На правах рукописи

БОЛЕЕВ АЛЕКСАНДР АНДРЕЕВИЧ

ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ БИОЛОГИЧЕСКОГО ОБРАСТАНИЯ

МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ ОГОЛОВКА ВОДОЗАБОРНЫХ

СООРУЖЕНИЙ

05.23.04 Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных

ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград 2013 2

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»

Научный руководитель:

Доктор технических наук, Москвичева Елена Викторовна профессор

Официальные оппоненты: Желтобрюхов Владимир Федорович доктор технических наук, ФГБОУ ВПО «Волгоградский профессор государственный технический университет», заведующий кафедрой «Промышленная экология и безопасность жизнедеятельности»

кандидат технических наук Степкина Юлия Андреевна, технический директор ЗАО «Компания по защите окружающей среды «Экотор»», г. Волгоград

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет»

Защита состоится 25 сентября 2013 г. в 13-00 часов на заседании диссертационного совета ДМ212.026.05 при ФГБОУ «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 400074, г.

Волгоград, ул. Академическая, 1 (корп. Б, ауд. 203).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет».

Автореферат разослан 22 августа 2013 г.

Ученый секретарь Фокин Владимир Михайлович диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Растущее с каждым годом водопотребление требует усовершенствования работы инженерных сооружений, обеспечивающих прием воды из природного источника. На эффективность работы ВЗС, особенно в теплый период года, отрицательно влияет биообрастание. Водоприемные окна с сороудерживающими решетками, самотечные, всасывающие и напорные трубопроводы на водозаборах (особенно на зарегулированных источниках) подвержены внутреннему обрастанию гидробионтами, из которых наибольший вред приносят моллюски дрейссены.

Биообрастание решеток оголовков ВЗС приводит к неизбежным осложнениям при эксплуатации сооружения: увеличению затрат, снижению качества очищаемой воды (более чем на 40% снижается качество очищаемой воды), к критическим потерям напора во всасывающей системе водозабора, к угрозе остановки насосных станций, увеличению затрат на их эксплуатацию. В последнее время процесс усугубляется в связи с потеплением климата и увеличением техногенного загрязнения. Прежде всего это коснулось южных регионов, где период биообрастания возрос с 2-3 месяцев до 6-7.

В связи с разнообразием видового состава микроорганизмов не может быть универсального способа борьбы с биообрастаниями. В каждом конкретном случае необходимо проводить корректирование предлагаемых методов. Обозначенное подчеркивает сложность, многофакторность рассматриваемой проблемы и необходимость ее последовательного решения. В представленной работе рассмотрена ситуация с пресноводным поверхностным источником, а именно Нижнее Поволжье, где вода представляет собой идеальную среду для развития и интенсивного размножения микроорганизмов не менее 7 месяцев в году.

Следует отметить, что применяемые в настоящее время методы борьбы с биообрастанием водозаборного оборудования направлены на ликвидацию последствий, а не на устранение причины образования отложений. Поэтому задача предотвращения или достижения возможного минимума интенсивности биообрастания решеток оголовков ВЗС состоит в том, чтобы обеспечить максимальную эффективность защиты решеток, что в результате позволит повысить экономические показатели водного хозяйства.

В этой связи предотвращение биообрастания решеток оголовка водозаборных сооружений является приоритетным направлением рационального водопользования, что и подтверждает актуальность темы данного исследования.

Представленная работа выполнена в рамках реализации федеральных целевых программ "Экология и природные ресурсы России (2002-2010 годы)", "Развитие водохозяйственного комплекса Российской Федерации в 2012- годах".

Цель работы: разработка метода предотвращения биологического обрастания решеток оголовка водозаборных сооружений.

Цель предопределила следующие задачи:

- исследовать известные методы предотвращения биообрастания металлических поверхностей ВЗС, выделить основные причины их малого использования в условиях пресноводных поверхностных источников южных регионов (при средней температуре воды 15-250С), в течение 6-7 месяцев в году;

- установить главные факторы, определяющие первопричину интенсивного биообрастания (резкий рост моллюсков дрейссены и СВБ), с целью теоретического обоснования выбора направления научного поиска по обозначенной проблеме;

- создать модельную установку для изучения рассматриваемого процесса биообрастания решеток оголовка ВЗС в лабораторных условиях в зависимости от различных факторов: жесткости, температуры, химического состава речной воды Нижнего Поволжья, материала подложки (решетки);

- исследовать условия формирования, состав диффузионного слоя, образующегося на границе раздела металл-биопленка решетки ВЗС;

- провести комплексное исследование элементного состава биообрастаний (продуктов жизнедеятельности СВБ), физико-химических свойств биопленок из СВБ, состава воды, продуктов коррозии, выявить недостатки способов защиты металлических поверхностей, подверженных биообрастанию в речной воде, и наметить условия поиска более эффективного способа снижения биобрастания поверхности решетки оголовка ВЗС в реальных условиях эксплуатации;

- разработать и апробировать в реальных условиях, с соответствующими рекомендациями, методику предотвращения биообрастания решеток оголовка ВЗС.

Основная идея работы. Приведённые обстоятельства определили в качестве предмета научных исследований такие вопросы, как профилактика и защита от биообрастания металлических конструкций оголовка водозаборных сооружений, в частности решеток, как наиболее важной и уязвимой их эксплуатационной составляющей. Увеличение технико-экономических показателей ВЗС, на основе разработки наиболее экологичного и экономичного способа защиты от биообрастания решетки оголовка ВЗС.

Методы исследований включали: аналитическое обобщение известных научных и практических результатов. Оптические и физико-химические методы анализа состава речной воды, продуктов коррозионных и биопроцессов проводились в лабораторных, полупроизводственных условиях; методы математического планирования эксперимента, моделирование изучаемых процессов на испытательных установках, оснащенных контрольноизмерительными приборами, обработку экспериментальных данных вели методами математической статистики и корреляционного анализа.

Достоверность полученных результатов обоснована моделированием изучаемых процессов, планированием необходимого объема экспериментов и подтверждена удовлетворительной сходимостью полученных результатов, выполненных в лабораторных и производственных условиях с расчетными зависимостями в пределах погрешности =±10% при установленной доверительной вероятности р=0,95.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- теоретически обоснована и доказана на основе комплексного экспериментального исследования причина обрастания моллюсками дрейссены решетки оголовка ВЗС в воде Нижней Волги: возрастает химическая активность металлической поверхности;

биокатализаторы, образующиеся в процессе биокоррозии в диффузионном слое на границе раздела металл – биопленка;

- определено, что через 120-140 часов контакта речной воды с поверхностью решетки, при t=12-15 0C, когда толщина диффузионного слоя более 10-12 мкм, а биопленки 4-5 мм, скорость атмосферной коррозии резко падает (до 10-13%), а биокоррозии – возрастает (до 58-64%);

- доказано и теоретически обосновано, что биообрастание возможно предотвратить, если создать условия на металлической поверхности решетки максимально замедляющие развитие диффузионного слоя, прежде всего, процесс биокоррозии, используя вещества - производные ферроценов;

- впервые выявлены условия, позволяющие на основе активации поверхности решетки оголовка ВЗС анодным током, получать в диффузионном слое вещества класса ферроценов, способных обеспечить защиту металлической решетки от биообрастания;

Практическая значимость. Разработаны практические рекомендации по предотвращению биообрастания металлических решеток оголовка водозаборных сооружений, в условиях поверхностных водных источников Нижней Волги, на основе электрохимического воздействия, не требующие дополнительных затрат на демонтаж и очистку основных конструкций.

Определено, что совместное применение анодного окисления и стандартных способов повышает степень защиты поверхностей оборудования систем водоснабжения от биообрастания.

Результаты выполненных исследований рекомендуется применять в комплексных технологиях защиты от биообрастания как новых, так и действующих ВЗС, и на сооружениях промышленных предприятий, включая профилактические мероприятия.

Разработанные рекомендации и предложения подтверждены материалами теоретических и экспериментальных работ, показавших высокую степень сходимости, что обеспечило возможность их использования в производственных условиях с учетом особенностей физико-химических параметров водного объекта и конструктивно-технологических характеристик данных систем водоснабжения.

Реализация результатов работы:

- проведены полупроизводственные испытания на водозаборных сооружениях в Волгоградской области.

- технология защиты от биообрастания, методики исследования и результаты практической реализации работы включены в курс лекций по водозаборным сооружениям, химии и микробиологии воды и в спецкурсе по микробиологической экологии для студентов ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет», обучающихся по направлению подготовки дипломированных специалистов «Водоснабжение и водоотведение», а также использованы в научно-исследовательской деятельности.

Предложены и апробированы в опытно-промышленных условиях предприятий технологические схемы защиты от биообрастания металлических конструкций оголовка ВЗС, содержащих различные загрязнители. Разработана, экономически обоснована и доведена до стадии практической реализации технология защиты от биообрастания. На основе предложенного способа сконструировано устройство обработки решетки оголовка ВЗС (акты внедрения прилагаются).

На защиту выносятся следующие положения:

- результаты исследования причин биообрастания решеток оголовка и водоводов водозаборных сооружений в присутствии СВБ;

- результаты исследований по электрохимическому воздействию на решетки водозаборных сооружений, при наличии СВБ;

- блок-схема технологии защиты от биообрастания электрохимическим анодным воздействием на стальные решетки ВЗС в реальных условиях.

Апробация работы. Базовые теоретические положения и результаты исследований докладывались на Международной научно-практической конференции 2009 г. г. Волгоград, региональных конференциях молодых исследователей Волгоградской области, ХI промышленно-технической выставке "Технофорум", заслушаны на круглом столе «Юнеско» в Казахстане и выставкеконференции «Энергоэффективность и энергетика» 2011 г. В г. Волгограде.

Публикации. Основные результаты и положения диссертации отражены в 11 печатных работах, включая учебные пособия, 8 статей в реферируемых изданиях.

Личный вклад автора состоит в формулировании цели и задач, организации и непосредственном участии в проведении теоретических и экспериментальных исследований, анализе их результатов, формировании выводов, разработки тактических методических подходов к защите от коррозии водоотводящих сетей с использованием электрохимических методов, а также написании статей по результатам собственных разработок и анализа предшествующего опыта.

Структура и объем диссертации. Диссертация включает введение, пять глав, общие выводы, список литературы. Общий объём диссертационной работы:

150 страниц машинописного текста, 10 таблиц, 25 рисунков, приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность темы, сформулирована цель и задачи исследований, сформулированы научная новизна и практическая значимость, представлены основные положения выносимые на защиту.

В первой главе диссертации проведен анализ научно-технической и патентной литературы, что позволило систематизировать и критически оценить существующие методы защиты от биообрастания водоводов и решеток водозаборных сооружений. Общетеоретическим и прикладным вопросам биообрастания и экологической безопасности их эксплуатации посвящено значительное количество работ Иванова В.А., Кузьмина С.В., Левина С.И., Левитина Ю.И., Подобаева А.Н., Примина О.Г., Продоуса О.А., Фомичева В.Т., Харькина В.А., Храменкова С.В., Шамазова А.М, Швецова В.Н. и других авторов из анализа работ которых следует, что комплекс задач, относящихся к внутритрубному ремонту, по разработке основных требований к защите от биообрастания, приведении имеющихся знаний в единый комплекс, до сих пор не решен.

Проведен анализ развития и реконструкции водозаборных сооружений.

Выявлено негативное влияние биообрастания на водопроводные очистные сооружения и водопроводную сеть. Сделан акцент на недостаточной изученности микробиологического фактора в процессе биообрастания решеток оголовка и водоводов водозаборных сооружений. Среди традиционных методов борьбы с биологическими обрастаниями, кроме предупредительных мероприятий существенное место занимает химическая защита, основанная на применении дезинфектантов, оказывающих губительное воздействие на микрофлору питьевой воды, или химических соединений, препятствующих прикреплению клеток микроорганизмов к поверхностям оборудования системы водоснабжения.

Возникающие проблемы - многофакторные, требующие комплексного решения. Один из вариантов такого решения – это использование комплекса взаимосовместимых реагентов, включающих ингибиторы коррозии, биокоррозии, солеотложений. Однако, используемые методы требуют дополнительного усовершенствования, многие из низ затратны, сложны в эксплуатации и экологически не безопасны. Проведенный анализ подтвердил целесообразность, научно-экспериментальное решение, и актуальность представленной работы.

Во второй главе приводятся методики, на основе которых выполнялись исследования на лабораторных и пилотных установках в производственных условиях с целью решения поставленных в работе задач.

Объектами исследования и изучения служили образцы биомассы с решеток оголовка ВЗС Волгоградской области. Для уточненной количественной оценки микроорганизмов, в том числе СВБ, в среде использовали метод предельных разведений. Модельная установка (рис. 1) представляет собой модифицированную модель, аналогом которой являлась аквариумная система и состоит из ёмкости в форме параллелепипеда (0,6 м х 0,25 м х 0,35 м). Данная установка может считаться достоверной моделью принципиального действия решеток оголовка водоподъёмной станции на основе своих конструктивных параметров.

Рис. 1. Общая схема устройства модельной установки.

Фазовый элементный анализ твердых фаз изучали на основе рентгеноспектрального анализа с микрозондовым анализатором в трансмиссионном микроскопе фирмы «JEOL» JEM 100 C, на сканирующем микроскопе JEOL JSM-6380 LV с энергодисперсионной приставкой INCA Energy– 250. Электрохимические коррозионные испытания проводили на образцах из стали ст.20. Измерения в трехэлектродной электрохимической ячейке.

Мгновенную скорость коррозии определяли на портативном коррозиметре «Эксперт-004».

Составы модельных растворов для испытаний, рассчитанные исходя из гипотетического состава воды реки Волга, используемой для систем водоснабжения, изучали методами тонкослойной хромотографии, массспектрального и хроматографического анализа на современном лабораторном оборудовании: фотометр фотоэлектрический КФК 3-01, анализатор флюорат 02М, хроматограф «1022 LC PLUS»; масс-спектрометр «Varian MAT-111», спектрофотометр ПЭ 5300В, портативный измеритель минерализации, иономер лабораторный И 160, рН-метр рН-410. Для определения достоверности результатов исследований применяли метод вариационной диагностики, с критерием Стьюдента.

Исследование состояния воды водоисточника в створе реки Волги в районе города Волжского проведено с использованием теории анализа временных рядов.

Мониторинг проведен по 15 показателям.

Таблица 1 – Химический состав воды р. Волги Полученные экспериментальные данные обработаны известными методами статистики и планирования эксперимента с помощью лицензионного программного обеспечения на ЭВМ.

В третьей главе приведены и обоснованы результаты экспериментальных исследований в соответствии с поставленными задачами. На первом этапе исследовали различные факторы, влияющие на биообрастание решеток оголовка водозаборных сооружений. Наиболее значимым фактором была выявлена биокоррозия - коррозия под действием микроорганизмов сульфатвосстанавливающих анаэробных бактерий (СВБ).

Экспериментальные исследования проводились с мая по сентябрь 2010- г.г. Пробы биомассы с решеток отбирались 2 раза в месяц. Проводился контроль абиотических факторов среды (температура, скорость течения воды).

Проведенное изучение биомассы экспериментального субстрата в р. Волга выявило в его составе 25 видов и форм микроорганизмов. Среди доминант в составе обрастаний выделяются дрейссены (более 80%), создающие серьезные проблемы в работе ВЗС: при толщине биопленки более 4мм коэффициент водопропускной способности снижается на 48-54%.

микробиологического состава речной воды, условий эксплуатации системы водоснабжения и от материала поверхностей оборудования системы водоснабжения. В рамках данной работы из перечисленных факторов изучена подверженность различных материалов к формированию на их поверхностях биообрастаний. Исходя из полученного, дальнейший эксперимент был направлен на поиск веществ, инициирующих процесс резкого роста СВБ, с целью определения условий подавляющих последнее.

Лабораторные исследования по оценке биообрастания различных материалов в речной воде проводили в стеклянных емкостях на модельной установке. Пластинки из стали 20, полиэтилена и стекла погружали в воду на специальных подвесках, при скорости потока воды 0,2 м/сек, при t = 20-25 оC в течение 120 часов. После термообработки (1050С), исследовали химический состав биомассы, а на образце из ст.20 одновременно изучали диффузионный слой – химический и фазовый состав продуктов за промежуток времени от 10 до 1000 часов. На поверхности решетки на границе контакта с речной водой протекают реакции взаимодействия железа с водой, ее примесями и продуктами жизнедеятельности бактерий.

Наименьшая величина массы биообрастания зафиксирована для стекла (рис.2) В продуктах жизнедеятельности биомассы практически не выявлены моллюски, соотношение величин СВБ и моллюсков составляет 1:1.

Рис. 2 Зависимость от времени: массы биопленки на различных материалах:

1 – ст.20; 2- полиэтилен; 3 –стекло; 4 - толщины диффузионного слоя ст.20.

Как показал анализ кривых 1 - 4 (рис. 2), характер формирования биомассы и диффузионного слоя на ст.20 с течением времени одинаковый: на кривых через 100-120 часов зафиксирован скачок: увеличением значений биомассы в 3-3,5 раза (кр.1) и толщины диффузионного слоя в 4-4,2 раза (кр.4). Установленный факт подтвердили результатами анализа проб биомассы образованной в реальных условиях на поверхности эксплуатируемой решетки ВЗС через 100-120 часов работы с учетом перепадов температуры воды в апреле-мае. Установлено, что резкое биообрастание начинается не ранее, чем через 120-150 часов эксплуатации при температуре воды 12-15 0С. Именно в этот период, при избытке биомассы СВБ (соответствует толщине биопленки не менее 4 мм), появляется значительное количество моллюсков дрейссены.

Далее исследовали биомассу и диффузионный слой, полученные в одинаковых условиях (время контакта, температура). При толщине диффузионного слоя до 5 мкм в биомассе обнаружены продукты атмосферной