CC BY
25
УДК 546.95
Курбатов А.Ю., Ветрова М.А., Ситников И.А., Ситников А.В. КАВИТАЦИОННОЕ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЕ ВОДЫ
Курбатов Андрей Юрьевич- кандидат технических наук, доцент кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии; kurbatov@muctr.ru
Ветрова Маргарита Александровна - аспирант 1-го года обучения кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии;
Ситников Илья Алексеевич -ассистент кафедры процессов и аппаратов химической технологии; ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
Ситников Алексей Викторович - старший преподаватель кафедры ФН7 (электротехника и промышленная электроника)
ФГБОУ ВО «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана» Россия, Москва, 105005, 2-ая Бауманская ул., д.5, стр.1
В рамках работы была предложена и апробирована безреагентная технология обеззараживания воды, основанная на применении гидродинамической кавитационной обработки. Проведена экспериментальная оценка обеззараживающего эффекта кавитационной обработки модельных растворов, полученная путем внесения в природную воду модельной смеси микроорганизмов. Определены минимальные гидродинамические характеристики процесса кавитациооной обработки.Подтверждена высокая обеззараживающая эффективность применения кавитационной обработки для обеззараживания. Ключевые слова: кавитационная обработка, очистка воды, обеззараивание
CAVITATION WATER DISINFECTION
Kurbatov A.Yu.1, Vetrova M.A1, Sitnikov I.A.1, Sitnikov A.V.2
1 D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
2 Bauman Moscow State Technical University
As part of the work, a reagent-free technology for water disinfection was proposed and tested, based on the use of hydrodynamic cavitation treatment. An experimental evaluation of the disinfecting effect of cavitation treatment of model solutions, obtained by introducing a model mixture of microorganisms into natural water, has been carried out. The minimum hydrodynamic characteristics of the cavitation treatment process have been determined. The high disinfection efficiency of the use of cavitation treatment for disinfection has been confirmed. Key words: cavitation treatment, water purification, disinfection
Введение
В настоящее время процессы обеззараживания природных вод имеют не только высокую актуальность, но и стратегическое значение. Основными методами обеззараживания природных вод являются реагентные методы. В последнее время замечен рост интереса к наиболее перспективным безреагентным методам обеззараживания природных вод. Безреагентные методы очистки воды не изменяют химического состава обрабатываемой воды и при этом не оказывают вредного или раздражающего воздействия на организм человека[1].
Одним из распространенных методов безреагентного обеззараживания природных вод является применение ультрафиолета с двумя бактерицидными длинами волн — 254 и 185 нм. Ультрафиолетовое излучение длиной 254 нм проникает в ДНК клетки микроорганизма, находящегося в воде, тем самым прекращая процесс его воспроизводства (дезактивация).
Ультрафиолетовое излучение длиной 185 нм способно разлагать молекулы органических веществ, содержащихся в обрабатываемой воде.
Применение ультрафиолетового облучения для обеззараживания природных вод не оказывает влияние на органолептические свойства воды. Помимо
положительных эффектов применения
ультрафиолетового излучения существуют и отрицательные стороны процесса, приводящие к снижению эффективности обеззараживания, а именно:
- необходимость периодической чистки поверхности защитных трубок от слоя экранирующего световой поток.
- традиционные ультрафиолетовые лампы низкого давления малоэффективны при уничтожении спорообразующих бактерий, вирусов, грибков, водорослей и плесени.
Все указанные недостатки существенно замедляют процесс внедрения подобных технологий, что в свою очередь диктует необходимость поиска новых высокоэффективных методов обеззараживания. В качестве альтернативы ультрафиолетовому обеззараживанию можно отметить кавитационную обработку воды [2, 4, 5].
Впервые, о влиянии интенсивного воздействия ударных волн на бактерии типа Сальмонеллы или Е-соЬс целью уменьшения их численности было отмечено на первой Пан-Американской конференции по акустике, проходившей в мексиканском городе Канкун. Ученый-физик Ахим Лоске из Национального независимого университета Мексики сообщил, что его исследования были одними из первых, которые на
практике показали губительное действие ударных волн на микробов. Лоске считал, что одновременное воздействие высоковольтного разряда и мельчайших кумулятивных струй жидкости при схлопывания кавитационных микропузырьков, возникших как результат высоковольтного разряда между двумя электродами в воде, как раз и вызывает гибель бактерий[3].
В Советское время ещё в работах Борткевича С.В., Кострова С.А. и других сотрудников Научного центра нелинейной волновой механики и технологии РАН (например, в статье "Применение волновой технологии для улучшения СОЖ", опубликованной в "Вестнике машиностроения", N 6, 1988 г., стр. 56-58) отмечалось положительное влияние процесса гидродинамической обработки на устойчивость к биодеградации смазочно-охлаждающих жидкостей. Деструктивное воздействие ульразвуковых волн на микроорганизмы в дальнейшем привело к идее изучения воздействия ударных волн на бактерии. Экспериментальная часть
Несомненным преимуществом
гидродинамической кавитации является более целесообразным для обработки большего объема воды, не говоря уже об организации процесса проточной обработки воды. Создание кавитационных явлений с разрывом сплошности потока гидродинамическим способом в обрабатываемой воде возможно 2-мя способами:
1. резкое изменение давления потока жидкости за счет сужения-расширения элементов трубопровода
2. обтекание потоком воды твердых поверхностей с большой скоростью
В обоих перечисленных случаях скорость потока обрабатываемой воды должна быть не ниже 23-27 м/с. При этом, на эффективность кавитационной обработки не влияет ни мутность, ни солевой состав воды, ни цветность (содержание органических соединений).
Явление кавитации в потоке обрабатываемой воды приводит к расщеплению молекул воды в локальных точках схлопывания кавитационных пузырьков, что способствует изменению ее физико-химических свойств (увеличение рН, электропроводности, числа свободных ионов и активных радикалов, структуризации и активации молекул).
В процессе кавитационной обработки разрушаются коллоиды и частицы, внутри которых могут содержаться бактерии. В следствии такого воздействия болезнетворные микроорганизмы лишаются защиты перед другими химическими и физическими воздействиями. Бактерицидное действие явления кавитации прямо пропорционально ее интенсивности, скорости потока и числу ступеней возбудителей кавитации.
Основным элементом создания явления кавитации в обрабатываемой воде является гидродинамический генератор кавитации (ГДГК), схематично представленный на рисунке 1.
Рис. 1. Схема гидродинамического генератора кавитации с основными геометрическими
параметрами
й - диаметр каналов рабочей камер; Я - радиус рабочей камеры; Ь - длина рабочей камеры.
Проходящая через ГДГК обрабатываемая вода закручивается благодаря тангенциальным каналам и при достаточной скорости потока по оси его закручивания возникает «разрыв сплошности», приводящий к возникновению кавитационных явлений в обрабатываемой воде.
Схематично, проточный процесс
кавитационной обработки природных вод можно представить следующим образом (рис. 2).
Е1
Н1
¡11
ГДГК
Рис. 2 - Гидравлическая «проточная» схема кавитационной обработки природных вод Е1 и Е2 - емкости с обрабатываемой водой, Н1 -насос повышения давления, М1 - манометр, ГДГК -гидродинамический генератор кавитации
В настоящей статье исследовалось бактерицидное воздействие ударных акустических волн, генерируемых в обрабатываемом потоке жидкости за счет создания явления кавитации, на бактерий Е-соН, Листерии моноцитогенной и Сальмонеллы, содержащиеся в обрабатываемой воде.
Методика эксперимента: приготовленный модельный раствор, содержащий указанные виды микроорганизмов, подавался насосом на вход в тангенциальные каналы гидродинамического
кавитатора. Скорость жидкости при этом составляла 27-29 м/с.
В результате было замечено, что наличие кавитационных пузырьков, появившихся в воде при прохождении через ГДГК, существенно влияет на жизнестойкость микроорганизмов, значительно ее снижая. Данные по анализу начального модельного раствора и прошедшего кавитационную обработку представлены в таблице 1.
Таблица 1. Результаты эксперимента
№ п/п Измеряемый параметр Ед. измерения Метод проведения анализа Значение ДО обработки Значение ПОСЛЕ обработки Норматив по СанПиН 2.1.5.980-00
1 Общие колиморфные бактерии (ОКБ) КОЕ/100мл метод мембранной фильтрации 7,5*104 2,1*103 <500
2 Термотолер антны еколимор фные бактерии (ТКБ) КОЕ/100мл метод мембранной фильтрации 4,7*104 1,25*103 <100
3 Колифаги (бактериальные вирусы) БОЕ/100мл титрационный метод 54 н/о <100
Из данных таблицы 1 видно, что уже после одного цикла обработки модельного раствора воды с помощью ГДГК количественное содержание микроорганизмов уменьшается как минимум на порядок. Бактерицидное действие ударных волн зависит от многих факторов, в том числе и от типа микроорганизмов.
Интенсивное воздействие ударных волн на бактерии типа Сальмонеллы или Е-соН могут уменьшить их численность в тысячи раз. Воздействие кумулятивных струй жидкости при схлопывании кавитационных микропузырьков также вызывает гибель бактерий. На основании полученных данных был сделан вывод, что метод кавитацонного обеззараживания жидкостей можно эффективно применять при очистке природных и сточных вод или санации воды бассейнов.
Помимо процессов обеззараживания кавитационные явления можно использовать для разрушения органических загрязнений,
препятствующих световому воздействию внутри модуля очистки. Наиболее эффективным методом уничтожения патогенной микрофлоры может выступать сочетание различных способов физического воздействия на обрабатываемую жидкость, Совместное применение кавитации, ультрафиолетового облучения, насыщение жидкости озоном или кислородом может дать синергетический эффект и многократно увеличивает эффективность деструкции органических веществ и обеззараживания воды.
При сравнении экономических затрат отдельных методов на очистку условной единицы объема питьевой воды квитационные явления оказывается самым дешевым способом. Затраты на
кавитационную обработку составляют 162, УФ-обработку - 261, хлорирование - 482, озонирование -1600 условных единиц.
Работа выполнена в рамках программы поддержки молодых ученых-преподавателей РХТУ им.
Д.И. Менделеева (Заявка К-2020-015)
Список литературы
1. Gimranov F.M., Belyaev A.N., Flegentov I.V., and Suslov A.S. "Hydrodynamic cavitation as an ozonation process intensification method in food technologies". Bulletin of Kazan Technological University, vol. 15, No. 8, 2012, p. 292-294
2.. Sun M, X., Liu, J., Ji, L., Wang, G., Zhao, S., Yoon, J. Y., & Chen, S. (2020). A review on hydrodynamic cavitation disinfection: The current state of knowledge. Science of The Total Environment, 139606. doi:10.1016/j.scitotenv.2020.139606.
3. Якушин Р.В., Колесников В.А., Бабусенко Е.С., Бродский В.А., Соловьева И.Н., Перфильева А.В., Головина В.А. Перспективы обеззараживания воды воздействием искрового и барьерного разрядов Химическая и биологическая безопасность, том 1, № 1, с. 92-100.
4. Аверина Ю.М., Курбатов А.Ю., Джессу Л.И.С., Ветрова М.А. Гидродинамическая обработка природной воды//Успехи в химии и химической технологии. 2018. Т. 32. № 1 (197). С. 43-45.
5. Аверина Ю.М., Курбатов А.Ю., Ветрова М.А., Калякина Г.Е. Безопасный и эффективный метод обработки природной воды// Успехи в химии и химической технологии. 2018. Т. 32. № 1 (197). С. 5456.
