Магистерская диссертация на тему Достоинства и недостатки обеззараживания природной воды методом ультрафиолетового облучения. Магистерская про УФО. Достоинства и недостатки обеззараживания природной воды методом ультрафиолетового облучения
 Скачать 2.2 Mb.
|
|
1.2 Терминология «Биопроба»: биологический тест на обеззараживание, позволяющий оценить возможности системы обеззараживания (в уменьшенном или промышленном масштабе). В тесте «Биопроба» используется процедура введения микроорганизмов на входе в систему обеззараживания. УФИ: электромагнитное излучение с длиной волны в интервале 100-400 нм. УФИ-С: электромагнитное излучение с длиной волны 200-280 нм, соответствующее бактерицидной области. Доза УФИ-С, мДж/см 2 : энергия УФИ-С, применяемая или необходимая для данного значения падения численности данного микроорганизма. Доза УФИ-С определяется потоком УФИ-С за время облучения. 13 Поток УФИ-С, Вт/см 2 : мощность излучения, полученная сферой бесконечно малого размера. Говоря об УФИ-реакторах, часто путают понятия интенсивности (см. ниже) и потока, Интенсивность УФИ-С (энергия на площадь, Вт/см 2 ): поток УФИ-С, полученный бесконечно малой поверхностью. Очень часто используют также термин «облученность». 1.3 Обеззараживание ультрафиолетовым излучением Сначала мир обнаружил инфракрасное излучение, далее физик Иоганн Вильгельм Риттер продолжил изучение в противоположном конце спектра на другие виды излучений, и обнаружил, что под невидимым излучением за пределами фиолетового спектра хлорид серебра разлагается быстрее. Сегодня мы можем использовать гораздо большие возможности ультрафиолетового излучения в различных родах деятельности, благодаря созданию и развитию искусственных источников ультрафиолетового излучения. Находящееся в электромагнитном спектре ультрафиолетовое излучение в диапазоне длин волн от 100 до 400 нм, располагается между видимой областью и рентгеновским излучением. В свою очередь, ультрафиолетовая область разделяется на четыре поддиапазона длин волн (Рис. 1.2). Рисунок 1.2 – Диапазоны УФИ в электромагнитном спектре При рассмотрении того, когда солнечный свет проходит атмосферу Земли, при этом поглощается практически весь УФИ-C, где-то 90% от УФИ-B, и совсем слабо УФИ-A. Все УФИ являются источником актиничных или химических волн, получивших свое название вследствие того, что энергия соответствующих 14 фотонов способна вызывать химические преобразования в ходе фотохимических реакций. Излучение, используемое для обеззараживания, располагается в поддиапазоне УФИ-С, отвечающем «бактерицидной» области. Дело в том, что компоненты клеточных тканей, белки и нуклеиновые кислоты поглощают УФИ в диапазоне 200-300 нм, причем для ДНК допустимый максимум поглощения соответствует 260 нм. УФИ-С получают с помощью кварцевых ламп, заполненных парами ртути под малым или средним давлением. В зависимости от используемого источника получаемое излучение может быть квазимонохроматическим (254 нм) или полихроматическим. Воздействие ультрафиолетовым излучением на воду относится к физическому методу обеззараживания, или безреагентный. Механизм бактерицидного действия основан на поглощении фотонов пиримидиновыми основаниями, входящими в состав ДНК, — главным образом, тимином, но также и цитозином. Облучение вызывает димеризацию двух соседних оснований, приводящую к обрыву цепочки ДНК, что делает невозможной ее последующую репликацию (обратимость). Эффективность обеззараживания ультрафиолетовым излучением отражается в удаления различных бактерий, вирусов, пропорциональна мощности излучения и продолжительности воздействия на обрабатываемую воду, не зависит от ее pH и температуры. При использовании УФИ установок и выборе их режима работы обязательно должно учитываться наличие взвесей, так как они заслоняют собой целевые загрязнения и поглощают собой часть излучения. К тому же от этого зависит не только эффективность обеззараживания, но и экономические показатели процесса: чем выше прозрачность воды для УФ-лучей, тем меньше надо затратить энергии на обеспечение одной и той же дозы для эффективного УФ-обеззараживания. Способность некоторых микроорганизмов к возвращению к жизни может снижать качество обеззараживания с помощью УФИ. Эта проблема возникает в связи с запуском механизмов, способных регенерировать структуру ДНК: 15 фотореактивации (мономеризации димеров пиримидинов); удаления и восстановления (замены поврежденных нуклеотидов, сопровождаемой рекомбинацией неповрежденных звеньев цепочки). По результатам некоторых исследований было выявлено, что колиформные бактерии, а также для Escherichia coli, Streptomyces, Aerobacter, PeniciHium, Saccharomyces и Micrococcus способны к фотореактивации. Показатели цветности, мутности, окисляемости, ХПК, БПК воды были исследованы специалистами НИИ гигиены им. Ф. Ф. Эрисмана на то, как они влияют на ультрафиолетовое обеззараживание. Таблица 1.2 – Требуемый диапазон обобщенных показателей воды цветность 20–50 градусов мутность 1–30 мг/л перманганатная окисляемость 6–14 мг О 2 /л ХПК 29–63 мг/л БПК 5–10 мг/л Применение ультрафиолетового излучения в целях обеззараживания приводит к минимальному образованию побочных продуктов. Однако некоторые химические соединения, присутствующие в воде, способны поглощать излучение на длинах волн, используемых для такой обработки, и поэтому могут давать побочные продукты. Это явление приобретает тем большую важность, чем более широк спектр УФИ используемого источника по сравнению с бактерицидной длиной волны (лампы среднего давления). Оно затрагивает, в частности, ароматические, а также хлорсодержащие алифатические соединения. Однако для их фотоокисления необходимы очень высокие дозы облучения, не имеющие ничего общего с принятыми условиями обработки. При этом наблюдается образование усваиваемых органических соединений и развитие мутагенеза, что является результатом воздействия излучения на ОВ, присутствующие в природной воде и способные поглощать лучистую энергию в диапазоне УФИ от 200 до 250 нм. 16 При облучении воды, содержащей нитраты, УФИ с длиной волны менее 240 нм в ней в результате фотолиза появляются нитриты. Итак, как было сказано ранее, обеззараживание ультрафиолетовым излучением (УФИ) имеет следующие преимущества: быстрая инактивация болезнетворных бактерий; почти полное отсутствие побочных продуктов; высокая эффективность против большинства видов бактерий и цист простейших; экологичность, безопасность для жизни и здоровья человека; отсутствие необходимости введения дополнительных реагентов; отсутствует изменение характеристик воды при превышении доз облучения. Достаточно сильным недостатком при использовании ультрафиолетового обеззараживания выявляется отсутствие последействия. За пределами камеры УФ обеззараживания воздействие ультрафиолетовых лучей не происходит, поэтому далее текущая вода по трубам может вновь загрязняться. К недостаткам можно отнести и то, что при разрушении клеток микроорганизмов ультрафиолетом, их фрагменты остаются в воде, которые желательно удалять с помощью фильтрации. Не смотря на небольшие минусы, все это делает ультрафиолетовое излучение одним из лучших инструментов для обеззараживания городских и промышленных сточных вод, а также питьевой воды. Типовая установка для ультрафиолетового обеззараживания воды (Рис. 1.3) состоит из камеры обеззараживания с пультом управления. Иногда еще комплектуются блоком промывки. 17 Рисунок 1.3 – Установка УФ - обеззараживания воды. Корпус установки обычно изготавливается из нержавеющей стали, иногда из пласстмассы, имеет патрубки для входа и выхода воды, а также пробоотборники, датчик УФ-излучения. С торцов корпуса располагаются решетки с отверстиями для герметично устанавливаемых защитных чехлов. Внутри защитных чехлов (кварцевые трубки) как раз располагаются бактерицидные лампы. Такая конструкция исключает контакт ламп с водой и обеспечивает их легкую замену. Видно, что конструкция похожа на кожухотрубный теплообменник. Сам корпус и все остальные комплектующие должны быть рассчитаны на рабочее давление воды в системе водоподготовки. В методических указаниях говорится о том, что установки ультрафиолетового обеззараживания должны комплектоваться: датчиками интенсивности ультрафиолетового излучения в самой камере; автоматика, сигнализирующая о снижении интенсивности излучения; счетчиками времени наработки ламп с индикаторами их работы; и системой очистки защитных чехлов. Говоря о полной комплектации УФ-установок следует отметить, что стоимость ее будет прилично выше, особенно для индивидуальных установок малой производительности. Но эти указания носят рекомендательный характер, поэтому многие производители, не усложняя и не удорожая конструкцию 18 ограничиваются рекомендацией своевременной замены ламп при выработке их гарантийного ресурса. Другое дело, когда установки используются на крупных станциях водоподготовки питьевой воды, где работа установок положена только в их полной комплектации. Типоразмер и количество ламп в установках на таких станциях, да и вообще, зависит от производительности, назначения, от показателей обрабатываемой воды. Энергопотребление у ртутных ламп небольшое, а для их зажигания необходимы специальные условия, поэтому чаще всего для большей надежности системы эксплуатация происходит при постоянном горении ламп. Для поддержания необходимой эффективности ультрафиолетового излучения необходима систематическая очистка защитных чехлов, которая может осуществляться либо механическим способом, либо химической промывкой. Установки ультрафиолетового обеззараживания воды выпускаются огромным числом изготовителей за рубежом и не менее чем 10 в России. Их производительность колеблется от литров в час для бытовых систем, устанавливаемых «под мойку», до нескольких тысяч м 3 /ч для городских систем. Этап ультрафиолетового обеззараживания в технологической схеме станции водоподготовки может располагаться как на предварительной стадии, так и на заключительной. Зависит это месторасположение от конкретных условий на конкретной станции водоподготовки: от того какая технологическая схема очистки применяется, каковы показатели и свойства воды из забираемого источника, от необходимых требований к качеству воды и т.д. Следует еще раз отметить, что эффективность комплексного использования установок ультрафиолетового обеззараживания воды в сочетания с другими методами обеззараживания, в том числе возможно и с физическими методами, может неслабо повышена. Таким образом, например, совместное воздействие на воду ультразвуковыми колебаниями разной частоты и ультрафиолетовым излучением; озонирование в небольших дозах после 19 ультрафиолетовой обработки позволит уменьшить дозу облучения и добиться достаточного обеззараживания воды даже при наличии взвесей. А хлорирование, также в небольших дозах, поможет обеспечить эффект последействия, т.е. избавиться от вторичного загрязнения воды при транспортировке. Ультрафиолетовое излучение в диапазоне 100–200 нм вызывает образование озона из молекул кислорода в воде и тем самым воздействует на молекулы органических веществ. Тогда получается, что если использовать достаточно мощные лампы, то можно создать глубокую фотохимическую очистку воды от загрязнения, к примеру, нефтепродуктами, или мутагенными циклическими органическими соединениями. 1.4 Действие УФИ на ДНК и РНК Нуклеиновые кислоты — дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК) — являются фундаментальными элементами в репродуктивной системе всех микроорганизмов. Ранее было показано (гл. Ультрафиолетовое излучение), что нуклеотиды, составляющие ДНК и РНК, очень сильно поглощают УФИ с длиной волны в интервале 220-290 нм с максимумом 260 нм. При этом нуклеотиды повреждаются, и в них блокируется процесс воспроизводства клеток. Облученные клетки живут еще некоторое время, но неспособными к воспроизводству и заражению потенциального хозяина (Рис. 1.4). Рисунок 1.4 – Механизм воздействия УФИ на ДНК. 20 В таблице 1.3 приведена сопротивляемость различных видов микроорганизмов ультрафиолетовому облучению. Значения доз облучения в таблице приведены для 99,9% инактивации микроорганизма, произведенной в условиях лаборатории. Отмечу еще раз, что превышение дозы ультрафиолетового облучения не ведет к негативным последствиям. Таблица 1.3 – Дозы облучения в зависимости от микроорганизма 21 Таблица 1.4 – Характеристики основных УФИ-ламп 1.5 Принципы расчета УФИ-реактор характеризуется потерей напора и дозой УФИ, которую он способен выдать при данном расходе обрабатываемой воды. Следует учитывать следующие виды потерь напора в реакторе: при прохождении через ряд модулей или реакторов (определяется в процессе экспериментов); обусловленная наличием системы контроля уровня в открытых каналах (с фиксированным или подвижным сливным порогом); связанная с системой успокоения потока на входе в модули или реакторы. Величина выдаваемой реактором дозы УФИ может быть получена тремя способами: усредненный расчет, дискретный расчет и с помощью теста «Биопроба». 1.5.1 Биологический тест «Биопроба» «Биопроба» — это тест, оценивающий УФИ-реактор. Проводится в два этапа. На первом, лабораторном, этапе определяется отклик микроорганизмов 22 на различные дозы У ФИ. Микроорганизмы облучаются ультрафиолетом в течение определенного времени при помощи коллиматора, позволяющего генерировать точно измеряемые дозы излучения (Рис. 1.6). Тип микроорганизма выбирается в зависимости от условий линейности, от устойчивости к УФИ, от сохранения и воспроизводимости. Типичная кривая изображена на рисунке 1.5 Второй этап «Биопробы» проводится на производственной площадке. Он состоит в определении эффективности системы обеззараживания при разных расходах системы УФИ-обеззараживания. На этом этапе используются те же микроорганизмы, что и на предыдущем. Измерение полученного уровня инактивации (логарифм снижения численности) позволяет с помощью данных теста с коллиматором определить реальную дозу УФИ, которую выдает данная система обеззараживания. На рисунке 1.7 приведен пример. Полученная кривая позволяет на основании значений. Рисунок 1.5 – Тест на инактивацию колифагов MS2 с использованием коллиматора 23 Рисунок 1.6 – УФИ-коллиматор Кривая, получаемая с помощью теста «Биопроба», позволяет рассчитывать систему УФИ-обеззараживания. Для тестов по одному или нескольким микроорганизмам кривую строят исходя из зависимости 24 Рисунок 1.7 – Пример результатов теста «Биопроба» на пилотной установке Aquaray 40 HO. 1.5.2 Усредненный расчет дозы УФИ Доза излучения выражается как произведение интенсивности УФИ и времени пребывания воды в зоне обработки. Если такой подход достаточно прост, когда речь идет о единственном источнике УФИ и микроорганизм при этом неподвижен, то для реакторов, содержащих множество источников и имеющих динамический характер, ситуация значительно усложняется. Следует также учитывать физические параметры износа ламп (продолжительность работы, количество циклов включение/выключение). Средняя доза излучения, выдаваемая системой обеззараживания, выражается следующим соотношением: Доза = I ср * θ/t *F h *F p * F t Расчет средней интенсивности реактора I ср Среднюю интенсивность реактора можно получить на основании расчета, в котором учитываются следующие элементы: размеры реактора, количество и мощность ламп, расстояние между лампами, диаметр и природа кварцевых трубок и, наконец, прозрачность воды. Она может быть получена для разных длин волн в целях точной взаимной адаптации характеристик ламп и воды (при использовании ламп среднего давления). Гидравлическое время пребывания t Речь идет о теоретическом времени пребывания воды в зоне обработки, в течение которого присутствующие в ней микроорганизмы будут подвергаться УФИ. Оно равно объему одного или нескольких реакторов, деленному на гидравлический расход. Гидравлические коэффициенты θ/t и F h Коэффициент θ/t представляет собой отношение среднего времени пребывания, измеряемого путем трассировки, к теоретическому гидравлическому времени пребывания. Данный коэффициент характеризует 25 режим поршневого потока в одном или в нескольких реакторах. Его значение варьируется от 0,85 до 1. Коэффициент F h учитывает радиальное перемешивание внутри реактора. Сильное радиальное перемешивание позволяет менять «уровни облученности» микроорганизмов и таким образом повышает эффективность реактора. Его значение варьируется от 0,5 до 1. Коэффициент износа ламп F p Мощность УФИ-лампы уменьшается с увеличением количества отработанных ею часов. Причинами этому служат главным образом окисление загрязняющих веществ, находящихся в корпусе лампы, и обеднение электродов. Фактор износа ламп равен отношению мощности УФИ, выдаваемой после N часов работы, к мощности, измеряемой после 100 ч. работы. Значение коэффициента износа F p в конце срока работоспособности лампы — это значение F p , при котором принимается решение о ее замене. Этот коэффициент варьируется от 0,65 до 1. Коэффгщиент загрязнения F t Коэффициент загрязнения учитывает воздействие элементов, которые осаждаются на поверхности кварцевых трубок, защищающих лампы. Наиболее часто встречаемые загрязнения — это жиры, соединения на основе кальция и соли металлов. Загрязнение более явно проявляется с увеличением рабочей температуры лампы. Его можно уменьшить с помощью чистки, частота которой зависит от характера использования. Значение коэффициента загрязнения варьируется от 0,5 до 0,9. 1.5.3 Дискретный расчет дозы УФИ Доза УФИ, получаемая в реакторе, также может быть рассчитана на основании связи между полем излучения (распределение потока УФИ в реакторе) и траекториями микроорганизмов, пересекающими реактор. В расчете поля УФИ учитывается мощность лампы, ее спектр, коэффициенты поглощения кварцевых труб и воды (Рис. 1.8). Траектории микроорганизмов определяются при помощи гидравлического моделирования, дающего 26 информацию также и о поле скоростей (Рис. 1.9). Доза УФИ, полученная микроорганизмом, определяется суммированием бесконечно малых доз на протяжении всей траектории. Рассматривая множество микроорганизмов, можно получить распределение доз, позволяющее на основании кривых инактивации (см. Рис. 1.5) определить рабочие характеристики реактора. Рисунок 1.8 – Пример распределения потока УФИ-С в шестиламповом УФИ- реакторе |