Одорирующие вещества биологического происхождения в природных водах и способы их удаления при водоподготовке

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

ОДОРИРУЮЩИЕ ВЕЩЕСТВА БИОЛОГИЧЕСКОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ В ПРИРОДНЫХ ВОДАХ И СПОСОБЫ ИХ УДАЛЕНИЯ ПРИ ВОДОПОДГОТОВКЕ

05.23.04 - Водоснабжение, канализация,

строительные системы охраны

водных ресурсов

Гусев Евгений Евгеньевич

Москва 2007

Работа выполнена в Открытом Акционерном Обществе - Ордена Трудового Красного Знамени комплексном научно-исследовательском и конструкторско-технологическом институте водоснабжения, канализации, гидротехнических сооружений и инженерной гидрогеологии «НИИ ВОДГЕО» (ОАО «НИИ ВОДГЕО»)

Научный руководитель:доктор технических наук

Смирнов Александр Дмитриевич

Официальные оппоненты:доктор технических наук, профессор

Стрелков Александр Кузьмич

Самарский Государственный архитектурно-

строительный университет, г. Самара

кандидат технических наук

Соколова Елена Васильевна.

ОАО «НИИ ВОДГЕО», г. Москва

Ведущая организация:ГУП «Институт «МосводоканалНИИпроект»,

г. Москва

Защита состоится «16» мая 2007 г. в 13-30, на заседании диссертационного совета Д 303.004.01 при ОАО «НИИ ВОДГЕО» по адресу: Комсомольский проспект, 42, стр. 2, г. Москва, Г-48, ГСП-2, 119048.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО «НИИ ВОДГЕО», тел. (495) 245-97-87, (495) 245-95-56, факс (495) 245-96-27.

Автореферат разослан «___» апреля 2007 г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Посторонние запахи и привкусы питьевой воды не относят к характеристикам, опасным для здоровья населения, однако их появление ухудшает качество воды по «эстетическим» показателям. В связи с этим проблема запахов воды исследуется в мире не настолько целеустремленно, как проблемы присутствия в воде возбудителей болезней и потенциально ядовитых веществ. Тем не менее, к этой проблеме приходится постоянно обращаться в связи с жалобами населения и производителей пищевой продукции.

В настоящее время увеличивающаяся техногенная нагрузка на водоисточники приводит к их эвтрофикации и изменению видового состава биоценоза водоема в связи со сбросами биогенных элементов, особенно в окрестностях крупных городов, что приводит к явлениям, неблагоприятно сказывающимся на органолептических свойствах воды. Динамика развития этих процессов позволяет предположить, что в будущем проблема качества воды водоисточников, включая органолептические показатели, будет только обостряться.

Важность рассматриваемой проблемы для водоподготовки требует комплексного подхода, одним из основных аспектов которого является мониторинг запаха воды водоисточников и изучение процессов его формирования.

Целью работы является изучение появления запахов биологического происхождения в воде и способов борьбы с ними. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- мониторинг изменения интенсивности и характера запаха воды и состава фитопланктона водоисточника по годам, анализ органических соединений с целью выявления наличия одорантов;

- проведение исследований процессов выделения и культивирования цианобактерий и актиномицетов, как основных продуцентов одорирующих веществ, способных в малых концентрациях придавать воде посторонние запахи, для установления взаимосвязи интенсивности продуцирования ими одорантов и состоянием их популяции для исследований процесса формирования запаха в лабораторных условиях;

- исследование окислительных и сорбционных способов дезодорации воды.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

- в работе на основе анализа и систематизации данных об уровне и характерах запахов воды (на примере Москворецкого водоисточника) выделены основные группы запаха воды;

- в ходе работы выявлена совокупность факторов, влияющих на формирования запахов, являющихся основой для построения прогнозов пиковых периодов возникновения запахов воды, а также их характера в зависимости от видового состава водоисточника и параметрических характеристик водной среды;

- в работе использованы методы культивирования цианобактерий и актиномицетов в лабораторных условиях при различных параметрических характеристиках среды для изучения продуцирования ими одорирующих веществ, отвечающих за запах воды;

- в ходе сравнительных исследований выявлены границы применимости окислительных способов дезодорации, а также дифференцированность эффектов сорбционных методов обработки воды в отношении запахов различного характера.

Достоверность полученных результатов, рекомендаций и выводов подтверждается современными методами выполнения экспериментальных исследований, результатами анализа полученных опытных данных и оценкой их точности, а также использованием современных статистических методов обработки данных.

Практическая значимость работы. Осуществлена оптимизация процессов дезодорации воды при водоподготовке на предприятиях Горводока-налов г.г. Москвы, Ижевска (Москворецкий водоисточник и Ижевский пруд).

Результаты исследований диссертационной работы использованы для прогнозирования возникновения запахов воды в Москворецком водоисточнике и на водозаборах в г.г. Ижевске и Хабаровске, для повышения эффекта дезодорации воды в этих городах, а также для составления моделей прогнозов ухудшения органолептических свойств воды для других водоисточников.

Результаты исследований использованы для разработки рекомендаций по способам дезодорации воды, в том числе в зависимости от характера запаха воды.

Апробация работы. Результаты исследований и основные положения диссертационной работы докладывались автором на III Московском международном конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы развития» в 2005 году (Диплом конкурса молодых ученых за хорошую научно-исследовательскую работу) и на научно-техническом Совете в ФГУП «НИИ ВОДГЕО» в 2004 году.

Результаты диссертационной работы послужили основой рекомендаций для проектирования технологий дезодорации воды при водоподготовке на предприятиях «Горводоканал» г.г. Москвы, Ижевска Хабаровска

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов и списка использованной литературы, насчитывающего 51 наименование. Работа изложена на 180 страниц машинописного текста, включая 63 рисунка, 61 таблицу и 6 фотографий.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведено обоснование актуальности темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи работы, научная новизна, практическая ценность.

Первая глава диссертационной работы содержит информацию, полученную из современной литературы и электронных средств информации по вопросам причин появления посторонних запахов биологического происхождения в природной и водопроводной воде, способах оценки их интенсивности и методах удаления.

Показано, что основными источниками запахов воды служат бактерии и водоросли (фитопланктон), развивающиеся как в воде водоемов, так и в водопроводных системах, способные синтезировать различные одорирующие вещества (в т.ч.: геосмин, 2-метилизоборнеол (МИБ), меркаптаны, диметилдисульфид, бета-циклоцитраль, 2,4-гептадиенал, 2,6-нонадиенал и др.). Чаще других основные проблемы создает появление в воде геосмина и МИБ, синтезируемого в основном цианобактериями и актиномицетами. Уровень содержания этих веществ в природных водах может достигать микрограммов на литр, в то время как порог ощущения этих соединений составляет около 5-20 нг/л. Поэтому основным способом оценки содержания одорантов в воде является органолептический.

Основное внимание обращено к условиям, при которых в водоисточниках развиваются организмы - продуценты веществ, способных в малых концентрациях придавать воде посторонние запахи, взаимосвязями интенсивности экскреции одорантов с состоянием популяции. На состав и продуктивность фитопланктона в водоемах влияет большой комплекс факторов - температура воды, освещенность, содержание биогенных элементов (азот, фосфор), а для некоторых видов - кремний, железо и др.

Способы удаления одорантов из воды, применяемые в настоящее время, основаны на их окислении соединениями хлора, озоном, перекисью водорода, марганцевокислым калием или на адсорбции активированными углями.

Показано, что в известных работах имеет место разрыв между мониторингом состояния водоемов, имеющих чрезвычайно широкий спектр вариаций условий, и технологиями дезодорации воды с весьма ограниченным набором средств, и делается вывод о целесообразности единого методического подхода к решению проблемы.

Во второй главе диссертационной работы анализировались данные уровня и характера запахов воды на примере Москворецкого водоисточника с 1998 по 2004 год. Оценивались данные анализов проб воды во многих створах по течению р. Москвы в т.ч.: 10 км, 23 км, р. Истра, водозабор ЗВС, район РВС. Анализ информации проводился с усреднением по годам и точкам отбора проб.

Данный анализ показал, что число разных видов запахов достаточно велико, однако частота их встречаемости неодинакова. Наиболее часто встречаются следующие запахи: гнилостно-землистый, гнилостный, землисто-гнилостный, гнилостно-тинистный, травянисто-гнилостный, землистый, навозный, гнилостно-сточный.

Сезонное изменение запаха (по средним многолетним для каждого месяца значениям) показало, что распределение основных видов запахов во времени различно. Запахи гнилостного и землистого типа присутствуют во все сезоны, но интенсивнее проявляются в периоды паводков. Навозный запах чаще всего наблюдается в период весеннего половодья и обусловлен веществами, поступающими в реку с поверхностным стоком с сельхозугодий. Травянистый запах и запах с тинистым оттенком наблюдаются преимущественно в теплое время года, когда наблюдается бурное развитие водной растительности.

Для систематизации данных все виды запахов были распределены на 9 основных групп (рис. 1), содержащих 7-10 близких по характеру запахов. 1-я группа - землистые запахи, 2-я - гнилостные, 3-я - тинистые, 4-я - сточные, 5-я - травянистые, 6-я - навозные, 7-я - рыбные, 8-я - огуречные, 9-я - нефтяные. При такой обработке данных наиболее распространенными запахами в Москворецком водоисточнике являются запахи, отнесенные к группе землистые (до 66 %).

Наибольшая интенсивность запахов наблюдается весной в апреле (данные за 2001 - 2004 гг. (рис. 2)), затем следует спад, а новое увеличение происходит, как правило, осенью. Факторы, обуславливающие процесс, можно условно подразделить на внешние (способствующие поступлению в реку веществ, вызывающих запахи извне) и внутренние (в результате жизнедеятельности водных организмов - водорослей и бактерий).

Сравнение графиков о сезонных изменениях численности фитопланктона в воде Москворецкого водоисточника (рис. 3) и данных о запахе воды (рис. 2) указывает на сходство их характеров, что говорит о том, что фитопланктон участвует в формировании запаха воды в период с мая по сентябрь.

Анализ результатов проб воды, отобранных в период весеннего половодья (апрель), при появлении запахов навозного и сточного характера, а также в периоды массового развития и отмирания фитопланктона (июнь-сентябрь), когда наблюдались запахи землистого, гнилостного и плесневого характера, позволил выявить зависимость между составом, концентрацией, видовым составом фитопланктона и запахом воды.

Часть органических соединений, присутствующих в речной воде во время паводка, составляют углеводороды нефтяного происхождения. Среди них преобладают: ксилол, толуол и другие алкилбензолы (десятки мкг/л). В меньших количествах присутствуют парафины и олефины с длиной цепи от 6 до 18 атомов углерода (десятки мкг/л).

К естественным источникам одорантов в воде относятся продукты жизнедеятельности и отмирания микроорганизмов и растений. В питьевую воду попадают продукты метаболизма бактерий: геосмин, МИБ, терпеновые углеводороды, спирты и кетоны, углеводороды и изопреноиды и др. Наиболее разнообразными запахами обладают летучие природные органические вещества, обусловленные метаболизмом актиномицетов и сине-зеленых водорослей.

При рассмотрении сезонной динамики можно выделить следующие характерные для Москворецкого водоисточника соединения, обладающие одорирующими свойствами: в период весеннего половодья - триметилбензол, фенол, деканаль; пара-цимол, циклогексенэтанол, каранол (компоненты навозного запаха); в мае-июне во время массового развития диатомовых водорослей - триметилбензол, толуол, ксилол, нафталин, фенол, деканаль. сесквитерпены, которые являются компонентами эфирных масел или метаболитами актиномицетов (сладковатые, гнилостные запахи), а также геосмин и МИБ (землистый, затхлый запахи); в августе-сентябре во время массового развития сине-зеленых водорослей - геосмин, МИБ, диметилтрисульфид, нафталин, ксилол, фенол, триметилбензолы, деканаль, сесквитерпены (гнилостно-землистые запахи иногда с дустовым оттенком).

Разброс концентраций обнаруженных соединений достаточно велик: от сотых долей до сотен мкг/л. Превышение ПДК и ПКЗ (предельная концентрация запаха) для некоторых соединений при достижении максимальных значений концентраций за период наблюдения составляла: для геосмина (до 10 ПКЗ), МИБ (до 10 ПКЗ), ксилола (2 ПКЗ), нафталина (2 ПКЗ), толуола (2,5 ПДК), фенола (до 10 ПДК), деканаля (до 8 ПКЗ). При том, что для многих соединений ПКЗ пока не определены.

В третьей главе приведены результаты исследований влияния актиномицетов и водорослей на интенсивность образования одорирующих веществ в лабораторных условиях, с учетом взаимосвязей между видовым составом микрофлоры и запахами воды выявленными выше.

Анализ предыдущих результатов показал, что запах воды биологического происхождения чаще других вызывают актиномицеты и цианобактерии, продуцирующие геосмин и МИБ. Однако в силу изменчивости во времени, наблюдение за реальными объектами, в водах которых есть геосмин и МИБ затруднено, полноценные исследования, в т.ч. и одорирующих веществ, возможны только при стабилизации процесса их образования. Вследствие этого в ходе работы впервые было реализовано искусственное культивирование цианобактерий и актиномицетов (как продуцентов одорирующих веществ) в лабораторных условиях для проведения целевых исследований процессов формирования запаха воды, и их удаления из воды. Поскольку на разных этапах развития микроорганизмов характер их обмена с окружающей средой (в т.ч. выделение одорантов) изменяется, в работе обращали внимании на три основные фазы роста культуры: начальную, логарифмическую, стационарную, а также учитывали условия культивирования: температуру, содержание в среде биогенных и органических веществ, освещенность (лабораторные эксперименты по этой части работы выполнялись автором в МГУ им. М.В. Ломоносова и в РХТУ им. Д.И. Менделеева).

Наличие и содержание в воде одорирующих веществ определялось с помощью хромато-масс-спектрометрического анализа, интенсивность запаха определяли органолептическим методом.

Для реализации работы была отобрана проба донных отложений из р. Москвы. Выделение актиномицетов проводили путем поверхностного посева на чашки Петри с агаразизованной казеин-глицериновой средой, а выделенные культуры Streptomyces высевали методом «газона» на чашки с питательной агаризованной казеин-глицериновой средой (инкубировали в термостате при 28 0,5 ⁰С) и отбирали культуры, обладающие сильным запахом земли.

Посевной материал отобранных стрептомицетов использовали для посева в жидкой казеин-глицериновой среде, приготовленной на воде из р. Москвы (1-ый вариант) или из р. Волга (2-ой вариант). Для этого часть стрептомицетного роста (субстратный и воздушный мицелий) переносили со скошенного агара в колбу со стерильной жидкой средой.

Инкубацию засеянных колб проводили при температурах: 8 ⁰С, 16 ⁰С и 20 ⁰С в течение 5 сут. (первая - временнбя проба, соответствующая, приблизительно, началу логарифмической фазы роста культуры актиномицета в жидкой среде), 11 сут (вторая - временнбя проба, соответствующая середине логарифмической фазы роста культуры в жидкой среде) и 18-20 сут (третья - временнбя проба, соответствующая стационарной фазе роста культуры в жидкой среде).

Анализ полученных результатов показал, что биомасса актиномицетов, выращиваемых при 16 и 20 ⁰С увеличивается в 2,7 - 3,5 раза за первую неделю инкубациии и в 3,3 - 4,5 раза за две недели инкубации. При температуре 8 ⁰С прирост биомассы за первую неделю увеличился всего в 2 раза, а за весь период инкубации в 2,25 раза.

Однако, несмотря на различный прирост биомассы при температурах от 8 до 20 ⁰С, уровень выделяемых запахов при всех температурах в конце периода культивирования актиномицетов достиг одинакового значения - 5 баллов. Показано, что и небольшого содержания актиномицетов (9 мг/л) при низких температурах достаточно для появления запаха.

В культуральных жидкостях актиномицетов было обнаружено 51 летучее органическое соединение, суммарное содержание которых в пробах колебалось от 46 мкг/л до 594 мкг/л. Значимые концентрации были определены для следующих веществ: геосмин - 0,09-2,7 мкг/л; МИБ - 0-0,3 мкг/л; диметилдисульфид (ДМДС) - 0-0,15 мкг/л; диметилтрисульфид (ДМТС) - 0-0,2 мкг/л; толуол - 1,1-19,5 мкг/л; ксилол - 0,9-3,9 мкг/л; дифениловый эфир - 0-2,0 мкг/л.

В процессе культивирования актиномицетов содержание большинства соединений увеличивается от фазы к фазе роста. Учитывая, что запах во всех пробах культуральной жидкости в течение эксперимента только усиливается, можно предположить, что увеличение запаха связано с увеличением концентрации отдельных соединений, которые обуславливают землисто-кукурузно-затхлый запах исследуемых проб. Несмотря на то, что концентрация геосмина и МИБ в несколько раз превышает ПКЗ, наличие других одорантов, концентрация которых ниже ПКЗ, также влияет на характер запаха.

В лабораторных условиях было проведено культивирование и сине-зеленых водорослей (цианобактерий) при различном содержании биогенных элементов в среде, и вариациях внешних физических факторов - температуры и освещенности, с целью изучения их влияния на возникновение запаха воды и был изучен состав продуктов метаболизма. В качестве объектов исследования были использованы цианобактерии Oscillatoria sp. и Anabaena sp.

Сравнительная оценка влияния света на образование одорирующих веществ проводилась при последовательном культивировании Anabaena sp. и Oscillatoria sp. при освещении и в темноте. Результаты показывают, что в темновую стадию культивирования усиливается образование одорирующих веществ, которое не прекращается при дальнейшем возвращении в световую стадию и с добавлением питательной среды.

Результаты опытов по культивированию сине-зеленых водорослей в диапазоне температур с 25 ⁰С до 13-18 ⁰С показали, что снижение температуры усиливает образование одорирующих веществ. Интенсивность запаха повышалась для Anabaena sp. с 1-2 баллов до 3-4 баллов, а для Oscillatoria sp. с 2 до 4 баллов при выходе культур на стационарную фазу. До стационарной фазы запах не улавливался.

Исследование влияния повышенной концентрации биогенных элементов фосфора и азота (в 3-4 раза от оптимальных значений) при температуре культивирования 25 ⁰С показали, что повышенная концентрация этих элементов в питательной среде культивирования приводит к повышению активности образования одорирующих веществ, наличие которых определялось в воде с начала фазы логарифмического роста культур. Для Oscillatoria sp. прирост биомассы при визуальном определении практически ничем не отличался от предыдущих экспериментов. Интенсивность запаха менялась с 2 баллов до 5 баллов. Для Anabaena sp. прирост биомассы немного замедлился, а интенсивность запаха менялась с 2 баллов до 4 баллов. Следовательно, образование одорирующих веществ происходит на протяжении всего периода роста цианобактерий Anabaena sp. (характерен землисто-гнилостный запах) и Oscillatoria sp. (характерен землисто-кукурузный запах). При отклонении параметрических характеристик условий роста цианобактерий от оптимальных их значений интенсивность образования одорирующих веществ усиливается.

Как показывают результаты анализа состава одорирующих веществ культуральной жидкости Oscillatoria sp., в составе одорантов присутствуют в очень высокой концентрации геосмин (1784 нг/л) и МИБ (836 нг/л), которые являются наиболее сильными одорантами, отвечающими за запах воды.

При исследовании различных фаз развития сине-зеленой водоросли вида Aphanizomenon flos-aqua непосредственно в воде и условиях Москворецкого водоисточника установлено, что в начальной стадии развития водоросли ее биомасса достигает 12 мг/л, проба воды обладает запахом в 1 балл и индефицированы 12 соединений общей концентрацией 44,9 мкг/л; на промежуточной стадии развития ее биомасса увеличивается более чем в 10 раз (154 мг/л), запах увеличивается до 2-3 баллов с травянисто-кукурузным характером, в состав одорантов входит 33 соединение (общей концентрацией 218 мкг/л.). На заключительной стадии развития биомасса достигает 285 мг/л, запах 3-4 балла с оттенком травянисто-кукурузным и в состав одорантов входит 38 соединений с суммарной концентрацией 355,5 мкг/л.

Появление запаха в пробах культуральной жидкости Aphanizomenon flos-aqua одновременно с образованием новых метаболитов свидетельствует о том, что соединения, отвечающие за травянисто-кукурузный запах относятся к вновь образовавшимся веществам. К таким веществам относятся МИБ, иононы, гептанон, гексаналь и летучие жирные кислоты (в т.ч. антеизогептановая, капроновая и пеларгоновая и др.).

В результате работы показано, что образование одорирующих веществ может происходить на протяжении всего периода роста и актиномицетов, и цианобактерий. При этом содержание одорантов увеличивается по стадиям роста от начальной фазы роста к логарифмической, и достигает максимума при стационарной стадии развития.

Четвертая глава диссертационной работы посвящена исследованиям способов удаления одорирующих веществ при водоподготовке, основанных на окислении одорантов озоном и перекисью водорода, а также сорбционным способам дезодорации воды.

Исследования по дезодорации воды проводились на реальных водах р. Москвы, Ижевского пруда, а также на модельных растворах с введением одорирующих веществ (геосмин и МИБ) в речную воду.

вода фитопланктон одорант сорбционный

В ходе экспериментов по дезодорации на специально разработанной озонаторной установке было показано, что при повышении доз озона в пределах 1-15 мгО₃/л, эффективность удаления геосмина и МИБ из модельно зараженной воды повышалась (рис. 4). Однако, несмотря на существенное удаление геосмина и МИБ, запах снижался незначительно и трансформировался (из землистого в землисто-химический при дозе озона 3 мгО₃/л и химически-землистый при 7-15 мгО₃/л).

Исследование Н₂О₂, как дезодорирующего окислительного агента в интервале доз от 1 до 15 мг/л показало, что при повышении дозы Н₂О₂ эффективность удаления по сумме одорантов (геосмин и МИБ) повышалась, но не более чем до 50 %, а запах снижался лишь с 4 до 3 баллов и трансформировался в землисто-химический (рис. 5).

При совместном воздействия озона и перекиси водорода, эффективность удаления геосмина и МИБ была выше 50 % (рис. 6) и уровень запаха снижался с 4 до 2 баллов. Однако химический оттенок запаха усиливался с увеличением дозы окислительных агентов, и при максимальной дозе в пробе обработанной воды не ощущался землистый оттенок запаха, несмотря на содержание в ней геосмина и МИБ с концентрациями 56-53 нг/л (ПКЗ для этих одорантов составляет 5-20 нг/л). Следовательно, образующиеся продукты окисления лишь маскируют запахи присущие геосмину и МИБ.

В целом испытания окислительных агентов для дезодорации воды показали их недостаточную эффективность, а изменение характера запаха показало наличие в пробах воды вторичных продуктов окисления, обладающих собственными одорирующими свойствами.

Активированный уголь является одним из самых распространенных реагентов для удаления из воды различных органических соединений, и применяется на станциях водоподготовки в виде порошка или гранул. Из-за того, что запахи воды биологического происхождения являются кратковременным явлением (1-3 раза в год в течение 5-20 дней) для ее дезодорации целесообразнее применять порошкообразный активированный уголь (ПАУ). Преимуществом ПАУ является возможность полного регулирования его ввода (время, дозы, точки и т.п.) без существенных инвестиционных затрат, а также отсутствием вторичного загрязнения после обработки воды (в отличие от окислительных агентов).

Эксперименты по дезодорации воды ПАУ проводились также на специально разработанной установке с вариациями дозы угля, условий перемешивания, с полной программой пред- и постобработки (хлор, коагулянт и отстаивание, фильтрование).

При изучении сорбционной эффективности удаления одорирующих веществ учитывалась зависимость процесса от типа ПАУ, его фракционного состава, выбора дозы угля, времени контакта ПАУ с водой.

Показано, что для дезодорации воды Москворецкого водоисточника с землистым запахом до 3 баллов возможно использование ряда видов ПАУ при дозе до 5 мг/л и времени контакта до 5 мин (рис. 7).

При этом качество исследуемой воды во всех случаях соответствует нормативу - запах до 2-х баллов со слабым содовым оттенком. Среди летучих органических соединений (ЛОС) в пробах исходной воды были определены следующие значимые одоранты: геосмин - 0,23 мкг/л, МИБ - 0,16 мкг/л, толуол - 38,72 мкг/л, ксилол - 49,35 мкг/л, дибутилфталат - 387,04 мкг/л.

При дезодорации воды Москворецкого водоисточника с рыбно-землистым запахом, установлено, что при дозе ПАУ 5 мг/л и времени контакта 5 мин удаляется только один компонент запаха - землистый. Рыбный оттенок запаха присутствует почти во всех пробах воды после обработки, хотя уровень его снижается с 3-х до 1, 1-2, 2 баллов в зависимости от марки ПАУ (рис. 8). Среди ЛОС в пробах исходной воды были определены следующие значимые одоранты: геосмин - 0,08 мкг/л, толуол - 265,03 мкг/л, ксилол - 26,5 мкг/л, тетрадекан - 114 мкг/л, гексадекан - 141 мкг/л, дибутилфталат - 150 мкг/л, пинен - 1,0 мкг/л, лимонен - 18 мкг/л.

Кукурузный запах воды после обработки некоторыми марками ПАУ снижается с 3 баллов до 1-2 балла уже при дозе угля 5 мг/л и времени контакта 5 мин (рис. 9). Среди ЛОС в пробах исходной воды значимые величины у следующих соединений: геосмин - 0,14 мкг/л, МИБ - 0,11 мкг/л, толуол - 277 мкг/л, ксилол - 50 мкг/л, тетрадекан - 87,4 мкг/л, гексадекан - 106 мкг/л, дибутилфталат - 58 мкг/л, п-цимол - 2 мкг/л, каранол - 2,2 мкг/л.

Рыбный запах воды более эффективно удаляется из воды сорбентами марок МС-5, МС-10 и VC-20. Уровень запаха в воде после обработки этими сорбентами снижается с 4-5 баллов до 2-3 баллов при дозе ПАУ 5мг/л и времени контакта 5 мин. Остальные исследованные ПАУ удаляли рыбный запах менее эффективно (до 3-х баллов) (рис. 10).

Анализ ЛОС в пробах исходной воды проводился по 77 компонентам, из которых было обнаружено 52 соединения. Среди этих ЛОС значимые величины были у следующих соединений: толуол - 20,8 мкг/л, ксилол - 3 мкг/л, тетрадекан - 13,5 мкг/л, гексадекан - 18 мкг/л, дибутилфталат - 22 мкг/л, стирол - 3,2 мкг/л, додекан - 6,9 мкг/л.

Выявлено, что легче других удаляется из воды кукурузный и землистый запахи, в этом случае достаточно, как правило, оказывается доза ПАУ около 5 мг/л и время контакта 5 мин. Запах, обладающий рыбным оттенком, ощущается в воде на уровне 1-2 баллов даже после обработки большими дозами угля, что не может не вызывать неприятные ощущения у потребителей.

Для проведения широкомасштабных экспериментов по дезодорации воды в реальных условиях на станции подготовки воды «Пруд-Ижевск» г. Ижевска (СПВ «Пруд-Ижевск») был разработан специальный полупромышленный испытательный комплекс, позволяющий исследовать и классические схемы очистки воды, и модернизированные (рис. 11).

СПВ «Пруд-Ижевск» является показательным объектом для исследований дезодорации воды, так как, несмотря на сложный характер загрязнения исходной воды, классические (в т.ч. существующая) схемы очистки этой воды обеспечивают выполнение норм по всем физико-химическим и микробиологическим показателям, кроме показателя запаха.

Опытно-промышленные исследования на примере Ижевского пруда позволило изучить роль и влияние различных точек ввода ПАУ по схеме водоподготовки. Наиболее эффективным с точки зрения дезодорации воды с наиболее сложным составом одорантов, является ввод ПАУ в голову сооружений и увеличение времени контакта ПАУ с водой способствует улучшению органолептических показателей качества очищенной воды. При использовании ПАУ марки ПСД дозой до 10 мг/л, очищенная вода соответствует требованиям СанПиН 2.1.4.1047-01 как по общим показателям, так и по показателю запаха. Уровень запаха очищенной воды при этом не превышал 0-1 балл.

При этих условиях проведение финишной хлораммонизации воды не ухудшает уровень запаха очищенной воды (в сравнении с вторичным хлорированием без аммонизации, которое придавало воде дополнительный запах хлора).

Общие выводы

1. Статистический анализ многолетних данных уровня и характера запаха воды на примере Москворецкого водоисточника показал, что весной и осенью систематически происходит возрастание интенсивности запаха воды.

2. Показано, что возрастание интенсивности запаха воды весной обуславливается в большей степени паводками, в результате чего в воду попадают вещества, обладающие одорирующими свойствами, в том числе антропогенные, а осенью интенсификация запахов происходит в результате возрастания численности фитопланктона, продуцирующего одорирующие вещества.

3. При определении взаимосвязи между возникновением запахов различных групп в водоисточнике и присутствием отдельных видов водорослей установлено, что землистые запахи (группа 1) присутствуют при развитии всех видов водорослей, наиболее интенсивный запах связан с развитием эвгленовых водорослей и сине-зеленых вида Aphanisomenon; запахи группы 2 - гнилостные, определяются при наличии в водоеме пирофитовых, сине-зеленых (Aphanisomenon) и золотистых (Synura) водорослей; тинистые запахи (группа 3) наиболее часто возникают в водоеме одновременно вместе с водорослями вида Aphanisomenon и с эвгленовыми водорослями; запахи группы 4 - сточные, встречаются одновременно с золотистыми водорослями Synura, с эвгленовыми и с Oscillatoria; травянистые запахи (группа 5) присутствуют в воде чаще всего одновременно с сине-зелеными водорослями (цианобактериями); навозные запахи (группа 6) не связаны с развитием водорослей; рыбные запахи (группа 7) одновременно возникают в водоеме при наличии в нем золотистых водорослей Synura, сине-зеленых Aphanisomenon и эвгленовых.

4. Реализация методики выделения и культивирования актиномицетов и цианобактерий в искусственных условиях с целью продуцирования ими одорирующих веществ позволяет выявить зависимость образования одорантов и трансформации запахов от параметрических характеристик среды (в т.ч. температуры, освещенности, биогенных элементов).

Показано, что образование одорирующих веществ может происходить на протяжении всего периода роста актиномицетов и цианобактерий. По стадиям роста содержание одорантов увеличивается от начальной фазы роста к логарифмической и достигает максимума при стационарной фазе роста развития. Интенсивность образования одорирующих веществ цианобактериями усиливается при отклонении параметрических характеристик условий роста от оптимального их значения.

5. Результаты исследования по удалению из воды одорирующих веществ подтвердили наибольшую эффективность использования сорбционных методов дезодорации воды, вне зависимости от характера и силы запаха воды водоисточника по сравнению с окислительными методами. Определены условия оптимального применения порошкообразных сорбентов для дезодорации воды и выявлены границы применимости этого метода для борьбы со специфическими запахами.

6. На основании полученных результатов данной работы разработаны рекомендации для оптимизации технологии дезодорации воды на водозаборах гг. Москва, Ижевск и Хабаровск в условиях сложной структуры загрязнения воды.

ПУБЛИКАЦИИ

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Е.Е. Гусев, А.Д. Смирнов, Н.Б. Помосова. Дезодорация воды в городе Ижевске. // Промышленное и гражданское строительство, № 4. - Москва, 2007.

2. Е.Е. Гусев, А.С. Талалаев, М.М. Герасимов, А.Д. Смирнов, В.А. Смагин, Н.Б. Помосова. Снижение концентрации хлорорганических соединений при вторичном хлорировании природных вод. // Материалы региональной научно-практической конференции «Проблемы и пути развития водопроводно-канализационного хозяйства в современных условиях». - Ижевск, 2006, с. 46-47.

3. Е.Е. Гусев, Н.Б. Градова, А.Д. Смирнов. Исследование процессов дезодорации воды при водоподготовке. // Материалы III Московского международного конгресса «Биотехнология: состояние и перспективы развития», часть 2. - Москва, 2005, с. 60.

4. Evgeny E.Gusev, Nina B.Gradova, Alla D.Hohlova, Alexander D.Smirnov. Investigation of water deodorization at its preparation. // Congress proceedings 9^th International FZK/TNO Conference on Contaminated Soil. - Bordeaux, 2005.

5. Е.Е. Гусев, А.Д. Хохлова, А.Д. Смирнов, Н.Б. Градова, Е.Г. Калашникова. Исследование процесса образования одорирующих веществ и их удаления при водоподготовке. // Проблемы инженерной геоэкологии: сборник трудов, выпуск 9. - Москва, 2005, с. 69-70.

6. К.В. Домнин, Е.Е. Архипова, Р.А. Давлятерова, М.М. Герасимов, Е.Е. Гусев, С.А. Талалаев, В.А. Смагин, О.А. Шибаева, А.Д. Смирнов. Повышение барьерной роли очистных сооружений водопровода г. Хабаровска. // Информационный бюллетень «Обезвоживание, реагенты, техника». - Москва, 2005, с. 47-53.

7. Р.А. Давлятерова, С.А. Талалаев, Е.Е. Гусев, А.Д. Смирнов. Глубокое удаление техногенных загрязнений сорбентами с высокими кинетическими свойствами. // Проблемы инженерной геоэкологии: сборник трудов, выпуск 9. - Москва, 2005, с. 71-74.

8. Е.Е. Архипова, К.В. Домнин, В.И. Стеблевский, С.А. Талалаев, О.А. Шибаева, Е.Е. Гусев, М.М. Герасимов, А.Д. Смирнов. Апробация мембранной ультрафильтрации в технологии очистки воды р. Амур. // Вода и экология: проблемы и решения - Москва, 2005, с. 40-41.

Размещено на Allbest.ru