31 августа 2009

Электронная дезинфекция питьевых и сточных вод

Одним из перспективных методов дезинфекции или очистки вод является радиационная обработка. Она сочетает высокую эффективность с экологической безопасностью, поскольку предполагает полный отказ от использования реагентов.

Плюсы радиационной дезинфекции

Применяемые в настоящее время методы дезинфекции вод – хлорирование, озонирование и ультрафиолетовая обработка – обладают рядом недостатков.

При взаимодействии хлора с органическими веществами образуются токсичные хлорорганические соединения – диоксины, воздействие которых на организм может спровоцировать онкологические заболевания. Хлорирование приводит к засаливанию водоемов. Крупные хранилища сжиженного хлора представляют потенциальную угрозу, как населению, так и природе. Хлорирование малоэффективно в воде с высоким содержанием аммония и некоторых других веществ, кроме того, хлор не уничтожает гельминты, споры и вирусы.

Озонирование вод требует значительного, не менее чем 1,5-2 кВт-ч/м3, расхода энергии, которая, помимо синтеза озона, расходуется также на процесс насыщения им воды и подготовку воздуха (очистку, охлаждение, осушку). В камерах озонирования вод утилизируется 95-98% этого высокотоксичного газа, остальной озон попадает в атмосферу.

При ультрафиолетовой обработке предъявляются высокие требования к прозрачности вод. Лампы требуют частой замены и безопасной утилизации, поскольку в них содержатся пары ртути.

В отличие от этих способов радиационная технология, технологическая схема которой представлена на рис.1, позволяет разрушать токсичные соединения, поверхностно-активные вещества, дезинфицировать и стерилизовать промышленные стоки без внесения химических реагентов. Поражение патогенных микроорганизмов и разрушение органических соединений происходит как за счет прямого действия излучения, так и благодаря влиянию продуктов радиолиза воды. При насыщении вод газом-окислителем (кислородом, озоном) возрастает выход окислительных частиц, что существенно повышает эффективность радиационной дезинфекции и предочистки. В результате подавляется жизнедеятельность микроорганизмов, а органические вещества либо разлагаются до безвредных, либо переходят в форму,позволяющую дезинфицировать воду на обычных биохимических очистных сооружениях. При этом воды очищаются и обеззараживаются, а их физико-химические и органолептические свойства улучшаются.

Радиационная обработка имеет и другие преимущества. Ее применение обеспечивает комплексное воздействие на воды, высокую скорость процесса обработки, низкий уровень энергозатрат. Дает возможность полностью автоматизировать процесс обработки и сократить производственные площади. Кроме того, установки радиационной обработки легко встраиваются в технологическую цепочку сооружений водоподготовки или очистки воды.

Проект установки очистки воды

Во ВНИИТФА разработан типовой проект установки для дезинфекции бытовых сточных вод производительностью до 20х103 м3/сутки. Он предполагает применение ускорителей электронов с начальной энергией 0,7-3,0 МэВ и мощностью электронного пучка 30-150 кВт, в зависимости от вида и концентрации загрязнений, а также от требуемой производительности.
Учитывая производительность станций водоподготовки и очистных сооружений (сотни тысяч кубометров в сутки), наиболее перспективными источниками ионизирующего излучения для установок радиационной обработки воды являются мощные промышленные ускорители электронов (УЭ) прямого действия типа ЭЛВ, разработанные ИЯФ СО РАН. При прохождении ускоренных электронов через воздушный зазор образуется озон, концентрация которого достигает 200 мг/м3. При насыщении вод озоно-воздушной смесью существенно снижается доза, необходимая для дезинфекции или предочистки воды.

Степень насыщения воды газами-окислителями в значительной степени зависит от конструкций соответствующих устройств. Наибольшую надежность показали генераторы акустических колебаний (ГАК), разработанные акустической лабораторией МИСиС. Они не требуют выхода в открытый объем и просты в изготовлении, с небольшими габаритами и малым гидравлическим сопротивлением. Ультразвуковые колебания, возникающие при их работе, уменьшают радиорезистентность микроорганизмов, что существенно снижает энергетические затраты (дозу облучения) при дезинфекции воды. По результатам предварительных экспериментов, при электронной дезинфекции вод с начальным Коли-индексом 107 и снижением его до 101 вклад ГАК составляет не менее 102-103.

Для эффективной работы ГАК требуется входное давление не ниже 3 кПа. Отношение объема засасываемой озоно-воздушной смеси к объему прокачиваемой через ГАК жидкости равняется 1,5-2. Растворенные газы удерживаются в воде от 6 до 7 ч.

Для проверки описанной технологии очистки воды создана лабораторная установка (рис.2), которая позволила изучить воздействие на микроорганизмы акустических колебаний, озона и электронно-лучевой обработки, как по отдельности, так и совместно.

Исследования проводились по трем направлениям: 130 л воды с искусственно выведенным посевным материалом (суспензией кишечной палочки) подвергались воздействию ультразвука и озоно-воздушной смеси, либо это дополнялось минимальной электронно-лучевая обработкой, либо работала только электронно-лучевая трубка (в максимальном режиме).


Определение общего количества микроорганизмов и кишечной палочки в пробах воды (в 1 мл)

Как показал анализ, в пробе №3, на которую в течение 10 мин. воздействовали акустический излучатель и озоно-воздушная смесь, количество кишечной палочки уменьшилось на два порядка – в контрольной пробе (№ К2) было 6,2×105, стало - 8,3×103 (см. таблицу), а общее микробное число снизилось на порядок (было 7,5×105, стало 8,4×104).

В процессе исследований во втором направлении пробы отбирали через каждые 3 мин. Анализ проб №4, №5, №6 показывает плавное уменьшение общего количества микроорганизмов и кишечной палочки, в итоге их число снизилось на три порядка.

При изучении воздействия только работы электронно-лучевой трубки в максимальном режиме пробы (№8 и №9) также отбирались через каждые 3 мин. Контрольные числа для этой серии экспериментов составляли 7×105 по кишечной палочке и 8×105 по общему микробному числу.

Результаты проведенных экспериментов, позволяет сделать вывод о целесообразности промышленного внедрения предлагаемого способа дезинфекции вод. На данный метод получен патент РФ на изобретение № 2290370 «Способ обеззараживания воды» (зарегистрирован 27 декабря 2006 года).