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 | УДК: 54.064
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 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
