Обеззараживание воды ультразвуком – Ультразвуковые технологии в сочетании с атомарным кислородом в процессах производства зеленных и овощных культур в условиях защищенного грунта и гидропонных систем

Содержание

Очистка и обеззараживание воды ультразвуком

Удаление из воды вредных и опасных примесей производится в настоящее время с использованием разных технологий. Изучим подробнее, что такое очистка и обеззараживание воды ультразвуком. В данной статье мы рассмотрим не только особенности данного способа, но и проверим иные альтернативные решения подобного действия. Сравнительный анализ поможет сделать правильные выводы при проектировании специализированного оборудования.

Что такое ультразвук и как его используют для выполнения отдельных функций?

Ультразвуковые волны – это колебания высокой частоты. Чаще всего используется порог 20 кГц. Этот уровень определяется границей слышимости человеческого уха. Очистка и обеззараживание воды ультразвуком работает при кавитации, возникновении в объеме большого количества образованных газом пузырьков. При их быстром росте и последующем разрушении в жидкой среде возникают резкое локальное увеличение давления и температуры. Именно эти воздействия используются для получения необходимых результатов.

Они разрушают оболочки микроорганизмов, твердые примеси, осевшие в виде слоев на поверхностях труб, иных деталей и узлов. Дополнительные полезные функции выполняют образующиеся при кавитации активные радикалы. Эти соединения ускоряют процессы окисления. При создании излучателя соответствующего типа следует учитывать, что не следует чрезмерно увеличивать частоту. Кавитация происходит интенсивнее в диапазоне от 18 000 до 50 000 Гц. Чтобы обеззараживание жидкости было эффективным необходимо обеспечить высокую плотность поля, от 1,5 до 2 Вт на 1 см. куб. объема. Также потребуется высокая мощность для разрушения слоев механических загрязнений.

Обеззараживание воды ультразвуком: сравнение с другими технологиями

Уничтожение микроорганизмов ультразвуком в воде довольно долго производится с использованием хлора. 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. Сравним ее далее с ультразвуковым излучением.

Для создания излучения в нужном диапазоне спектра используются специальные лампы. Чтобы получить необходимый обеззараживающий эффект (на опытном образце с определенной концентрацией биологических примесей), 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.

Иногда правильное использование методики обеззараживания воды ультразвуком способно обеспечить наличие так называемого синергетического эффекта, то есть существенное совместное улучшение полезных параметров. 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 обладают одним существенным недостатком. Их эффективность снижается существенно 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 со следующими трудностями:

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;

Невозможность точного контроля. Так ка большинство подобных операций производится в закрытых для визуального доступа областях, то проверять ход рабочих процессов будет невозможно. Соответственно, нельзя оптимизировать длительность, интенсивность обработки, иные параметры.

Для очистки поверхностей ультрафиолетовых ламп в быту используются простейшие механические методики, а в коммерческих и промышленных установках – специальные химические реагенты. Предварительная обработка ультразвуком может ускорить эти процессы, но затраты на ее произведение будут слишком велики. Если же изучить разнообразные реальные проблемы, то надо помнить о том, что иногда приходится удалять такие виды загрязнений, которые не разрушаются ультразвуком.

Очистка и обеззараживание воды ультразвуком ограничена также нормами отечественных действующих стандартов безопасности. При эксплуатации установок, использующих излучение в соответствующем частотном диапазоне, регламентируется мощность, расстояние до рабочего места, иные параметры. Общим требованием является необходимость исключения контакта человека с поверхностью, по которой может передаваться ультразвук.

Технологии ультразвуковой очистки воды с небольшими и минимальными ограничениями

Из приведенных выше сведений можно понять, что очистка и обеззараживание воды ультразвуком сопровождаются повышенными затратами, множеством ограничений. Но есть методики, которые позволяют получить необходимый результат с меньшими трудностями.

Если предполагается подготовка воды для питья, то здесь можно использовать специализированные фильтры или же электрохимическую очистку воды. Простейшие устройства ультразвуковой очистки воды, в виде кувшинов, можно перемещать в нужные пользователям места. Они не присоединяются к водопроводу и другим инженерным сетям.

Когда необходима стационарная обработка большого количества жидкости ежедневно, а степень загрязнения велика, то нет ничего лучше, чем современная установка очистки воды ультразвуком. В таком оборудовании используются мембраны с мелкими порами. Они не пропустят химические соединения и биологические примеси, превышающие размерами молекулу воды. Чтобы предотвратить последующее вторичное заражение подобную систему дополнительно можно укомплектовать блоком с встроенной УФ-лампой. Кстати, в этом варианте, будет обеспечено предварительное обеззараживание питьевой воды, поэтому не потребуется периодическая очистка корпуса прибора.

Также следует изучить возможности профессиональной серии магнитных преобразователей, таких как «АкваЩит Pro». Их потребляемая мощность невелика, составляет около 20-ти Ватт в час. Но ее достаточно для изменения электрических потенциалов на оболочках микроорганизмов, сто впоследствии приводит к их уничтожению. Пригодятся и основные функции приборов: изменение структуры и формы соединений кальция и магния, делающие невозможным последующее образование накипи.

Применение ультразвука в системах для обеззараживания воды

Л. М. Василяк Объединенный институт высоких температур РАН, Москва

До конца ХХ века дезинфекция воды фактически отождествлялась с хлорированием. В 70-х годах было обнаружено, что образующиеся при хлорировании побочные продукты, в основном, галогенорганические соединения, в питьевой воде представляет опасность для здоровья людей, а в сточных водах наносит серьезный ущерб экологии водоемов[1, 2]. Это послужило мощным толчком к развитию альтернативных методов обеззараживания. Среди множества химических и физических методов, обладающих бактерицидным действием, практическое использование в промышленных масштабах получило весьма ограниченное число: из реагентных методов — это применение озона, диоксида хлора, гипохлорита натрия и перекиси водорода, из физических методов – обеззараживание УФ излучением. Другие методы обеззараживания такие, как бромирование, йодирование, термообработка, обработка ионами некоторых металлов, γ-излучением, высоковольтными разрядами, переменным электрическим током, ультразвуком (УЗ) используются редко из-за их высокой энергоемкости или сложности аппаратуры, а также из-за возможности образования в процессе обработки воды побочных продуктов [1-3]. Тем не менее, интерес к этим методам обеззараживания сохраняется, так как необходимо обеззараживать различные типы сточных и питьевых вод. Вместе с тем, полностью отказаться от хлорирования питьевой воды, подготавливаемой из поверхностных водоисточников, не представляется возможным, поскольку хлорагенты обладают пролонгированным действием, необходимым для консервации питьевой воды в процессе транспортировки до потребителя. Сочетание физических и химических методов обеззараживания, позволяет значительно повысить эпидемическую безопасность питьевой воды и минимизировать образование побочных продуктов.

Ограничением применения УФ метода является сильное поглощение УФ излучения некоторыми типами вод, содержащих большое количество минеральных солей или большое количество взвешенных частиц. Если размер частиц превышает 50 мкм, то эффективность обеззараживания УФ излучением микроорганизмов, находящихся внутри, существенно падает [4,5]. В том случае, когда требуемая УФ доза становится высокой, возникает вопрос, есть ли способы уменьшения УФ дозы либо уменьшения эксплуатационных и капитальных затрат при одновременном использовании двух или нескольких методов.

Для повышения эффективности обеззараживания некоторые производители оборудования предлагают применять дополнительную обработку воды ультразвуком В частности, на российском рынке представлено промышленное оборудование для обеззараживания воды, сочетающее в себе обработку УФ излучением и ультразвуком. В качестве преимущества такого оборудования перед традиционными системами УФ облучения анонсируется более выраженный эффект обеззараживания и отсутствие необходимости в очистке кварцевых чехлов. Рассмотрим возможности применения ультразвука в системах обеззараживания воды.

Обеззараживание воды ультразвуком.

Ультразвук — это упругие колебания и волны, частота которых выше 15-20 кГц [6-8]. При воздействии ультразвука на жидкость возникают специфические физические, химические и биологические эффекты, такие как кавитация, капиллярный эффект, диспергирование, эмульгирование, дегазация, обеззараживание, локальный нагрев и многие другие [6-11]. Биологическое действие УЗ известно давно [6,7,10,11]. Эффект воздействия УЗ на микроорганизмы зависит от интенсивности УЗ воздействия и может быть диаметрально противоположным. При низких интенсивностях и малых временах воздействия ультразвук может стимулировать активность и рост микроорганизмов [7, 10-13]. Именно это свойство УЗ используют при кратковременной обработке активного ила на станциях аэрации, что позволяет ускорить биологические и химические процессы в аэротенках при первичной очистке сточной воды [14-16]. Однако такие процессы в очищенной или обеззараженной воде крайне нежелательны и могут привести к неприятным последствиям. Например, согласно исследованиям [17], обработка упакованной питьевой воды ультразвуком с частотой 22 или 35 кГц в течение 15 секунд никак не влияла на ОМЧ, однако при увеличении времени экспозиции до 30 секунд ОМЧ увеличилось более чем в 10 раз [17].

При больших интенсивностях ультразвук подавляет и разрушает микроорганизмы. Длительная обработка воды ультразвуком большой мощности приводит к обеззараживанию [7, 10-13]. Бактерицидное действие УЗ, в основном, связано с кавитацией. Кавитация — это возникновение в жидкости массы пульсирующих газовых пузырьков. При воздействии УЗ колебаниями в течение всего отрицательного полупериода давления и части положительного наблюдается рост кавитационного пузырька до некоторого максимального размера. Затем пузырек захлопывается, создавая ударные волны с импульсным давлением до нескольких тысяч атмосфер и температурой до 5000К. Если ударная волна встречает на своем пути препятствие, то она разрушает его поверхность. Кроме того, в кавитационном пузырьке возникают активные радикалы, например, радикал ОН, являющийся сильнейшим окислителем. Кавитация возникает при интенсивностях звукового поля выше порогового значения 0,3-1 Вт/см2. Увеличение частоты приводит к повышению порогового значения интенсивности, соответствующего началу кавитации. С ростом частоты УЗ размеры пузырьков уменьшаются, а их количество растет. При частоте 30 кГц характерный размер кавитационных пузырьков составляет 100 мкм. Чем ниже частота, тем легче получить кавитацию, и тем более агрессивное воздействие оказывает кавитация на обрабатываемый объект, поэтому во многих устройствах используют УЗ с частотой 20-22 кГц [6-9].

Для обеззараживания необходима интенсивность УЗ более 2 Вт/см2 при частоте 20-50 кГц [7, 10-13]. Исследования УЗ обеззараживания сточной воды [18-21] показали, что для уменьшения e-coli или фекальных колиформ на три порядка необходима обработка воды ультразвуком в течение 60 мин при плотности УЗ мощности 400 Вт/л. Для сравнения аналогичный эффект обеззараживания УФ облучением, обеспечивается при энергетических затратах порядка 0,02-0,04 Вт·час/л. Согласно работе [19], если принять моноэкспоненциальное уменьшение микроорганизмов по времени, то наблюдаемое уменьшение соответствует обеззараживанию УФ излучением с облученностью 1 мкВт/см2. Полученные затраты энергии в несколько тысяч раз выше, чем при УФ обеззараживании сточных вод.

В настоящее время не определены такие важные параметры, как зависимость степени инактивации от мощности УЗ воздействия для различных групп микроорганизмов и условия, при которых обеспечивается эффективное обеззараживание УЗ обработкой. Для практического применения любого метода обеззараживания необходимо иметь критерии и способы контроля эффективности процесса. Для химических методов обеззараживания таким критерием является остаточная концентрация реагента, при УФ обеззараживании контролируется доза облучения при помощи специальных датчиков. Для УЗ 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 использование метода, делают способ УЗ обеззараживания неконкурентоспособным для промышленного использования.

Использование ультразвука с УФ излучением или окислителями для обеззараживания воды.

Совместное использование разных методов обеззараживания целесообразно в случаях, если один из методов не обладает необходимым свойством (например, УФ облучение не обеспечивает последействия, а хлор недостаточно эффективен в отношении вирусов и простейших), или если совместное использование обеспечивает синергетический эффект, и таким образом позволяет интенсифицировать процесс. Интересным вопросом является возможность использования ультразвука совместно с другими методами. УЗ обработка воды повышает эффективность хлорирования [22-24], озонирования [25,26] или использования химических веществ [26. ], таких как перекись водорода Н2О2. или TiO2 [27]. Вероятным механизмами УЗ воздействия является разрушение взвешенных частиц, доставка новых порций окислителя в частицы, перемешивание воды у поверхности кристаллов TiO2 и повреждение микроорганизмов при возникновении кавитации, что уменьшает их сопротивляемость по отношению к окислителям.

Совместное использование УФ и УЗ обработки не обладает синергетическим эффектом [19,20,28]. Вклад УЗ в инактивацию микроорганизмов по сравнению с УФ воздействием незначителен. Механизм влияния УЗ обработки сточной воды до стадии УФ обеззараживания заключается в том, что УЗ разрушает большие взвешенные частицы, и эффективность обеззараживания УФ излучением микроорганизмов, которые находились внутри, возрастает [19,20]. Этот эффект не является синергетическим, поэтому УЗ обработку можно провести до обработки УФ излучением. Обработка воды ультразвуком после УФ обеззараживания не дает дополнительного эффекта. В сточной воде содержатся взвешенные в количестве 1-10 мг/л, причем, в отличие от питьевой воды, частицы с размерами более 50 мкм могут составлять основную часть, например, в работе [19] их было 63%. УЗ обработка сточной воды в течение 5 с уменьшала количество взвешенных частиц с размерами более 50 мкм на 25% при объемной мощности УЗ 50 Вт/л (затраченная энергия 250 Дж/л) и на 60% при 310 Вт/л (энергия 1550 Дж/л). Однако, как следует из этих исследований, энергетические затраты на дополнительную УЗ обработку в несколько раз превышают затраты на УФ обеззараживание. Для современных станций УФ обеззараживания сточной воды столь большие энергетические затраты на дополнительную УЗ обработку экономически не оправданы. УЗ обработка питьевой воды вообще не имеет смысла, поскольку в ней содержится мало частиц с большими размерами.

Использование ультразвука для очистки кварцевых чехлов в УФ оборудовании.

Использование ультразвука в жидкости для очистки поверхностей известно достаточно давно [6-9]. В системах очистки, в основном, применяют УЗ низкочастотного диапазона 16-100 кГц, иногда до 1000 кГц. Поскольку мелкие частицы лучше очищаются УЗ более высокой частоты, то в микроэлектронике используют частоты 60-80 кГц. При УЗ очистке и обеззараживании воды наиболее важными механизмами являются акустические течения, механические напряжения и кавитация. Действие ультразвука при очистке поверхностей, в основном, сказывается на ускорении процесса растворения загрязнений в растворителях, доставке свежих порций растворителя к загрязнённым поверхностям и удалении отделившихся частиц загрязнений из зоны очистки [6-9]. Таким образом, УЗ обработка скорее интенсифицирует процесс химической очистки и облегчает удаление загрязнения, а не заменяет самостоятельно эти процессы. Очищаемые объекты не должны экранировать друг друга от воздействия ультразвука. Твердые материалы обычно обладают хорошей звукопроводностью и не экранируют объект очистки. Если вблизи поверхности возникает кавитация, то она агрессивно действует на поверхность. При этом будет происходить не только очистка поверхности, но и эрозия кварцевого чехла, и неизбежное дальнейшее загрязнение поверхности и снижением пропускания УФ излучения. Дальнейшая химическая промывка или механическая очистка таких кварцевых чехлов с шероховатой загрязненной поверхностью будут неэффективны. Следует также отметить, что расстояние между минимальной и максимальной интенсивностями УЗ в воде при частоте 20 кГц составляет 3.5 см, что сопоставимо с диаметром кварцевого чехла (4 см), поэтому различные области кварцевого чехла будут в разных условиях, причем некоторые области всегда будут находиться в областях с низкой интенсивностью УЗ, поэтому очистить чехол будет невозможно. Объекты очистки нужно постоянно ориентировать или вращать их во время очистки. Длина чехла составляет 1.5 м, поэтому вдоль чехла также невозможно обеспечить достаточную для очистки интенсивность ультразвука. В реальных условиях обеззараживания сточных вод элементы установок и кварцевые чехлы загрязняются водорослями и другими достаточно крупными элементами, на которые ультразвук не действует, но зато они хорошо убираются механической очисткой. При других условиях возможность УЗ очистки будет определяться индивидуальными свойствами воды и типом загрязнений. При образовании на поверхности кварцевых чехлов тонкой плотной пленки из неорганических веществ, которые имеют большую энергию связи с поверхностью, УЗ очистка также не будет эффективной, поскольку такие пленки являются кавитационно стойкими. Если неорганические или органические загрязнения образуют рыхлый слой, то проще и дешевле применять механическую очистку. В настоящее время все ведущие производители УФ оборудования для обеззараживания воды не применяют УЗ для очистки чехлов, а используют механическую очистку и химическую промывку. Российские методические указания по использованию УФ излучения для обеззараживания воды [29,30] рекомендуют только химическую и механическую очистку кварцевых чехлов, в руководстве США [31] по разработке УФ оборудования в качестве основного метода очистки чехлов рекомендуется применять химическую промывку. Использование ультразвука может повысить эффективность химической промывки, но практической необходимости в этом нет.

Эффективность ультразвуковой обработки для предотвращения загрязнения кварцевых чехлов УФ ламп или их очистки не доказана. Ни один из ведущих производителей УФ оборудования не использует ультразвук для очистки кварцевых чехлов.

Эксплуатация ультразвукового оборудования.

При применении УЗ следует также принимать во внимание процессы, которые могут повлиять на конструкцию установок, режим эксплуатации, эксплуатационные расходы, на требования к размещению и к обслуживающему персоналу и т.д. Из возможных негативных последствий применения ультразвука необходимо обратить внимание на повышенную эрозию под воздействием кавитации и возможное повышенное разрушение конструкционных материалов. Малая длина волны (менее нескольких сантиметров) обуславливает лучевой характер распространения УЗ волн. Вблизи излучателя ультразвук распространяется в виде пучков, по размеру близких к размеру излучателя. Попадая на неоднородности в среде, УЗ пучок ведёт себя, как световой луч, испытывая отражение, преломление, рассеяние. Отметим, что УФ лампы низкого давления, которые применяются в большинстве систем УФ обеззараживания, являются сложными электровакуумными приборами, которые не проходят испытания по воздействию ультразвука, поэтому ресурс УФ ламп может снизиться. Эти процессы разрушения могут усиливаться в концентрированных пучках УЗ волн, которые слабо расходятся после излучателя, что хорошо видно на фотографиях УЗ полей, представленных на сайте компании «Сварог_УФ» [32].

Ресурс существующих УЗ излучателей имеет срок службы, примерно, соответствующий сроку службы УФ ламп, поэтому к эксплуатационным расходам на замену ламп добавятся расходы по замене УЗ излучателей и генераторов.

Следует отметить, что при использовании УЗ необходимо применять дополнительные меры по защите персонала от воздействия УЗ вибраций и высокочастотного шума. Нормирование ультразвука на рабочих местах в Российской федерации осуществляется согласно санитарным нормам и правилам [33] и требованиям ГОСТ [34, 35]. Отдельно нормируются ультразвук, распространяющийся по воздуху, и контактный ультразвук, распространяющийся при соприкосновении рук или других частей тела человека с источником ультразвука. Ввиду особой опасности контактного воздействия ультразвука на людей технологический процесс УЗ обработки должен полностью исключать возможность такого воздействия. Установки должны быть сертифицированы на применение ультразвука. Ультразвуковое оборудование должно соответствовать требованиям ГОСТ 12.2.051 [36]. Все наружные поверхности установок ультразвуковой обработки следует покрывать звукоизоляционным слоем. Но даже при этом ультразвук может распространяться по металлическим конструкциям на большие расстояния, особенно по системам с хорошими контактными соединениями, например, по системам питьевой или оборотной воды. Ультразвук по этим системам может приникать в помещения с людьми и вызывать головную боль, быструю утомляемость с падением кровяного давления и другие нежелательные последствия. По этим причинам применение ультразвука при обеззараживании сточных вод УФ излучением в открытых каналах практически невозможно.

Выводы.

При обеззараживании воды ультразвуком энергетические затраты в несколько тысяч раз превышают затраты энергии при УФ методе, что делает самостоятельное использование УЗ метода не конкурентоспособным.
Воздействие малых доз ультразвука имеет противоположный обеззараживанию эффект – стимулирует увеличение общего числа микроорганизмов в воде.
В настоящее время использование метода УЗ обработки для обеззараживания воды в коммунальных системах невозможно, поскольку отсутствуют критерии контроля этого процесса и нормативные документы, регламентирующие его применение.
Совместное использование УФ и УЗ обработки с целью повышения надежности обеззараживания нецелесообразно. Одновременное применение этих методов не дает синергетического эффекта, используемые дозы УФ облучения и так обеспечивает требуемую степень обеззараживания, как сточных, так и природных вод.
Применение ультразвука для предотвращения загрязнения или очистки кварцевых чехлов УФ ламп не может заменить традиционно используемые химическую или механическую очистки. В связи с этим, ни один из ведущих производителей УФ оборудования не использует УЗ для очистки кварцевых чехлов. Отсутствуют данные о влиянии УЗ на срок службы УФ ламп.
При эксплуатации оборудования, имеющего блоки ультразвуковой обработки, необходимо обеспечить защиту персонала от воздействия ультразвука в соответствии с нормативами.
Использование ультразвука дополнительно к ультрафиолетовому облучению не дает преимуществ, а приводит к необоснованному увеличению энергетических затрат и усложняет мероприятия по обеспечению безопасности эксплуатации.

Литература

Пахомов А. Н., Козлов М. Н., Данилович Д. А., Белов Н. А. Развитие систем обеззараживания сточных вод на московских станциях. // Водоснабжение и санитарная техника. 2005. № 12. ч. 1. С. 28-32.
Драгинский В. Л., Алексеева Л. П. Образование токсичных продуктов при использовании различных окислителей для очистки воды. // Водоснабжение и санитарная техника. 2002. № 2. С. 9-14.
Гончарук В. В. Потапченко Н. Г. Современное состояние проблемы обеззараживания воды. // Химия и технология воды. 1998. т. 20. № 2. С. 191-217.
Madge BA, Jensen JN. Ultraviolet disinfection of fecal coliform in municipal wastewater: effects of particle size. // Water Environ Res. 2006. V. 78. N 3. P.294-304.
Jolis D, Lam C, Pitt P. Particle effects on ultraviolet disinfection of coliform bacteria in recycled water. // Water Environ Res. 2001. V.73. N 2. P. 233-236.
Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. Пер. с немец. М.: Иностр. лит. 1957. 726 с.
Ультразвук. Энциклопедия. Под ред. И.П. Голяминой, М., Изд. «Советская энциклопедия», 1979.
Основы физики и техники ультразвука: Учеб. пособие для вузов / Б.А. Агранат, М.Н. Дубровин, Н.Н. Хавский, Г.И. Эскин. – М.: Высш. шк., 1987. – 352 с
Келлер О.К., Кратыш Г.С., Лубяницкий Г.Д. Ультразвуковая очистка. Л., «Машиностроение», (Ленингр. отделение), 1977, 184 с.
Эльпинер И.Е. Ультразвук. Физико-химическое и биологическое действие. М., 1963, 420 c.
Frizzell, L. A., Biological Effects of Acoustic Cavitation, in Ultrasound: Its Chemical, Physical and Biological Effects, Suslick, K. S. (Ed.), VCH Publishers, New York, 1988.
Joyce E., Mason T.J., Phull S.S. and Lorimer J.P. The development and evaluation of ultrasound for the treatment of bacterial suspensions// Ultrasonics Sonochemistry. 2002.vol. 10, pp 315-318.
T.J. Mason,, E. Joyce, S.S. Phull and J.P. Lorimer. Potential uses of ultrasound in the biological decontamination of water // Ultrasonics Sonochemistry. 2003. Vol. 10. P. 319-324.
Zhang Guangming, Zhang Panyue, Chen Yanming. Ultrasonic Enhancement of Industrial Sludge Settling Ability and Dewatering Ability. //Tsinghua science and technology. 2006. Vol. 11. N 3, P.374-378.
Sangave P.C., Pandit A.B. Ultrasound and enzyme assisted biodegradation of distillery wastewater. //J Environ Manage. 2006 . V.80. N 1. P.36-46
Tiehm, A., Nickel, K., Zellhorn, M. and Neis, U. Ultrasonic waste activated sludge disintegration for improving anaerobic stabilization. //Water Research. 2001. Vol. 35, No. 8, P.2003-2009
Перевалов В.Д., Рвачев А.П. Ультразвуковая обработка воды. // VIII Международный форум «Мир чистой воды – 2006″, VIII Международная конференция » Вода, напитки, соки, технологии и оборудование», Москва, 26-29 сентября 2006 г. Сборник материалов конференции, М., 2006. Издательский комплекс МГУПП, 2006. – 104 с. (с.91-93).
Madge B.A., Jensen J.N. Disinfection of wastewater using a 20-kHz ultrasound unit. //Water Environ Res. 2002. V. 74. N.2. P.159-169.
Blume T., Neis U. Improved Waste Water Disinfection by Ultrasonic Pre-treatment. // Ultrasonics Sonochemistry, 2004. Vol. 11. N5. P. 333-336.
Blume T., Martínez I., Neis U. Wastewater disinfection using ultrasound and UV light. //TU Hamburg-Harburg Reports on Sanitary Engineering. 2002. V. 35. P117-128. Neis U. (ed): Ultrasound in Environmental Engineering I
Hua I. and Thomson J.E. Inactivaton of Escherichia coli by sonication at discrete ultrasonic frequencies.// Water Res. 2000. Vol.34. N 15. P. 3888-3893.
Blume T, Neis U. Improving chlorine disinfection of wastewater by ultrasound application. // Water Sci Technol. 2005. Vol.52. N 10-11. P.139-144.
Duckhouse H, Mason T.J, Phull S.S, Lorimer J.P. The effect of sonication on microbial disinfection using hypochlorite. //Ultrason Sonochem. 2004. Vol.11. N 3-4. P. 173-176
Rodgers S.L, Ryser E.T. Reduction of microbial pathogens during apple cider production using sodium hypochlorite, copper ion, and sonication. //J Food Prot. 2004. Vol. 67. N.4. P.767-771.
Hua, I. and Hoffmann, M.R. Optimization of ultrasonic irradiation as an advanced oxidation technology. //Environ.Sci.Technol. 1997. V. 31. P. 2237-2243.
Jyoti K.K, Pandit A.B. Hybrid cavitation methods for water disinfection: simultaneous use of chemicals with cavitation. // Ultrason Sonochem. 2003. V. 10. N 4-5. P.255-64
Dadjour M.F, Ogino C, Matsumura S, Nakamura S, Shimizu N. Disinfection of Legionella pneumophila by ultrasonic treatment with TiO2. // Water Res. 2006. Vol. 40. N. 6. P.1137-1142.
Joyce. The Effects of Ultrasound in Combination with UV Radiation or Electrolysis on the Biological Decontamination of Potable Water. Ph.D. thesis Coventry University, 2003.
Санитарный надзор за применением ультрафиолетового излучения в технологии подготовки питьевой воды Методические указания 2.1.4.719-98. – М.: Федеральный центр госсанэпидемнадзора Минздрава России, 1998. – 16 с.
Санитарно-эпидемиологический надзор за обеззараживанием сточных вод ультрафиолетовым излучением: Методические указания 2.1.5.732-99. – М.: Федеральный центр госсанэпидемнадзора Минздрава России, 1999. – 16 с.
Design Manuel Municipal Wastewater Disinfection. EPA/525/1-86/021.
http://www.svarog-uv.ru
СанПиН 2.2.4./2.1.8.582-96 «Гигиенические требования при работах с источниками воздушного и контактного ультразвука промышленного, медицинского и бытового назначения»
ГОСТ 12.1.001-89 «Ультразвук. Общие требования безопасности»
ГОСТ 12.2.007.10-87 «Установки, генераторы и нагреватели индукционные для лектротермии, установки и генераторы ультразвуковые. Требования безопасности».
ГОСТ 12.2.051 «Система стандартов безопасности труда. Оборудование технологическое ультразвуковое. Требования безопасности».

Сведения об авторе

Василяк Леонид Михайлович,

доктор физико-математических наук, профессор,

главный научный сотрудник Объединенного института высоких температур РАН.

Адрес: 125412 г. Москва, Ижорская ул., д.13, стр. 2, ИТЭС ОИВТ РАН

раб. тел. (495)4841810,

e-mail: [email protected]

Реферат Л.М. Василяк Применение ультразвука в системах для обеззараживания воды Объединенный институт высоких температур РАН Ижорская ул., 19, стр.2, Москва, 125412, Россия

Выполнен аналитический анализ возможностей применения ультразвука совместно с УФ излучением или окислителями. Рассмотрены механизмы повышения эффективности при обеззараживании сточных вод с большими взвешенными частицами. Применением дополнительной обработки ультразвуком питьевой воды не имеет смысла. Рассмотрены возможности очистки кварцевых чехлов.

Summary L. M. Vasilyak The use of ultrasound for water disinfection systems Joint Institute for High Temperatures, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia

The analytical analysis of possibilities of application of ultrasound together with УФ radiation or oxidizers is made. Mechanisms of rising of efficiency are surveyed at a decontamination of sewage with the big weighed particles. Application of additional sonication of potable water it is not meaningful. Possibilities of clearing of quartz covers are discussed.

КОМПЛЕКСНОЕ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЕ ВОДЫ – УЛЬТРАЗВУК+УЛЬТРАФИОЛЕТ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ПРИБОРОВ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ И ОЧИСТКИ «УЗО» В ТЕХНОЛОГИЯХ ВОДОПОДГОТОВКИ И ВОДООЧИСТКИ

Трудно найти хотя бы одно направление жизнедеятельности человека где не требуется вода.

Питьевая вода, вода для полива агропромышленных культур, техническая вода, вода для производства пищевых продуктов, вода в бассейнах и прудах, данный список можно продолжать до бесконечности.

От качества и количества водных ресурсов зависит здоровье людей и благосостояние целых стран.

В условиях современного мироустройства, где количество отходов растет с каждым днем, где человек вынужден сосуществовать в непосредственном соприкосновении с миром вредоносных бактерий и прочих простейших биообъектов, вопросы качества процессов водоподготовки и водоочистки находятся на первом месте.

Итак, какие же на сегодняшний день технологии и методы обеззараживания воды в промышленных масштабах чаще всего используются?

Химический метод – применение различных реагентов таких как диоксид хлора, гипохлорит натрия, перекись водорода, озон и др.
Химический метод обеззараживания воды до сих пор используется в большинстве случаев.
Но данный метод не безопасен для здоровья человека и окружающей среды, так как он подразумевает наличие в воде побочных продуктов и опасных соединений, после применения химических реагентов.
Физический метод – воздействия на микробиологию различными физическими способами без применения химических реагентов. К таким способам относятся: термообработка, ионизация, электро-магнитная обработка, УФ-стерилизация, ультразвуковое воздействие и др.

Есть и другие способы обеззараживания воды, которые изжили себя но все-таки частично используются и сейчас, либо их эффективность еще полностью не доказана.

Многие из физических методов обеззараживания воды, до сих пор, не внедрены на уровне промышленных масштабов, так как являются до конца не изученными и дорогостоящими в применении. Тем не менее интерес к таким технологиям сохраняется в связи с тем, что физический метод обеззараживания воды не способствует образованию в воде опасных химических соединений и вода при этом не теряет своих полезных и вкусовых качеств.

Рассмотрим два физических способа обеззараживания воды, которые на сегодняшний день являются самыми проверенными и надежными. Так же рассмотрим возможность их совмещения в единую систему обеззараживания воды любого качества и для любых целей.

УФ-стерилизация

Ультрафиолетовая обработка воды – самый популярный способ обеззараживания, получивший доверие во всех областях жизнедеятельности человека.

Эффективность воздействия ультрафиолета на микробиологию заключается в его мощном электромагнитном облучении простейших биологических объектов с последующей их гибелью.

На сегодняшний день, на мировом рынке представлена широчайшая линейка ультрафиолетовых стерилизаторов для воды от простейших приборов, до оборудования премиум класса. Они имеют разную мощность излучения, разные конструкции и направленность – для питьевой воды, для бассейнов, для стоков и т.д.

Не секрет, что практически в каждой системе водоподготовки используется УФ-стерилизатор и обусловлено это, как уже говорилось выше, «доверием» к данному оборудованию.

Но даже у такого проверенного и эффективного оборудования есть свои недостатки:

Чувствительность к прозрачности воды – так как источником ультрафиолетового излучения является УФ-лампа, эффективность обеззараживания уменьшается при обработке мутной воды. Если жидкость имеет нулевую видимость, то эффект обработки сводиться к нулю.
Чувствительность к скорости потока воды – большинство УФ-стерилизаторов выполнены в виде проточной колбы через которую проходит вода в системе трубопровода. В традиционных технологиях УФ-облучения усиление эффекта может быть достигнуто только в одном случае — при длительном воздействии и очень низком содержании в воде споровых и простейших организмов, причем, этот метод обеззараживания не уничтожает плесень. Во многих случаях скорость потока воды в трубопроводе очень большая и этот фактор не позволяет обеззаразить воду при ее одном проходе через УФ-стерилизатор. Поэтому, на многих предприятиях промышленности, сельского хозяйства, водного хозяйства ставят от нескольких УФ-стерилизаторов до десятка. Обычно их устанавливают последовательно, друг за другом, что бы проход воды через этап обеззараживания можно было удлинить и повысить качество данного этапа. За счет этого повышается себестоимость процессов водоподготовки и водоочистки.
Ограниченный рабочий ресурс УФ-лампы – как и у обычной лампочки, которая обеспечивает освещение в помещении, у УФ-лампы тоже есть рабочий ресурс (от 5000 до 9000 часов или более), после которого необходимо ее заменить. С каждым часом работы УФ-лампы ее эффективность уменьшается и в итоге сводиться к нулю.
Необходимость частого обслуживания – так как УФ-лампа не может соприкасаться на прямую с водой, в конструкции любого УФ-стерилизатора предусмотрена специальная колба/кожух в которой размещается УФ-лампа. Материал колбы стекло.
Так как ультрафиолет чувствителен к прозрачности то необходимо постоянно проверять и очищать защитную колбу от возможных налетов, биообрастаний и обрастаний кристаллами, которые уменьшают эффективность облучения, в следствии чего приходится останавливать работу оборудования и проводить очистку с помощью химических и физических методов.
Ограничения по применению – ультрафиолет неэффективен в водах которые содержат большое количество минеральных солей или иных взвешенных частиц. Такая вода поглощает УФ-излучение. Так же, если размер взвешенных частиц превышает 50 мкм то эффективность обеззараживания существенно уменьшается.

Обеззараживание ультразвуком.

Об эффективности ультразвукового обеззараживания любых водных растворов известно давно.
Тем не менее активная популяризация данного метода началась только в последнее десятилетие.

Полезные свойства ультразвука до сих пор полностью не раскрыты. Это говорит о том, что у данного метода неограниченные скрытые возможности, которые поэтапно внедряются во все сферы деятельности современного мира и может в ближайшее время это послужит полному изменению нашего понимания о привычных, уже существующих технологиях.

Недостатки ультразвукового оборудования.

Недостатки ультразвука невозможно определить однозначно. Аргументируется это тем, что эффективный диапазон ультразвуковых волн имеет разброс от 20 до 100 кГц. Определенные недостатки ультразвукового воздействия можно определить только на основании имеющегося в наличии ультразвукового прибора, соответственно опираясь на его технические характеристики и на результаты его работы в том или ином технологическом процессе.

К сожалению, на рынке РФ, особого выбора среди ультразвуковых обеззараживаетелей воды нет.

В основном это большие промышленные установки отечественного производства, потребляющие очень большое количество электроэнергии и делают их только под заказ. К тому же излучатели отечественных приборов имеют ограниченный ресурс из-за разрушительного воздействия на них ультразвуковой кавитации и в последствии требуют либо замены, либо капитального ремонта.
Но несмотря на это, ультразвук используют и его полезные свойства очень востребованы.

В частности, на многих водоочистных станциях используется отечественное оборудование «СВАРОГ». Данный комплекс совмещает в себе мощное ультрафиолетовое облучение и ультразвук и имеет огромное преимущество перед остальными технологиями, особенно в качестве обеззараживания питьевой воды и стоков.

Как итог, по выше описанному можно сказать что ультразвук в обеззараживании воды эффективен, но при этом достаточно затратен.

НО..! Не торопитесь с выводами. Промышленные ультразвуковые приборы «УЗО» — доступно, экономично, эффективно!

Преимущества ультразвукового оборудования.

Преимуществ у ультразвука, по отношению к тому же самому Ультрафиолету очень много.

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.
Неограниченный ресурс работы – если производитель ультразвуковых приборов использует правильные материалы для производства излучателей, закладывает малые потребляемые мощности (до 100Вт), а такие производители есть, то ультразвуковые приборы в состоянии работать в беспрерывном режиме многие годы, решая сложные задачи по обеззараживанию воды.
Независимость от удаленности биообъекта – если поместить в статичную воду (в бассейн, в большой резервуар или прочее) ультрафиолетовую лампу в открытом виде (только в колбе), то произойдет эффект уничтожения микробиологии. Но этот эффект будет только вблизи от УФ-лампы. Чем дальше находятся от УФ-лампы одноклеточные, тем меньше вероятности что они погибнут.
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.

Итак, рассмотрев два самых эффективных и безопасных варианта по оборудованию обеззараживания воды, которое не способствуют изменению вкусовых качеств и накоплению возможных вредных химических соединений, оценив их достоинства и недостатки, можно смело сказать, что одновременное совмещение ультразвука и ультрафиолета в процессах обеззараживания воды гарантированно дает 100% качественный результат.

СОВМЕЩЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ПРИБОРОВ С УФ-СТЕРИЛИЗАТОРАМИ.

Почему же такое сочетание гарантировано дает отличный результат?

Совмещение различных методов обеззараживания необходимо в случаях, если один из методов не обладает необходимыми свойствами или если совместное использование обеспечивает многократное усиление эффекта и таким образом позволяет ускорить процессы обеззараживания.

Т.е., сочетание нескольких методов или технологий обеззараживания воды одновременно является технической необходимостью, так как ни один из существующих методов на сегодняшний день не является панацеей в процессах водоподготовки и водоочистки. Правильный подбор оборудования, его сочетание с другими методами является гарантией успеха в решениях по очистке воды.

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

Данное сочетание 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.
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. Т.е. после ультразвукового воздействия, ультрафиолет гарантировано на 100% справляется с уничтожением патогенных микроорганизмов, находящихся в воде.
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. Таким образом, не требуется останавливать оборудование для чистки, что позволяет поддерживать постоянный уровень обеззараживания воды в течение всего срока службы ламп.

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, обеспечивая высокое качество воды и чистоту стенок бассейнов от бактериальных и иных налетов.

В живых водоемах – в прудах с рыбой и растениями данное сочетание позволит полностью уйти от применения химии и обеспечит при этом прозрачность и чистоту воды, отсутствие водорослей и вредоносных бактерий.

Благодаря своей экономичности и эффективности технология «Ультразвук + Ультрафиолет» приобретает все большую популярность по отношению к другим методам и технологиям.

УФ-Стерилизаторы VGE (Голландия)
УЗО-Водопровод (Бельгия)
УЗО-Водонакопитель (Бельгия)
УЗО-Бассейн (Бельгия)
УЗО-Пруд (Бельгия)

Скачать статью в PDF

1.9.Применение ультразвука для обеззараживания воды[12;13;14]

Для обеззараживания воды необходима его интенсивность более 2 Вт/см² при частоте 20-50 кГц [3-6]. Исследования обеззараживания сточной воды ультразвуком показывают . что для уменьшения количества Е.coli или фекальных колиформ на три порядка необходима обработка воды ультразвуком в течение 60 мин при плотности ультразвуковой мощности 400 Вт/л. Для сравнения аналогичный эффект обеззараживания УФ-облучением обеспечивается при энергетических затратах порядка 0,02-0,04 Вт·ч/л. Получается, что затраты энергии при обеззараживании сточных вод ультразвуком в несколько тысяч раз выше , чем при УФ-облучении. При малом времени воздействия или при низких интенсивностях ультразвука количество микроорганизмов может увеличиться.

В настоящее время не определены такие важные параметры, как зависимость степени инактивации от мощности ультразвукового воздействия для различных групп микроорганизмов и условия, при которых обеспечивается эффективное обеззараживание ультразвуковой обработкой. Для практического применения любого метода обеззараживания необходимо иметь критерии и способы контроля эффективности процесса. Для химических методов обеззараживания таким критерием является остаточная концентрация реагента, при УФ-обеззараживании контролируется доза облучения при помощи специальных датчиков. Для обеззараживания ультразвуком отсутствуют критерии и методы контроля процесса, а также нормативные документы, регламентирующие его использование для обеззараживания сточной воды.

Совместное использование ультразвука и УФ-облучения для обеззараживания воды. Совместное использование разных методов обеззараживания целесообразно в случаях, когда один из методов не обладает необходимым свойством (например, УФ — облучение не обеспечивает последствия, а хлор недостаточно эффективен в отношении вирусов и простейших) или совместное использование обеспечивает синергетический эффект и таким образом позволяет интенсифицировать процесс. Совместное использование УФ — облучения и ультразвуковой обработки не обладает синергетическим эффектом. Вклад ультразвуковой обработки в инактивацию микроорганизмов по сравнению с УФ-облучением незначителен. Механизм влияния ультразвуковой обработки сточной воды до УФ — облучения заключается в том, что ультразвук разрушает крупные взвешенные частицы, и эффективность обеззараживания УФ — облучением микроорганизмов, которые находились внутри, возрастает. Однако, как следует из этих исследований, энергетические затраты на дополнительную ультразвуковую обработку в несколько раз превышают затраты на УФ — обеззараживание. Для современных станций УФ — обеззараживания сточной воды столь большие энергетические затраты на ультразвуковую обработку экономически не оправданы.

Использование ультразвука в УФ — оборудовании для очистки кварцевых чехлов.

Действие ультразвука сказывается на ускорении процесса растворения загрязнений в растворителях, доставке свежих порций растворителя к загрязненным поверхностям и удалении отделившихся частиц загрязнений из зоны очистки. Таким образом, ультразвуковая обработка скорее интенсифицирует процесс химической очистки и облегчает удаление загрязнения, а не заменяет эти процессы. В реальных условиях обеззараживания сточных вод элементы установок и кварцевые чехлы загрязняются водорослями и другими достаточно крупными элементами, на которые ультразвук не действует, но они хорошо удаляются механически. При образовании на поверхности кварцевых чехлов тонкой плотной пленки из неорганических веществ, которые имеют большую энергию связи с поверхностью, ультразвуковая очистка также будет неэффективной. Если неорганические или органические загрязнения образуют рыхлый слой, то проще и дешевле применять механическую очистку. В настоящее время все ведущие производители УФ — оборудования для обеззараживания воды не применяют ультразвук для очистки чехлов, а используют механическую очистку и химическую промывку. В российских методических указаниях по использованию УФ-излучения для обеззараживания воды [12;13] рекомендуется химическая и механическая очистка кварцевых чехлов, в руководстве США [14] в качестве основного метода применяется химическая промывка. Использование ультразвука может повысить эффективность химической промывки, но практической необходимости в этом нет.

Эксплуатация ультразвукового оборудования. При применении ультразвука следует обращать внимание на процессы, которые могут влиять на конструкцию установок, режим эксплуатации, эксплуатационные расходы, на требования к размещению и к обслуживанию персоналу и т. д. Из возможных последствий применения ультразвука особо негативными являются повышенная эрозия под воздействием кавитации и интенсивное разрушение конструктивных материалов. УФ-лампы низкого давления, применяемые в большинстве систем УФ-обеззараживания, являются сложными электровакуумными приборами, которые не проходят испытания на воздействие ультразвука, поэтому ресурс УФ-ламп может снизиться . ресурс существующих ультразвуковых излучателей имеет срок службы, соответствующий сроку службы УФ-ламп, поэтому к эксплуатационным расходам на замену ламп добавятся расходы по замене ультразвуковых излучателей и генераторов.

При использовании ультразвука необходимо применять дополнительные меры по защите персонала от воздействия его вибраций и высокочастотного шума. Нормирование ультразвука на рабочих местах осуществляется согласно СанПиН 2.2.4./2.1.8.582-96 «Гигиенические требования при работах с источниками воздушного и контактного ультразвука промышленного, медицинского и бытового назначения», а также ГОСТ 12.1.001-89 «Ультразвук. Общие требования безопасности» и ГОСТ 12.2.007.10-87 «Установки, генераторы и нагреватели, индукционные для электротермии, установки и генераторы ультразвуковые. Требования безопасности. » Ультразвуковое оборудование должно соответствовать требованиям ГОСТ 12.2.051 «Система стандартов безопасности труда. Оборудование технологическое ультразвуковое. Требования безопасности». Все наружные поверхности установок ультразвуковой обработки следует покрывать звукоизоляционным слоем.

Следовательно, при обеззараживании воды ультразвуком энергетические затраты в несколько тысяч раз превышают затраты энергии при УФ-облучении, что делает самостоятельное использование ультразвукового метода неконкурентоспособным. Воздействие малых доз ультразвука имеет противоположный обеззараживанию эффект – стимулирует увеличение общего количества микроорганизмов в воде. В настоящее время ультразвуковая обработка воды в коммунальных системах невозможна, поскольку отсутствуют критерии контроля этого процесса и нормативные документы, регламентирующие его применение. Совместное использование УФ-облучения и ультразвуковой обработки воды с целью повышения надежности обеззараживания нецелесообразно. Одновременное применение этих методов не дает синергетического эффекта, используемые дозы УФ-облучения и так обеспечивают требуемую степень обеззараживания сточных вод. Применение ультразвука для предотвращения загрязнения или очистки кварцевых чехлов УФ-ламп не может заменить традиционно используемые химическую или механическую очистки. Данные о влиянии ультразвука на срок службы УФ-ламп отсутствуют. При эксплуатации оборудования, имеющего блоки ультразвуковой обработки, необходимо обеспечить защиту персонала от воздействия ультразвука в соответствии с нормативами. Использование ультразвука дополнительно к УФ-облучению не дает преимуществ, а приводит к необоснованному увеличению энергетических затрат и усложнению мероприятий по обеспечению безопасности эксплуатации.

Ультразвук в водоподготовке

Ультразвук в системах водоснабжения применяется для обнаружения трещин и других повреждений на трубопроводах и технологическом оборудовании с помощью методов ультразвуковой дефектоскопии, находит также применение в контрольно-измерительных приборах для определения уровня жидкости в резервуарах и для установления скорости течения воды в напорных и безнапорных каналах (ультразвуковые водосчетчики). Ультразвуковая обработка оборудования используется для удаления минеральных отложений. В водоподготовке ультразвук применяется для обеззараживания питьевой воды и удаления из нее примесей и загрязнений.

Подписаться на статьи можно на главной странице сайта.

По своей физической сущности ультразвук представляет собой упругие волны наподобие обычных звуковых волн, но с большими частотами от 15 кгц до 106 кгц. Такие частоты колебаний придают ультразвуку уникальные возможности по своему распространению и затуханию в воде. Это проявляется в дисперсии звука, а также в образовании зон разряжений и уплотнений. Эти зоны образуют своеобразную дифракционную решетку, на которой происходит дифракция световых волн в оптически прозрачных средах, например, чистой воде.

Другая особенность ультразвука – большая интенсивность колебаний при небольших амплитудах. Это приводит к высокой плотности потока энергии, которая вызывает в воде явление кавитации – рост пузырьков газа в воде. В этих пузырьках возникают области высоких давлений и локальных разряжений. Кавитация в воде наступает уже при частоте колебаний 20 кгц и плотности потока энергии 0,3 Вт/см2. При больших частотах – 100–10 000 кгц и интенсивности в несколько Вт/см2 происходит образование фонтана или тумана.

Ультразвук получают с помощью генераторов, которые можно условно разбить на две группы. К первой группе относятся механические излучатели, однако они обладают невысоким КПД и широким спектром излучаемых частот, что сильно ограничивает область их использования. Ко второй, основной группе ультразвуковых генераторов относятся все виды преобразователей, которые тем или иным способом преобразуют электрические колебания в механические.

Для получения низкочастотных колебаний используются электрические излучатели, работающие на основе эффекта магнитострикции с сердечниками из никеля, ферритов и других сплавов. Магнитострикционные излучатели представляют собой цилиндрические или кольцевые сердечники с обмоткой, на которую подается переменный электрический ток определенной частоты. Получение ультразвука средней и высокой частот производится главным образом за счет пьезоэффекта при использовании кристаллов кварца, ниобата лития и дигидрофостфата калия. Такие излучатели представляют собой пластины из этих материалов, к которой подведены электрические провода для подачи переменного электрического тока. Во всех видах излучателей для увеличения интенсивности излучения применяют ультразвуковую фокусировку, а для увеличения амплитуды – концентраторы ультразвукового излучения.

Очистка воды от примесей

На кавитации, вызываемой ультразвуковым воздействием, основан метод удаления из воды примесей железа, марганца, а также растворенных газов. В нем применяется механический ультразвуковой генератор, выполненный в виде эжектора. При протекании воды через этот эжектор образуется паровоздушная смесь со скоростью распространения, превышающей звуковой барьер. Это вызывает кавитацию и приводит к дроблению воды до субмикронных размеров с резким уменьшением, вплоть до 1 мин, времени окисления кислородом воздуха двухвалентного железа (Fe +2) до трехвалентного (Fe +3). При этом также окисляются примеси марганца. Это связано с тем, что скорость распространения звуковых волн в водновоздушной среде сильно падает и достигает минимума при 27 м/с (около 97 км/ч). Поэтому сверхзвуковые скорости в эжекторе, разработанном фирмой «Тензор» (Дубна, Московская обл.), могут быть достигнуты при невысоких давлениях в водонапорной линии, которые обычно составляют всего 2,5–3,0 атм.

Ультразвуковое обеззараживание

Одним из способов обеззараживания воды в процессе водоочистки и обработки стоков является ультразвуковая обработка, которая основана также на использовании кавитации, вызванной ультразвуком. Образование высоких давлений при протекании кавитации приводят к разрыву оболочек клеток микроорганизмов и их дальнейшей гибели. Важной особенностью ультразвукового обеззараживания питьевой воды является то, что бактерицидное действие ультразвука чрезвычайно сильно зависит от интенсивности колебаний. Для полного уничтожения патогенной микрофлоры, включая ряд споров и грибков, необходимы достаточно большие дозы поглощенной энергии. В ряде случаев это очень затруднительно, и поэтому для широкого практического применения используется комбинированное воздействие на воду, включающее ультразвуковое и УФ облучение. Примером может служить серия установок «Лазурь–М» производства компании «Сварог» (Москва), в которой использовано УФ излучение с максимумами 253,7 и 185 нм совместно с ультразвуковым воздействием. Эти установки выпускаются в модульном исполнении производительностью от 0,5 до 50 м3/ч и используются как в отдельных коттеджей, так и в населенных пунктах и на промышленных предприятиях.

Разрушение органических загрязнений воды

Недавно в университете Purdue (США) был разработан эффективный метод использования ультразвука для очистки воды, который заключается в разрушение примесей органического происхождения под действием кавитации, сопровождающейся сонолюминесценцией. Суть этого явления заключается в том, что в лопающемся пузырьке при высоких температурах и давлении находится газ, который светится. Этого излучения в сочетании с температурным и манометрическим воздействием оказывается достаточно для разрушения примесей органического происхождения. Предполагается, что ультразвуковые технологии в будущем будут удачной альтернативой традиционным методам, использующим хлор и озон. Дело в том, что под воздействием этих соединений происходит обеззараживание и очистка воды, но также образуются различные органические соединения, обладающие токсичностью. Ожидается, что в результате такой обработки органические примеси распадаются на относительно безвредные компоненты. Разработчики считают несомненными преимуществами этого метода отсутствие химических реагентов и легкость его применения на практике.

Рис. 1 Ультразвуковые преобразователи, применяющиеся в составе ультразвуковых водосчетчиков.

Рис. 2 Ультразвуковой противонакипной аппарат «ЗЕВСОНИК В-2»

Рис. 3 Установка для обеззараживания воды комбинированным воздействием ультразвука и ультрафиолетового облучения «Лазурь М 250».

Статья из журнала «Аква-Терм» ноябрь-декабрь, № 6 (88), 2015. Рубрика «Водоснабжение и водоподготовка»

Опубликовано: 04 декабря 2015 г.

вернуться назад

Читайте так же:

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:

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.
Неограниченный ресурс работы – если производитель ультразвуковых приборов использует правильные материалы для производства излучателей, закладывает малые потребляемые мощности (до 100Вт).
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.

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;
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.

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.
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.
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.

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:

Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике / Пер. с немец. М.: Иностр. лит., 726 с.
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.
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.

Ультразвуковая очистка воды в пруду и бассейне, борьба с водорослями, зеленой водой, илом, бактериальными налетом в прудах и водоемах, обеззараживание воды

Промышленность
Обеззараживание стоков
Очистка бытовых стоков
Очистка пожарных водоемов
Хранение воды в резервуарах
Обеззаживание водопровода
Удаление ржавчины и отложений
Предохранение от накипи
Сельское хозяйство
Обеззараживание оборотной воды
Обеззараживание воды для полива
Активация посевного материала
Подготовка кормов
Обработка воды в УЗВ
Обеззараживание воды для птицы
Утилизация сельхоз. стоков
Дом и сад
Асептическая обработка воды
Удаление накипи в водопроводе
Очистка от кальциевых отложений
Хранение воды в резервуарах
Пруд, бассейн, фонтан
Борьба с водорослями
Предотвращение цветения воды
Удаление биопленки и налета
Обеззараживание воды
Уничтожение микроорганизмов
Почему именно УЗО?
Сегодня интерес к ультразвуку, к ультразвуковой технике всё возрастает, благодаря его проникновению в самые различные области человеческой деятельности.
История изучения и внедрения ультразвука началась много веков назад. Уникальные свойства ультразвука, его потенциал до сих пор полностью не раскрыты и с каждым годом сферы его практического применения расширяются с огромной скоростью. Понятие «ультразвук» приобрело в настоящее время более широкий смысл, чем просто обозначение высокочастотной части спектра акустических волн. С ним связаны целые области современной физики, промышленной технологии, информационной и измерительной техники, медицины, биологии, химии.
Наша компания с успехом представляет на рынке РФ и стран СНГ большой ассортимент современных ультразвуковых приборов — «УЗО» широкого спектра применения.
Приборы разработаны и произведены в Бельгии на основе научно обоснованных разработок и запатентованных изобретений.
Эффективность ультразвука доказана как опытным путем так и практическим применением приборов «УЗО» в самых разнообразных областях индивидуального и промышленного использования. Современные ультразвуковые устройства, приборы, комплексы в первую очередь интересны потребителям тем, что обеспечивают повышение качества технологических процессов, снижения при этом их себестоимость в разы.
Ультразвук «решает» проблемы и одновременно является очень весомым превентивным фактором например в такой технологиях как водоподготовка и водоочистка.
Сегодня на мировом рынке представлены ультразвуковые приборы от разных производителей и для разных сфер применения.
Почему же мы, как специалисты, рекомендуем именно приборы «УЗО», в чем их уникальность, чем они отличаются от других ультразвуковых приборов? На эти вопросы Вы получите ответы в разделе нашего сайта «Об ультразвуковых приборах УЗО».
Где и зачем используются ультразвуковые приборы «УЗО»?

В течении многих лет мы занимаемся вопросами внедрения приборов «УЗО» в различные отрасли и направления. Нами проведены опытные работы и эксперименты с практическим применением приборов «УЗО».
Во всех случаях приборы остались востребованы и эффективны, а наши клиенты остались довольны полученным результатом.
Сегодня наши приборы приобретают как представители промышленности, сельского хозяйства — для решения технологических задач, повышения качества производственных процессов, снижения затрат, так и частные лица — для использования в быту.
Благодаря своей «нешаблоности» в применении, простотой в эксплуатации достаточно будет проведения небольших опытных и тестовых работ для привязки ультразвуковых приборов «УЗО» конкретно под Ваши технологические процессы.

Бассейн — общественный и частный:
Обеззараживание воды в бассейне без химии — уничтожение и предотвращение образования патогенных микроорганизмов, в т.ч. кишечной палочки;
Борьба с сине-зелеными и нитчатыми водорослями;
Борьба с зеленой водой в бассейне;
Обеззараживание воды без химии;
Предотвращение цветения воды в бассейне;
Удаление бактериального налета на стенках и на дне бассейна;
Удаление неприятного запаха в бассейне;
Щадящая кожу биологическая очистка воды в бассейне;
Отсутствие вредного влияния на человека.

Пруды и плавательные водоемы — искусственного и естественного происхождения:
Эффективное средство борьбы с водорослями в пруду и фонтанах;
Удаление бактериального налета на дне и камнях;
Чистка пруда от биопленки на поверхности воды;
Борьба с неприятным запахом;
Уменьшение слоя ила и грязи;
Борьба с цветением воды в пруду или искусственном водоеме;
Обеззараживание воды в прудах и водоемах — уничтожение и предотвращение образования патогенных микроорганизмов и микрофлоры, в т.ч. кишечной палочки и простейших вирусов;
Увеличение прозрачности воды;
Безопасность для человека, рыб и крупных растений;
Улучшение качества пребывания и зимовки рыбы в пруду;
Биологическая очистка воды в пруду на даче
Очистка пожарного пруда от водорослей и тины

Дом и сад:
Обеззараживание воды в резервуарах, колодцах;
Очистка сточных вод для вторичного использования;
Повышение эффективности работы септика;
Уничтожение широкого спектра бактерий, вирусов;
Уничтожение яиц гельминтов и цист простейших;
Борьба с крысами, кротами, мышами;
Удаление накипи в бойлерах и котлах и трубопроводах;
Системы автополива газонов, теплиц и огорода.

Промышленность:
Борьба с водорослями, илом, цветением воды в пожарных прудах и отстойниках для воды;
Очистка и обеззараживание питьевой воды в резервуарах и накопителях;
Подготовка оборотной воды для вторичного использования;
Отпугивание птиц, животных, крыс, кротов, мышей на складах и открытых площадках.
Очистка котлов от накипи;
Чистка и предохранение внутреннего контура труб от кальциевых отложений и ржавчины;
Эффективная биологическая очистка в градирнях, отстойниках, накопителях любого типа.

Сельское хозяйство:
Обеззараживание воды для полива, содержания скота и птицы;
Очистка систем автопоения для скота и птицы от бактериальных и грибковых образований;
Профилактика болезней скота и птицы;
Очистка сельскохозяйственных и бытовых стоков;
Обработка оборотной воды для полива;
Уничтожение и предотвращение образования одноклеточных патогенных микроорганизмов и микрофлоры, в т. ч. болезнетворных бактерий типа кишечной палочки и прочего;
Предпосевная обработка посевного материала без протравливания;
Увеличение скорости и дружности всходов агрокультур;
Улучшение качества конечного продукта;
Борьба с водорослями и бактериальным налетом в трубах и накопителях;
Уничтожение и предотвращение образования фитофтораза и бактериально-водорослевого симбиоза;
Увеличение теплообмена и увеличение срока службы водонагревательного оборудования;
Борьба с кальциевыми отложениями и чистка от накипи.

У ВАС ЕСТЬ ВОПРОСЫ?
ЗВОНИТЕ!
Наши специалисты ответят на любые вопросы и помогут Вам с подбором приборов под Ваши задачи.
Телефон: +7 (495) 938-2976