CC BY
30
УДК 628.166:658.562.3
В. в. томилов
О. С. ТОМИЛОВА П. Б. СЕРГЕЕВ
Омский государственный университет путей сообщения, г. Омск
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ КОНТРОЛЯ ДОЗЫ
УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ОБЛУЧЕНИЯ ВОДЫ_
Развитие и сохранение централизованных систем водоснабжения обеспечивается качеством поставляемой воды потребителю. Транспортировка воды н а дальние расстояния требует применения систем ее доочистки, например, с помощью ультрафиолетового облучения. В статье приведена оценка точности существующей методики контроля дозы ультрафиолетового облучения воды. Усовершенствованная методика, основанная на оптическом контроле подкрашенных струй, позволяет экспериментально определить время облучения воды, дать оценку существующей эффективности обеззараживания устройства в лабораторных условиях с применением специализированного стенда и на действующих установках.
Ключевые слова: ультрафиолет, стерилизатор, доза облучения, время облучения, видеоконтроль, специализированный стенд.
Согласно федеральной целевой программе «Чистая вода» на 2011—2017 годы повышение качества централизованного водоснабжения до уровня, достигнутого западноевропейскими странами, позволит населению использовать водопроводную воду и не прибегать к использованию бутилированной воды [1].
Потребитель питьевой воды из водопроводной сети платит установленный тариф, а поставщик гарантирует ее качество [2]. И если оно не соответствует нормам, по какому-либо показателю, то необходимо или снизить тариф, например, до уровня на техническую воду, и при этом использовать системы доочистки воды до уровня питьевой конечным потребителем, либо отказаться от источника, что будет противоречить требующимся нормативам суточного обеспечения водой. Можно использовать более дорогой способ обеспечения — доставка бути-лированной воды.
Развитая сеть существующих водопроводов от источника со станцией водоподготовки до потребителя в дом, предприятие и т.п. весьма эффективна, если вода не перестает отвечать нормам питьевой на всем транзите [3]. Например, Любино-Исилькуль-ский групповой водопровод и присоединенные к нему сети, общей длиной составляющей несколько сотен километров, имеют один источник — р. Иртыш. По качеству вода после очистных сооружений входит в одну из лучших по России. Тысяча литров холодной воды из водопровода, согласно установленному тарифу на 2016 г., в Омске стоит менее 15 р., пять литров бутилированной — в среднем 50 р. Экономическая эффективность использования централизованной системы водоснабжения по сравнению с применением бутилированной воды весьма существенна.
Вторичное загрязнение воды обусловлено нарушениями целостности систем водоснабжения, а так-
же правил эксплуатации наливных устройств, либо технологией водоснабжения потребителя. Например, на железнодорожных станциях используются заправочные шланги, которые расположены между путями и не защищены от воздействия окружающей среды.
Для решения проблемы вторичного загрязнения применяются устройства доочистки воды [4]. Наиболее эффективными являются проточные УФ (ультрафиолетовые) стерилизаторы [5]. Производительность таких устройств позволяет устанавливать их как на водозаборных узлах крупных станций, так и на промежуточных насосных станциях сельских поселений [6 — 8]. Применяются индивидуальные системы для домов, квартир, на железнодорожном транспорте — для пассажирских вагонов.
Для эффективного заключительного обеззараживания питьевой воды УФ-установки должны обеспечить дозу облучения не менее 16 мДж/см2 для всего объема воды, прошедшего через УФ-установку [9].
Существующая методика контроля дозы облучения [9] заключается в расчете ее величины Б как
выход
г
Е .
__- тт
УФ-датчик вход
Рис. 1. Траектории струй с различным временем облучения воды
Оценка погрешности времени облучения воды
Таблица 1
Время tq>, с tmin, с Абсолютная погрешность At, с Относительная погрешность, %
Стерилизатор 1 2 1 2 1 2 1 2
Расход Qmax 9,41 5,65 1,8 2,0 7,61 3,65 81 65
Расход Qm,n 16,61 9,97 3,8 4,2 12,81 5,77 77 58
произведения минимальной интенсивности облучения Emjn на среднее время контакта воды t с ультрафиолетом.
Многочисленные аналитические и экспериментальные исследования УФ-устройств для железнодорожного транспорта, проведенные авторами статьи, позволяют сделать вывод, что потоки воды движутся неравномерно (рис. 1), и самые быстрые, с минимальным временем облучения, не получают необходимой дозы инактивации 16 мДж/см2.
Разница среднего t и минимального t . времени
^ ^ ср min ^
облучения для максимального Qmax=6 м3/ч и минимального Qmn = 3,4 м3/ч расхода воды, установленного для железнодорожного транспорта по условию времени заправки 10 — 15 мин бака вагона 850 — 1000 л, в двух образцах стерилизаторов отличается существенно (табл. 1). Если принять минимальное время за истинное значение, определяющее гарантированную минимальную дозу, и проверить среднее время облучения, то относительная погрешность существующей методики составляет как минимум 58 %.
Необходимо отметить, что существующая методика контроля дозы облучения предусматривает лишь ее расчет. Интенсивность бактерицидного излучения измеряется при помощи специальных датчиков-приемников излучения, а среднее время облучения t определяется отношением объема камеры обеззараживания на величину расхода воды [9]. Измерить величину дозы ультрафиолетового облучения воды технически сложно. Датчик контроля интенсивности облучения измеряет лишь мощность излучения в точке непосредственного измерения, так как вода обладает свойством поглощения ультрафиолета. Время облучения, как указано выше, имеет значительный разброс.
Авторами работы предлагается методика максимально точного определения нижней и верхней границы дозы облучения воды, проходящей через проточный стерилизатор, заключающаяся в визуализации потоков воды красителем (рис. 2), для контроля времени пребывания воды в камере обеззараживания.
Методика обработки результатов экспериментов основана на оценке видеоизображения, по которому определяются следующие контрольные точки: t1 — время начала попадания красителя в камеру обеззараживания (старт самых быстрых потоков); t2 — время завершения (старт самых медленных); t3 — время конца облучения самых быстрых потоков; t4 — время конца облучения самых медленных. По этим временным точкам определяются минимальное tmn = t3 —11 и максимальное tmax= t4— t2 время облучения и при умножении на минимальную интенсивность E . —
J J min
соответствующая «гарантированная» минимальная D . =E t . и максимальная D =E .■t доза облу-
min min min max min max ^ J
чения.
Согласно методическим указаниям [9], установки УФ-обеззараживания должны обеспечивать равно-
Рис. 2. Контрольные точки измерений при прохождении красителя вдоль УФ-стерилизатора
мерное распределение дозы облучения во всем объеме обеззараживаемой воды, для чего предусматриваются специальные выравнивающие устройства. С помощью предлагаемой методики возможно оценить величину разницы максимального и минимального значений времени облучения, показывающей эффективность использования пространства камеры обеззараживания и таких выравнивающих устройств.
Для возможности анализа поведения потоков внутри камеры обеззараживания требуется заменить внешний металлический кожух стерилизатора на прозрачный либо использовать физическую модель также с оптически прозрачным корпусом [10]. В первом случае, ввиду того что спектр УФ-излуче-ния негативно влияет на сетчатку глаза, целесооб -разно проводить испытания при отключенной лампе, либо со специальными средствами защиты для глаз от УФ-света, либо с заменой лампы на ее имитатор или пустой кварцевой чехол и т.п. Контрольные измерения минимальной интенсивности излучения измеряются до введения и после полного вывода красителя из камеры обеззараживания.
Гидравлическая схема стенда для исследования гидродинамических процессов в ультрафиолетовых стерилизаторах (рис. 3) включает в себя систему регулирования (запорный и регулируемый краны), устройства подачи красителя с дозатором, систему контроля (манометры, расходомер, термометр, УФ-датчик, видеорегистратор), предохранительные устройства (фильтр и обратный клапан) [11].
При проведении экспресс-оценки минимальной и максимальной дозы облучения стерилизатора не требуется модель с оптически прозрачным корпусом. Ее можно выполнить на действующем устройстве, обеспечив доступ к входному и выходному фланцам проточного стерилизатора. Время облучения в этом случае определяется как разность между моментами
V(T)- TT QTUlTTf
Слив Видеорегистратор
Напоромер
Термометр
Сетчатый фильтр
:ЧХЫ
Клапан
Прямое управление подводом снаружи Источник красителя
Напорный источник воды
обратный под давлением
Рис. 3. Гидравлическая схема стенда для исследования гидродинамических процессов в ультрафиолетовых стерилизаторах
входа и выхода подкрашенных потоков, которые регистрируются через прозрачные патрубки. Такой способ в перспективе позволяет дать оценку эффективности ультрафиолетового стерилизатора даже на действующей станции водоподготовки. Остается решить вопрос с оперативным монтажом прозрачных патрубков и безопасной концентрацией и химическим составом окрашивающего вещества. Краситель не должен попадать далее в систему водоснабжения либо не влиять на качество питьевой воды.
Предлагаемый расчетно-экспериментальный способ определения дозы ультрафиолетового облучения воды может быть применен для всех конструкций проточных стерилизаторов. Кроме того, используемые УФ-обеззараживатели в системах водо-отведения также могут проходить оценку указанным методом.
Библиографический список
1. О федеральной целевой программе «Чистая вода» на 2011 — 2017 годы. Постановление Правительства РФ от 22.12.2010 № 1092 // Собрание законодательства Российской Федерации. М., 24 января 2011. № 4. Ст. 603. URL: http://mooml.eom/d/ normativnye-dokumenty-po-nadzoru-v-oblasti-stroitelstva/nor-mativnye-dokumenty-po-ekologieheskomu-nadzoru/32457 (дата обращения 08.11.2016).
2. ГОСТ Р 51232-98. Вода питьевая. Общие требования к организации и методам контроля качества. Введ. 1998 — 12 — 17. М.: Госстандарт России. 19 с.
3. СанПиН 2.1.4.1074-01. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. М.: Минздрав России. 21 с.
4. Томилова О. С. Расчет эффективности УФ-стерилизатора модернизированной системы водоснабжения пассажирского вагона // Известия Транссиба. 2012. № 3. С. 47—54.
5. Костюченко С. В. Современное состояние и перспективы УФ-технологии // Водоснабжение и санитарная техника. 2008. № 4. С. 2-4.
6. Волков С. В., Хан А. С., Гиллер X. [и др.]. Опыт внедрения УФ-обеззараживания воды за рубежом // Водоснабжение и санитарная техника. 2008. № 4. С. 61—64.
7. Кармазинов Ф. В., Кинебас А. К., Костюченко С. В. [и др.]. Крупнейшая в мире система УФ-обеззараживания питьевой воды в Санкт-Петербурге // Водоснабжение и санитарная техника. 2008. № 4. С. 7-12.
8. Коверга А. В., Арутюнова И. Ю., Костюченко С. В. [и др.]. Пилотные испытания ультрафиолетового обеззараживания на московских станциях водоподготовки // Водоснабжение и санитарная техника. 2008. № 4. С. 15-20.
9. Санитарный надзор за применением ультрафиолетового излучения в технологии подготовки питьевой воды: метод. указания МУ 2.1.4.719-98. М.: Федеральный центр Госсанэпиднадзора Минздрава России. 1998. С. 7.
10. Пат. 130075 РФ, МПК В 60 Ь 5/00. Устройство для исследования характера потоков жидкости в УФ стерилизатор / Матяш Ю. И., Томилова О. С., Томилов В. В. № 2012131847/ 11; заявл. 24.07.12; опубл. 27.12.12, Бюл. № 36.
11. Пат. 155339 РФ, МПК С 01 М 10/00, С 01 Р 5/00. Стенд для исследования гидродинамических процессов в ультрафиолетовых стерилизаторах / Клюка В. П., Томилова О. С., Томи-лов В. В. № 2015109346/28; заявл. 17.03.15; опубл. 10.10.15, Бюл. № 28.
ТОМИЛОВ Валерий Викторович, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Электроснабжение железнодорожного транспорта». Адрес для переписки: tomilov_omsk@mail.ru ТОМИЛОВА Ольга Сергеевна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство».
Адрес для переписки: motovilova@yandex.ru СЕРГЕЕВ Павел Борисович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство».
Адрес для переписки: sergeevpb78@mail.ru
Статья поступила в редакцию 02.12.2016 г. © В. В. Томилов, О. С. Томилова, П. Б. Сергеев
