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.
|
|
1.6 Типы реакторов Закрытые реакторы малых размеров Закрытые реакторы малых размеров обычно располагаются на напорной линии после насоса. Они состоят из следующих компонентов: трубчатая камера с двумя соединительными фланцами, расположенными перпендикулярно камере; одна или несколько ламп с кварцевыми трубками, расположенными параллельно оси камеры; система контроля и управления работой ламп; система автоматической чистки кварцевых трубок. Для закрытых реакторов малых размеров характерны: высокая скорость потока и, следовательно, небольшие габариты; простота установки; потери напора меньше 0,5 м вод. ст. Закрытые линейные реакторы средних и больших размеров 28 Закрытые линейные реакторы средних и больших размеров устанавливаются на линиях гравитационного потока (выход из фильтра) или на напорных линиях (выход из накопительного резервуара или насоса). Они состоят из следующих компонентов: трубчатая камера с двумя соединительными фланцами на концах; одна или несколько ламп с кварцевыми трубками, расположенными перпендикулярно оси камеры; система контроля и управления работой ламп; система автоматической чистки кварцевых трубок. Для закрытых линейных реакторов средних и больших размеров характерны: высокая скорость потока благодаря высокой средней интенсивности и, следовательно, небольшие габариты; простота установки; относительно низкие потери напора (меньше 35 см вод. ст.). Открытые реакторы Открытые реакторы предназначены для обработки сточных вод, но также, при значительных расходах, могут использоваться и для питьевой воды. В их состав входит: один или несколько каналов; множество модулей, расположенных последовательно или параллельно в канале (каналах); каждый модуль состоит из нескольких ламп и кварцевых трубок, размещенных параллельно или перпендикулярно потоку; система контроля и управления работой ламп; система автоматической чистки кварцевых трубок; резервуар для химической очистки модулей (если реактор используется в технологической линии обработки ГСВ); устройство для регулирования уровня воды в канале. 29 Для открытых реакторов характерны: течение гравитационного типа; удобный доступ к лампам, кварцевым трубкам и системам чистки; возможность извлечения модуля без остановки течения; незначительная потеря напора (порядка 0,5 м вод. ст.). 1.6.1 Реакторы для обработки питьевой воды Условие применения Проницаемость воды должна быть не менее 85 %. Тип реактора и размещение Для обработки питьевой воды в целях обеззараживания в зависимости от ее расхода используют закрытые напорные или линейные реакторы. Количество камер реактора также определяется в зависимости от расхода обрабатываемой воды, а их размещение (последовательно или параллельно) - исходя из максимально допустимой потери напора и желательной гибкости работы. Необходимо предусматривать дополнительную линию обработки, которая позволит обеспечивать техническое обслуживание камер реакторов (замену ламп, кварцевых трубок или соединений) без прерывания процесса обеззараживания. Системы чистки Для нормальной работы реактора необходима систематическая чистка ламп. В этих целях должна быть предусмотрена легкодоступная механическая система чистки кварцевых трубок, которая обеспечит легкость технического обслуживания. Ее следует дополнить системой химической чистки на месте работы реактора, частота проведения которой будет определяться в процессе работы. Условия реализации Геометрия и, следовательно, гидравлика аппаратов для обеззараживания имеют важное значение. В настоящее время эффективность контактных камер может быть оценена компьютерным моделированием потоков (см., например, 30 гл. Дискретный расчет дозы УФИ), которое учитывает гидравлику системы (и, следовательно, время прохождения воды через зону влияния ламп- генераторов УФИ), мощность пучка, а также его ослабление в результате абсорбции водой и растворенными веществами. Хорошее удаление железа и цветности воды необходимо как для обеспечения ее высокой прозрачности, так и для того, чтобы избежать значительного загрязнения кварцевых оболочек, которые защищают лампы. Учитывая достаточно сильное выделение тепла, нужно следить за тем, чтобы вода не была слишком агрессивной и не произошло быстрое отложение накипи на защитных оболочках. В любом случае реактор обеззараживания должен быть снабжен системой автоматической очистки этих оболочек. Преимущества и недостатки Ультрафиолетовое излучение — единственное дезинфицирующее средство, не образующее вредных побочных продуктов и эффективное против всех микроорганизмов, включая цисты простейших, — имеет два недостатка: не существует возможности проверить эффективность используемой дозы облучения измерением остаточной концентрации, как в случае применения химических окислителей; следовательно, необходимо, чтобы реактор был снабжен УФИ-датчиками (если возможно, по одному датчику на лампу), позволяющими непрерывно контролировать реально испускаемое лампами излучение для того, чтобы: o следить за нормальным старением ламп (компенсируемым увеличением тока питания); o быстро определять возможную неисправность любой из ламп, чтобы автоматически привести в действие резервный реактор или тут' же заменить неисправную лампу (в течение нескольких минут остановки); при отсутствии остаточного действия, если только сеть не является короткой и хорошо содержится, УФИ-излучение должно сочетаться с введением другого дезинфицирующего реагента с хорошим остаточным действием (С12, С102, хлорамин). Таким образом, УФИ-реактор должен 31 применяться после доочистки, но перед введением какого-либо последнего дезинфицирующего вещества. Хлорирование, озонирование, ультрафиолетовое облучение – три основных и наиболее популярных метода обеззараживания питьевой воды. Каждый из трех методов, если применять в соответствии с нормами, может в достаточной степени избавиться от бактерий и вирусов. Но что касается цист патогенных простейших, здесь ни один из методов не обеспечит требуемую степень очистки. Эти микроорганизмы можно уничтожить при совмещении обеззараживания с процессами удаления мутности и взвесей. Хлорирование, в отличие от озонирования и ультрафиолетового облучения, не способно по отношению удаления вирусов. Но привлекает своей простотой процесса, когда озонирование по оборудованию технологически сложнее и дороже. По цене ультрафиолетовое обеззараживание стоит где-то между хлорированием и озонированием. Сравнивая последствия при превышении необходимых доз, ультрафиолетовое облучение бесспорно побеждает по отсутствию таковых, но нельзя сказать того же про хлорирование и озонирование, у которых в результате образуются нежелательные токсичные соединения или побочные продукты. 1.6.2 Реакторы для обработки промышленных вод Наиболее распространенной областью их применения является обеззараживание: чистых и сверхчистых вод в сочетании с УФИ-обработкой или без нее; промывных вод в аграрно-пищевой промышленности; вод, циркулирующих в системах охлаждения; аквариумных вод и вод, используемых в рыбоводстве (с оборотным водоснабжением). Типы реакторов В перечисленных выше областях применяют те же самые реакторы, что и при обработке питьевой воды и сточных вод. Выбор зависит от качества 32 подлежащей обеззараживанию воды. Если проницаемость воды более 85 %, используют реакторы, предназначенные для обработки питьевой воды. При более низкой проницаемости применяют реакторы, предназначенные для обработки сточных вод, Системы чистки УФИ-ламп те же, а их выбор зависит от конкретных условий применения реактора. 1.6.3 Устройства контроля и регулирования Устройства контроля Чтобы обеспечить стабильность результатов процесса обеззараживания, в системах УФИ-обеззараживания устанавливаются устройства контроля. Их используют и в процессе технического обслуживания этих систем. С их помощью осуществляется: контроль за работой ламп (включение/выключение, ток, напряжение, количество рабочих часов, количество циклов включения/выключения); одно или несколько измерений интенсивности УФИ внутри реактора (датчик УФИ); измерение расхода обрабатываемой воды; в некоторых случаях — постоянное измерение проницаемости УФИ; в некоторых случаях — расчет дозы УФИ, выдаваемой системой, на основе измерений проницаемости УФИ, интенсивности УФИ и расхода обрабатываемой воды. Устройства регулирования дозы УФИ Работа устройств регулирования дозы УФИ определяется по таким показателям, как расход обрабатываемой воды, интенсивность УФИ (в некоторых случаях — ток лампы) и проницаемость УФИ. Чтобы обеспечить заданную величину дозы УФИ, устройство регулирования может изменять количество рабочих ламп УФИ или их мощность, в некоторых случаях менять ток дугового разряда либо выключать и вновь включать лампы в определенном порядке. 33 1.7 Системы очистки УФ установок 1.7.1 Загрязнение кварцевых защитных стёкол и системы очистки Системы очистки стёкол признаны эффективным средством удаления загрязнений и поддержке высокой УФ проводимости защитных стёкол (Oliver 2003), однако их долговременное применение приводит к образованию царапин на поверхности стёкол и формированию неудаляемых загрязнений (Pengetal., 2005). Эксперименты были проведены на установке Swift с лампами среднего давления производства Trojan Technologies Inc. (London, Ontario, Canada). Во время определения исходных данных система очистки стёкол запускалась раз в каждые 24 часа. Система очистки использует комбинацию абразивной и химической очистки. Во время проведения экспериемнтов, система очистки была полностью отключена чтобы позволить аккумулирование загрязнений на стёклах. Замеры УФ проводимости стёкол были проведены с помощью оптоволоконного спектрофотометра с источником пульсирующего ксенон излучения. Продвигая стекло вдоль замерительной аппаратуры было получено пространственное распределение УФ проводимости. Четыре загрязнённые лампы были исследованы после двух недель работы установки, и ещё четыре лампы были исследованы после четырёх недель работы. 34 Рисунок 1.10 – Графики дозы УФ при работающей и выключенной системе очистки Замеры средней дозы УФ в реакторе, работающем при 60% проектной мощности и при потоке воды 2 миллиона галлонов в день (приблизительно 8,000 м3/день). При работающей системе очистки стёкол, линейная регрессия показывает что доза УФ падала на 0.04 мДж/см2 в день (график слева). При выключенной системе очистки, доза падала на 1.07 мДж/см2 в день (рис. 1.10). Рисунок 1.11 – УФ проводимость стёкол после двух и четырех недель работы Как показано на графике (рис. 1.11), после двух недель работы, УФ проводимость стёкол упала с 92% по воздуху до начала эксперимента до 72%, 71%, 73% и 71% (распределение по длине стекла). После четырёх недель работы, проводимость составила 60%, 58%, 61%, и 66%. На данном объекте вода имеет низкие концентрации железа и кальция, и представляет собой щадящие условия. На объектах, работающих с высоко минерализированной водой, осаждение вещества на стёклах может достигать порядка 2 mmol/m2 в день (Wait 2005), и в таких случаях излучение может упасть на 80% всего за один день. По сравнению, воды с низкой жёсткостью и с полностью окисленными веществами, представляют собой уменьшенный риск загрязнения стёкол, и должны подвергаться менее частой очистке. При высокой частоте очистки 35 стёкол, вследствие появления царапин, может происходить неудаляемое загрязнение стёкол, и известны случаи снижение УФ пронизаемости стёкол на 72%. 1.7.2 Оценка систем очистки УФ установок В данном исследовании автоматические системы механико-химической очистки стёкол показали отличную эффективность очистки. Автоматические механические системы и отсутствие каких-либо систем показали быстрое падение эффективности дезинфекции. Такие факторы как температура поверхности стёкол, УФ интенсивность, гидродинамика, микроструктура и топография кварца – влияют на прикрепление неорганических веществ, органических плёнок и жиров. Загрязнение – сложный процесс, и трудно предсказуем. Хотя степень загрязнения разнится от объекта к объекту, в конце концов, на всех объектах образуется загрязнение стёкол. В настоящее время существует несколько методов очистки: А) Оффлайн – периодический вывод системы из работы, отмачивание стёкол в химической ванне и ручная очистка стёкол с помощью моющих веществ. Б) Автоматические – используют механические очистители (кольца, спирали, пальцы и т.д.) для частой протирки стёкол и периодически - ручную химическую очистку. В) Полностью автоматические химически-механические очистные системы. Эффективность работы и стоимости таких систем: Ручная очистка трудозатратная и дорогая. Автоматическая механическая система не эффективна для всех вод, и в большинстве случаев требует периодического вывода из работы для химической очистки. Более того, такие системы очистки требуют частое сервисное обслуживание. В сравнении, автоматические химико-механические системы очистки эффективны и работают без обслуживания до 6 месяцев и дольше. Таблица 1.5 – качество воды (перед УФ установками) на четырёх участках очистных сооружений. Пояснение: Treatment (Очистка), Primary (Первичная), 36 Secondary (Вторичная), Secondary (Вторичная), Tertiary (Третичная), Co- agulant (Коагулянт), None (Отсутствует), Ferric Salt (Соли железа), Alum (Алум), TSS (mg/L) (Взвешенные вещества), TDS (mg/L) (Общие растворённые вещества), Hardness (Жёсткость), Fe (mg/L) (Железо). В исследовании были применены стандартные системы с лампами низкого давления (Trojan UV 3000 Plus) без систем очистки, с механическими системами и химико-механическими системами. Таблица 1.6 – Потеря УФ трансмиссии стёкол (в процентах) в день в установках без систем очистки. Как видно из таблицы 1.6, на всех четырех участках произошло быстрое снижение эффективности работы УФ установок без систем очистки стёкол. Приемлемый уровень потери УФ стёкол не должен превышать 20% (то есть, УФ проводимость стёкол не должна опускаться ниже 80% по сравнению с изначальной проводимостью) – согласно Нормативам для Питьевой Воды и повторному использованию воды 2000 (NWRI Guidelines for Drinking Water and Water Reuse, 2000). В противном случае требуется остановка работы и вывод модуля для ручной химической очистки и сервисного обслуживания механизмов очистки. Таблица 1.7 – Необходимая частота вывода установки из работы для ручной химической очистки и сервисного обслуживания механизмов очистки. 37 Результаты показывают, что без систем очистки стёкол вывод установки из работы требуется каждые 1 – 9 дней. Установки с системами механической очистки (двух различных дизайнов) показали различные результаты. Спрогнозировать частоту вывода из работы основываясь на показателях качества воды – было невозможно. На всех четырёх участках установки с химико-механической системой очистки смогли обеспечить чистоту стёкол на уровне 95% по сравнению с первоначальным показателем. Типично, как только стёкла начинают засоряться, механические системы уже не могут поддерживать чистоту стёкол и эффективность работы установки быстро снижается. Испытания показали, что процесс загрязнения стёкол – сложный, специфический для каждого объекта, и трудно прогнозируемый. Данные по качеству воды не смогли обеспечить связь между компонентами воды и степенью загрязнения (и качества очистки от загрязнений). На всех участках, УФ установки с механической очисткой стёкол требуют периодического вывода установок из эксплуатации и ручной химической очистки стёкол. Необходимо обеспечить баланс между обеспечением достаточной чистоты стёкол и повышенным износом очистных систем (трудозатраты и запчасти). Механические системы очистки стёкол как правило требуют высокой частоты запуска очистки (например, каждые 15 минут) для предотвращения накопления загрязнений на стёклах. 38 Химико-механическая система способна поддерживать высокую УФ проводимость стёкол со значительно более редкой частотой запуска очистки, поскольку химическая очистка позволяет убирать все слои загрязнений. Режим работы, позволяющий понижение УФ проводимости стёкол на уровень 80% (по сравнению с чистым стеклом) между выводами установки из работы на ручную химическую очистку, приведёт к необходимости увеличения объёмов УФ оборудования на 25% для компенсации потери интенсивности УФ из-за загрязнения стёкол. Также, потребуется увеличение мощности УФ установки для поддержки УФ дозы между чистками стёкол. Рекомендуется, что частота запуска системы очистки стёкол должна обеспечить условия, при которых УФ прозрачность стёкол не должна опускаться ниже 95% от первоначального показателя. Для установок с химико- механическими системами очистки, такая частота может быть 1 раз в 12 часов на объектах с трудной водой, и 1 раз в 24 часа – на менее проблематичных объектах. 1.8 Ультрафиолет + ультразвук 1.8.1 Ультразвуковая кавитация Ультразвук — упругие звуковые колебания высокой частоты. Обычно диапазон частот от 20 кГц до миллиарда Гц считают ультразвуковым диапазоном. А в жидкой среде и твердых телах звуковые колебания могут достигать частоты в 1000 ГГц. Ультразвуковая кавитация представляет собой образование в жидкой среде, находящейся под ультразвуковым облучением, пульсирующих и схлопывающихся пузырьков, внутри которых пар, газ или их смесь. Кавитационные пузырьки в распространяющейся в жидкости ультразвуковой волне возникают и расширяются во время полупериодов разрежения и сжимаются после перехода в область повышенного давления. В идеальных однородных жидкостях пузырьки могут возникнуть лишь при весьма высоких растягивающих усилиях (отрицательных давлениях), превосходящих прочность жидкости. Прочность реальных жидкостей довольно 39 низка из-за того, что в них всегда достаточно много зародышей кавитации – микропузырьков газа, пылинок гидрофобных частиц и т. д. Порогом кавитации называется интенсивность ультразвука, ниже которой не наблюдаются кавитационные явления. Порог кавитации зависит от параметров, характеризующих как ультразвук, так и саму жидкость. Для воды и водных растворов пороги кавитации возрастают с увеличением частоты ультразвука и уменьшением времени воздействия. При расширении пузырьков-зародышей, попадающих в область пониженного давления, в пузырек испаряется жидкость и диффундирует растворенный в жидкости газ. Если температура жидкости значительно ниже точки кипения, то пузырьки растут главным образом в результате диффузии. При повышении давления в следующую половину периода колебания пузырек сжимается, направление диффузии меняется, и молекулы диффундируют из пузырька в жидкость. Количество продиффундировавшего газа пропорционально площади поверхности пузырька. Эта площадь в стадии сжатия меньше, чем в стадии расширения. Поэтому количество газа, попадающего в пузырек при расширении, несколько больше количества газа, выходящего из пузырька при его сжатии. Поэтому после каждого цикла сжатия-растяжения в пузырьке остается избыток газа. Накопление газа в пузырьке, обусловливающее рост среднего размера пузырька в поле переменного давления, называется выпрямленной, или направленной, диффузией. Диффузионный механизм обеспечивает сравнительно медленный рост зародышей, и при высокой частоте ультразвука они успевают совершить значительное число пульсаций, прежде чем достигнут резонансных размеров. Амплитуда пульсации пузырька с резонансными размерами (для данной частоты ультразвука) будет максимальной. Пульсирующие в течение многих периодов пузырьки называются стабильными полостями, а само явление, связанное с существованием в жидкости таких пузырьков, - стабильной кавитацией. 40 Повышение интенсивности ультразвука приводит к нестабильной кавитации: пузырьки довольно быстро (за несколько периодов) достигают резонансного размера, стремительно расширяются, после чего резко захлопываются. Предполагается, что при захлопывании содержащаяся в пузырьке парогазовая смесь, адиабатически (не успевая обменяться теплом с окружающей средой) сжимается до давления 105 Па (300 атм) и нагревается до температур порядка 8000 - 12000 К. Известно, что уже при 2000 К около 0,01 % молекул H 2 O внутри пузырька диссоциируют на водородные и гидроксильные свободные радикалы. Эти радикалы могут рекомбинировать с образованием электронно-возбужденных состояний молекул H 2 O: При переходе молекул H 2 O из электронио-возбуждепного состояния в основное высвечивается квант света - происходит сонолюминесценция. Свободные Н и ОН радикалы могут диффундировать в раствор и вступать в реакции с растворителем или растворенными веществами, инициируя радикальные химические процессы. Захлопывающиеся кавитационные пузырьки порождают в жидкости мощные импульсы давления и ударные волны. Кавитация в жидкой среде сопровождается следующими явлениями: - характерным шумом во всем диапазоне частот и сильным акустическим сигналом на частоте, равной половине частоты ультразвука, вызвавшего кавитацию; - ускорением одних химических реакций и инициированием других; - интенсивными микропотоками и ударными волнами, способными перемешивать слои жидкости и разрушать поверхности граничащих с кавитирующей жидкостью твердых тел; - ультразвуковым свечением, а также различными биологическими эффектами. Вследствие концентрирования энергии в очень малых объемах ультразвук может вызывать такие явления, как разрыв химических связей макромолекул, 41 инициирование химических реакций, эрозию поверхностей твердых тел и свечение. Кавитация в суспензии клеток. При повышении интенсивности ультразвука до значений, когда в среде возникают механические усилия, сравнимые с прочностью клеточных мембран, начинается процесс разрушения клеток. Обычно появление значительных механических возмущений в жидкостях связано с возникновением в них стабильных и нестабильных газовых пузырьков, которые могут образоваться в воде и водных средах, если интенсивность ультразвука превышает порог кавитации. При высоких частотах ультразвукового воздействия на суспензию клеток механизмы разрушения также имеют механическую природу. Пороговая интенсивность ультразвука, вызывающего гибель клеток, зависит как от частоты ультразвука, так и от типа клеток. Ультразвуковая дезинтеграция клеток получила широкое применение в биотехнологии, и биохимических и вирусологических исследованиях для выделения отдельных веществ или фрагментов клеток, а также в лабораторной диагностике для определения механической резистентности клеточных мембран. |