CC BY
31
8. Топкин, Ю. В. Удаление ионов тяжелых металлов из растворов ферритным методом [Текст] / Ю. В. Топкин, И. Г. Рода, Н. В. Афиногенов, Н. Н. Прищеп // Химия и технология воды. - 1990. - № 10. - C. 895-897.
9. AlyUz, B. Kinetics and equilibrium studies for the removal of nickel and zinc from aqueous solutions by ion exchange resins [Text] / B. Alyttz, S. Veli // Journal of Hazardous Materials. - 2009. - Vol. 167, Issue 1-3. - P. 482-488. doi: 10.1016/j.jhazmat.2009.01.006
10. Doula, M. K. Simultaneous removal of Cu, Mn and Zn from drinking water with the use of clinoptilolite and its Fe-modified form [Text] / M. K. Doula // Water Research. - 2009. - Vol. 43, Issue 15. - P. 3659-3672. doi: 10.1016/j.watres.2009.05.037
11. Pan, B. Highly efficient removal of heavy metals by polymer-supported nanosized hydrated Fe(III) oxides: Behavior and XPS study [Text] / B. Pan, H. Qiu, B. Pan, G. Nie, L. Xiao, L. Lv et. al. // Water Research. - 2010. - Vol. 44, Issue 3. - P. 815-824. doi: 10.1016/j.watres.2009.10.027
12. Ghosh, S. Adsorptive removal of emerging contaminants from water using superparamagnetic Fe3O4 nanoparticles bearing aminated b-cyclodextrin [Текст] / S. Ghosh, A. Z. M. Badruddoza, K. Hidajat, M. S. Uddin // Journal of Environmental Chemical Engineering. - 2013. - Vol. 1, Issue 3. - P. 122-130. doi: 10.1016/j.jece.2013.04.004
Окиснення оргашчних сполук протягом озвучування вгдбуваеться за реакщею першого порядку. Дисперыя мiкроорганiзмiв е гетерогенною системою i окиснення вгдбуваеться за реакщею псевдо другого порядку. Шсля ультразвуковог обробки води спостеркаеться пост-ефект ди акустичног кавтацп, який полягае в змен-шенш кiлькостi мiкроорганiзмiв та хiмiчного спожи-вання кисню (ХСК). В обробленш ультразвуком водi р^т мiкроорганiзмiв починаеться через 24 години
Ключовi слова: акустична кавтащя, водоочищення, ктетика реакцгг, бiологiчне забруднення, хiмiчне спо-
живання кисню
□-□
Окисление органических соединений в течение озвучивания происходит по реакции первого порядка. Дисперсия микроорганизмов является гетерогенной системой и окисления происходит по реакции псевдо второго порядка. После ультразвуковой обработки воды наблюдается пост-эффект действия акустической кавитации, который заключается в уменьшении количества микроорганизмов и химического потребления кислорода (ХПК). В обработанной ультразвуком воде рост микроорганизмов начинается через 24 часа
Ключевые слова: акустическая кавитация, водоочистка, кинетика реакции, биологическое загрязнение, химическое потребление кислорода
УДК 66.684
|DOI: 10.15587/1729-4061.2015.46495|
ВСТАНОВЛЕННЯ ОПТИМАЛЬНИХ УМОВ ПРОВЕДЕННЯ ПРОЦЕСУ ОЧИЩЕННЯ ВОДИ ЗА ДОПОМОГОЮ УЛЬТРАЗВУКУ
Н. Л. Бернацька
Молодший науковий ствроб^ник Кафедра загальноТ xiMiT Нацюнальний уыверситет <^bBiBCb^ полЬехшка» вул. С. Бандери, 12, м. Львiв, УкраТна, 79013 E-mail: maksymiv.natali@gmail.com
1. Вступ
Стрiмке зростання юлькост населення, постшне зб^ьшення водоспоживання промисловими тдпри-емствами, скидання у природш водойми недостатньо очищених стоюв, спричиняють попршення стану вод-них ресурав, а вщтак i здоров'я людей. В Укра1ш очис-т споруди i технолопя очищення води застар^и i не оновлюються. Iснуючi в кра1ш методи очистки водо-провщно! та спчних вод не розраховаш на зв^ьнення вщ вiрусiв. Навггь багатоетапна система очищення на водопроввдних станщях, а саме: хлорування, коагуля-щя, ввдстоювання, ф^ьтрування й знову хлорування повшстю не захищають воду вщ деяких патогенних бактерш i вiрусiв. Для виршення проблеми водоочищення необхвдна розробка нових технологш, здатних покращити споживчi якостi води. Мiськi спчш води
мають високий ступiнь бюлопчного забруднення i внаслiдок мiкробiологiчних процеав, якi вщбувають-ся в них, попршуються органолептичнi показники води, а також забиваються фiльтри очисних установок та виникають iншi небажанi явища. Вважаеться, що на даний момент споаб очищення води хлоруванням вже застарiв i поступово вiдходить в минуле, проте в Украшу як i ранiше, вiн широко застосовуеться на великих станщях водотдготовки. Бшьшшть розвинених краш для очищення води широко застосовують озонування. Проте дана технолопя досить дорога та складна i також володiе певними недолжами. Електрохiмiчне очищення води досить економний споаб. Проте за кордоном подiбний метод не використовуеться для побутових вод, а застосовуеться виключно для промислового очищення води. Електрохiмiчне очищення води дозво-ляе знищити ва мiкроорганiзми, але при цьому, воно
©
може негативно вплинути на р1зн1 оргашчш речовини. У зв'язку з тим, що у вод1 можуть м1ститися абсолютно р1зш мжрооргашзми 1 речовини, а точний анал1з ст1ч-них вод, як правило, не робиться, результат дп струму на цю воду шхто передбачити не зможе. Вщповщно, через непередбачувашсть реакци речовин у вод1, в ход1 11 очищення можуть вийти не дуже безпечш сполуки.
Альтернативою шнуючим методам водоочищення може стати застосування ультразвуково1 технологи. Переважна б1льш1сть лиературних даних демонструе ефектившсть застосування ультразвуку для приско-рення окиснення оргашчних сполук або позитивний вплив на руйнування м1крооргашзм1в. Узагальнених даних по одночасному очищенш води як вщ х1м1чного, так 1 в1д бюлопчного забруднення практично немае, тому в цш статт розглянуто питання встановлен-ня оптимальних умов проведення процесу очищення води вщ р1зних титв забруднень.
2. Аналiз лiтературних даних та постановка проблеми
Явище кавггаци та х1м1чш ефекти, як1 11 супрово-джують, викликають у науковщв великий штерес, тому можна стверджувати про формування област1 ф1зично1 х1ми - звукох1ми [1]. На сьогодшшнш день енерпю кавггаци застосовують у промисловост для штенсифжаци багатьох х1м1ко-технолог1чних проце-с1в: екстракци [2], диспергування, емульгування [3], активаци гетерогенних катал1затор1в [4] та гетеро-генно-каталиичних реакцш, штенсифжаци окисню-вальних процес1в [5]. Особливий штерес викликае дослвдження впливу ультразвуку (УЗ) на бюх1м1чш процеси, особливо вплив на жив1 мжрооргашзми, що може стати основою для процеав водоочищення та водотдготовки [1, 6]. Однак лиературш даш мають розр1знений характер. Вода, яка м1стить оргашчш сполуки 1 мжрооргашзми, е складним об'ектом для досль дження впливу ультразвуку на процеси, як1 вщбува-ються в нш тд час обробки ультразвуком, а особливо тсля не1, оскшьки у вод1 ввдбуваються самочинш процеси окиснення оргашчних сполук мжрооргашзмами [7], автол1з клиин м1крооргашзм1в з вид1ленням оргашчних сполук р1зного складу [8], розвиток патогенних м1крооргашзм1в на продуктах розпаду непатогенних м1крооргашзм1в та шш1 процеси, розд1лити як1 практично неможливо [9, 10].
Узагальнюючи лиературш даш можна виокремити основну проблему для встановлення ефективност застосування ультразвуку у процесах водоочищен-ня - здатшсть ультразвуково1 кавиаци забезпечити ефективне одночасне знешкодження х1м1чних та мг кробюлопчних дом1шок води 1 забезпечити необхвдш показники якост води.
3. Мета i завдання дослщжень
Метою дано1 роботи було дослщження впливу акустично1 кавиаци та кисню на процес очищення води в1д х1м1чного 1 бюлопчного забруднення та визна-чення оптимальних умов проведення процесу.
Для досягнення поставлено'! мети були поставлен! наступш завдання:
- визначення кшетичних закономфностей очищення води вщ х1м1чного та бюлопчного забруднення;
- встановлення оптимальних умов ультразвуково'! обробки води (тривал1сть, ефектившсть застосування додаткового барботування кисню при озвучуванш);
- дослщження змши величини х1м1чного та бюлопчного забруднення води, обробленог ультразвуком.
4. Експериментальна частина проведення ультразвуковое обробки води з рiзних джерел
Були проведен дослщження впливу ультразву-ково'1 кав1таци на воду з природних водойм, взяту з р1зних джерел, при р1зних умовах (весна, л1то): Вин-ниювське озеро (м. Льв1в, Украша), р1чка Страдч, дре-нажш системи альськогосподарських шдприемств Пустомит1вського 1 Жидач1вського райошв, вода тсля очисних споруд ЗАТ «Ензим» з р1зними початковими значеннями ХСК0 та МЧ0 та р1зномаштними типами оргашчних та бюлопчних забруднень. Застосовувався ультразвуковий генератор УЗДН-2Т з робочою частотою 22 кГц та потужшстю 40 Вхв-1. ХСК та МЧ до-слщжувались для кожного зразка. ХСК дослщжували з допомогою стандартного методу. МЧ визначали до 1 тсля обробки з допомогою поверхневого вис1вання на м'ясопептонному агарг М1крофотограф1чш експери-менти зроблеш з допомогою електронного трансм1сш-ного мжроскопу ПЕМ-100. Дослщи з окиснення дом1-шок у вод1 природних водойм проводили при Т=298 К 1 р=1105 Па, тдбираючи однаков1 умови експерименту для проведення процесу як в ультразвуковому пол1, так 1 без нього.
5. Результати дослщження ефективност застосування спшьно! дп ультразвуку та кисню на забруднену воду та 1х обговорення
Як видно з рис. 1, при обробщ ультразвуком води природно'! водойми швидюсть зменшення ХСК води значно б1льша, шж 11 аеращя киснем. В той же час одно-часна обробка води ультразвуком при 11 аераци киснем зб1льшуе швидюсть процесу окиснення оргашчних сполук у водь Проведення процесу згвдно з останньою методикою дозволяе зменшити ХСК води до при-йнятих норм для води. Зменшення ХСК води, взято1 з вщкрито! водойми, добре описуеться кшетичних р1внянням другого порядку, причому в цьому випадку також спостериаеться синегр1чний ефект ди кисню та ультразвуково1 кавггаци.
Шд час озвучення в присутност кисню ввдбува-еться значне зменшення мжробного числа (рис. 2) вже на перших хвилинах обробки води ультразвуком. При довготривалш обробщ води ультразвуком з одночас-ною аеращею и киснем ступ1нь очищення води вщ б1о-лог1чного забруднення може досягати 91 % (рис. 2). Це е значно вище, шж вимагають нормативи для деяких вид1в м1крооргашзм1в.
Значне зменшення мжробного числа тдтверджу-еться результатами м1кро фотограф1чних експеримен-т1в (рис. 3, а, б). З мжрофотографш видно, що тд час обробки забруднено1 води значно зменшуеться к1ль-к1сть вис1яних колонш м1кроорган1зм1в.
Рис. 1. Залежнють ХСК вщ часу при обробц ультразвуком води з Виннимвського озера при Т = 298 К i р = 1-105 Па, ХСК0=187 мг/дм3 та рiзних умовах експерименту: 1 — О2; 2 - УЗ; 3 - УЗ+О2
Рис. 2. Змша в 4aci мкробного числа забруднено'| води при Т=298К. р=1*105 Па, [МЧ0]=27000 кл/мл при обробц1 УЗ та аераци киснем
Рис. 4. Залежнють ХСК води озера вщ тривалосп обробки ультразвуком в координатах рiвняння 2-го порядку
Дослщження окиснення забрудненоï природшл води при ультразвуковш обробцi показуе (рис. 5), що ХСК практично не змшюеться за вщсутност кисню (анаеробнi умови). Барботування повггря та кисню через воду протягом озвучування тдвищуе швид-юсть змiни ХСК у порiвняннi з швидюстю в аеробних умовах (рис. 5, ^rni 2, 3). Окиснення в анаеробних умовах не ввдбуваеться через вщсутшсть ефективних окисникiв в системi i вiдповiдно радикальних процеив окиснення. Хоча можна очiкувати, що в данш систем1 можуть ввдбуватись процеси деструкцп продуктiв роз-кладу мiкроорганiзмiв з утворенням газоподiбних ре-човин, якi дещо зменшують ХСК системи. Утворення пдрокси- та пероксирадикалiв при акустичнiй обробцi води в анаеробних умовах, очевидно, практично не впливае на змшу ХСК дисперсiй мiкроорганiзмiв.
Рис. 3. Мкрофотографп води i3 забруднено'| водойми: а — до обробки ультразвуком; б — шсля обробки ультразвуком протягом 60 хв
Як видно з рис. 4 змша ХСК води в цьому випадку описуеться рiвнянням реакцп 2-го порядку
Висока ефектившсть зменшення показника ХСК шд час озвучування в атмосферi кисню пов'язана з тим, що в умовах кавиацп утворюються перокси-радикали, пероксиди i оксорадикали, яю прийма-ють участь у радикально-ланцюговому окисненш оргашчних сполук i забезпечують високу швидюсть процесу.
Рис. 5. Змша ХСК води рiчки Страдч в час протягом ультразвуково'| обробки в анаеробних умовах (1), в присутносп пов^ря (аеробж умови) (2) i при барботуванш кисню через диспераю (3)
Порiвняння швидкостей окиснення оргашчних речовин в аеробних та анаеробних умовах дозволяе зробити висновок, що радикали НО^2 мають вищу окислювальну здатшсть.
Пiдтвердженням перебiгу ланцюгового процесу можуть бути даш табл. 1, яю показують збшьшення константи швидкостi процесу майже вдвiчi при збiль-
шенш концентрацп кисню у водi (повиря - кисень) за рахунок його барботування через забруднену воду.
Таблиця 1
Константи швидкосп змши ХСК природних водойм в час протягом ультразвуковоТ обробки в анаеробних умовах, в присутност повiтря i при барботуванш кисню через дисперсiю(аеробнi умови) т=1 год, Т=308 К
Зразок умови R2 к, л/мг с
Вода з Вин-нигавського озера анаеробш - -
Вода з Вин-нигавського озера Аеробш (барботування пов1тря) 0.981 (4.05±0,12)40-6
Вода р1чки Страдч Аеробш (барботування пов1тря) 0.994 (3.95±0,18)10-6
Вода з Вин-нигавського озера Аеробш (барботування кисню) 0.999 (8.67±0,09)40-6
Вода р1чки Страдч Аеробш (барботування кисню) 0.998 (6.76±0,14)40-6
Рис. 6. Залежнють величини ХСК вщ часу обробки ультразвуком для забрудненоТ води поблизу дренажних систем альськогосподарських пiдприeмств Жидачiвського району
Таблиця 2
Залежнють показника ХСК води рiчки Стрий вщ тривалостi обробки ультразвуком
Тривалiсть озвучування, год ХСК, мг/дм3 Е %
0 310 0
1 273 12
2,5* 224 28
3 224 -
Таблиця 3
Залежнють показника ХСК води з джерела вщ тривалост обробки ультразвуком
Тривашсть озвучування, год ХСК, мг/дм3 Е %
0 187 -
1 163 14
1,5 116 38
2,5* 116 -
При великому забрудненш води, що надходить iз дренажних систем полiв до природних водойм уже через 2 год озвучування в атмосферi кисню ефектив-шсть зменшення ХСК становить 75 % (рис. 6), а дал1 практично не змшюеться. Це, очевидно, пов'язано з тим, що оргатчт домшки, якi присутнi в природнш водi, мають рiзну реакцшну здатнiсть до радикально-пероксидного окиснення i е певний тип речовин, як в даних умовах не окислюються, що i спостерiгаеться при змж ХСК вiд часу. Це тдтверджуеться даними табл. 2-3.
Примтка: * - дт ультразвуку припинено
Осюльки в очищуванш водi велику роль ввдграе змiна концентрацii бюлопчних та органiчних забруд-нень за певний перюд часу пiсля завершення процесу окиснення нами було дослщжено змiну показникiв ХСК i бюлопчного забруднення за досить тривалий час тсля обробки води ультразвуком.
В аеробних умовах збертння дисперсiй, необро-блених ультразвуком, величина ХСК повшьно зростае, досягаючи максимуму протягом 6-10 дшв i далi за-лишаеться постiйною. Пiд час зберiгання в аеробних умовах розчишв iз надлишком органiчних речовин значення ХСК за 2 тижш зменшилось iз 7181 мг/дм3 до 6504 мг/дм3. Шд час зберiгання води, обробленоi ультразвуком, значення ХСК залишалось постiйним протягом 2 тижшв (рис. 7).
Рис. 7. Змша в часi ХСК води з рiзними концентращями бюлопчного та оргашчного забруднення, обробленоТ ультразвуком
Слвд зазначити, що процеси окиснення оргашчних домiшок у водi продовжуються ще протягом певного часу пiсля обробки води ультразвуком, про що сввд-чать даш в табл. 4.
Таблиця 4
Змша ХСК пюля озвучування забрудненоТ води поблизу дренажних систем альськогосподарських шдприемств Пустомилвського району навесш та взимку
Примтка: * - дгю ультразвуку припинено
Перюд року Т, год ХСК, мг/дм3
0 1404
1 702
Навесш 2* 351
3 300
24 300
0 310
Взимку 1 273
2,5 224
24 233
Як видно з табл. 4, окиснення оргашчних сполук спостер^аеться ще протягом 2-3-х годин тсля об-робки води ультразвуком, про що свщчить зменшення ХСК води. Це, очевидно, обумовлено великою кон-центрацiею кисню в водi та значною концентращею активних радикалiв, якi утворилися пщ час обробки води ультразвуком. Кшьюсть залишкових органiчних сполук у водi залежить як вiд виду мiкроорганiзмiв в дослiджуванiй системi, так i вiд !х кiлькостi i термшу протiкання мiкробiологiчних процесiв до обробки сис-теми ультразвуком.
Як видно з рис. 8, протягом двохтижневого зберг гання ХСК води практично не змшюеться (в межах похибки експерименту), а мжробне число починае зростати, починаючи з друго! доби збертння i досягае початкового значення на кшець 7 дня.
Рис. 8. Залежжсть змiни ХСК та МЧ води з природноТ водойми при обробц ультразвуком та ТТ 36epiraHHi
Зростання МЧ води, яка початково мштить бю-логiчнi забруднення i оргашчну складову, але яка не
пщдавалась ультразвуковiй обробцi, наступав вiдразу. Зазначимо, що пост-ефект дп ультразвуку в аналопч-ним для фотохiмiчноi обробки води, однак для фото-xiMi4TOre iнiцiювання вiн в значно нижчим (до 2 год).
6. Висновки
Показано ефектившсть застосування акустично! кавгтацп для знезараження та очищення природно! води з рiзних водойм Львiвськоi областi. Пiсля обробки забруднено! води ультразвуком вiдбулось зменшення величини хiмiчного (ХСК) та бюлопчного (МЧ) забруднення води.
Встановлено кiнетичнi закономiрностi очищення води вщ хiмiчного та бюлопчного забруднення. Окиснення водорозчннннх оргашчних сполук протягом озвучування вщбуваеться за реакщею першого порядку. Дисперая мiкроорганiзмiв е гетерогенною системою i окиснення вщбу-ваеться за реакщею псевдо другого порядку.
Встановлено оптимальш умови ультразву-ково! обробки води (тривалкть, ефективнiсть застосування додаткового барботування кис-ню при озвучуванш). необхiднi показники якостi води отримуються вже через годину дп акустично! кавiтацii в присутностi кисню. Вщбуваеться значне зменшення мiкробного числа вже на перших хвилинах обробки води ультразвуком. Через 1 год обробки ультразвуком з одночасною аеращею киснем стутнь очищення води може досягати 91 %.
Дослщження змши величини хiмiчного та бiологiчного забруднення води, оброблено! ультразвуком. Пiсля ультразвуково! обробки забруднено! води спостерiгаеться пост-ефект дп акустично! кавiтацii, який полягае в змен-шеннi кiлькостi мiкроорганiзмiв в одиницi об'ему та ХСК. В обробленш УЗ водi ркт мжрооргашз-мiв починаеться тiльки через 24 години.
^riepaTypa
1. Goncharuk, V. Use of Ultrasound in Water Treatment [Text] / V. Goncharuk, V. Malyarenko, V. Yaremenko // Journal of Water Chemistry and Technology. - 2008. - Vol. 30, Issue 3. - P. 137-150. doi: 10.3103/s1063455x08030028
2. Chisti, Y. Sonobioreactors: using ultrasound for enhanced microbial productivity [Text] / Y. Chisti // Trends in Biotechnology. -2003. - Vol. 21, Issue 2. - P. 4-6. doi: 10.1016/s0167-7799(02)00033-1
3. Nasseri, S. Determination of the ultrasonic effectiveness in advanced wastewater treatment [Text] / S. Nasseri // Environmental Health Science Engeneering. - 2006. - Vol. 3, Issue 2. - P. 109-116.
4. Kalumuck, K. Remediation and disinfection of water using jet generated cavitation [Text] / K. Kalumuck // Fifth International Symposium on Cavitation, 2003. - P. 5-12.
5. Mason, T. New Evidence for the Inverse Dependence of Mechanical and Chemical Effects on the Frequency of Ultrasound [Text] / T. Mason, A. CobleyJ. Graves. // Ultrasonics Sonochemistry. - 2011. - Vol. 18, Issue 1.- P. 226-230. doi: 10.1016/j.ultsonch.2010.05.008
6. Jambrak, A. Effect of Ultrasound Treatment on Particle Size and Molecular Weight of Whey Protein [Text] / A. Jambrak, T. Mason, V. Lelas, L. Paniwnyk, Z. Herceg // Journal of Food engineering. - 2014. - Vol. 121. - P. 15-23. doi: 10.1016/j.jfoodeng.2013.08.012
7. Chemat, F. Appliction of Ultraound in Food Technology: Processing, Preservation and Extraction [Text] / F. Chemat, Z. Huma, M. Khan // Ultrasonics Sonochemistry. - 2011. - Vol. 18, Issue 4. - P. 813-835. doi: 10.1016/j.ultsonch.2010.11.023
8. Gao, S. Inactivation of Microorganisms by Low-frequency high-power Ulrtasound: A Simple model for the inactivation mechanism [Text] / S. Gao, G. Lewis, M. Ashokkumar, Y. Hemar // Ultrasonics Sonochemistry. - 2014. - Vol. 21, Issue 1. - P. 454-460. doi: 10.1016/j.ultsonch.2013.06.007
9. Vasilyak, L. Ultrasound Application in Systems for the Disinfection of Water [Text] / L. Vasilyak // Surface Engineering and Applied Electrochemistry. - 2010. - Vol. 46, Issue 5. - P. 489-493. doi: 10.3103/S1068375510050133
10. Madhu G. Cavitation Techniques for Wastewater Treatment: A Review [Text] / G. Madhu, K. Rajanandam, A. Thomas // The IUP Journal of Chemical Engineering. - 2010. - Vol. 11, Issue 3. - P. 58-79.
