Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,570

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЛОКАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ СТОЧНЫХ ВОД ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ ВОЗДЕЙСТВИЯ

Ахмедова О.О. 1
1 Камышинский технологический институт (филиала) ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет»
В статье рассмотрен комплексный подход к проблеме очистки сточных вод от биологически стойких органических загрязнений и тяжелых металлов. Перед вторичным использованием регенерированной воды необходимо обеспечить определённый уровень качества, особенно в отношении санитарно-гигиенических требований. Традиционные методы обработки воды, направляемой на сброс, для обеспечения такого качества недостаточны. Необходимы новые альтернативные технологий очистки и дезинфекции, при помощи которых удаётся снизить уровень содержания в воде микробов, питательных веществ, токсических веществ и выйти на требуемый уровень качества воды при относительно невысокой стоимости. Наиболее перспективными методами обеззараживания воды является: ультрафиолетовое облучение, озонирование, ультразвуковая и сверхвысокочастотная обработка. Однако использование в одной установке сразу четырех электрофизических методов воздействия связанно с применением дорогостоящего оборудования, и высокими эксплуатационными затратами.
вторичное использование стоков
ультрафиолетовое
ультразвуковое
сверхвысокочастотное воздействие
озонирование
1. Алексеев С.Е. Применение озонирования для интенсификации процессов очистки природных и сточных вод// Водоочистка. – 2007. – № 2. – с. 23–27.
2. Ахмедова О.О., Сошинов А.Г., Степанов С.Ф. Разработка схемы локальной установки очистки сточных вод с определением оптимальной последовательности воздействия электрофизических методов// Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 2; URL: http://www.science-education.ru/102-5601.
3. Костюченко С.В., Васильев С.А, Волков С.В, Якименко А.В. Требования к современному оборудованию для обеззараживания питьевой воды ультрафиолетовым излучением // Водоснабжение и санитарная техника. – 1998. – № 11. – С. 11–13.
4. Костюченко С.В., Волков, С.Г Зайцева Применение УФ-обеззараживания на объектах ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» // ВСТ. – 2005. – № 12, ч. 1. – С. 23–27.
5. Пономорёв А.Н., Новикова Г.Н. Обоснование оптимальных режимов обработки молока в электромагнитном поле. Материалы Всероссийской научно-практической конференции молодых учёных, аспирантов и соискателей «Наука нового века – знания молодых», посвященное 80-летию Вятской ГСХФ / Пономорёв А.Н., Новикова Г.Н. – Киров: ФГОУ ВПО «Вятская ГСХА, 2010. – С. 24–25.

Перед вторичным использованием регенерированной воды необходимо обеспечить определённый уровень качества, особенно в отношении санитарно-гигиенических требований. Традиционные методы обработки воды, направляемой на сброс, для обеспечения такого качества недостаточны. Необходимы новые альтернативные технологий очистки и дезинфекции, при помощи которых удаётся снизить уровень содержания в воде микробов, питательных веществ, токсических веществ и выйти на требуемый уровень качества воды при относительно невысокой стоимости. Наиболее перспективными методами обеззараживания воды является: ультрафиолетовое (УФ) облучение, озонирование, ультразвуковая и сверхвысокочастотная (СВЧ) обработка. Однако использование в одной установке сразу четырех электрофизических методов воздействия связанно с применением дорогостоящего оборудования, и высокими эксплуатационными затратами. Поэтому наиболее эффективное использование возможно в случае «направленного» применения для деструкции загрязнений. Успешное решение этой задачи возможно при комплексном подходе, основанном на разработке эффективных технологических схемах и оборудования для применения комплексной очистки сточных вод от биологически стойких органических загрязнений и тяжелых металлов.

Определение параметров воздействия выбранных электрофизических методов на обеззараживаемую среду

Полихроматические лампы, используемые в ультрафиолетовых дезинфицирующих реакторах, излучают свет в широком диапазоне длин волн, уничтожающих бактерии. Оценка эффективности дезинфекции осложнена тем, что поглощение света водой и реакция микроорганизмов на излучение зависят от длины волны этого излучения. Таким образом, при заданных рабочих условиях ультрафиолетовый реактор может обеспечивать разные уровни дезинфекции в зависимости от вида микробов и от поглощающей способности воды для волн различного спектрального диапазона.

Под воздействием ультрафиолетового облучения не наблюдалось формирование новых продуктов или увеличение имеющихся в результате хлорирования. Напротив, отмечалось некоторое снижение концентрации (в среднем около 20 %) всех обнаруживаемых хлороорганических соединений рис. 1.

Результаты исследования показали, что УФ-обеззараживание не оказывает влияние на токсичность воды. Иммобилизованные дафнии не обнаруживались ни в одной пробе в течение первых 24 ч., а спустя 72 ч. их процент не достигал нижней границы определения токсичности (30 %) [1].

Изучено влияние предварительного озонирования сточных вод, содержащих биологически стойкие органические загрязнения, на последующую биологическую очистку. По полученным результатам можно отметить, что скорость снижения показателя ХПК (химическое потребление кислорода) в обработанной озоном воде может увеличиваться в 2 раза по сравнению с необработанной. Это свидетельствует о том, что процесс биологичесной очистки, предварительно обработанной озонированием воды, протекает значительно интенсивнее и с более глубоким окислением органических загрязнений.

На рис. 2 приведены зависимости биоразлагаемости от периода обработки воды: озоном, УФ-облучением и озон + УФ-облучение. Можно отметить, что наибольший эффект достигается при совместном воздействии озонирования и ультрафиолетового воздействия (биоразлагаемость увеличивается в 3 раза).

При воздействии ультразвука на жидкость возникают специфические физические, химические и биологические эффекты – кавитация, капиллярный эффект, диспергирование, эмульгирование, дегазация, обеззараживание, локальный нагрев и др. Для обеззараживания воды необходима его высокая интенсивность при частоте 20–50 кгц. Исследования обеззараживания воды ультразвуком показали, что для уменьшения общего микробного числа на три порядка необходима обработка воды ультразвуком в течение 60 с при плотности ультразвуковой мощности 400 Вт/л. [2]. При малом времени воздействия или при низких интенсивностях ультразвука количество микроорганизмов может увеличиться.

СВЧ-излучение сантиметрового диапазона длин волн слабо взаимодействует с диэлектрическими материалами, например керамика, стекло, но в тоже время очень сильно поглощается водой, которая является основным компонентом любого микроорганизма, в том числе спор бактерий и вирусов. Многие микроорганизмы имеют до 5 защитных оболочек, в связи с этим применения СВЧ-излучения, позволяющее производить «точечный» нагрев, не снаружи, а изнутри – за счет тепловой энергии, выделяющейся в объеме самого микроорганизма.

ahm1a.tif

Рис. 1. Концентрация хлорорганических соединений ahm1b.tif – до УФ-облучения; ahm1c.tif – после УФ-облучения

ahm2.tif

Рис. 2. Изменение биоразлагаемости в зависимости от периода обработки сточной воды УФ-облучением и озонированием

ahm3.tif

Рис. 3. Структурная схема энергетической линии реализуемая в УФ- установках: 1 – пускорегулирующее устройство; 2 – УФ – лампа; 3 – энерготехнологический процесс (ЭТП), Q1, Q2, Q3 – энергия; Р1, Р2, Р3 – электрическая мощность; ∆Q12, ∆Q23 – потери энергии; Ф0 – бактерицидный поток поступающий к обрабатываемой жидкости; ∆Ф – потери бактерицидного потока; V1 – объем жидкости поступающий на обработку УФ – потоком; V2 – объем обработанной жидкости, представляющий собой продукт ЭТП

Согласование основных параметров локальной установки очистки сточных вод

Метод УФ-обеззараживанйя жидких сред основан на осуществлении технологических процессов в бактерицидных установках, в которых излучение используется как специфический энергетический фактор и в которых применяются электрические источники излучения. Данные процессы относятся к оптическим электротехнологиям (ОЭТ), которые характеризуются большим количеством энергопреобразований по пути от сети до объекта. Так же, энергия электромагнитного излучения весьма специфична, она обеспечивает перенос энергии на расстояние без переноса вещества, отличается своими законами генерации, распространения и поглощения. Все это приводит к дополнительным существенным потерям энергии при получении электромагнитного излучения, его преобразовании, передаче к объекту, а также в самом объекте при обеспечении технологического эффекта.

ah01.wmf (1)

где Ф0 – поток излучаемый лампой в спектральном диапазона λ = 205...315нм, Вт.

Электрическая энергия в УФ-установках, перед тем как дойти до ЭТП в виде энергии электромагнитного излучения, проходит 2 элемента энергетической линии, элементы 1 и 2 на рис. 3. Каждый элемент линии обладает определенной эффективностью передачи энергии. Для элемента 1 (рис. 3) она определяется как отношение Р2 / P1, представляет собой КПД ηпра пускорегулирующего устройства и составляет порядка 0,9. Элемент 2 (рис. 3) – это источник бактерицидного излучения, который в УФ-установках может применяться двух типов: в виде ртутной лампы низкого давления (РЛДЦ), либо ртутной лампы высокого давления (РЛВД). Эффективность его работы определяется выражением (1) и составляет для РЛНД ηрлнд = 0,4 [3], для РЛВД ηрлвд = 0,1 [3].

В результате получаем, что к ЭТП приходит не более 36 % энергии от потребленной Q1, при использовании РЛНД, и не более 9 %, в случае использования ртутной лампы высокого давления (РЛВД).

Качество обеззараживания жидкости УФ-потоком зависит от того, насколько равномерно облучен им каждый элементарный объем среды до требуемого значения объемной бактерицидной дозы облучения QудV, при которой происходит гибель контрольного микроорганизма. Величина Qv определяется выражением (2).

ah02.wmf (2)

где Фбк – бактерицидный поток, Вт; t – длительность облучения, с; V – объем облучаемой среды, м3.

На равномерность облучения каждого элементарного объема жидкости до требуемого значения QудV оказывает влияние распределение пространственной плотности энергии излучения в ней.

ah03.wmf (3)

где h – толщина слоя, см; I0, Ih – интенсивности волны излучения на верхней и нижней границах слоя, кд; а – коэффициент ослабления потока в слое среды, см-1.

Для монохроматического потока она связана интенсивностью, убывает, которая при прохождении плоскопараллельного пучка в среде в соответствии с законом Бугера.

От величин I0, Ih можно перейти к величинам Ф0, Фh (где Фh – бактерицидныи поток на нижней границе слоя), учитывая то, что поток Ф0 имеет узканаправленное распространение в среде. Энергетику работы УФ-установок, а следовательно и всего ЭТП реализуемого в них, можно охарактеризовать, согласно, коэффициентом полезного использования электрической мощности КПИр:

ah04.wmf. (4)

Данное выражение показывает, что эффективность использования электроэнергии в облучательных установках, к которым относятся УФ-установки для обеззараживания жидких сред, зависит не только от уровня ее совершенства преобразования в поток Ф0, но и от распределения его в пространстве в соответствии с особенностями объекта и технологическими требованиями.

Известно, что отдельное использование УФ излучение не обеспечивает требуемую степень обеззараживания сточных вод, так как воздействует только на поверхность, а бактерии и споры, покрытые тонким внешним слоем, непрозрачным для УФ излучения, остаются жизнеспособными, следовательно необходимо произвести согласование данных методов воздействия и произвести расчет основных параметров СВЧ, таких как напряженность электрического поля и потребляемая мощность, при которой происходит полная инактивация микроорганизмов.

Рабочая камера, в которой происходит СВЧ-излучение, является электродинамической системой, в которой должны обеспечиваться:

1. Необходимая мощность и структура электромагнитного поля;

2. Реализация требуемых температурных режимов;

3. Выполнение требований в процессу обеззараживания сточных вод.

При расчёте рабочей камеры, основной задача – это согласование рабочей полосы частот резонатора и генератора, так как рабочая камера резонаторная, конструкция которой должна обеспечивать равномерный нагрев в любой части внутреннего объёма. При заполнении резонаторной камеры сточными водами полностью резко падает её нагрузочная добротность, так как сточные воды обладают высоким значением диэлектрической проницаемости и большими потерями, следовательно, согласовать ввод энергии, обеспечивающий полную передачу СВЧ-излучения от генератора в объём сточных вод проще. В качестве объёмного резонатора используются замкнутые замкнутые с обоих концов стенками отрезки волновода круглого или прямоугольного поперечных сечений, длиной равному целому числу полуволн в волноводе.

В объёмных резонаторах отсутствуют потери в диэлектрике и на излучение, так же они обладают малой величиной потерь в металлических стенках, что приводит к высокой собственной добротности Q0. Собственную добротность резонатора в СВЧ диапазоне можно рассчитать:

ah05.wmf (5)

где V – объём резонатора, S – площадь внутренней поверхности стенок резонатора, м2, ∆ – толщина поверхностного слоя, мкм.

Возбуждающее устройство (открытый конец волновода) располагаем на стенке рабочей камеры, так как необходимо передавать в непрерывном режиме в рабочую СВЧ камеру мощность высокого уровня.

Произведем расчет напряженности электрического поля СВЧ излучения, необходимой для уничтожения микроорганизмов путем непосредственного эндогенного нагрева содержащейся в них воды, по методике Корчагина Ю.В.

ahm4.wmf

Рис. 4. Изменения объёмной плотности мощности потерь СВЧ энергии в зависимости от напряженности электрического поля

ahm5.wmf

Рис. 5. Зависимость мощности потерь СВЧ-энергии от напряжённости электрического поля

Оценим поглощающую способность сточных вод:

ah06.wmf (6)

где Руд – объёмная плотность мощности потерь энергии СВЧ поля, Вт/см3, Е – напряженность электрического поля СВЧ излучения, В/см, ε – относительная диэлектрическая проницаемость сточных вод (ε = 78,8), tgδ – тангенс угла диэлектрических потерь (tgδ = 0,1), ε0 – абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума (ε0 = 8,85∙10-12 Ф/м), ω – угловая частота СВЧ излучения (ω/2π = 2,45∙109 Гц).

График изменения объёмной плотности мощности потерь СВЧ энергии в зависимости от напряженности электрического поля представлен на рис. 4.

Рассчитаем критическую напряженность электрического поля, при которой обеспечивается достаточный нагрев микроорганизмов для их инактивации.

ah07a.wmf

ah07b.wmf

ah07c.wmf (7)

где λ – коэффициент теплопроводности воздуха, S – площадь поверхности образца, ∆Т – перепад температуры между образцом и окружающим воздухом, f – частота электромагнитного поля.

СВЧ нагрев позволяет значительно сократить время обеззараживания сточных вод. На скорость нагрева влияет в основном пробивная напряженность воздуха, равная 30 кВ/см, значение допустимой напряженности в образце воды должно быть меньше половины пробивной напряжённости – 15 кВ/см. При повышении частоты происходит уменьшение напряженности электрического поля, при условии неизменной интенсивности нагрева, но это ведет к уменьшению объёма рабочей камеры, снижению к.п.д. генератора и к возрастанию потерь на излучение.

Такая напряжённость электрического поля позволяет добиться примерного равенства между поглощаемой и отдаваемой за счёт теплового излучения и теплопередачи энергии микроорганизмов, т.е. в таком электрическом поле становиться возможным сильный нагрев микроорганизмов, для их инактивации. Зависимость мощности потерь СВЧ-энергии от напряжённости электрического поля представлены на рис. 5.

Выводы

Для наиболее эффективного применения обеззараживания сточных вод необходимо использовать «направленное» применение для деструкции загрязнений. Успешное решение этой задачи возможно при комплексном подходе, основанном на разработке эффективных технологических схемах и оборудования для применения комплексной очистки сточных вод от биологически стойких органических загрязнений и тяжелых металлов.


Библиографическая ссылка

Ахмедова О.О. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЛОКАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ СТОЧНЫХ ВОД ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ ВОЗДЕЙСТВИЯ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2015. – № 9-2. – С. 215-220;
URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=7294 (дата обращения: 13.12.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074