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

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

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

Специальность 05.23.04 - водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

Платонов Денис Геннадьевич

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

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

качество вода мониторинг озонохемилюминесцентный

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.



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_xл = 0,0097t² + 1,0094t + 384,3, (1)

где I_xл - 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):

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

где I_xл - 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; нижняя линия - кривая аппроксимации дистиллированной воды с добавлением SDS.

Для исследования влияния мутности как мешающего фактора были приготовлены модельные растворы на основе порошкового микросферического силикагеля. В качестве основы для растворов использовали водопроводную воду, в которую добавляли силикагель с размером частиц 10 мкм. Таким образом, получили водные суспензии силикагеля в диапазоне концентраций от 10 мг/л до 1000 мг/л. Графическая зависимость интенсивности озонохемилюминесценции органических веществ, содержащихся в пробе водопроводной воды, от мутности этой пробы, смоделированной добавками силикагеля, отображена на рис. 6.



Рис. 6. Влияние неорганической взвеси на интенсивность ХЛ органических веществ в воде

Зависимость величины интенсивности озонохемилюминесценции и концентрации силикагеля описывается уравнением (3) при (R²=0,98):

I_хл=0,0245Ln(С_с-г) + 0,376, (3)

где I_хл - интенсивность озонохемилюминесценции;

С_с-г - концентрация силикагеля в мг/л.

Анализ полученной зависимости позволяет говорить о том, что при концентрациях силикагеля в водных растворах до 1000 мг/л существенного изменения интенсивности озонохемилюминесценции не наблюдается (изменение менее ±5 %). Таким образом, на основании результатов модельного эксперимента можно сделать важный вывод о незначительном влиянии мутности на озонохемилюминесцентный анализ, что принципиально при контроле ХПК природных и сточных вод.

Также экспериментально исследована возможность ОХЛ определения ХПК в пробах морской воды. Исследование возможности применения ОХЛ метода для определения ХПК морских вод проводилось двумя путями. Первый: к исходному раствору искусственной морской воды добавляли одно и тоже количество растворенной антраниловой кислоты (АК) и дистиллированную воду разного объема. Второй: добавка АК в различных концентрациях в пробы природной морской воды, отобранной в акваториях, соленость которых изменяется в широких пределах: Карское море - 27‰; Обская Губа - 17,9‰; устье Оби - 3,4‰. Пробы были отобраны сотрудниками СПб НИЦЭБ РАН и доставлены на самолете в течение 24 часов, поэтому пробы не консервировались. Для работы по второму варианту были приготовлены растворы морской воды, пробы которой отобраны в различных акваториях (Карское море, устье Оби, Обская губа), с добавлением антраниловой кислоты (АК), так чтобы в пробах сохранялся фиксированный уровень солености, а менялось содержание контрольного вещества вплоть до 50 мг/л для всех образцов воды, соленость которых изначально была различна.

Для расчета солености морской воды с известной хлорностью использовалось уравнение Кнудсена:

Соленость (S%_o)=0,030+1,805(Cl%_o) (4)

Результаты исследования представлены на рис. 7 и 8.

Рис. 7 Зависимость интенсивности ХЛ от солености искусственной соленой воды.

Зависимость интенсивности озонохемилюминесценции от солености искусственной морской воды описывается уравнением (5) при (R²=0,948):

I_хл= -0,0108(S‰) + 1,194, (5)

где I_хл - интенсивность озонохемилюминесценции в микроамперах;

S‰ - соленость искусственной морской воды в промилле.

Анализ зависимости, приведенной на рис. 7, позволяет сделать вывод, что в диапазоне солености 25…35‰, характерной для большей части вод Мирового океана, изменение уровня интенсивности ХЛ, вызванного изменением солености, составляет ±6%. Если учесть, что стандартные методы определения ХПК имеют погрешность ±20%, становится очевидным вывод о пригодности ОХЛ метода для определения суммы органики в соленой воде.

В реальной морской (соленой) воде химическое тушение может значительно отличаться от данных, показанных на рис. 7 из-за присутствия различных тушителей озонохемилюминесценции.

Рис. 8. Зависимость интенсивности ХЛ в морской воде от концентрации антраниловой кислоты (АК):

1 - кривая аппроксимации пробы, отобранная в устье Оби;

2 - кривая аппроксимации пробы, отобранной в Обской Губе;

3 - кривая аппроксимации пробы, отобранной в Карском море.

Зависимость интенсивности озонохемилюминесценции от концентрации органики, в данном случае, от концентрации антраниловой кислоты описывается уравнением (6) при (R²=0,998) для пробы, отобранной в устье Оби:

I_хл= 0,0003(С_ак)² + 0,0268(С_ак) + 0,367, (6)

где I_хл - интенсивность озонохемилюминесценции пробы в мкА;

С_ак - концентрация антраниловой кислоты в мг/л.

Для других акваторий аналогичные формулы зависимостей приведены в диссертационной работе.

Различные значения интенсивности ОХЛ для трех акваторий связаны с неодинаковым фоновым содержанием органического вещества в природной воде: наибольшие концентрации отмечались в устье Оби, наименьшие - в Карском море. Эти результаты подтверждают ранее сделанный вывод о применимости метода ОХЛ для определения ХПК проб морской воды.

Антраниловая кислота взята в качестве модельного вещества потому что, вещество является органическим соединением, хорошим индикатором, т.к. обладает голубой флуоресценцией, соли антраниловой кислоты со щелочными металлами, а также минеральными кислотами хорошо растворимы в воде.

Также проведено исследование влияния тушителей на интенсивность ОХЛ.

К числу наиболее интенсивных тушителей люминесценции принадлежат: ионы металлов (Cu, Fe, Pb, Co, Cd, Ni, Hg, Mn, Ag и т.п.), многие анионы (NO₃ ^-, Cl^-, Br^-, J^-, BrO^-₄ и т.д.), органические нитро, амино, галоген и серусодержащие соединения, металлорганические соединения Ї практически все они являются факторами негативного антропогенного воздействия на водные экосистемы. На рис. 9 показан пример записи антропогенных веществ (ксенобиотиков), попадающих в водную среду и влияние их на интенсивность ОХЛ процесса.

Рис. 9. Зависимость степени тушения озонохемилюминесценции контрольного вещества (Родамин В) от концентрации тушителей: KJ - нижняя кривая, C5H10NS2Na - (диэтилдитил карбамат натрия) верхняя кривая.

Третья глава также посвящена лабораторным и натурным исследованиям качества воды посредством ОХЛ прибора в Суздальских озерах Санкт-Петербурга, в акватории Невской Губы (Угольная Гавань морского порта «Большой порт Санкт-Петербург», в районе причалов № 85, 86, 87) и в акватории морского пассажирского терминала на Васильевском острове Санкт-Петербурга.

Отобранные пробы исследовали двумя методами: ОХЛ методом и затем пробы воды Суздальских озер передавали в аттестованную и аккредитованную санэпидлабораторию г. Санкт-Петербург, где методом бихроматной окисляемости по международному стандарту ISO 6060 определяли значения ХПК в единицах мгОг/л. Результаты измерений представлены на рис. 10.



Рис. 10. Зависимость величины бихроматной окисляемости проб (ХПК) от интенсивности ОХЛ I_хл для природных вод, в частности Суздальских озер

Зависимость величины бихроматной окисляемости проб (ХПК) от интенсивности I_хл для природных вод, в частности Суздальских озер описывается уравнением (7) при R²=0,961:

ХПК= 0,85+8,89 I_хл, (7)

где I_хл - интенсивность озонохемилюминесценции, в мкА;

ХПК - химическое потребление кислорода.

Исследования в морском порту «Большой порт Санкт-Петербург» проводились с борта патрулирующего судна посредством ОХЛ прибора, а также пробы передавались в аттестованную и аккредитованную санэпидлабораторию г. Санкт-Петербург, где методом бихроматной окисляемости по международному стандарту ISO 6060 определяли значения ХПК в единицах мгОг/л. Сопоставление лабораторных анализов и измерений прибора показала хорошую сходимость результатов (расхождение не превысило ± 6 %). Исследования проведены для контроля экологической безопасности акватории порта «Большой порт Санкт-Петербург» (контролировались несанкционированные сбросы антропогенных веществ и неочищенных стоков с судов в акваторию морского порта). Результаты измерений показали значения, не превышающие предельно-допустимые показатели качества воды по критерию ХПК, о чем свидетельствует Акт внедрения ОХЛ прибора в морском порту «Большой порт Санкт-Петербург». Результаты экспериментов представлены на рис.11.

Рис. 11. Зависимость величины бихроматной окисляемости проб (ХПК) от интенсивности ОХЛ I_хл для природных вод, в частности Угольной Гавани и акватории Невской Губы в районе морского пассажирского терминала на Васильевском острове г. Санкт-Петербурга.

Зависимость величины бихроматной окисляемости проб (ХПК) от интенсивности I_хл для природных вод, в частности акватории Угольной Гавани и Невской Губы в районе морского пассажирского терминала на Васильевском острове г. Санкт-Петербурга описывается уравнением (8) (при R²=0,953):

ХПК= 1,29+8,63 I_хл, (8)

Рассматривая полученные линейные зависимости 7 и 8 можно сделать вывод о сходимости этих результатов и судить о примерно одинаковом содержании органических веществ в водах Суздальских озер и акваторий Невской Губы в районе морского пассажирского терминала на Васильевском острове г. Санкт-Петербурга и Угольной Гавани в районе причалов 85, 86, 87 морского порта «Большой порт Санкт-Петербург».

В четвертой главе представлены экспериментальные исследования контроля качества сточных вод. Макетный образец озонохемилюминесцентного (ОХЛ) прибора в составе системы мониторинга качества природных и очищенных сточных вод (МКВ), предназначенный для непрерывного контроля в потоке пробы суммарного содержания растворенных органических соединений, его отображения в реальном времени на экране монитора и документирования информации был присоединен и испытан совместно с комплексом очистки сточной воды (КОС) типа «БРИЗ», расположенной на територии базы отдыха ФГУП «ЦКБ МТ «Рубин»» на берегу Шаловского озера (Лужский район Ленинградской области).

В качестве места отбора при стыковке ОХЛ прибора в составе системы МКВ с установкой очистки сточных вод типа «Бриз» выбран сливной патрубок системы обеззараживания воды ультрафиолетовым излучением.

Схема подсоединения представлена на рис.12.



Рис. 12. Схема подсоединения ОХЛ прибора к установке очистки сточных вод на базе отдыха ФГУП «ЦКБ МТ Рубин»: 1 -- прибор; 2 -- гибкий полимерный входной трубопровод (Ду 4); 3 -- трубопровод отвода отработанной пробы (Ду 8); 4 -- штуцер (Ду 4); 5 -- стенка сливного патрубка; 6 -- плоский поддон; 7 -- входной патрубок для очищенной воды; 8 -- откидная крышка; 9 -- серия бактерицидных ламп.

В ходе экспедиционных работ проводилось сопоставление результатов, полученных средствами ОХЛ прибора в составе системы МКВ и методами отбора проб и лабораторных измерений. Для полного массива данных на рис. 13 представлена корреляция показателей определения ХПК по методу бихроматной окисляемости и озонохемилюминесцентным методом.

Рис. 13. Взаимосвязь величины бихроматной окисляемости проб (ХПК) от интенсивности озохемилюминесценции I_хл для полного массива данных

Интенсивность ОХЛ линейно зависит от концентрации растворенного органического вещества и аппроксимируется зависимостью (9) (при R²= 0,62):

ХПК = 7,02 + 4,58 I_хл (9)

Подтверждена в натурных условиях обоснованность предложенных научно-технических решений, представительность и достоверность результатов измерений МКВ путем их интеркалибрации с результатами, получаемыми традиционными методами и средствами измерений. Показана принципиальная возможность как дискретного, так и непрерывного в реальном времени контроля природной воды и очищенной сточной воды по критерию ХПК в единицах мгО/л, причем дискретный контроль может быть проведен вручную оператором, не имеющим специальной химико-аналитической подготовки, а непрерывный контроль в реальном времени проводится автоматически в течение продолжительного времени - от нескольких суток и более. Регистрация и документирование результатов контроля чистоты воды, выходящей из очистных сооружений, не только обеспечивают контроль хода технологического процесса, но и могут служить основанием для непринятия необоснованных претензий со стороны природоохранных контрольных служб.

Приведенные данные свидетельствуют, что внедрение в практику работы природоохранных органов судов, оснащенных ОХЛ приборами в составе системы МКВ, позволит существенно улучшить организацию и эффективность выполнения работ, связанных с экологическим контролем и мониторингом.

Результаты исследований свидетельствуют о том, что ОХЛ метод может применяться при контроле качества сточной воды практически на любом этапе технологического процесса (до и после первичных отстойников, вторичных отстойников, фильтров доочистки, блока обеззараживания и т. д.)

ОХЛ метод также может использоваться при контроле качества воды на водозаборных сооружениях, при контроле питьевых вод (в резервуарах чистой воды, водохранилищах и т. д.)

В настоящее время не решен вопрос определения с помощью ОХЛ метода минерализованного азота и фосфора (содержащихся в очищенных сточных водах), ведутся исследования в этом направлении.

В заключении сформулированы основные результаты данной диссертационной работы и приведены следующие выводы:

ВЫВОДЫ

1. Рассмотрены, проанализированы и систематизированы основные виды техногенных воздействий на водные объекты; оценена эффективность существующих методов экологического контроля, базирующихся на дискретном проботборе и последующем лабораторном анализе, отмечена невозможность решения задач оперативного экологического контроля на их основе.

2. Исследована возможность применения ОХЛ метода контроля общего содержания органических соединений в природных, морских и сточных водах, основанного на окислении органических молекул в потоке водной пробы потоком озоновоздушной смеси и регистрации возникающей ХЛ в реальном масштабе времени.

3. Показано, что между критерием ХПК и интенсивностью ОХЛ показатель аппроксимации составляет 0,62 для проб с содержанием органических соединений в диапазоне значений ХПК 9,7…30 мгО/л. Интенсивность ОХЛ линейно зависит от концентрации растворенного вещества и аппроксимируется зависимостью: ХПК=7,02+4,58 I_хл (Данная формула применима для контроля качества сточных вод).

4. Изучена зависимость интенсивности ОХЛ природных и сточных вод от ряда мешающих факторов и показано, что в пределах изменения этих факторов, наблюдаемая интенсивность ОХЛ изменяется под действием: кислотности пробы - не более ± 5% (в диапазоне значений рН от 6,5 до 8,0); мутности пробы - не более ± 5%; добавки поверхностно-активных веществ - не более ± 3%; температуры анализируемой пробы - не более ± 6%; общей концентрации минеральных солей - не более ± 10%.

5. Показана принципиальная возможность ОХЛ определения суммарного содержания органических соединений в морской воде с соленостью в диапазоне значений 25…35‰.

6. Разработана, испытана в лабораторных и натурных условиях система МКВ природных и сточных вод в реальном времени при ее базировании «на берегу», «на борту судна», «на трубе».

7. Впервые произведены измерения общего содержания органических примесей в реальном времени на выходе из станции биологической очистки сточных вод в Лужском районе Ленинградской области.

8. Полученные результаты могут быть использованы в общей базе данных по оценке экологического состояния водных объектов Санкт-Петербурга и Ленинградской области.

9. Показана практическая значимость и эффективность ОХЛ прибора в составе разработанной системы МКВ.

10. Выведены математические формулы зависимости величины интенсивности озонохемилюминесценции от температуры пробы, pH, мутности, солености искусственной морской воды, концентрации антраниловой кислоты, ХПК, которые были внесены в память ОХЛ прибора для определения таких параметров как ХПК, рН, температура, соленость и мутность воды.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО В РАБОТАХ

Платонов, Д. Г. Развитие тест-методов в системе экологического контроля водной среды [Текст] / Д. Г. Платонов, Н. В. Новикова,

А. В. Медимнов, Т. В. Деева // Сб. докл. 64-й науч. конф. ч. 2. - СПб.: СПбГАСУ, 2007.

Платонов, Д. Г. Связь между содержанием растворенного органического вещества и состоянием водной системы [Текст] /

Д. Г. Платонов, Н. В. Новикова, А. В. Медимнов // Сб. докл. 62-й междунар. науч.-техн. конф. молодых ученых ч. 2 - СПб.: СПбГАСУ, 2009.

Алексеев, М. И. Применение методологии скрининга при контроле качества воды в водных объектах с использованием озонохемилюминесцентных датчиков [Текст] / М. И. Алексеев, Д. Г. Платонов // Новые исследования в областях водоснабжения, водоотведения, гидравлики и охраны водных ресурсов: Материалы четвертых академических чтений - СПб: ПГУПС, 2009.

Платонов, Д. Г. Контроль качества очистки сточных вод озонохемилюминесцентным методом [Текст] / Д. Г. Платонов // Вестник гражданских инженеров. 2009 -.№2(19). (из списка ВАК)

Платонов, Д.Г. Применение озонохемилюминесцентного метода для выявления экологических правонарушений [Текст] /Д.Г. Платонов //

Сб. докл. 66-й науч. конф. ч. 2 - СПб.: СПбГАСУ 2009.

Платонов, Д. Г. Применение озонохемилюминесцентного метода при хемилюминесцентном анализе контроля качества воды в водных объектах [Текст] /Д.Г. Платонов // Сб. тез. науч.-практич. молодежной конференции «Чистая вода - здоровье нации» - СПб.:2008 - 2009.

Платонов, Д. Г. Оценка влияния некоторых факторов на интенсивность озонохемилюминесценции в водной среде [Текст] /

Д. Г. Платонов, Н. В. Новикова, А. В. Медимнов // Вестник гражданских инженеров. 2009. - №3(20). (из списка ВАК)

Размещено на Allbest.ru

...