Обеззараживание воды с использованием УФ-излучения давно стало распространенной технологией, которая, в сочетании с хлорированием, обеспечивает эффективные многоуровневые схемы очистки воды. Однако хлорирование сопряжено с негативными экологическими последствиями, такими как образование опасных побочных продуктов. В связи с этим для обеззараживания сточных вод ультрафиолетовое облучение практически является единственной альтернативой.
Именно поэтому в информационно-техническом справочнике по наилучшим доступным технологиям ИТС 10-2019, касающемся очистки сточных вод, УФ-обеззараживание указано как единственная технология, полностью соответствующая требованиям к наилучшей доступной технологии для очистных сооружений различных размеров. В этом справочнике отсутствует любое упоминание о других технологиях обеззараживания, таких как применение ультразвука, которые могли бы улучшить эффективность ультрафиолетового облучения. Давайте рассмотрим причины этого явления.
Ультразвук представляет собой упругие колебания и волны с частотой выше 15–20 кГц. Воздействие ультразвука на жидкость вызывает различные физические, химические и биологические эффекты, такие как кавитация, диспергирование, эмульгирование, дегазация, локальный нагрев и другие. Кавитация, проявляющаяся в образовании схлопывающихся газовых пузырьков, порождает ударные волны с высоким импульсным давлением и температурой, что считается ключевым для обеззараживания воды ультразвуком.
Для достижения эффективной кавитации ультразвук должен иметь частоту 20–22 кГц и плотность воздействия не менее 2 Вт/м2. В установках, где используется ультрафиолет и ультразвук, ультразвуковая плотность обычно составляет 0,02–0,2 Вт/м2, что недостаточно для достижения обеззараживающего эффекта. В то время как интенсивность УФ-облучения, необходимая для обеззараживания воды, составляет 0,25–0,3 Вт/м2, ультразвуковое обеззараживание становится энергетически невыгодным и не применяется в коммунальных и промышленных системах.
Однако возможно, что ультразвук может как-то влиять на процесс УФ-обеззараживания или усиливать его? Прежде чем рассмотреть этот вопрос, давайте изучим, как действует ультрафиолет и какие возможности предоставляет ультразвук.
Бактерицидный ультрафиолет, с длиной волны от 205 до 315 нм и пиком в районе 265 нм, приводит к разрушению структуры молекул ДНК или РНК (в дальнейшем рассматриваем только ДНК, хотя это также относится к РНК). Этот процесс, известный как инактивация микроорганизмов, препятствует их дальнейшему размножению. Некоторые бактерии могут ограниченно восстанавливать структуру своей ДНК после повреждений (реактивация), но количество повреждений зависит от количества поглощенного ультрафиолета, и чем больше ультрафиолета, тем больше повреждений.
Уровни ультрафиолета, измеряемые в единицах УФ-дозы (мДж/см2), определены в регулирующих нормативных документах. Например, для обеззараживания сточной воды требуется УФ-доза не менее 30 мДж/см2, а для подготовки питьевой воды – не менее 25 мДж/см2. В пищевой промышленности обычно используется УФ-доза в размере 40 мДж/см2.
Для того чтобы ультрафиолет разрушил ДНК микроорганизма, он должен пройти через несколько препятствий. Сначала, ультрафиолет излучается УФ-лампой, затем проходит через кварцевый чехол (первое препятствие), проникает сквозь толщу воды (второе препятствие) и, наконец, проникает через клеточную мембрану или вирусную оболочку (третье препятствие) для достижения ДНК.
Однако ультразвук, хотя и способен создавать колебания, не может оказать воздействие на требуемую УФ-дозу, так как не воздействует ни на ДНК, ни на клеточные стенки. Говоря о влиянии ультразвука на клетку или вирус, он не в состоянии разрушить клеточную стенку или повредить вирусную оболочку настолько, чтобы обеспечить обеззараживание.
Таким образом, важным выводом является то, что если УФ-доза является регулируемым параметром для любого оборудования обеззараживания воды (с ультразвуком или без), то это оборудование должно обеспечивать эту дозу, независимо от наличия ультразвуковой обработки воды. Утверждения производителей о том, что совместное применение ультразвука и УФ-обработки позволяет использовать оборудование с меньшей УФ-мощностью, являются вводящими в заблуждение.
Прохождение ультрафиолета через толщу воды включает в себя возможность его поглощения растворенными органическими соединениями или твердыми взвешенными веществами в воде. Ультразвук не оказывает влияния на растворенную органику, но широко используется для удаления твердых загрязнителей с поверхности воды. Возможно, ультразвук может улучшить обеззараживание в воде с высокой концентрацией взвешенных веществ, но проведенные испытания показали, что этот эффект минимален.
В статье [3] утверждается, что ультразвуковая обработка сточной воды в течение 5 секунд снижает количество взвешенных частиц размером более 50 мкм на 60% при энергии 310 Вт/л. Однако энергозатраты на ультразвуковую обработку значительно превышают затраты на ультрафиолетовое обеззараживание (50 Вт/л). В другом исследовании [3] ультразвуковая обработка с мощностью почти в 5 раз превышающей мощность УФ-облучения привела к приросту эффективности обеззараживания всего на 0,2%.
Современные станции обеззараживания сточной воды не оправдывают больших энергозатрат на ультразвуковую обработку, так как ультрафиолетовое обеззараживание эффективно работает при концентрации взвешенных веществ до 35 мг/л. Для питьевой воды ультразвуковая обработка не имеет смысла, поскольку в питьевой воде отсутствуют взвешенные вещества. Поэтому одновременное применение УФ и ультразвука не обнаруживает синергии, и энергозатраты на ультразвуковую обработку оказываются неоправданными.
Важным моментом является также то, что ультразвук не воздействует на структуру кварцевого чехла, через который проходит ультрафиолет. Ультразвук может влиять на загрязнение поверхности кварцевого чехла, но не изменяет его структуру. Применение ультразвука для очистки кварцевых чехлов не обосновано, поскольку существуют эффективные механические и химические системы очистки.
Таким образом, использование ультразвука не улучшает процесс УФ-обеззараживания, а лишь приводит к дополнительным энергозатратам.
Приведенный пример проекта в Казахстане отчетливо демонстрирует недостатки использования ультразвуковых систем в коммунальных очистных сооружениях. Мощность ультразвуковых излучателей, предлагаемых для установки в лотковой системе, составляет около 28 кВт, что превышает 15% общего энергопотребления станции. В данном контексте ультразвук позиционировался как альтернатива традиционной механической очистке. Вместо этого, энергозатраты на обычную механическую (пневматическую) очистку составляют всего 3 кВт при периодической работе компрессора. Следовательно, даже при постоянной работе компрессора применение ультразвука обеспечивает экономию электроэнергии в размере 90%.
Отказ от использования ультразвука в системах с ультрафиолетовым облучением также предлагается как метод избежания дополнительных эксплуатационных расходов, связанных с заменой ультразвуковых излучателей в течение примерно 2 лет, а также с обеспечением безопасности персонала и защитой оборудования при работе с ультразвуком.
Стандарты и нормы безопасности, такие как СанПиН 2.2.4/2.1.8.582-96, ГОСТ 12.1.001-89 и ГОСТ 12.2.007.10-87, регулируют использование ультразвука на рабочих местах. Это касается как воздушного, так и контактного ультразвука.
В связи с опасностью контактного воздействия отмечается, что технологический процесс ультразвуковой обработки должен полностью исключать контакт, а наружные поверхности установок следует покрывать звукоизоляционным слоем. Однако даже при соблюдении этих мер предосторожности ультразвук может распространяться по металлическим конструкциям, особенно в системах с хорошими контактными соединениями, такими как стальные трубопроводные системы. Это может привести к проникновению ультразвука в помещения с людьми и вызывать различные негативные последствия, такие как головная боль, быстрая утомляемость и падение артериального давления. Приводятся примеры случаев, когда после установки системы обеззараживания воды с использованием ультрафиолетового и ультразвукового облучения персонал вынужден был переместиться из-за дискомфорта и головной боли.
Отмечается также негативное воздействие ультразвука на УФ-лампы в установке. УФ-лампа, будучи сложным электровакуумным прибором, подвергается опасности от дополнительных нагрузок, вызванных ультразвуковым воздействием. Это может привести к различным повреждениям, таким как осыпание слоя эмиттера с электрода, отслаивание амальгамного пятна, физические разрушения и нарушение вакуума в местах заштамповки электродов. Комплексное воздействие этих факторов может значительно сократить срок службы УФ-лампы до 2-3 раз.
Выводы изложены следующим образом:
- Прямое использование ультразвука для обеззараживания нецелесообразно из-за значительного превышения эксплуатационных расходов по сравнению с стандартным методом УФ-обеззараживания в десятки раз.
- Попытки использования ультразвука для усиления процесса УФ-обеззараживания также оказываются малоэффективными, поскольку не обеспечивают значительного положительного влияния на эффективность УФ-обеззараживания, но в то же время приводят к увеличению энергозатрат на обеззараживание воды на 10–25%.
- В случае, если конечный пользователь все же решает применять комбинированный метод УФ + УЗ, ему следует предпринять дополнительные меры для обеспечения безопасности персонала и сохранности оборудования.
- Использование ультразвука в качестве дополнительной технологии к основному методу УФ-обеззараживания скорее всего представляет собой маркетинговый прием, чем действительную вспомогательную технологию, способную обеспечить синергетический эффект.
Возможно, вы искали: обеззараживание воды, обеззараживание воды ультрафиолетом, обеззараживание сточных вод
