Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Влияние магнитно-импульсной обработки на микрофлору производственных оборотных вод металлургического производства

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

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата технических наук, Петрякова, Ольга Дмитриевна, Тольятти

ПОВОЛЖСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ СЕРВИСА

На правах рукописи

Петрякова Ольга Дмитриевна

ВЛИЯНИЕ МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНОЙ ОБРАБОТКИ НА МИКРОФЛОРУ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ОБОРОТНЫХ ВОД МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА.

11.00.11.- Охрана* окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Журавлев С. Г.

Научный консультант

кандидат технических наук, доцент Каплан А.Л.

Тольятти 1998

Оглавление.

Введение........................................................................................................4

Глава 1. Состояние вопроса и аналитический обзор способов обеззараживания жидких сред....................................................................11

1.1. Устойчивость бактерий к внешним факторам................................11

1.1.1. Строение бактерий.....................................................................11

1.1.2. Физиология бактерий................................................................14

1.1.3. Устойчивость бактерий к факторам окружающей среды........17

1.2. Аналитический обзор способов обеззараживания жидкостей."......19

1.3. Анализ методов бактериологического исследования жидких проб..................................................................................................25

1.3.1. Методика исследования на определение колиформ в жидкой среде на "Бак Траке 4100"..........................................................29

1.3.2. Методика исследования на общее микробное число на

"Бак Траке 4100"........................................................................30

Глава 2. Теоретическое исследование влияния магнитно-импульсной обработки на микробиологические показатели производственной воды...31

2.1 .Теоретические предпосылки воздействия электромагнитного

поля на жидкие среды......................................................................31

2.2.Теоретическое исследование влияния магнитно-импульсного поля на бактериальную клетку........................................................34

2.3.Механизмы воздействия магнитно-импульсного поля

на микрофлору.................................................................................41

2.4.Теоретический расчет магнитного поля соленоида.........................43

Глава 3. Аппаратурное оформление процесса. Математическое планирование эксперимента и экспериментальная часть...........................45

3.1. Общие положения по выбору оборудования..................................45

3.2. Описание и техническая характеристика импульсной электромагнитной установки..........................................................50

3.2.1. Указания по технике безопасности и пожарной безопасности.51

3.2.2. Краткое описание импульсной электромагнитной установки..........................................................................................52

3.2.3.Подготовка к работе и порядок работы на импульсной электромагнитной установке..........................................................55

3.3. Технология магнитно-импульсной обработки................................55

3.4. Планирование эксперимента и экспериментальная часть..............57

3.5. Разработка методик проведения исследования по влиянию магнитно-импульсной обработки на микрофлору.........................61

3.5.1. Методика по исследованию влияния напряженности электромагнитного поля, частоты импульсов,

длины рабочей зоны на микрофлору........................................63

3.5.2. Методика исследования устойчивости микробоцидного эффекта после магнитно- импульсной обработки....................66

Глава 4. Анализ и внедрение результатов. Выводы и рекомендации.........69

4.1. Анализ результатов исследования ...............................................69

4.2.Внедрение результатов. Рекомендации по их использованию ....84 Заключение..................................................................................................87

Литература...................................................................................................90

Приложение...............................................................................................100

1

Введение.

Проблема качества воды занимает определяющее место в системе охраны природы и здоровья человека. Вода является важнейшей субстанцией, широко используемой в большинстве технологических процессов, в том числе в энергетике, химическом производстве, машиностроении и т. п.

В качестве объекта исследования были выбраны производственные оборотные сточные воды металлургического производства (МтП) АО АВТОВАЗ.

Актуальность. На МтП до последнего времени стояла острая проблема с качеством воды, используемой в системе охлаждения индукционных печей. Исходная вода от водозабора относится к III классу качества (табл. XII Приложения). Активный процесс роста отложений, в том числе органического характера и биологических обрастаний, приводил к уменьшению живого сечения трубопровода, вплоть до полного зарастания труб. За год эксплуатации трубопровода толщина обрастания составляла 3040мм. Нарушался технологический процесс, требовались затраты по заме-г не вышедших из строя участков трубопровода. Отложения органического

характера легко загнивают, при этом происходит рост микрофлоры, способствующий ухудшению качества воды и разрушению металлических труб сульфатредуцирующими и сероокисляющими бактериями в процессе микробиологической коррозии (табл. I, II Приложения).

Изменение микрофлоры в работе оценивалось по основным бактериологическим показателям: коли-индексу и общему микробному числу (ОМЧ).

Производственные сточные воды промышленных предприятий, в том числе АО АВТОВАЗ, представляют собой основной источник загрязнения Волжского бассейна. Ежегодно в него сбрасывается до 20% всех сточных вод России [30, 41, 106]. Бактериологическое качество промышленных сточных вод оказывает существенное влияние на эпидемиологическое состояние области. До сих пор инфекционные заболевания, вызванные пато-

генными бактериями, представляют собой самую частую и опасную причину преждевременной смерти. Данные по заболеваемости кишечными инфекциями населения РФ в 1995 г. представлены в табл. XIV Приложения.

Исследования НИИ экологии человека и гигиены окружающей среды РАМН последних лет показали, что существующая система подготовки питьевой воды, обеспечивающая уменьшение бактериальной микрофлоры, неэффективна в отношении более устойчивых форм микроорганизмов, в частности вирусов, распространяемых водным путем (вирусов полиомиелита, ECHO, Коксаки, гепатита, астро-, камизи-, рота-, аденовирусов и др.[14]. Последние обнаруживались в городах: Москва, Пермь, Нижний Новгород, Самара, Ростов-на-Дону и др. Динамика заболеваемости населения РФ кишечными инфекциями представлена в табл. XV Приложения. Табл. XVI Приложения содержит информацию о том, какой вид микроорганизма какое заболевание вызывает [42]. Перечень патогенных и условно-патогенных бактерий и их распределение по группам даны в табл. IX, X, XI Приложения.

Хлорирование до настоящего времени остается основной промышленной технологией обеззараживания, в том числе на АО АВТОВАЗ. МтП АО АВТОВАЗ в системе охлаждения печей цеха мелкого литья (корпус № 25) использует производственную оборотную воду. Для повторного использования производственная вода подвергается доочистке с применением керамзитовых фильтров очистного комплекса «Passavant», хлорирования, а также анализируется на ОМЧ. Для производственной воды ОМЧ <1000 к.е. (колонеобразующих единиц) [84, 103].

Метод хлорирования обладает существенными недостатками, прежде всего, экологического характера (гл.1), что делает чрезвычайно актуальной задачу поиска новых эффективных способов обеззараживания. Одним из таких способов является магнитно-импульсная обработка (МИО) воды. Впервые магнитные характеристики соленоида описал Ампер в 1820-1825

гг. С каждым годом открываются новые возможности использования магнитных полей.

Магнитное поле действует на физико-химические свойства воды, такие как электропроводимость и поверхностное напряжение; снижает кинетику процессов кристаллизации и ограничивает свободу передвижения заряженных частиц. Магнитная обработка эффективна лишь в случае, если вода проходит через магнит, обладающий достаточно сильным полем с высоким показателем напряженности, при этом температура жидкости не должна быть более 80 °С. [66].

На основании проведенных патентных исследований за период с 1977 по 1997 гг. по таким развитым странам как США, Великобритания, Франция, Япония, Германия, Россия можно сделать вывод, что основной тенденцией развития способов и устройств магнитной обработки воды в отечественной и зарубежной практике является использование магнитной обработки для борьбы с накипеобразованием в конденсаторах паровых турбин, в парогенераторах низкого давления и малой производительности, в тепловых сетях горячего водоснабжения, различных теплообменных аппаратах [10, 27, 35, 38, 68, 101].

Магнитную обработку применяют в нефтеперерабатывающей промышленности для снижения коррозии и отложений органических и неорганических компонентов в трубах [35, 65, 101], для устранения известковых налетов, образующихся под воздействием высоких температур, уменьшения отложений солей в системах трубопроводов [10, 22, 27, 35, 38, 68, 101], для удаления пыли из труб, шахт, в установках концентрации золота [24, 64], для интенсификации процессов коагуляции, ускорения диффузии реагентов [92], удаления мельчайших частиц в системах очистки и рециркуляции воды [10, 64], для добычи ценных металлов из концентрата флуктуации [24, 52, 64], ускорения процесса отвердевания и увеличения прочности (на 15-20 %) некоторых цементов [40, 88], для повышения плотности и прочности литейных форм и т.п.

Магнитная обработка водных систем и биологических объектов потенциально имеет очень широкую сферу применения в медицине, с/х, в области охраны окружающей среды и пр. Здесь можно выделить следующие направления [21, 33, 43, 50, 71, 82, 100]: прямое омагничивание семян, замачивание семян водой, прошедшей магнитную обработку; орошение посевов омагниченной водой; рассоление почв омагниченной водой; опреснение воды; орошение посевов соленой водой, прошедшей магнитную обработку; поение птицы и скота омагниченной водой и пр.

Омагничивание объектов в основном производится аппаратами с постоянными магнитами.

Магнитно-импульсная обработка обладает рядом преимуществ и является перспективной. Подбором свободно варьируемых параметров переменного магнитного поля ( напряженности, частоты импульсов, формы импульсов, амплитуды, режима подачи импульсов - униполярный, биполярный, знакопеременный, затухающий и др.) и скорости движения обрабатываемой жидкости можно добиться оптимального направленного воздействия на объекты.

Некоторыми авторами [6, 9, 15, 26, 27, 57, 58, 72, 75, 82, 94, 95, 100] выражалась идея о влиянии на микробиологические объекты электромагнитного поля. В частности в [27] рассмотрено летальное действие на микроорганизмы всего спектра электромагнитных излучений от крайне низкочастотного до ионизирующего и механизмы этого действия с целью поиска наиболее эффективных методов обеззараживания питьевой воды.

В данной работе сосредоточено внимание именно на влиянии низких и средних частот МИО на микрофлору производственной оборотной воды. Эксперименты с высокоградиентными магнитными полями (ВГМ полями) показали, что с их помощью можно достаточно эффективно подавлять микрофлору производственной воды [55, 87]. Однако, применение ВГМ сепараторов не всегда и не везде экономически оправдано в силу дороговизны их изготовления и эксплуатации. [24,110,111, 112, 114].

Импульсная электромагнитная установка (ИЭУ), генерирующая импульсы низко- и среднечастотного спектра, напротив, проста в изготовлении и использовании, относительно дешевая, дает хороший эффект и обладает более широким спектром применения. В частности, ИЭУ позволяет не только подавлять бактериальную микрофлору, но и, при определенных условиях, стимулировать ее рост. [53, 54, 82]

Целью предлагаемой работы является разработка и внедрение технологии магнитно-импульсной очистки производственной оборотной воды при оптимизации параметров процесса для улучшения ее качества и снижения биообрастаний в водооборотных системах.

Такой подход должен обеспечить значительный экономический (за счет сокращения расходов на водоподготовку оборотной воды, связанных с хлорированием, расходов по замене трубопроводов охлаждающей системы, подверженных процессам биологического обрастания и биокоррозии) и экологический эффект.

В соответствии со сформулированной целью решаются следующие основные задачи:

1. Анализ способов обеззараживания жидкостей с оценкой перспективности магнитно-электрических технологий и выбор современного метода оценки изменения роста бактериальной массы.

2. Изучение механизмов влияния МИО на микрофлору жидких сред.

3. Разработка и внедрение технологии и оборудования для магнитно-импульсной обработки производственной оборотной воды с целью обеззараживания.

4. Разработка методик проведения исследования по оптимизации основных технологических параметров магнитно-импульсной обработки, по устойчивости микробоцидного эффекта после магнитно-импульсной обработки.

5. Исследование влияния напряженности магнитно-импульсного поля, частоты импульсов, длины рабочей зоны на изменение роста бактери-

альной массы.

6. Изучение устойчивости подавления микроорганизмов (микробоцидного эффекта) после магнитно-импульсного воздействия на производственную воду МтП АО «АВТОВАЗ».

Научная новизна работы.

- Дано теоретическое обоснование влияния МИО на бактериальную флору жидкости.

- Оптимизированы параметры МИО, при которых достигается наилучшая очистка от бактериальной флоры.

- Выявлены параметры МИО, позволяющие интенсифицировать рост микрофлоры.

- Сделан регрессионный анализ с выявлением закономерностей и значимости влияния каждого изучаемого фактора процесса МИО: напряженности поля, частоты импульсов, длины рабочей зоны.

- Исследована устойчивость микробоцидного эффекта во времени в течении пяти суток после МИО с выявлением закономерностей.

Практическая ценность. Внедрено оборудование и разработана технология магнитно-импульсной обработки воды на МтП АО "АВТОВАЗ" с целью улучшения качества очистки. Даны практические рекомендации по режимам работы и параметрам процесса для подавления микрофлоры с целью снижения органических отложений, биообрастаний и биокоррозии. Вышеизложенное позволяет снизить расходы по замене трубопроводов системы охлаждения, расходы на водоподготовку, связанные с хлорированием.

Апробация работы. Основные результаты исследования доложены на заседаниях: Международного симпозиума «Технология - 2000» в 1995г., научно-методической конференции ППС и студентов в 1996г., кафедры «ПиСБМиП» ПТИСа в 1997, 1998гг., научно-методического семинара кафедры «ПиСБМиП» ПТИСа в 1998г., Ученого Совета ПТИСа в 1998г., коллективного члена МАНЭБ в ТВВКИСУ в 1998 г.

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 99 страницах машинописного текста, содержит 15 таблиц и 23 рисунка, включает введение, четыре главы, список литературы из 114 источников и Приложение.

Во введении обосновывается актуальность работы, цель и задачи, научная новизна и практическая ценность.

В главе 1 в качестве теоретических предпосылок приводится информация о морфологии и физиологии бактерий. Рассматриваются факторы, влияющие на устойчивость микроорганизмов. Содержится аналитический обзор способов обеззараживания жидкостей. Особое внимание уделяется анализу магнитно-электрических способов. Обосновывается перспективность применения МИО с целью обеззараживания. Проводится сравнительный анализ методов бактериологического исследования жидких проб с выбором метода измерения электрического импеданса.

В главе 2 предлагается теоретическое обоснование влияния режимов МИО на темпы роста (подавления) микрофлоры.

В главе 3 решаются задачи по реализации метода МИО жидких сред и разработке оборудования. Рассмотрена теория планирования эксперимента. Разработаны технология МИО, методики проведения работы по исследованию влияния активных параметров на обеззараживание либо рост микрофлоры, по исследованию устойчивости эффекта подавления микрофлоры после МИО.

В главе 4 рассматриваются и анализируются результаты. Даны рекомендации и предложения по их использованию.

В заключении приведены основные выводы по работе.

Работа выполнена в Поволжском технологическом институте сервиса (г. Тольятти).

Глава 1. Состояние вопроса и аналитический обзор способов обеззараживания жидких сред.

Приведем в качестве теоретических предпосылок некоторые сведения из морфологии и физиологии бактерий, а также факторы, влияющие на устойчивость микроорганизмов. Данные сведения на взгляд автора, позволяют выдвинуть гипотезы, обосновывающие механизм воздействия МИО на бактериальную клетку.

1.1.Устойчивость бактерий к внешним факторам.

1.1.1. Строение бактерий.

По форме бактерии делятся на три группы (рис.1): шаровидные (кокки), палочковидные (бактерии и бациллы) и извитые (вибрионы и спириллы).

Размеры палочковидных бактерий м�