Математическое моделирование работы системы обезвреживания антропогенных загрязнений в плавательном бассейне КубГУ
Автор: Мысак А.П., Корж К.О., Ишмухаметова Р.И.
Журнал: Форум молодых ученых @forum-nauka
Статья в выпуске: 8 (36), 2019 года.
Бесплатный доступ
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.
Мониторинг, экологический контроль, хлорирование
Короткий адрес: https://sciup.org/140286995
IDR: 140286995
Текст научной статьи Математическое моделирование работы системы обезвреживания антропогенных загрязнений в плавательном бассейне КубГУ
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.
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
dC
^ бассейн " ^ (С купальщик " ^ купальщик + С исх.вода " ^ исх.вода + С очищенная
• С цирк. + С С1 " Q cl ) (С бассейн " 9 цирк. + ^ летуч. ) ^ реагир.
где, ^ бассейн _ объем бассейна, м 3
de — изменение концентрации заданного вещества по
времени, мг/(л • час)]
—
C купальщик концентрация веществ, внесенных пловцами , мг/(чел." час)
Q купальщик поток Людей , чел./час
С водопровод . — концентрация исходной воды , мг/м 3
С водопровод. — потока исходной воды , м 3 /час
Сочищ. — концентрация заданного вещества в очищенной воде, мг/м3
С цирк . — объем потока циркулируемой воды , м 3 /час
Ccl — концентрация добавленного хлора, мг/м 3
Q cl — объем хлора, м 3 /час
С б ассейн — концентрация заданного вещества в чаше бассейна, мг/м 3
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:
NH3 + H20 # NH4+ + ОН- (5)
Равновесие для хлорноватистой кислоты и гипохлорита:
0С1 - + Н 2 0 # Н0С1 + ОН- (6)
В зависимости от pH хлор и аммиак могут преимущественно присутствовать воде в одной из своих форм (рисунок 3).
Рисунок 2 – Распределение аммиака и аммония в зависимости от pH
вместе с распределением гипохлорита и хлорноватистой кислоты.
Из этих равновесий следуют 4 возможных реакции хлора с аммиаком в зависимости от pH:
NH 3 + 0С1 - ^ NH2a + ОН- (7)
Список литературы Математическое моделирование работы системы обезвреживания антропогенных загрязнений в плавательном бассейне КубГУ
- 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.
- 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.
- 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.
- Villanueva C. M. Bladder cancer and exposure to water disinfection by-products 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.
- Chiswell B. The causes of eye irritation in swimming pools / B. Chiswell, C. F. Wildsoet // Water Sci. Technol. 1989.
- 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.
- 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.
- Glauner, T. Schwimmbadwasser - wie gut muss es sein und was kann man technisch tun Frimmel/ F. H.
- 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.
- Schmalz C. Trichloramine in swimming pools / Fritz H., Frimmel A., Zwiener. N. // Formation and mass transfer, Water Research, 2011.
- Kristensen G. H. Vandpartnerskabet Rekreativt Vand - Afprøvning af Wallenius / Klausen M. M., Albrechtsen H. J., Hansen B. M.// AOT, 2008.
- Qiang Z. Determination af monochloramine formation rate constant with stopped-flow spectrophotometry / Qiang Z., Craig D.// Environmental Science and Technology, 2004.
- Li J., Volatile disinfection byproduct formation resulting from chlorination og organic-nitrogen percursors in swimming pools/ Ernest R., Blatchley K.// Environmental Science
- Kristensen G. H., Alternativer til klor som desinfektionsmiddel i offentlige svømmebade / Klausen M. M., Albrechtsen H. J., Hansen B. M.// Miljøstyrelsen, 2007.
- 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
- Filimonov D. A. Probabilistic approach in activity prediction / D. A. Filimonov, V. V. Poroikov // Chemoinformatics approaches to virtual screening, Cambridge (UK): RSC Publishing. 2008.
- Walse S. S. Nitrosamine carcinogens also swim in chlorinated pools / S. S. Walse, W. A. Mitch // Environ. Sci. Technol. 2008.
- 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.
- 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
