Магистерская диссертация на тему Достоинства и недостатки обеззараживания природной воды методом ультрафиолетового облучения. Магистерская про УФО. Достоинства и недостатки обеззараживания природной воды методом ультрафиолетового облучения
 Скачать 2.2 Mb.
|
|
1.8.2 Обеззараживание питьевой воды и сточных вод ультрафиолетовым излучением и ультразвуком Идя по направлению поиска действенных методов дезинвазии воды исследования последних лет показали, что наиболее доступным методом является ультрафиолетовое излучение. Эффективность обеззараживания ультрафиолетовым облучением зависит от параметров исходной воды, подвергающейся обработке. Наличие в воде нерастворимых взвесей должно учитываться при работе УФ-установок, поскольку они снижают эффективность ультрафиолетового обеззараживания, т.к. данные вещества поглощают собой часть излучения, а также заслоняют собой целевые микроорганизмы от их невеселой участи. В диапазоне ультрафиолетового излучения 250 - 270 нм происходит эффективная инактивация ооцист криптоспоридий, поэтому было 42 установлено, что для обеззараживания воды могут использоваться лампы низкого и среднего давления. В России методы обеззараживания и действующие нормы по дозам ультрафиолетового облучения в 16-25 мДж/см2 для питьевой воды и 30 мДж/см2 для хозяйственно-бытовых и промышленных не обеспечивают необходимой инактивации патогенной микрофлоры. Более того, следует учесть естественный процесс эволюции и повышение устойчивости микроорганизмов к воздействию популярных методов обеззараживания, таким как хлор, озон и ультрафиолет. Ведущие научные центры в своих отчетах дают понять, что за последние девятилетия устойчивость микроорганизмов к хлору повысилась в 5 раз, к озону - в 2-3 раза, к ультрафиолету - в 4 раза. Отсюда может следовать только, что с учетом дальнейшего повышения устойчивости микроорганизмов к распространенным методам обеззараживания, необходимо будет при проекты будущих оборудований закладывать уровни воздействия с учетом динамики роста сопротивляемости микроорганизмов. Поэтому на сегодняшний день в развитых странах в нормах уже учтен данный нюанс и минимальная доза ультрафиолетового облучения составляет 40 мДж/см 2 , а для проектируемых станций закладывается доза ультрафиолетового облучения уже в 70-100 мДж/см 2 . В таком случае необходимо рассмотреть методы комплексного воздействия различных дезинфицирующих средств на обрабатываемую воду. Одним из комплексных методов обеззараживания воды, разработанный еще в середине 90-х годов, но скорее всего не получил популяризацию в то время, является метод, в котором предлагается использование совместного воздействия на воду ультрафиолетовым излучением и ультразвуком. В основе выше предложенного метода закладывается непрерывная обработка воды УФИ, с плотностью потока не менее 40 мДж/см 2 и с одновременным ультразвуковым воздействием плотностью около 2 Вт/см 2 и акустическими колебаниями. Представленный метод был успешно реализован и апробирован в бактерицидных установках (рис. 1.12). 43 Рисунок 1.12 – УФ-установки обеззараживания с технологией совмещения ультрафиолетового излучения и ультразвука Излучатель, размещенный непосредственно в корпусе, обрабатывает проходящий по камере установки поток воды ультразвуком обработке проходящего потока воды ультразвуком, в воде при этом образуются короткоживущие парогазовые «каверны». За счет резкого изменения давления и температуры при образовании и последующим схлопыванием пузырьков в воде уничтожается патогенная микрофлора. В роли неоднородностей выступают споры грибков, бактерии, собственно и являющиеся мишенями обработки. Оценивая эффективность этого комплексного метода по степени инактивации патогенной микрофлоры в сравнении только с ультрафиолетовым обеззараживанием (рис. 1.13 и 1.14) получается, что при аналогичных энергетических затратах это воздействие эквивалентно 150 мДж/см 2 , что практически недостижимо в приемлемых экономически целесообразных вариантах ультрафиолетовых установок, производимых компаниями в США, Европе и в России. 44 Рисунок 1.13 – Логарифм показателя инактивации фага MS 2. Логарифм показателя инактивации эндоспор Bacillus subtilis Рисунок 1.14 – Логарифм показателя инактивации цист Giadia Muris. Логарифм показателя инактивации ооцистов Cryptosporidium parvum Подобная эффективность (рис. 1.15) бактерицидных установок с технологией «Ультразвук + Ультрафиолет» дает практически безусловный гарант надежности в обеззараживании воды на ближайшие десятилетия. Дополнительно можно учесть в плюс более низкие требования к прозрачности воды, количеству взвешенных в воде частиц, а также, благодаря ультразвуку, отпадает необходимость столь периодической очистки кварцевых защитных чехлов ламп от отложений. 45 Рисунок 1.15 – Логарифм показателя инактивации E. coli Испытания и тестирования установок с технологией «Ультрафиолет + Ультразвук» проходили в крупных аккредитованных центрах России, ЮАР, Новой Зеландии и др. Испытаниями было безусловно доказано, что при совместной работе ультрафиолетового излучения и ультразвука, присутствует синергетический эффект. Таблица 1.8 – Инактивация по MS 2 фагу при одновременном воздействии ультрафиолетового излучения и ультразвука Таблица 1.9 – Результаты сертификационных испытаний на бактерицидной установке серии «Лазурь М». 46 * - Показатель количество микроорганизмов после обработки, лимитируется чувствительностью прибора контроля. 1.8.3 Эффект воздействия ультразвуковых волн на формирование биоплёнки Образование и рост биоплёнки (биообрастание) происходит повсеместно в системе где присутствует биоразлагаемые вещества и кислород. Биоплёнка формируется из органических и неорганических веществ: Органические вещества: Бактерии, колонии связанные с биоплёнкой, особенно бактерии вида Aeromonas, которые имеют способности формировать биоплёнку. Высшие организмы (амёбы, инфузории и т.п.) Внеклеточные органические полисахариды, выделяемые бактериями для начала роста биоплёнки и её закрепления. Неорганические вещества: Карбонаты и оксиды кальция и магнезия, свободные ионы кальция также связаны с ростом биоплёнки. Металлы, такие как железо, также наблюдаются в биоплёнке. Скорость развития биоплёнки зависит от количества имеющегося кислорода и ХПК. Обмывочная вода в процессе мойки яблок и груш содержит большое количество легко биологических разлагаемых веществ, в основном сахаров. Яблоки и груши не содержат большое количество азота и фосфора в своей биомассе. При биологической деградации ХПК, микробная биоплёнка имеет недостаток в питателных веществах. Как следствие, развитие биоплёнки ограничено в скорости роста, и питательные вещества передаются от бактерии к бактерии. Реакция бактерий на рост в условиях дефицита питательных веществ выражается в выработке внеклеточного полимерного вещества, необходимого для закрепления 47 биоплёнки. Это вещество приводит к образованию весьма слизистой биоплёнки. Таким образом, данная обмывочная вода является наиболее подходящей средой для проведения тестов по удалению биоплёнки с кварцевых защитных чехлов за счёт применения ультразвуковых волн в УФ реакторе. В следующем разделе представлены результаты тестов. В первой фазе теста, УФ лампы включены и система работает без применения ультразвука. Вода насыщена ХПК (легко биоразлагаемым) и кислородом. Слизистая биоплёнка сформировалась на стенках реактора и на кварцевых защитных стёклах в течение двух недель. В результате образования биоплёнки, доза УФ упала до нулевой отметки поскольку УФ свет не пропускался через плотно сформированную биоплёнку на стёклах. Фотографии ниже демонстрируют биообрастание. Рисунок 1.16 – Биообрастание кварцевых защитных стёкол Биоплёнка сформировалась не только на кварцевых защитных стёклах, но и на стенках реактора (прикреплена к металлу). Во второй стадии теста был включён ультразвук. Ультразвуковые волны создают эффект кавитации в воде, и схлопывающиеся пузырьки газа разрушают биоплёнку и последовательно её удаляют. 48 - После трёх часов, биоплёнка удалена на 50%. - После 24 часов, биоплёнка полностью удалена с кварцевого стекла и самого реактора. Рисунок 1.17 – После 3 часов обработки ультразвуком: сокращение биоплёнки. Рисунок 1.18 – После 24 часов: полностью очищенное стекло и УФ реактор. Тесты были проведены с ультразвуковой системой, которая является функциональной частью технологии и установки Лазурь: - Тестируемая вода имеет огромный потенциал для формирования биоплёнки. - Ультразвуковая система способна полностью удалить биоплёнку в течение 24 часов. - При работающей ультразвуковой системе, не возникает никакого биообрастания кварцевых стёкол и реактора. 49 1.9 Выводы по 1 главе 1. Обеззараживание воды в системах питьевого водоснабжения имеет весьма важное значение, т.к. это барьер на пути возможной передачи болезнетворных микроорганизмов через воду потребителю. 2. Хлорирование – самым популярный химический метод обеззараживания воды. Это объясняется достаточной эффективностью, простотой и дешевизной. Но имеющий свои недостатки, которые можно и нужно компенсировать. 3. Уровень эффективности обеззараживания воды ультрафиолетовым облучением зависит от интенсивности излучения и продолжительности воздействия. И чем выше прозрачность воды для ультрафиолетовых лучей, тем меньше надо затратить энергии на обеспечение одной и той же дозы для эффективного УФ-обеззараживания. 4. Минусом метода УФ обеззараживания является полное отсутствие последействия. Отсюда следует, что на стадии обработки воды УФ лучами нужно добиваться максимально возможной эффективности обеззараживания. 5. Достаточно сильное значение, влияющее на уровень обеззараживания при ультрафиолетовом облучении, играет то, что защитные чехлы ламп со временем загрязняются органическими и минеральными отложениями. 6. Воздействие ультразвуком на воду образует пустоты, в следствии чего создает большую разность давления (кавитация), что приводит к разрыву оболочки клеток и к их гибели. Бактерицидное действие ультразвука основано на данном свойстве. Обеззараживание воды с помощью ультразвука показывает неплохую эффективность даже при отдельном рассмотрении, а при комплексном использовании тем более. 7. Одним из перспективных комбинированных методов для обеззараживания воды является технология, использующая одновременное воздействие на воду ультрафиолетового излучения и ультразвука. 50 51 2 СУЩЕСТВУЮЩИЕ СИСТЕМЫ ВОДОПОДГОТОВКИ С УФ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЕМ 2.1 ООО «Автоград-Водоканал» ООО «АВК» осуществляет забор воды из Куйбышевского водохранилища для бытового и производственного водоснабжения Автозаводского района, промышленной площадки ОАО «АВТОВАЗ» и предприятий ПКЗ и ТЭЦ ВАЗа. Водозаборные сооружения расположены на 1498 км от устья реки Волга в Ставропольском районе Самарской области на левом берегу Куйбышевского водохранилища, западнее села Подстепки на 5 км. Забор воды осуществляется с глубины 18 м. Проектная производительность водозаборных сооружений – 378 тыс.м³ в сутки Фактическая производительность - 332 тыс.м³ в сутки. Дата ввода в эксплуатацию - август 1970 года. Вода насосами по пяти ниткам трубопроводов подается на очистные сооружения, «ТЭЦ ВАЗа» Самарского филиала ОАО «Волжская ТГК», на поливные нужды других абонентов. Очистные сооружения водоподготовки ООО «АВК» Сооружения водоподготовки обеспечивают хозяйственно-питьевые производственные и противопожарные потребности жилого района г.о. Тольятти, предприятий промышленно-коммунальной зоны, «ТЭЦ ВАЗа» Самарского филиала ОАО «Волжская ТГК», ОАО «АВТОВАЗ». Система водоснабжения является централизованной, I-ой категории, объединенной. Технологический состав сооружений: 1. блоки УФ-обеззараживания (4шт.); 2. реагентное хозяйство; 3. вертикальные смесители (4шт.); 4. горизонтальные отстойники (4шт.); 5. открытые скорые фильтры (16шт.); 6. хлораторная; 7. резервуары питьевой воды 20тыс.м³ (4шт.); 8. насосная станция второго подъема; 52 9. станция повторно используемой воды. Рисунок 2.1 – Схема подготовки воды, ООО «Автоград-Водоканал» По графику производится контроль качества воды на входе и на выходе станции водоподготовки, также фиксируются параметры исходной воды. Контроль производится аккредитованной лабораторией организации, а также надзорными организациями. Имеются четыре независимые линии обработки воды. Применяемые методы очистки: обеззараживание ультрафиолетовым облучением, коагулирование, отстаивание, фильтрование, стабилизационная обработка, хлорирование. Обеззараживание ультрафиолетовым облучением производится на первичном этапе. Комплекс состоит из 16 установок ультрафиолетового обеззараживания воды, по четыре в блоке, производительность каждой 1100 м 3 /час. Расположение обеззараживания ультрафиолетовым облучением позволило отказаться от первичного хлорирования, оставляющее в воде загрязнение хлорорганическими веществами, и дать антивирусный барьер на дальнейших стадиях. Данная проектная схема водоподготовки не работает на очистку от солей жёсткости, щёлочности, сухого остатка, анионных ПАВ, летучих фенолов и радиоактивности, позволяет очищать воду в основном от дисперсных частиц. 53 Органические вещества частично удаляются путем коагулирования и обеззараживания, но этого недостаточно при такой степени загрязнения. 2.2 УФ-обеззараживание в системе водоснабжения города Череповца МУП «Водоканал» - это организация, осуществляющая холодное водоснабжение жителям г. Череповца и Череповецкого района (п.Тоншалово, д. Ботово, д. Малечкино, д. Ирдоматка), а также в полном объеме объектам социального назначения и крупным промышленным и пищевым предприятиям. Рисунок 2.2 – Структура системы водоснабжения г. Череповца. 1 — водозаборные сооружения; 2 — самотечные трубопроводы; 3 — береговой колодец: 4 — насосные станции I подъема; 5,6 – водоочистные сооружения; 7— резервуары чистой воды; 8 — насосные станции II подъема; 9 — водоводы; 10 — повысительные насосные станции; 11— магистральные трубопроводы; 12 — распределительные трубопроводы. Данная централизованная система является единой и осуществляет водоснабжение всех районов города и части его окрестностей. З абор воды производится из Шекснинского руслового участка (далее – ШРУ) Рыбинского водохранилища. Вода источника относится к маломутным, цветным водам, имеет невысокий щелочной резерв. Средние значения показателей цветности 60-90 град. (мах 130 град) имеют небольшие сезонные колебания. Мутность – до 20 54 мг/л поднимается в паводковые периоды, в остальное время года средние показатели равны 3,5-7,9 мг/л, рН – 7,6 – 7,95. Общая минерализация не более 200мг/л. Характерной особенностью водоема является обильное цветение воды в период с мая по ноябрь, что влечет за собой повышенное содержание фито- и зоопланктона затрудняющее процесс водоочистки (снижает эффективность работы обеззараживающих агентов, образуют «панцирь» на поверхностях фильтрующих сооружений). Также ухудшаются органолептические показатели качества питьевой воды, появляется специфический неприятный запах. Из фитопланктона преобладают диатомовые, сине-зеленые и зеленые водоросли. Общее количество водорослей от 2000 до 50000 клеток/мл. По числу бактерий группы кишечной палочки водоем относится к 3 классу ГОСТ 2761-84 (коли- индекс до 50000 ед/дм 3 ). Рисунок 2.3 – Принципиальная схема водоподготовки на КВОС города Череповца Водоочистные станции 55 ВОС № 2 Производительность станции – 100 тыс.м.куб/сут. Первая очередь (12 штук контактных осветлителей) введена в эксплуатацию в 1962 году, вторая очередь (еще 12 штук) – в 1973 году. Процесс водоподготовки осуществляется по одноступенчатой схеме очистки с использованием контактных осветлителей. В 2006-2007 годы была начата реконструкция ВОС-2 с переходом на более эффективную двухступенчатую схему водоочистки. Первая ступень – контактные осветлители (12 единиц), вторая – скорые фильтры (12 единиц). ВОС № 3 Производительность 110 тыс.м.куб./сут. Введена в эксплуатацию в два этапа: в 2000 году – 12 рециркуляторов-осветлителей и 7 скорых фильтров, в 2001 году – еще 12 рециркуляторов-осветлителей и 6 скорых фильтров. ВОС № 3 работает по двухступенчатой схеме водоочистки. Первая ступень – осветлители-рециркуляторы (24 единицы), вторая – скорые фильтры (13 единиц). Станции работают параллельно, регламент их работы определен технологической службой в зависимости от потребности города в питьевой воде. Вся вода, производимая комплексом водоочистных сооружений, обрабатывается ультрафиолетом. Технология УФ-обеззараживания была внедрена на КВОС МУП «Водоканал» в 2002-2003гг. В состав станций УФО входит: 4 установки типа УДВ-1000/288-Д14 на водоочистной станции №2 8 установок типа УДВ-1000/288-Д14 на водоочистной станции №3. Расположение узла УФ-обеззараживания на промежуточной стадии водоподготовки создает надежный барьер к распространению бактериологических загрязнений. Результаты внедрения УФ-обеззараживания в технологию производства питьевой воды - отсутствие в питьевой воде колифагов, антигена ротавирусов и гепатита А, общих колиформных бактерий. В 2012 году была проведена модернизация действующего оборудования ультрафиолетового обеззараживания (УФО) ВОС№3, в результате которой 56 появилась возможность проводить автоматическое регулирование мощности УФ ламп, снизить потребление электроэнергии, сократить эксплуатационные затраты, в т.ч. затраты на утилизацию отработанных ламп и повысить эффективность обеззараживания питьевой воды (инактивации вирусов, цист патогенных простейших и других микроорганизмов) независимо от качества воды водоисточника. В настоящее время использование инновационной реагентной технологии водоподготовки в сочетании с уже с применяемым УФО позволило при оптимальной дозе дезинфицирующего средства «Дезавид-концентрат» получать питьевую воду с окисляемостью 2,5-3,9мг/дм³, с содержанием остаточного алюминия 0,08-0,11мг/дм³, хлороформа 0,002-0,045мг/дм³, что соответствует требованиям новых гигиенических нормативов ГН 2.1.5.2280-07 «Дополнения и изменения №1 к ГН 2.1.5.1315-03 «ПДК химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования». Таблица 2.1 – Сравнительная таблица показателей качества питьевой воды Наименование показателя Традиционная схема водоподготовки (аммиачная вода + хлор + коагулянт + флокулянт + УФО) Инновационная схема водоподготовки (коагулянт + дезавид + УФО) ПДК по ГН 2.1.5.2280-07, ГН 2.1.5.1315.-03 Цветность до 20 град. до 10 град. 20 град. Мутность до 0,28 мг/дм3 отс. 1,5мг/дм3 Остаточный алюминий до 0,50 мг/дм3 до 0,05 мг/дм3 0,2мг/дм3 Хлороформ до 0,60 мг/дм3 до 0,045 мг/дм3 0,06мг/дм3 Перманганатная окисляемость до 5 мгО2/дм3 до 3,5 мгО2/дм3 5,0 мгО2/дм3 |