Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обезвреживание и очистка воды на основе физико-химических технологий

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Обезвреживание и очистка воды на основе физико-химических технологий"

На правах рукописи

РОГАЛЕВА ЛЮБОВЬ ВИКТОРОВНА

ОБЕЗВРЕЖИВАНИЕ И ОЧИСТКА ВОДЫ НА ОСНОВЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ

Специальность 25.0036 - Геоэкология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2004

Pa6ota выполнена в Северо-Западном государственном заочном техническом

университете

Научный руководитель заслуженный деятель науки и техники РФ,

доктор биологических наук, профессор Гуткин Владимир Ильич

Официальные оппоненты: заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор Горшков Лев Капитонович

кандидат технических наук Бвсеева Ирина Леонидовна,

Ведущая организация Санкт-Петербургский государственный

университет

Защита состоится 30 декабря 2004 г. в 14 час. на заседании диссертационного совета Д 212.244.01 при Северо-Западном государственном заочном техническом университете по адресу: 191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная, д. 5

Ученый секретарь диссертационного совета

Иванова И.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Взаимодействие человека и природы с развитием цивилизации возрастает, усложняется и на современном этапе развития характеризуется усиленным целенаправленным воздействием на природу, которое обусловлено развитием производства, урбанизацией регионов, ростом численности населения, вовлечением в процесс производства практически всех природных ресурсов.

В последнее время человечество стало остро воспринимать угрозу резкого ухудшения качества среды обитания, поскольку изменения в окружающей среде достигли критического предела, в результате чего многие явления приобрели характер катастроф: возрастающий недостаток доброкачественной пресной воды, исчезновение многих видов животных и растений, загрязнение воды, почвы и воздуха (в результате практической деятельности человека в атмосферу, водоёмы и почву в мире ежегодно выбрасывается более 3 млрд. т. твёрдых промышленных отходов, 500 км3 опасных сточных вод, около 1 млрд. т. аэрозолей и более 6 млрд. т. токсичных газов.

Все компоненты окружающей среды тесно связаны между собой, и все они, в той или иной степени, подвергаются загрязнению. Гидросфера - один из самых важных компонентов природной среды, она обеспечивает жизнедеятельность растений и животных, которые в основном состоят из воды; жизнь на Земле возникла в гидросфере, и вода - единственное в природе вещество, которое не может быть заменено другими.

В настоящее время человечество ежегодно потребляет почти четыре тыс. км3 пресной воды (половина этого количества потребляется безвозвратно, другая превращается в сточные воды), что составляет примерно треть от максимально возможного уровня потребления.

Интенсификация промышленного и сельскохозяйственного производства, урбанизация регионов, демографический рост приводят к усиленному загрязнению гидросферы нефтепродуктами; неорганическими и органическими ток-

рос. НАЦИОНАЛЬНАЯ

БИБЛИОТЕКА СП О»

сическими веществами, входящими в состав сточных вод промышленных предприятий, а также стоков сельскохозяйственных производств и атмосферных осадков (содержащих токсические вещества, выбрасываемые промышленными предприятиями в атмосферу); подогретыми водами ТЭС и АЭС; патогенными микроорганизмами, грибками и водорослями. Поэтому, наряду с созданием производственных технологий, позволяющих более экономно использовать воду, необходима разработка эффективных технологических схем для очистки сточных вод перед сбросом их в водоёмы, а также схем обеззараживания и обезвреживания воды при подготовке её для практического использования.

Используемые на практике способы очистки воды обычно разделяют на группы: механические, физико-химические (в том числе электрохимические), химические, биологические, термические. Выбор метода очистки производится с учётом состава, объёмов и физико-химических свойств загрязняющих примесей; санитарных и технологических требований; эффективности процесса обезвреживания; экономической целесообразности использования того или иного набора энергетических и материальных ресурсов, а также наличия необходимых производственных площадей.

Применение тех или иных способов очистки позволяет решить какую-либо одну задачу (узкоспециализированные установки), и только сочетая эти способы, можно добиться высокой степени очистки воды.

В последние годы для обезвреживания и обеззараживания сточных вод и особенно при подготовке питьевой воды и воды плавательных бассейнов все чаще стали использовать озонирование, а также сочетание озонирования с другими физико-химическими методами, поскольку озон, по сравнению с кислородом и хлором, имеет целый ряд преимуществ: высокий окислительный потенциал; возможность получения непосредственно на очистных установках; отсутствие токсических соединений в качестве продуктов реакции; постоянство солевого состава очищаемых сточных вод; высокое быстродействие озона как обеззараживающего и бактерицидного реагента.

Методы обезвреживания, включающие озонирование, позволяют создавать устройства, обладающие высокой производительностью, незначительными габаритами, и тем самым обеспечивающие снижение затрат на капитальное строительство. Теоретические предпосылки и широкий спектр экспериментальных исследований позволили разработать комбинированный способ обезвреживания воды и создать принципиально новые технологические схемы для решения конкретных задач.

Актуальность темы диссертации подчёркивается её соответствием основным направлениям научно-практической деятельности Международной академии наук экологии, безопасности человека и природы (МАНЭБ), ЗАО «Экологический институт».

Цель работы - повышение эффективности и качества обезвреживания и очистки воды на основе озонной технологии.

Задачи и методы исследований: обоснование эффективности физико-химических озонных технологий; лабораторные исследования; анализ и выявление закономерностей процессов очистки и обезвреживания воды; создание технологических схем установок комплексной очистки и обезвреживания воды на основе комбинированных физико-химических методов, включающих озонирование.

На защиту выносятся следующие положения:

- теоретическое и экспериментальное обоснование эффективности комбинированного способа обезвреживания и очистки сточных вод на базе озонной технологии;

- технологические схемы модульных установок, обеспечивающие реализацию процессов комплексной очистки вод от токсичных примесей и микроорганизмов.

Научная новизна работы заключается:

- в обосновании повышения эффективности обезвреживания воды на основе одновременного воздействия физико-химических способов, включающих озон-

ную технологию очистки воды от ионов тяжелых металлов, солей железа, марганца и мышьяка, нефтепродуктов, фенолов и микроорганизмов, по сравнению с последовательным применением каждого из способов;

- в экспериментальном подтверждении возможности использования низкотемпературной плазмы барьерного разряда звуковой частоты для получения озона при подготовке питьевой воды и воды плавательных бассейнов, очистки воды от токсичных и вредных примесей; при этом параметры озонной технологии (концентрация озона в озоно-воздушной смеси, производительность установки, время контакта очищаемой воды и озоно-воздушной смеси, время фильтрации и т.д.) определяются в каждом конкретном случае в зависимости от степени загрязнения исходной воды;

- в теоретическом обосновании принципиальных технологических схем модульных установок, предназначенных для реализации комбинированных физико-химических технологий для обезвреживания и очистки воды. Практическая ценность состоит в разработке методики, технологических операций, принципиальных технологических схем модульных установок и эффективных комбинаций процесса озонирования с другими электрохимическими способами очистки и обезвреживания сточных и природных вод. Новизна разработки подтверждается патентом РФ № 2218308. Достоверность полученных выводов и рекомендаций базируется на достаточном объеме и удовлетворительной сходимости данных теоретических и экспериментальных исследований с использованием современной лабораторной и контрольно-измерительной аппаратуры, а также положительными результатами апробации разработанных научных положений.

Личный вклад автора заключается в постановке задач исследований, выборе методики их решения, руководстве и непосредственном участии при проведении теоретических и экспериментальных исследовании, а также в обработке и анализе результатов выполненных экспериментов.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на VII Международной конференции "Экология и развитие Северо-Запада России", СПб., 2002, на VIII Международной конференции "Экология и развитие общества", СПб., 2003, на Всероссийской научно-практической конференции "Гигиенические проблемы водоснабжения населения и войск", СПб., 2003, на Международной конференции "Экология антропогена и современности: природа и человек", Волгоград-Астрахань, 2004.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 научных работ. Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и списка литературы; изложена на 182 страницах машинописного текста, содержит 46 рисунков и 25 таблиц. Библиографический список включает 142 наименования, из них 24 иностранных источника.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Общей теоретической базой работы послужили труды ведущих ученых в области очистки воды Алексеева А. И., Бейгельруда Г. М., Бернадинера М. Н., Богданова М.В., Бо Д., Воловика Г.И., Вольнова И.К, Воронова Ю.В., Габленко В.Г., Герасимова Г.Н., Гуткина В.И., Дементьева А.А., Драгинского В.Л., Дяткина Б.Л., Карножицкого В. (Франция), Жукова А . И., Зимина Н . П., Кармазинова Ф. В., Когановского А. И., Кожинова В. Ф., Ксенофонтова Б.С., Кульского Л.А., Лукиных М.А., Луценко Г.Н., Митра С.К. (Англия), Монгайта К .Л., Орлова В.А., Поруцкого Г. В. , Потапова А.И., Пурмаля А.П., Разумовского С.Д., Смирнова А.Д., Соколова Л.П., Терехова Л.Д., Усольцева В.А., Филиппова Ю.В., Шурыгина А.П., Яковлева СВ. и других специалистов.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель, задачи и методика исследования, показаны научная новизна и практическая ценность работы.

Глава 1 посвящена обоснованию необходимости разработки принципиально новых высокоэффективных способов и технологических схем обезвре-"

живания и очистки сточных и природных вод в связи с неуклонным ростом потребления пресной воды и пропорциональным повышением объемов сточных вод, загрязненных в результате жизнедеятельности человека. Такими способами могут стать физико-химические способы, реализуемые совместно с озонной технологией. При подготовке питьевой воды особое значение имеет очистка воды от ионов тяжёлых металлов, железа, марганца, мышьяка, нефтепродуктов, фенолов, микроорганизмов.

Для разработки технологических схем обезвреживания и очистки рассматриваются требования, предъявленные к качеству пресной питьевой воды: эпидемическая безопасность; химическая безвредность; органолептическая благоприятность. С этой целью дается классификация загрязнений воды, связанных с антропогенным и техногенным факторами, и отмечается, что особую трудность для очистки представляют промышленные сточные воды, содержащие цианиды, растворители, фенолы, нефтепродукты, тяжёлые металлы, которые являются токсичными для водотоков, куда они сбрасываются и могут затруднить биохимическую очистку воды.

В зависимости от свойств загрязняющих токсичных примесей можно использовать те или иные способы очистки и обезвреживания воды, которые позволяют решить какую-либо одну задачу, но только комбинируя эти способы, можно добиться высокой степени комплексной очистки. Обращается особое внимание на целесообразность использования озона в качестве окислителя ввиду его исключительных окислительных и дезинфицирующих свойств и преимуществ по сравнению с таким традиционным реагентом, как хлор:

- возможность получения озона непосредственно на очистных сооружениях;

- отсутствие в нем токсичных соединений в качестве конечных продуктов (при хлорировании образуются высокотоксичные и канцерогенные углеводороды);

- более высокое быстродействие (в 15-1-20 раз) по сравнению с хлором;

- более эффективное действие по улучшению орган олептических свойств воды (мутность, цветность, биомасса);

- высокая эффективность окисления органических соединений в водных растворах.

В главе 2 рассмотрены физико-химические характеристики и свойства озона, строение его молекулы и её энергетический спектр, соответствующий поступательным, колебательным и вращательным степеням свободы. При образовании озона из молекулярного кислорода на первом этапе происходит диссоциация молекулы кислорода 20 и образование молекулы озона О + Ог + (здесь М - любая частица, принимающая на себя избыток энергии), которая по сравнению с кислородом обладает значительным запасом внутренней энергии. Диссоциация молекул кислорода на атомы может происходить при столкновениях их с электронами и ионами в плазме электрического разряда любой формы (тлеющего, дугового, искрового, коронного, барьерного, безэлектродного). Анализ специфики формирования и форм существования электрического разряда показывает, что, в силу тех или иных факторов, для получения озона из кислородо-воздушных смесей в промышленных масштабах реально применим барьерный разряд звуковой частоты с его неравновесной плазмой.

В неравновесной плазме, существующей в канале микроразряда, реализуются уникальные условия для реализации химических реакций, приводящих к генерации озона из молекулярного кислорода воздушно-кислородной смеси. Механизм образования озона условно разделяется на три стадии: 1) формирование канала микроразряда, приводящее к диссоциации, ионизации и возбуждению молекул кислорода; 2) реакции этих молекул и атомов кислорода, образование озона; 3) диффузионное расширение озона в окружающую среду. Численное моделирование этих процессов в зависимости от состава кислородо-воздушной смеси и других параметров процесса показывает, что выход озона при этом достигает 10 %.

Озон, за редким исключением, окисляет все металлы, реагирует с большинством других элементов, переводит низшие окислы в высшие и т.д. Образование высших оксидных форм, сопровождающее окисление озоном различ-

ных неорганических соединений в водных растворах (например, А£ —>

V'. Со2* -> Со3*, РЬ2* -> РЪ4\ Т13+, Аа1+ А*5+ -> С-> Сг6\ Лг+ ->Ре3\ Мп2* ->Мп4*) имеет существенное значение в технологических процессах очи-

спей воды от ионов тяжёлых металлов, которые переводятся в нерастворимый осадок и затем фильтруются. Различные озониды образуются при реакциях озона с органическими соединениями, содержащими одну или несколько двойных связей типа

которые под действием озона в конечном итоге превращаются в озониды типа

-А

(нормальные, перекрёстные, полимерные). Очень важным является раскрытие ароматического кольца уже на первом этапе реакции фенолов с озоном, поскольку при этом образуются сравнительно малотоксичные производные непредельных альдегидов и кислот, что позволяет вести процесс разрушения озоном фенолов в промышленных сточных водах не до полного разрушения окисляющихся продуктов (3-4 моля озона на один моль фенола), а до поглощения 11,5 моля озона на 1 моль фенолов, что может существенно улучшить технико-экономические показатели процесса.

Наблюдается высокая, по сравнению с хлором, эффективность воздействия озона на микроорганизмы (споры, амёбы, вирусы, микробы), что должно использоваться при подготовке питьевой воды.

Сброс недостаточно очищенных бытовых и промышленных сточных вод, а также смыв с сельскохозяйственных территорий вод, содержащих пестициды и другие ядохимикаты, приводит к тому, что в состав вод поверхностных водоёмов вблизи крупных городов входят токсичные вещества (фенолы, нефтепродукты, хлорорганические соединения и т.д.), содержание которых в водоисточниках может превышать ПДК в десятки и сотни раз. Использование традицион-

ных методов водоочистки на действующих станциях не в состоянии обеспечить требования стандарта по химическим загрязнениям. В этой связи особое внимание привлекают исследования по определению эффективности озонирования в сочетании с сорбцией на активных углях. Применение комбинированных технологий, включающих озонирование, особенно перспективно и экономически оправдано при обезвреживании питьевой воды и воды плавательных бассейнов, так как озонирование позволяет одновременно решать следующие задачи:

- очистку вод от токсичных неорганических и органических загрязнений (фенолы, нефтепродукты, сероводород, соединения железа, марганца, мышьяка, поверхностно-активные вещества, цианиды, роданиды, красители, канцерогенные ароматические углеводороды, пестициды и т.д.);

- обеззараживание вод (уничтожение болезнетворных и токсикогенных микроорганизмов);

- улучшение органолептических свойств воды (обесцвечивание, устранение привкусов и запахов).

Глава 3 посвящена экспериментальному обоснованию применения озона при разработках комбинированных физико-химических методов комплексной очистки и обезвреживания воды от токсичных примесей. Для проведения лабораторных исследований был разработан макет установки (рис.1), предусматривающий возможность использования комбинации различных физико-химических методов обезвреживания токсичных веществ, находящихся в воде.

При этом разработан комбинированный метод озоно-электрохимического обезвреживания (ОЭХО) производственных сточных вод (ПСВ) от ионов тяжёлых металлов (ТМ), который сохраняет преимущества и устраняет недостатки реагентного и электрохимического методов; суть этого метода состоит в том, что сточная вода насыщается озоном и одновременно обрабатывается в межэлектродном пространстве, затем отфильтровывается.

Первая серия экспериментов на модельной среде - растворе медного купороса в водопроводной воде, - проводилась с целью определения оптимальных

диапазонов измерения или значений параметров эксперимента: времени обработки (7-ь 12 мин), концентрации озона в ОВС (озоновоздушной смеси (2,1*12 г/м3), плотность тока активного электрода 0,01 А/см2. Вторая серия экспериментов на той же модельной среде проводилась с целью сравнения эффективности

(степени очистки) предлагаемого метода ОЭХО и традиционного метода электрохимической обработки (ЭХО), применяемого в промышленности.

, Исследования показали, что предлагаемый метод позволяет в 15-5-2 раза уменьшить время обработки и, следовательно, существенно уменьшить объём оборудования; кроме того, ОЭХО снижает степень пассивации электродов, которая снижает эффективность обезвреживания (кривые ЭХО 2 и 4). Главным преимуществом ОЭХО является возможность при оптимальных параметрах процесса достигать более глубокую степень очистки ПСВ (до 0,01 г/м3 и менее). Дальнейшие исследования, проведённые на промышленных стоках с участков травления промывной ванны показали эффективность метода при увеличении плотности тока до 0,015 А/см2, что обусловлено содер-

жанием дополнительных примесей (в том числе нефтепродуктов) до величин порядка 100 г/м3.

Метод ОЭХО может использоваться и для обезвреживания как производственных, так и бытовых стоков от нефтепродуктов. На рис.2 представлена

( с }

экспериментальная зависимость степени обезвреживания

\ со)

- концентрации нефтепродуктов, соответственно, начальная и после обработки в течение времени мин, при изменении массы озона.

Рис.2. Эксперименты!»- • ная зависимость степени обезвреживания сточных вод от нефтепродуктов от массы введенного озона

-,-■-•-1-•-►

0,1 ОД 0,3 0,4 0,5 М0,(г)

Как следует из рис.2, метод ОЭХО обеспечивает степень обезвреживания до 98-5-99 % , то есть позволяет довести абсолютные значения остаточных концентраций нефтепродуктов ниже ПДК. Отмечено, что в условиях экспериментов при малых значениях начальных концентраций нефтепродуктов г/м3) концентрация нефтепродуктов после ОЭХО изменяется по экспоненциальному закону

Сг=Со.ехр{-в[030т]}.

где - объемная скорость ОВС, л/мин.

На макете установки (см. рис.1), в которой в качестве реакционного аппарата использовалась барботажная камера объёмом У= 5 л, проведены две серии экспериментов. В первой серии применялись модельные фенольные смеси, при начальной концентрации фенола С = (5ч-100) мг/л; концентрации озона в ОВС

[£?з] = 5+20 мг/л; времени озонирования г = (5+20) мин; объёмной скорости ОВС Q = 4 л/мин. Анализ результатов экспериментов показывает, что степень обезвреживания зависит от массы озона A/0j =[03]-Q-t, участвовавшей в реакции.

В результате обработки результатов экспериментов получена эмпирическая формула, описывающая зависимость конечной концентрации фенола в воде от его начальной концентрации, концентрации озона в ОВС, объёмной скорости ОВС и времени озонирования, в виде: Cr = С0 expj- х ^ Г1,

I С0-У )

где х - эмпирический коэффициент.

Вторая серия экспериментов была проведена с ПСВ в натурных условиях, при этом параметры опытов изменялись в следующих пределах: начальная концентрация фенолов Со от 2,1 мг/л до 263 мг/л; время озонной обработки гот 60 до 180 мин; объёмная скорость ОВС Q от 4 до 5,6 л/мин; концентрация озона в ОВС от 4,25 до 24 мг/л, при этом изменение какого-либо параметра происходило без изменения остальных. По результатам опытов получена зависимость

степени обезвреживания фенолов от дозы озона: D0} ,где V= 10 л/мин.

В результате обработки экспериментальных данных получена следующая эмпирическая формула для конечной концентрации фенолов. -

Сг =С0ехр

В ходе исследований экспериментально обоснована возможность использования озоно-фильтрационных технологий для получения качественной питьевой воды за счет бактерицидных и окислительных свойств озона, действие которого, в отличие от хлора, является универсальным по отношению к микробам, спорам и вирусам, в десятки и сотни раз более сильным и не сопровождающимся появлением продуктов реакции, обладающих токсичностью, мута-

генностью и канцерогенностью. Лабораторные эксперименты проводились с использованием в качестве тест-объектов наиболее устойчивых к внешним воздействиям (изменение температуры, недостаток источников питания, недостаток кислорода, химические воздействия, различные виды излучения и т.п.), легко образующих споры и обладающих высокой адгезивной способностью штаммов агрессивных микромицетов.

Для проведения лабораторных исследований по определению эффективности воздействия озона на патогенные микромицеты разработана установка, позволяющая производить озонирование различными способами:

- при заданной концентрации микрообъектов в воде (суспензия), обрабатываемой озоном путем эжектирования либо барботажа;

- при заданной концентрации микрообъектов, адаптированных на твёрдой поверхности, обрабатываемой озоновоздушным потоком либо путем вытеснения воздуха в камере, либо потоком, направленным непосредственно на заражённую поверхность.

После обработки озоном по 30 капель тестируемой среды наносили на питательную среду, находящуюся в стерильных чашках Петри; инкубировали инокулированные чашки (наряду с контрольными чашками со средой, иноку-лированные исходной суспензией без озонирования) в стерильных условиях в течение 10 дней, проводя визуальные наблюдения на 3,7 и 10 сутки с момента заражения; при появлении колоний учитывали их количество, скорость развития, морфологические изменения. Анализ результатов первой серии экспериментов, в которой исследовалось влияние озона на жизнеспособность каждого вида микромицетов в отдельности, показал высокую эффективность разрушения микроорганизмов суспензии, особенно в случае применения барботажа, а также обработки поверхности направленным озоновоздушным потоком.

Во второй серии экспериментов исследовалось влияние озона на жизнеспособность микромицетов в суспензии, содержащей споры всех трёх видов одновременно. В этой серии также отмечена высокая эффективность озониро-

вания при практически полном подавлении жизнеспособности спор микроми-цетов и их разрушения.

Для проверки возможности повышения эффективности действия озона была проведена серия экспериментов с озонированием (барботаж) при одновременном воздействии УФ-излучения. В результате экспериментов установлено, что действие УФ-излучения в дополнение к озонированию не приводит к повышению эффективности последнего. Результаты экспериментов, показавшие высокую эффективность озонирования против одних из самых устойчивых к стрессовым воздействиям патогенных организмов, свидетельствуют, что и в отношении других групп микроорганизмов данный способ может быть максимально эффективен.

При проведении лабораторных исследований по обезвреживанию питьевой воды от солей железа, марганца и мышьяка с применением озоно-фильтрационной технологии использовалась универсальная лабораторная установка, в которой в качестве реакционного аппарата использовалась барботаж-ная камера.

При проведении экспериментов с железом в качестве исследуемого объекта использовалось растворимое в воде соединение под действием озона происходило повышение валентности железа и образование гидроокиси трёхвалентного железа. Анализ результатов экспериментов приводит к следующим выводам:

1) действие озоно-фильтрационной технологии эффективно по обезвреживанию воды от ионов железа, причём для фильтра с отверстиями мкм все значения концентрации железа после фильтра Сф меньше ПДК, хотя малый диаметр отверстий фильтра усложняет технологические процессы очистки; для d = 20 мкм значения Сф не превышают ПДК, начиная с дозы озона =10 мг/л для

всех значений

2) при дозах озона мг/л пределы изменения остаточной концентрации железа для всех опытов определяются выражением

[^0,73 - 0,05.

При проведении исследований с марганцем в качестве исследуемого объекта использовалось соединение МпБ04 ' 5Н20, под действием озона валентность марганца повышается и образуется его нерастворимая двуокись. Анализ результатов экспериментов аппроксимирется эмпирической зависимостью концентрации марганца после фильтра от параметров опыта

Сф = С0 ехр

ф

откуда следует различная зависимость отношения —^от концентрации озона в

С0

ОВС и времени обработки.

Формула указывает на большую степень зависимости остаточной концентрации марганца от времени обработки, чем от концентрации озона в ОВС.

При проведении экспериментов с мышьяком в качестве исследуемого объекта использовалось соединение Ыа^АЮ^, под действием озона мышьяк окисляется до пятивалентного Иа^АзО^ которое задерживается фильтром. Параметры эксперимента изменялись в пределах: начальная концентрация мышьяка Со = (0,15+4,8) мг/л; концентрация о зона в ОВС [03] = (10+20) мг/л; время обработки г- (15+30) мин; доза озона, полученная раствором £>0} =(50+200) мг/л при

объёмной скорости ОВ 0 = 2 л/мин, объёме реакционной камеры У= 5 л, диаметре отверстий фильтра ^ = 20 мкм. Анализ результатов экспериментов приводит к эмпирической формуле

Сф=С0ехр{-0Л1[О3Г-т0-т.СУ»1

которая отражает сложность процесса обезвреживания.

Таким образом, результаты проведенных экспериментов, показывают эффективность использования озоно-фильтрационной технологии по обезвреживанию питьевой воды от микроорганизмов, соединений марганца, железа,

мышьяка и может быть рекомендована к использованию в промышленных технологических схемах.

В главе 4 приводятся результаты комплексной программы лабораторных исследований с широким спектром токсичных веществ, воплощенные в конкретные технологические схемы для решения практических задач: 1. Обезвреживание воды плавательных бассейнов с объёмом ванн до 2300 м3 при использовании озоно-фильтрационного метод, где в основу работы установки положено получение озона заданной концентрации в нетрадиционном генераторе озона; введение озона в воду через два контактных аппарата, соединённых последовательно, насыщение им воды с последующей фильтрацией воды на фильтрах тонкой очистки. Представленная технология снижает на 40-50 % потребление коагулянта, существенно увеличивает эффективность работы фильтра, создаёт комфортные условия в бассейне и снимает все недостатки, присущие применению хлора.

2. Обезвреживание и дезинфекция воды плавательных бассейнов объёмом ванн до 250 м3 установкой, в основу работы которой положено получение озоновоз-душной смеси с заданной концентрацией озона; введение озона в воду при помощи эжекции и насыщение им воды в контактном аппарате; фильтрация воды, насыщенной озоном, через фильтр тонкой очистки.

3. Получение питьевой воды, соответствующей ГОСТ 2874-82, из открытых водоёмов, подземных источников, а также доочистки питьевой воды централизованного водоснабжения городов и посёлков.

Предлагаемая технология водоочистки включает:

- предварительную очистку воды от взвешенных частиц, железа, аммония, фтора и других вредных веществ в зависимости от источника водозабора;

- получение озона заданной концентрации, введение его в воду при помощи эжекции, не требующей трудоёмких в обслуживании компрессорных машин, и насыщение озоном воды в контактном аппарате;

- фильтрация на активированном угле.

В случае превышения ПДК содержание двухвалентных ионов железа и марганца в питьевой воде водопроводной сети рекомендуется использовать озонную технологию доочистки питьевой воды по схеме, представленной на-рис. 4.

Предлагаемая установка позволяет получать питьевую воду, удовлетворяющую требованиям СанПиН 2.1.4. 1074-01 при практически любых исходных концентрациях растворимого железа и марганца.

4. Обезвреживание воды от фенолов, ПАВ, микроорганизмов, ионов железа, марганца, соединений мышьяка и других элементов с помощью установки, размещённой в контейнере, оснащённом теплоизоляцией, вентиляцией, освещением, коробками электрических и гидравлических разъёмов для подключения электроэнергии и необходимых трубопроводов, которую можно использовать как в цеховых условиях предприятий, так и вне их зданий. В основе работы установки лежит использование озоно-фильтрационной технологии. Установка легко может быть доукомплектована фильтрами с зернистой загрузкой или загрузкой из активированного угля. Использование данной технологии позволяет решать многие проблемы водоподготовки и водоотведения как на стадии локальной очистки и предочистки, так и на стадии обеззараживания и глубокой доочистки.

5. Обезвреживание производственных сточных вод от нефтепродуктов, использующая сочетание озонной флотации и озоно-электрохимической обработки (ОЭХО): получение озона заданной концентрации и насыщение им сточной воды; обработка воды в электролизере с последующей флотацией и фильтрацией. Аппарат электрохимической обработки воды, генератор озона, источники питания к ним конструктивно оформляются в виде нескольких идентичных модулей. Пуск и контроль работы установки производится с единого пульта управления, который монтируется отдельным блоком, функционально связанным со всеми узлами установки.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. В диссертационной работе выполнен анализ статистических данных ВОЗ и других источников, определяющих актуальность получения качественной питьевой воды для населения и воды, используемой в спортивно-оздоровительных комплексах, а также сформулирована проблема обезвреживания и очистки сточных, поверхностных и подземных вод с целью их дальнейшего использования в производственных целях.

2. На основе анализа применения ранее разработанных методов обезвреживания и очистки доказана необходимость проведения исследований с применением комбинированных физико-химических методов обезвреживания и очистки различных вод с обязательным их озонированием ввиду исключительных характеристик и свойств озона, разработана программа проведения лабораторных исследований.

3. Получены на основании экспериментальных данных эмпирические формулы, отражающие эффективность обезвреживания воды от изменения параметров и условий экспериментов; при этом разработана феноменологическая модель, адекватно аппроксимируемая эмпирическими зависимостями, отражающими процесс обезвреживания воды от фенола.

4. Выполнен комплекс лабораторных исследований, являющийся основой для разработки ряда технологических схем установок для:

обезвреживания и обеззараживания воды плавательных бассейнов; получения питьевой воды, соответствующей санитарным требованиям, из различных источников;

обезвреживания воды от фенолов и нефтепродуктов; доочистки питьевой воды от ионов железа и марганца и мышьяка.

5. Проведены исследования по оценке воздействия физико-химических методов на токсичные вещества, что явилось основой для разработки комбинированного способа обезвреживания и очистки воды от нефтепродуктов и ионов тяжёлых металлов.

6. Рекомендованы направления дальнейшего развития озонной технологии при обеззараживании и очистке воды из различных источников, включающие в себя продолжение исследований и поиск новых комбинаций физико-химических способов с озонированием, новых областей применения этой технологии, в частности, для предварительной обработки строительных материалов с целью повышения их прочностных характеристик и предотвращения биодеструкции элементов зданий и сооружений.

Автор выражает благодарность соавторам по исследованиям, сотрудникам ЗАО «Экологический институт», а также заслуженному экологу РФ, доценту Дементьеву А.А. за ценные советы и помощь в работе.

Основное содержание работы изложено в следующих изданиях:

1. Рогалёва Л.В., Дементьев А.А. Установка для очистки сточных вод от нефтепродуктов: Неразрушающий контроль и диагностика окружающей среды, материалов и промышленных изделий. Межвуз. сб., вып.6. -СПб., 2002.- С. 71-74.

2. Рогалёва Л.В., Дементьев А. А. Разработка и применение комбинированных технологий для обезвреживания и очистки загрязнённых вод от вредных примесей. Сб. докладов на VII Международной конференции "Экология и развитие Северо-Запада России". -СПб., 2002.-С. 42-43.

3. Дементьев А.А., Рогалёва Л.В. Озонная технология обезвреживания и дезинфекции воды плавательных бассейнов. Сб. докладов на той же конференции. -СПб., 2002.-С. 239-244.

4. Рогалёва Л.В., Дементьев А.А. Установка доочистки и обезвреживания подземных вод. Сб. докладов на VIII Международной конференции "Экология и развитие общества". -СПб.,2003.-С. 91-93.

5. Рогалёва Л.В., Дементьев А.А. Озоно-флотационный метод очистки сточных вод от белковых веществ на рыбоперерабатывающих предприятиях. Сб. докладов на той же конференции. -СПб.,2003.-С.273-274.

6. Рогалёва Л.В., Дементьев А.А. Модульный комплекс для получения питьевой воды: Гигиенические проблемы водоснабжения населения и войск. Материалы Всероссийской научно-практической конференции. -СПб., 2003.-С. 26-28.

7. Дементьев А.А., Рогалёва Л.В., Денисов С.Г. Способ очистки и обезвреживания воды. Пат. РФ, № 2218308. Б.И., 2003, № 34.

8. Рогалёва Л.В., Дементьев А.А. Результаты лабораторных исследований по разработке комбинированного способа очистки и обезвреживания промстоков. Межвуз. сб., СПб., 2004.-С 57-59.

9. Дементьев А.А., Рогалёва Л.В., Власов Д.Ю., Сафронова Е.В. Ингибирующее действие озонирования на условно патогенные микромицеты в водной среде // Проблемы медицинской микологии. Т.6, № 2,2004.-С. 72-73.

10. Рогалёва Л.В. Результаты лабораторных исследований по обезвреживанию фенолсодержащих стоков. Сб. докладов на Международной конференции "Экология антропогена и современности: природа и человек". -Волгоград-Астрахань, 2004.-С. 697-703.

11. Дементьев А.А., Рогалёва Л.В., Денисов ГЛ. Человек и окружающая среда. Сб. докладов, на той же конференции. -Волгоград-Астрахань, 2004.-С. 291-299.

12. Рогалёва Л.В. К методической оценке эффективности эколого-технической электрофильтрационной системы обеспечения качества воздушной среды: Современные технологии исследований в гигиене и экологии. Материалы Всероссийской научно-практической конференции. - СПб., 2004.-С. 159-160.

13. Рогалёва Л.В. Современная технология очистки воздушной среды на основе низкотемпературного плазменного барьерного разряда звуковой частоты. Материалы той же конференции. - СПб., 2004.-С. 161-162.

14. Дементьев А.А., Рогалёва Л.В., Денисов ГА, Зайцев Т.Е. Способ приготовления бетонной смеси. Пат. РФ, № 2220932. Б.И., 2004, № 1.

Автореферат

Обезвреживание и очистка воды на основе физико-химических технологий Рогалёва Любовь Викторовна

Лицензия ЛР № 020308 от 14.02.97

Подписано в печать Формат 60 841/16.

Б.кн.-журн. П. л. 2,0 Б. л. 1,0 РТПРИОСЗТУ

Тираж 100. Заказ 997 Северо-Западный государственный заочный технический университет РИО СЗТУ, член Издательско-полиграфической ассоциации вузов Санкт-Петербурга 191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная, 5

^24734

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Рогалева, Любовь Викторовна

ВВЕДЕНИЕ.

1. АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ И АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ СПОСОБОВ И СРЕДСТВ ОЧИСТКИ И ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ ВОДЫ ОТ ТОКСИЧНЫХ ПРИМЕСЕЙ.

1.1. Человек и окружающая среда.

1.2. Влияние качества пресной воды на безопасность жизнедеятельности человека.

1.3. Загрязнение воды и способы её очистки и обезвреживания.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ПРИМЕНЕНИЯ ОЗОНА И ЕГО КОМБИНАЦИИ ДЛЯ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ И ДЕЗИНФЕКЦИИ РАЗЛИЧНЫХ ВОД.

2.1. Основные характеристики и свойства озона.

2.2. Получение озона с использованием низкотемпературной плазмы барьерного разряда.

2.3. Взаимодействие озона с различными веществами.

2.4. Использование озона для очистки сточных вод и их обезвреживания

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ОЗОНА В КОМПЛЕКСАХ СПОСОБОВ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ И ДЕЗИНФЕКЦИИ ВОДЫ.

3.1. Озоно-электрохимическое обезвреживание (ОЭХО) воды от ионов тяжелых металлов.

3.2. Исследование эффективности метода ОЭХО для обезвреживаний воды от нефтепродуктов.

3.3. Исследование эффективности обезвреживания ПВС и питьевой воды (ПВ) от фенолов.

U 3.4. Разработка технологии для получения качественной питьевой воды.

3.4.1. Результаты лабораторных исследований по обезвреживанию питьевой воды от микроорганизмов.

3.4.2. Результаты лабораторных исследований по очистке питьевой воды от солей железа, марганца и мышьяка.

4. РАЗРАБОТКА СОВРЕМЕННЫХ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ДЛЯ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ И ОЧИСТКИ ВОДЫ НА БАЗЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОЗОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ.

4.1. Общие сведения.

4.2. Принципиальная технологическая схема установки для обезвреживания воды плавательных бассейнов объёмом ванн до 2300 м3.

4.3. Принципиальная технологическая схема установки для обезвреживания и дезинфекции воды плавательных бассейнов объёмом ванн до 250 м3.;.

4.4. Принципиальная технологическая схема установки для получения питьевой воды.

4.5. Принципиальная технологическая схема универсальной установки для обезвреживания воды от фенолов, ионов железа, марганца, соединеф ний мышьяка и микроорганизмов.

4.6. Принципиальная технологическая схема установки для обезвреживания воды от нефтепродуктов.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Обезвреживание и очистка воды на основе физико-химических технологий"

Актуальность темы диссертации. Взаимодействие человека и природы с развитием цивилизации возрастает, усложняется и на современном этапе развития характеризуется усиленным целенаправленным воздействием на природу, которое обусловлено развитием производства, урбанизацией регионов, ростом численности населения, вовлечением в процесс производства практически всех природных ресурсов.

В последнее время человечество стало остро воспринимать угрозу резкого ухудшения качества среды обитания, поскольку изменения в окружающей среде достигли критического предела, в результате чего многие явления приобрели характер катастроф: возрастающий недостаток доброкачественной пресной воды, исчезновение многих видов животных и растений, загрязнение воды, почвы и воздуха (в результате практической деятельности человека в атмосферу, водоёмы и почву в мире ежегодно выбрасывается более 3 млрд. т. твёрдых промышленных отходов, 500 км3 опасных сточных вод, около 1 млрд. т. аэрозолей и более 6 млрд. т. токсичных газов [1-3].

Все компоненты окружающей среды тесно связаны между собой, и все они, в той или иной степени, подвергаются загрязнению. Гидросфера - один из самых важных компонентов природной среды, она обеспечивает жизнедеятельность растений и животных, которые в основном состоят из воды; жизнь на Земле возникла в гидросфере, и вода - единственное в природе вещество, которое не может быть заменено другими.

В настоящее время человечество ежегодно потребляет почти четыре тыс. км3 пресной воды (половина этого количества потребляется безвозвратно, другая превращается в сточные воды), что составляет примерно треть от максимально возможного уровня потребления.

Интенсификация промышленного и сельскохозяйственного производства, урбанизация регионов, демографический рост приводит к усиленному загрязнению гидросферы нефтепродуктами; неорганическими и органическими токсическими веществами, входящими в состав сточных вод промышленных предприятий, а также стоков сельскохозяйственных производств и атмосферных осадков (содержащих токсические вещества, выбрасываемые промышленными предприятиями в атмосферу); подогретыми водами ТЭС и АЭС; патогенными микроорганизмами, грибками и водорослями. Поэтому, наряду с созданием производственных технологий, позволяющих более экономно использовать воду, необходима разработка эффективных технологических схем для очистки сточных вод перед сбросом их в водоёмы, а также схем обеззараживания и обезвреживания воды при подготовке её для практического использования.

Используемые на практике способы очистки воды обычно разделяют на группы: механические, физико-химические (в том числе электрохимические), химические, биологические, термические. Выбор метода очистки производится с учётом состава, объёмов и физико-химических свойств загрязняющих примесей; санитарных и технологических требований; эффективности процесса обезвреживания; экономической целесообразности использования того или иного набора энергетических и материальных ресурсов, а также наличия необходимых производственных площадей.

Применение тех или иных способов очистки позволяет решить какую-либо одну задачу (узкоспециализированные установки), и только сочетая эти способы, можно добиться высокой степени очистки воды.

В последние годы для обезвреживания и обеззараживания сточных вод и особенно при подготовке питьевой воды и воды плавательных бассейнов все чаще стали использовать озонирование, а также сочетание озонирования с другими физико-химическими методами, поскольку озон, по сравнению с кислородом и хлором, имеет целый ряд преимуществ: высокий окислительный потенциал; возможность получения непосредственно на очистных установках; отсутствие токсических соединений в качестве продуктов реакции; постоянство солевого состава очищаемых сточных вод; высокое быстродействие озона как обеззараживающего и бактерицидного реагента.

Методы обезвреживания, включающие озонирование, позволяют создавать устройства, обладающие высокой производительностью, незначительными габаритами, и тем самым обеспечивающие снижение затрат на капитальное строительство [5, 6]. Теоретические предпосылки и широкий спектр экспериментальных исследований позволили разработать комбинированный способ обезвреживания воды и создать принципиально новые технологические схемы для решения конкретных задач.

Актуальность темы диссертации подчёркивается её соответствием основным направлениям научно-практической деятельности Международной академии наук экологии, безопасности человека и природы (МАНЭБ), ЗАО «Экологический институт».

Целью диссертационной работы повышение эффективности и качества обезвреживания и очистки воды на основе озонной технологии.

Задачи и методы исследований: обоснование эффективности физико-химических озонных технологий; лабораторные исследования; анализ и выявление закономерностей процессов очистки и обезвреживания воды; создание технологических схем установок комплексной очистки и обезвреживания воды на основе комбинированных физико-химических методов, включающих озонирование.

На защиту выносятся следующие положения:

- теоретическое и экспериментальное обоснование эффективности комбинированного способа обезвреживания и очистки сточных вод на базе озонной технологии;

- технологические схемы модульных установок, обеспечивающие реализацию процессов комплексной очистки вод от токсичных примесей и микроорганизмов.

Научная новизна работы заключается:

- в обосновании повышения эффективности обезвреживания воды на основе одновременного воздействия физико-химических способов, включающих озонную технологию очистки воды от ионов тяжелых металлов, солей железа, марганца и мышьяка, нефтепродуктов, фенолов и микроорганизмов, по сравнению с последовательным применением каждого из способов;

- в экспериментальном подтверждении возможности использования низкотемпературной плазмы барьерного разряда звуковой частоты для получения озона при подготовке питьевой воды и воды плавательных бассейнов, очистки воды от токсичных и вредных примесей; при этом параметры озонной технологии (концентрация озона в озоно-воздушной смеси, производительность установки, время контакта очищаемой воды и озоно-воздушной смеси, время фильтрации и т.д.) определяются в каждом конкретном случае в зависимости от степени загрязнения исходной воды;

- в теоретическом обосновании принципиальных технологических схем модульных установок, предназначенных для реализации комбинированных физико-химических технологий для обезвреживания и очистки воды.

Практическая ценность состоит в разработке методики, технологических операций, технологических схем и эффективных комбинаций озонирования с другими электоро-химическими способами очистки и обезвреживания сточных и природных вод.

Достоверность полученных выводов и рекомендаций базируется на достаточном объеме и удовлетворительной сходимости данных теоретических и экспериментальных исследований с использованием современной лабораторной и контрольно-измерительной аппаратуры, а также положительными результатами апробации разработанных научных положений.

Личный вклад автора заключается в постановке задач исследований, выборе методики их решения, руководстве и непосредственном участии при проведении теоретических и экспериментальных исследовании, а также в обработке и анализе результатов выполненных экспериментов.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на VII Международной конференции "Экология и развитие Северо-Запада России", СПб., 2002, на VIII Международной конференции "Экология и развитие общества", СПб., 2003, на Всероссийской научно-практической конференции "Гигиенические проблемы водоснабжения населения и войск", СПб., 2003, на Международной конференции "Экология антропогена и современности: природа и человек", Волгоград-Астрахань, 2004.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 научных работ.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и списка литературы; изложена на 182 страницах машинописного текста, содержит 46 рис. и 25 табл. Библиографический список включает 142 наименования, из них 24 иностранных.

Заключение Диссертация по теме "Геоэкология", Рогалева, Любовь Викторовна

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ статистических данных ВОЗ и других источников позволил подчеркнуть актуальность во всероссийском масштабе получения качественной питьевой воды для населения и воды, используемой в спортивно-оздоровительных комплексах, а также проблемы обезвреживания и очистки сточных, поверхностных и подземных вод с целью их дальнейшего использования в производственных целях

2. Анализ технической литературы (научно-техническая и справочная литература, научно-техническая периодика, монографии, обзорные публикации) позволил сформулировать идеологию проведения исследований с применением комбинированных физико-химических методов обезвреживания и очистки различных вод с обязательным включением процесса озонирования ввиду исключительных характеристик и свойств озона, разработать детальную программу проведения лабораторных исследований.

3. На основании экспериментальных данных получены эмпирические формулы, отражающие зависимость эффективности обезвреживания от параметров и условий экспериментов; построена простая феноменологическая модель, описывающая эмпирические закономерности обезвреживания воды от фенола.

4. Выполненный комплекс лабораторных исследований позволил разработать ряд технологических схем для решения конкретных задач:

- для обезвреживания и обеззараживания воды плавательных бассейнов;

- для получения питьевой воды соответствующей санитарным требованиям из различных источников;

- для обезвреживания воды от фенолов и нефтепродуктов;

- для доочистки питьевой воды от ионов железа и марганца.

5. Проведённые исследования по воздействию физико-химических методов на токсичные вещества позволили разработать комбинированный способ обезвреживания и очистки воды от нефтепродуктов и ионов тяжёлых металлов.

6. Анализ экспериментальных данных по обезвреживанию воды от микроорганизмов позволил спланировать и выполнить эксперимент по изготовлению бетонных элементов (компоненты бетона предварительно подвергались воздействию озона) и по положительным результатам разработать способ по улучшению прочностных характеристик изготовляемого бетона [141]. Данный эксперимент позволяет говорить о возможности реальной борьбы с биодеструкцией промышленных и бытовых сооружений и памятников архитектуры.

7. Реализованы результаты анализа технической литературы при изготовлении генератора озона для обезвреживания воды плавательного бассейна объёмом ванны 2300 м3.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Рогалева, Любовь Викторовна, Санкт-Петербург

1. Панов Г.Е., Петряшин Л.Ф. Охрана окружающей среды. -М.: Недра, 1996.

2. Ленихен Дж., Флотнер У. Здоровье и окружающая среда. -М.: Мир, 1989.

3. Хотунцев Ю.Л. Экология и экологическая безопасность. —М.: ACADEMA, 2000.

4. Вода как природный ресурс. -Смоленск, 1986.

5. Современные технологии и оборудование для обработки воды на водоочистных станциях.-М. 1987.

6. Мазаев В.Т., Шлепнина Т.Г., Мандрыгин В.И. Контроль качества питьевой воды. -М.: Колос, 1999.

7. Алексеев А.И., Середа М.В., Юзвяк С. Химия воды: Теория, свойства применения. -СПб.; Щецин: СЗТУ. 2001.

8. Алексеев А.И, Середа М.В., Юзвяк С. Химия воды: Водные системы, классификация, вредные и токсичные вещества. -СПб.; Щецин: СЗТУ. 2001.

9. Яковлев С.В., Карелин Я.А., Ласков Ю.М., Воронов Ю.В. Очистка производственных сточных вод. -М.: Стройиздат. 1985.

10. СанПиН 21.4.559-96. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. —М.:Госкомсанэпидемнадзор России, 1996.

11. СанПиН 4630-88. Санитарные правила и нормы охраны поверхностных вод от загрязнений. -М.:Минздрав СССР, 1988.

12. Ксенофонтов Б.С. Химия и основы технологии очистки воды. -М. 1997.

13. Очистка воды от пестицидов.-Киев, 1990.

14. Родионов А.И., Клушин В.Н., Торочешников Н.С. Техника защиты окружающей среды. -М.: Химия, 1989.

15. Кульский Л.А. Теоретическое обоснование технологии очистки воды (классификация примесей воды и выбор методов её очистки). -Киев, 1968.16