Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Технология безреагентной обработки подземных вод с устойчивыми формами железа

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Технология безреагентной обработки подземных вод с устойчивыми формами железа"

На правах рукописи

■ Р.Г.6 ол

1 '" МАРЧЕНКО Александр Юрьевич

ТЕХНОЛОГИЯ БЕЗРЕАГЕНТНОЙ ОБРАБОТКИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД С УСТОЙЧИВЫМИ ФОРМАМИ ЖЕЛЕЗА

Специальность 11.00.11 - «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владивосток 2000

Работа выполнена в Дальневосточном государственном техническом университете и Дальневосточном научно-исследовательском институте гидротехники и мелиорации.

Ведущая организация: Дальневосточный научно-исследовательский институт комплексного использования и охраны водных ресурсов (ДП»ФГУП ДальНИИВХ) Министерства природных ресурсов Российской Федерации.

Защита состоится 8 июня 2000 г. в 9 часов на заседании диссертационного совета Д 064.01.02 в Дальневосточном государственном техническом университете по адресу 690600 г. Владивосток, ул. Пушкинская, 33, ауд. Г -134.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ДВГТУ.

Научные руководители:

кандидат технических наук, профессор В. В. Земляной;

кандидат технических наук В. Л. Головин.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор С. Д. Угрюмова; доктор технических наук, профессор Н. Г. Шкабарня.

Автореферат разослан

Учёный секретарь диссертационного сове доктор технических наук, профессор

\\ш.т .не, о

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Большинство подземных вод Дальнего Востока со- " держат растворённые соединения железа. Это придаёт им неприятный привкус и является причиной возникновения различных заболеваний. В соответствии с требованиями СанПиН 2.1.4.559-96 растворенные соли железа относятся к 3 классу опасности. Поэтому природную воду, содержащую железо в концентрациях более 0,3 мг/л, необходимо обязательно подвергать деферризации. Используемая традиционная безреагентная обработка подземных вод не приводит к заметному улучшению их качества. В результате совместного действия биотических (железоокисляющие, сульфатредуцирующие и др. микроорганизмы, а также продукты их метаболизма) и абиотических факторов (агрессивная углекислота, высокие концентрации кислорода, сероводород и т.п.) в системах подачи-распределения воды (ПРВ) наблюдается вторичное зажелезнение воды и ухудшение качества воды в целом.

Эксплуатируемые фильтровальные сооружения не справляются с обработкой таких вод из-за быстрого снижения сорбционной способности загрузки, поэтому увеличивается количество промывок и расход воды, теряемой в процессе водо-подготовки. Кроме того, возникает проблема утилизации образующегося осадка, который, хотя ¡1 не является опасным для окружающей среды, оказывает достаточно неблагоприятное воздействие в силу своего повышенного количества. Кроме того, системы безреагентной водоподготовки в условиях, когда в воде присутствуют органические соединения, не обеспечивают нх изъятие из обрабатываемой воды, в результате чего происходит проникновение в систему ПРВ токсичных веществ в составе органических комплексов, последующее разложение этих комплексов железоокисляющими микроорганизмами с выделением в воду токсичных веществ. Подобные микроорганизмы также формируют биообрастания, под которыми могут создаваться оптимальные условия для развития патогенной микрофлоры, причём наружный слой обрастаний эффективно защищает их от воздействия дезинфицирующих реагентов.

Применение реагентных способов кондиционирования, приводит к образованию в воде высокотоксичн > соединений (при хлорировании: полихлорфе-нолы, хлорированные дифенолы; при озонировании: формальдегид, бен-зальдегид, ацетальдегид, кетоны), а образующийся осадок отличается высокой влажностью и токсичностью.

Подобные обстоятельства являются причиной отказа от использования большинства зажелезнснпых подземных водоисточников. На Дальнем Востоке используется не более 2% от всех разведанных запавов подземных вод, несмотря на то, что по остальным качественным показателям вода соответствует требованиям санитарно-гигиенических норм. Это зачастую вынуждает использовать поверхностные водоисточники, требующие только реагентных способов водоподготовки и отчуждения значительных земельных площадей.

С целью привлечения для использования подземных вод, загрязнённых устойчивыми формами железа, необходим экологически безопасный способ водоподготовки, обладающий высокой эффективностью и надежностью в работе при

низких затратах на эксплуатацию сооружений кондиционирования.

Цель работы. Разработка безреагентного способа удаления из подземных вод органических соединений железа.

В работе решались следующие задачи:

- изучение и анализ факторов, влияющих на процессы обезжелезивания и определяющих эффект использования традиционных технологий;

- изучение особенностей метаболизма железобактерий и их влияние на процессы обезжелезивания;

- исследование эффекта биологической деструкции железоорганических комплексов подземных вод технологическим моделированием;

- разработка методики расчёта и конструкции биореакторов;

- обоснование возможности практического использования способа в системах водоподготовки Дальнего Востока.

Методика исследований. Основывается на теоретических и экспериментальных исследованиях при моделировании с использованием современной технологии контроля качественных параметров.

Научная новизна работы. Проведен комплексный анализ факторов, определяющих физико-химический состав подземных вод юга Дальнего Востока.

Предложена систематизация железоокисляющих микроорганизмов с точки зрения их распространения в природных водах, используемых для водоснабжения.

Проведен анализ особенностей развития железоокисляющих микроорганизмов в сооружениях систем ПРВ.

Разработан новый безреагентный способ водоподготовки, обеспечивающий удаление устойчивых форм железа из подземных вод.

Практическая значимость работ!,I. Эксперименты на моделирующих установках непосредственно на натурных объектах позволили разработать технологию биологического удаления железоорганических комплексов из подземных вод.

На основе использования метаболизма железоокисляющих микроорганизмов разработаны специфические сооружения технологии биологического удаления железоорганических комплексов из подземных вод - биореакторы с объёмной загрузкой в форме волокнистых ершей диаметром 50-65 мм (нить полиэфирная техническая термофиксированная 345 ТЭКС по ГОСТ 24662-81).

Предлагаемая технологическая схема станций безреагентной деферризации с блоком обработки в биологически активной среде позволяет расширить объёмы использования подземных водных ресурсов Дальнего Востока, отказаться от применения реагентов или значительно уменьшить их количество, снизить расходы воды, используемой на собственные нужды станцией водоподготовки и объемы образующихся осадков, избежать развития в системах ПРВ железоокисляющих микроорганизмов, и связанные с этим неблагоприятные проявления, обеспечить безреагентное кондиционирование природных вод, загрязнённых соединениями железа в органической форме.

Реализация результатов работы. На основании результатов проведённых исследований совместно с «Приморгражданпроект» и «Дальэнергосетьпроект»

разработаны проекты станций обезжелезиваиия с использованием технологии биологического обезжелезиваиия в пгт. Новошахтинском Приморского края производительностью 13 ООО м7сут (с экономическим эффектом 2,5 млн. рублей) и пос. Смидовичи Еврейской АО для подстанции «Хабаровская» производительностью 4 м3/сут.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на конференциях: на 2 Тихоокеанской экологической конференции. «Инженерные решения проблем экологии прибрежных регионов. Безопасность жизнедеятельности» Владивосток. 1995; на XXXVI научно-технической конференции: Строительство и архитектура. Владивосток, ДВГТУ. 1996; на XXXVII научно-технической конференции: Строительство и архитектура. Владивосток, ДВГТУ. 1997; на Втором международном студенческом конгрессе стран Азиатско-Тихоокеанского региона. Владивосток, ДВГТУ. 1997; на Дальневосточной Региональной конференции молодых учёных. «Фундаментальные проблемы охраны окружающей среды». Владивосток. ВГУЭиС: 1997; на научно-технической конференции: «Вологдинские чтения» Строительство и архитектура. Владивосток, ДВГГУ. 1998; на научно-практической конференции «60-летие Приморского края (1938-1998). История, современность, будущее». Владивосток. ДВГУ. 1998; на Региональной научно-технической конференции «Приморские зори -99». Владивосток. ДВГТУ. 1999; на Международной научно-технической конференции «Приморские зори -2000». Владивосток. ДВГТУ 2000.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов и приложения. Список литературы включает 99 наименований. Работа изложена на 174 стр. машинописного текста, содержит 35 рисунков и 9 таблиц.

Положения, выносимые на защиту.

1. Наличие в подземной воде железоорганических соединений ограничивает применение традиционных технологий водоподготовки;

2. Возможность использования в технологии водоподготовки природного механизма удаления железоорганических комплексов из подземных вод;

3. Целесообразность применения новой безреагснтной технологии биологической деструкции железоорганических комплексов подземных вод.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследований.

В первой главе изложены основные особенности формирования зажелезнен-ных природных вод. Рассмотрены общие свойства железа как минерала, особенности его миграции в водоносных пластах, освещены допросы формирования и специфика подземных вод юга Дальнего Востока.

В результате анализа климатических условий Дальнего Востока установлено, что (|юрмирование химического состав подземных вод происходит под влиянием

не только состава водовмещающих пород и глубины залегания, но и под влиянием таких факторов, как осадки и активное развитие растительности. При этом наиболее мощным фактором, определяющим формирование и режим подземных вод, являются атмосферные осадки, их интенсивность и сезонное распределение (Фетисов, 1967; Тетюнова, 1976; Труфанов, 1977, 1982; Каравайко, Кузнецов, Голомзик, 1972; Гол одяев, 1967).

Для региона характерны атмосферные осадки со слабокислой реакцией рН = 4.5-5 (\Vhelpdafe, 1983; Труфанов, 1982). При обильном выпадении осадков в условиях постоянно высокой температуры (лето - осень) создаются благоприятные условия для бактериального разложения органических остатков, происходящего в переувлажнённых почвенных горизонтах региона (Труфанов, 1982; Тен ХаК Мун, 1977). Кислород атмосферных осадков при фильтрации через почвенный слой расходуется па окисление органических компонентов. Обогатившись в результате этого продуктами их разложения Оуминовые кислоты, фульвокисло-ты и т. д.) инфильтрующие атмосферные осадки подкисляются и становятся еще более агрессивными по отношению к почвам и породам зоны аэрации. Такие воды растворяют окисные минералы железа и при достижении уровня фунтовых вод, пополняют их растворенными веществами почвенного слоя.

Проведенный анализ особенностей формирования зажелезнённых вод на территории Приморского края показал, что особенности климатических и гидрогеологических условий способствуют активной миграции соединений железа в водоносные горизонты. Такие соединения в большинстве случаев представлены трудноокисляемыми органическими комплексами (с гуминовыми, фульво- и другими органическими кислотами), в то время как аномально высокие концентрации растворенной углекислоты способствуют резкому усилению агрессивности подобных вод.

Во второй главе рассмотрены физико-химические процессы, лежащие в основе кондиционирования зажелезнённых вод, приводятся основные факторы, влияющие на протекание этих процессов, показано как данные факторы определяют выбор технологической схемы и сооружений обезжелезивания (Николадзе, 1978, 1982).

Особое внимание уделено органическим соединениям железа и их влиянию на процессы водоподготовки. Отмечена способность органических веществ препятствовать удалению железа из природных вод из-за образования с последним циклических комплексных соединений. При этом центральный атом (например, железа) связывается ковалентными и ионными связями с лигандом в цикл. Такие соединения очень устойчивы и не окисляются кислородом воздуха.

Безреагентная водоподготовка подобного типа зажелезнённых вод малоэффективна, так как аэрация приводит к переходу гидроокиси железа в неустойчивое коллоидное состояние. В присутствии органических соединений, частицы коллоида гидроокиси железа адсорбируют на своей поверхности частицы коллоида органической природы, имеющие более сильную связь с молекулами воды. Следовательно, при аэрации зажелезненной воды, содержащей органические соединения, не происходит их разруше-

пня, а образ).- 1ся железоорганические комплексы, которые не задерживаются фильтровальными сооружениями.

Отмечено, что органические комплексы способствуют миграции в системах ПРВ токсичных соединений, таких как пестициды и др., так как благодаря механизму хелатирования подобные вещества в составе органических комплексов не задерживаются фильтровальными сооружениями. В дальнейшем, при обработке хлором воды, прошедшей деферризацию на станции обезжелезива-ния, происходит частичное разрушение органических комплексов с образованием токсичных соединений, таких как полихлорфенолы, хлорированные дифено-лы и выделение в воду соединении, которые удерживались хелатирующими связями органических комплексов. Как следствие, происходит усиление токсичных свойств воды, подаваемой потребителю.

Проведённый анализ опыта работы станций водоподготовки в Приморском крае показал, что непрореагировавшие с хлором органические комплексы являются причиной активного развития железоокисляющих микроорУанизмов, что влечёт за собой вторичное зажелезнение воды и, кроме того, являются косвенной причиной для развития в системах ПРВ патогенных форм микроорганизмов. В результате происходит значительное ухудшение качественных показателей обработанной воды.

Проанализированы реагентные способы обезжелезивания природных вод, рассмотрены основные виды реагентов, использующихся для обезжелезивания, специфика и особенности их взаимодействия с соединениями железа, растворенными в обрабатываемой воде. Рассмотрены особенности взаимодействия реагентов с органическими соединениями. Перечислены основные способы обработки воды, содержащей железо в виде органических комплексов при одновременно высокой концентрации углекислоты.

Определены причины коррозионной активности подземных вод Дальневосточного региона по отношению к элементам системы водоснабжения. К ним относятся: присутствие железоокисляющих микроорганизмов и сопутствующей микрофлоры (Чайковский и др., 1998), растворенной агрессивной углекислоты, органических кислот и, в ряде случаев, сероводорода. Анализ работы станций обезжелезивания в Приморском крае и механизма процессов как безреагентного, так и реагентного обезжелезивания позволил установить, что применение традиционных способов обезжелезивания приводит к повышению рН и нарушению углекислотного равновесия в обрабатываемой воде, в связи с чем, она также приобретает агрессивные свойства (Николадзе, Лазарев, 1982).

Проведённые исследования показали, что в условиях Дальнего Востока применение традиционных способов обрабртки подземных вод большинства месторождений исключается из-за качественных параметров воды. Таким образом, зажелезнениые подземные воды, в которых растворенное железо представлено органическими комплексами требуют новых решений для обеспечения удаления из них органических соединений, железа, железоокисляющих микроорганизмов, а так же предотвращения возможности образования токсичных соединений и усиления агрессивных свойств воды в процессе её кондиционирования. Обеспечение этих требований возможно при использовании способа биологического

обезжелезивания, основанного на способности железоокисляющих микроорганизмов разлагать органические комплексы железа с одновременным экстрагированием из их состава железа.

Проведенные патентные исследования подтвердили перспективность данного направления.

В третьей главе рассмотрены особенности способа биологического обезжелезивания. Отмечено, что до 70-х годов исследования в данной области не проводились, хотя о способности некоторых микроорганизмов окислять соединения железа и вызывать коррозию - обрастание элементов водораспределительных систем было известно ещё в начале века. При этом способы борьбы с подобными микроорганизмами предполагали снижение их численности только путём дополнительного фильтрования или дезинфекции (Головин, 1982).

Проанализированы существующие способы биологической деферризации (Николадзе, 1976; Richard, 1978; Сафонов, Русак, 1984; Bernard, Serieys, 1986; Deguin, Siden, 1988; Richard Y. и др., 1989). В результате установлено, что способ биологического обезжелезивания обладает достаточно высокой эффективностью в условиях, когда традиционные безреагентные способы неприменимы. Отмечено, что все исследованные технологии биологического обезжелезивания отличаются значительной сложностью в эксплуатации, достаточно громоздки в конструктивном отношении, или для их оптимальной работы требуются специфические активаторы.

Сделан вывод о том, что в дальнейшем развитие биологических способов обезжелезивания должно идти по пути повышение интенсификации процесса при снижении как конструкционных сложностей, так и технологических затрат. Для обеспечения этих требований были проанализированы особенности механизма биологического обезжелезивания, в частности, была рассмотрена систематика железоокисляющих микроорганизмов, специфика их распространения и развития.

Анализ микробиологических исследований, проведенных в разные годы (Холодный, 1953; Аристовская, 1961, 1965; Заварзин, 1972; Чухров и др., 1973; Балашова, 1974; Дубинина, 1978; Илялетдинов 1984; Громов, Павленко, 1989; Гусев, Минеева, 1992), позволил установить, что все железоокисляющие микроорганизмы делятся на две принципиально различные группы (рис. 1). В первую группу (I на рис. 1), так называемых истинных железобактерий, с хемотрофным метаболизмом, входят микроорганизмы видов Thiobacillus ferrooxidans и Leptospirillum ferrooxidans, которые используют энергию, выделяющуюся при окислении закисного железа, при этом углерод для построения клеточных тканей эти микроорганизмы ассимилируют из углекислоты, растворенной в воде.

Во вторую группу (II на рис. 1), входят микроорганизмы, способные экстрагировать растворенные соединения железа, но не использующие энергию, выделяющуюся при окислении закисного железа. Данная группа наиболее представительна. В нее входят такие микроорганизмы как Leptothrix pseudoocliraceae, разновидности Gallionella, Siderocapsaceae и др., большинство которых относятся к гетеротрофам, т. е. для их развития обязательно требуются органические вещества.

Развитие первой группы лимитируется значениями рН<4 и Ек>500 мВ. В природных водах, используемых для водоснабжения, эти значения таковы, что исключается развитие подобных микроорганизмов, поэтому в системах водоснабжения распространение имеют только микроорганизмы второй группы.

_г - —1- ---

Ко" I

еОН) , 1 -

■ ---

■Ч<01 1)з-

--- -- - _

; ч 1 — шш • -

— Ге _

5йЙ»\

1

I 1

ШГ < •

' г» 1

- А

; I» —== гс<

-

— . Гс к:

1 ! 1

1.2 /ГЛ, У

1.0 0.8 О 6 О.Л 0.2 О -0.2 -О 4 -Об Г"

Поле устойчивости соединений Зоны обитания:

железа; I - ТЬюЬасНКгс Геггоох^аш;

II - 81с!егосар5асеас, ЬсрюИшх, СаИюпсНа.

Поле устойчивости полы.

6

ю

12

I

Рис. 1. Диаграмма устойчивости железа в воле и области обитания жслсзоокнсл)пощих микроорганизмов.

Установлено, что экстрагирование железа микроорганизмами второй группы может вестись несколькими путями:

- сорбцией положительно заряженных ионов клеточной стенкой, имеющей поверхностно отрицательный заряд, при которой накопление железа микроорганизмами может идти независимо от метаболической активности клеток и формы железа, закисной или окисной;

- взаимодействием с продуктами метаболизма;

- комплексным воздействием первых двух механизмов при разложении органических комплексов железа, причем органическое вещество используется микроорганизмами в качестве источника питания;

- накоплением в виде жестких оболочек микоплазмами (СаПюпеНа, возможно 8¡с1с1"осар5асеае), что заменяет им ригидную клеточную стенку, обеспечивая их существование в осмотически неуравновешенной среде.

Гетеротрофные железоокисляющие микроорганизмы используют закисные соединения железа для удаления перекиси водорода Н202 - вредного продукта, образующегося в результате их метаболизма

2Гсн + Н202 -> 2Рс3+ + Н20 + <Э2. (1)

В обычных условиях для ускорения распада перекиси аэробные микроорганизмы синтезируют специфический ферйент - каталазу. В природных водах, имеющих незначительную концентрацию органических веществ, но насыщен-

пых заклсными соединениями железа, железоокисляющие микроорганизмы не тратят энергию на синтез каталазы, а используют вместо неё закисные соединения железа. Процесс протекает в капсулах, чехлах, слизистых выделениях, на поверхности клеточной стенки, в которых концентрируются закисные соединения железа и перекись водорода. Эта особенность метаболизма была положена в основу способа биологической деструкции железоорганических комплексов подземных вод.

Рассмотрен химический состав соединений железа, накапливаемых железо-окисляющими микроорганизмами (Чухров и др., 1973). Соединения железа представлены ферригидритом 2,5 Ре203 -4,5 Н20, который с течением времени переходит в гематит или гетит (объём данных веществ в 5 раз меньше объёма гидрооксида железа). Следовательно, осадок, образующийся в результате жизнедеятельности железоокисляющих микроорганизмов, имеет значительно меньший объем, чем осадок образующийся при традиционном химическом окислении.

Рассмотрены экологические границы существования железоокисляющих микроорганизмов. Установлено, что эти микроорганизмы распространены практически повсеместно в почве, в воде поверхностных и подземных водоисточников (Заварзин, 1972; Холодный, 1953). Анализ исследований, проведенных в Приморском Крае (Головин, Терещенко, 1982) а также непосредственно автором подтвердил данное положение. В частности, практически во всех системах кондиционирования зажелезненных вод на территории Приморского края отмечены явления, косвенно характеризующие присутствие в воде железоокисляющих микроорганизмов.

Анализ особенностей распространения данных микроорганизмов в системах ПРВ показал, что условия их существования отличаются от условий, сложившихся в зоне природного обитания железоокисляющих микроорганизмов. Рассмотрены наиболее значительные факторы, влияющие на их развитие: присутствие органических соединений, содержание растворенного кислорода, скорость транспортирования воды, избыточные давления.

В результате проведенного анализа метаболизма этих микроорганизмов в естественных условиях и системах ПРВ сделан вывод о том, что активное развитие железоокисляющих микроорганизмов в системах ПРВ является показателем специфического органического загрязнения, в связи с чем, одновременно с деферризацией на станции водоподготовки необходимо предусматривать удаление органических соединений.

В четвёртой главе рассмотрены особенности технологии безреагентпой обработки подземных вод с устойчивыми железоорганическими комплексами и проанализирована специфика систем биологической обработки природных вод.

Установлено, что основными лимитирующими факторами реакции биологической деструкции железоорганических комплексов является обеспеченность органическими веществами и закиспыми соединениями железа и физические условия (в основном температура и давление).

Оптимальной конструкцией для систем биологической обработки природных вод, является биореактор с неподвижным слоем, так как он позволяет дос-

тичь высоких удельных нагрузок в достаточно малом объеме. При этом скорость массообмена питательной среды (обрабатываемой воды) должна находиться в определенном оптимуме, который определяется такими требованиями, как обеспечение микроорганизмов питательными веществами, причем равномерно по всему объему биореактора, и исключение вымывания уже закрепившихся микроорганизмов.

Решающее значение на определение скорости массообмена оказывает вид насадки, используемой для закрепления железоокисляющих микроорганизмов. Анализ способов и скорости фиксации микроорганизмов на различных видах носителя (Richard, 1978; Marchand, 1989; Квасников и др., 1990), подтвердил, что все виды зернистой загрузки имеют существенный недостаток (с точки зрения биологической обработки): биологические реакции окисления протекают только на поверхности гранул там, где закрепились микроорганизмы. Внутренний объем гранул, и внутреннее пространство между отдельными гранулами не заселены ими и, следовательно, выполняют лишь поддерживающие и транзитные функции соответственно, т. е., по сути, являются мертвым пространством.

Если рассматривать сообщество железоокисляющих микроорганизмов как первичную сукцессию биореактора, то необходимо поддерживать оптимальные условия для развития данного сообщества, чтобы не допустить развития негативных, с точки зрения водоподготовки, сукцессий. Например, развитие суль-фатредуцирующих и т. п. микроорганизмов делает процесс обработки неконтролируемым и способствует ухудшению качественных показателей воды. Для этого необходимо обеспечивать не только снабжение питательными веществами всего сообщества железоокисляющих микроорганизмов, но и своевременно производить удаление образующегося осадка, так как проникновение кислорода в глубину биоплёнки толщиной более 0,4 мм невозможно. Использование зернистой загрузки не обеспечивает непрерывное и быстрое удаление образующегося во время жизнедеятельности микроорганизмов осадка, который представляет собой до 90% соединений железа по сухому веществу. Поэтому, как правило, наблюдается чрезвычайно быстрая кольматация загрузки. В свою очередь, это требует увеличения количества промывок, при которых происходит вымывание активной биоплёнки.

Общая пористость носителя также не имеет особого значения, так как в закрытых порах из-за отсутствия протока не обеспечивается требуемый массооб-мен - подвод питательных веществ, растворенных в обрабатываемой воде, к закрепившимся на насадке микроорганизмам, и отвод образующихся продуктов метаболизма и осадка.

Таким образом, носитель, предназначенный для фиксации микроорганизмов при обработке воды по схеме биологической деструкции железоор-ганических комплексов должен обладать большой удельной поверхностью адсорбции, высокой открытой пористостью, малым гидравлическим сопротивлением потоку жидкости, экологической безопасностью и низкой стоимостью. Наиболее перспективными материалами является различные виды волокнистых насадок, обладающие высокой удельной поверхностью, представленная отдельными волокнами, на которых происходит фиксация микроорганизмов (Куликов,

УА

Зотов, 1987). Данная насадка была использована для дальнейших исследований.

Экспериментальные исследования подтвердили эффективность использования предлагаемого способа для удаления железоорганических комплексов из подземных вод (рис 2-3). В частности, было установлено, что при содержании в исходной воде железа в органической и неорганической формах от 5,5 до 10 мг/л (рис. 2), после обработки в моделирующей установке содержание железа снизилось до 2 - 4,2 мг/л, т. е. обработка воды в экспериментальной установке позволила снизить содержание растворённого в воде железа не менее чем в два раза.

^ I —♦—в обеих формах

до обработка-

неорганическое до обработки;

органическое до обработки;

в обеих формах после обработки;

неорганическое после обработки;

12 14 16 18 20 , продолжительность, сут.

А -органическое после обработки.

Рис. 2. Результаты моделирования на подземной воде (о. Сахалин) по общему железу.

-общее органическое до обработки;

-общее органическое после обработки;

-закисное в обеих формах до обработки;

О закисное в обеих формах после

14 16 18 20 обработки.

продолжительность, сут.

Рис. 3. Результаты моделирования на подземной поде (о. Сахалин) но общему и закисному

железу.

Причём содержание железоорганических соединений до обработки 1,6 - 3,2 мг/л (рис. 3) после обработки снизилось до 0,1 - 0,5 мг/л, кроме того, содержание закисных соединений железа в обеих формах в воде после об-

работки снизилось с 1,8 - 4,6 мг/л до 0,2 - 0,7 мг/л. На основании этого, был сделан вывод о возможности применения способа биологической деструкции железоорганических комплексов для обработки подземных вод и подтверждено, что наибольшая эффективность способа проявляется при удалении закисных и органических соединений железа.

В результате проведённых исследований были разработаны методика моделирования предлагаемого способа, конструкция биореактора и методика контроля качественных параметров работы биореактора по удалению железоорганических комплексов, основанная на разности показаний при определении железа радонидным и сульфосалициловым способами.

Биореактор (рис. 4) является основным сооружением предлагаемой технологии. Экспериментальные исследования позволили определить технологические параметры его оптимальной работы. В частности, удельная нагрузка в биореакторе при установке насадки с шагом 50-75 мм (оптимально), высоте активной зоны (3 на рис. 4) не менее 1,8 м и скорости протока 10-11 м/ч (оптимальная скорость) составляет 0,1 м2 /м3/ч. Для использования в предлагаемой технологии разработаны две конструкции биореактора (Л и Б на рис. 4), использование которых в каждом конкретном случае определяется качественными показателями обрабатываемой воды (необходимостью применения устройств дегазации и возможностью их блокировки с биореакторами).

А Б

подача воды на обработку |

отвод воды

сброс осадка

подача воды на обработку

Рис. 4. Конструкция бпорсакторов. Л - раздельная компоновка; Б - смежная компоновка. 1 - приёмный карман; 2- зона накопления осадка; 3 - активная зона; 4 - трубопровод подачи воды на обработку.

Исходными данными для расчета биореактора являются расход обрабатываемой воды, концентрация соединений железа в неорганической форме

и концентрация соединений железа, находящихся в органической форме. Объем биореактора \У, л, с прикрепленной микрофлорой

= К * д * ^ (2)

где К - коэффициент, учитывающий уменьшение полезного пространства, занимаемого насадкой и поддерживающими конструкциями (1.1 - 1.3); q -расчетный расход воды, поступающей в биореактор, л/с.

Время полного окисления органических соединений железа минут, определяется экспериментально для конкретного типа обрабатываемой воды

1 = Рвх*К/(У*Си*(1-8)), (3)

где Рвх - расчетная концентрация железоорганических соединений в обрабатываемой воде (принимается большее значение, если имеются сезонные колебания); V - средняя удельная скорость окисления железоорганических соединений микроорганизмами, мг/г сухого вещества биомассы в минуту; Си - расчетная концентрация железоокисляющей биомассы по сухому веществу, 32 г/л для микроорганизмов, закреплённых на инертных носителях; в - предельная допустимая зольность в биореакторе (0.5-0.6); К - коэффициент ингибирования процесса (0.9 - 1.4).

Средняя удельная скорость окисления железоорганических соединений микроорганизмами

V = (Р„х -Рв„,х)^,од60/ (Си-\у), (4)

где Рвх , Рвь,х - концентрация железоорганических соединений в исходной и обработанной в модели биореактора воде, мг/л; qмoл - производительность модели биореактора, л/с; № - объем модели биореактора, принимается с учетом пространства, занимаемого носителем, л.

На основании исследований, проведенных автором на натурных объектах, анализа опыта работы станций обезжелезивания, а также анализа литературных источников определены условия применимости технологии безреагентной обработки подземных вод с устойчивыми формами железа (рис. 5). Основными факторами, влияющими на область применения предлагаемой технологии, являются концентрация органических веществ и содержание закисных соединений железа в обрабатываемой воде.

Для обеспечения деструкции железоорганических соединений в предлагаемой технологии используется предварительная ступень водоподготовки -биореактор (рис. 6). Причем важной особенностью является отсутствие перед биореакторами 3 традиционной аэрации, которая угнетающе воздействует на метаболизм железоокисляющих микроорганизмов. Вместо неё применяется дегазация для удаления из воды агрессивных' газов, например, на вакуумно-эжекционных устройствах без дополнительных ступеней эжекции. Окисление остаточных неорганических соединений закисного железа производится путём аэрации простейшими способами, например путем свободного излива обработанной в биореакторах воды, в приёмный карман скорых фильтров 7. На фильтрах обеспечивается доведение качественных параметров обработанной в биореакторах воды до требований санитарно-гигиенических норм.

Рис. 5. Условия применимости технологии безрсагигшой обработки подземных вод с устойчивыми

формами железа.

подача

Рис. й. Технологическая схема станции обезжелезнвания с блоком биологической деструкции

железоорганических комплексов. 1 - вакуумно-эжекциониые устройства; 2 - приемный карман; 3 - биорсактор; 4 - зона накопления; 5 - активная зона; 6 - трубопровод сброса осадка; 7 - скорым фильтр; 8 - фильтровальная загрузка; 9 - дренажная система; 10-сооружения обеззараживания.

Предлагаемая технология безреагентной обработки подземных вод с устой-

1 и

чивыми формами железа в сравнении с технологией реагентного обезжелезива-ния не только более проста в эксплуатации, но и более экологична, так как при её использовании образуется значительно меньше осадка. Проведенные расчеты показывают, что предлагаемая технология позволяет уменьшить количество образующегося осадка на станции обезжелезивания не менее чем в 2, 7 раза. Кроме того, осадок, образующийся в биореакторах, имеет структуру, которая обеспечивает его применение, например, в производстве красителей. Использование биореакторов позволяет значительно разгрузить фильтровальные сооружения, а, следовательно, сократить количество промывок и связанный с этим расход промывной воды, и в конечном итоге, значительно уменьшить объёмы воды на собственные нужды станции обезжелезивания.

Кроме того, в сравнении с таким распространённым способом обезжелезивания, как известкование, при использовании технологии безреагентной обработки подземных вод с устойчивыми формами железа, значительно уменьшается или полностью исключается применение извести и загрязнение природной среды осадком, образующимся при её растворении. Например, для станции производительностью 13000 м3/суг, содержании железа в воде до 12 мг/л и концентрации углекислоты до 130 мг/л расход извести за год составляет 1700 тонн, а количество образующегося осадка при её растворении составляет 680 тонн.

Использование предлагаемой технологии также обеспечивает пассивную защиту всех систем подачи - распределения воды от негативного влияния железо-окисляющей микрофлоры и сопутствующих микроорганизмов за счёт удаления из воды органических соединений, что позволит исключить или значительно снизить вторичное загрязнение воды в системе ПРВ и продлить срок службы последней.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Анализ специфики формирования подземных природных вод на юге Дальнего Востока позволил сделать вывод о широком распространении их загрязнённости железойрганическими комплексами.

На основе проведённого анализа работы станций обезжелезивания Приморского края и теоретических основ процесса обезжелезивания установлено, что особое значение на эффективность его протекания оказывают факторы органической природы, а также аномально высокие концентрации растворённой углекислоты (до 300 мг/л) и, в ряде случаев, сероводорода. Установлено, что применение безреагентных способов деферризации в большинстве случаев малоэффективно.

• Анализ процесса биологического обезжелезивания позволил определить, что окисление железа микроорганизмами производится неспецифически - путём окисления выделяющейся перекисью водорода. Установлено, что развитие подобных микроорганизмов сопровождается изъятием из веды органических соединений, и как закисных, так и окисных солей железа. Высказано предположение, о том, что железосодержащие подземные воды относятся к особому типу экологической среды обитания микроорганизмов.

Предложено в качестве насадки для фиксации железоокисляющей микрофлоры использовать волоконную нить 345 ТЭКС по ГОСТ 24662-81. Для исследования процессов биологической деструкции железоорганических комплексов для данного вида насадки были разработаны моделирующие установки. Экспериментальные исследования, проведённые непосредственно на природных водах, позволили определить технологические параметры и конструкцию биореактора - основного устройства, в котором осуществляется биологическая деструкция железоорганических комплексов.

Разработана методика моделирования способа биологического удаления железоорганических соединений из подземных вод, а также методика контроля качества работы биореактора.

Разработана технология безреагентной обработки подземных вод с устойчивыми формами железа. Определена область применения предлагаемой технологии. Установлено, что окончательное решение о целесообразности применения предлагаемой в диссертации технологии, в ряде случаев может быть принято только после соответствующего моделирования.

Теоретические исследования особенностей метаболизма железоокис-ляющих микроорганизмов, подтверждённые результатами экспериментальных исследований на подземных водах в Приморском крае, Хабаровском крае и Сахалинской области, позволили рекомендовать использование разработанной в диссертации технологии безреагентной обработки подземных вод с устойчивыми формами железа для улучшения качества подземных вод Дальнего Востока.

На основании результатов исследований были запроектированы станции деферризации с использованием способа биологического удаления железоорганических комплексов.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Головин В. JI., Марченко А. Ю. К вопросу биологического обезжелезивания природных вод/ Материалы 2-й Тихоокеанской экологической конференции/1718 ноября 1995 г. Владивосток: Приморское краевое общество технической экологии, 1995. С. 38.

2. Головин В. Л., Марченко А. Ю. Биологическое обезжелезивание природных вод на станциях водоподготовки малой производительности Сб. тезисов докладов XXXVI научно-тех. конф.: Строительство и архитектура Владивосток, ДВГТУ, 1996. С. 61.

3. Головин В. Л., Марченко А. 10. Проблемы негативного влияния железобактерий в системах подачи-распределения воды. Сб. тезисов докладов XXXVII научно-тех. конф.: Архитектура и строительство, Владивосток, ДВГТУ, 1997. С. 85-86.

4. A. Y. Marchenko, V. L. Golovin. То a Question of Biological Iron Removing from the Natural Water/ Second International Students Congress of the Asia-Pacific Region Countries/Abstracts/April 22-26, 1997. Vladivostok, Russia. FESTU. Pp 251-252.

5. Головин В. JI., Марченко A. 10. Биологическое обезжелезивание как ком-

плексный метод кондиционирования подземных вод/ Дальневосточная региональная конференция молодых учёных «Фундаментальные проблемы охраны окружающей среды», Владивосток: Изд-во Дальневост. ун-та. 1997., книга 2. С.

6. Усовершенствовать, внедрить технологию и оборудование для безреагентно-го обезжелезивания подземных вод. Отчёт о НИР (заключительный). ГП Дапь-НИИГиМ; Руководитель В. Л. Головин, отв. исполнитель А. Ю. Марченко. -22.1.22.03.6 Б (04.03.05). -Владивосток, 1998. - 157 е.: ил.

7. Головин В. Л., Марченко А. Ю. Проблемы негативного влияния железобактерий в системах подачи-распределния воды/ Сб. тезисов докладов научно-тех. конф. «Вологдинские чтения»: Архитектура и строительство, вып. 2, Владивосток: ДВГТУ, 1998. С. 30.

8. Головин В. Л., Марченко А. Ю. Экологические аспекты кондиционирования природных железосодержащих вод/ Сб. тезисов докладов научно-тех. конф. «Вологдинские чтения»: Архитектура и строительство, вып. 2, Владивосток: ДВГТУ, 1998. С. 31.

9. Головин В. Л., Марченко А. Ю. Особенности кондиционирования железосодержащих подземных вод Дальнего Востока./ Сб. тезисов докладов международной научно-тех. конф. Актуальные проблемы современного строительства и природообустройства: Благовещенск: ДальГАУ, 1999. С. 50.

10. Головин В. Л., Марченко А. Ю. Экология водообеспечения сельскохозяйственных объектов в Приморском крае. Экологический вестник Приморья: № 8 1999. С 14-20.

11. Головин В. Л., Марченко А. Ю. Безреагентная обработка подземных вод, содержащих устойчивые формы железа. Экология, безопасность жизнедеятельности, охрана труда и развихие Дальневосточных территорий. Сб. докладов научных чтений «Приморские зори - 99». 20-21 апреля 1999 г. Владивосток: ТА-НЭБ, 1999. С. 36-41.

3-6.

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Марченко, Александр Юрьевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ И ПРИРОДНО-КЛИМАТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ЗАЖЕЛЕЗНЕННЫХ ПОДЗЕМНЫХ ВОД.

1.1. Формирование подземных вод.

1.2. Особенности формирования зажелезненных подземных вод.

1.3. Характеристика месторождений подземных вод Приморского края.

1.4. Особенности формирования зажелезненных подземных вод юга Дальнего Востока.

2. СОВРЕМЕННЫЕ СПОСОБЫ ОБЕЗЖЕЛЕЗИВАНИЯ.

2.1. Общая характеристика.

2.2. Безреагентные способы обезжелезивания.

2.3. Реагентные способы обезжелезивания.

2.4. Особенности обработки зажелезненных природных вод

Дальнего Востока.

3. ОСНОВЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЗАЖЕЛЕЗНЕННЫХ ПРИРОДНЫХ ВОД.

3.1. Анализ существующих способов биологической деферризации.

3.2. Характеристика железоокисляющих микроорганизмов и способы накопления ими железа.

3.3. Классификация и зона обитания гетеротрофных железоокисляющих микроорганизмов.

3.4. Особенности распространения железоокисляющих микроорганизмов в системах обработки, подачи и распределения воды.

3.5. Особенности биокоррозии и биообрастания систем ПРВ.

3.6. Мероприятия для исключения попадания железоокисляющих микроорганизмов в системы подачи-распределения воды.

4. ТЕХНОЛОГИЯ БЕЗРЕАГЕНТНОЙ ОБРАБОТКИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД С УСТОЙЧИВБ1МИ ФОРМАМИ ЖЕЛЕЗА.

4.1. Физический смысл и факторы, влияющие на интенсивность протекания процесса биологического обезжелезивания.

4.2. Особенности систем биологической обработки природных вод.

4.3. Обоснование оптимальной гидродинамической схемы биореактора.

4.4. Особенности технологии безреагентного обезжелезивания подземных вод с устойчивыми формами железа.

4.5. Эффективность использования водных ресурсов в технологии безреагентного обезжелезивания подземных вод с устойчивыми формами железа.

Введение Диссертация по географии, на тему "Технология безреагентной обработки подземных вод с устойчивыми формами железа"

Обеспеченность населения Земли питьевой водой в настоящее время относится к разряду глобальных проблем. Всемирная организация здравоохранения считает, что 80% всех болезней на Земле вызываются загрязненной водой или отсутствием элементарных гигиенических условий. В то же время, в связи с все более увеличивающимся антропогенным прессингом усиливается деградация природных источников питьевой воды, в результате чего их качественные показатели неуклонно ухудшаются.

В большинстве населенных пунктах в качестве источника водоснабжения используются поверхностные водоемы, формирование качества воды в которых зависит от большого числа факторов, причем только некоторые из них могут быть оценены достаточно полно и корректно - это организованные сбросы промышленных и коммунально-бытовых сточных вод. Влияние других факторов изучено недостаточно, например, загрязнения, индуцируемые половодьями и паводками, а также связанные с выпадением атмосферных осадков. Развитие промышленного и сельского хозяйства, коммунального хозяйства городов, населенных мест и связанный с этим рост водопотребления и водоотведения, использование прибрежных водоохранных полос, нарушение правил хранения и использования ядохимикатов, распашка пойм, развитие эрозионных процессов, неадекватные требования к качеству очистки сточных вод, а иногда и полное отсутствие их очистки, влекут за собой постоянную деградацию водоисточников. В результате, поверхностные водоёмы теряют способность к самоочищению. Постоянно накапливающиеся ионы тяжелых металлов, детергенты, пестициды, биогенные элементы, токсичные химические соединения, фенолы, нефтепродукты, хлорорганика приводят к тому, что вода поверхностных водоисточников по своему качеству приближается к слабоконцентрированным сточным водам.

Применение в этих условиях традиционных способов обработки воды 5 приводит: к увеличению расхода реагентов, к изменению химического состава, увеличению солесодержания и коррозионной активности очищаемой воды, к увеличению образования в уже обработанной воде опасных для здоровья человека токсичных соединений; к увеличению объема отходов, образующихся при очистке воды и загрязнению ими окружающей среды, и, при этом, не обеспечивается получение питьевой воды, качество которой соответствует возросшим требованиям стандартов [ 75]. По свидетельству Гос-санэпидемнадзора, каждая восьмая проба в исследованной водопроводной воде не соответствуют гигиеническим требованиям и представляют опасность в эпидемиологическом отношении, каждая пятая нестандартна по химическим показателям.

В связи с этим, все чаще для водоснабжения привлекаются подземные водоисточники, обладающие достаточно стабильным физико-химическим составом и наибольшей защищенностью в санитарно-бактериологическом отношении. Причём их использование требует при равной производительности в сравнении с поверхностными водоисточниками строительства менее сложных технологически сооружений водоподготовки. Однако возможности подземных водоносных месторождений используются только частично (например, на Дальнем Востоке используется не более 2% от всех разведанных запасов), что связано с качественными показателями воды. Физико-химический состав подземных вод определяется особенностями их формирования, представляющими собой естественную природную систему обработки, в которой за счет большой продолжительности пребывания воды, а, следовательно, и малых скоростей фильтрования обеспечивается значительное изменение состава инфильтрующих вод. Причем эти изменения происходят не только под влиянием чисто химических взаимодействий, значительное влияние на этот процесс оказывает и микробиальная деятельность. Однако изменение качественных параметров воды не может быть оценено однозначно. Так, если по большинству параметров качество улучшается, то по неко6 торым показателям может наблюдаться значительное ухудшение. Это, прежде всего, соединения железа, марганца, растворенная углекислота, сероводород, различные органические кислоты. Причём спецификой подземных вод является то, что несоответствие качественных показателей воды требованиям санитарно-гигиеническим нормативам может наблюдаться только по одно-му-двум параметрам.

Для Дальневосточного региона, особенно для южной его части таким показателем являются растворенные соединения железа. Причём в используемых для нужд водоснабжения подземных водах, мероприятия по деферризации явно недостаточны, в связи с чем, население для хозяйственно-питьевых нужд использует воду с концентрациями железа постоянно или периодически превышающими требования санитарно-гигиенических норм. В то же время, в соответствии с СанПиН 2.1.4.559-96 железо относится к третьему классу опасности и его ПДК в воде составляет 0.3 мг/л. Несмотря на то, что превышение ПДК на содержание железа в питьевой воде приводит, прежде всего, к ухудшению её органолептических показателей (неприятный привкус и характерный цвет), необходимо отметить негативное влияние избытка железа на нормальное функционирование человеческого организма. При избыточном введении в организм железа, оно откладывается в виде коллоидной формы окиси железа (гемосидерин), разрушающей клетки печени. Кроме того, при усвоении человеческим организмом минеральных элементов имеет место усиливающее или уменьшающее биодоступность взаимодействие самих микроэлементов в желудочно-кишечном тракте. В настоящий момент доказано, что избыточное потребление соединений железа подавляют всасывание в тонкой кишке таких микроэлементов как марганец, медь и кобальт^ 44]. В свою очередь это приводит к развитию анемии, ишемических болезней сердца, пневмонии.

Таим образом, зажелезненные воды необходимо обязательно подвергать деферризации с цель снизить содержание солей железа до 0.3 мг/л. Для 7 этого требуется достаточно дешевый и простой в эксплуатации, и при этом очень надежный в экологическом отношении, способ деферризации.

Изучение структуры технических решений заложенных в изобретения, запатентованные за последние двадцать лет в области обезжелезивания, показывает, что основными направления развития являются:

Совершенствование таких известных технологий, как введение кислорода или кислородотдающей среды, применение катализаторов и реагентов, фильтрование;

Исследования в области новых технологий, таких как: магнитная обработка, обработка ультрафиолетовым излучением, обработка с помощью микроорганизмов.

Для каждого из этих способов существуют определенные ограничения, связанные, прежде всего, с качественными параметрами обрабатываемой воды, такими как природа соединений железа (органическая или неорганическая), присутствие железоокисляющих микроорганизмов, наличие и концентрация растворенных в зажелезненной воде газов.

В Дальневосточном регионе зажелезненные подземные воды широко распространены в основном на равнинных территориях, на которых в настоящий момент проживает большинство населения. Качественный состав таких вод представлен органическими соединениями железа, аномальными концентрациями растворенной углекислоты (до 300 мг/л), в некоторых случаях присутствует сероводород, что предопределяет неэффективность применения безреагентных способов обработки. Опыт эксплуатации станций безреагентного обезжелезивания Приморского края, в условиях, когда водоносные пласты имеют гидравлическую связь с заболоченными территориями (т. е. железо находится в виде органических комплексов) подтверждает это. Причем наиболее опасно то, что использование для обеззараживания воды хлора приводит к появлению в обрабатываемой воде токсичных хлороргани-ческих комплексов (полихлорфенолы, хлорированные дифенолы) и повыше8 нию ее коррозионной активности [ 12]. Озонирование не применяется в широких масштабах из-за недостаточной изученности, и, кроме того, при озонировании образуются вредные побочные продукты, такие как формальдегид, бензальдегид, ацетальдегид, кетоны.

Обработка подобных природных вод рекомендуется исключительно реагентными способами. Однако их использование затруднено не только технологически, также возникает проблема осадка, который образуется в значительных количествах, имеет высокую влажность и в ряде случаев токсичен. При этом расход на собственные нужды станции реагентного обезже-лезивания может достигать 10% от всего количества обрабатываемой воды.

Таким образом цель диссертации - разработка безреагентного способа удаления из подземных вод органических соединений железа.

При этом задачами проводившихся исследований являлись:

- изучение и анализ факторов, влияющих на процессы обезжелезивания и определяющих эффект использования традиционных технологий;

- изучение особенностей метаболизма железобактерий и их влияние на процессы обезжелезивания;

- исследование эффекта биологической деструкции железоорганических комплексов подземных вод технологическим моделированием;

- разработка методики расчёта и конструкции биореакторов;

- обоснование возможности практического использования способа в системах водоподготовки Дальнего Востока.

В основу диссертации положены результаты исследований, проводившихся в соответствии с государственным заданием № 22.1.22.03.6 Б (04.03.05) в ГП ДальНИИГиМ и Строительном институте ДВГТУ.

Положения, выносимые на защиту:

1. Наличие в подземной воде железоорганических соединений ограничивает применение традиционных технологий водоподготовки;

2. Возможность использования в технологии водоподготовки природного ме9 ханизма удаления железоорганических комплексов из подземных вод;

3. Целесообразность применения новой безреагентной технологам биологической деструкции железоорганических комплексов подземных вод.

Структурно работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и приложения. В первой главе изложены основные особенности формирования зажелезнённых природных вод. Рассмотрены общие свойства железа, особенности его миграции в водоносных пластах, освещены вопросы формирования и специфика подземных вод юга Дальнего Востока.

Во второй главе рассмотрены физико-химические процессы лежащие в основе кондиционирования зажелезнённых вод и основные факторы, влияющие на скорость их протекания. Показано, как эти факторы определяют выбор технологической схемы и сооружений обезжелезивания. Особое внимание уделено железоорганическим соединениям и влиянию их на процессы водоподготовки. Сформулированы главные положения нового подхода для обеспечения эффективной обработки зажелезнённых подземных вод Дальнего Востока.

В третьей главе рассмотрены особенности биологической обработки зажелезнённых подземных вод. Проанализированы существующие способы обезжелезивания с использованием биотехнологии, определены их достоинства и недостатки. Сделан , обзор микробиологических исследований, проводившихся различными авторами. Анализ этих исследований позволил установить, что окисление железа производится микроорганизмами, распространенными в подземных водах (используемых для водоснабжения), неспецифически, путём реакции с перекисью водорода, выделяющейся в процессе их жизнедеятельности. При этом, энергия выделяющаяся при окислении железа, не играет значимой роли. Кроме того, установлено, что подобные микроорганизмы относятся к гетеротрофам, т. е. для их развития обязательно требуются органические вещества. Рассмотрен процессы экстрагирования железа подобными микроорганизмами и химический состав накапливаемых соеди

10 нений железа. Данные приводимые в литературе и непосредственно наблюдения самого автора позволили определить экологические границы распространения железоокисляющих микроорганизмов. В частности, установлено их присутствие в большинстве подземных водоисточников Дальнего Востока, что показывает возможность использования способа биологического обезжелезивания для обработки региональных подземных вод. Проведен анализ распространения подобных микроорганизмов в системах ПРВ и наиболее значительные факторы, влияющие на их метаболизм. Установлено, что активное развитие железоокисляющих микроорганизмов в воде является признаком специфического органического загрязнения, в связи с чем необходимо предусматривать удаление органических соединений, а не только проводить деферризацию.

В четвёртой главе рассмотрены особенности технологии безреагент-ной обработки подземных вод с устойчивыми железоорганическими комплексами и проанализирована специфика систем биологической обработки природных вод. Представлены факторы, влияющие на интенсивность протекания процесса биологического обезжелезивания и их физический смысл. На основании проведённых в диссертационной работе исследований предложены условия применимости способа биологической обработки железосодержащих природных вод. Приведена методика расчёта биореактора - основного сооружения технологии, представлены различные компоновочные схемы и особенности эксплуатации станции обезжелезивания с блоком биологической обработки. Проведена сравнительная оценка эффективности использования водных ресурсов предлагаемой технологии в сравнении с технологией реагентной обработки.

В заключении приведены основные результаты диссертационной работы и намечены дальнейшие пути исследований.

В приложении приведены результаты экспериментальных исследований.

11

Заключение Диссертация по теме "Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов", Марченко, Александр Юрьевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенный в диссертационной работе анализ специфики формирования подземных природных вод на юге Дальнего Востока позволяет сделать вывод о практически повсеместном их зажелезнение, причем особенностью является то, что растворенные соединения железа находятся в составе органических комплексов.

Удаление органических соединений железа традиционными методами деферризации сочетается с серьезными трудностями. Так, анализ опыта эксплуатации станций обезжелезивания Приморского края позволил выявить, что применение безреагентных методов дефферизации практически малоэффективно, прежде всего из-за факторов органического происхождения, а также из-за аномальных концентраций растворённой углекислоты (до 300 мг/л) и, в ряде случаев, сероводорода. Использование реагентных способов кондиционирования таких подземных вод ограничено как экологическими, так и экономическими причинами.

Теоретические исследования процесса биологического обезжелезивания позволил установить, что окисление железа микроорганизмами производится неспецифически, путем окисления выделяющейся перекисью водорода. Установлено, что развитие подобных микроорганизмов сопровождается изъятием из воды органических соединений, и как закисных, так и окисных солей железа. На основании этого высказано предположение, что железосодержащие подземные воды относятся к особому типу экологической среды обитания микроорганизмов.

Анализ литературы показал, что основная сложность при использовании способа биологического обезжелезивания заключается в выборе насадки, используемой для закрепления микроорганизмов.

В диссертации предложено в качестве насадки использовать нить полиэфирную техническую термофиксированную. Для исследования протека

148 ния процессов биологического обезжелезивания в биореакторе с подобным видом насадки были разработаны моделирующие установки. Экспериментальные исследования проведенные на них, непосредственно на природных водах позволили определить требуемые технологические параметры способа, применительно к данному типу насадки определить конструкции непосредственно самого биореактора, основного устройства, в котором осуществляется биологическая деструкция железоорганических комплексов.

Кроме того, экспериментальные исследования позволили опробовать и рекомендовать новую методику оценки качественных параметров работы биорактора. На основании этого была разработана методика моделирования способа биологической деструкции железоорганических комплексов, определены основные факторы, влияющие на возможность его использования.

Разработана технология безреагентной обработки подземных вод с устойчивыми формами железа. Определена область применения предлагаемой технологии. Установлено, что окончательное решение о целесообразности применения предлагаемой в диссертации технологии, в ряде случаев может быть принято только после соответствующего моделирования.

Теоретические исследования особенностей метаболизма железоокис-ляющих микроорганизмов, подтверждённые результатами экспериментальных исследований на подземных водах в Приморском крае, Хабаровском крае и Сахалинской области, позволили рекомендовать использование разработанной в диссертации технологии безреагентной обработки подземных вод с устойчивыми формами железа для улучшения качества подземных вод Дальнего Востока.

На основании результатов проведённых исследований совместно с «Примор-гражданпроект» и «Дальэнергосетьпроект» разработаны проекты станций обезжелезивания с использованием технологии биологического обезжелезивания в пгт. Новошахтинском Приморского Края с эколого-экономическим эффектом 2,5

149 л млн. рублей производительностью 13 ООО м /сут и пос. Смидовичи Еврейской о

АО для подстанции «Хабаровская» производительностью 4 м /сут.

Автор предполагает, что более широкое внедрение биологических способов кондиционирования в практику водоподготовки природных вод позволит разрешить серьёзнейшие затруднения, вызванные устоявшимся мнением о том, что только реагентные способы водоподготовки позволяют добиться требуемого качества воды.

Дальнейшие исследование химического состава органических соединений подземных вод при моделировании способа биологической деструкции железоорганических комцлексов позволят установить вещества, оказывающие особое влияние на метаболизм железоокисляющих микроорганизмов, и, на основании этого, точно определять эффективность обработки за-желёзнённых вод предлагаемым способом.

Кроме того, возможно применение способа биологической деструкции железоорганических комплексов для обработки природных вод, имеющих высокую цветность, путём искусственного введения соединений закисного железа.

Возможно также искусственное культивирование новых видов микроорганизмов, так называемого хемомиксотрофного типа, которые могут извлекать энергию из реакций окисления железа, а в качестве источника углерода использовать в зависимости от сложившихся условий либо органические углеродсодержащие соединения, либо углекислоту. Возможно также использование для этой цели ассоциаций микроорганизмов из гетеротрофов и хемотрофов.

В то же время, вышеизложенные направления будут действительно перспективными, если штаммы микроорганизмов будут способны к активному росту в широко изменяющимся диапазоне условий, складывающихся на реальных станциях водоподготовки.

150

Библиография Диссертация по географии, кандидата технических наук, Марченко, Александр Юрьевич, Владивосток

1. Ананьевская М. П., Щекатурина Л. Г. Руководство по химическому анализу воды. Новочеркасск, 1960. 120 с.

2. Аристовская Т. В. Микробиология подзолистых почв М. Наука, 1965. 218 с.

3. Аристовская Т. В. О разложении фульвокислот микроорганизмами. Почвоведение, 1961 11.40.

4. Асс Г. Ю. Выбор способа обезжелезивания по величине окислительно-восстановительного потенциала. Водоснабжение и санитарная техника, 1969, № Ю. С. 1-4.

5. Асс Г. Ю. Окисление двухвалентного железа кислородом воздуха при обезжелезивании воды. Тр. Ин-та ВОДГЕО, 1967, вып. 16.

6. Асс Г. Ю. расчёт фильтров станций обезжелезивания воды упрощённой аэрацией и фильтрованием. Водоснабжение и санитарная техника, 1969, № 3. С. 1-4.

7. Балашова В. В. Микоплазмы и железобактерии. М.: Наука. - 1974. - 65 с.

8. Балашова В. В., Горяинова Г. С., Повреждение систем водоснабжения биообрастаниями. //Водоснабжение и санитарная техника.- 1991. №6. С.24-25.

9. Балашова Г. В. Использование окислительно-восстановительного потенциала для характеристики процесса обезжелезивания воды. Водоснабжение. М.: МКХ РСФСР, 1969, вып 52, с. 82-89.

10. В. А. Усольцев, В. Д. Соколов, Т. А. Краснова: Сравнительная оценка коррозионной активности воды при хлорировании. Водоснабжение и санитарная техника 1994 №4. С 25-28.

11. Варшал Г. М. и др. Изучение взаимодействия железа (III) с фульвокисло-тами. В кн.: Органическое вещество современных и ископаемых остатков. Взаимодействие органических и минеральных веществ. М.: Изд-во МГУ, 1974. 46 с.

12. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения: СНиП 2.04.02-84. М., 1985. 131 с.

13. Временные указания на проектирование установок обезжелезивания воды с использованием вакуумно-эжекционных аппаратов /Росколхозстрой-объединение, Волгоградский проектный институт "Роспромколхозпроект". Волгоград, 1985. 15 с.

14. Гинзбург И. И. и др. Разложение минералов органическими кислотами. -В кн.: Экспериментальные исследования по разложению минералов органическими кислотами. М.: Наука, 1968, с 18-65.

15. Головин В. JI. Влияние железобактерий на условия эксплуатации водопроводных систем и обезежелезивание подземных вод: Обзор/ ЦБНТИ концерна «Водстрой». М., 1992. 33 с.

16. Голодяев Г. П. Биологическая активность горно-лесных почв Супутин-ского заповедника. В кн.: Особенности почвообразований в зоне бурых лесных почв. Владивосток, 1967. С. 110 - 112.

17. ГОСТы. Вода питьевая. Методы анализа. М., 1984.

18. Готшалк Г. Метаболизм бактерий// Пер. с англ. М., Мир. 1983, 373 с.

19. Громов Б. В., Павленко Г. В. Экология бактерий. Л.: Изд-во ЛГУ, 1989. -248 с.

20. Гусев М. В., Минеева Л. А. Микробиология: Учебник 3-е изд., перераб и доп. - М.: Изд-во МГУ, 1992. 448 с.

21. Журба М. Г. Очистка воды на зернистых фильтрах. К.: Вища школа. Изд-во при Львов, ун-те, 1980. 199 с.25.3аварзин Г. А. Литотрофные микроорганизмы. М.: Наука, 1972. 323 с. 4

22. Зтенацкая Н. П. Поровые воды глинистых пород. М.: Изд-во АН СССР, 1963. 142 с.

23. Илялетдинов А. Н. Микробиологические превращения металлов. Алма-Ата, 1984. 268 с.

24. Казначеев В. П. Очерки теории и практики экологии человека. М.: Наука, 1983.179 с.

25. Каравайко Г. И., Кузнецов С. И., Голомзик А. И. Роль микроорганизмов в выщелачивании металлов из руд. М.: Наука, 1972. 248 с.

26. Карюхина Т. А., Чурбанова И. Н. Химия воды и микробиология. Учебник для техникумов. М. Стройиздат, 1974. 215 с.

27. Клячко В. А. Выбор метода обезжелезивания из артезианских скважин. «Водоснабжение и санитарная техника», М., 1956 № 8. С. 29-32.

28. Клячко В. А. О выборе метода обезжелезивания воды. В кн: Исследования водоподготовки. М., 1956. С. 36-40.

29. Кононова М. М. Органическое вещество почвы. М.: Изд-во АН СССР, 1963.314 с.

30. Корейл Л. Брирли Микробы-горняки. Scientific American. Издание на русском языке № 6 июнь 1983. С. 25-29.

31. Красильник А. А., Кубицкий С. А., Луценко Е. И. Опыт применения по153лиакриламида для интенсификации работы обезежелезивающей установки// Экспресс информация/ ЦБНТИ Минводхоза СССР. 1982. - № 3.-Вып. 2: Сельхоз. водоснабжение и обводнение. С. 3-9.

32. Кузнецов С. И. Микрофлора озер и ее геохимическая деятельность. М.: Наука, 1970. 165 с.

33. Кульский Л. А., Строкач П. П. Технология очистки природных вод.- К.: Вища шк. Головное изд-во, 1981. 327 с.

34. Курс общей химии. Учеб. для студ. энергет. спец. вузов/ под ред. Н. В. Коровина. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. школа., 1990. 446 с.

35. Летунова С. В., Ковальский В. В. Геохимическая экология микроорганизмов. М., 1978. 146 с.

36. Ливеровский Ю. А., Рубцова Л. П. Почвенно-географическое районирование Приморья. В кн.: Вопросы природного районирования Советского Дальнего Востока в связи с районной планировкой. М.: Изд-во МГУ, 1962, с. 149-170.

37. Лисицын А. К. Гидрогеохимия рудообразования. М.: Недра, 1975. 248 с.

38. Лурье Ю. Ю. Справочник по аналитической химии. М.: Химия, 1971. 454 с.

39. Метод УУЛеБОХ. Проспект фирмы «УУКте1:ос1ег АВ».

40. Насолодин В. В., Дворкин В. А., Куркова М. Д. Биодоступность микроэлементов и взаимодействие их в процессе обмена в организме (обзор), Гигиена и санитария. №9 1994, с. 12-15

41. Николадзе Г. И. Обезжелезивание природных и оборотных вод. М.: Стройиздат, 1978.160 с.

42. Николадзе Г. И. Улучшение качества подземных вод. М.: Стройиздат, -1987. 240 с.

43. Николадзе Г. И., Минц Д. М., Кастальский А. А. Подготовка воды для питьевого и промышленного водоснабжения. М.: Высш. школа. Голоное изд-во, 1984. 367 с.

44. Одум Ю. Экология: В 2-х т. Т. 1. Пер. с англ. М.: Мир, 1986. 328 с.

45. Описание нового способа обезжелезивания грунтовых вод биогенной среды без каких-либо химических добавок. Теоретические и практические результаты. Gas, Waser, Wasme, v. 29, № 11, с. 301-304.

46. Паскуцкая JI. Н., Новиков В. К., Криштул В. П. Повышение эффективности очистки воды в системах хозяйственно-питьевого водоснабжения. М.: Стройизат, 1978. 80 с.

47. Перельман А. И. Геохимия ландшафта. М.: Географгиз, 1961. 496 с.

48. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества: Санитарные правила и нормы. М.: Информационно-издательский центр Госкомсан-эпидемнадзора России, 1996. 111 с.

49. Проектирование сооружений для обезвоживания осадков станций очистки природных вод/ Комплекс, н-и. и конструкт.-технолог. ин-т водоснабжения, канализации, гидротехн. сооружений и инж. гидрогеологии. М.: Стройиздат, 1990. 40 с.

50. Разживин А. Б. Некоторые соображения о запасах подземных вод в южной части советского Дальнего Востока. В кн.: Сб. статей по геологии и гидрогеологии. М.: Недра, 1965, вып. 5. С. 121-127.

51. Румянцева Л. П. Брызгальные установки для обезжелезивания воды. М.: Стройиздат, 1973. 104 с.

52. Сафонов Н. А., Русак Г. В. Самопромывающаяся установка для биологического обезжелезивания подземных вод // Подготовка воды для хозяйственно-питьевых целей : / ЛИСИ. Л., 1984. С. 162-167.

53. Синицын А. П., Райнина Е. И., Лозинский В. И., Спасов С. Д., Иммобилизованные клетки микроорганизмов. М.: Изд-во МГУ, 1994. 288 с.

54. СниП 2.04.03-85. Канализация. Наружные сети и сооружения/ Госстрой СССР. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1986. 72 с.

55. Станкевичус В. И., Кришчунас Б. И. Влияние жизнедеятельности микроорганизмов на качество водопроводной воды// Гигиена и санитария. 1967. №10. С. 102-103.

56. Станкявичус В. И. Обезжелезивание воды на напорном фильтре. Водоснабжение и санитарная техника, 1965 № 3. С. 35-36.

57. Тен Хак Мун. Микробиологические процессы в почвах островов Прити-хоокеанской зоны. М.: Наука, 1977. 160 с.

58. Тен Хак Мун. О биологической природе железомарганцевых корок поч-вообразующих пород в горных почвах Сахалина. Микробиология 1968. 37. 749.

59. Тетюнова Ф. И. Физико-химические процессы в подземных водах. М.: Наука, 1976. 127 с.

60. Труфанов А. И. Поровые растворы кайнозойских глинистых отложений Средне-Амурской впадины и их роль в обогащении подземных вод железом. В кн.: Гидрохимия и гидрогеология юга Дальнего Востока. Владивосток, 1977. С. 53-82.

61. Труфанов А. И. Формирование железистых подземных вод. М.: Наука, 1982.152 с.

62. Фетисов В. Г. Гидрохимия и агрессивность вод малых водотоков Еврейской автономной области. В кн.: Вопросы географии Дальнего Востока.156

63. Хабаровск: Кн. Изд-во, 1967, № 8. С. 245-252.

64. Хемосинтез. К 100-летию открытия С. Н. Виноградским. М.: Наука, 1989. 256 с.

65. Холодный Н.Г. Железобактерии /отв. ред. Имшенецкий А. А./ АН СССР. Ин-т микробиологии. М., 1953. 240 с.

66. Чухров Ф. В., Ермилова Л. П., Балашова В. В., Чурикова В. С., Звягин Б. Б., Горшков А. И.,. Биогенные и абиогенные процессы образованния гипергенных окислов железа. Тезисы докл. Совещ. по проблемам гипергене-за.М. АН СССР.- 1973. С. 13-18.

67. Чухров Ф. В., Звягин Б. Б., Горшков А. И., Ермилова Л. П., Балашова В. В., О ферригидрите Известия АН СССР.серия геол.; 1973. 4, 23.

68. Чухров Ф. В., Звягин Б. Б., Горшков А. И., Ермилова Л. П., Балашова В. В., Рудницкая Е. С. Фаза Тау-Бредли продукт гипергенного изменения руд. Известия АН СССР. Серия геол.; 1971. 1,3.

69. Щербаков А. В. Геохимические критерии окислительно-восстановительных обстановок в подземной гидросфере. Сов. Геология, 1956. С. 72-82.

70. Яцимирский К. Б., Васильев В. П. Константы нестойкости комплексных соединений. М.: Изд-во АН СССР, 1959. 205 с.

71. American Water Works Association. Water Chlorination Princeples and Practices. American Water Works Association., New York, N. Y. 1973.- 84 pp.

72. Bergstrom J. Seaseonal variation and distribution of dissolved iron in an aquifer. NORDIC HYDROLOGY, 1974, № 5.

73. Cromley J. T. and O'Connor J. T. Effect of ozonation on the removal of iron from ground water. JOURNAL AWWA. WATER TECHNOLOGY/1571. QUALITY, june 1976.

74. Deguin A., Siben D. Deferrisation biologique apliquee a la preperetion de l'eau potable// L'eau, L'undustrie, Les Nuisances.- Mars 1988. №117. p. 29-30.

75. Design of water treament plant for Brookhaven National Laboratory. overcomes problem of ground water rich in iron. DISIGN AND INSTALLATION. WATER AND WASTES ENGINEERING, june 1976.

76. Ghiorse, W. C. 1984. Biology of Iron-and-Manganese-Depositing Bacteria. Annual Review Microbiology, v. 38, pp. 515-550.

77. Hacket, Glen A Review of Chemical Treatment Strategies for Iron Bacteria in Wells. Water Well Journal.- 1987., Vol. 41, № 2.- pp. 37-42.

78. Hult Anders. Filtration of water with a high of iron content. EFFLUENT AND WATER TREATMENT JOURNAL, may 1974.

79. Hult Anders. Removal of iron and manganese from a soft ground water. EFFLUENT AND WATER TREATMENT JOURNAL, may 1973.

80. Macrae, I. C. and J. F. Edwards. 1972. Adsorption of Colloidal Iron by Bacteria. Applied Microbilogy, v. 24, pp 819-823.

81. McNabb James F. Current development in assesing the role of subsurface biological activity in ground water pollution. GROUND WATER QUALITY -MESUAREMENT, PREDICTION AND PROTECTION, 1976.

82. Morgan J., Stumm W., The role of multivalent metal oxids in limnological transformation, as exemplifiedby iron and manganese. In second Intern. Conf. on Water Pollution. Res., sect. 1, 6 Nippon Toshi center, Tokyo, 1964.

83. Muller R. J., Pipp T. L.// Amer. J. clin. Nutr. 1980. - Vol. 7. - P. 14-21

84. Oldham W. K. & Gloyna E. E. Effect of Colored Organics on Iron Removal. Jour. AWWA, 61:11:610 (Nov. 1969).158

85. Romano, A. H. and J. Peloquin. 1963. Composition of the Sheath of Sphaerotilus natans. Journal of Bacteriology, v. 86, no. 2, pp. 252-258.

86. Schnitzer, M & Khan, S. U. Humic Substannces in the Envirement. Marcel Dekker, Inc., New York, N. Y. 1972.

87. Underwood E. J.// Rec. Austr. Sci 1974. Vol. 72. - p. 177-179.

88. VanVeen, W. L., E. G. Mulder and M. Deinema. 1978. The Sphaerotilus-Leptothrix Group of Bucteria. Microbiological Review, v. 42, no. 2, pp. 329356.

89. Weston R. S. The purification of ground waters containing iron and manganese. Trans. ASCE, 1909.

90. Whelpdate D. M. Acid deposition: distribution and impact.- in Long-range transport of sulphur in the atmosphere and acid rain. Lectures presented at thirty-thrid session of the WMO Executive Committee. WMO № 603, 1983, pp. 39-53.159