Научная статья на тему 'МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ СИСТЕМЫ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ АНТРОПОГЕННЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ В ПЛАВАТЕЛЬНОМ БАССЕЙНЕ КУБГУ'

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ СИСТЕМЫ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ АНТРОПОГЕННЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ В ПЛАВАТЕЛЬНОМ БАССЕЙНЕ КУБГУ Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

CC BY
15
9
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
МОНИТОРИНГ / ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ / ХЛОРИРОВАНИЕ / MONITORING / ENVIRONMENTAL CONTROL / CHLORINATION / WATER COMPOSITION MODELING

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Мысак А.П., Корж К.О., Ишмухаметова Р.И.

В статье описывается процесс мониторинга проблем, связанных с составом воды в плавательных бассейнах, на основании чего был смоделирован её состав до и после посещения людьми.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

MATHEMATICAL MODELING OF THE SYSTEM OF NEUTRALIZATION OF TECHNOGENIC POLLUTION IN THE BASIN OF THE KUBAN STATE UNIVERSITY

The article describes the process of monitoring the problems associated with the composition of water in swimming pools, on the basis of which its composition was modeled before and after people's visits.

Текст научной работы на тему «МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ СИСТЕМЫ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ АНТРОПОГЕННЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ В ПЛАВАТЕЛЬНОМ БАССЕЙНЕ КУБГУ»

УДК 54.064

Мысак А.П. студент магистратуры 1 курса факультет «Химии и высоких технологий»

Корж К.О.

студент магистратуры 1 курса факультет «Химии и высоких технологий»

Ишмухаметова Р.И. студент магистратуры 1 курса факультет «Химии и высоких технологий» Кубанский государственный университет научный руководитель: Сеник Ю.В.

Россия, г. Краснодар МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ СИСТЕМЫ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ АНТРОПОГЕННЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ В

ПЛАВАТЕЛЬНОМ БАССЕЙНЕ КУБГУ Аннотация: В статье описывается процесс мониторинга проблем, связанных с составом воды в плавательных бассейнах, на основании чего был смоделирован её состав до и после посещения людьми.

Ключевые слова: мониторинг, экологический контроль, хлорирование,

Mysak A.P. master's student

1 course, faculty of Chemistry and high technologies

Kuban state University Russia, Krasnodar Korzh K.O. master's student

1 course, faculty of Chemistry and high technologies

Kuban state University Russia, Krasnodar Ishmukhametova R.I. master's student

1 course, faculty of Chemistry and high technologies

Kuban state University Russia, Krasnodar Supervisor: Senik Y. V. MATHEMATICAL MODELING OF THE SYSTEM OF NEUTRALIZATION OF TECHNOGENIC POLLUTION IN THE BASIN OF THE KUBAN STATE UNIVERSITY Abstract: The article describes the process of monitoring the problems associated with the composition of water in swimming pools, on the basis of which its composition was modeled before and after people's visits.

Key words: monitoring, environmental control, chlorination, water composition modeling.

Человек приносит в бассейн пот и мочу, омертвевшие клетки кожи, волосы, а также частицы косметических средств. Однако, помимо всего перечисленного, посетители бассейна являются так же и разносчиками различных микроорганизмов, таких как вирусы и инфекции, для многих из которых вода является идеальной средой для размножения. Если никак не влиять на их наличие в чаше бассейна, они начнут передаваться от пловца к пловцу быстрее, чем зараженная вода пройдет систему водоочистки. Именно поэтому необходима дезинфекция воды с пролонгированным эффектом.

Самым популярным средством, используемым для дезинфекции воды является хлор. Дезинфекция хлором обладает рядом преимуществ, по сравнению с другими дезинфицирующими средствами.

Систему бассейна с учетом потоков, которые влияют на массу связанного хлора в воде, можно представить в виде рисунка 1.

Зщигшешгн. удалчемьи: с йоеерхносгн

ВАЛЫ

С,

ЗаГрЯЗЧСННЯ С ИМ«

челолеки

купальщик

Г,

летуч.

Q

купальщик

^бассейн Фцирк.

Очищенная.

хлорированная

вода

гир. Л Вещества удаиеиыа ^ / помощью КЩНЧКПИ рпшИ

С,

сг

V,

бассейн

С,

бассейн

Вода тбассейн! н систему очке) к и

Система очистки

Вода из центрального водоснабжения

С,

исх.вода

С,

чист.вода

С

Слип в канализацию

цирк.

^исх.вода

Рисунок 1 - Схема потоков в бассейне. С помощью которого, можно наглядно увидеть, что общий поток воды в системе бассейна - это поток воды, выходящий из бассейна, проходящий станцию водоочистки и поступающий обратно в бассейн вместе с дозой хлора. Поток, поступающий на очистную установку равен потоку, выходящему из чаши бассейна, а поток, выходящий из очистной установки равен потоку, выходящему из чаши бассейна минус поток воды, потерянный на промывку фильтра, компенсация которого происходит потоком воды с водопровода. Хлор добавляется в поток непосредственно на входе в бассейн. Помимо потока воды так же присутствует поток загрязнений от пловцов и поток веществ улетучиваемых из чаши бассейна.

На основании схемы бассейна можно представить общий баланс массы для хлорсодержащих веществ:

Массанакопленная масса добавленная масса удаленная массапреобразованная

^бассейн • ^ (^купальщик • @ купальщик + ^исх.вода • Фисх.вода + ^очищенная • Фцирк. + Сс1 • (^бассейн • Фцирк. + ^летуч.} ^реагир.

где, Кбассейн - объем бассейна , м3

— — изменение концентрации заданного вещества по времени , мг/(л • час)]

С _

купальщик

концентрация веществ, внесенных пловцами , мг/(чел.- час) @ купальщик — поток людей , чел./час £в0д0пр0в0д. — концентрация исходной воды , мг/м3 водопровод. — потока исходной воды , м3/час

£очищ. — концентрация заданного вещества в очищенной воде , мг/м3

@цирк. — объем потока циркулируемой воды , м3/час Са — концентрация добавленного хлора , мг/м3

— объем хлора , м3/час Сбассейн — концентрация заданного вещества в чаше бассейна, мг/м3 глетуч. — скорость «испаряющихся» веществ, мг/час греагир. — скорость удаления данного вещества, за счет других процессов (окисление, образование побочных продуктов) , мг/час

Баланс масс включает в себя ряд процессов описывающих внесение загрязнителей, удаление летучих компонентов, а также процессы химической трансформации исследуемых веществ, изучаемых и описываемых количественно. Процессы на очистных сооружениях и процессы трансформации в бассейне упрощаются как «черный ящик», который включает в себя ряд сложных процессов, которые приводят к удалению вещества из воды бассейна.

Предполагается, что основной объем загрязнителей, состоящий из пота и мочи, составляет в среднем на человека около 250мл пота и 50мл мочи за час. Основываясь на знании состава мочи и пота, можно рассчитать содержание азота в смеси пота и мочи. Примерное содержание азота можно увидеть в таблице 1.

Таблица 1 - распределение азота в компонентах мочи и пота.

Компонент Пот Моча

среднее содержание, мг/л содержание азота, % среднее содержание, мг/л содержание азота, %

Мочевина 680 68 10,24 84

Аммоний 180 18 560 5

Аминокислоты 45 5 280 2

Креатин 7 1 640 5

Другое 80 8 500 4

При попадании азотосодержащих соединений в воду с ним вступает в реакцию свободный хлор.

В воде аммиак находится в равновесии с аммонием:

МЯ3 + Я20 ^ МЯ+ + ОЯ- (5)

Равновесие для хлорноватистой кислоты и гипохлорита: 0СГ +Я20 ^ ЯОа + ОЯ- (6)

В зависимости от рН хлор и аммиак могут преимущественно присутствовать воде в одной из своих форм (рисунок 3).

Рисунок 2 - Распределение аммиака и аммония в зависимости от рН вместе с распределением гипохлорита и хлорноватистой кислоты. Из этих равновесий следуют 4 возможных реакции хлора с аммиаком в зависимости от рН:

МЯ3 + 0СГ ^ МЯ2а + ОЯ- (7)

мя3 + яоа^мя2а + я2о (Б)

мя4 + осг ^ мя2а + оя- (9)

мя4 + яоа ^ мя2а + я3о+ (10)

При исследовании начального механизма реакции аммиака с хлором с помощью спектрофотомерии, учеными Цян и Адамсом, было обнаружено, что

реакция 8 является преобладающей среди этих 4-ех реакций и таким образом можно пренебречь другими тремя реакциями.

Дихлорамин и трихлорид образуются в результате последовательного окисления:

мя2а + яоа^мяа2 + я2о (11)

ыны2 + яоа ^ + я2о (12)

Более подробные реакции азотосодержащих компонентами и хлора.

Рисунок 3 - Реакции между свободным хлором и аммиаком.

Рисунок 4 - Реакции между свободным хлором и мочевиной.

Как видно из рисунка 2 мочевина окисляется до тетрахлормочевины и затем разделяется на один моль двуокиси углерода, одну моль хлористоводородную кислоту, один моль N0 и один моль трихлорамина, который реагирует как те, которые образованы из аммиака.

nh2

Creatine Creatinine

Рисунок 5 - Реакция между свободным хлором и креатином

Креатинин разделяется на мочевину, которая реагирует, как упоминалось ранее.

Многие из образующихся побочных продуктов являются летучими и, таким образом будут распространяться по помещению бассейна. Скорость «испарения» этих продуктов зависит от ряда условий: концентрация в жидкой фазе, подвижность воды бассейна и степени вентиляции.

Самым эффективным способом для борьбы с хлорамином на данный момент является так называемое шоковое хлорирование.

Несмотря на то, что хлорамины так же вносят свой небольшой вклад в дезинфекцию их присутствие в воде должно быть минимальным, чтобы не наносить сильный вред здоровью человека.

Когда количество связанного хлора приближается или превышает установленный предел, есть возможность уменьшить его уровень с помощью метода хлорирования до точки перелома, основанного на том, что в бассейн добавляется большая доза хлора, который в своём избытке реагирует с ППД.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Рисунок 6 показывает остаточный хлор и остаточный азот от дозы хлора добавляемого в бассейн по отношению к азотистому соединению. Остаточный хлор растет пропорционально соотношению хлора к аммиаку далее наблюдается его уменьшение до достижения соотношения 5. При увеличении соотношения будет наблюдаться рост свободного хлора.

Раз пушение

Доза хлора, мг/л

Рисунок 6 - Процесс шокового хлорирования. Рисунок 6 иллюстрирует прогресс хлоризации. С ростом дозы хлора увеличивается и количество остаточного хлора достигая точки В, где заканчивается аммиак. С этой точки хлор начинает окислять хлорамины с образованием летучих соединений, поэтому количество связанного хлора постепенно уменьшается. Пунктирная линия показывает рост остаточного хлора в условии отсутствия прекурсоров. С помощью данного метода количество азотсодержащих соединений максимально уменьшается. 3НОС1 + 2ЫН3 + 3НС1 + 3Н20 (12)

ЫНС12 + 2НОС1 + Н20 ^ ЫО- + 5Н+ + 4СГ (13) Озонирование. Окисление аммиака и других азотных соединений происходит хотя и медленнее, чем других примесей, но непрерывно, пока озон добавляется в воду. Чем дольше работает озон, тем больше он разрушает соединения азота. При использовании озона совместно с хлором, удается поддерживать содержание хлораминов на минимальном, практически не ощутимом уровне. Т.к. озон - более мощный окислитель, чем хлор, он первым вступает в окислительно-восстановительные реакции с органическими загрязнениями, чем понижает химическую потребность воды в хлоре. В результате добавляемый в воду хлор находится в свободной форме и не раздражает кожу, глаза и органы дыхания.

В ходе исследования литературы была найдена математическая модель накопления побочных продуктов дезинфекции, основанная на объёмном уравнении баланса массы. Она учитывает нагрузку на бассейн, реакции в воде, а также летучесть трихлорамина и степень очистки на станции водоподготовки. Модель, выполненная в программе Ехсе1 разработана и проверена группой датский ученных работающих в университете Ольборга и применена мной на бассейн «Аквакуб» Кубанского Государственного университета, для чего были использованы параметры бассейна такие как его объем, скорость циркуляции воды и т.д. (таблица 4).

Бассейн длинной 25м и шириной 16м имеет глубину от 1,2 м до 1,8.

>-114 -?-12 М-У

Рисунок 7 - Чаша бассейна

Таблица 2 - Параметры бассейна

Объем чаши 600 м3

Скорость циркуляции воды 100 м3/час

Период водооборота 6 час

Скорость подачи воды из водопровода 10 м3/час

Максимальное количество людей 60 чел.

РН 7.2

Температура 28 ос

Эффект от очистки 10 %

Помимо параметров самой системы бассейна учитывалось количество посетителей в течение дня на протяжении недели. Расписание бассейна представлено в таблице 3.

Таблица 3- Расписание работы бассейна

Пн Вт Ср Чт Пт Сб Вс

Количество посетителей 42 34 23 39 41 28 12

В вечернее время 15 10 12 14 11 15 6

В данной таблице показаны данные, приближенные к реальным значениям посещаемости бассейна. Посещаемость в вечернее время соответствует времени тренировок пловцов (примерно пять часов вечера). В результате обработки данных получена зависимость содержания хлораминов от дня недели. Начальная их концентрация в воде была задана, равной 500 миллиграмм на метр кубический.

Рисунок 8 - Содержание хлораминов от времени работы бассейна с учетом количества посетителей В результате проведенной работы была построена модель накопления побочных продуктов дезинфекции путём хлорирования к бассейну «Аквакуб», путём заимствования структуры расчётов из аналогичной модели, построенной датскими ученными в университете Ольборга, и адаптации условий, а также технических характеристик работы системы очистки к тем, что применяются для очистки воды бассейна кубанского государственного университета. С помощью полученной модели удалось рассчитать зависимость содержания хлораминов от количества посетителей и приблизительную скорость очистки.

Использованные источники:

1. Fantuzzi G. Occupational exposure to trihalomethanes inindoor swimming pools / G. Fantuzzi, E. Righi, G. Predieri, G. Ceppelli, F. Gobba, G. Aggazzotti // Sci. Total Environ. 2001.

2. Jacobs J. H. Exposure to trichloramine and respiratory symptoms in indoor swimming pool workers / J. H. Jacobs, S. Spaan, G.B. van Rooy, C. Meliefste, V. A. Zaat, J. M. Rooyackers// Europ. Respir. J. 2007.

3. Villanueva C. M. Disinfection byproducts and bladder cancer. A pooled analysis / C. M. Villanueva, K. P. Cantor, S. J.Cordier, J. K. Jaakola, W. D. King, C. F. Lynch, Porru S., M. Kogevinas // Epidemiology. 2004.

4. Villanueva C. M. Bladder cancer and exposure to water disinfection byproducts through ingestion, bathing, showering and swimming pool attendance / C. M. Villanueva, K. P. Cantor, J. O. Grimalt, N. Malats, D. Silverman, A. Tardon // Am. J. Epidemiol. 2007.

5. Chiswell B. The causes of eye irritation in swimming pools / B. Chiswell, C.

F. Wildsoet // Water Sci. Technol. 1989.

6. Bernard A. Non-invasive biomarkers of pulmonary damage and inflammation: Application to children exposed to ozone and trichloramine / A. Bernard, S. Carbonnelle, M. Nickmilder, C. de Burbure // Toxicol. Appl. Pharm. 2005.

7. Bernard A. Lung hyperpermeability and asthma prevalence in schoolchildren: unexpected associations with the attendance at indoor chlorinated swimming pools / A. Bernard, S. Carbonnell, O. Michel, S. Higuet, C. de Burbure, J. — P. Buchet, C. Hermans, X. Dumont, I. Doyle // Occup. Environ. Med. 2003.

8. Glauner, T. Schwimmbadwasser - wie gut muss es sein und was kann man technisch tun Frimmel/ F. H. & Zwiener, C.// Wasser und Abwasser, 2004

9. Ларин, Б.М. Расчет концентраций ионов по измеренной электропроводности растворов и природных вод / Ларин Б.М., Лукомская Н.Д. // Известия высших учебных заведений. Энергетика, 1986.

10. Schmalz C. Trichloramine in swimming pools / Fritz H., Frimmel A., Zwiener. N. // Formation and mass transfer, Water Research, 2011.

11. Kristensen G. H. Vandpartnerskabet Rekreativt Vand - Afpr0vning af Wallenius / Klausen M. M., Albrechtsen H. J., Hansen B. M.// AOT, 2008.

12. Qiang Z. Determination af monochloramine formation rate constant with stopped-flow spectrophotometry / Qiang Z., Craig D.// Environmental Science and Technology, 2004.

13. Li J., Volatile disinfection byproduct formation resulting from chlorination og organic-nitrogen percursors in swimming pools/ Ernest R., Blatchley K.// Environmental Science & Technology, 2007

14. Kristensen G. H., Alternativer til klor som desinfektionsmiddel i offentlige sv0mmebade / Klausen M. M., Albrechtsen H. J., Hansen B. M.// Milj0styrelsen, 2007.

15. Keuten M. G. Determination and reduction of bathing loads in public swimming pools / M.G. Keuten, J. C. Verberk, O. Pleumeekers, J. van Spengen, J.C. van Dijk // Paper & presentation, 2009.

16. Filimonov D. A. Probabilistic approach in activity prediction / D. A. Filimonov, V. V. Poroikov // Chemoinformatics approaches to virtual screening, Cambridge (UK): RSC Publishing. 2008.

17. Walse S. S. Nitrosamine carcinogens also swim in chlorinated pools / S. S. Walse, W. A. Mitch // Environ. Sci. Technol. 2008.

18. LaKind J. S. The good, the bad, and the volatile: can we have both healthy pools and healthy people? / J. S. LaKind, S. D. Richardson, B. C. Blount // Environ. Sci. Technol. 2010.

19. Karanfil T. Formation of disinfection by-priducts in indoor swimming pools water. The contribution from filling water natural organic matter and swimmer body fluids./ Kanan A., Karanfil T.// Water Research, 2011

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.