Технология обеззараживания жидкостей на основе ЭГЭ

• Аннотация на русском
• Annotation

Введение

В соответствии с данными Федеральной целевой программы «Вода России» ежегодно на обеспечение нужд хозяйственного комплекса страны из природных источников изымается около 80 куб. км воды. Причем основными ее потребителями являются энергетика (37 процентов), сельское хозяйство (24 процента), жилищно-коммунальный комплекс (18 процентов), добывающая и обрабатывающая промышленность (12 процентов), то есть ключевые области хозяйственной деятельности общества [3]. В этой связи снижение потребления водных ресурсов в стране и в мире в обозримом будущем представляется маловероятным. Поэтому решение проблемы рационального использования водных ресурсов уже сегодня должно обеспечиваться не только повсеместным применением водосберегающих технологий, но и за счет расширения оборотного водоиспользования. А это предполагает активную деятельность в сфере очистки и обеззараживания сточных вод.

По данным [3] в водоемы России ежегодно сбрасывается до 52 куб. км сточных вод, из которых около 37 процентов подлежат очистке. Существующая сегодня в стране инфраструктура очистки сточных вод обеспечивает очистку до нормативно установленного уровня не более 2 куб. км в год, т. е. около 11 процентов от потребности. Остальной объем водных сбросов поступает в водоемы недостаточно очищенным (72 процента) или вообще без очистки (около 17 процентов). В результате в водные объекты России вместе со сточными водами ежегодно поступает примерно 11 млн. тонн загрязняющих веществ [3], в составе которых содержаться как механические примеси и химические загрязнения, так и микробная, в первую очередь бактериальная, флора. Для придания мировым водным сбросам с подобным уровнем загрязнения естественных свойств за счет очищения в биосфере необходимо их 50…100-кратные разбавление, что уже сегодня находится на грани возможности мирового водного стока. Такая ситуация грозит превращением воды в невозобновляемый природный ресурс.

Сегодня разработаны достаточно многообразные методы очистки и обеззараживания сточных вод: механические, химические, физико-химические, бактериологические, комбинированные [1,2,4,9,10-12,14-19]. Выбор из них наиболее предпочтительного — достаточно сложная задача, что обусловлено большим разнообразием типов примесей в воде и жесткими требованиями к качеству ее очистки [5-8].

Известно, что качество очистки и обеззараживания воды указанными методами может быть улучшено путем воздействия на нее электрическими импульсами [12]. При этом в зоне электрических разрядов происходят малоизученные процессы на молекулярном и ионном уровне [16,17,19], что в определенной мере тормозит широкое применение электрогидравлических методов. Таким образом, исследование процессов электроимпульсного воздействия на воду в целях ее очистки и обеззараживания представляется актуальным.

Обоснование объекта, предмета, задач и методов исследования

Объектом исследования являлась водная среда, подлежащая очистке и обеззараживанию, предметом исследования — метод обеззараживания воды, основанный на ее электроимпульсной обработке. Задача исследования — оценка эффективности обеззараживания воды в результате действия электрогидравлического эффекта. Метод исследования — экспериментальное обоснование параметров рабочего процесса обеззараживания воды путем воздействия высоковольтного электрического разряда.

Объект, предмет и задачи исследования обоснованы высокой актуальностью обеззараживания воды и водной среды в интересах вторичного потребления.

Обеззараживание жидкости методом электрогидравлического удара

Известно, что в жидкости, подвергающейся воздействию электрогидравлического удара, вызываемого электроимпульсами малой длительности (несколько мкс), но при высокой мгновенной мощности импульса (от 50 до 1000 МВт), происходят структурные изменения. В частности, в воде это приводит к появлению активных свободных радикалов, атомарных кислорода и водорода, соединений азота и простейших аминокислот. Осуществлению этих процессов способствует воздух и другие газы, растворенные в воде. Микробная флора воды, в первую очередь бактериальная, при этом активно гибнет, что связывают с ультразвуковым, ультрафиолетовым и рентгеновским излучением плазмы канала разряда и с мощным окисляющим действием атомарного кислорода. Обработанная таким образом жидкость приобретает бактерицидность, не снижающуюся с течением времени. Проводимое таким путем обеззараживание жидкостей происходит весьма интенсивно, а скорость процесса пропорциональна количеству и энергии импульсов, вызывающих электрогидравлические удары [13]. Также установлено, что в малых дозах и при мягких режимах воздействия электрогидравлический эффект может быть не фактором уничтожения, а фактором угнетения микроорганизмов, обеспечивающим их селекционный отбор, например, в интересах получения вакцин, бациллярных и клеточных медицинских препаратов с измененной патогенностью микробов [1].

Конструктивная схема электрогидравлического устройства для обеззараживания воды

Любые конструктивные варианты электрогидравлических установок для обеззараживания воды должны иметь емкость для жидкости со встроенными электродами. Положительные электроды изолируются, а отрицательные могут быть частью самой емкости, выполненной в виде металлической трубы. Питание каждой пары электродов производится от самостоятельного разрядного контура. Питание всей группы контуров обеспечивается от общего для них источника питания. Главной проблемой создания подобных устройств до последнего времени было труднодоступность высоковольтного источника питания постоянного тока для импульсного применения и сложность автоматизации управления импульсами. В настоящее время с развитием мехатронного подхода к созданию различного оборудования и накопленного опыта имеется реальная возможность создавать промышленные электрогидравлические установки для целей очистки и обеззараживания сточных вод.

Принципиальная схема установки для обеззараживания жидкостей, как варианта — пульпы, высоковольтным электрическим разрядом, представлена на рис.1. Установка включает генератор высоковольтных импульсов, состоящий из высоковольтного источника тока (ИТ), импульсного конденсатора (ИК), в котором накапливается энергия разряда и коммутирующего устройства (КУ). Разряды происходят в рабочей емкости (РЕ) между торцом центрального электрода и внешним металлическим корпусом в рабочем зазоре (РЗ).

Установка работает следующим образом.

Рабочая емкость заполняется водой или пульпой из органических отходов. После включения установки в конденсаторе начинает накапливаться электрический заряд. По достижении заданного напряжения в импульсном конденсаторе в схеме формирования разряда с крутым фронтом срабатывает коммутирующее устройство, и импульсный конденсатор разряжается на рабочий зазор в рабочей емкости.

В конструкцию установки может быть включен контур для перекачки жидкости на основе струйного насоса (СН), который позволяет ее интенсивно перемешивать. После окончания обработки содержимое рабочей емкости перекачивается тем же насосом в емкость для хранения обработанной жидкости.

Процесс можно сделать и непрерывным. В этом случае рабочая емкость представляет собой трубу с несколькими установленными последовательно по длине трубы разрядниками. Жидкость непрерывно поступает в эту трубу, последовательно обрабатывается разрядниками и на выходе из трубы также непрерывно получаем готовый продукт.

Рис.1. Схема экспериментальной установки для обработки жидких продуктов высоковольтным электрическим разрядом

Качество обработки и ее интенсивность зависят от количества разрядников и мощности ИК. Конструктивная простота устройства позволяет создавать на основе модульного принципа установки любой производительности, которые могут использоваться как автономно, так и в качестве систем дополнительной очистки в составе установок, работающих на иных физических и химических принципах.

Методы и материалы

В соответствии с целью эксперимента авторами были проведены опыты по обоснованию рациональных режимов электрогидравлического обеззараживания жидкостей. Для этого использовалась созданная авторами экспериментальная электрогидравлическая установка с генератором импульсов тока и рабочей емкостью с разрядником. Генератор импульсов состоит из высоковольтного источника питания с возможностью подачи напряжения U от 20 до 80 кВ, батареи накопительных конденсаторов с электрической емкостью С от 0.5 до 6 мкФ и коммутирующих элементов. Он должен был обеспечить три основных режима работы электрогидравлической установки: мягкий (U = 25 кВ, С = 6,0 мкФ), средний (U =50 кВ; С=1,5 мкФ) и жесткий (U = 80 кВ; С = 0,6 мкФ).

В качестве жидкой бактериальной среды использовался водный дрожжевой раствор, разведенный в обеззараженной емкости в пропорции 1 грамм сушеных дрожжей на 1 литр теплой воды и заправленный в обеззараженную рабочую емкость установки. Заправленная в рабочую емкость в объеме 12 литров дрожжевая смесь подвергалась обработке высоковольтными импульсами на каждом из 3-х режимов, причем количество импульсов на каждом режиме принималось 100, 200 и 300 разрядов. Расчетное значение энергии , вкладываемой в обработку жидкости на различных режимах, определялось по известной зависимости

где — емкость конденсатора, мкФ, U – напряжение разряда, кВ, — количество разрядов

Получаемые значения  приведены в табл. 1.

 

Таблица 1. Значение энергии, вкладываемой в обработку жидкости на разных режимах

Режим работы	Мягкий режим	Средний режим	Жесткий режим
Энергия одного разряда, кДж	1,875	1,875	1,92 0
Энергия 100 разрядов, кДж	187,5	187,5	192,0
Энергия 200 разрядов, кДж	375,0	375,0	384,0
Энергия 300 разрядов, кДж	562,5	562,5	576,0

 

Как видно из табл.1, при сочетаниях планируемых соотношений напряжения разряда и емкости накопительного конденсатора энергия, вкладываемая в обрабатываемую жидкость, практически одинакова.

При каждом режиме обработки и для каждого количества разрядов до начала обработки и после неё из рабочего резервуара проводился отбор проб в объеме 3 мл в 20-ти миллилитровый стерильный шприц. В каждую пробу для интенсификации деятельности дрожжевых бактерий вводилась глюкоза в объеме 1 мл, после чего шприц герметизировался и производилась 3-х часовая выдержка пробы с глюкозой. Замер количества газов, образовавшихся в каждом шприце через три часа выдержки, позволял судить об интенсивности деятельности микроорганизмов до и после соответствующей обработки.

Результаты исследования и обсуждение

Результаты экспериментов с разными режимами обработки жидкости представлены в табл. 2-4 и на графиках рис. 2-4.

Таблица 2. Результаты исследования мягкого режима работы электрогидравлической установки

Мягкий режим	Количество разрядов, ед
	0 (Эталон)	100	200	300
Объем газа в шприце (Vг), см3	12,00	7,83	3,50	1,50
Объем раствора в шприце (Vр), см3	4	4	4	4
Относительное значение (Vг/ Vр)	3,00	1,96	0,88	0,38

 

Так как газ является продуктом жизнедеятельности микроорганизмов в растворе, то уменьшение его объема по отношению к объему жидкости (V_г/ V_р) говорит о том, что с увеличением вложенной в раствор энергии разрядов снижается количество живых микроорганизмов, содержащихся в нем. Интенсивность этого снижения показана на графике рис.2.

 

Рис. 2. Интенсивность снижения количества живых микроорганизмов в зависимости от вложенной в раствор энергии разрядов на мягком режиме

 

Таблица 3. Результаты исследования среднего режима работы электрогидравлической установки

Средний режим	Количество разрядов, ед.
	0 (Эталон)	100	200	300
Объем газа в шприце (Vг), см3	12,00	6,67	4,67	3,00
Объем раствора в шприце (Vр), см3	4	4	4	4
Относительное значение (Vг/ Vр)	3,00	1,67	1,17	0,75

 

Рис. 3. Интенсивность снижения количества живых микроорганизмов в зависимости от вложенной в раствор энергии разрядов на среднем режиме

 

Таблица 4. Результаты исследования жесткого режима работы электрогидравлической установки

Жесткий режим	Количество разрядов, ед
	0 (Эталон)	100	200	300
Объем газа в шприце (Vг), см3	12,00	6,17	4,17	1,50
Объем раствора в шприце (Vр), см3	4	4	4	4
Относительное значение (Vг/ Vр)	3,00	1,54	1,04	0,38

 

Рис. 4. Интенсивность снижения количества живых микроорганизмов в зависимости от вложенной в раствор энергии разрядов на жестком режиме

Как следует из графиков рис.2-4 зависимость уменьшения числа живых микроорганизмов от роста вложенной энергии можно считать близкой к линейной. Линейная аппроксимация относительных значений V_г/ V_р имеет вид:

• для мягкого режима обработки V_г/ V_р =2,89583 - 0,00896N_r;
• для среднего режима обработки V_г/ V_р =2,73333-0,00725N_r;
• для жесткого режима обработки V_г/ V_р =2,745833-0,00838N_r, где N_r — количество высоковольтных разрядов.

На рис.5 представлен сравнительный график эффективности режимов работы электрогидравлической установки по обеззараживанию жидкости, полученный по результатам линейной аппроксимации опытных данных.

Рис. 5. Сравнительный график эффективности режимов работы электрогидравлической установки по обеззараживанию жидкости

 

Из графика рис.5 видно, что наилучшими бактерицидными свойствами обладает мягкий и жесткий режимы. Однако при исследованиях аппаратные возможности не позволили установить напряжение разряда на жестком режиме 80 кВ и испытания производились на напряжении 60 кВ. Поэтому на жестком режиме вложения энергии были в 1.7 раза меньше планируемых. Следовательно, логично предположить, что наиболее эффективным режимом обеззараживания является жесткий режим.

Заключение

В результате экспериментальных исследований подтверждено, что электрогидравлический эффект обладает ярко выраженными бактерицидным воздействием на жидкость. Установлено, что зависимость степени обеззараживания от энергии, вложенной в жидкость, близка к линейной. При этом наибольший бактерицидный эффект обеспечивает жесткий режим работы электрогидравлической установки, которому соответствуют высокое напряжение разряда и относительно малая емкость импульсного конденсатора. Дальнейшие исследования бактерицидных свойств электрогидравлического эффекта целесообразно проводить в направлении оптимизации параметров его воздействия на жидкость именно при жестком режиме работы установки.

Список литературы

1. Жмур, Н.С. (2003), Технологические и биохимические процессы очистки сточных вод на сооружениях с аэротенками, М.: АКВАРОС, 512 с.
2. Отдел научно-технической информации АКХ (1989). Правила приема производственных сточных вод в системы канализации населенных пунктов. Издание 5-е, дополненное. М.: Ротапринт АКХ им. К.Д. Памфилова, 104 с.
3. Постановление Правительства РФ от 19.04.2012 № 350 (ред. 19.11.2014). О федеральной целевой программе «Развитие водохозяйственного комплекса Российской Федерации в 2012 – 2020 годах» (ФЦП «Вода России»).
4. Пупырев, Е.И. (2015). Как выбрать лучшую технологию для сооружений очистки воды. Сборник выступлений на конференции «Качество воды как индикатор социального благополучия государства», М.: Мосводоканал, сс. 22-23.
5. Ростехнадзор (2004). ПНД Ф 14.1.1-95 «Методика выполнения измерений массовой концентрации ионов аммония в очищенных сточных водах фотометрическим методом с реактивом Неслера».
6. Ростехнадзор (2004). ПНД Ф 14.1:2.3-95 «Методика выполнения измерений массовой концентрации нитрит-ионов в природных и сточных водах фотометрическим методом с реактивом Грисса».
7. Ростехнадзор (2004). ПНД Ф 14.1:2. 110-97 «Методика выполнения измерений содержаний взвешенных веществ и общего содержания примесей в пробах природных и очищенных сточных вод гравиметрическим методом».
8. Ростехнадзор (2004). ПНД Ф 14.1;4.248-07 «Количественный химический анализ вод. Методика выполнения измерений массовых концентраций ортофосфатов, полифосфатов и фосфора».
9. Тятте, А. (2015) Круговорот воды в городе. Экология и право, № 3(59), сс. 42–46.
10. Хенце, М. (2004) Очистка сточных вод. М.: Мир, 480 с.
11. Электронный фонд правовой и нормативной технической документации.  Очистка сточных вод с использованием централизованных систем водоотведения поселений городских округов: ИТС 10-2015[online] Доступно по ссылке: http://docs.cntd.ru/document/1200128670 [Дата обращения 05.04.2019].
12. Эпов А.Н., Канунникова М.А. (2015). Очистка сточных вод предприятий агропромышленного комплекса. Наилучшие доступные технологии водоснабжения и водоотведения, №1, сс. 53–60.
13. Юткин Л.А. (1986) Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности. Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 263 с.
14. Cardinal L. J., Stenstrom M.K., Love N.G., Lu Y.-T. (1992): Discussion of: Enhanced Biodegradation of Polyaromatic Hydrocarbons in the Activated Sludge Process. Water Environment Research, Vol. 64, No. 7, pp. 922-924.
15. Figdore B., Bowden G., Bodniewicz B., Bailey W., Derminassian R., Kharkhar S., Murthy S. (2010). Impact of Thermal Hydrolysis Solids Pretreatment on Sidestream Treatment Process Selection at the DC Water Blue Plains AWTP. In: Proceedings of the Water Environment Federation 83RD, Annual Technical Exhibition & Conference, New Orleans, LA, USA, October 2–6, pp. 5927-5949
16. Mendoza-Espinosa L., Stephenson T. (2009). A Review of Biological Aerated Filters (BAFs) for Wastewater Treatment. Environmental Engineering Science, Vol. 16, No. 3, pp. 201-216.
17. Parker D., Wanner J. (2007). Review of Methods For Improving Nitrification Through Bioaugmentation. Proceedings of the Water Environment Federation, In: WEFTEC 2007: Session 61 through Session 70, pp. 5304-5326.
18. Standard ATV-DVWK-A 131E. (2000). Dimension of Single-Stage Activated Sludge Plants. 57 p.
19. Stephen T.-L.T., Ivanov V., Wang X.-H., Tay J.-H. (2006). Bioaugmentation and enhanced formation of microbial granules used in aerobic wastewater treatment. Applied Microbiology and Biotechnology, Volume 70, Issue 3, pp 374-381.