Способ стерилизации водных систем

Изобретение относится к охране окружающей среды, а именно к обеззараживанию как питьевой, так и сточной воды, может быть использовано в сельском и коммунальном хозяйствах, а также пищевой, микробиологической и других отраслях промышленности. Способ включает использование кавитационного эффекта при прохождении водной системы через генератор развитой кавитации проточного типа. Перед кавитацией осуществляют предварительную активацию водной системы с помощью насадки. В насадке создаются высокие значения гидравлического сопротивления потока и коэффициента трения жидкости о стенки насадки, температура жидкости повышается, кинетическая энергия движения жидкости переходит в энергию химических превращений компонентов жидкой системы. Применение способа позволяет отказаться от ультрафиолетовой обработки водной системы. Технический результат состоит в упрощении способа, снижении материальных и энергетических затрат. 1 ил., 2 табл.

 

Изобретение относится к охране окружающей среды, а именно к обеззараживанию как питьевой, так и сточной воды, может быть использовано в сельском и коммунальном хозяйствах, а также пищевой, микробиологической и других отраслях промышленности. Предлагаемое изобретение является актуальным для стерилизации водных систем при чрезвычайных ситуациях.

Известные способы обеззараживания, основанные на термическом, химическом воздействии на микроорганизмы, ультрафиолетовом облучении, не являются универсальными. Термические требуют специальной энергоемкой аппаратуры, при химическом обеззараживании используют высокоагрессивные реагенты, обеззараживание при помощи ультрафиолетовых ламп малоэффективно при уничтожении спорообразующих бактерий [Блинов Н.П. Химическая микробиология: Учебник для студентов вузов, обучающихся по спец. «Биотехнология». - Москва: Высшая школа, 1989. - 448 с.].

Среди химических методов обеззараживания водных сред самым распространенным является хлорирование, которое уничтожает вредные для человека микроорганизмы, но при этом образует не менее вредные производные - хлорорганические соединения [Драгинский В.Л., Алексеева Л.П. Образование токсичных продуктов при использовании различных окислителей для очистки воды//Журнал водоснабжение и санитарная техника. - 2002. - №2. - С.43-45]. Повышенная опасность хлорных реагентов, технические и экономические проблемы приведения их в соответствие с современными требованиями вынуждают предприятия жилищно-коммунальной сферы обращаться к замене хлорирования на альтернативные, более безопасные технологии обработки воды.

Применяемые в настоящее время в промышленности такие методы обеззараживания, как озонирование и ультрафиолетовая обработка, не могут считаться универсальными, так как не обеспечивают эффективного обеззараживания при наличии в воде коллоидных частиц или органических соединений естественного или искусственного происхождения [Савлюк О.С. и др. Изучение обеззараживания питьевой воды в макетной УФ-установке //Химия и технология воды. - 1993. -№15. - С.11-12].

Все более возрастающее загрязнение природных вод микроорганизмами, устойчивых к действию химических дезинфектантов (вирусы, споровые формы, цисты простейших), предопределяет необходимость применения высоких доз реагентов либо других безопасных методов, к таким относятся физико-химические методы очистки воды [Коваленко Н.А. и др. Адсорбционно-каталитическая очистка и обеззараживание питьевой воды//Журнал водоснабжение и санитарная техника. - 2003. - №5. - С.37-38].

Особый интерес представляет метод кавитационного воздействия. Гидродинамическая кавитация может сопровождаться рядом физико-химических эффектов, например искрообразованием и люминесценцией. При схлопывании кавитационных пузырьков кинетическая энергия движения вещества (движение оболочки пузырька к центру) переходит в энергию активации химических реакций. Температура жидкости поднимается, происходит реакция термического разложения. Кроме того, в жидкости возникает кавитационно-кумулятивный эффект. Кумуляция является следствием образования ударных волн давления при дроблении каверны и схлопывании образующихся кавитационных пузырьков. В конечной стадии захлопывания кавитационных пузырьков, в начале расширения кавитационной полости, при сверхзвуковом течении пузырьковой смеси в жидкости возникают плоские и сферические ударные волны, мощные кратковременные импульсы давления, образуются кумулятивные микроструйки, скорость которых достигает несколько сотен метров в секунду [Федоткин И.М., Гулый И.С. Кавитация, кавитационная техника и технология, их использование в промышленности. - Киев: Полиграфкнига, 1997. - 840 с.].

Вышеперечисленные физико-химические эффекты, возникающие в жидкой среде под воздействием кавитации, широко используются в разных отраслях промышленности, в том числе и для очистки и обеззараживания разного рода жидкостей.

Прототипом предлагаемого изобретения является способ обеззараживания воды синергетическим воздействием. Для осуществления способа в проточных объемах проводят гидродинамическую кавитационную обработку потока воды и последующую обработку ультрафиолетовым облучением, причем гидродинамическую кавитацию осуществляют ступенчато с помощью дополнительно устанавливаемых возбудителей кавитации, при этом перед началом кавитационной обработки поток воды сужают до достижения скорости потока 19,0-28,0 м/с, для чего площади поперечных сечений ступеней выбирают, исходя из соотношений:

S=(13,2-14,6)*10^-6*Q,

где S - площадь поперечного сечения первой ступени, м²;

Q - расход воды, м³/ч;

(13,2-14,6)10^-6 - коэффициент, определяющий обратную величину скорости потока воды перед первой ступенью возбудителей, ч/м.

Ультрафиолетовое облучение проводят интенсивностью 13,5-15,0 мДж/см² [Патент РФ 2209772 7 С 02 F 1/50, «Способ обеззараживания воды синергетическим воздействием» /Флегентов И.В., Дегтерев Б.И., Беляев А.Н.].

К недостаткам данного способа можно отнести следующее:

- низкую эффективность гидродинамического кавитационного воздействия на жидкую среду, что обусловлено тем, что зоны кавитации в реакторе привязаны к определенному возбудителю кавитации, и не формируются во всем объеме реактора;

- процесс кавитационной обработки проводят при скорости потока 19-28 м/с, что не обеспечивает интенсивность кавитации достаточной для полной стерилизации находящихся в жидкости микроорганизмов и обуславливает необходимость применения стадии ультрафиолетового облучения, что ведет к увеличению энергетических затрат на проведение процесса;

- ультрафиолетовое облучение является малоэффективным при обработке мутных жидких систем и к тому же применение ультрафиолетовых ламп ведет к их биообрастанию, что также снижает эффективность обеззараживания.

Задачей предлагаемого изобретения является упрощение способа обеззараживания повышением кавитационого воздействия на водную систему за счет предварительной активации.

Поставленная задача решается предложенным способом стерилизации водных систем с использованием кавитационого эффекта при прохождении водной системы через генератор кавитации проточного типа, в котором перед кавитацией осуществляют предварительную активацию водной системы с помощью насадки, установленной перед кавитатором, за счет создания в насадке скорости потока водной системы 32-36 м/с и давления в насадке 20-30 атм, причем длину насадки определяют из соотношения L=(66,6-68,6)d,

где L - длина насадки, мм;

d - диаметр насадки, мм;

(66,6-68,6) - коэффициент, определяющий потери напора на трение.

В насадке создаются высокие значения гидравлического сопротивления потока и коэффициента трения жидкости о стенки насадки, температура обрабатываемой жидкости повышается, кинетическая энергия движения жидкости переходит в энергию химических превращений компонентов жидкой системы, внутренняя энергия системы повышается за счет градиента давления, растворенный в жидкости кислород переходит в активную форму, увеличивается количество взаимодействий компонентов системы, растет число активных взаимодействий микроорганизмов друг с другом и с поверхностью насадки, в результате чего происходит частичное окисление присутствующих в жидкости органических загрязнителей, начинается процесс разрушения защитных оболочек микроорганизмов, гибель части живых и ослабленных микроорганизмов.

Схема установки для реализации способа кавитационного обеззараживания жидких систем представлена на фиг.1.

Принципиальная схема содержит емкость с обрабатываемой жидкостью 1; вентиль 2, насос 3; манометр 4, генератор кавитации 5; стерильную емкость 6. Обрабатываемая жидкость из емкости 1 через вентиль 2 насосом 3 подается в трубчатую насадку, причем скорость потока обрабатываемой жидкости составляет 32-36 м/с, давление, создаваемое потоком в насадке, 20-30 атм, а длина насадки определяется из соотношения L=(66,6-68,6)d. Затем поток жидкости подается в генератор кавитации 5 (манометром 4 проводится контроль давления на входе в кавитатор), здесь происходит образование короткоживущих паровых пузырьков в тех областях потока, в которых падает давление, попадая вместе с потоком воды из области низкого давления в область высокого давления, такой пузырек схлопывается [Патент 1614241 24.05.91. Гидрокавитационный генератор Родионова В.П. /Родионов В.П.]. Пузырьки эти образуются на неоднородностях, в качестве которых служат микробы. Импульсы давления, возникающие в кавитационных пузырьках, обусловливают мгновенные разрывы микроорганизмов и простейших, находящихся в водной среде. Такие высокие локальные ударные давления на поверхности микробов, соприкасающихся в жидкости со схлопывающимися кавитационными пузырьками, и возникающие кумулятивные микроструи вызывают эрозионное разрушение. Обработанная жидкость поступает в стерильную емкость 6.

Пример 1. Исходную зараженную водную систему из емкости 1 через вентиль 2 насосом 3 подают в трубчатую насадку, причем скорость потока обрабатываемой жидкости составляет 32 м/с, давление, создаваемое потоком в насадке, 20 атм, диаметр насадки 5 мм, а длина насадки определяется из соотношения L=(66,6-68,6)d, L=66,6*5=333 мм. Затем поток жидкости подается в генератор кавитации 5, в нем происходит образование короткоживущих паровых пузырьков в тех областях потока, в которых падает давление, попадая вместе с потоком воды из области низкого давления в область высокого давления, такой пузырек схлопывается. Импульсы давления, возникающие в кавитационных пузырьках, обусловливают мгновенные разрывы микроорганизмов и простейших, находящихся в водной среде. Обработанная жидкость поступает в стерильную емкость 6. Степень стерилизации составила 99%. Параметры выполнения способа при других условиях приведены в таблице 1.

Таблица 1
Пример	Давление на выходе из насоса, р, атм	Диаметр насадки, d, мм	Длина насадки, L, мм	Скорость потока жидкости, v, м/с	Степень стерилизации, %
1	20	5	333	32	99
2	21	5	337,5	32	99
3	22	5	343	33	99
4	23	6	400,8	34	99
5	24	6	403,2	34	100
6	25	6	405	35	99
7	26	7	475,3	35	99
8	27	7	480,2	36	100
9	30	8	544	36	100

Сравнительная характеристика предлагаемого способа и прототипа представлена в таблице 2.

Таблица 2
Способ	Скорость потока жидкости, м/с	Степень стерилизации после кавитационной обработки, %	Степень стерилизации после ультрафиолетового облучения, %
Прототип	19-28	28	99
Предлагаемый	32-36	100	-

Таким образом, применение предлагаемого способа стерилизации позволяет отказаться от стадии ультрафиолетовой обработки водной системы, чем значительно упростить способ обеззараживания, а также снизить материальные и энергетические затраты.

Способ стерилизации водных систем с использованием кавитационного эффекта при прохождении водной системы через генератор развитой кавитации проточного типа, отличающийся тем, что перед кавитацией осуществляют предварительную активацию водной системы с помощью насадки, установленной перед кавитатором, за счет создания в насадке скорости потока водной системы 32-36 м/с и давления в насадке 20-30 атм, причем длину насадки определяют из соотношения

L=(66,6÷68,6)d,

где L - длина насадки, мм;

d - диаметр насадки, мм;

(66,6÷68,6) - коэффициент, определяющий потери напора на трение.