Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Обеспечение экологической безопасности использования воды на объектах инфраструктуры железнодорожного транспорта

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Обеспечение экологической безопасности использования воды на объектах инфраструктуры железнодорожного транспорта"

Коваленко Мария Александровна

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОДЫ НА ОБЪЕКТАХ ИНФРАСТРУКТУРЫ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Специальность 03.02.08 - Экология (в транспорте) (технические науки)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 5 МАР 2015

Москва-2015

005561120

005561120

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» (МГУПС (МИИТ) на кафедре «Химия и инженерная экология»

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Пашинин Валерий Алексеевич Официальные оппоненты:

Новиков Василий Константинович - доктор технических наук, профессор, федеральное государственное образовательное учрезвдение высшего профессионального образования «Московская государственная академия водного транспорта» (ФБОУ ВПО «МГАВТ»), кафедра «Техносферная безопасность», заведующий кафедрой

Сёмин Алексей Алексеевич - кандидат технических наук, отдел нанотехнологий и новых материалов Департамента науки и технологий Министерства образования и науки Российской Федерации, начальник отдела

Ведущая организация

Федеральное государственное бюджетное учреждение «Центральный научно-исследовательский испытательный институт инженерных войск» Министерства обороны Российской Федерации (ФГБУ «ЦНИИИ ИВ» Минобороны России)

Защита состоится 23 апреля 2015г. в 16-00 на заседании диссертационного совета Д 218.005.11 на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» по адресу: 127994, г. Москва, улица Образцова, д. 9, стр. 9, ауд. 1235

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте МГУПС (МИИТ) www.miit.ru (Раздел: Обучающимся > Аспирантура и докторантура > Наши защиты)

Автореферат разослан «

Ученый секретарь диссертационного совета

» марта 2015г.

Савин Андрей Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. На сегодняшний день повышение экологической безопасности использования воды на объектах инфраструктуры железнодорожного транспорта является одним из важнейших вопросов, так как наблюдается прямая связь между проблемами очистки сточных вод, образующихся в результате технологических процессов объектов инфраструктуры железнодорожного транспорта, и загрязнением окружающей среды.

Анализ данных отчетов ОАО «РЖД» свидетельствуют о том, что в настоящее время доля сброса недостаточно очищенных сточных вод объектами инфраструктуры железнодорожного транспорта в поверхностные водные объекты и на рельеф местности остается высокой (около 79% и 97% соответственно от общего сброса).

Эксплуатируемые в настоящее время установки на объектах железнодорожного транспорта: Шилка; Абакан; Челябинск; Уфа; Старый Оскол; Тихорецк и других станциях возможностями автоматического контроля качества очищаемой воды не обладают.

Для исследования вопроса обеспечения экологической безопасности использования воды на объектах инфраструктуры железнодорожного транспорта в данной работе рассматривается возможность использования новой комбинации методов очистки сточных вод, а также возможность использования методов ультрафиолетовой спектрометрии с целью обеспечения непрерывного контроля качества очищаемой воды в режиме реального времени.

Предлагаемая комбинация блоков очистки воды, а также метод контроля качества очищаемой воды позволяют повысить экологическую безопасность использования воды на железнодорожном транспорте, снизить экологическую нагрузку железнодорожного транспортного комплекса на окружающую среду.

Степень разработанности темы. Вопросу очистки сточных вод на объектах инфраструктуры железнодорожного транспорта посвящены работы д.ф-м.н Белькова М.В., к.т.н. Медведевой В.М., к.э.н. В.М. Пономарева, к.т.н. С.А. Донцова, к.т.н. Кинебас А.К. Возможность применения ультрафиолетового излучения для контроля качества очистки сточных вод объектов инфраструктуры железнодорожного транспорта ранее не изучалась.

Цели и задачи. Целью исследования является экспериментально-теоретическое исследование возможности применения новой комбинации методов очистки воды от нефтепродуктов и метода оперативного контроля качества воды в режиме реального времени для повышения качества очистки сточных вод.

Для выполнения поставленной цели в диссертационной работе были решены следующие задачи:

1. Проведен литературный обзор существующего положения дел в области охраны водной среды на предприятиях железнодорожного транспорта;

уо4?

2. Проведен обзор существующих в настоящее время на объектах инфраструктуры ОАО «РЖД» установок по очистке сточных вод от нефтепродуктов;

3. Проведен обзор структурных природоохранных органов железнодорожного комплекса России, существующей системы управления природоохранной деятельностью ОАО «РЖД»;

4. Обоснована необходимость разработки новой схемы построения блоков очистки сточных вод от нефтепродуктов;

5. Разработан макетный образец блочно-модульной установки (далее -БМУ) по очистке воды от нефтепродуктов;

6. Разработано устройство экспресс-анализа качества воды на основе метода широкополосной спектрометрии;

7. Разработана система автоматического оперативного контроля качества воды по заданным параметрам в различных точках технологического процесса водоочистки;

8. Разработана методика очистки сточных вод железнодорожного транспорта от нефтепродуктов с использованием БМУ, оснащенной системой автоматического оперативного контроля качества очистки воды;

9. Проведен эксперимент на макетном образце БМУ по очистке сточных вод от нефтепродуктов, содержащей систему автоматического оперативного контроля качества воды по заданным параметрам в различных точках технологического процесса водоочистки;

10. Обоснована возможность и необходимость внедрения БМУ на предприятия ОАО «РЖД» с целью обеспечения экологической безопасности использования воды на объектах инфраструктуры железнодорожного транспорта.

С целью обеспечения экологической безопасности использования воды на объектах инфраструктуры железнодорожного транспорта было разработано и внедрено в предлагаемый макетный образец БМУ устройство экспресс-анализа качества воды по интегральной функциональной характеристике поглощения в УФ-области спектра в диапазоне длин волн 205-305 нм. Среди их преимуществ можно выделить следующие:

1. БМУ очистки воды с системой оперативного поблочного контроля качества обеспечивает полную автономность работы установки, включая контроль качества воды;

2. Оперативный поблочный контроль качества воды позволяет следить за достижением необходимой степени очисти воды на каждой стадии очистки и принимать своевременные решения о переходе на следующую стадию очистки или о необходимости повторного использования предыдущего модуля очистки;

3. В ходе работы установки в зависимости от качества исходной воды по данным оперативного контроля технология функционирования системы может изменяться в сторону уменьшения точек контроля и модулей очистки;

4. Учитывая большую трудность определения отдельных ингредиентов очищаемых сточных вод, а иногда и отсутствие необходимости установления количественного содержания каждого из них, показана целесообразность разработки и совершенствования интегральных методов контроля качества воды, а также осуществление контроля по обобщенному показателю.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Выбран диапазон длин волн ультрафиолетового излучения (УФ-излучения) для эффективного контроля качества очищаемых сточных вод железнодорожного транспорта, составляющий 205-305 нм, в котором наблюдается наиболее интенсивное поглощение света нефтепродуктами;

2. Разработана методика экспресс-анализа качества воды с использованием фотодетекторного устройства на основе природного алмаза по интегральной функциональной характеристике поглощения в ультрафиолетовой области спектра в диапазоне длин волн 205-305 нм при линейной скорости потока 1-2 м/с;

3. Разработана методика очистки сточных вод железнодорожного транспорта от нефтепродуктов на предлагаемом макетном образце блочно-модульной установки, содержащей систему автоматического оперативного контроля качества воды в режиме реального времени.

Научная новизна результатов исследования подтверждается заявкой на полезную модель № ЬШ 2014137839, приоритет от 19.09.2014 г.

Теоретическая и практическая значимость. Практическая работы заключается в следующем:

1. На основании выбранного диапазона УФ-излучения разработано устройство экспресс-анализа качества очищаемой воды, доказана эффективность его работы;

2. На основе устройства экспресс-анализа качества воды разработана система автоматического оперативного контроля качества очистки в режиме реального времени;

3. Разработан макетный образец блочно-модульной установки очистки сточных вод объектов инфраструктуры железнодорожного транспорта от нефтепродуктов, содержащий систему автоматического оперативного контроля качества воды в режиме реального времени, доказана эффективность его работы.

Разработанная блочно-модульная установка очистки сточных вод объектов инфраструктуры железнодорожного транспорта от нефтепродуктов с автоматическим оперативным контролем качества воды в режиме реального времени позволит:

- Существенно сократить потребность объектов инфраструктуры железнодорожного транспорта в новой чистой воде в результате повышения объёма воды, использующейся повторно, тем самым повышая процент оборотного водо потребления и сокращая потребление новой воды из окружающей среды.

- Объектам инфраструктуры железнодорожного транспорта существенно снизить экологическую нагрузку на окружающую среду;

- Предприятиям железнодорожной отрасли обеспечить реализацию стратегических показателей, указанных в Экологической стратегии ОАО «РЖД».

В данной диссертационной работе рассматривались макетный образец БМУ с автоматизированной системой оперативного контроля качества очищаемой воды и применением современной аналитической аппаратуры для всех режимов водопользования, а также устройство экспресс-анализа качества сточных вод железнодорожного транспорта от нефтепродуктов.

Разработка БМУ, оборудованной системой оперативного контроля качества воды на основе использования метода проточной ультрафиолетовой спектрометрии, позволила/проводить анализ качества воды в режиме реального времени.

Результаты работы являются новыми в части выбора оптимальной комбинации блоков водоочистки и оснащения установки оригинальной системой автоматического оперативного контроля качества воды после первого, второго и третьего модулей очистки.

Методология и методы исследования: решение поставленных задач осуществлялось на основе моделирования технологического процесса очистки воды и контроля ее качества на макетном образце БМУ, включающей в себя систему автоматического оперативного контроля качества воды. Для решения поставленных задач был использован такой метод исследований, как эксперимент, который позволяет обосновать и доказать эффективность работы макетного образца БМУ и устройства экспресс-анализа качества воды.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методика контроля качества воды с использованием устройства экспресс-анализа в реальном масштабе времени по интегральной функциональной характеристике поглощения в УФ-области в диапазоне 205 -305 нм при линейной скорости потока 1-2 м/с;

2. Методика работы системы автоматического оперативного контроля качества воды в режиме реального времени в различных точках технологического процесса водоочистки;

3. Усовершенствованная методика очистки сточных вод объектов инфраструктуры железнодорожного транспорта от нефтепродуктов, включающая четыре стадии очистки, осуществляемые в следующих модулях:

• модуле грубой очистки (блоке коагуляции + блоке флотации);

• модуле сорбционной очистки;

• модуле УФ — облучения.

Степень достоверности и апробация результатов.

Достоверность научных положений и результатов подтверждается:

• использованием общепринятых, апробированных и законодательно закрепленных методик и методов проведения исследования;

• проведённой статистической обработкой полученных экспериментальных данных и соответствующими экспериментальными результатами;

« использованием в работе метрологически аттестованного аналитического оборудования.

Основные положения работы изложены в 10 публикациях, в числе которых 3 статьи в рецензируемых научных журналах перечня ВАК, 1 заявке на полезную модель.

Основные положения работы докладывались на всероссийских и международных конференциях: Всероссийская научно-практическая конференции молодых ученых и специалистов Роспотребнадзора (16-18 мая 2012 г., г. Пермь); X Международная научно-практическая конференции. М.: МИИТ, 2014; научно-практической конференции Неделя науки — 2014. «Наука МИИТа - транспорту». МГУПС (МИИТ); II Всероссийская молодежная научная конференция «Современное техническое образование и транспортный комплекс России: состояние, проблемы и перспективы развития», Самара — Уфа: СамГУПС, 2014; «Инженерные изыскания в строительстве»: Материалы десятой научно-практической конференции молодых специалистов ПНИИС-2014, г. Москва, 2014.

Внедрение результатов исследований: предлагаемые устройство экспресс-анализа качества воды в режиме реального времени и блочно-модульная установка очистки сточных вод объектов инфраструктуры железнодорожного транспорта от нефтепродуктов, содержащая систему автоматического оперативного контроля качества воды в режиме реального времени, были апробированы в ходе выполнения научно-исследовательской работы ЗАО «Концерн «Мойдодыр» шифр «Насом — Водоочистка». Испытания показали высокую эффективность работы устройства экспресс-анализа качества очищаемой воды в режиме реального времени макетного образца блочно-модульной установки очистки сточных вод объектов инфраструктуры железнодорожного транспорта от нефтепродуктов, содержащего систему автоматического оперативного контроля качества воды в режиме реального времени. Максимальная эффективность очистки сточных вод от нефтепродуктов составляет на выходе 99,8%.

Личный вклад автора состоит в выборе метода работы и разработке конструкции устройства экспресс-анализа качества воды в режиме реального времени; в разработке усовершенствованной методики очистки сточных вод объектов инфраструктуры железнодорожного транспорта от нефтепродуктов на предлагаемом макетном образце БМУ, основанной на выборе рационального варианта комбинации модулей очистки воды (модуля грубой очистки, состоящем из блоков коагуляции и флотации, модуля сорбционной очистки, модуля УФ-обработки воды) и системы автоматического оперативного контроля качества воды.

Структура и объем работы. Диссертационное исследование состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы, включающего 177

наименований, и 19 приложений. Диссертация изложена на 271 странице машинописного текста, содержит 74 рисунка и 24 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследования, сформулированы цель и задачи работы, отражены научная новизна и практическая значимость, апробация работы.

В первой главе «Аналитический обзор литературы» приведён литературный обзор по существующей проблеме, определены объект и методы исследования. Изучено влияние железнодорожного транспорта на окружающую среду. Анализ литературных данных позволил сформулировать основные цели и задачи дальнейшей научной работы.

Во второй главе «Выбор методов очистки сточных вод» проведён анализ существующих методов очистки сточных вод от нефтепродуктов и сделан вывод о рациональном варианте комбинации методов и блоков очистки воды для макетного образца ЕМУ очистки сточных вод от нефтепродуктов.

В третьей главе «Разработка макетного образца блочно-модульной установки очистки сточных вод» приводится устройство и принцип построения макетных образцов модулей очистки воды и системы автоматического контроля качества воды по заданным параметрам в режиме реального времени, включающей в себя устройство экспресс-анализа качества очистки воды.

В главе представлена разработка технического облика модулей очистки воды от нефтепродуктов, приведен выбор конструкции модуля сорбции, техническая адаптация системы оперативного контроля качества воды в БМУ, представлен выбор устройства экспресс-анализа качества воды и системы автоматического управления потоком очищаемой воды с помощью управляемых клапанов — задвижек.

Макетный образец БМУ состоит из следующих основных элементов: (рисунок 1):

• модуля грубой очистки сточных вод (блок коагуляции + блок флотации) (М1);

• модуля сорбционной очистки растворенных в сточных водах нефтепродуктов и сопутствующих углеводородов (М2);

• модуля УФ-облучения (МЗ);

• устройств экспресс-анализа качества воды в режиме реального времени (А1, А2, АЗ);

• системы управления очисткой воды;

• центрального блока управления (далее - ЦБУ) системы контроля качества воды.

На рисунке 1 показана примерная общая схема предлагаемой БМУ.

Рисунок 1 - Примерная общая схема БМУ очистки сточных вод железнодорожного транспорта

ЦБУ — центральный блок управления

М1 — первый модуль очистки сточных вод, включает в себя блок коагуляции и блок флотации;

М2 — второй модуль очистки сточных вод, включает в себя блок сорбции;

МЗ — третий модуль очистки сточных вод, включает в себя блок УФ-облучения;

А1, А2, АЗ — анализаторы качества воды — устройства экспресс-анализа качества воды в режиме реального времени, передают информацию о качестве воды на ЦБУ;

К1 — Кб — электромагнитные клапана (нормально открытые и нормально закрытые) — устройства, которые получают сигнал с ЦБУ и в соответствии с качеством сточных вод направляют воду на дальнейшую очистку или на повторную обработку;

Б — буферная емкость.

БМУ очистки сточных вод от нефтепродуктов обладает следующими характеристиками:

• глубина очистки 1 -го уровня (для использования воды в оборотном водоснабжении) — 50 мг/л;

• глубина очистки 2-го уровня (для сброса в городскую канализацию на доочистку в очистных сооружениях) — 20 мг/л;

• глубина очистки 3-го уровня для сброса в естественные водоемы — 0,05 мг/л.

ЦБУ (5) обеспечивает полную автономность работы установки, включая контроль качества воды после каждого модуля очистки. Система оперативного контроля качества воды предусматривает размещение устройств экспресс-анализа качества воды на входной и выходной магистралях и на выходе из каждого модуля БМУ.

Принципиальная схема устройства экспресс-анализа качества воды (далее — ЭА) приведена на рисунке 2. Устройство ЭА качества очищаемой воды, включающее в себя корпус (1), источник УФ-излучения (2), соединённый группой проводов с источником питания через дроссель, и приёмник УФ-

излучения (4), соединенный с источником питания и центральным блоком управления, кварцевую трубку (3), входной и выходной патрубки для обследуемой воды (5,6). Источник УФ-излучения и УФ-фотоприемник установлены друг напротив друга с внешней стороны кварцевой трубки и не контактируют с потоком воды, который направляется по кварцевой трубке, при этом контроль проводится в динамическом режиме, а анализ качества очищаемой воды осуществляют в масштабе реального времени по интегральной функциональной характеристике поглощения в УФ-области в диапазоне 205-305 нм при линейной скорости потока воды 1-2 м/с.

Анализируемая вода проходит через кварцевую трубку, которая пропускает ультрафиолетовое облучение. УФ-излучение, создаваемое источником (лампой), проходит через слой протекающей воды и фиксируется приемником (фоторезистором или другим анализатором). Сигнал с приёмника подается на ЦБУ. Величина сигнала обратно пропорциональна концентрации загрязнений в воде.

1 - корпус; 2 - источник УФ-излучения; 3 - кварцевая трубка; 4 - приемник УФ-излучения; 5 - входной патрубок; 6 - выходной патрубок; 7 - провод к источнику питания; 8

— провод на ЦБУ.

Рисунок 2 - Принципиальная схема устройства экспресс-анализа качества

воды в режиме реального времени При обосновании метода, способа и технологии оценки качества очищаемой воды учитывались помимо быстроты и надежности определения интегрального показателя его информативность, простота и скорость определения, а также минимизация сложности аппаратурного оформления показателя. Этим требованиям отвечает спектрофотометрический показатель, в основе которого лежит измерение светопоглощения сточной воды в УФ-области спектра Метод работы устройства экспресс-анализа качества воды в режиме реального времени основан на способности компонентов нефтепродуктов селективно поглощать УФ-излучение определенной для каждого вещества длины волны. При этом измеряется соответствующее уменьшение интенсивности излучения.

Чем больше концентрация определяемого вещества в потоке воды, тем интенсивнее поглощение первоначального излучения, проходящего через кварцевую трубку. Таким образом, ослабление излучения пропорционального концентрации определяемого вещества.

Исследования спектров поглощения различных нефтепродуктов в УФ-области показали, что они представляют собой гиперболические кривые с небольшим пиком в области 255 - 260 нм. По всей области длин волн (200-300 нм) сохраняется корреляция между содержанием углеводородов и величиной оптической плотности растворов. Расчет удельных коэффициентов поглощения показал, что наименьшее расхождения имеет место при длинах волн 255 и 270 нм для нефтепродуктов с различным содержанием ароматических и ненасыщенных углеводородов. Эти длины волн следует считать оптимальными при проведении измерений. Наибольшая чувствительность обеспечивается измерением при 255 нм, однако в этой области спектра многие растворители непригодны, и практически полное пропускание обеспечивает только гексан. При этом определяют концентрации до 0,005 мг/мл растворителя.

Спектры веществ, входящих в состав Государственного стандартного образца нефтепродуктов в гексане ГСО 7950 - 2001, были получены с использованием прибора: УФ - спектрофотометр UV-3600 (SHIMADZU). Снятие УФ - спектра проходило через 1 нм при быстрой скорости.

Рисунок 3 - спектр бензола 0,25% в гексане относительно гексана

Г „тсз

1 К щ

! >1 ш Щ 8 S

Ж. M и s s

Рисунок 4 - спектр изооктана относительно пустой кюветы

Рисунок 5 - спектр цетана относительно гексана

Рисунок 6 — спектр смеси 3-х веществ относительно пустой кюветы

По результатам рисунков, приведенным выше, можно сделать вывод о способности компонентов нефтепродуктов селективно поглощать УФ-излучение определенной для каждого вещества длины волны.

Таким образом, устройство экспресс-анализа качества воды способно осуществлять непрерывный контроль качества очистки воды в динамическом режиме, в реальном масштабе времени по интегральной функциональной характеристике поглощения в УФ-области в диапазоне 205-305 нм.

Принцип работы устройства экспресс-анализа качества очищаемой воды заключается в следующем: анализируемая вода проходит внутри кварцевой трубки, которая обладает способностью пропускать УФ-излучение. В нижней части корпуса блока контроля установлена лампа ДКБ-9, которая создает УФ-излучение. УФ-излучение проходит через слой воды и попадает на фотоприемник, расположенный в верхней части корпуса. Если вода «чистая», то на корпусе приемника горит зеленый индикатор, а установка работает в нормальном режиме, то есть вода направляется на очистку в следующий модуль. При появлении в воде загрязнений поглощение УФ-излучения увеличивается, а при достижении предела, устанавливаемого при наладке оборудования, на приемнике загорается красный индикатор, свидетельствующий о аварийном режиме работы установки. Электрический сигнал, выдаваемый в этот момент приемником, поступает на БУ. Вода после сработавшего блока контроля электромагнитными клапанами направляется на повторную обработку. Возврат работы установки в нормальный режим происходит после улучшения качества анализируемой воды автоматически.

Чувствительность устройств экспресс-анализа качества воды настраивается в ходе пуско-наладочных работ в зависимости от заложенной в

характеристике установки степени очистки. Предельная чувствительность устройства экспресс-анализа качества воды достаточна для регистрации загрязнений до уровня 0,5 ПДК.

Таким образом, применение ультрафиолетовой спектроскопии позволит осуществлять непрерывный контроль качества очистки воды в динамическом режиме, в реальном масштабе времени по интегральной функциональной характеристике поглощения в УФ-области в диапазоне 205-305 нм.

В четвертой главе «Апробация макетного образца блочно-модульной установки очистки сточных вод железнодорожного транспорта» описывается методика очистки сточных вод железнодорожного транспорта на макетном образце БМУ, включающей в себя систему автоматического оперативного контроля качества воды.

Первый модуль очистки представлен модулем коагуляции и флотации. Для ускорения процесса коагуляции в воду добавляются специальные вещества — коагулянты. Экспериментом установлено, что рекомендуемое изготовителем применение в технологической схеме 5 %-го водного раствора аурата не обеспечивает требуемой эффективности процесса коагуляции за время прохождения воды через тонкослойный полочный отстойник (в пределах 15-18 мин.). За это время прохождения воды через модуль снижение концентрации взвешенных веществ осуществляется в пределах 40 - 50 % от исходной концентрации (оценка сделана по количеству осадка в колбах через сутки после завершения опытов). Для повышения эффективности работы аурата и для ускорения процесса образования из аурата гидроокиси алюминия нами в раствор вводилась питьевая сода. Данные испытания были проведены в 2 этапа.

Этап 1. Определение условий наименьшего времени коагуляции.

Таблица 1 - Результаты испытаний. Компоненты коагулянта: 5 %-й раствор аурата и 0,5 %-й раствор питьевой соды._

Объем Объем Время Характеристика

0,5%-го раствора 5%-го коагуляции, развития процесса

питьевои соды, раствора мин. коагуляции

мл аурата, мл

100 7 6 осуществляется

100 10 4 осуществляется

100 15 2 осуществляется

100 20 1 осуществляется

100 25 1 осуществляется

100 30 2 осуществляется

Примечание: к раствору питьевой соды добавляем раствор аурата

График зависимости времени коагуляции от объема раствора питьевой соды представлен на рисунке 7.

Рисунок 7 - Зависимость времени коагуляции от объёма 5 % раствора аурата, мл. при фиксированном объёме 0,5 % раствора питьевой соды, составляющем 100 мл.

Результаты первого этапа испытаний:

1. При добавлении раствора аурата к раствору питьевой соды процесс коагуляции протекает с различной интенсивностью.

2. Наименьшее время коагуляции отмечается при использовании коагулянта, в котором соотношение соды к аурату составляет 5:1, приготовленный в следующей последовательности:

• приготовить 0,5% водный раствор соды:

в приготовить 5% водный раствор аурата;

® приготовить коагулирующий раствор, для чего к 100 мл 0,5% водного раствора соды добавить 20 мл 5% водного раствора аурата (общий объем раствора составлял 120 мл).

Целью этапа 2 испытаний являлось определение минимальной дозы коагулирующего раствора, при которой процесс коагуляции эффективен. Раствор коагулянта готовился в установленной в ходе этапа 1 последовательности в объеме 120 мл. Результаты испытаний приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Выбор оптимального количества коагулирующего раствора

Объем коагулирующего раствора, мл Объем исходной воды, мл Характеристика процесса коагуляции за время, мин

1 2 3 4 5

1 200 - - - - +

2 200 - + + + +

3 200 - + + + +

4 200 + + + + +

5 200 + + + + +

7 200 + + + + +

8 200 + + + + +

Примечание: «+» - процесс коагуляции осуществляется;

«-» - процесс коагуляции не осуществляется.

График зависимости времени коагуляции от объема коагулирующего раствора приведен на рисунке 8.

Объем коагулирующего раствора, мл

Рисунок 8 - Зависимость времени коагуляции (ряд 2) от объёма коагулирующего раствора, мл. (ряд 1) при фиксированном объёме исходной воды, составляющем 200 мл.

Результат второго этапа испытаний.

По результатам второго этапа испытаний установлена минимальная доза коагулирующего раствора - 2 мл на 200 мл исходной воды (соотношение 1 к 100), при этой концентрации установлено и минимальное время коагуляции - 2 минуты.

Далее проводилась оптимизация работы следующего модуля очистки — сорбционной.

Для повышения сорбционной емкости блока и изменения условий применения активированного угля нами предлагается:

1. В качестве верхнего уплотнителя использовать сетку, аналогичную материалу нижнего уплотнителя, что позволит закрепить слой сорбента и предотвратить его встряхивание и измельчение при подаче воды;

2. Изменить направление движения воды в блоке. Воду подавать на сорбент сверху вниз и организовать множество потоков воды. Это обеспечит содержание и работу сорбента в уплотненном виде, и обусловит равномерный контакт сорбента с водой. При этом линейная скорость и время контакта сорбента с водой технически не изменяются (находятся в области технической погрешности).

Выбранные основные показатели конструкции и работы установки составили: производительность <3 = 0,6 м3/час; длина Ь = 0,308 м; площадь поперечного сечения Б = 2,735 м2; линейная скорость потока V = 0,22 м/час; время контакта ^ = 84 мин. Исходя из вышеизложенного, предлагается использовать сорбционные фильтры картриджного типа с направлением потока очищаемой воды от периферии к центру. Это позволит значительно увеличить

время контакта воды с сорбентом и как следствие этого увеличить ресурс работы модуля сорбции.

Испытания макетного образца БМУ по трехуровневой очистке сточных вод от нефтепродуктов на модельных растворах проводились в два этапа, отличающиеся друг от друга концентрацией нефтепродуктов в исходной воде (опыты №№ 1-2).

На первом этапе испытаний вода загрязнялась модельным раствором нефтепродуктов, который готовился в соответствии с ГСО 7950-2001. Стандартный образец состава раствора нефтепродуктов в гексане (ГСО).

Исходная вода для проведения испытаний состояла из следующих частей:

• вода водопроводная;

• нефтепродукты (модельный раствор);

• каолиновая глина;

• грунт почвенный (осадок — шлам с автомобильных моек). Общая масса загрязнителей исходной воды: = масса нефтепродуктов +

масса каолиновой глины + масса грунта почвенного: 300 мг/л + 1000 мг/л + 1000 мг/л = 2300 мг/л.

Уровень расчётных концентраций приведен в таблице 3.

Таблица 3 — Уровень расчётных концентраций загрязнителей в исходной

Наименование загрязнителя Концентрация, мг/л

опьгг 1 опыт 2

Изооктан 112,5 56,25

Гексадекан 112,5 56,25

Бензол 75 37,5

Глина каолиновая 1000 175

Шлам с автомойки 1000 175

Проводился отбор и анализ проб на газо-жидкостном хроматографе с пламенно-ионизационным детектором.

Метод работы хроматографа основан на разделении смеси веществ на хроматографической колонке на отдельные компоненты с последующим определением каждого из компонентов по времени его выхода селективным детектором. Нами использовался потоковый — пламенно-ионизационный детектор (ПИД).

Чувствительность пламенно-ионизационного детектора (ПИД) Sj определяют по уравнению:

где:

0> — площадь регистрируемого пика, см";

В1 — чувствительность регистратора, см/А;

В2 — скорость движения диаграммной ленты, см/мин;

§ — масса анализируемого компонента, мг;

60 — коэффициент.

В основе количественного анализа в хроматографии лежит зависимость между площадью или в"ысотой хроматографического пика от содержания определяемого компонента. Количественный анализ по высоте пиков менее надежен, так как эта величина зависит от условий эксперимента. В работе использовался метод абсолютной калибровки, в котором концентрацию /-го компонента в пробе определяют как

с, = к0 ^.100[%(об)].

(2)

где:

Q— площадь пика на хроматограмме; У„р— объем пробы при фиксированной температуре; Кд - калибровочный коэффициент, определяемый на основе калибровочных смесей известного состава, причем

„ СКУК

0К -100'

(3)

где:

С*. - концентрация компонента в калибровочной смеси, % (об.); Ук -объем смеси;

Qк — площадь пика компонента на хроматограмме. Полученные обобщённые результаты анализа проб воды на хроматографе приведены в таблице 4.

Таблица 4- Средние значения концентраций загрязнителей в местах отбора проб воды, определённые по результатам анализа на газо-жидкостном

Наименование Загрязнителя Концентрация, мг/л

в исходной ёмкости после 1 устройства ЭА после 2 устройства ЭА после 3 устройства ЭА

Опыт 1

Изооктан 6,8 0,0 0,0 0

Гексадекан*)

Бензол 112 28 2,0 0

Опыт 2

Изооктан 42,4 | 0 0 0

Гексадекан*)

Бензол 51,2 | 40 0 0

Примечание: Температурный режим газожидкостного хроматогра( >а был настроен I

определение пзооктана и бензола.

Результаты испытаний показали, что концентрация загрязнений по бензолу в опытах 1 и 2 после первого устройства экспресс-анализа превысила установленную величину 20 мг/л. При этом наблюдалось срабатывание клапанов системы автоматического оперативного контроля качества воды, и загрязнённая вода была перенаправлена в исходную ёмкость для повторной

ОЧИСТКИ.

Превышение концентрации по бензолу во время пропускания второго куба загрязнённой воды может быть объяснено тем, что основная масса органических загрязнителей после пропускания первого м3 осталась в исходной ёмкости и смешалась с загрязнителями при внесении новой порции стандарта нефтепродуктов во второй куб. Общая их концентрация оказалась значительно больше расчётного значения 300 мг/л.

После второго и третьего устройств экспресс-анализа качества воды превышения содержания компонентов нефтепродуктов в воде не обнаружено.

Вывод: БМУ показала достаточно высокую эффективность по очистке сточных вод от нефтепродуктов в присутствии сопутствующих загрязнений и была рекомендована к продолжению испытаний на исходной воде, содержащей реальные нефтепродукты (бензин, керосин, дизельное топливо, масла и так далее).

Испытания макетного образца БМУ по трехуровневой очистке сточных вод, загрязненными реальными нефтепродуктами.

Кроме автомобильного бензина и дизельного топлива в исходную воду вносились сточные воды, загрязненные реальными нефтепродуктами (бензин, дизельное топливо летнее) в концентрации 1000 мг/л.

Данные испытания проводились в один этап (опыт № 3). Уровень расчётных концентраций по нефтепродуктам приведен в таблице 5.

Таблица 5 - Расчётные концентрации загрязнителей в исходной воде,

мг/л.

Наименование загрязнителя Расчётная концентрация, мг/л (опыт № 3)

Бензин АИ-92 200

Дизельное топливо летнее 200

Суммарное содержание нефтепродуктов (без учёта содержания нефтепродуктов в сточных водах) 400

Анализ проб проводился на газо-жидкостном хроматографе с пламенно-ионизационным детектором. В пробах анализировалось содержание бензола, изооктана и гексадекана.

В соответствии с ГОСТ Р 52406-2005 определялось общее содержание углеводородов в пробе в интервале С8-С4о. Учитывая, что в пробах содержался и бензол (формула С6Н6), определялось также и суммарное содержание углеводородов в интервале Сб-С40.

В ходе испытаний периодически проверялась производительность установки с помощью секундомера и 2-х литровой емкости.

По результатам измерений производительность установки составила 2л/ 7.4 сек, что соответствует примерно 1 м3 в час.

Для обнаружения гексадекана и других высших углеводородов выставлялся режим с температурой колонки, детектора и инжектора 200 0 С.

Визуально качество воды по взвешенным веществам на выходе из

установки соответствовало водопроводной воде.

Полученные сводные результаты приведены в таблице 6.

Таблица 6 - Средние значения концентраций загрязнителей в местах отбора проб воды, определённые по результатам анализа на газо-жидкостном хроматографе, мг/л._

Наименование Концентрация, мг/л

загрязнителя В После 1 После 2 После 3

исходной устройства устройства устройства

емкости ЭА ЭА ЭА

Опыт 3

Изооктан 30 0 0 0

Гексадекан*)

Бензол 50 22 0 0

Общее содержание 2650 0 0 0

нефтепродуктов в

интервале С8-С40.

Общее содержание ЗОЮ 22 0 0

нефтепродуктов в

интервале С6-С40.

Примечание: в связи с наличием на хроматограмме реальных нефтепродуктов большого количества пиков идентифицировать в пробах гексадекан не удалось.

Значительное превышение найденной суммарной концентрации нефтепродуктов в исходной воде в третьем опыте по сравнению с расчётной концентрацией может быть объяснено тем, что исходная ёмкость после казвдого опыта (1 и 2 опыты) не очищалась от нефтепродуктов и не промывалась чистой водой и в результате нефтепродукты от первых двух опытов накопились на стенках и в верхнем слое воды в исходной ёмкости.

Результаты испытаний показали, что концентрация загрязнений по бензолу после первого устройства экспресс-анализа качества воды несколько превысила установленную величину 20 мг/л. После второго и третьего устройств экспресс-анализа бензол, изооктан и другие нефтепродукты в пробах не обнаружены.

Установка работала в нормальном режиме, за исключением следующего случая: в третьем опыте устройство экспресс-анализа А1 (см. рисунок 1) сработало в связи с превышением концентрации бензола. БМУ перешла в нормальный режим через 5 секунд.

Вывод: БМУ показала высокую эффективность по очистке сточных вод от реальных нефтепродуктов (бензин, дизельное топливо летнее).

В пятой главе «Технико-экономическое обоснование предлагаемой технологии очистки сточных вод» определена величина предотвращенного экологического ущерба в результате внедрения БМУ на объекты инфраструктуры железнодорожного транспорта.

Определение величины предотвращенного экологического ущерба в результате проведенных природоохранных мероприятий в локомотивном депо

при проведении очистки производственных сточных вод на ЕМУ, включающей в себя систему автоматического оперативного контроля качества воды осуществлялось в соответствии с «Методикой определения предотвращенного экологического ущерба», 1997 г. Методика устанавливает порядок и методы экономической оценки предотвращенного экологического ущерба — как недопущенного негативного воздействия на поверхностный водный объект загрязненных стоков депо.

Оценка величины предотвращенного экологического ущерба от загрязнения водных ресурсов проводится на основе региональных показателей удельного ущерба, представляющих собой удельные стоимостные оценки ущерба на единицу (1 условную тонну) приведённой массы загрязняющих веществ, по всем направлениям деятельности природоохранных органов. Расчет величины предотвращенного экологического ущерба производится по формуле:

УпРгп = £ (Увудг]- IV. АС)- К°г, (4)

где:

УпРгп - предотвращенный экологический ущерб водным ресурсам в рассматриваемом г-ом региона, в результате осуществления п-го направления природоохранной деятельности по к-му объекту в течение отчётного периода времени, тыс. руб.;

УвуДт1 - показатель удельного ущерба (цены загрязнения) водным ресурсам, наносимого единицей (условная тонна) приведенной массы загрязняющих веществ на конец отчетного периода для .¡-ого водного объекта в рассматриваемом г-ом регионе, руб/усл. тонну;

Мпк" приведенная масса загрязняющих веществ, не поступивших (не допущенных к сбросу) в .¡-ый водный источник с к-го объекта в результате осуществления п-го направления природоохранной деятельности в г-ом регионе в течение отчетного периода времени, усл. тонн;

К|г- коэффициент экологической ситуации и экологической значимости состояния водных объектов по бассейнам основных рек.

Величина предотвращенного экологического ущерба, рассчитанного в соответствии с формулой (4), составляет:

У „р = 302,453 тыс.руб./год.

Экологическую эффективность внедрения предлагаемой БМУ, включающей в себя систему автоматического оперативного контроля качества воды, можно рассчитать исходя из того, что качество очистки удовлетворяет для использования очищенной сточной воды в технологических процессах с применением оборотных систем водопользования, когда практически будет исключен забор воды хозяйственно-питьевого назначения и сократится сброс сточных вод в городской канализационный коллектор. Экономический эффект при этом составит 339,0 тыс.руб./год.

Общий экономический эффект от внедрения предлагаемой БМУ, включающей в себя систему автоматического оперативного контроля качества воды, составит 641,453 тысяч руб./год.

Кроме того, при внедрении предлагаемой инновационной установки произойдет увеличение ресурса работы сорбционных фильтров на 20-30 % за счет возможности направления воды на повторную обработку в момент «хроматографических выбросов» основных веществ-загрязнителей. Это будет способствовать более полному заполнению сорбционной емкости активированного угля, позволит продлить срок эксплуатации данных фильтров и снизить затраты на техническое обслуживание установок на 50-60 % ежегодно (до 50-120 тыс. рублей в зависимости от производительности на каждую установку).

Результаты работы предполагается использовать также и в качестве устройств экспресс-анализа качества воды, встроенных в технологические схемы установок очистки производственных сточных вод и поверхностных (ливневых) стоков, которыми оборудованы и планируется оборудовать объекты инфраструктуры железнодорожного транспорта.

Применение устройства экспресс-анализа качества воды в режиме реального времени позволит избежать уплаты штрафных платежей и повысит уровень экологической безопасности объектов инфраструктуры железнодорожного транспорта.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведенный аналитический обзор по объему сброса неочищенных и недостаточно очищенных сточных вод, загрязненных нефтью и нефтепродуктами, объектами инфраструктуры железнодорожного транспорта показал, что процент сброса в 2-3 раза превышает средний показатель сброса для промышленных предприятий. В настоящее время доля сброса недостаточно очищенных сточных вод объектами ОАО «РЖД» в поверхностные водные объекты и на рельеф местности остается высокой — 79% и 97% соответственно от общего сброса. Это свидетельствует о необходимости, целесообразности и актуальности данного диссертационного исследования. Необходимость в усовершенствованных, современных аналитических методах оперативного контроля качества очищаемой воды на предприятиях железнодорожного транспорта подтверждается цифрами об объеме сточных вод, загрязненных нефтью и нефтепродуктами, которые сбрасываются «условно очищенными» и «не очищенными» на рельеф местности и в природные водоемы.

2. Показана целесообразность применения широкополосной ультрафиолетовой спектроскопии в потоке жидкости в качестве основного метода при контроле качества очистки сточных вод железнодорожного транспорта от нефти и нефтепродуктов.

3. В качестве способа экспресс-анализа качества воды в динамическом режиме предложено использовать определение величины поглощения потоком воды в ультрафиолетовом спектре в диапазоне длин волн 205 — 305 нм при линейной скорости потока воды 1-2 м/с.

4. На основе предложенного способа разработано устройство экспресс-анализа качества воды в режиме реального времени по поглощению в

УФ-области спектра с использованием широкополосного детектора на основе природного алмаза.

5. Предложен технический облик и технологические схемы 3-х ступеней очистки воды (коагуляция + флотация, сорбция, уф-облучение), а также адаптация системы автоматического оперативного контроля качества воды в технический облик БМУ. Разработан макетный образец БМУ очистки сточных вод железнодорожного транспорта от нефтепродуктов, включающий в себя систему автоматического оперативного контроля качества воды в режиме реального времени.

6. С целью контроля качества очистки сточных вод железнодорожного транспорта от нефти и нефтепродуктов разработаны методики по работе на макетном образце трехступенчатой БМУ очистки сточных вод объектов инфраструктуры железнодорожного транспорта от нефти и нефтепродуктов, включающей в себя систему оперативного контроля качества очистки воды в режиме реального времени, а также методики по работе с устройством экспресс-анализа качества очищенной воды.

7. В результате проведенного эксперимента, который был поставлен на макетном образце БМУ по очистке сточных вод от нефтепродуктов, содержащем систему автоматического оперативного контроля качества очистки воды в режиме реального времени, показано, что:

6.1. Устройство экспресс-анализа качества воды показало достаточно высокую эффективность по контролю качества очищаемой воды в режиме реального времени по интегральной функциональной характеристике поглощения в УФ-области спектра в диапазоне длин волн 205-305 нм при линейной скорости потока воды 1-2 м/с.

6.2. Установка показала достаточно высокую эффективность по очистке сточных вод от модельного раствора нефтепродуктов ГСО нефтепродуктов в гексане.

6.3. Установка показала высокую эффективность по очистке сточных вод, загрязненных реальными нефтепродуктами (бензин, дизельное топливо летнее).

7. Оценен общий экономический эффект от внедрения предлагаемой БМУ, включающей в себя систему автоматического оперативного контроля качества воды, который составит 641,453 тысяч руб./год. Применение устройств экспресс-анализа качества воды в режиме реального времени позволит избежать уплаты штрафных платежей и повысит уровень экологической безопасности объектов инфраструктуры железнодорожного транспорта.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫЙ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи в ведущих научных журналах, рекомендуемых к изданию

ВАК РФ:

1. Недорчук, Б.Л. Перспективы внедрения нанотехнологий [Текст] / Б.Л. Недорчук, В.А. Пашинин, М.А. Коваленко// Мир транспорта. - 2011. - №1. - С 32-37.

2. Пашинин, В.А. Ультрафиолетовое излучение для обработки сточных вод [Текст] / В.А. Пашинин, A.B. Павлов, М.А. Коваленко// Мир транспорта. -2013.-№2.-С. 136-143.

3. Пашинин, В.А. Блочно-модульная установка для очистки сточных вод [Текст] / В.А. Пашинин, М.А. Коваленко// Мир транспорта. - 2014. - №2 - С 168-179.

Полезные модели:

4. Заявка на полезную модель № 2014137839, приоритет от 19.09.2014 г.

Публикации а других изданиях:

5. Павлов, A.B. Актуальность вопроса очистки сточных вод на объектах ОАО «РЖД» [Текст] / A.B. Павлов, В.А. Пашинин, М.А. Коваленко, М.А. Климентьева// Современное общество: взгляд изнутри. Материалы II Международной конференции 17-18 апреля 2012 г. - 2012. - С. 151 - 155.

6. Коваленко, М.А. К вопросу разработки перспективной автоматизированной системы водоочистки с непрерывным контролем качества очищаемой воды [Текст] / М.А. Коваленко// Фундаментальные и прикладные аспекты анализа риска здоровья населения. Материалы Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов Роспотребнадзора г.Пермь 16-18 мая 2012 г. - 2012.-С. 297-300, том 1.

7. Коваленко, М.А. Разработка блочно-модульной установки очистки сточных вод ОАО «РЖД» от нефтепродуктов [Текст]/ М.А. Коваленко// Теория, методология и концепция модернизации в экономике, управлении проектами, политологии, педагогике, психологии, праве, природопользовании, медицине, философии, филологии, социологии, математике, технике, физике. Сборник научных статей по итогам международной научно-практической конференции, г. Санкт-Петербург, 26-27 сентября 2013 г. - 2013 г. - С. 204 - 209.

8. Коваленко, М.А. Испытание макетного образца блочно-модульной установки для очистки сточных вод от нефтепродуктов [Текст]/ М.А. Коваленко// Научная дискуссия: вопросы математики, физики, химии, биологии. Сборник статей по материалам IX международной заочной научно-практической конференции № 9 (9), г. Москва, октябрь 2013 г. - 2013. - С 85 -98.

9. Коваленко, М.А. Обеспечение экологической безопасности использования воды на подвижном составе железнодорожного транспорта. [Текст]/ М.А. Коваленко// "Trans-Mech-Art-Chem"// труды X Международной научно-практической конференции. М.: МИИТ, 2014, стр. V-20 - V-21. Труды научно-практической конференции Неделя науки - 2014. «Наука МИИТа -

транспорту». - В двух частях. - Часть 2. - М.: МГУПС (МИИТ) - 2014. - С. IV-100-1У-101

10. Коваленко, М. А. Обеспечение экологической безопасности использования воды на подвижном составе железнодорожного транспорта. [Текст]/ М.А. Коваленко// Современное техническое образование и транспортный комплекс России: состояние, проблемы и перспективы развития: материалы II Всероссийской молодежной научной конференции (2014; Самара

— Уфа). II Всероссийская молодежная научная конференция «Современное техническое образование и транспортный комплекс России: состояние, проблемы и перспективы развития», 2014 г. [Текст]. - Самара - Уфа: СамГУПС

- 2014-С. 5.

11. Коваленко М.А. Обеспечение экологической безопасности использования воды на подвижном составе железнодорожного транспорта, [текст]/ М.А. Коваленко// «Инженерные изыскания в строительстве»: Материалы десятой научно-практической конференции молодых специалистов ПНИИС-2014, г. Москва, 2014. - С. 81-85.

Коваленко Мария Александровна

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОДЫ НА ОБЪЕКТАХ ИНФРАСТРУКТУРЫ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

03.02.08 — Экология (в транспорте) (технические науки)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 3.^,02,2 О К г. Заказ № Ю99

Тираж 80 экз._Формат 60x84/16 Усл. печ. л. 1,5

Москва, 127994, ул. Образцова, д.9, стр. 9, УПЦ ГИ МИИТ