Предотвращение биологического обрастания металлических конструкций оголовка водозаборных сооружений (стр. 1 )

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

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования

«Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»

Научный руководитель:

Доктор технических наук, профессор
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор	ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет», заведующий кафедрой «Промышленная экология и безопасность жизнедеятельности»
кандидат технических наук Ведущая организация:	, технический директор по защите окружающей среды «Экотор»», г. Волгоград 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» (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 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 2012-2020 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 контрольно-измерительными 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 Д=±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;

- установлено, что интенсивному росту СВБ способствуют 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.