НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ“

КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

Кльопа Тетяна Павлівна

УДК [574.58+628.1?17]+628.166:661.5

ШЛЯХИ УСУНЕННЯ БІООБРОСТАННЯ У ВОДОЗВОРОТНІХ ЦИКЛАХ ПІДПРИЄМСТВ АЗОТНОЇ ПРОМИСЛОВОСТІ

Спеціальність 05.17.21 – технологія водоочищення

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Київ

2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі технології неорганічних речовин Дніпродзержинського державного технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник доктор технічних наук, професор,

Волошин Микола Дмитрович,

Дніпродзержинський державний технічний університет, Міністерство освіти і науки України, завідувач кафедри технології неорганічних речовин

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Півоваров Олександр Андрійович

Український державний хіміко-технологічний університет, професор кафедри технології і обладнання харчових виробництв

кандидат технічних наук, доцент

Юрченко Олександр Павлович

Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, кандидат технічних наук, доцент кафедри хімічної технології неорганічних речовин, каталізу та екології

Захист відбудеться "19" грудня 2007 року о 1630 годині на засіданні спеціалізованої Вченої Ради Д 26.002.13 в Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" за адресою 03056, Київ-56, просп. Перемоги, 37, НТУУ "КПІ", корпус N 4, велика хімічна аудиторія.

З дисертацією можна ознайомитися в науково-технічній бібліотеці Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут" за адресою: 03056, м. Київ, просп. Перемоги, 37

Автореферат розісланий "16"листопада 2007р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

Д 26.002.13, к.т.н., доцент Т.І. Мотронюк

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Нормальній роботі систем зворотного водопостачання перешкоджають різного роду відкладення та обростання, які утворюються у теплообмінних апаратах, трубопроводах та градирнях в процесі експлуатації. Відкладення у теплообмінних апаратах представляють конгломерат із неорганічних та біологічних речовин, а також продуктів корозії. Вони утворюються на поверхнях теплообміну, що приводить до різкого погіршення теплопередачі, внаслідок чого знижується продуктивність технологічних установок, погіршується якість продукту, збільшуються втрати сировини. Тому збитки, які наносяться підприємствам, стають все більш відчутними. Отже, біологічне обростання систем зворотного водопостачання є серйозною проблемою на підприємствах, зокрема, азотної промисловості і у зв’язку з цим, як і раніше, актуальним є пошук ефективних методів захисту систем зворотного водопостачання від біологічних обростань.

Існують загальноприйняті методи обробки води для запобігання біологічного обростання, такі як хлорування, озонування та обробка іншими окисниками, але вони матеріало - та енерговитратні, до того ж не придатні для застосування у системах, де скид води відбувається на установку біохімічного очищення та може привести до порушення відповідного технологічного режиму. Тому встає питання вибору безреагентних методів обробки води (вакуумна та ультразвукова обробка) для систем зворотного водопостачання.

Для розробки нових методів, в т.ч. вакуумної та ультразвукової обробки води систем зворотного водопостачання азотної промисловості, необхідне цілеспрямоване дослідження ефективності використання цих методів. Крім того, недостатньо досліджено механізм впливу та ефективність дії даних методів на організми, що утворюють біообростання.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась на кафедрі технології неорганічних речовин Дніпродзержинського державного технічного університету та пов’язана з виконанням науково-дослідних робіт за планами Міністерства освіти і науки України „Дослідження якісного складу біообростань, а також умов їх життєдіяльності у трубопроводах водозворотних циклів підприємств” (номер держреєстрації: 0102U004402).

Мета і задачі дослідження. Розробити технології попередження біообростання поверхонь із застосуванням вакуумної та ультразвукової обробки води систем зворотного водопостачання і рекомендації по їх застосуванню у промисловості.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні задачі:

- створити пілотну установку системи водозворотного циклу для проведення лабораторних досліджень;

- визначити склад біологічних обростань систем зворотного водопостачання для встановлення оптимального режиму вакуумної та ультразвукової обробки води;

- визначити механізм впливу вакуумної та ультразвукової обробки води на біологічні обростання;

- визначити основні закономірності впливу вакуумної та ультразвукової обробки води на біологічні обростання систем зворотного водопостачання в лабораторних та промислових умовах;

- виявити основні оптимальні режими обробки води вакуумом та ультразвуком для попередження біообростання;

- на базі отриманих експериментальних даних розробити математичну модель процесу біообростання на початковій стадії;

- надати рекомендації щодо впровадження технологій вакуумної та ультразвукової обробки води у водозворотних циклах підприємств азотної промисловості.

Об’єкт дослідження – вода та контактні поверхні систем зворотного водопостачання підприємств азотної промисловості (на прикладі ВАТ “ДніпроАзот”).

Предмет дослідження – біообростання та шляхи їх усунення у водозворотних циклах підприємств азотної промисловості на прикладі ВАТ “

ДніпроАзот”.

Методи дослідження. Експериментальні дослідження виконувались в лабораторних умовах з перевіркою на пілотних установках - вакуумній та ультразвуковій з використанням моделі системи зворотного водопостачання, а також у водозворотних циклах ВАТ “ДніпроАзот”. Дослідження фізико-хімічного складу зворотної води виконували за стандартними методиками, зокрема: титрометричним – вміст вільної вугільної кислоти, вільного аміаку; комплексонометричним титруванням – загальну твердість, вміст іонів кальцію, магнію, сульфатів; перманганатометричним титруванням – окиснюваність води; меркуриметричним титруванням – вміст хлоридів; йодометричним титруванням – вміст розчиненого кисню і біологічної потреби у кисні БСК5 та БСК20; гравіметричним методом – загальну мінералізацію та вміст завислих речовин; фотоколориметричним - вміст феруму, нітратів, іону амонію NН4+ , колірності; електрометричним – активну реакцію води (рН).

Склад біологічного обростання та оцінку ефективності методик попередження біообростань визначали мікроскопуванням методами „висячої краплі”, „роздавленої краплі”, чашкового методу Коха та твердих селективних культуральних середовищ. Результати досліджень було зафіксовано за допомогою цифрового фотографування.

Наукова новизна отриманих результатів:

- встановлено основні закономірності впливу вакуумної та ультразвукової обробки на біологічні обростання систем зворотного водопостачання підприємств азотної промисловості; з’ясовано, що при вакуумній обробці найбільш ефективно гальмується процес біообростання при залишковому тиску 0,01 МПа, терміну обробки 1,5 хвилини, температурі 20-30?С; при ультразвуковій обробці найбільший ефект попередження спостерігається при інтенсивності озвучування 7дБ, терміні 1,25 хв., температурі 20-30?С;

- вперше розкрито механізм впливу вакуумної обробки води на біологічні обростання систем зворотного водопостачання, сутність якого полягає в розриві клітинної оболонки і гибелі бактеріальної клітини в умовах пониженого тиску за рахунок змикання пухирів, що утворюються при пониженні тиску в будь-якому місці рідини до рівня тиску насиченої пари;

- встановлено, що швидкість процесу біообростання систем зворотного водопостачання підприємств азотної промисловості зменшується при зменшенні вмісту у воді органічних речовин за ХПК (при зниженні вмісту у воді органічних речовин з 75 до 14 мгО2/дм3 кількість мікроорганізмів на поверхнях зменшується з 45 до 17,9 млн. кл./см2);

- досліджено кількісний розвиток бактерій (нітрифікуючих, денітрифікуючих, тіонових, cульфатвідновлюючих, залізобактерій) у різних типах теплообмінного обладнання протягом року: у відкритому теплообмінному обладнанні (градирні) кількість мікроорганізмів зменшується із пониженням температури атмосферного повітря з липня по грудень з 4,67 до 0,4 млн. од./см3, а в закритому теплообмінному обладнанні (резервуарі) знижується з 2,2 до 0,73 млн. од./см3, причому в градирні цей процес відбувається значно інтенсивніше. В період з грудня по березень кількість клітин у резервуарі знижується з 1,36 до 0,73 млн.од./см3 та перевищує кількість клітин у градирні (з 1,00 до 0,49 млн.од./см3). З березня починається ріст кількості клітин, причому знову у градирні ріст більш інтенсивний від 0,49 до 2,3 млн.од./см3;

- на основі розробленої математичної моделі процесу біообростання встановлено залежність швидкості біообростання від виду та розміру поверхонь, концентрації мікроорганізмів у воді, швидкості руху води та мікроорганізмів і терміну знаходження поверхонь у воді, коефіцієнту, який враховує вид матеріалу теплообмінного обладнання.

Практичне значення отриманих результатів. Виконані дослідження ефективності вакуумної та ультразвукової обробки на прикладі води систем зворотного водопостачання Дніпродзержинського ВАТ „ДніпроАзот” дозволять запобігти утворенню на поверхнях нагріву біологічних обростань на 90% за рік, що збільшить теплопередачу на 15% та пропускну здатність труб у 1,5 рази, а також зменшить витрати енергії на перекачування води на 20%.

Застосування вакуумної та ультразвукової обробки дозволяє зменшити збитки, які наносяться біообростанням обладнанню підприємств і забезпечує надійну експлуатацію систем та безперебійне постачання води на основні технологічні процеси.

Економічний ефект від впровадження вакуумної та ультразвукової обробки для ВАТ “ДніпроАзот” складе: вакуумної установки - 79 тис. грн./рік, ультразвукової установки - 62 тис. грн. на рік за рахунок економії витрат на утримання, експлуатацію і ремонт устаткування водозворотних циклів.

Особистий внесок здобувача. Критичний аналіз стану проблеми і вибір напрямку досліджень практично повністю виконано пошукачем і погоджено з керівником дисертації. Розроблено методику та визначено умови вакуумної обробки води. Основні експериментальні дані по попередженню процесів біообростання, вибору параметрів та тривалості бактерицидного ефекту, теоретичні узагальнення, приведені в роботі, отримані безпосередньо автором. Дослідження ефективності даних технологій у системах зворотного водопостачання Дніпродзержинського ВАТ „ДніпроАзот” та аналіз отриманих результатів виконано разом з науковим керівником.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались на конференціях: „Екологія. Людина. Суспільство.” / травень, 2004, Київ; „Екологія та інженерія. Стан, наслідки, шляхи створення екологічно чистих технологій.” / жовтень, 2004, Дніпродзержинськ; „Екологічні проблеми регіонів України” / квітень, 2005, Одеса; „Хімія і сучасні технології”, / квітень, 2005, Дніпропетровськ; „Екологія. Людина. Суспільство.” / травень, 2005, Київ; „Екологія. Людина. Суспільство.” / травень, 2006, Київ.

Публікації. За результатами дисертаційної роботи опубліковано 12 наукових праць, у тому числі 3 статті (із них 2 у співавторстві) у рекомендованих ВАК України виданнях, отримано патент України на корисну модель.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних літературних джерел із 188 найменувань, вміщує 137 сторінок основного тексту, 15 таблиць, 19 рисунків та 5 додатків на 9 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, сформульована мета та задачі досліджень, визначено об’єкт та предмет дослідження, наукова новизна та практичне значення отриманих результатів. Наводяться основні наукові положення, які виносяться на захист, дані про публікації, а також особистий внесок автора.

У першому розділі розглянуто літературні дані про основні складові біологічних обростань, їх вплив на ефективність роботи теплообмінного обладнання систем зворотного водопостачання та методів боротьби з ними. В розділі також приділено увагу дії вакууму та ультразвуку на організми, що утворюють біообростання.

Збитки від розвитку біологічних обростань на теплообмінному обладнанні систем зворотного водопостачання представлені їх впливом на хімічний склад зворотної води, що приводить до підвищення її агресивності. Випадаючи в осад разом із продуктами корозії та завислими частками, біообростання утворює відкладення на поверхнях теплообміну, що приводить до різкого погіршення теплопередачі, внаслідок чого знижується продуктивність технологічних установок, погіршується якість продукту, збільшуються втрати сировини.

Для боротьби з біологічними обростаннями використовують як реагентну, так і безреагентну обробку води, а також бактерицидні покриття. Реагентну обробку частіше за все проводять хлором, хлорним вапном або гіпохлоритом натрію. Солі міді використовують в теплий період року. Для підвищення бактерицидного ефекту до мідного купоросу додають кубовий залишок моноетаноламіну. Органічні сполуки, що містять хлор, бром, азот, фосфор, також використовують в якості біоцидів, однак вони мають вузький спектр дії, вимагають підтримання певної температури та рН, можуть утворювати піну та сорбуватись на обладнанні.

Отже виникає необхідність розробки нових та удосконалення недорогих безреагентних методів попередження біообростання у системах зворотного водопостачання. Використання цих методів не супроводжується утворенням будь-яких побічних продуктів, тому продувочні води можна буде скидати на біологічну очистку без будь-яких обмежень.

У другому розділі наведено характеристику водозворотних циклів, де є проблема існування біообростань, методики дослідження компонентів обростання, методи визначення впливу вакууму та ультразвуку на біологічні обростання, способи математичної обробки результатів дослідження.

Об’єктом дослідження були водозворотні цикли №№ 19, 20, 23 ВАТ “ДніпроАзот”, які використовуються при виробництві азотних добрив та зазнають вплив біологічних обростань. Дані цикли було обрано тому, що вони відрізняються за видом продукції, що випускається (аміак та карбамід), мають різні потужності, час перебування води у градирні та долею підживлюючої води, однак мають однакову швидкість руху води в градирні.

Було досліджено фізико-хімічний склад зворотної та річкової води, як середовищ існування біообростань, за допомогою стандартних методів контролю якості води, який представлено в табл.1.

З табл. 1 видно, що лужність, вільна вугільна кислота, твердість, нітрати, завислі речовини перевищують нормативні значення. Досліджувана вода містить велику кількість органічних речовин, аміаку та нітратів, що сприяє більш інтенсивному розвитку біообростань.

Для проведення лабораторних досліджень було зібрано пілотну установку системи зворотного водопостачання (рис.1), де підтримувались такі технологічні параметри: витрата зворотної води, яка циркулює в основному контурі, складає 100 дм3/год, витрата теплоносія - 150 дм3/год, витрата додаткової води – 20-35 дм3/год. Температура зворотної води до градирні 30-35 ?С, після градирні 23-25 ?С. Сутність лабораторних досліджень полягала у контролі процесу утворення біологічних обростань на

поверхні зразків металу Ст. 5, які імітували поверхню трубопроводів. Товщину шару біообростання на зразках визначали під мікроскопом

Таблиця 1

Фізико-хімічний склад води, що використовували при дослідженнях

Показники | Нормативне значення | Зворотна вода циклів | Вода р. Дніпро

№19 | №20 | №23

Температура, ? С | 20-25 | 20-23 | 20-23 | 20-23 | 4-26

Колірність, град. | 25-30 | 24-26 | 25-26 | 23-25 | 23-51

рН | 6,5-8,5 | 7,2 | 7,3 | 7,9 | 7,4

Лужність, моль/дм3 | 3-4 | 4,6 | 5,9 | 6,5 | 3,8

Твердість, моль/дм3 | 1,5-2,5 | 7,4 | 6,7 | 7,8 | 2,4

Вільна Н2СО3, мг/дм3 | сліди | 16,3 | 17,6 | 16,0 | 10,0

Кальцій, мг/дм3 | 2,5 | 51,6 | 41,3 | 62,3 | 36,6

Магній, мг/дм3 | 12 | 14,8 | 21,6 | 25,3 | 15,2

Залізо загальне, мг/дм3 | 0,1 | 0, 12 | 0,17 | 0,14 | 0,17

Вільний аміак, мг/дм3 | - | 1,7 | 1,58 | 2,2 | 0,9

Нітрати, мг/дм3 | 2 | 8,7 | 8,6 | 9,1 | 8,33

ХПК, мгО2/дм3 | 55 | 88,2 | 80,0 | 84,2 | 32,0

БСК5, мгО2/дм3 | 1-2 | 1,9 | 1,7 | 2,0 | 6,7

Сульфати, мг/дм3 | 500 | 23,6 | 21,3 | 22,6 | 36,5

Розчинений О2, мгО2/дм3 | - | 3,5 | 2,4 | 2,5 | 4,7

Хлориди, мг/дм3 | 350 | 32,8 | 34,5 | 36,7 | 22,0

Завислі речовини, мг/дм3 | 20-30 | 78,2 | 119,2 | 120,3 | 17,4

Сухий залишок, мг/дм3 | 1000 | 487 | 450 | 423 | 296

марки БІОЛАМ, контролюючи кількість прикріплених на них бактерій, а також видову приналежність організмів-обростателів з використанням визначників. Змив прикріплених бактерій проводили за допомогою стерильної води і скальпелю.

Для дослідження якіс- ного складу біообростань проби відбирали з бетонних стояків, обши-вочних щитів, зрошувачів, водорозподільників, резевуарів, теплообмінних апаратів, а також із водо-

забору р.Дніпро.

На протязі 2004-2006 рр. зібрано та оброблено 350 проб біологічних обростань. Кількісно водорості та простіші визначались шляхом зняття зразку з поверхні обростання площею 1 см2, розведенням дистильо-

ваною водою та підрахунком під мікроскопом.

Рис. 1. Пілотна установка системи

зворотного водопостачання:

1 – градирня; 2 – зрошувач;

3 - водорозподільний пристрій;

4 – водовловлювач; 5 - скляний дозатор;

6 - проточна камера; 7 – насоси; 8 – водонагрівач;

9 – термометри, 10 – повітродувка.

Мікрофлору визначали методом підрахунку колоній, що виросли при культивуванні на м'ясо-пептонному агарі (МПА) на протязі 48 годин при

27 ?С. Товщину шару біообростань визначали по приросту біомаси за сухою речовиною. Проби періодично відбирали з поверхні піддону градирні на площі 10 см2. В кожному наступному випадку проби відбирали, не займаючи місце попереднього відбору.

Визначення біомаси складалось з доведення проби до постійного значення та встановлення її кількості.

Дослідження наявності поживних елементів у воді виконували шляхом визначення концентрації розчиненого кисню, БСК5, БСК20 та ХПК за стандартними методиками.

При дослідженні впливу вакууму враховували як термін вакуумування, так і величину розрідження. Визначення впливу вакууму на біообростання виконували за допомогою герметичних ємностей, з яких видалявся газ вакуумним насосом. Потім складові біообростання переглядали під мікроскопом або висівали на тверде живильне середовище МПА для візуального визначення ступеню впливу вакууму. Для дослідження терміну остаточної дії вакууму оброблені проби залишали на 1, 24, 48, 72 год., потім наносили на тверде живильне середовище та витримували при постійній температурі 30?С протягом 3 діб для виявлення клітин живих мікроорганізмів.

Дослідження впливу ультразвуку на біообростання виконували за допомогою ультразвукового диспергатора УЗДН. В даному випадку враховували термін озвучення та його інтенсивність. Результати впливу ультразвуку на біообростання визначали як і при дослідженні впливу вакууму.

При визначенні впливу вакуумування та ультразвукової обробки використовували метод варіаційної статистики. Статистичні критерії обчислювали при 5%-му рівні значимості, який забезпечує 95% довірчу ймовірність.

У третьому розділі розкриті закономірності розвитку біологічних обростань у системах зворотного водопостачання ВАТ „ДніпроАзот”.

Здійснено описання кількісного співвідношення біомаси обростання з швидкістю руху води, розміром поверхні та терміном його знаходження у воді на початковій стадії формування спів-

товариств біообростань. Біля поверхні субстрату внаслідок в?язкісних властивостей води утворюється прикордон-

ний адгезійний шар загальмованої рідини.

Умови в досліджуваних системах зворотного водопостачання наступні: кількість завислих речовин у воді 50-120 мг/дм3, швидкість води в трубопроводах – 0,10-0,11 м/с, освітленість у градирнях 2000-5000 лк., температура води до охолодження 30-35?С, після охолодження 23-25?С. Зворотна вода містить достатньо велику кількість органічних речовин за ХПК (рис. 2). Як можна бачити з рисунку, на розвиток бактерій в обростаннях, позитивно впливає підвищений вміст органічних речовин у воді.

Рис. 2. Залежність чисельності клітин (1) та ХПК (2) від терміну експозиції.

Для організмів, які проходять через адгезійний шар, впроваджено коефіцієнт адгезії kadh, який характеризує долю організмів, що залишились на поверхні. Приймемо, що на початковій стадії колонізації еміграція організмів не відбувається, а смертність на субстраті дорівнює нулю. Тоді біомаса B обростання (г/м2) для деякого виду мікроорганізмів - обростателів за досить малий термін t (при якому kadh, b, с, ?, ?, і V постійні) будуть відповідно дорівнювати:

, (1)

де b – біомаса організмів у воді, г/м3;

kadh - коефіцієнт адгезії;

? – швидкість руху води в адгезійному шарі, м/с;

? - коефіцієнт, що враховує власний просторовий рух організмів;

V – власна швидкість осідання організмів, м/с;

t - термін експонування поверхонь теплообмінного обладнання у воді, с.

Сумуючи біомасу обростання окремих видів, можна отримати загальну біомасу обростання для всієї поверхні:

, (2)

де і - окремий вид біообростань;

п – загальна кількість видів біообростань, од.

Аналіз моделі початкової колонізації дозволяє розглянути наступні випадки:

Випадок 1:

, (3)

де у – відстань від пластини, м;

? - кінематична в'язкість води, м2/с;

l – довжина пластини, м.

При високій швидкості плину для пасивно осідаючих чи малорухомих мікроорганізмів - обростателів уздовж пластини повинний існувати градієнт біомаси обростання. При дотриманні умови адгезії біомаса і щільність обростання залежать від швидкості руху нелінійно, що відповідає фактам, які спостерігаються. Біомаса обростання залежить від довжини подовжньо обтічної пластини.

Випадок 2:

, (4)

може мати місце при низькій швидкості руху води і характерний для видів мікроорганізмів - обростателів з високою швидкістю руху на стадії розселення. При зазначених умовах біомаса (щільність) обростання на початковій стадії колонізації взагалі не повинна залежати від швидкості руху та розміру мікроорганізмів - обростателів і довжини пластини. Ніякого градієнта біомаси (щільності) обростання в цьому випадку спостерігатися не повинно. Напроти, біомаса і щільність обростання будуть залежати від власної швидкості руху мікроорганізмів - обростателів й коефіцієнту, що враховує власний просторовий рух організмів.

При дослідженні якісного складу встановлено, що до біообростань входять нітрофікуючі, денітрифікуючі, тіонові, а також сульфатвіднов-

люючі бактерії та залізобактерії. Водорості, які входять до складу біообростань, представлені синьо-зеленими, зеленими, діатомовими. У складі біологічних обростань присутні простіші організми – рослинні та тваринні джгутикові, саркодові,

Встановлено, що обростання розгалужуються в системі нерівномірно: в залежності від типу теплообмінного обладнання до найбільш обростаючих відносяться бетонні стояки, металеві обшивки, пластмасові водорозподільчі пристрої градирні. Порівняльний аналіз кількісного складу бактерій в залежності від типу теплообмінного обладнання та пори року наведено на рис. 3.

Рис. 3. Залежність кількості клітин у градирні (1) та резервуарі (2) в залежності від пори року.

інфузорії, коловертки. Серед обростань зустрічаються значна кількість хробаків: нематоди та олігохети.

Порівняння видового складу біообростань в циклах зворотного водопостачання ВАТ “ДніпроАзот” та р. Дніпро (у водозаборі) дозволило зробити висновок, що із вододжерела в системи зворотного водопостачання потрапляють всі види організмів.

При дослідженні впливу вакууму та ультразвуку встановлено, що механізм дії на організми подібний. Було відмічено, що у рослинних організмів обростань, які представлені водоростями Ulothrix tenerrima, Місrospora quadrata, Cosmarium subtumidum, Actidesmium hookeri, Stigeoclonium tenue, Schizogonium murale, Scenedesmus quadricauda, через 5-10 хвилин після обробки хлоропласти відокремлювались від стінок клітин та скопичувались у їх центрі, при цьому останні втрачали притаманне їм забарвлення та набували спочатку (1-2 години) жовто-бурого кольору, а потім (10-12 годин) коричнево-чорного, що свідчить про припинення фотосинтезу та їх загибель. Не було відмічено ніяких змін при мікроскопуванні водоростей, які не зазнавали впливу вакууму, та спостерігались у такі ж проміжки часу. Необхідно відмітити, що синьо-зелені водорості - Oscillatoria limosa – не зазнали морфологічних змін протягом всього дослідження.

Для дослідження впливу вакууму на тваринні організми обростань використовувались різні види простіших: джгутикові, інфузорії, амеби, коловертки, хробаки. У джгутикових Euglena deses, Bodo ovatus, Uroglonopsis в перші хвилини після обробки води рух стає хаотично-прискореним, потім на протязі 1-2 годин вони втрачали здатність до пересування. У Euglena deses відбувається руйнування хлоропластів. Інфузорії Vorticella microstoma, Litonotus в перші хвилини уповільнювали або припиняли рух, хоча їхні вії ще функціонували; вони змінювали форму тіла та гинули протягом 15 хвилин. У Vorticella microstoma на протязі перших 2 хвилин спостерігались періодичні скорочувальні рухи. На 5 хвилині починався розпад тіла, а на 15-й - інфузорії гинули. У Аmoeba limax в перші 3-5 хвилини відбувалась зміна положення протоплазми, при цьому порушувалась структура клітин. Однак, через 2-5 годин структура клітин амеб та їх функції повністю відновлювались. При дії вакууму на коловерток Cephalodella catellina, Philodina roseola, Rotaria rotatoria в перші хвилини відбувався інтенсивний рух кінцівок, щупалець; спостерігались судомні скорочення шлунку та кишечнику. На 20 хвилині припинявся рух кінцівок та скорочення внутрішніх органів (шлунку та кишечнику), а через 1 годину коловертки гинули. Хробаки Tobrilus helveticus через 5 хвилин після обробки починали енергійно та хаотично рухатись. Їхнє тіло скорочувалось та набувало непритаманну для хробаків форму і забарвлення. На протязі 30-60 хвилин відбувалась загибель хробаків при сильній зміні форми та кольору.

Результати визначення ступеню знешкодження мікроорганізмів при впливі ультразвуку та вакууму наведено на рис.5 а, б.

На основі отриманих результатів удосконалено діючу систему зворотного водопостачання шляхом включення у технологічну схему стадій вакуумної та ультразвукової обробки. Удосконалені схеми систем зворотного водопостачання з вказаними вузлами приведено на рис.6. Дані установки зворотного водопостачання з використанням вакуумної або ультразвукової обробки працюють наступним чином.

За допомогою вакуумного насосу 4 при залишковому тиску

0,01 МПа протягом 1,5 хвилини у герметичному резервуарі 7 або ультразвукового генератора 8 протягом 1,25 хвилин з виробничою швидкістю 0,1 м/с через резервуар 2, оборотна вода разом із підживлюючою, яка звільняється від зважених речовин на фільтрах 3, знезаражується та подається у теплообмінне обладнання 5 виробництва аміаку, де відбувається теплообмін з продуктами виробництва тощо. Нагріта до температури 38 °С зворотна вода повертається у верхню частину вентиляторної градирні 1.

а) вакуумна обробка б) ультразвукова обробка

залишковий тиск, МПа: інтенсивність озвучування, дБ:

1 – 0,08 1 – 4

2 – 0,05 2 – 5

3 – 0,03 3 – 6

4 – 0,01 4 – 7

Рис.5. Ефективність впливу вакууму та ультразвуку на бактеріальну складову обростань в залежності від терміну обробки, залишкового тиску (а) та інтенсивності озвучування (б).

Зворотна вода після проходження такої обробки може подаватись у теплообмінне обладнання без застосування хімічних реагентів для попередньої обробки води. При проведенні виробничих випробувань були отримані наступні результати: експлуатація впродовж терміну, який пройшов із дня пуску (60 діб), показала високу надійність установки в роботі, зручність і простоту обслуговування. Спостерігалось зменшення кількості або повна відсутність біологічних обростань на обладнанні водозворотного циклу. Кількість організмів, що утворюють біологічні обростання, після проходження установки зменшується на 85 - 90%. Зникає необхідність у механічному очищенні обладнання, яке потребує повного або часткового виведення із експлуатації водозворотного циклу.

За результатами експлуатації даної установки встановлена можливість і доцільність впровадження її на інших водозворотних циклах підприємства, що підтверджено “Актом впровадження установки для знезараження зворотної води на водозворотному циклі № 20 цеху синтезу аміаку ВАТ “ДніпроАзот”.

У четвертому розділі наведено виконаний розрахунок собівартості продукції цеху синтезу аміаку, який в процесі виробництва використовує водозворотний цикл потужністю 500 м3/год для охолодження води в теплообмінному обладнанні, а також охолодження компресорів.

Показано, що при використанні вакуумної знезаражуючої установки, капітальні вкладення становлять 18,8 тис. грн. (впровадження установки не

а)

б)

Рис. 6. Технологічна схема водозворотного циклу №20 ВАТ “ДніпроАзот” з використанням вакуумної (а) та ультразвукової обробки (б) води

1 - градирня; 2 - резервуар охолодженої води; 3 - фільтри ВСФ 500;4 – вакуумний насос; 5 – теплообмінне обладнання; 6 – вакуумметр; 7 – герметичний резервуар; 8 - блочна ультразвукова установка “Резон”.

потребує будівництва нових споруд, але потребує проведення герметизації резервуару охолодженої води). Собівартість основної продукції (аміаку) може бути зменшена за статтею “Витрати на експлуатацію, утримання і ремонт устаткування”, а приріст прибутку в розмірі 79 тис. грн. за рахунок зменшення витрат на проведення ремонтів, які необхідні при значному розвитку біологічних обростань. При впровадженні ультразвукової установки капітальні вкладення становлять 30 тис. грн., вона не потребує будівництва нових споруд та проведення будь-яких додаткових будівельних заходів. При цьому можна отримати зменшення собівартості основної продукції, що забезпечить приріст прибутку 62,9 тис. грн.

Строк окупності в обох випадках не перевищує 1 рік.

Економічні показники вакуумної та ультразвукової оброки приведено в табл. 2.

Таблиця 2

Економічні показники вакуумної та ультразвукової обробки води

Найменування показника | База | Вакуумна обробка | Ультразвукова обробка

Собівартість одиниці продукції, грн./т |

496,56 |

496,36 |

496,38

Витрати на виробництво продукції, тис. грн./рік | 230776 | 230692 | 230683

Приріст прибутку, тис.грн./рік | - | 79 | 62,9

Таким чином, підготовка води систем зворотного водопостачання є економічно доцільною як з використанням вакуумної, так і ультразвукової обробки, причому перший метод більш економічно вигідний. Однак, враховуючи, що обслуговування вакуумної установки більш безпечне з точки зору охорони праці, було рекомендовано до впровадження вакуумний спосіб обробки води. Строк окупності в обох випадках не перевищує 1 року. Таким чином, обробка води систем зворотного водопостачання даними методами є економічно доцільною.

ВИСНОВКИ

В дисертації, що є завершеною науково-дослідною роботою, поставлена і розв’язана актуальна науково-практична задача, яка полягає в розробці технології вакуумної та ультразвукової обробки води шляхом встановлення основних режимів і нових залежностей названих процесів від ряду основних показників, а також обґрунтуванні відповідних технологічних і конструктивних рішень на основі цих досліджень для підприємств азотної промисловості на прикладі ВАТ “ДніпроАзот”.

Найбільш важливі наукові і практичні результати, висновки та рекомендації:

1. Виконано аналіз відомих методів попередження біологічного обростання поверхонь, таких як хлорування, озонування, знезараження води іонами важких металів, коагуляція та флокуляція, водорозчинні органічні реагенти, додавання у воду розчину пероксиду водню, та обробка іншими окисниками, який показав, що основним недоліком є їхня матеріало - та енергоємність, до того ж вони не придатні для застосування у системах, де скид води відбувається на установку біохімічного очищення та може привести до порушення технологічного режиму очисних споруд підприємства.

2. Розроблено нову технологію попередження біообростань із застосуванням вакуумної та ультразвукової обробки води систем зворотного водопостачання. При вакуумній обробці - за допомогою вакуумного насосу ВВН-6 при залишковому тиску 0,01 МПа протягом 1,5 хвилини у герметичному резервуарі; при ультразвуковій обробці - за допомогою ультразвукової установки “Резон - 6” протягом 1,25 хвилин, з виробничою швидкістю 0,1м/с; оборотна вода знезаражується на 85-90%.

3. Виявлено, що на початковій стадії біообростання при зниженні вмісту у воді органічних речовин з 75 до 14 мгО2/дм3 кількість мікроорганізмів знижується з 45 до 17,9 млн. од./см2 у воді систем зворотного водопостачання.

4. Досліджено кількісний розвиток бактерій (нітрифікуючих, денітрифікуючих, тіонових, cульфатвідновлюючих, залізобактерій) у різних типах теплообмінного обладнання на протязі року: у відкритому теплообмінному обладнанні (градирні) кількість мікроорганізмів зменшується із пониженням температури атмосферного повітря з липня по грудень від 4,67 до 0,4 млн. од./см3, а в закритому теплообмінному обладнанні (резервуарі) знижується з 2,20 до 0,73 млн. од./см3, причому в градирні цей процес відбувається значно інтенсивніше. В період з грудня по березень кількість клітин у резервуарі зменшується з 1,36 до 0,73 млн.од./см3 та перевищує кількість клітин у градирні з 1,00 до 0,49 млн.од./см3. З березня починається ріст кількості клітин, причому знову у градирні більш інтенсивно (з 0,49 до 2,3 млн.од./см3). Це пов’язано із зміною погодних умов.

5. Розроблено математичну модель процесу біообростання на початковій стадії та надані відповідні коефіціенти, які дозволяють регулювати, контролювати та прогнозувати розвиток біологічних обростань на різних матеріалах теплообмінного обладнання водозворотних циклів, встановлено залежність швидкості біообростання від виду та розміру поверхонь, концентрації мікроорганізмів у воді, швидкості руху води та мікроорганізмів і терміну знаходження поверхонь у воді, коефіцієнту, який враховує вид матеріалу теплообмінного обладнання.

6. Вперше розкрито механізм впливу вакуумної обробки води на біологічні обростання систем зворотного водопостачання: сутність його полягає в розриві клітинної оболонки і гибелі бактеріальної клітини в умовах пониженого тиску за рахунок змикання пухирів, які утворюються при пониженні тиску в будь-якому місці рідини до рівня тиску насиченої пари.

7. Показано, що вакуумна та ультразвукова обробки води попереджають процес біообростання, позитивно впливають на стан теплообмінного обладнання систем зворотного водопостачання, виключають використання додаткових реагентів та підвищення температури. Вакуумування найбільш ефективно запобігає біообростанню при остаточному тиску 0,01 МПа, терміну обробки 1,5 хвилини і температурі 20-30 ?С; ультразвукова обробка – при інтенсивності озвучування 7дБ, часу обробки 1,25 хв., температурі 20-30?С.

8. Науково обґрунтовано застосування вакуумної та ультразвукової обробки води в системах зворотного водопостачання підприємств азотної промисловості, розроблено принципові технологічні схеми установок та підібрано основне обладнання для обробки води.

9. При реконструкції діючої системи підготовки води у водозворотному циклі № 20 ВАТ “ДніпроАзот” включено в систему вузол вакуумної обробки. Проведена апробація рекомендованих режимів вакуумної обробки води, результати апробації дали позитивний ефект, що знайшло відображення в акті впровадження установки.

10. Показано, що економічний ефект від впровадження вакуумної установки складе 79 тис. грн./рік, від впровадження ультразвукової установки складе 62 тис. грн. на рік за рахунок зменшення витрат на утримання, експлуатацію і ремонт устаткування. Розроблені технології попередження біообростань із застосуванням вакуумної та ультразвукової обробки дозволяють скоротити витрати підприємства на ремонти та експлуатацію водозворотних циклів.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Кльопа Т.П., Шкірко І.В., Волошин М.Д. Дослідження процесу бактеріального обростання системи оборотного водопостачання. / Вісник національного технічного університету „ХПІ”. Тематичний випуск №37 „Хімія, хімічна технологія та екологія”. – Харків: 2004. – С.130-135.

2. Кльопа Т.П. Дослідження впливу ультразвуку на стан біологічних обростань систем оборотного водопостачання підприємств азотної промисловості. //Вопросы химии и химической технологии. – Дніпропетровськ: УДХТУ. – 2006. - № 5, С. 237-239.

3. Кльопа Т.П., Волошин М.Д. Дослідження якості води систем оборотного водопостачання підприємств азотної промисловості. // Збірник наукових праць ДДТУ. – Дніпродзержинськ: 2003. – С. 165-168.

4. Кльопа Т.П., Волошин М.Д. Математична модель початкової стадії біообростання водооборотних циклів. // Збірник наукових праць ДДТУ. – Дніпродзержинськ: 2007. – С. 286-291.

5. Кльопа Т.П. Визначення мікробіологічного складу оборотної води підприємств азотної промисловості. / Матеріали VІІІ Міжнародної науково-практичної конференції студентів, аспірантів та молодих вчених „Екологія. Людина. Суспільство.”. – Київ: НТУУ КПІ, 2005. – С.88-89.

6. Кльопа Т.П. Визначення впливу ультразвукових коливань на стан біообростань систем оборотного водопостачання./ Матеріали ІХ Міжнародної науково-практичної конференції студентів, аспірантів та молодих вчених „Екологія. Людина. Суспільство.”. – Київ: НТУУ КПІ, 2006. – С.83.

7. Кльопа Т.П., Волошин М.Д. Дослідження впливу розчиненого кисню на стан біообростань в системах оборотного водопостачання. / Матеріали ІІІ Міжнародної науково-практичної конференції студентів, аспірантів та молодих вчених „Хімія і сучасні технології”. - Дніпропетровськ: УДХТУ, 2006. – С. 262-264.

8. Кльопа Т.П., Волошин М.Д. Дослідження впливу вакууму на стан біологічних обростань систем оборотного водопостачання. / Матеріали І Міжнародної науково-практичної конференції „І з’їзд екологів”. – Вінниця: ВНТУ, 2006. – С. 219.

9. Кльопа Т.П., Шкірко І.В. Дослідження складу біологічних обростань в системах оборотного водопостачання при виробництві азотних добрив / Екологія і природокористування: Збірник наукових праць Інституту природокористування та екології НАН України. – Дніпропетровськ: 2006. – Випуск № 7 С. 25-27.

10. Патент України на корисну модель “Спосіб знезараження оборотної води” № 20302 А, Україна, МПК(2006) С02F1/00 / Волошин М.Д., Кльопа Т.П. - № u200608343; Заявл. 25.07.2006; опубл. 15.01.2007, Бюл. №1, 2007р.

11. Волошин М.Д., Кльопа Т.П. Безреагентні методи знезараження оборотної води / Матеріали VІ Міжнародної науково-практичної конференції з міжнародною участю “Екологія та інженерія. Стан, наслідки, шляхи створення екологічно чистих технологій”. – Дніпродзержинськ: 2006. – С.57-59.

12. Кльопа Т.П., Волошин М.Д. Рекомендації по зменшенню біологічних обростань в оборотних системах водопостачання підприємств азотної промисловості/ Матеріали VІ Міжнародної науково-практичної конференції з міжнародною участю “Екологія та інженерія. Стан, наслідки, шляхи створення екологічно чистих технологій”. – Дніпродзержинськ: 2006. – С.57-59.

Особистий внесок здобувача у роботах, опублікованих у співавторстві, полягає: [1], [2] – виявлення основних компонентів біообростань, аналіз результатів; [4] – виконання теоретичних розробок та проведення розрахунків на ЕОМ; [7] – визначення закономірностей впливу різних концентрацій розчиненого кисню на біообростання; [8] – запропоновано новий безреагентний метод боротьби з біообростаннями; [9] - визначення якісного та кількісного складу біологічних обростань; [10] - розробка та апробація нового методу знезараження оборотної води; [11] – визначення основних параметрів обробки, обробка результатів та написання тез; [12] - здобувач приймав участь в обробці результатів та написанні тез.

АНОТАЦІЇ

Кльопа Т. П. Шляхи усунення біообростання у водозворотніх циклах підприємств азотної промисловості. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.17.21. – “Технологія водоочищення”

Дисертація присвячена дослідженню процесу біообростання систем зворотного водопостачання підприємств азотної промисловості на прикладі ВАТ “ДніпроАзот” та розробці заходів щодо зменшення впливу біообростань на водозворотні цикли. Визначено, що біообростання представляють біоценози, що сформовані в умовах, які відрізняються від умов існування природних екосистем. Існуючі методи обробки води для запобігання біологічних обростань, такі як: хлорування, озонування та обробка іншими окисниками матеріало- та енерговитратні, не придатні для застосування у системах, де скид води відбувається на установки біохімічного очищення. Створено математичну модель початкової стадії процесу біообростань, як однієї з найбільш значущих при формуванні стратегії захисту від вказаних явищ. Науково обґрунтовано застосування таких безреагентних знезаражуючих методів обробки води, як вакуумування та ультразвукова обробка. Розроблено технологічну схему установки та підібрано основне обладнання для знезараження води. Розраховано отриманий економічний ефект від впровадження запропонованих методів обробки.

Ключові слова: водозворотні цикли, азотна промисловість, біообростання, погіршення теплопередачі, біокорозія, безреагентні методи знезараження води, вакуумування, ультразвукова обробка.

Клёпа Т. П. Пути устранения биообрастания в водооборотных циклах предприятий азотной промышленности. Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.17.21 – Технология водоочистки

Диссертация посвящена исследованию процесса биообрастания систем оборотного водоснабжения предприятий азотной промышленности на примере ОАО “Днепроазот” и разработке научно-технических мероприятий по уменьшению влияния указанного явления на водооборотные циклы. Существующие методы обработки воды для предотвращения биологических обрастаний, такие как: хлорирование, озонирование и обработка другими окислителями материало - и энергоемкие и не пригодны для применения в системах, где сброс воды осуществляют на установки биохимической очистки.

Проведены исследования по образованию биологических обрастаний на поверхностях, контактирующих с водой. Установлено, что на начальной стадии рост и развитие биообрастаний зависит от количества огранических веществ в воде.

Разработана математическая модель начальной стадии процесса биообрастания, как одной из