авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 |

Контроль качества воды в водных объектах и технологических процессах водоочистки озонохемилюминесцентным методом

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Платонов Денис Геннадьевич

КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ВОДЫ В ВОДНЫХ ОБЪЕКТАХ
И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ ВОДООЧИСТКИ

ОЗОНОХЕМИЛЮМИНЕСЦЕНТНЫМ МЕТОДОМ

Специальность 05.23.04 – водоснабжение, канализация,

строительные системы охраны водных ресурсов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург

2009

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет»

Научный руководитель: - доктор технических наук, профессор

Алексеев Михаил Иванович

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

Лямаев Борис Федорович

кандидат технических наук, доцент

Рукобратский Николай Иванович

Ведущая организация: - ГОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения»,

Санкт-Петербург

Защита диссертации состоится «30» декабря 2009 г. в 14.00 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций
Д 212.223.06 при ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу:
190005, г. Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул. 4., зал заседаний, тел/факс (812) 316-58-72.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке СПбГАСУ.

Автореферат размещен на официальном сайте СПбГАСУ: http://spbgasu.ru

Автореферат разослан « » ноября 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат технический наук, доцент В.Ф. Васильев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Экологическая безопасность – одна из стратегических задач нашего государства. Повышенные антропогенные нагрузки в районах крупных промышленных центров, портов и местах базирования промышленных объектов привели к тому, что проблема своевременного выявления и оценки уровня загрязнения водных объектов для последующей локализации очагов загрязнений и предотвращения негативных экологических последствий приобрела в конце ХХ – начале ХХI века особую актуальность.

Возможности практического решения указанной проблемы были ограничены из-за отсутствия достаточных современных технических средств автоматизированного оперативного контроля экологического состояния водной среды. Контроль ограничивался визуальным наблюдением за загрязнениями водной поверхности, использованием традиционных методов и средств, включающих трудоемкий лабораторный анализ.

Метод определения суммы органических соединений в воде по критерию химического потребления кислорода (ХПК), регламентированный международным стандартом ИСО 6060, находит самое широкое применение при определении общего содержания органических веществ в воде. В различных аналитических лабораториях нашей страны ежегодно выполняется более одного миллиона анализов суммарного содержания органики по критерию ХПК. Однако метод ХПК обладает рядом серьезных недостатков, в частности, связанных с длительностью аналитической процедуры, образованием токсичных отходов и сложностью создания автоматических анализаторов ХПК.

Исключительная важность получения достоверной и оперативной информации об общем содержании органических примесей в питьевых, природных и сточных водах в сочетании с описанными выше недостатками стандартного метода определяет актуальность данного исследования, направленного на изучение экспрессного метода контроля загрязненности вод органическими веществами.

Реализация преимуществ озонохемилюминесцентных (ОХЛ) технологий в составе системы мониторинга качества воды (МКВ) для экологического контроля гидросферы и определяет актуальность данной диссертационной работы.

Цель работы, В соответствии с вышеизложенным, целью работы является исследование ОХЛ метода контроля качества вод и разработка системы МКВ, позволяющей в реальном времени получать информацию о степени общей загрязненности природных и сточных вод органическими соединениями и дающей возможность создавать на ее основе анализаторы с высоким уровнем автоматизации.

Задачи исследования:

- анализ существующих показателей и методов интегральной оценки органических примесей в природных и сточных водах;

- изучение явлений и процессов, позволяющих на их основе создавать методы регистрации растворенных в воде органических соединений;

- разработка и испытание системы МКВ природных и сточных вод в реальном времени при ее базировании «на берегу», «на борту судна», «на трубе»;

- экспериментальные исследования возможностей метода и факторов мешающих ОХЛ анализу водных проб для подготовки программного обеспечения приборов ОХЛ и калибровочных стандартов;

- апробация озонохемилюминесцентного метода и опытных образцов ОХЛ анализатора в натурных условиях в составе системы МКВ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- исследованы процессы возникновения ХЛ органических веществ в природных и сточных водах при окислении их озоном в динамическом режиме и показано, что величина интенсивности ОХЛ пропорциональна общему содержанию растворенного органического вещества в природных и сточных водах;

- определен характер и диапазоны влияния на интенсивность ОХЛ природных и сточных вод различных факторов: мутности, кислотности, содержания поверхностно-активных веществ, неорганических солей, температуры пробы;

- испытан метод ОХЛ определения суммарного содержания органических соединений в природных и сточных водах в реальном времени и проведены непрерывные измерения суммарного органического вещества на выходе из станции биологической очистки сточных вод;

- экспериментально показана принципиальная возможность определения общего содержания растворенного органического вещества по интенсивности ОХЛ не только в пресных водах, но и в сильноминерализованных, включая морские воды;

- экспериментально зарегистрирован эффект химического тушения ОХЛ органического вещества проб воды при добавке тушителей ОХЛ, что позволяет определить места нелегального сброса антропогенных веществ в водные объекты, а также вести экологический мониторинг состояния акваторий с борта патрулирующего судна.

Практическая значимость и реализация результатов работы:

- диссертационная работа ориентирована на испытание ОХЛ метода и создание автоматизированного комплекса оперативного экологического контроля водной среды, обеспечивающего получение информации в реальном масштабе времени;

- ОХЛ прибор в составе системы МКВ был внедрен на канализационных очистных сооружениях п. Шалово, Лужского р-на Ленинградской области на Базе отдыха ФГУП «ЦКБ МТ «Рубин»»;

- с его помощью также был проведен мониторинг качества воды в Невской Губе, в частности в Угольной Гавани морского порта «Большой порт Санкт-Петербург» (в районе причалов № 85, 86, 87), в Суздальских озерах Санкт-Петербурга, в районе морского пассажирского терминала на Васильевском острове г. Санкт-Петербурга.

Личный вклад автора состоит в следующем:

  • постановка задач при выполнении этапов диссертационного исследования;
  • определение основных требований при изучении возможностей экспериментальной установки по исследованию ОХЛ в водной среде;
  • выполнение лабораторных экспериментов по изучению явления ХЛ, возникающего при озонолизе водной пробы;
  • проведение натурных исследований ОХЛ метода;
  • обработка результатов экспериментов, получение математических зависимостей величины интенсивности озонохемилюминесценции от различных факторов: температуры пробы, pH, концентрации взвеси, солености искусственной морской воды, ХПК, концентрации модельного вещества (антраниловой кислоты) для внесения в память ОХЛ прибора;
  • разработка системы МКВ, основанной на ОХЛ методе.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

  1. Метод определения общего содержания органических соединений в сточных водах по интенсивности ХЛ при их окислении потоком озоновоздушной смеси.
  2. Данные о влиянии на интенсивность ОХЛ состава и свойств природных и сточных вод.
  3. Доказательства возможности создания принципиально новых ОХЛ анализаторов качества природных и сточных вод и приборно-методические решения, положенные в их основу.
  4. Методология использования созданных средств программного обеспечения для калибровки прибора при решении различных природоохранных задач и результаты экспериментальных исследований, выполненных с использованием ОХЛ метода в составе системы мониторинга качества воды в Санкт-Петербурге и Ленинградской области.

Апробация работы. Основные теоретические положения, результаты и выводы диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных и российских научных конференциях и совещаниях: 64-я международная научная конференция профессоров, преподавателей, научных работников инженеров и аспирантов СПБГАСУ (Санкт-Петербург, 2007 г.), 60-я, 61-я научно-технические конференции молодых ученых, инженеров и аспирантов университета СПБГАСУ (Санкт-Петербург, 2007 г., 2008 г.), 66-я научная конференция профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета (Санкт-Петербург, 2009 г.), Материалы четвертых академических чтений РААСН на тему «Новые достижения в областях водоснабжения, водоотведения, гидравлики и охраны водных ресурсов» (Санкт-Петербург, ПГУПС 2009г.), научно-практическая молодежная конференция «Чистая вода – здоровье нации» (Санкт-Петербург, ГУ ГГИ 2009 г.), 62-я научно-техническая конференция молодых ученых, инженеров и аспирантов университета СПБГАСУ (Санкт-Петербург, 2009 г.)

Публикации по теме диссертационной работы.

Основное содержание работы отражено в 7 печатных работах, в том числе 2 статьи опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав основного текста, выводов, заключения, списка использованных источников, включающего 91 наименование, и 4 приложений. Работа изложена на 145 листах машинописного текста, включая 20 таблиц и 60 рисунков.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, основные положения, выносимые на защиту, указаны научная новизна и практическая ценность, кратко описана структура диссертации.

В первой главе рассмотрены экологические проблемы водных объектов, источники загрязнения водоемов, эвтрофирование водных объектов, экологические правонарушения, методы и принципиальные схемы технологического контроля, требования к качеству очистки сточных вод. Проведен обзор существующих методов контроля воды в технологических процессах водоочистки и в водных объектах, общих требований к составу и свойствам воды водных объектов.

Во второй главе рассмотрены критерии оценки качества воды и состояния водных экосистем. Валовое количество органических примесей в водной среде оценивается в настоящее время содержанием органического углерода (ОУ) и общего органического углерода (ООУ) в воде и по показателям химического потребления кислорода (ХПК), определяемого методами бихроматной окисляемости (БО) или перманганатной окисляемости (ПО), биохимического потребления кислорода (БПК) и общего потребления кислорода (ОПК). Основными критериями для оценки общей загрязненности питьевых, природных и сточных вод органическими соединениями являются показатели БПК, ХПК и величина ООУ.

Даны обоснования возможности использования показателей общего органического углерода (ООУ), растворенного органического углерода в водной среде, как критериев определения основных факторов загрязненности водных объектов. Определена значимость удельного веса фекальных вод в водной среде. Рассмотрены химические и биологические методы контроля экологических показателей водных объектов. Рассмотрены характеристики автоматических анализаторов ХПК. Рассмотрен перспективный метод анализа – метод скрининга.

Изложен новый подход к эколого-аналитическому контролю по интегральному показателю качества водной среды. Сущность подхода состоит в следующем: определяется интенсивность ОХЛ (в нано или микроамперах), характеризующая суммарное содержание органических веществ в воде, которая также является интегральным показателем.

Предложено осуществлять экспресс-контроль качества воды по общему содержанию в воде органических соединений посредством ОХЛ метода. Рассмотрен ОХЛ метод, как наиболее универсальный для решения поставленных задач исследования.

ОХЛ метод контроля суммарного содержания органики в водной среде по параметру ХПК основан на явлении ХЛ, которая возникает в водной пробе при ее взаимодействии с озоном.

ОХЛ метод был разработан А.М. Воронцовым с сотрудниками в лаборатории гибридных методов контроля СПб НИЦЭБ РАН.

ОХЛ прибор был разработан ЗАО «МЭЛП» для СПб НИЦЭБ РАН на основе ОХЛ метода.

Прибор был апробирован на водопроводной воде и в водоемах с малой мутностью воды, однако для науки и практики представляют интерес возможность применения ОХЛ прибора для сильно загрязненных природных и сточных вод, а также в системе мониторинга качества воды. Система МКВ должна включать в себя следующие основные компоненты:

  1. Контролируемый водный объект (объект исследования).
  2. ОХЛ прибор (средство исследования).
  3. Программное обеспечение (средство обработки информации).
  4. Сигнал обратной связи (результат измерения и обработки информации).

На основе этих подходов сформулированы цели и задачи исследований. Общий вид ОХЛ прибора для определения ХПК в составе системы МКВ представлен на рис. 1

Рис.1. Общий вид ОХЛ прибора для определения ХПК в составе системы МКВ

В третьей главе проведено экспериментальное лабораторное исследование влияния возможных мешающих факторов на ОХЛ определение суммарного содержания органических соединений в водной пробе по критерию ХПК. На основе анализа физических и химических свойств питьевых, природных и сточных вод, механизмов возбуждения ХЛ и особенностей взаимодействия озона с органическими соединениями в воде в качестве наиболее существенных мешающих факторов при проведении ОХЛ определения ХПК в водной среде были определены следующие:

  • температурный режим;
  • кислотность пробы, определяемая водородным показателем (pH);
  • содержание поверхностно-активных веществ (ПАВ);
  • мутность, обусловленная наличием органических и неорганических взвесей;
  • солевой фон, определяемый наличием в воде электролитов, влияющих на степень минерализации (хлориды, сульфаты).

Структурная схема системы регистрации ОХЛ процессов представлена на рис.2

Рис. 2. Структурная схема экспериментальной системы регистрации ОХЛ процессов

Также в данной главе доказана достоверность полученных результатов математическими методами описания графиков зависимостей с построением кривых аппроксимации.

Для всех зависимостей использовали значения R2 - нормированный средний квадрат отклонения. Чем больше величина R2 приближена к единице, тем выше показатель аппроксимации (достоверности), значит функция аппроксимации близка к экспериментальной зависимости. R – показатель достоверности экспериментальной зависимости. Сплошными линиями – обозначены кривые аппроксимации. На графиках точками обозначены результаты, полученные при проведении экспериментов. Экспериментальные кривые строились по усредненным значениям, проводилось по 5-7 измерений в каждой точке представленных графиков.

Исследование зависимости ОХЛ от температуры серии проб водопроводной воды, поступившей в реактор, показало, что при повышении температуры от 10 до 80°С интенсивность ОХЛ возрастает на 25%.

Данные по результатам представлены на рис. 3.

 Зависимость-2

Рис. 3. Зависимость озонохемилюминесценции водопроводной воды от температуры пробы

Экспериментальная зависимость величины интенсивности озонохемилюминесценции от температуры пробы описывается уравнением (1) при (R2=0,977):

I= 0,0097t2 + 1,0094t + 384,3, (1)

где Ixл - интенсивность озонохемилюминесценции в наноамперах.

t – температура пробы воды, в градусах Цельсия.

Для экспериментального исследования влияния воздействия рН на озонохемилюминесценцию метод использовали водопроводную воду в объеме 2,5 л со значением рН = 6,44. Для рН 6,5 химическое тушение составило менее 5%. Химическое тушение – это резкий спад интенсивности озонохемилюминесценции, вызванный химическими реакциями. Анализируя весь выбранный диапазон экспериментальных данных можно сделать вывод, что изменение интенсивности хемилюминесценции в зависимости от рН находится в пределах ±60 %. Однако в диапазоне рН от 6,5 до 8,0, который соответствует природным водам, влияние этого показателя незначительно и не превышает ±5 %. Данные, полученные при проведении этого эксперимента, представлены на рис. 4.

Рис. 4. Влияние величины рН водного раствора на интенсивность хемилюминесценции Iхл растворенного органического вещества в воде.

Зависимость величины интенсивности озонохемилюминесценции от pH (водородного показателя) водного раствора описывается уравнением (2) при (R2=0,995):

Iхл=0,05(pH) - 0,0099(pH)1,5 - 0,0005, (2)

где Ixл – интенсивность озонохемилюминесценции в микроамперах;

pH – водородный показатель.

Для приготовления раствора, моделирующего загрязнение природных вод ПАВ, была использована природная вода, отобранная в Суздальских озерах г. Санкт-Петербурга, в которую добавляли определенное количество достаточно широко распространенного поверхностно-активного вещества — додецилсульфата натрия (в зарубежных классификациях ПАВ имеет название SDS). Результаты этих измерений показали, что собственная интенсивность озонохемилюминесценции не превышает ±1,5 % от интенсивности озонохемилюминесценции пробы природной воды, используемой для создания модельных растворов. Для всего диапазона концентраций SDS в природной воде относительное уменьшение интенсивности ХЛ не превышает ±3 %. Данные по результатам представлены на рис. 5.

Рис. 5. Зависимость озонохемилюминесценции природной воды от содержания поверхностно-активных веществ

верхняя линия – кривая аппроксимации природной воды, отобранной в Суздальских озерах с добавлением SDS;



Pages:   || 2 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.