Очистка сточных вод ультразвуком

Обеззараживание воды ультразвуком

Одним из способов обеззараживания сточных вод считается воздействие на воду ультразвука.  
 
Механизм бактерицидного воздействия ультразвука на потенциально опасные микроорганизмы крайне прост: ультразвук наносит живой клетке механические повреждения, в следствии чего происходит ее постепенное разрушение и гибель. Преимуществом использования ультразвука перед многими другими средствами обеззараживания сточных вод служит его нечувствительность к таким факторам, как высокая мутность воды, характер и количество микроорганизмов, а также наличие в воде растворенных веществ.  
 
Единственный фактор, который влияет на эффективность обеззараживания сточных водультразвуком — это интенсивность ультразвуковых колебаний. Ультразвук — это звуковые колебание, частота которых находится значительно выше уровня слышимости. Частота ультразвука от 20000 до 1 миллион Гц, следствием чего и является его способность губительным образом сказываться на состоянии микроорганизмов. 
 
Обеззараживание и очистка воды ультразвуком считается одним из новейших методов дезинфекции, ультразвуковое воздействие на потенциально опасные микроорганизмы не часто применяется в фильтрах обеззараживания сточных вод, однако его высокая эффективность позволяет говорить о перспективности этого метода обеззараживания воды.

ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЕ ВОДЫ УЛЬТРАЗВУКОМ 
Ультразвук (УЗ) — это упругие колебания и волны, частота которых выше 15-20 кГц. При воздействии УЗ на жидкость возникают специфические физические, химические и биологические эффекты, такие, как кавитация, капиллярный эффект, диспергирование, эмульгирование, дегазация, обеззараживание, локальный нагрев и многие другие. 
 
Бактерицидное действие ультразвукового излучения в основном связано с кавитацией. Кавитация — это возникновение в жидкости массы пульсирующих газовых пузырьков. В течение всего отрицательного полупериода давления и части положительного при УЗ воздействии наблюдается рост кавитационного пузырька до некоторого максимального размера. Затем пузырек схлопывается, 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. 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. 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. 
 
Биологическое действие УЗ известно давно [4,5,8]. Для обеззараживания необходима интенсивность ультразвука более 2Вт/см2 при частоте 20-50 кГц. Исследования УЗ обеззараживания сточной воды показали, что для уменьшения e-coli или фекальных колиформ на три порядка необходима обработка воды ультразвуком в течение 60 мин. при плотности УЗ мощности 400Вт/л. Для сравнения аналогичный эффект обеззараживания обеспечивается УФ-облучением с мощностью 2 мкВт/см2. Обычно затраты электроэнергии при УФ-обеззараживании питьевых и сточных вод не превышают 0,02-0,04 Вт·час/л. Полученные в затраты энергии при УЗ обеззараживании воды в несколько тысяч раз выше, чем при УФ-обеззараживании. При малом времени воздействия или при низких интенсивностях УЗ может стимулировать увеличение числа микроорганизмов. Например, согласно исследованиям, 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. 
 
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 через определенное время контакта, 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.

СОВМЕСТНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ УЛЬТРАЗВУКА И УЛЬТРАФИОЛЕТА ДЛЯ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ 
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. 
 
Совместное использование УФ- и УЗ-обработки не обладает синергетическим эффектом. Вклад ультразвука в инактивацию микроорганизмов по сравнению с УФ незначителен. Механизм влияния УЗ-обработки сточной воды до УФ-обработки заключается в том, что УЗ разрушает большие взвешенные частицы, и эффективность обеззараживания УФ-излучением микроорганизмов, которые находились внутри, возрастает. Однако, как следует из этих исследований, энергетические затраты на дополнительную УЗ-обработку в несколько раз превышают затраты на УФ-обеззараживание. Возможно, для некоторых специфических условий УЗ-обработку можно применять, но для современных станций УФ-обеззараживания сточной воды столь большие энергетические затраты на УЗ-обработку экономически не оправданы. Для питьевой воды УЗ-обработка вообще не имеет смысла, поскольку количество частиц с большими размерами мало.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ УЛЬТРАЗВУКА В УФ-ОБОРУДОВАНИИ ДЛЯ ОЧИСТКИ КВАРЦЕВЫХ ЧЕХЛОВ 
 
Использование ультразвука в жидкости для очистки поверхностей также известно достаточно давно. Действие ультразвука при очистке поверхностей в основном, 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 самостоятельно эти процессы. В реальных условиях обеззараживания сточных вод элементы установок и кварцевые чехлы могут загрязняться водорослями и другими достаточно крупными элементами, на которые УЗ 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. Если неорганические или органические загрязнения образуют рыхлый слой, то проще и дешевле применять механическую очистку. Возможно, в каких-то специальных задачах либо конструкциях ультразвук может быть полезен (например, для очистки внутренней поверхности труб), но 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 рекомендуют только химическую и механическую очистку кварцевых чехлов, в руководстве США по разработке УФ-оборудования в качестве основного метода очистки чехлов рекомендуется применять химическую промывку. Использование УЗ может повысить эффективность химической промывки, но практической необходимости в этом нет. 
 
Эффективность УЗ-обработки для предотвращения загрязнения кварцевых чехлов УФ-ламп или их очистки не доказана. Ни один из ведущих мировых производителей УФ-оборудования (Wedeco, Trojan, Bernson, Hanovia и др) не использует УЗ для очистки кварцевых чехлов в своих системах обеззараживания природных и сточных вод.

ВЫВОДЫ:

• Обеззараживание воды ультразвуковым излучением требует затрат энергии в несколько тысяч раз превышающих затраты, необходимые для обеспечения аналогично эффекта УФ-облуче-нием, что делает самостоятельное использование метода неконкурентоспособным.
• 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 обеспечивают требуемую степень обеззараживания как для сточных, так и для природных вод.
• Применения 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.
• Эксплуатация оборудования, имеющего блоки ультразвуковой обработки, связана с необходимостью обеспечить защиту персонала от воздействия УЗ в соответствии с нормативами. Отсутствуют данные о влиянии УЗ на срок службы УФ-ламп.
• Использование ультразвука дополнительно к ультрафиолетовому облучению не дает никакого преимущества, а приводит к необоснованному увеличению энергетических затрат и усложняет мероприятия по обеспечению безопасности эксплуатации.

В современном  мире особенно актуальной является проблема очищения промышленных выбросов от синтетических  поверхностно-активных веществ, использование которых с каждым годом становится всё активнее.  Одним из наиболее эффективных способов обеззараживания сбросов таких производств является очистка сточных вод с помощью ультразвука.

Данная  технология предполагает использование  широко известного механизма бактерицидного действия ультразвуковых колебаний на опасные микроорганизмы. Суть очистки сточных вод ультразвуковыми генераторами состоит в том, что колебания наносят механические повреждения живым клеткам микроорганизмов, приводя к их разрушению и гибели.

Основным преимуществом  данного метода является его устойчивость к таким факторам, как количество и особенности микроорганизмов, мутность раствора и наличие в  нем посторонних примесей.

Единственным фактором, влияющим на уровень эффективности обеззараживания и водоочистки стоков ультразвуковым методом, является интенсивность колебаний. Их частота находится выше уровня слухового восприятия, а в диапазоне от 20 000 до 1 000 000 Гц является губительной для микроорганизмов. Именно эта особенность и используется при водоочистке стоков ультразвуком. 

В первый раз данный способ был предложен в 1928 году. Механизм действия ультразвука до конца пока еще не изучен. Есть некие предположения:

- ультразвук вызывает образование  пустот в завихренной части, это и приводит к разрыву клеточных стенок бактерий; 
– ультразвук вызывает выделение растворенного в воде газа, а пузырьки от газа, оказавшиеся в бактериальной клетке, вызывают разрыв клетки. 
Превосходством применения ультразвука перед остальными методами обеззараживания сточных вод является его нечувствительность к таким моментам, как высокая мутность и цветность воды, количество микроорганизмов и присутствие в воде растворенных веществ. 
Единственный момент, который оказывает большое влияние на обеззараживание сточных вод ультразвуком является - интенсивность ультразвуковых колебаний. Ультразвук — представляет собой звуковые колебания, частота которых существенно выше уровня частоты слышимости человеческого уха. Частота ультразвука от 20000 до 1000000 Гц, в следствие чего и появилась способность, которая губительным образом отражается на состоянии микроорганизмов. Бактерицидное влияние ультразвука различной частоты очень существенно и зависит от интенсивности звуковых колебаний.

Обеззараживание и очищение воды ультразвуком считается одним из самых современных способов дезинфекции. Ультразвуковое воздействие не часто используется в фильтрах обеззараживания питьевой воды, однако эффективность данного метода позволяет говорить о перспективности метода обеззараживания воды ультразвуком, даже несмотря на его дороговизну.

Глава 3. Использование низкочастотного  ультразвука для интенсификации процесса биологической очистки

Особенность илов зрелого возраста, а именно устойчивость к изменению условий внешней среды и низкий прирост обусловливают целесообразность их применения при биоочистке токсичных сточных вод непостоянного состава, что характерно для промстоков химической промышленности. Однако многокомпонентность, наличие ксенобиотиков, токсичных примесей и существенные колебания концентраций загрязнителей в сточных водах диктуют необходимость повышения их ферментативной активности.

Проведенные ранее исследования [1,2] показали, что  дегидрогеназная активность илов (ДАИ), сформированных на водах производств органического синтеза, 0,9 — 2,8 мг/г, поэтому следует ожидать низкого качества очищенных стоков, особенно при залповых сбросах поллютан-тов различной природы.

Низкочастотное  ультразвуковое воздействие (УЗ В) различной интенсивности на иловую суспензию в стационарных условиях оказывает значительное влияние на дегидрогеназную активность низконагружаемых промышленных илов (рис. 8) [1].

Экспериментально  полученные закономерности позволяют  отдать предпочтение двум режимам УЗВ с интенсивностью 6 и 8 Вт/см2 при продолжительности обработки 2 и 0,5 мин соответственно.

Однако  при выборе эффективного режима с  целью его реализации в производственных условиях должны быть учтены деструкционные процессы, наблюдаемые в иловой суспензии, приводящие к частичному разрушению флокул активного ила и бактериальных клеток и обогащению среды ростовыми веществами (см. таблицу).

Приведенные результаты показывают целесообразность обработки активного ила в  поле ультразвуковых волн при интенсивности 6 Вт/см2 в течение 0,5 — 1 мин, обеспечивающей двух-трехкратное повышение ДАИ при минимально возможной деструкции микробиальных клеток. Следует также отметить дополнительное обогащение среды биологически активными веществами, что очень важно для практического применения, потому что снижаются затраты на биогенные элементы, необходимые для эффективного протекания биохимических процессов.

Совокупность  экономических и биотехнологических факторов (ожидаемый рост энергозатрат при внедрении УЗВ иловой суспензии, снижение эффективной дозы биоагента вследствие деструкционных процессов при кавитации, повышение ферментативной активности илов и концентрации ростовых веществ, а, следовательно, необходимость существенного повышения окислительной мощности очистных сооружений (особенно в случае залповых сбросов) ксенобиотиков и экотоксикантов) свидетельствует о перспективности УЗВ на часть циркулирующего ила в стационарных условиях, как одного из вариантов реализации предлагаемого приема интенсификации процесса биологической очистки вод в условиях продленной аэрации.

Рис.8 Закономерности изменения ДЛИ после УЗВ

Необходимость изучения динамики изменения ДАИ  после УЗВ в процессе ассимиляции  трудноокисляемых поллютантов многокомпонентных  сточных вод диктуется отсутствием информации в этой области и, как следствие, невозможностью прогнозирования эффективности биохимических процессов, протекающих в аэротенке.

Рис. 9

Была  проведена серия испытаний пилотной установки проточного типа с аэротенком объемом Юл (рис. 9) в условиях, максимально приближенных к производственным: использование промышленных стоков и иловых суспензий, параметры процесса биологической очистки соответствовали реальным (доза ила, концентрация растворенного кислорода, продолжительность аэрации и др.).