1 .Отбор проб на исследование

2.4.2. Методика приготовления препарата

2.4.3. Микроскопическое исследование препарата

2.4.4. Оценка эффективности развития микроорганизмов

2.4.5.Количественный учет микроорганизмов

2.5.Предварительные исследования для проверки рабочей гипотезы

2.6. Выводы

3.Исследования деманганации биологическим методом.

3.1. Аппаратура для проведения исследований

3.2. Методика измерений

3.3. Деманганация на различных загрузках

3.4. Определение оптимальной скорости фильтрования 83 3.5.Определение оптимальной температуры 84 З.б.Определение влияния концентрации кислорода на жизнедеятельность микроорганизмов

3.7.Определение влияния концентрации биогенных элементов 89 на жизнедеятельность микроорганизмов

3.8.Изучение влияния катализатора АОК 75-41 на процесс 92 деманганации

3.9.Выводы

4.Практическое применение результатов исследования 99 4.1 .Изучение деманганации на опытно-промышленном фильтре 99 4.2.0пределение оптимальной скорости фильтрования

4.3.Разработка технологического режима обеспечения качества воды по содержанию марганца на Патраковском водозаборе

4.4.Участие в разработке технологии очистки воды от 109 марганца для поселка Куяново

4.5.Разработка технологии очистки воды от марганца города Нефтекамска

4.6.Выводы 119 Заключение 120 Библиографический список использованной литературы 123 Приложения

Введение Диссертация по биологии, на тему "Мониторинг водоисточника и деманганация вод на биофильтре"

До 1999 г. хозяйственно- питьевое водоснабжение города Нефтекамска базировалось на двух источниках: подземных водах Патраковского (Камского) инфильтрационного водозабора и поверхностных водах из водозабора на реке Кама, построенного для водоснабжения Арланских нефтепромыслов.

Патраковский водозабор эксплуатируется с 1959 года. С вводом в эксплуатацию Нижнекамской ГЭС уровень воды реки Кама в районе водозабора должен находиться на отметках 66,0-68,0 м и водозабор попадал в зону затопления. Вероятно, поэтому интерес к Патраковскому водозабору в 80-е годы XX в. был значительно ослаблен, производительность водозабора значительно понизилась и достигала всего 11-13 тыс. м3/сутки. Для обеспечения потребностей в город подавалась смешанная вода: покупная очищенная поверхностная и подземная вода. Объемы поверхностной воды достигали порой 80 %. Для очистки ежегодно расходовалось 360 тонн сернокислого алюминия, 80 тонн полиакриламида и 76 тонн жидкого хлора.

Имелась принципиальная, техническая возможность наращивания производительности Патраковского водозабора и водозабора поверхностных вод, в том числе с полным переходом на подземные воды, либо на поверхностный водоисточник[1].

Лимитирующим фактором в каждом случае являлось качество воды. При этом имелось в виду, что подземные воды подаются потребителю без очистки, а поверхностные воды - после очистки на водоочистных сооружениях (ВОС), включающих сооружения осветления, фильтрования и хлорирования.

В цикле водоподготовки предусмотрена коагуляция с предварительным подщелачиванием речной воды, которая осуществляется обычно в период с 10 апреля до 15 ноября каждого года. В зимнее время ступень коагулирования не функционировала.

При оценке перспективы использования двух водоисточников в системе хозяйственно-питьевого водоснабжения учитывался и тот факт, что в г. Камбарка (расположенном на 18 км выше по течению и не имеющем очистных сооружений водоотведения), имеется хранилище запасов химического оружия и действует завод по уничтожению химического оружия кожно-нарывного действия (люизит), т.е. необходимо было наличие резервного подземного водоисточника в чрезвычайных ситуациях[2].

Поэтапно с 1996 года в г. Нефтекамске были проведены мероприятия по переводу водоснабжения города водой из открытого водозабора на подземный. Это традиционная схема, используемая в республике.

Строительство блочной комплектной насосной станции (БКНС), бурение новых скважин, строительство двух резервуаров объемом 690 м3, подбор насосного оборудования позволили увеличить производительность водозабора до необходимых величин и в сентябре 1999 года водоснабжение города Нефтекамска переведено на снабжение подземной водой. С переводом водоснабжения на подземный водоисточник резко увеличилась концентрация марганца в питьевой воде и поэтому проблема очистки воды от марганца (деманганация) особенно актуальна[3].

Мониторинг качества вод Патраковского водозабора, представленных в таблице 1 показывает, что вода по всем показателям, за исключением марганца, соответствует нормам СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем водоснабжения. Контроль качества». Что касается марганца, то его содержание в подземных водах при ПДК 0,1 мг/л колеблется в очень широком диапазоне от 0,01 (скв.№57, 61, 63) до 3,54 (скв. №42). Из анализируемых 60 скважин в октябре 2003 года только в И скважинах качество воды соответствовало нормам СанПиН по марганцу, а в остальных 50 скважинах оно превышало от 1,3 до 35 раз. Такой разброс концентраций марганца на таком маленьком участке (протяженность водозабора 3,5 км) вызывает сомнение в достоверности.

Таблица 1— Содержание марганца в скважинах Камского водозабора в 2003 году

Номер Концентрация Номер Концентрация скважины марганца, мг/л скважи марганца, мг/л

27.10- II ы 27.10

30.10.2003г 30.10.2003г

1 0,10 33 1,19

2 0,62 34 1,24

0,10 35 0,52

4 0,70 36 0,50

5 0,92 37 0,55

6 2,90 38 1,01

7 1,70 39 1,14

8 3,10 40

9 - 41

10 2,80 42 3,54

11 0,52 43 1,80

12 3,10 44 1,14

13 1,88 45 1,44

14 1,34 46 1,96

15 1,29 47 0,52

16 0,57 48 0,57

17 0,08 49 0,52

18 0,10 50 0,06

19 0,83 51 0,19

20 0,31 52 0,08

21 1,76 53 0,03

22 1,96 54 0,03

23 1,76 55 0,13

24 0,78 56 0,52

25 0,42 57 <0,01

26 0,38 58 3,10

27 0,52 59 0,24

28 1,00 60 0,13

29 1,40 61 <0,01

30 0,68 62 0,06

31 1,00 63 <0,01

32 2,00 результатов аналитического контроля. Производительность инфильтрационного водозабора на 70-80% определяется притоком речной воды. В речной воде (р. Кама) содержание марганца незначительно. Так с 1984 по 2003 год только в 28 % проб концентрация марганца достигала от 1,5 до 5,7

ПДК (таблица 2), т.е. влиянием реки Кама можно пренебречь. Следовательно, необходимо либо отыскивать источник марганца в зоне влияния водозабора,

Таблица 2 — Сведения о содержании марганца в реке Кама с 1984 по 2003год и/и Дата отбора Концентрация марганца, мг/л

1 2 3

1 25.04.1984г 0,31

2 30.10.1984г 0,15

3 25.04.1985г 0,31

4 22.10.1985г 0,27

5 09.10.1986 0,15

6 18.05.87 0,25

7 09.10.1987г 0,15

8 17.05.88 0,10

9 11.10.88 0,008

10 18.05.89 0,45

И 06.10.89 024

12 23.05.90 0,20

13 09.10.90 011

14 02.04.91 0,08

15 30.09.91 0,016

16 11.05.92 0,11

17 28.04.93 0,06

18 27.09.93 0,04

19 28.04.94 0,10

20 04.10.94 0,025

21 03.04.95 0,09

22 30.10.95 0,013

23 01.04.96 0,03

24 02.10.96 0,001

25 12.05.97 0,046

26 29.10.97 0,022

27 23.10.98 0,05

28 21.04.98 0,092

29 28.05.99 0,013

30 23.09.99 0,012

31 27.04.00 0,57

32 28.11.00 0,21

33 25.01.01 0,09

34 20.04.01 0,10

35 25.07.01 0,24

36 19.10.01 0,19

37 12.11.01 0,03

1 2 3

38 15.01.02 0,03

39 18.04.02 0,05

40 12.08.02 0,02

41 26.11.02 0,09

42 30.01.03 0,11

43 10.04.03 0,05

44 31.07.03 0,06

45 30.10.03 0,01 либо оценить возможность появления систематических погрешностей, появляющихся при отборе проб из скважин, их консервации и аналитических исследованиях.

Ввиду того, что трудно синхронизировать анализы по скважинам и оценку их дебитов, чтобы определить среднюю концентрацию марганца в общем потоке подаваемой на смешение воды, (в частном случае может оказаться, что максимальная концентрация фиксируется в малодебитных скважинах и наоборот) возникла необходимость выполнить единовременные контрольные анализы на определение марганца

• в подземных водах, подаваемых из водозаборных скважин до смешивания

• в исходной речной воде (река Кама)

• в смешанных водах после станций 2-го и 3-го водоподъема

Отбор проб и производство, анализов произвели совместно лаборатории Нефтекамского подразделения УГАК МПР РБ и МУП «Нефтекамскводоканал» в октябре 1994 года. Результаты анализов приведены в таблице 3. Таблица 3 — Результаты анализа проб воды по ходу ее транспортировки к потребителю

Дата Место отбора Концентрация марганца, мг/л отбора Результаты анализа лаборатории МУП «НВК» Результаты анализа УГАК МПР РБ

1 2 3 4

24.10.94г Река Кама в районе водозабора 0,03 0,07

1 2 3 4

Скважина №15 0,64 0,66

Скважина27 0,38 0,44

Операторская 0,70 0,55

2 водоподъем 0,07 0,05

3 водоподъем 0,08 0,06

Результаты анализа двух лабораторий подтвердили как существенные колебания концентрации марганца на небольшом протяжении ряда скважин, так и изменение концентрации марганца при транспортировке по магистральным водоводам. Сомнения относительно достоверности результатов анализа были исключены. Таким образом, при незначительном влиянии реки, источником поступления марганца в подземную воду являются, по-видимому, минералы (например, пиролюзит), которые постепенно выщелачиваются.

В организме человека марганец является чрезвычайно важным химическим элементом, участвующим в окислительно-восстановительных процессах [4], т.е. является составной частью ферментов. В организме человека больше всего марганца (до 0,0004%) содержится в сердце, печени, надпочечниках[5]. Токсическое действие марганца на теплокровных связано с поражением центральной нервной системы, где он вызывает органические изменения, в тяжелых случаях - паркинсонизм [6]. Существуют большие индивидуальные различия в чувствительности к токсическому действию марганца. Повышению чувствительности способствуют перенесенные инфекции, алкоголизм, дисфункции печени и почек [7]. Высокую степень индивидуальной чувствительности к хроническому отравлению марганцем связывают, например, с железодефицитной анемией, нарушениями обмена кальция, различиями в диете [8]. Все приведенные выше исследования о токсическом действии марганца касаются воздуха рабочей зоны, куда поступают пыль и аэрозоли, содержащие оксиды и гидроксиды марганца. А действие воды с повышенным содержанием марганца на организм человека мало изучено.

Грушко Я.М. указывает [9], что марганец предположительно оказывает мутагенное действие на теплокровных. Избыток марганца, по мнению Николадзе Г.И. причиняет неудобства в быту, вода неприятна на вкус, вызывает заболевания костной системы [10].

Большим содержанием железа и марганца характеризуются многие подземные воды. Это ограничивает использование подземных вод для питьевого водоснабжения. Однако подземные воды являются, зачастую, единственным источником водоснабжения многих регионов. К тому же они имеют высокое качество по другим показателям.

Большинство потребителей Севера Башкортостана (г. Нефтекамск, п. Куяново, п. Карманово, с. Бураево) используют для питьевых и хозяйственно-бытовых целей подземные воды, содержащие в большом количестве железо и марганец. Такая вода имеет плохие органолептические свойства, вызывает зарастание коммуникаций и сантехнического оборудования солями железа и марганца. Для очистки до питьевого качества в вышеприведенных населенных пунктах применяется фильтрование на фильтрующих материалах в присутствии кислорода или других реагентов-окислителей. Таким образом, деманганация подземной воды является чрезвычайно актуальной проблемой.

В настоящее время в мировой практике известно около трех десятков методов обезжелезивания и деманганации воды [11]. Их многообразие можно свести к двум основным типам: реагентные и безреагентные. Применение безреагентных методов ограничено содержанием железа и марганца до 10 и 2 мг/л, рН не ниже 6,6, окисляемостыо до 1,36 мг-экв/л, окислительно -восстановительный потенциал должен быть не ниже 140 мВ (до аэрации). Если железо и марганец находятся в сложных комплексах с органическими примесями воды (фульвокислотами, гуматами и др.) необходимо применять реагенты: сильные окислители (двуокись хлора, озон, перманганат калия), коагулянты, флокулянты, известь, соли меди, фосфаты.

Многообразие методов деманганации и обезжелезивания воды исключает их равноценность в отношении технологичности, надежности, простоты, экономической целесообразности, области применения.

Деманганация воды Патраковского водозабора, проведенная сотрудниками ООО «Стройпроектсервис» г.Уфа методом аэрации в 2000-2001 г оказалась неэффективной. Более глубокая аэрация воды с помощью инжектора и фильтрование через кварцевый песок в экспериментах, проведенных в 2000году ООО НПФ «Висма» г.Уфа, также оказалась нерезультативной. Очистка воды аэрацией с применением катализаторов («черный песок» или контактный фильтр заполненный пиролюзитом) не дали положительных результатов.

Сотрудниками НПФ «Практика» г.Уфа в ноябре 2000 года были предприняты эксперименты по деманганации с применением перекиси водорода [12], а также при замене фильтрующего материала на силицированный кальцит не дали требуемую степень очистки.

Поскольку вода с Патраковского водозабора содержит очень мало железа 0,05-0,10 мг/л, а железо выступает в качестве катализатора при окислении марганца [13], сотрудниками ООО «Стройпроектсервис» г. Уфа был смонтирован электрохимический фильтр для искусственного внесения в воду железа. Но применение фильтра с многослойной загрузкой не дало положительных результатов, т.е. требуемой степени очистки по марганцу не происходит.

Анализ проведенных экспериментов по деманганации воды Патраковского водозабора физико-химическими, окислительными, реагентными, каталитическими методами показывает, что либо не достигается снижение концентрации марганца до ПДК, либо необходимо изменить технологию водоподготовки, что приведет к существенному увеличению себестоимости воды.

Обследование системы водоснабжения г. Нефтекамска показало, что, несмотря на высокую концентрацию марганца в водозаборных скважинах к потребителю поступает вода с незначительным превышением концентрации марганца (таблица 4,4а).

Таблица 4— Среднемесячные значения концентрации марганца (мг/л) в воде за 2002 год

Дата Старая Новая Водовод Водовод Водовод Водозабор Лабора Распредели- Р.Кама Резервуар отбора насосная насосная 0700мм 0500 мм 0300 мм тория тельная сеть вое

Январь 0,27 0,25 0,14 0,63 0,07 1,13 0,25 0,26 0,03 0,18

Февраль 0,26 0,23 0,27 0,43 0,08 1,30 0,24 0,24 0,17 0,17

Март 0,38 0,34 0,29 0,46 0,10 1,60 0,19 0,21 0,07 0,52

Апрель 0,38 0,33 0,32 0,50 0,05 • 1,37 0,16 0.25 0,10 0,14

Май 0,20 0,18 0,20 0,20 0,14 0,78 0,10 0,13 0,18 0,05

Июнь 0,20 0,20 0,23 0,14 <0,01 1,16 0,08 0,08 0,05 0,05

Июль 0,21 0,21 0,18 0,14 0,10 1,10 0,15 0,07 0,15 0,05

Август 0,16 0,16 0,21 0,18 0,04 0,90 0,06 0,19 0,11 0,09

Сентябрь 0,10 0,10 0,16 0,06 0,02 1,05 0,23 0,06 0,17 0,05

Октябрь 0,12 0,12 0,17 0,03 0,07 0,94 0,23 0,09 0,27 0,05

Ноябрь 0,07 0,09 0,14 0,03 0,06 0,78 0,10 0,08 0,03 0,03

Декабрь 0,09 0,08 0,43 0,23 0,19 1,02 0,23 0,26 -

Ср. годовое 0,21 0,23 0,25 0,08 1,09 0,17 0,16 0,12 0,13

Таблица 4а—Среднемесячные значения концентрации марганца (мг/л) в воде за 2003 год

Дата отбора 3-й водоподъем Водовод 0700 мм Водовод 0500 мм Водовод 0300 мм Водозабор Набора тория Распределительная сеть р.Кама Резервуар вое

Январь 0,13 0,17 0,07 0,08 1,20 0,06 0,03 0,11 0,08

Февраль 0,13 0,21 0,07 0,13 0,30 0,08 0,10 - 0,08

Март 0,22 0,35 0,48 0,08 1,50 0,13 0,15 - 0,16

Апрель 0,24 0,36 0,14 0,06 1,42 0,09 0,16 0,05 0,05

Май 0,14 0,21 0,35 0,19 1,55 0,11 0,23 - 0,10

Июнь 0,14 0,20 0,07 0,06 0,83 0,10 0,12 - 0,15

Июль 0,15 0,16 0,05 • 0,15 0,89 0,10 0,10 0,06 0,20

Август 0,11 0,24 0,06 0,02 1,03 0,16 0,08 - 0,14

Сентябрь 0,43 0,60 0,40 0,09 0,62 0,14 0,23 - 0,48

Октябрь 0,10 0,20 0,07 0,43 0,75 0,10 0,08 - 0,12

Ноябрь 0,10 0,14 0,04 0,11 0,70 0,08 <0,01 0,10 0,08

Декабрь 0,15 0,13 0,07 0,07 1,12 0,12 0,12 - 0,12

Ср.годовое 0,17 0,25 0,16 0,12 0,99 0,11 0,12 0,08 0,15

Этот эффект объясняется, вероятно, деманганацией воды в водоводах биологическим путем за счет жизнедеятельности микроорганизмов. Можно предположить, что биологическим путем можно доочистить воду от марганца до требуемого СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода» норматива.

Цель диссертационной работы - изучение возможности деманганации воды Патраковского водозабора биологическим методом и выяснение его преимуществ по сравнению с остальными методами.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• провести эксперименты для предварительной проверки гипотезы с применением карбонизированного древесного угля.

• собрать установку для деманганации натурной воды с концентрацией марганца 0,5-1,4 мг/л.

• провести эксперименты по выбору фильтрующего материала.

• экспериментально обнаружить и количественно подсчитать железобактерии;

• изучить влияние температуры, растворенного кислорода, биогенных элементов на жизнедеятельность микроорганизмов;

• определить возможности применения биологически активной загрузки для загрузки других фильтров;

• сравнить эффективность метода с существующими методами.

Научная новизна выполненной работы состоит в том, что

1. Мониторинг вод Патраковского инфильтрационного водозабора показал устойчивую тенденцию увеличения концентрации марганца, причем скорость увеличения концентрации марганца зависит от срока эксплуатации скважин. Получена математическая модель процесса.

2.Впервые проведено сопоставление эффекта очистки воды Патраковского водозабора от марганца методом фильтрования в загрузках с иммобилизованными микроорганизмами. Установлено, что максимальный эффект (99,2 %) достигается при применении кварцевого песка.

3. Впервые определено время «зарядки» фильтра до получения воды питьевого качества, которое составляет 30 суток.

4. Впервые установлены оптимальные значения скорости фильтрования, влияние концентрации кислорода, биогенных элементов и температуры воды на эффект деманганации биологическим методом.

5. Предложена технологическая схема централизованной системы водоснабжения г. Нефтекамска на основе Патраковского водозабора с применением фильтрования в зернистой загрузке с иммобилизованными микроорганизмами.

Практическая значимость работы

• Результатом применения диссертационной работы было создание нового технологического процесса «биофильтрация - фильтрация» и соответствующего опытно-промышленного фильтра для деманганации воды.

• Наиболее существенным положением успешного применения диссертационной работы являются: выбор в качестве инертного носителя микроорганизмов кварцевого песка; определение типа сооружений для проведения биологической деманганации; оптимизация эффекта деманганации воды в зависимости от скорости фильтрования, концентрации биогенных элементов, типа фильтрующих загрузок, температуры воды.

• В возможности получения товарной продукции в виде фильтрующего материала, модифицированного оксидами марганца.

• В возможности повышения экологической безопасности системы водоснабжения г. Нефтекамска.

Реализация научно-технических результатов

Результаты выполненных в диссертации теоретических и экспериментальных исследований использованы при разработке технологического режима обеспечения качества воды по содержанию марганца на Патраковском водозаборе, при разработке инструкции водоподготовки поселка Куяново, предложена технологическая схема деманганации воды г.Нефтекамска с применением фильтрования в зернистой загрузке с иммобилизованными микроорганизмами.

На защиту выносится:

1. Результаты мониторинга подземных вод Патраковского водозабора, показывающие тенденцию увеличения концентрации марганца в источнике водоснабжения.

2. Результаты экспериментальных исследований по определению оптимальных значений скорости фильтрования, влияния концентрации кислорода и биогенных элементов, типа фильтрующих материалов, температуры воды.

3. Технологическая схема деманганации подземных вод Патраковского водозабора с применением фильтрования в зернистой загрузке с иммобилизованными микроорганизмами.

Апробация работы

Результаты проведенных исследований докладывались на VI Международной научно- технической конференции «Проблемы строительного комплекса России», г. Уфа, 2002 г. (получен диплом II степени), федеральном научно-практическом семинаре-совещании «Эколого-зкономические проблемы жилищно-коммунального хозяйства и пути их решения», г. Челябинск, 2004 г. (получен диплом II степени), а также других межвузовских и международных конференциях.

Результаты исследования прошли производственную апробацию в МУП «Нефтекамскводоканал» (Республика Башкортостан, г. Нефтекамск).

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка использованной литературы, включающего 128 наименований. Основная часть изложена на 134 страницах машинописного текста, содержащего 36 рисунков и 24 таблицы. Имеются приложения.

Заключение Диссертация по теме "Экология", Шаяхметова, Светлана Гильмутдиновна

4.6. Выводы

• Достигнута максимальная степень очистки 98,6%. При концентрации марганца 10-14 ПДК в подземной воде, в очищенной воде концентрация марганца соответствует нормам СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода». «Зарядка» фильтра произошла через 30 суток.

• Наряду с очисткой от марганца наблюдается очистка от железа на 99,5%, от аммония солевого на 99,8%, наблюдается снижение щелочности и жесткости воды. Органолептические показатели воды соответствуют нормативам СанПиН. Производительность установки 300-500 л/ч.

• Зависимость степени очистки от скорости фильтрования носит обратно пропорциональный характер, т.е. с увеличением скорости фильтрования степень очистки уменьшается. Зависимость описывается уравнением: у= -2,0564 х+107,61 (1)

При увеличении скорости фильтрования на 1 м/ч степень очистки от марганца уменьшается на 2,06 %. Оптимальная скорость фильтрования для обеспечения нормативного содержания марганца - 7 м/ч • Для обеспечения городов Агидели, Нефтекамска, р.п. Николо-Березовка необходимы 41 скважина с содержанием марганца от 0,01 до 1,7 мг/л.При условии выведения из эксплуатации скважин с концентрацией марганца >1,7 мг/л, можем обеспечить максимальную подачу 2084,7 м3/ч, со средним содержанием марганца на выходе с водозабора 0,63 мг/л, а перед подачей населению концентрация марганца составит 0,10+0,13 мг/л при стабильном ч гидравлическом режиме в магистральных водоводах.

• Для снижения влияния магистральных водоводов на качество воды необходимо прочистить водоводы от осадков.

• Разработана инструкция по технологическому режиму водоподготовки для поселка Куяново, в которой рекомендовано промывку фильтров проводить без применения больших доз хлорсодержащих реагентов. Замену фильтрующей загрузки не проводить во всех фильтрах одновременно, а с учетом периода «зарядки» фильтра равного 30 суткам.

• Исходя из существующего положения подготовки воды в г.Нефтекамске предложена технологическая схема очистки воды.

Заключение т

1 Мониторинг вод Патраковского водозабора РБ показал устойчивую тенденцию увеличения концентрации марганца по линейному закону. Скорость увеличения концентрации зависит от времени эксплуатации скважин. В скважинах, пробуренных до 1983 года, наблюдается увеличение концентрации марганца в среднем на 0,059 мг/л/год (0,59 ПДК), в скважинах, пробуренных после 1999 года, - на 0,033 мг/л/год (0,33 ПДК).

2 В воде со скважин Патраковского водозабора обнаружены микроорганизмы, которые на основании морфологических признаков систематизированы как железобактерии. В воде с водозабора чаще встречаются кокковые формы бактерий: Ochrobium tectum, Arthrobacter (Siderocapsa), но обнаружены и нитчатые формы бактерий: Gallionella, Metallogenium, Leptothrix, Crenothrix. Оценена интенсивность развития железобактерий в лабораторных условиях в водопроводной воде. Уже через сутки наблюдается массовое развитие железобактерий на пластинках обрастания.

3 Эксперименты по деманганации проведены на фильтрующих материалах из пемзы, карбонизированного угля, кварцевого песка, керамзита и гранулированного полиэтилена в лабораторных условиях. Максимальная степень очистки 98,6 % получена при загрузке из кварцевого песка, с остальными загрузками степень очистки несколько ниже и составляет менее 90 %.

4 Проведены экспериментальные исследования процесса деманганации воды Патраковского водозабора на опытно-промышленном фильтре биологическим методом. Установлено, что фильтрующая загрузка, состоящая из кварцевого песка с железобактериями, высотой 550 мм обеспечивает очистку от марганца от 1,48 мг/л до 0,09 мг/л.

5 Экспериментальным способом определена зависимость степени деманганации от температуры, концентрации растворенного кислорода и биогенных элементов. Оптимальная температура для загрузки из кварцевого песка составляет 10 - 11 °С. При потреблении 0,25 мг/час солей аммония эффект деманганации для песчаной загрузки достигает 97,7%. С увеличением концентрации кислорода эффект очистки уменьшается, следовательно железобактерии являются микроаэрофилами.

6 Исследовано влияние катализатора АОК 75-41 на процесс деманганации фильтрованием через песчаную загрузку. При концентрации катализатора 20% достигается максимальная степень очистки от марганца 94,3% и сокращается срок зарядки фильтров от 30 до 12 суток.

7 Предложена технологическая схема деманганации воды Патраковского водозабора РБ с применением фильтрования в зернистой загрузке с иммобилизованными микроорганизмами.

Практическая значимость работы

Результатом применения диссертационной работы было создание нового технологического процесса «биофильтрация - фильтрация» и соответствующего опытно-промышленного фильтра для деманганации воды.

Наиболее существенным положением успешного применения диссертационной работы являются: выбор в качестве инертного носителя микроорганизмов кварцевого песка; определение типа сооружений для проведения биологической деманганации; оптимизация эффекта деманганации воды в зависимости от скорости фильтрования, концентрации биогенных элементов и кислорода, типа фильтрующих загрузок, температуры воды.

В возможности получения товарной продукции в виде фильтрующего материала, модифицированного оксидами марганца. В возможности повышения экобезопасности системы водоснабжения г. Нефтекамска.

Достоинства биологического метода деманганации:

• простота в эксплуатации

• не требуется применение реагентов

• экологичность (не образуется чуждых природной среде соединений, а происходит деструкция органических соединений до близких к природным соединений углекислого газа и воды)

Библиография Диссертация по биологии, кандидата технических наук, Шаяхметова, Светлана Гильмутдиновна, Уфа

1. Аннотационный отчет по теме «Анализ водозаборных сооружений, систем хозяйственно-питьевого и технического водоснабжения» «Бионик». М.:,1991 с 17.

2. Инструкция по подготовке и работе систем хозяйственно- питьевого водоснабжения в чрезвычайных ситуациях. ВСН ВК 4-90. М.: Военное изд-во, 1991.-64 с.

3. СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования и контроль качества воды в централизованных системах водоснабжения» М.: Минздрав России,2001 163 с.

4. Вредные вещества в промышленности. Справочник,/под общей редакцией Лазарева Н.В., Гадаскиной И.Д. Т 3.,-Лгд.:Химия, 1977-607 с.

5. Курс общей химии,/ под ред. Некрасова Б.В.,- М.: Госхимиздат,1955.-971 с.

6. Bonilla Е. Diez Evald M. //J.Neurochem. 1974. Vol.22. P. 297-299.

7. Дрогичина Э.А. Профессиональные болезни нервной системы. Лгд.: ,1968. -101с.

8. Altstatt L.B. ?et al//Proc. Soc. Exptl. Biol. Med. -1968. Vol. 124. -P. 353357.

9. Грушко Я.М. Вредные неорганические соединения в промышленных сточных водах. Лгд.: «Химия», 1979. С.72.

10. Николадзе Г.И. Обработка подземных вод для хозяйственно-питьевых нужд. М.:«Стройиздат»,1987. 386 с.

11. И. Николадзе Г.И. Обезжелезивание природных и оборотных вод. М: «Стройиздат», 1987.-С.72-103.

12. Отчет о научно-исследовательской работе по демангапации питьевой воды г. Нефтекамска. Уфа: ООО «Стройпроектсервис»,2001г. с. 16.13