CC BY
581
УДК 534-6/-8; ББК 22.365
Петрякова О.Д., Гудач М.В.
ОЦЕНКА ПРЕИМУЩЕСТВ КАВИТАЦИОННОГО ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ И РАЗРАБОТКА КАВИТАЦИОННОГО УСТРОЙСТВА НОВОГО ТИПА
Petryakova O.D., Gudach M.V.
ASSESSMENT ADVANTAGES OF THE CAVITATIONAL DECONTAMINATION AND ELABORATION OF THE NEW TYPE CAVITATIONAL DEVICE
Ключевые слова: кавитация, кавитационная обработка, кавитационная очистка сточных вод, кавитатор, генератор кавитации, обеззараживание, дезинфекция, каверны, энергоэффективность.
Keywords: cavitation, cavitational processing, cavitational waste treatment, cavitator, cavitation generator, decontamination, disinfection, caverns, energy efficiency.
Аннотация
В статье описывается применение метода кавитации при создании установки для эффективного обеззараживания, обеспечивающей высокую степень обеззараживания при низких энергозатратах. В основе работы установки лежит безреагентный метод -кавитационное обеззараживание. Выполнен сравнительный анализ кавитационного обеззараживания с наиболее распространенными реагентными и безреагентными способами обеззараживания (хлорированием, ультрафиолетовым облучением) и выявлены его преимущества. Подчеркивается патентоспособность проектируемой установки -много-функционального гененератора кавитации (МГК-5).
Abstract
The article deals with the application of the method of cavitation in creating the arrangement for the effective decontamination, ensuring a high degree of disinfection at low energy consumption. The basic of the work lies in the reagentless method - cavitational decontamination. The comparative analysis of the cavitational decontamination with the most common reagent and reagentless methods of decontamination (chlorination, ultraviolet irradiation) reveals its advantages. The authors emphasize the patentability of the planed installation of the multifunctional generator of cavitation (MGK 5).
Авторами поставлены следующие цели и задачи: выполнить анализ преимуществ кавитационного обеззараживания в сравнении с другими технологиями, на его основе разработать и изготовить многофункциональный генератор кавитации для безреагентного обеззараживания питьевой и сточной вод и довести опытный образец до стадии внедрения. На основе анализа достоинств и недостатков предыдущих моделей предлагается доработать конструкцию кавитационной установки с получением интенсивных аккустических колебаний механическим путем (тем самым исключить насос высокого давления).
Россия обладает значительными запасами пресной воды, однако их качество зачастую оставляет желать лучшего. Город Тольятти не является исключением.Особую озабоченность вызывает качество питьевой воды Автозаводского района. Недостаток качественной питьевой воды делает данную работу актуальной. Вода высокого качества требуется не только для питьевых целей, но и для технологических процессов предприятий пищевой, фармокологической промышленности, сельского хозяйства. Особая проблема, с которой сталкиваются специалисты, и потребители - это микробиологическая безопасность воды, ведь даже вода из подземных источников может
содержать единичные клетки патогенных микроорганизмов, но основную угрозу представляет вода, вторично загрязняемая микробами при нарушении герметичности водопроводной сети. Дезинфекция или обеззараживание - это обработка воды, которая должна обеспечить уничтожение в ней болезнетворных микроорганизмов.
Существуюшие способы водоподготовки питьевой воды с целью обеззараживания являются в основном реагентными и, оказывая бактерицидный эффект, ухудшают химический состав и органолептические свойства воды. Среди химических методов обеззараживания самым распространенным на данный момент времени является хлорирование, так как хлор сравнительно недорогой, не вызывает трудностей при использовании, активен и обладает широким спектром антимикробного действия, легко дозируется и контролируется. Для обеззараживания и очистки воды в основном используют сжиженный хлор, сохраняемый под давлением в специальной таре, применяют и препараты, содержащие активный хлор, такие как хлорная известь, гипохлориты кальция и натрия, хлорамины, диоксид хлора и др., а также активный хлор, получаемый методом электролиза на месте потребления. Из патогенных микроорганизмов, встречаемых в воде, наиболее чувствительны к действию хлора холерный вибрион, возбудители брюшного тифа и дизентерии. Возбудители паратифа и микрококки более устойчивы, а по отношению к споровым формам, хлор мало эффективен. Относительно устойчивы к хлору микобактерии, энтеровирусы, цисты простейших, синегнойная палочка. Наименее эффективно хлорирование в отношении вирусов. Проведенные в последнее время исследования [2] показали, что традиционные схемы водоподготовки во многих случаях не являются барьером на пути проникновения вирусов, цист простейших и лямблий в питьевую воду.
Многочисленные данные убедительно свидетельствуют о том, что хлорирование питьевой воды вызывает высокие уровни мутагенной активности и токсичности, выявленные с помощью различных биологических тестов. При обработке воды хлорактивными соединениями, обнаружены и выделены побочные продукты, обладающие высокой генотоксичностью: тригалогенметаны, хлорфенолы, п-нитрохлорбензол,
бромоформ и др. У хлороформа и четыреххлористого углерода, относящихся к 24 галогенорганическим соединениям с отдаленными биологическими эффектами, выявлены канцерогенные свойства и, поэтому они рассматриваются как соединения, опасные для человека. Недавно выделен и идентифицирован новый продукт, обладающий сильным мутагенным действием 3-хлор-4(дихлорметил)-5-гидрокси-2(5Н)-фуранон и его геометрический изомер. Концентрация его в питьевой воде в некоторых случаях может
составлять 30-60 нг/см3. Еще одна причина, из-за которой хлорирование нельзя считать универсальным методом обеззараживания - существование хлоррезистентной микрофлоры: хлорустойчивых форм E.coli, Pseudomonodaceae, Klebsiellae, Proteae, Legionella, относящихся к условнопатогенным и патогенным микроорганизмам и являющихся стабильными контаминантами городских систем водоснабжения.
Даже небольшое количество остаточного хлора токсично для фауны водоемов. Кроме того, образующиеся хлорорганические соединения загрязняют также питьевую воду, так как, обладая высокой стойкостью, вызывают загрязнение рек на значительных расстояниях вниз по течению, практически не извлекаясь в процессе водоподготовки. Хлор может замещать бром и йод. Питьевая вода, прошедшая хлорирование, обуславливает значительную потерю необходимого организму йода. Не случайно в Автозаводском районе города Тольятти, потребляющим хлорированную воду от поверхностного водозабора, повышен уровень заболеваемости щитовидной железы, по отношению к другим районам, с водоснабжением от подземных источников, где хлорирование не осуществляется. В настоящее время во многих странах ведутся интенсивные поиски альтернативных методов обеззараживания сточных вод.
Из физических методов обеззараживания наибольшее применение нашел ультрафиолетовый метод обработки, как безреагентный и экологически чистый. Создание
мощных источников излучения, новые конструктивные решения УФ-установок, снабженных чувствительными датчиками, позволяющими измерять и контролировать интенсивность излучения в обрабатываемой воде и обеспечивать автоматическое регулирование интенсивности в зависимости от качества обрабатываемой воды, сделали этот метод конкурентоспособным и сравнимым по стоимости с хлорированием. Начиная с 80-х годов на Западе эта технология интенсивно развивается для водоочистки и водоподготовки промышленных и сточных вод. Обеззараживающий эффект бактерицидных ультрафиолетовых лучей в основном обусловлен фотохимическими реакциями, в результате которых происходят необратимые повреждения ДНК. Помимо ДНК, УФ-лучи действуют и на другие структуры клетки, в частности на РНК и клеточные мембраны. Наибольшим воздействием на бактерии обладает ультрафиолет при длине волны 200-280 нм. Максимум бактерицидного действия наблюдается при длине волны 250-260 нм. В качестве источников УФ-излучения используют ртутные лампы низкого и высокого давления. Однако, безреагентный способ ультрафиолетового обеззараживания так же имеет ряд недостатков, например требуется высокая степень прозрачности исходной воды, отсутствие взвесей, способ малоэффективен при уничтожении спорообразующих бактерий, вирусов, грибков, водорослей и плесени. Максимальные дозы облучения воды УФ-источниками при приемлемых производительностях УФ-установок существенно ниже уровней, необходимых для полного обеззараживания споровых форм. Эти дозы облучения для ряда спор и грибков составляют 100-300 мДж/см2, в то время как УФ-облучатели могут обеспечить 16 мДж/см2. Кроме того, существенное ограничение в применении этого типа обеззараживания воды вносит постоянная соляризация и биообрастание защитных кварцевых оболочек УФ-ламп. Механическая очистка, сопряжённая с разборкой ультрафиолетового модуля, увеличивает общие трудозатраты, химическая очистка требует дополнительной квалификации персонала и необходимых реактивов. К тому же выяснилось, что ультрафиолет не способен обеспечить полного обеззараживания - ведь не случайно имеет место биообрастание.
Предлагаемая установка (МГК-5 - многофункциональный генератор кавитации, пятая модель) и кавитационная технология обеззараживания лишены этих недостатков. Она менее энергозатратна по сравнению с УФО, озонированием, а так же по сравнению с существующими моделями кавитаторов: гидродинамическими, ультразвуковыми,
вихревыми, роторными; более экологична и экономична по сравнению с хлорированием. При сравнении экономических затрат на различные методы, кавитационное обеззараживание условной единицы объема питьевой воды оказывается самым дешевым способом. По данным [2] затраты на гидродинамическое кавитационное обеззараживание равны - 162, УФ - обработку - 261, хлорирование - 482, озонирование - 1600 условных единиц. Затраты на обеззараживание с помощью МГК-5 в 2-5 раз ниже (прежде всего за счет снижения энергозатрат), чем на гидродинамическое кавитационное обеззараживание.
При кавитационной обработке в воде возникают короткоживущие парогазовые "каверны". Скорость их "схлопывания" очень высока, в микроокресности этих точек возникают экстремальные параметры - огромные температура и давление. Вода, обработанная вышеупомянутым способом, обладает рядом положительных свойств, относящихся к разделу медицины и физиологии. Под влиянием происходящих в установке процессов структурная сетка водородных связей разрыхляется, молекулы воды обретают дополнительные степени свободы, что облегчает усвоение такой воды клетками живых организмов и ускоряет удаление биологических шлаков.
Аналогом процесса структурной модификации воды в установке являются фазовые переходы при таянии льда (талая вода), структурное превращение воды в электрических разрядах грозовых ливней, или физико-химические воздействия, которым подвергается вода на большой глубине в горных породах при высокой температуре в начальной стадии формирования целебных минеральных источников. Однако обработка воды в
кавитационной установке отличается намного большей глубиной преобразования её структуры. Вода, очищенная в данной установке, изменяет своё энергетическое состояние, улучшает усвоение клетками организма и оказывает благотворное воздействие на процессы обмена веществ: ускоряет выведение шлаков и способствует наиболее полному усвоению питательных веществ. Структурированная вода - это мощный биостимулятор, ускоряющий выработку эндогенных гормонов, стимулирующий секреторную функцию кишечника, нормализующий обменные процессы, окислительно-восстановительный потенциал клеток. Кроме того, активированная вода, содержащая активные ионы, возбуждает нейрорецепторы желез внутренней секреции, является регулятором секреции инсулина, усиливает гипоглемический эффект инсулина, снижает уровень сахара в крови, противодействует жировой дегенерации печени, снижает уровень жиров в организме, обеспечивает физиологическую регуляцию углеводного обмена.
При кавитационной обработке воды в ней протекают сложные физико-химические процессы. Жесткость уменьшается, т.е. происходит смягчение воды. Электропроводность снижается. Цветность уменьшается более чем в 2 раза, вследствие распада молекул гуминовых кислот на радикалы, которые выпадают в осадок. В результате интенсивной кавитации практически полностью обезвреживаются в воде микробиологические примеси: бактерии, споры, вирусы. Безреагентный способ кавитационной водоочистки позволяет осуществить глубокую очистку воды при сохранении в ней биологически важных для организма микроэлементов (кальция, магния, калия, фтора и т.д.). Суть любого способа водоочистки заключается в том, чтобы растворенные в воде вещества перевести в нерастворимые или газообразные, а затем удалить их. Процесс кавитационной обработки сточных и природных вод совмещается с процессом аэрации и дегазации. Аэрация - это процесс обогащения кислородом, а дегазация - удаление растворенных газов.
Эффективность бактерицидного действия кавитации зависит от ее интенсивности и времени воздействия. На эффективность кавитации не влияет ни мутность, ни солевой состав воды, ни цветность исходной жидкости. При кавитационном воздействии разрушаются коллоиды и частицы, внутри которых могут содержаться бактерии. Тем самым болезнетворные организмы лишаются защиты перед другими факторами кавитационного воздействия: химическими, физическим, электрическими. Кавитационное обеззараживание уничтожает даже такие сильные споры плесени, как Asergoluss niger, этот вид спор плесени вообще не уничтожается ни ультрафиолетом, ни озоном [2].
Авторами предлагается разработка нового типа кавитатора, в котором генерация акустических волн значительно менее затратна по сравнению с ультразвуковыми кавитаторами. Кавитационная установка обеспечивает интенсивную кавитацию в большом объеме жидкости. Жидкость трижды проходит через интенсивные зоны кавитации, время нахождения в кавитационной установке можно регулировать. Основным достоинством проектируемой установки является именно низкое энергопотребление при высоком качестве обеззараживания.
Приоритетное направление применения установки МГК-5 - использование для водоподготовки питьевой воды в местах водопотребления:
- школах, детских садах, детских лагерях отдыха;
- санаториях, профилакториях, базах отдыха;
- многоквартирных домах;
-бассейнах и банях;
- на промышленных объектах, требующих повышенного качества воды (в винодельной, пивовареной промышленности и т.д.) ;
- для обеззараживания стоков на очистных сооружениях канализации (ОСК).
Результатом работы станет изготовление многофункционального кавитационного
устройства, позволяющего улучшать потребительское качество воды. Оценка параметров качества будет производиться по результатам химических и бактериологических анализов согласно [1].
В перспективе возможен серийный выпуск различных модификаций разработанной модели кавитационного устойства, отличающихся производительностью. Установка также может быть использована:
- в нефтеперерабатывающей промышленности - с целью повышения выхода светлых нефтепродуктов;
- в химической промышленности - для ускорения химических реакций без применения катализаторов;
- в пищевой промышленности - для холодной пастеризации молока, соков и т.д.;
- в фармакологической - в приготовлениях различных эмульсий;
- как дешевый и пожаробезопасный способ нагрева воды и прочих жидкостей;
- в сельском хозяйстве - для ускорения роста сельхозкультур и увеличения привеса животных и птиц, и в других отраслях промышлености.
Основные технические параметры МГК-5:
О
- производительность - 6 - 9 м3/ч;
- потребляемая мощность - 3 Квт/ч;
- энергозатраты - 0,3- 0,5 Квт/ м3;
- масса - 100-120кг;
- габариты, мм:
высота- 1500, основание - 300 х 400;
- техническое обслуживание - 1 раз в год;
- срок эксплуатации - не менее 10 лет;
- температурный диапазон использования - (- 30 +80)0С;
В настоящее время опытный образец МГК-5 находится в стадии завершения. Установка является патентноспособной, обладает существенными отличительными признаками создаваемого продукта от имеющихся, обеспечивающими ожидаемый эффект, таким образом требуется патентная защита. Проектируемая кавитатационная установка позволит значительно улучшить параметры питьевой воды по бактериологическим, химическим показателям, получать кластерную (структурированную) воду.
Для подтверждения эффективности работы установки будут проводиться испытания с отбором проб на химический и бактериологический анализ. Предполагается подача заявок на получения патента на изобретение и полезную модель, а так же получение гигиенического сертификата и сертификата безопасности.
Новая модель основана на совершенствовании ранее разработанных авторами конструкций и отличается более высокой интенсивностью кавитации и низкими энергозатратами за счет существенных конструктивных изменений. Таким образом, можно ожидать высокий эколого-экономический эффект.
Библиографический список
1. СанПиН 2.1.4.1074-01. «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества.»
2. Дубровская О. Г. Технология гидротермодинамической обработки природных и сточных вод с использованием эффектов кавитации : дис. ... канд. техн. наук : 01.04.14, 05.23.04. - Красноярск, 2007 - 134 с.
