CC BY
16
УДК: 504.064.36
РАЗРАБОТКА ПРОФИЛАКТИЧЕСКИХ МЕР ЗАЩИТЫ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОДОИСТОЧНИКОВ ТЭС
Н.А. БЕЛОКОНОВА*, Э.Л. ЗУБАРЕВА**, О.А. АНТРОПОВА*
*Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина, **ООО фирма «Гидробиология»
Мониторинг сложно организованных объектов целесообразно осуществлять с использованием обобщенных брутто-показателей. При контроле органической загрязненности воды таким показателем является содержание общего органического углерода. Кроме того, необходимо оценивать способность органических примесей к образованию комплексных соединений. Это позволит разработать профилактические меры защиты водоема, выбрать и обосновать показатели качества воды, используемой в технологическом процессе на ТЭС.
Ключевые слова: тепловые электрические станции, поверхностные воды, экологический мониторинг, фитопланктон, свойства органических примесей.
В современных технологических и экологических исследованиях часто используют термин «мониторинг», в который вкладывают разный смысл. В федеральном законе 7-фз "Об охране окружающей среды" «мониторинг окружающей среды (экологический мониторинг) - комплексная система наблюдений за состоянием окружающей среды, оценки и прогноза изменений состояния окружающей среды под воздействием природных и антропогенных факторов». Мониторинг в технологии энергетического производства - это комплексная система сбора информации для оперативной корректировки процессов с целью обеспечения экономичной и надежной работы основного и вспомогательного оборудования.
Работа оборудования ТЭС зависит от качества воды и пара в основном, теплофикационном и охлаждающем контурах. В охлаждающем контуре состояние и эффективность работы конденсатора, в свою очередь, зависит от состава и свойств охлаждающей воды, поэтому результаты экологического мониторинга должны быть использованы для корректировки технологических режимов.
Мониторинг сложноорганизованных объектов чаще всего ограничивается сбором данных по определенным показателям, в результате обработки которых устанавливают взаимосвязь между этими показателями. Однако, чем больше
© Н.А. Б.елоконова, Э.Л. Зубарева, О.А. Антропова Проблемы энергетики, 2011, № 9-10
154
факторов, тем труднее выявить однозначные зависимости, поэтому представляет практический интерес использование обобщенных брутто-показателей.
Для контроля органической загрязненности воды в России широко используют ряд обобщенных показателей - окисляемость, цветность, содержание нефтепродуктов, фенольный индекс, а за рубежом - содержание общего органического углерода (ООУ, ТОС) [1]. Основной органической составляющей природных вод являются гуминовые соединения (ГС), поскольку 60-80% растворимых органических примесей в поверхностных водах составляют гумусовые вещества [2]. Гуминовые соединения - общее название гуминовых (ГК) и фульвовых (ФК) кислот, а также их солей. В состав гуминовых и фульвовых кислот входят эфирные, фенольные, карбоксильные и хиноидные группы, связанные с бензольным кольцом. Гуматы и фульваты связывают до 90% общего количества металлов в природных водах [3].
Органический состав природных вод зависит от специфики биохимических процессов и изменяется в зависимости от времени года, а также различных воздействий на водоем. Так использование поверхностных вод для охлаждения конденсаторов турбин ГРЭС приводит к «тепловому загрязнению» водоемов и развитию сине-зеленых водорослей (цветению). Органические примеси (ОП), содержащиеся в производственных водах ТЭС, способствуют загрязнению конденсатора и коррозии оборудования системы охлаждения. Комплексный мониторинг водного объекта и ТЭС должен адекватно отражать как воздействие на водоем со стороны станции, так и влияние качества воды на технологический процесс и эксплуатацию оборудования.
Цель работы - сопоставить обобщенные показатели органической загрязненности воды и обосновать критерии контроля, которые необходимо использовать для экологического мониторинга поверхностных вод водоисточника ТЭС.
Объект и методы исследования
Объект исследования: Исетское водохранилище, которое является источником промышленного водоснабжения Среднеуральской ГРЭС (СУГРЭС). Точки отбора проб поверхностных вод для последующего физико-химического контроля: водозабор ТЭС, начало сбросного канала, до и после биомодуля. Кроме того, отбор проб проводили в центре водохранилища и в устье впадающей в него реки Черной.
Контролируемые показатели: температура и значение рН воды, окисляемость, содержание кислорода и ООУ, биомасса фитопланктона. Свойства органических примесей также оценивали по значению коэффициента комплексообразования Ккоп [4].
Определение содержания ООУ выполнено на анализаторе С-ша! 5500 («Штроляйн», Германия) по ГОСТ Р 52991-2008.
Физико-химические показатели воды определены по соответствующим нормативным документам: ГОСТ 3351-74 и ПНД Ф 14.1.2:4.154-99.
Результаты и обсуждение
Для снижения негативного воздействия на водоем на СУГРЭСе с 2000 года применяют биологические методы защиты и специальное устройство - биомодуль [5, 6], который устанавливают в сбросном канале, отводящем воду от ТЭС.
© Проблемы энергетики, 2011, № 9-10
155
Мониторинг Исетского водохранилища с использованием современных методов анализа состава и свойств примесей начат с 2006 года. Установлено, что при содержании ООУ до биомодуля 14,1 - 14,9 мг/дм3 значение окисляемости изменяется от 15,4 до 23,4 мгО/дм3 [4]. В 2007 году, в связи с финансовыми проблемами, работы на биомодуле в летний период времени были сокращены, и фитопланктон из воды не удаляли. Расширенный мониторинг в этот период времени не проводили.
Рис. 1 Содержание общего органического углерода (ООУ) и окисляемость в поверхностном водоисточнике ТЭС летом 2008 года
Результаты мониторинга Исетского водохранилища в летний период 2008 г. представлены на рис.1. Из приведенных данных следует:
^ содержание ООУ увеличилось в 2-2,5 раза по сравнению с показателями 2006 г.;
^ содержание ООУ во всех точках водоема примерно одинаково, т. е. поступление в водоем техногенных органических примесей не наблюдалось;
^ увеличение содержания ООУ не всегда приводит к увеличению окисляемости.
Таким образом, показатель окисляемость, традиционно применяемый для оценки органической загрязненности вод, нельзя применять для количественного определения содержания органических примесей.
На рис. 2 ив таблице приведены показатели качества воды до и после биомодуля в летний период времени 2009 г. Результаты мониторинга сгруппированы по срокам отбора проб.
© Проблемы энергетики, 2011, № 9-10
156
Рис. 2 Содержание общего органического углерода (ООУ) и окисляемость в поверхностном
водоисточнике ТЭС летом 2009 года
Таблица
Физико-химические показатели в различных точках поверхностного водоисточника ТЭС
Точки отбора Температура, 0С Содержание кислорода, мг/дм3 рН ООУ, мг/дм3 Окисляе-мость, мгО/дм3 Ккоп Биомасса фитопланк тона, мг/дм3
1 2 3 4 5 6 7 8
I отбор (22.06.09)
1.Водозабор ТЭС 21,6 8,4 7,54 20,0 15,5 0,5 7,0
2.Начало сбросного канала 28,6 7,1 7,62 20,7 15,4 7,0 11,6
3.До биомодуля 28,2 7,1 7,53 20,1 14,9 4,2 4,1
4.После биомодуля 28,7 7,1 7,33 20,6 15,4 1,0 3,4
II отбор (28.07.09)
1.Водозабор ТЭС 21,0 7,7 7,63 14,0 13,8 7,8 3,0
2.Начало сбросного канала 30,0 6,4 7,49 15,3 13,5 6,5 4,6
3.До биомодуля 29,7 4,5 7,72 22,7 14,5 5,7 5,7
4.После биомодуля 29,7 5,5 7,57 27,2 12,9 0 4,3
© Проблемы энергетики, 2011, № 9-10
157
1 2 3 4 5 6 7 8
III отбор (26.08.09)
1. Водозабор ТЭС 18,0 7,7 8,00 17,3 15,7 4,5 6,7
2.Начало сбросного канала 28,0 8,7 7,81 17,2 15,2 1,8 4,5
3.До биомодуля 29,0 9,9 7,67 20,7 15,4 5,0 3,1
4. После биомодуля 29,0 9,6 7,60 22,3 15,4 0 2,5
IV отбор (20.09.09)
1. Водозабор ТЭС 14,0 9,0 6,28 33,8 17,5 0 4,7
2.Начало сбросного канала 22,0 10,0 6,26 30,6 15,1 0 3,3
3.До биомодуля 22,0 8,4 6,49 35,3 14,8 10,0 4,4
4. После биомодуля 21,0 12,5 6,70 35,3 17,2 0,8 4,3
I отбор (22.06.2009). После конденсатора температура воды повысилась на 70С, соответственно уменьшилось содержание кислорода, увеличилось значение рН и биомасса фитопланктона (на 66%). Содержание ООУ и окисляемость воды не изменились. После биомодуля биомасса фитопланктона уменьшилась на 17%, незначительно увеличились показатели ООУ и окисляемость воды, значение рН не изменилось.
II отбор (28.07.2009). После конденсатора температура воды повысилась на 90С, содержание кислорода снизилось, уменьшилось значение рН, увеличились содержание ООУ и биомасса фитопланктона (на 53%). После биомодуля биомасса фитопланктона уменьшилась на 25%, содержание ООУ существенно увеличилось, тогда как окисляемость уменьшилась, снизилось значение рН.
III отбор (26.08.2009). После конденсатора температура воды повысилась на 100С, несмотря на это увеличилось содержание кислорода, снизились значение рН и биомасса фитопланктона (на 33%); содержание ООУ и окисляемость воды не изменились. После биомодуля биомасса фитопланктона уменьшилась на 20%; содержание ООУ увеличилось, но окисляемость не изменилась; содержание кислорода незначительно снизилось.
IV отбор (20.09.2009). После конденсатора температура воды повысилась на 80С, содержание кислорода вновь увеличилось, значение рН незначительно снизилось, уменьшилась биомасса фитопланктона (на 30%). После биомодуля биомасса фитопланктона практически не изменилась, не изменилось и содержание ООУ, хотя окисляемость существенно возросла, содержание кислорода повысилось.
Обобщая полученные данные, можно заключить, что в период бурного развития фитопланктона (июнь-июль), которому соответствует значительное увеличение биомассы в начале сбросного канала, осаждение органических
© Проблемы энергетики, 2011, № 9-10
158
примесей на внутренней поверхности трубок конденсаторов не происходило. Снижение кислорода в воде после конденсатора объясняется закономерным понижением растворимости газов при нагревании воды. В августе-сентябре фитопланктон частично осаждался на внутренней поверхности трубок конденсаторов. Это подтверждается резким снижением биомассы фитопланктона после конденсатора, а также увеличением содержания кислорода - продукта жизнедеятельности фитопланктона, закрепившегося на внутренней поверхности трубок конденсатора. В сентябре значительно возрасло содержание ООУ во всех точках водоисточника. По-видимому, разложение фитопланктона по окончании летнего сезона сопровождается образованием водорастворимых соединений. Из полученных данных следует, что промывку конденсаторов надо начинать не ранее августа.
Развитие и жизнедеятельность фитопланктона существенно влияет на состав и свойства органических примесей, присутствующих в охлаждающей воде. Идентификация состава ОП без нарушения нативной структуры практически невозможна [7]. Ранее для обобщенной оценки свойств ОП был предложен коэффициент комплексообразования [5]. С повышением Ккоп увеличивается способность ОП к образованию комлексных соединений с ионами железа (II, III), а также и коррозионная активность воды по отношению к железосодержащим сплавам, в частности, углеродистым сталям. Наибольшими значениями коэффициента характеризуется вода после конденсатора в период активного развития фитопланктона (июнь-июль). Биомодуль снижает коррозионную активность воды, значение Ккоп после биомодуля уменьшается, что связано с изменением состава и свойств растворенных ОП. Выявление взаимосвязи биомассы фитопланктона с содержанием и свойствами растворенных ОП требует дополнительных исследований в процессе последующего экологического мониторинга.
Выводы
В мониторинге поверхностных водных объектов необходимо, наряду с определением окисляемости воды, количественно оценивать органическую загрязненность воды по содержанию общего органического углерода. Для обеспечения единства измерений и обобщения результатов мониторинга различных водных объектов определение содержания ООУ следует проводить в соответствии с утвержденным Национальным стандартом - ГОСТ Р 52991-2008.
Целесообразно в процессе мониторинга воды до и после конденсаторов определять следующие показатели: массу фитопланктона, содержание кислорода, рН, содержание ООУ и значение коэффициента Ккоп , который характеризует свойства органических примесей в промышленных водоисточниках, в частности их способность к образованию растворимых комплексных соединений. Это позволит разработать профилактические меры защиты водоема, а также выбрать и обосновать профилактические меры в технологическом процессе, которые позволят повысить эффективность работы оборудования ТЭС.
Summary
© Проблемы энергетики, 2011, № 9-10
159
Monitoring is difficult to organize the objects it is appropriate to use generalized gross indicators. When the control of organic pollution of water such indicator is the content of total organic carbon. In addition, it is necessary to assess the ability of organic impurities in the formation of complex compounds. This will develop preventive measures to protect the reservoir, choose and justify the quality of water used in the production process in TPS.
Keywords: thermal power plants, surface water, environmental monitoring, phytoplankton, the properties of organic impurities.
Литература
1. Фомин Г.С. Вода. Контроль химической, бактериальной и радиационной безопасности по международным стандартам: энциклопедический справочник. М.: Издательство «Протектор», 1995. 694 с.
2. Варшал Г.М. Моделирование равновесий в растворах фульвокислот природных вод // Химия и технология воды. 1990. №12. С. 979-986.
3. Данченко Н.Н. Функциональный состав гумусовых кислот: определение и взаимосвязь с реакционной способностью. Дис. канд. хим. наук. М., 1997. 174 с.
4. Белоконова Н.А. Улучшение качества воды водохранилищ-охладителей биологическим способом / Н.А. Белоконова, Э.Л. Зубарева // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2007. №1-2. С. 65-69.
5. Пат. 2289120 РФ. Способ определения общей органической загрязненности воды/ Белоконова Н.А., Корюкова Л.В. Заявлено 08.12.2003. Опубликовано 10.12.2006. Бюл. № 34.
6. Зубарева Э.Л. Качество поверхностных вод: проблемы и решения / Э.Л. Зубарева, Н.А. Белоконова // Экология и промышленность России. 2007. №5. С. 28-29.
7. Маляренко В.В. Природа функциональных групп и сорбционное взаимодействие гуминовых веществ в водной среде // Химия и технология воды. 1994. Т. 16, № 6. С. 595-606.
Поступила в редакцию 11 ноября 2010 г.
Белоконова Надежда Анатольевна - д-р техн. наук, доцент кафедры ТЭС Уральского федерального университета им. первого Президента России Б.Н. Ельцина, г. Екатеринбург. E-mail: masianie@mail.ru.
Зубарева Эмма Деонидовна - канд. биол. наук, старший научный сотрудник ООО фирмы «Гидробиология».
Антропова Ольга Алексеевна - канд. хим. наук, доцент кафедры общей химии и природопользования Уральского федерального университета им. первого Президента России Б.Н. Ельцина, г. Екатеринбург. E-mail: antropota@yandex.ru.
© Проблемы энергетики, 2011, № 9-10
160
