Совершенствование технологии водоподготовки в населенных пункт ах аридной зон ы россии
На правах рукописи
Абуова Галина Бекмуратовна
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВОДОПОДГОТОВКИ
в населенных пунктах АРИДНОЙ зоны России
05.23.04 Водоснабжение, канализация, строительные системы
охраны водных ресурсов
А В Т О Р Е Ф Е Р А Т
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Волгоград - 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
Научный руководитель:
кандидат технических наук, профессор Горбачев
Евгений Алексеевич
Официальные оппоненты:
доктор технический наук, профессор Сепокрылов
Николай Сергеевич
ФГБОУ ВПО «Ростовский
государственный строительный университет», профессор кафедры
«Водоснабжение и водоотведение»
кандидат технических наук Винников
Александ Лукьянович
ОАО «Волгоградский завод
железобетонных изделий №1»,
главный эколог
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет»
Защита состоится 10 мая 2012г. в 1200 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.026.05 при ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1 (ауд. Б-203).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»
Автореферат разослан 10 апреля 2012 г.
| Ученый секретарь диссертационного совета |  | Юрьев Ю.Ю. |
Общая характеристика работы
Актуальность работы. В настоящее время обеспечение населения Российской Федерации (РФ) питьевой водой нормативного качества и в достаточном количестве является одной из главных и определяющих проблем жилищно-коммунального комплекса. Неудовлетворительное состояние питьевого водоснабжения - один из основных факторов, оказывающих негативное влияние на здоровье населения. По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), ежегодно в мире из-за низкого качества питьевой воды умирает около 5 млн. людей. Инфекционная заболеваемость населения, связанная с водоснабжением, достигает 500 млн. случаев в год.
Это дает основание назвать проблему снабжения населения доброкачественной питьевой водой проблемой номер один.
С каждым годом водоисточники подвергаются антропогенным воздействиям в виде органических и неорганических веществ. Просто фильтрование, предварительная очистка с использованием различных реагентов стали малоэффективными. Одним из наиболее эффективных методов доочистки питьевой воды от антропогенных веществ является сорбционная очистка.
Диссертационная работа посвящена совершенствованию технологии водоподготовки на групповых водопроводах на примере Астраханской области, а именно, разработке процесса сорбционной доочистки питьевой воды от органических и неорганических веществ с использованием местного сорбента, что подтверждает ее актуальность.
Работа выполнялась в рамках региональных программы «Обеспечение населения Астраханской области питьевой водой», «Чистая вода" на 2011-2017 годы, по государственному контракту № 200 от 25.06.2007 г. на научно-техническую работу на тему: «Технико-экономическое обоснование и расчет себестоимости 1 м3 очищенной воды при устройстве технического водопровода с локальными (индивидуальными) очистными сооружениями для жилых домов и общественных зданий Наримановского и Лимановского районов Астраханской области при отказе от применения ОСВ Лимановского водопровода»,
Цель диссертационной работы - совершенствование технологии водоподготовки на групповых водопроводных очистных сооружениях аридной зоны РФ с использованием сорбента, полученного из отходов буровых работ (ОБР). Для достижения вышеуказанной цели были поставлены следующие задачи:
- исследование качества водоисточников и провести анализ работы существующих технологий водоподготовки в Астраханской области;
- создание нового сорбента на основе местного сырья из отходов буровых работ;
- определение сорбционных характеристик с помощью химического, термографического, рентгенографического и электронно-микроскопического методов анализа;
- изучение адсорбции органических и неорганических соединений на отдельных структурных составляющих ОБР с использованием современных квантово-химических методов;
- применение разработанного сорбента на водопроводных очистных сооружениях групповых водопроводов с целью повышения эффективности их работы с решением экологических вопросов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- теоретически обоснована и установлена возможность создания высокоэффективного сорбента из алюмосиликатных пород, ОБР и минеральных связующих материалов;
- исследованы физико-химические показатели и кинетика сорбции полученного сорбента ОБР-1;
- изучены сорбционные свойства ОБР-1, необходимые для использования в сорбционной очистке для хозяйственно-питьевых целей;
- научно обосновано применение сорбента ОБР-1 для доочистки питьевой воды от токсичных веществ.
Практическое значение:
- разработан и защищен патентом РФ способ получения нового сорбента из отходов буровых работ и минеральных связующих материалов для доочистки природной воды;
- предложена и использована в экспериментальных и промышленных условиях технология доочистки природной воды с применением нового сорбента ОБР-1 из местного сырья;
- разработаны технические условия для использования нового сорбента ОБР-1 в хозяйственно-питьевом водоснабжении.
Реализация результатов работы. Разработанные в диссертационной работе рекомендации использованы при разработке проектов по реконструкции групповых водопроводных очистных сооружений в Астраханской области; внедрены в учебный процесс Астраханского инженерно-строительного института для преподавания студентам специальности «Водоснабжение и водоотведение».
Личный вклад автора в полученные научные результаты, опубликованные им лично и в соавторстве и включенные в диссертацию, состоял в непосредственном проведении исследований, обработке, систематизации, анализе их результатов и подготовке выводов.
Достоверность полученных результатов оценена с помощью современных математических методов обработки экспериментов. При постановке экспериментов использованы общепринятые методики, оборудование и приборы, статической обработкой результатов. Экспериментальные данные, полученные на моделях, соответствуют результатам, полученным на промышленных установках.
На защиту выносятся результаты теоретических и экспериментальных исследований:
- результаты комплексных физико-химических исследований водоисточников Астраханской области, а также оценка эффективности работы существующих схем водоподготовки ее районных центров (Ахтубинского и Лиманского);
- оценка эффективности сорбционных свойств сорбента ОБР-1 из алюмосиликатных материалов, отходов буровых работ и минеральных связующих компонентов;
- результаты экспериментальных исследований сорбционной очистки с использованием нового сорбента ОБР-1 в условиях Астраханской области;
- технологическая схема и рекомендации для очистки природных вод с использованием сорбента ОБР-1 и ее эколого-экономическая оценка.
Апробация результатов исследований. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: «Мелиорация водных объектов зоны западно-подстепных ильменей, водоемов нерестилищ дельтового Лиманского района в условиях реформирования местного самоуправления»(г. Астрахань, 2006), «Прочность, надежность и долговечность жилых и промышленных зданий и сооружений» (г. Астрахань,2007), «Проблемы строительного комплекса России» (г. Уфа,2008), «Техновод-2008» (г. Калуга), «Астрахань-Дом будущего» (г.Астрахань, 2008), «Строительство и недвижимость : экспертиза и оценка» (г. Прага, 2008), «Фундаментальные и прикладные проблемы получения новых материалов» (Астрахань, 2009), «Технологии очистки воды «Техновод – 2009»(г. Новочеркасск, 2009), «Модернизация регионов России: инвестиции в инновации» (г.Астрахань, 2010),. «Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности «АСТИНТЕХ-2011» (г.Астрахань,2011), научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, докторантов, аспирантов и студентов АИСИ (г. Астрахань, 2005-2011).
Публикации. По результатам работы опубликовано 18 печатных работ, в том числе – 5 в изданиях, рекомендованных ВАК, 1 патент РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы, включающего 153 наименования. Работа изложена на 148 страницах машинописного текста, содержит 67 рисунков, 22 таблицы, приложения.
ОСНОВНОЕ Содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы, определены цель и задачи исследований, отмечены ее научная новизна и практическая значимость работы, а также даны основные положения диссертации, вынесенные на защиту.
В первой главе проводится анализ современного состояния проблемы получения качественной питьевой воды. Выявлены основные проблемы обеспечения качественной питьевой водой в РФ, в частности аридных районов на примере Астраханской области. Рассмотрены современные методы доочистки природной воды и проведен литературный обзор по применению сорбционных материалов в технологии очистки природных вод, подробно рассмотрены активированные угли, алюмосиликаты и оксиды металлов.
Значительный вклад в развитие теории по загрязнению природных источников и методов очистки от антропогенных веществ внесли многие ученые: Журба М.Г., Найденко В.В., Минц Д.М., Неймарк И.Е., Кичигин В.И., Ким А.Н., Нечаев Е.А., Алыков Н.М. и др.
Отмечено, что наиболее распространенными антропогенными примесями являются фенолы, нефтепродукты, ионы тяжелых металлов. Действующие водопроводные очистные сооружения с типовыми схемами (коагулирование, отстаивание, фильтрование) недостаточно эффективно очищают природную воду от токсических веществ.
Внедрение новых технологий ( на основе обратного осмоса) нецелесообразно с учетом экономических и эксплуатационных показателей, особенно для сельского населения, где низкий уровень социальной жизни. Показана целесообразность применения сорбционного метода для доочистки природной воды на водопроводных очистных сооружениях.
Рассмотрен достаточно большой ареал сорбентов для удаления от органических и неорганических токсикантов из вод. Дано описание механизма сорбции на углях, алюмосиликатах и оксидах металлов. Все существующие сорбенты высокоэффективные, но дорогостоящие. Нами предлагается новый сорбент на местном сырье из отходов буровых работ (ОБР), которые представляют собой поликомпозитные материалы.
Во второй главе были определены физико-химические показатели качества природных вод и анализ работы групповых водопроводных очистных сооружений в Астраханской области (на примере Ахтубинского и Лиманского водопроводов).
Использование водных ресурсов области в условиях полупустыни и пустыни имеет огромное значение для орошаемого земледелия, обводнения пастбищ, водопоя скота, удовлетворения хозяйственных нужд.
Наблюдения за загрязнением вод Нижней Волги по гидрохимическим и гидробиологическим параметрам проводились на 5 водотоках (по основному руслу Волги). Анализ физико-химической информации водоисточников с данными многолетних наблюдений позволил выявить основные загрязняющие вещества: фенолы, нефтепродукты, СПАВ, железо, медь и др., которые подтверждают рост и негативное влияние в последние годы антропогенных нагрузок на водоисточники.
В данной главе исследована и проанализирована работа групповых водопроводных сооружений Астраханской области, на примере Ахтубинского и Лиманского групповых водопроводов. Эффект очистки достигает по двум станциям водоподготовки Астраханской области 60-90%, относительно снижения мутности и цветности. На станциях водоподготовки осуществляется реагентная обработка сернокислым коагулянтом, доза которого от 30 до 56 мг/л. В холодное время года процесс коагуляции не применяется и при увеличении антропогенных нагрузок малоэффективен, что доказывает необходимость его дальнейшего усовершенствования и разработки нового системного подхода к обоснованию технологий водоподготовки.
В третьей главе исследован предлагаемый нами новый сорбент – отходы буровых работ (ОБР-1) для очистки природной воды.
Отходы содержат все компоненты, характерные для различных слоев подводной или приземной поверхности. После освобождения от избытка солей в отходы добавляют связующие компоненты, далее их хоронят под названием ГУТ (грунт укрепленный техногенный). Именно эти модифицированные отходы и были использованы нами для получения сорбента. Большие количества ГУТ (25 тыс. тонн в год) накопились в настоящее время в Астраханской области в Икрянинском районе, куда эти отходы депонируют в специально приготовленные и оборудованные прорытые ёмкости в Беровских буграх. Транспортируют отходы с мест бурения нефтяных скважин на территории Каспийского моря (имеется санитарно-эпидемиологическое заключение отдела надзора за радиационной безопасностью центра гигиены и эпидемиологии в г. Санкт-Петербург, протокол № 1864/06 от 01.11.2006). Суммарная удельная эффективная активность составляет 78 ± 10 Бк/кг при норме 370 Бк/кг.
Содержание основных компонентов в отходах (в схватившихся, т.е. при 3х - дневном хранении), %: SiO2 – 39,8; Al2O3 – 7,8; CaCO3 – 15,0; H2O – 27,4; соли – 10.
В данной главе была изучена физико-химическая характеристика сорбентов. Сорбцию ОБР-1 проводили при трех температурах (278 ± 0,5, 295 ± 0,5, 315 ± 0,5 грд. К). В результате экспериментальных исследований были проанализированы и исследованы изотермы сорбции ионов токсичных тяжелых металлов (ТТМ) и некоторых органических соединений на сорбенте ОБР-1. Анализ показал, что изотермы можно отнести к S-типу, т.е. это изотермы по Ленгмюру. На основе изотерм сорбции, путем графического решения уравнения Ленгмюра в прямолинейной форме, были определены: предельная сорбция Г (емкость сорбента) и константы сорбции К для Т1, Т2 и Т3.
Различие в адсорбции при разных температурах позволило рассчитать термодинамические характеристики сорбции: изменения энтальпии (Н), изобарно-изотермического потенциала (G) и энтропии (S), необходимые для трактовки механизма сорбции. Основные характеристики сорбции токсичных веществ приведены на рисунках 1,2 и в таблице 1,2.
Рисунок 1- Сорбция органических соединений сорбентом ОБР-1
Рисунок 2 - Сорбция ионов тяжелых металлов сорбентом ОБР-1
Таблица 1 - Основные термодинамические характеристики сорбции ионов тяжелых токсичных металлов (ТТМ) сорбентом ОБР1 из водных растворов
| Ион ТТМ | Г, мг/г при 298К | -Н, кДж/моль | -G295, кДж/моль при 298К | S295, Дж/мольК при 298К |
| Fe3+ | 160 | 42,98±5,20 | 17,35±2,05 | 86,01±7,50 |
| Co2+ | 160 | 71,47±7,05 | 17,09±1,52 | 182,5±17,3 |
| Ni2+ | 150 | 71,00±2,00 | 17,29±1,50 | 177,0±10,0 |
| Zn2+ | 180 | 80,44±7,50 | 17,21±1,85 | 212,0±15,5 |
| Cd2+ | 320 | 77,82±6,50 | 17,44±1,50 | 202,6±15,1 |
| Cr3+ | 140 | 29,55±3,50 | 22,44±1,80 | 24,50±2,20 |
| Pb2+ | 810 | 40,85±3,55 | 22,79±2,50 | 60,60±4,05 |
| Hg2+ | 520 | 40,65±3,50 | 20,80±2,05 | 66,6±7,50 |
Число параллельных опытов равно 6, степень надежности 0,95, критерий Стьюдента 2,57
Таблица 2 - Основные термодинамические характеристики сорбции некоторых органических соединений сорбентом ОБР-1 из водных растворов
| Соединения | -Н·10-3, кДж/моль | -G295·10-3, кДж/моль | S295, Дж/мольК при 298К | Г, мг/г при 298К |
| Фенол | 68,25 ± 6,15 | 17,35 ± 1,75 | 17,08 ± 19,5 | 10,0 |
| Смесь мазута и керосина (1:1) | 31,32 ± 2,80 | 24,97 ± 3,50 | 21,3 ± 2,5 | 1000 |
| Бензол | 27, ± 2,50 | 26,51 ± 2,60 | 2,3 ± 0,3 | 10,0 |
| Формальдегид | 31,62 ± 3,10 | 26,87 ± 2,50 | 15,9 ± 1,5 | 15,0 |
| 2,4-дихлорфенол | 37,81 ± 3,50 | 28,08 ± 2,50 | 61,6 ± 5,9 | 25,0 |
| 2,4-динитрофенол | 37,08 ± 3,60 | 27,67 ± 2,50 | 31,6 ± 2,9 | 35,0 |
| Нитробензол | 26,68 ± 2,50 | 26,84 ± 2,55 | -(1,5 ± 0,1) | 15,0 |
Число параллельных опытов равно 6, степень надежности 0,95, критерий Стьюдента 2,57
Как следует из анализа рисунков 1,2 и таблиц 1,2, сорбция изученных веществ возрастала с понижением температуры. Отрицательные значения изменений изобарно-изотермического потенциала и энтальпии свидетельствуют о самопроизвольном экзотермическом процессе.
Кинетика сорбции ОБР-1 изучалась аналогичным способом. По экспериментальным данным, с использованием кинетического уравнения первого порядка, были рассчитаны значения констант скоростей сорбции. Результаты расчета констант скоростей сорбции, 
и Еакт, приведены в таблицах 3 и 4.
Таблица 3 - Результаты изучения кинетики сорбции ионов ТТМ на сорбенте ОБР-1 из водных растворов
| Ионы ТТМ | Константы скоростей К10-2 при температурах, К | Еакт, кДж/моль | -S#, Дж/мольК | ||
| 278 | 295 | 315 | |||
| Fe3+ | 8,38 ± 0,95 | 4,06 ± 0,53 | 2,09 ± 0,35 | 22, 28 ± 1,50 | 218,2 ± 15,0 |
| Сo2+ | 10,50 ± 0,95 | 4,15 ± 0,45 | 2,15 ± 0,25 | 31,16 ± 2,50 | 230,0 ± 12,3 |
| Ni2+ | 9,50 ± 0,98 | 4,10 ± 0,41 | 2,20 ± 0,20 | 28,74 ± 2,65 | 225,0 ± 15,0 |
| Zn2+ | 9,80 ± 1,00 | 5,10 ± 0,50 | 3,50 ± 0,45 | 20,29 ± 2,10 | 228,0 ± 18,0 |
| Cd2+ | 12,50 ± 1,20 | 6,25 ± 0,50 | 3,20 ± 0,35 | 26,77 ± 2,50 | 230,5 ± 17,5 |
| Cr3+ | 11,25 ± 1,15 | 6,15 ± 0,65 | 3,05 ± 0,35 | 25,64 ± 2,10 | 215,0 ± 18,0 |
| Pb2+ | 8,25 ± 0,90 | 4,10 ± 0,45 | 2,02 ± 0,25 | 25,97 ± 2,25 | 225,0 ± 18,5 |
| Hg2+ | 10,7 ± 1,05 | 4,20 ± 0,50 | 2,25 ± 0,23 | 30,64 ± 2,95 | 235,0 ± 18,5 |
Число параллельных опытов равно 6, степень надежности 0,95, критерии Стьюдента 2,57.
Таблица 4 - Результаты изучения кинетики сорбции некоторых органических
соединений – токсикантов из воды сорбентом ОБР-1.
| Соединения | Константы скоростей К1031 с-1 при температурах, К | Еакт, кДж/моль | -S#, Дж/мольК | |||
| 278 | 295 | 315 | ||||
| Смесь мазута и керосина (1:1) | 20,5 ± 2,50 | 10,7 ± 1,05 | 3,25 ± 0,45 | 36,18 ± 2,95 | 210,0 ± 30,0 | |
| Бензол | 8,50 ± 0,95 | 4,25 ± 0,55 | 1,15 ± 0,12 | 39,30 ± 3,50 | 225,0 ± 25,0 | |
| Бенз()пирен | 10,50 ± 1,07 | 5,45 ± 0,50 | 2,35 ± 0,25 | 10,13 ± 1,20 | 285,0 ± 25,0 | |
| Фенол | 21,20 ± 2,10 | 10,75 ± 1,50 | 3,75 ± 0,45 | 34,03 ± 3,50 | 205,0 ± 25,0 | |
| Формальдегид | 22,5 ± 2,50 | 16,35 ± 1,65 | 5,20 ± 0,75 | 28,78 ± 2,50 | 285,0 ± 25,0 | |
| 2,4-Дихлорфенол | 18,50 ± 1,75 | 9,45 ± 1,05 | 3,25 ± 0,45 | 34,17 ± 3,50 | 208,0 ± 20,0 | |
| 2,4-Динитрофенол | 20,3 ± 2,10 | 10,8 ± 1,15 | 3,25 ± 0,45 | 36,00 ± 3,50 | 210,0 ± 20,0 | |
| Нитробензол | 9,80 ± 1,05 | 5,35 ± 0,65 | 2,10 ± 0,25 | 30,27 ± 3,05 | 280,0 ± 25,0 | |
Число параллельных опытов равно 6, степень надежности 0,95, критерий Стьюдента 2,57.
Анализ результатов, приведенных в таблицах 3 и 4, позволяет считать, что во всех случаях адсорбция проходит в две стадии. Первая стадия – формирование адсорбционного активированного комплекса АК*, захват сорбентом сорбата, при этом процесс сопровождается только лишь образованием унитарной неустойчивой частицы (величины S#, в основном, отрицательны). АК* становится более устойчивым, когда происходит перераспределение связей и вытеснение воды из координационной сферы сорбента. Этот процесс характеризуется положительным изменением энтропии.
В главе были изучена адсорбция органических и неорганических соединений на отдельных структурных составляющих сорбента ОБР-1 с использованием квантово-химического метода (кластера), основанными, на так называемом, приближении NDDO (Neglect of Diatomic Differential Overlap – пренебрежение двухатомным дифференциальным перекрыванием). Большая часть расчетов выполнена методом РМ3. Расчеты проводились с использованием программ МОРАС 97, GAMESS. На основе математических расчетов были построены модели взаимосвязи сорбента с органическими и неорганическими веществами (рисунок 3).
 |  |  |
| АК 1 | АК 2 | АК 3 |
 |  |  |
| АК 4 | АК 5 | АК 6 |
Рисунок 3 - Модели адсорбционных комплексов с участием молекулы фенола
Результаты квантово-химического моделирования позволяют сделать вывод, что большую роль в адсорбции играет потенциальная энергия сорбента и сорбата.
Четвертая глава посвящена практическому применению полученных результатов, в ней представлены технологические решения использования сорбента ОБР-1 на групповых водопроводных очистных сооружениях (рисунок 4).
Рисунок 4 - Принципиальная схема установки очистки воды
1, 3, 9 – трубопроводы; 2, 10 – накопители; 4 – абсорбер; 5 – сорбент; 6 – верхняя решетка; 7 – сетка; 8 –нижняя решетка
Отходы буровых работ в том виде, в каком они поступают на захоронение (при их влажности от 10 до 60%), смешивают с равным количеством портланд цемента-500. Массе дают подсохнуть до состояния, когда из нее можно сформовать гранулы на установке для гранулирования керамзита. Высушивают массу при температуре 25-40 0С в токе воздуха, далее оставляют материал до полного схватывания, на что уходит 3-4 сут. Полученный материал выдерживают в проточной воде до тех пор, пока проба на хлорид - ион не будет отрицательной. Сорбент ОБР-1 представляет собой твердые частицы различной формы с диаметром от 2 до 10 мм. Параметры пористой структуры и техническая характеристика сорбента ОБР-1 представлены в табл. 5.
Таблица 5 - Параметры пористой структуры и техническая характеристика
сорбента ОБР-1
| Показатель | Количество |
| Объем, см3/г всех пор (суммарный), V микропор, Vми | 0,80 0,35 |
| Суммарная площадь поверхности, S, м2/г | 750 |
| Насыпная плотность н, кг/м3 | 750 |
| Бензольная (температурная) проба, t, 0C | 3,2 |
| Сорбционная активность по йоду F, % | 79 |
| Предельно адсорбционный объем пор по бензолу VS, см3/г | 0,49 |
| Прочность при истирании, % | 65 |
Технология очистки (рисунок 4) состоит из отстаивания в отстойнике размерами 334 = 36 м3 и фильтрования на адсорбере с аналогичными размерами. Сорбент загружают в адсорбер сверху, выгружают сорбент через боковой люк фильтра вручную (рисунок 5). Боковой люк имеет размеры, позволяющие свободно проникнуть в фильтр рабочему и работать там с использованием лопаты. Толщина загрузки в адсорбере составляет 2,0 м, скорость фильтрации 12 м/ч. Опыты были проведены на Волжской воде из р. Калмынка Астраханской области.
Рисунок 5 - Схема сорбционного фильтра:
1 – трубы с отверстиями; 2 – люк; 3 – нижняя решетка; 4 – сетка; 5 – верхняя решетка. Толщина стенок фильтра 8-10 мм, загрузка – 2 м.
После очистки вода имела показатели по каждому загрязнителю в пределах от 0,001 до 0,1 ПДК. Подтверждено, (таблица 6), что, как и по индивидуальным ингредиентам, сорбент ОБР-1 обладает высокой поглотительной способностью к токсичным металлам и органическим соединениям при их совместном присутствии.
Таблица 6 -Эффективность очистки воды от токсичных ионов металлов и органических соединений сорбентом ОБР-1
| Определяемый показатель | Содержание в мг/дм3 | Эффективность очистки, % | |
| До сорбции | После сорбции | ||
| СПАВ | 0,25±0,05 | 0,00025 | 99,9 |
| Медь | 3,2±0,5 | 0,003±0,0004 | 99,9 |
| Железо | 5,6±0,5 | 0,006±0,0006 | 99,9 |
| Кобальт | 3±0,2 | 0,003±0,0004 | 99 |
| Хром (III) | 2±0,2 | 0,005±0,0005 | 99,7 |
| Хром (VI) | 2±0,2 | 0,005±0,0005 | 99,7 |
| Фенол | 1±0,01 | 0,001±0,0005 | 99,9 |
| Дизельное топливо | 5±0,1 | 0,01±0,005 | 99,8 |
| Мазут | 5±0,1 | 0,01±0,005 | 99,8 |
Срок работы сорбента ОБР-1 составляет три месяца. Отработанный сорбент не подлежит регенерации и может быть использован в технологических процессах засыпки дорог, оврагов, для получения строительных материалов.
Таким образом, на основании проведенных органолептических, физико-химических, экспресс-токсикологических и радиологических исследований можно сделать заключение о возможности применения сорбента ОБР-1 для водоподготовки в практике хозяйственно-питьевого водоснабжения, что позволит отказаться от дополнительных процессов очистки воды (коагулирование), при этом годовой экономический эффект для станции 40 м3/сут составит, по сравнению с активированным углем, 9451 тыс. руб. в год. В диссертации разработаны и приведены соответствующие рекомендации по проектированию и эксплуатации данной технологии. Разработаны технические условия для использования сорбента ОБР-1 в хозяйственно-питьевом водоснабжении ТУ 5711-013-02079218-2009 «Сорбент ОБР – 1 для очистки воды».
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертационной работе на основе проведенных исследований дано новое технологическое решение актуальной научно-технической проблемы совершенствования технологии водоподготовки на групповых водопроводных очистных сооружениях аридной зоны РФ путем внедрения сорбционного метода с использованием сорбента, полученного из отходов буровых работ, что обеспечивает высокую эколого-экономическую эффективность предлагаемых схем очистки природной воды.
Основные выводы по работе
- Анализ усредненных данных многолетних наблюдений по качеству воды в водоисточниках Астраханской области показывает наиболее часто встречающиеся ингредиенты природного и антропогенного происхождения (фенолы, нефтепродукты, ионы металлов) превышающие ПДК и подтверждающие рост их негативного влияния на поверхностные источники хозяйственно-питьевого назначения.
- Существующие технологии очистки исходной воды на станциях водоподготовки крупных районных центров Астраханской области не рассчитаны на удаление ряда загрязнений, которые регламентируются нормативными документами. Реальной возможностью обеспечения требуемого качества питьевой воды является повышение барьерной роли очистных сооружений за счет совершенствования существующей технологии и внедрения новых приемов очистки воды (новых сорбентов).
- В работе проанализированы наиболее существенные моменты, связанные с использованием природных сорбентов – активных углей и алюмосиликатов с целью доведения качества воды до уровня стандартов. Дан анализ механизмов сорбции неорганических и органических соединений на активных углях и оксидах элементов, таких, как оксиды железа, хрома, титана, алюминия и кремния. Именно эти оксиды являются основой создания очистителей воды в системе хозяйственно-питьевого водоснабжения. Эти же оксиды составляют основу отходов буровых работ, которые использованы для создания сорбентов для очистки воды.
- Впервые получен сорбент ОБР-1, основу которого составляют отходы буровых работ, производимых в Прикаспийской низменности. Проведены экспериментальные исследования адсорбционно-структурных характеристик сорбента и его сорбционных свойств по отношению к большой группе неорганических и органических веществ, присутствующих в воде. Установлена высокая сорбционная емкость ОБР-1 по отношению к исследуемым веществам. Показано, что десорбция (элюирование) с ОБР-1 изученных органических и неорганических соединений практически не происходит в условиях получения очищенной воды (рН, температура, концентрации токсикантов).
- Проведено теоретическое изучение адсорбции органических и неорганических соединений на отдельных структурных составляющих ОБР-1 с использованием современных квантово-химических методов, что позволило представить обоснованные экспериментом и теорией модели адсорбционных комплексов.
Проведены лабораторные испытания сорбента ОБР-1. Установлено, что ОБР-1 по механическим, физико-химическим и сорбционным свойствам может быть использован в системе водоподготовки. Проведенные бактериологические исследования также дают основание считать, что новый сорбент ОБР-1 может быть рекомендован для массового использования для сорбционно-фильтрующей загрузки водоочистительных сооружений.
- Годовой экономический эффект от внедрения нового сорбента ОБР-1 в технологию водоподготовки группового водопровода крупного районного центра составило 1811,1 тыс. руб. в год. ( в ценах 2011г.)
- Предложенный сорбент ОБР-1 и рекомендации по совершенствованию технологии водоподготовки были внедрены на групповых водопроводах Лиманского и Ахтубинского районов Астраханской области.
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
АК - адсорбционные комплексы, АК* - адсорбционного активированного комплекса, Г - предельная сорбция; Еакт – энергия активированного комплекса; ИЗВ – индекс загрязненности воды; К- константы сорбции; ОБР – отходы буровых работ; ПАВ – поверхностные активные вещества; ТТМ - тяжелые токсичные металлы; Н - изменение энтальпии; G – изменение изобарно-изотермического потенциала; S – изменение энтропии.
Основные положения и результаты диссертационной работы изложены в следующих публикациях:
Публикации в ведущих рецензируемых научно-технических журналах и
изданиях определенных ВАК РФ
- Абуова Г.Б., Боронина Л.В. Оптимизация реагентной обработки поверхностной воды на групповых водопроводных станциях Астраханской области. //Промышленное и гражданское строительство, № 9, 2007. -С. 28-29.
- Абуова Г.Б., Боронина Л.В. К вопросу об эффективности работы системы водоснабжения Лиманского группового водопровода Астраханской области // Водоснабжение и санитарная техника № 3, 2010. - С 48-50.
3. Абуова Г.Б., Алыков Н.М., Утюбаева Н.В. и др. Сорбционное удаление из воды ионов тяжелых металлов // Безопасность жизнедеятельности. №4, 2010. - С.17-20
4. Абуова Г.Б., Алыков Н.М., Алыков Е.Н. и др. Способ получения сорбента для очистки воды //Обзор патентов//Вода: химия и экология – 2011 -№7 – С.47-50.
- Абуова Г.Б., Алыков Н.М., Павлова А.В. Адсорбция из воды ионов железа, кобальта, никеля, цинка, кадмия, хрома, свинца, ртути сорбентом ОБР-1// Экология и промышленность России. ЭКиП. Сентябрь - 2011 - С.26-28
Патенты РФ на изобретения и полезные модели
6. Пат. 236662 РФ, МПК В01J 20/02/. Способ получениясорбента для очистки воды [текст] / Н.М. Алыков, Е.Н. Алыков, А. Е. Алыкова, Г.Б. Абуова и др.; АГУ.-2010.
Отраслевые издания и материалы конференций
7. Абуова Г.Б., Горбачев Е.А., Максимов Д.Н. Проблемы и пути решения обеспечения населения качественной питьевой водой в условиях Астраханской области (на примере Лиманского группового водопровода). Сборник научных статей студентов и аспирантов Нижний Новгород,2007
8. Абуова Г.Б., Боронина Л.В. О путях снижения себестоимости очистки воды на примере Лиманского района Астраханской области. // Материалы международной научно-практической конференции «Образование, наука и практика в строительстве и архитектуре»- Астрахань: АИСИ, 2007-С. 189-195
9. Абуова Г.Б., Максимосв Д.Н. О проблемах обеспечения качественной питьевой водой в условиях Астраханской области. Материалы XII Международной научно-технической конференции «Проблемы строительного комплекса Росиии» г.Уфа, 2008г.
10. Абуова Г.Б., Боронина Л.В., Избеков Ю.Г. Резервные источники питьевого водоснабжения в Ахтубинском районе Астраханской области. Материалы II –ой международной научно-практической конференции «Астрахань-Дом будущего»- Астрахань: АИСИ, 2008г.
11. Абуова Г.Б., Боронина Л.В., Избеков Ю.Г., Захаренко Е.А. Общая технико-экологическая оценка водопотребления в Астраханской области. / Научно-технический журнал «Геология, география и глобальная энергия», издательский дом «Астраханский университет», 2008.- С.134-138.
12. Абуова Г.Б. О работе Ахтубинского группового водопровода Астраханской области и повышении его эффективности / Сборник трудов аспирантов и магистрантов (технические науки): Нижний Новгород, ННГАСУ, 2008.- С.70-71.
13. Абуова Г.Б, Алыков Н.М. и др. Адсорбция из воды органический веществ сорбентом ОБР-1 // Естественные науки. №1 -2009.- С 11-17.
14. Абуова Г.Б., Алыков Н.М. и др. Современные методы очистки воды от загрязнения нефтепродуктами по результатам патентного поиска // Естественные науки. №4 -2009. - С 140-149.
15. Абуова Г.Б., Алыков Н.М., Павлова А.В. и др. Новый сорбент для очистки воды от ионов токсичных элементов // Естественные науки. №4 -2009. - С 150-158.
16. Абуова Г.Б., Боронина Л.В. Пресные и засоленные подземные воды в системе сельского водоснабжения Астраханской области. Материалы III международной научной конференции / Фундаментальные и прикладные проблемы получения новых материалов. Астрахань, издательский дом «Астраханский университет», 2009. – С 165-170.
17. Абуова Г.Б., Боронина Л.В. Использование ОБР-1 с целью получения воды хозяйственно-питьевого назначения / Материалы v Международной научно-практической конференции «Технологии очистки воды «Техновод – 2009», Новочеркасск, 2009, с.134-138.
18. Абуова Г.Б. Очистка природной воды от нефтепродуктов и тяжелых металлов сорбентом ОБР-1. / Тезисы IV международной научно-практической конференции «Модернизация регионов России: инвестиции в инновации» - Астрахань, 2010, с.35-37
19. Абуова Г.Б., Боронина Л.В. Водные ресурсы Астраханской области – источники водоснабжения //Естественные науки №3(36), АГУ – 2011.- С 32 -39.
Абуова Галина Бекмуратовна
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВОДОПОДГОТОВКИ
в населенных пунктах АРИДНОЙ зоны России
05.23.04 Водоснабжение, канализация, строительные системы
охраны водных ресурсов
А В Т О Р Е Ф Е Р А Т
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Подписано в печать 6.04.2012 г. Заказ №. Тираж 100 экз. Печ. л. 1,0
Формат 60х84 1/16
Бумага писчая. Печать плоская.
Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет
400074, г. Волгоград, ул. Академическая 1
Отдел оперативной полиграфии
