ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

В настоящее время проблема загрязнения водных объектов является наиболее актуальной из глобальных проблем человечества, т.к. всем известно – выражение «вода - это жизнь». На нашей планете сосредоточено огромное количество воды, однако 97% - это солёная вода океанов и морей, и лишь 3% - пресная. Из этих три четверти вода «законсервирована» в ледниках гор и полярных шапках – в ледниках Арктики и Антарктики.

Использованная вода возвращается в источники в загрязненном и непригодном в повторном использовании виде, и требует необходимой очистки. Для предотвращения негативного влияния на водные объекты осуществляются различные мероприятия, например изменение технологического режима производства, многократное использование воды на других операциях.

Перспективным направление водоочистки является использование ультразвуковых колебаний. Когда на жидкость воздействует ультразвуковые колебания, возникают специфические физические, химические и биологические эффекты, такие как кавитация, капиллярный эффект, диспергирование, эмульгирование, дегазация, обеззараживание, локальный нагрев и многие другие. При низких интенсивностях и малых временах воздействия ультразвук может стимулировать активность и рост микроорганизмов. Данное свойство ультразвука используют при кратковременной обработке активного ила на станциях аэрации, что позволяет ускорить биологические и химические процессы в аэротенках при первичной очистке сточной воды.

При больших интенсивностях ультразвук подавляет и разрушает микроорганизмы. Длительная обработка воды ультразвуком большой мощности приводит к обеззараживанию. При воздействии УЗ колебаниями наблюдается рост кавитационного пузырька до некоторого максимального размера. Затем пузырек захлопывается, создавая ударные волны с импульсным давлением до нескольких тысяч атмосфер и температурой до 5000 К. Если ударная волна встречает на своем пути препятствие, то она разрушает его поверхность. Для обеззараживания необходима интенсивность ультразвука более 2 Вт/см2 при частоте 20−50 кГц.

Исследования УЗ обеззараживания сточной воды показали, что для уменьшения фекальных колиформ, на три порядка необходима обработка воды ультразвуком в течение  60 мин при плотности УЗ мощности 400 Вт/л. Для сравнения эффективности, можно привести следующий пример: обеззараживание ультрафиолетовым облучением обеспечивается при энергетических затратах порядка 0,02−0,04 Вт⋅час/л.

Ресурс существующих ультразвуковых излучателей имеет срок службы, примерно соответствующий сроку службы ультразвуковых ламп, поэтому к эксплуатационным расходам на замену ламп добавятся расходы по замене ультразвуковых излучателей и генераторов. Следует отметить, что при использовании ультразвуковых необходимо применять дополнительные меры по защите персонала от воздействия ультразвуковых вибраций и высокочастотного шума.

Главные преимущества ультразвука:

1. Отсутствие зависимости от прозрачности и качественного состава воды – даже при полной нулевой прозрачности воды или жидкости, независимо от ее химического состава, ультразвук уничтожает микроорганизмы. Связано это с явлением ультразвуковой кавитации.
2. Неограниченный ресурс работы  – если производитель ультразвуковых приборов использует правильные материалы для производства излучателей, закладывает малые потребляемые мощности (до 100Вт).
3. Независимость от удаленности - Ультразвук же может уничтожить одноклеточные микроорганизмы не зависимо от расстояний. Это факт обусловлен свойствами ультразвука и его возможностями в упругих средах, к коим и относиться любой водный раствор или просто вода.

Для ультразвукового обеззараживания отсутствуют критерии и методы контроля процесса, а также нормативные документы, регламентирующие использование ультразвука для обеззараживания питьевой или сточной воды. Большие энергетические затраты, отсутствие нормативных документов, регламентирующих применение метода, делают способ ультразвкового обеззараживания неконкурентоспособным для промышленного использования.

Уничтожение микроорганизмов ультразвуком в воде довольно долго производится с использованием хлора [1]. Такой метод эффективен, не сопряжен с излишними затратами на реагенты, отличается пролонгированным действием. Только в последние годы появились доказательства опасности хлорных соединений. Их избыточная концентрация вредна для человеческого организма. Она же способна ухудшить работоспособность различных технических устройств. В частности, производители установок обратного осмоса обязательно указывают предельно допустимые концентрации данного вещества с целью предотвратить повреждение полупроницаемых мембран. Озонирование также небезопасно. Сам газ, используемый в данной технологии, токсичен. Обеззараживание воды ультразвуком использовать надо с повышенной осторожностью, что ограничивает сферу применения. Принудительная или естественная аэрация также обладают существенными недостатками. Такие технологии сложно применять в быту. Длительное кипячение воды, дистилляция – данные методики сопровождаются повышенными затратами энергии и времени.

Именно поэтому, из-за наличия существенных недостатков имеющихся технологий, появились новые исследования в данной области и как итог – альтернативные решения. Наиболее приемлемой, с учетом всех важных параметров, является ультрафиолетовое обеззараживание воды[3]. Сравним ее далее с ультразвуковым излучением.

Для создания излучения в нужном диапазоне спектра используются специальные лампы. Чтобы получить необходимый обеззараживающий эффект, десять литров жидкости необходимо облучать в течение часа. При этом затрачено было около 0,5 Вт электроэнергии. Такой же результат был получен с использованием примерно 800 Вт и ультразвукового излучателя. Чрезмерные затраты – это первый основной недостаток метода. Следует отметить, что экспериментально было подтверждено увеличение количества микроорганизмов при низких значениях времени обработки, интенсивности излучения. В таких случаях наблюдалось обратное, позитивное влияние на их жизнедеятельность.

Если произвести ультразвуковую обработку перед облучением ультрафиолетом, то можно будет разрушить крупные механические частицы. В последующем губительное воздействие облучением на микроорганизмы (размещенные перед этим внутри подобных фракций) будет сильнее. Но подобные включения гораздо проще и дешевле задержать магистральными фильтрами.

Ультрафиолетовые лампы имеют веский недостаток. Их эффективность снижается при закреплении на внешней поверхности непрозрачных загрязнений. Такие образования возникают, например, если в исходной жидкости присутствуют соединения кальция и магния, определяющие уровень жесткости воды. При нагреве они преобразуются в накипь.

Разрушение ее, а также удаление ржавчины и других слоев производится иногда с использованием ультразвукового оборудования. Методика эта не нова и она отработана довольно хорошо. Но ее применение сопряжено с трудностями, как:

1. Отсутствие точной локализации. Чтобы уничтожение вредных отложений происходило быстро, приходится увеличивать мощность излучения. Оно воздействует подобным разрушительным образом на сварные соединения, пайку, окрасочные, защитные и декоративные слои;
2. Невозможность точного контроля. Так ка большинство подобных операций производится в закрытых для визуального доступа областях, то проверять ход рабочих процессов будет невозможно.

Имеет место быть совмещение различных методов обеззараживания. Такое совмещение возможно, если один из методов не обладает необходимыми свойствами или если совместное использование обеспечивает многократное усиление эффекта и таким образом позволяет ускорить процессы обеззараживания.

Рассмотрим механизмы совмещения УФ-стерилизатора с ультразвуковыми приборами и преимущества данного совмещения в системе обеззараживания воды.

1. Данное сочетание весьма успешно используется в промышленных масштабах и в системах индивидуального обеззараживания воды, являясь самым безопасным, оптимальным альтернативным вариантом по отношению к обычно применяемым методам химической обработки, озонированию или обработки только одним ультрафиолетом.
2. Эффективность данного совмещения в обеззараживании объясняется тем, что в комплексе с УФ-облучением, воздействие ультразвука вызывает дробление бактериальных кластеров на более мелкие элементы, при этом происходит разрушение микроорганизмов и преобразование органических фаз, а непрерывное вирулицидное воздействие ультрафиолетового излучения, после воздействия ультразвука, лишает микроорганизмы способности к воспроизводству.
3. Ультразвуковое воздействие и УФ-облучение, в предлагаемом сочетании, осуществляются одновременно. Ультразвуковые колебания, воздействуя на водную среду, вызывают соответствующие колебания внутренних поверхностей УФ-стерилизатора и трубопровода, что предотвращает биообрастание и оседание солей на внутренних поверхностях трубопровода, защитных трубках ультрафиолетовых ламп и внутренней части корпуса УФ-стерилизаторов.

Использование технологии «Ультразвук + Ультрафиолет» для обеззараживания питьевой воды, технической воды, воды для полива растений, оборотной воды, сточных вод, в сравнении с традиционными технологиями, позволяет отказаться от применения или существенно уменьшить использование химических средств дезинфекции.

Сочетание «Ультразвук + Ультрафиолет» для бассейнов позволяет избежать «цветения» воды, снизить концентрацию хлора в воде, неблагоприятного для дыхательных путей и кожи человека, а в бассейнах с жесткой водой позволяет существенно снизить концентрацию активного хлора, уменьшить расход флокулянтов и коагулянтов в 2-3 раза.

Можно сделать вывод о том, что ультразвуковая обработка воды является перспективным направлением в обеззараживании воды, однако не получила еще должного распространения. Обеззараживающих эффект обеспечивается ультразвуковой кавитацией, которая возникает при распространении ультразвука в воде, вокруг объектов, находящихся в ней и имеющих другую плотность. На данный момент этот метод в промышленных масштабах не применяется, но довольно широко используется при дезинфекции хирургических инструментов в специализированных установках.

Список литературы:

1. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике / Пер. с немец. М.: Иностр. лит., 726 с.
2. Драгинский В.Л., Алексеева Л.П. Образование токсичных продуктов при использовании различных окислителей для очистки воды// Водоснабжение и санитарная техника. 2002 №2. С. 0-14.
3. Пахомов А.Н., Козлов М.Н., Данилович Д.А., Белов Н.А. Развитие систем обеззараживания сточныхвод на московских станциях // Водоснабжение и санитарная техника. 2005. №12. Ч.1. С 28-32.