Обзор и перспективы безреагентного обеззараживания воды

В настоящее время проблема загрязнения водных объектов (рек, озер, морей, грунтовых вод и т. д.) является наиболее актуальной. Без воды человек не может прожить более трех суток, но, даже понимая всю важность роли воды в его жизни, он все равно продолжает жестко эксплуатировать водные объекты, безвозвратно изменяя их естественный режим сбросами и отходами. Ткани живых организмов на 70% состоят из воды, и поэтому В.И. Вернадский определял жизнь как «живую воду». Воды на Земле достаточно, но 97% – это солёная вода океанов и морей, и лишь 3% – пресная. Но и она в значительной мере недоступны живым организмам, так как находится в ледниках гор и полярных шапках Арктики и Антарктики.

В странах и регионах, где много пресной воды, люди мало заботятся об ее экономном использовании. Однако человечество быстро приближаемся к ощутимой нехватке пресной воды, особенно в больших городах. Это приводит к необходимости более разумного расходования и повторного использования воды. Так, например, вода Рейна, являющегося одной из важнейших транспортных артерий в Центральной Европе, используется до 30 раз, прежде чем достигнет берегов Северного моря. Это заставляет города и промышленные предприятия, расположенные по берегам Рейна и пользующиеся его водой, серьёзно очищать использованную воду перед сбросом ее снова в реку.

Органический мир может существовать только при наличии воды, которая необходима ему для приготовления питательной среды, ее переноса и переноса продуктов обмена.

Таким образом, благодаря круговороту воды в природе человек получает пресную воду в качестве одного из важнейших природных ресурсов. Уникальная способность воды растворять в той или иной степени огромное количество различных веществ, становиться главным недостатком, когда речь идёт о её загрязнении. Используя воду, мы загрязняем ее различными веществами, так что ее нельзя повторно применять без предварительной очистки. Если наши потребности в воде превышают природные ресурсы чистой воды, приходится повышать эти ресурсы искусственным путем.

Одной из актуальных задач при обеззараживании питьевой воды, а также промышленных и бытовых стоков после их осветления (биоочистки), является применение технологии, не использующей химические реагенты, т. е. технологии, не приводящей к образованию в процессе обеззараживания токсичных соединений (как в случае применения соединений хлора и озонировании) при одновременном полном уничтожении патогенной микрофлоры.

Одним из наиболее распространённых методов безреагентного обеззараживания воды на сегодняшний момент является ультрафиолетовое воздействие. Для водообработки применяется ультрафиолет с двумя длинами волн – 254 и 185 нм. Ультрафиолетовое излучение, имеющее бактерицидную длину волны в диапазоне 250-260 нм, проникает сквозь стенку клетки переносимого водой микроорганизма и поглощается ДНК, называемой генетической цепочкой микроорганизма, в результате чего процесс воспроизводства микроорганизма прекращается и таким образом микроорганизм дезактивируется. Ультрафиолетовый свет длиной 185 нм имеет большую энергию и успешно разлагает молекулы органических веществ, содержащихся в загрязнённой воде.

Метод дезинфекции с использованием ультрафиолетового излучения доказал свою эффективность при дезактивации переносимых водой болезнетворных микроорганизмов и вирусов без ухудшения вкуса и запаха воды и без внесения в воду нежелательных побочных продуктов.

Основу обычного ультрафиолетового модуля составляет цилиндрическая камера, содержащая ультрафиолетовые лампы, заключенные в кварцевые трубки, поверх которых протекает вода. Скорость движение жидкости лимитируется необходимым временем пребывания в зоне ультрафиолетового воздействия, достаточным для гарантированной дезактивации микроорганизмов.

В процессе эксплуатации ультрафиолетовых модулей были обнаружены негативные явления, существенно снижающие эффективность обеззараживания: биообрастание – формирование колоний непатогенных светолюбивых микроорганизмов на поверхности кварцевых трубок, в которых находятся ультрафиолетовые лампы, и соляризация – образование микрокристаллической и аморфной фаз нерегулярного состава на тех же поверхностях. В связи с этим возникла необходимость периодической очистки поверхности защитных трубок от экранирующего световой поток слоя. Механическая очистка, сопряжённая с разборкой ультрафиолетового модуля, увеличила общие трудозатраты, химическая очистка потребовала дополнительной квалификации персонала и необходимых реактивов. К тому же выяснилось, что ультрафиолет не способен обеспечить полного обеззараживания – ведь не случайно имеет место биообрастание, да и сам световой поток может быть экранирован непрозрачными частицами, содержащимися в большом количестве, например, в сточных водах. Традиционно применяющиеся для обработки воды ультрафиолетовые лампы низкого давления малоэффективны при уничтожении спорообразующих бактерий, вирусов, грибков, водорослей и плесени. Максимальные дозы облучения воды при приемлемых производительностях ультрафиолетовых установок существенно ниже уровней, необходимых для полного обеззараживания споровых форм. Эти дозы облучения для ряда спор и грибков составляют несколько сотен мДж/см2, в то время как излучатели могут обеспечить лишь несколько десятков мДж/см2. Казалось, что столь совершенный метод безреагентного обеззараживания не получит широкого распространения – слишком уж серьёзны ограничения излучателей и технологические трудности по очистке защитных трубок, особенно когда их количество значительно. Но тут на помощь пришла кавитация. Та самая кавитация, с которой борются всеми силами и средствами, как с паразитным и чрезвычайно вредным явлением, приводящим к значительным разрушениям всего того, что находится в зоне её воздействия.

Оказалось, что кавитацию можно использовать как для уничтожения микроорганизмов, так и для разрушения загрязнений, препятствующих световому воздействию внутри модуля очистки.

Следует заметить, что кавитация изначально рассматривалась как самостоятельный процесс обеззараживания. Дело в том, что непосредственно в зоне кавитационного факела создаются экстремальные условия – возникают короткоживущие парогазовые микросферы, которые появляются в момент локального снижения давления в воде и схлопываются при «сжатии» воды. Скорость схлопывания очень высокая и в окрестности точек схлопывания возникают экстремальные параметры – огромные температура и давление. Вблизи точек схлопывания полностью уничтожается патогенная микрофлора, образуются активные радикалы и в небольшом количестве пероксид водорода. Каверны возникают с частотой несколько десятков килогерц преимущественно на неоднородностях. В качестве неоднородностей могут служить споры грибков, бактерии, играющие роль своеобразной мишени. Кроме того, под воздействием ультразвукового излучения в объеме обрабатываемой жидкости возникают многочисленные микроскопические газовые пузырьки – происходит объёмная дегазация.

Предпосылки выглядели обнадёживающе. Пришло время практической реализации. Для формирования кавитационного факела был использован гидродинамический принцип. После прохождения фильтров предварительной очистки вода, освобожденная от мелких твердых включений, попадает в насос высокого давления, затем под давлением порядка 20 атм. в гидравлический излучатель – кавитационную камеру, организованную на основе модели трубы Вентури, где и формируется факел. Как показала практика, на эффективность кавитации не влияет ни мутность, ни солевой состав обрабатываемой воды, ни цветность. Бактерицидное действие кавитации прямо пропорционально ее интенсивности, скорости потока и числу ступеней возбудителей кавитации. При сравнении экономических затрат различных методов на обеззараживание условной единицы объема питьевой воды кавитация оказывается эффективным методом. Но и здесь возникли трудности. Размер кавитационного факела всегда оказывается небольшим, а потому обеззараживаемую воду необходимо пропускать через него несколько раз. Изменение скорости течения воды приводит к исчезновению кавитационного факела вообще, а поддерживать скорость течения постоянной технически сложно. Попадание любой взвешенной частицы в поток воды способно также сбить факел. Да и к тому же элементы кавитационной камеры сами подвергаются беспощадному воздействию, что неизбежно приводит к их разрушению. Таким образом, заманчивые перспективы кавитационного обеззараживания оказались сопряжены с целым комплексом технических противоречий, для преодоления которых было предложено использовать другой принцип формирования кавитационной зоны – с помощью пьезоэлектрического или магнитодинамического эффектов. Ультразвуковые колебания, возникающие в пьезокерамическом излучателе при воздействии на него электрического тока высокой частоты, способны сформировать в водной среде кавитационную зону в непосредственной близости к кавитатору. Ультразвуком, сформированным благодаря пьезоэлементам, легко управлять, изменяя параметры подаваемого тока. Однако зона кавитации и в этом случае остается небольшой, а энергетические затраты для её поддержания значительными. При этом большая часть объёма воды, в котором находится излучатель, не испытывает кавитационного воздействия, хотя и подвергается действию ультразвуковых колебаний. В связи с этим возникает необходимость организовать такое движение жидкости, при котором кавитации подвергнется весь объём за короткий промежуток времени. Также необходимо отметить, что пьезоэлемент в рабочем состоянии генерирует не только ультразвук, но и паразитные акустические колебания высокой мощности, находящиеся в диапазоне слышимости вблизи порога болевой непереносимости звука. В данном случае уже можно говорить об акустическом загрязнении окружающей среды, избежать которого можно лишь экранированием всего объёма жидкости с излучателем от внешней среды.

Наиболее результативным с точки зрения эффективности обеззараживания оказался метод комплексного воздействия ультрафиолетового излучения и ультразвука. Вода первично подвергается ультразвуковому и кавитационному воздействиям, при которых происходит дробление бактериальных кластеров на более мелкие элементы, разрушение микроорганизмов и преобразование органических фаз. Далее следует воздействие ультрафиолетового излучения, приводящее к утрате микроорганизмами способности к воспроизводству. Эти процессы происходят в одной камере, поэтому ультразвуковые колебания, отлично распространяющиеся в водной среде, препятствуют биообрастанию и соляризации поверхности защитных трубок ультрафиолетовых ламп. Таким образом, одновременно происходит ряд процессов, поддерживающих непрерывное обеззараживание до момента функционального истощения ультрафиолетовых ламп, составляющего от 4000 до 16000 часов в зависимости от производителя, и потери мощности ультразвукового кавитатора, которая снижается до критической в течении года.

Производители установок комплексного обеззараживания заявляют о превосходстве бактерицидности в тысячу и более раз над установками ультрафиолетового обеззараживания. Однако цена установки с ультразвуковым кавитатором в 3,5-4 раза, а потребляемая мощность в 4-5 раз выше по сравнению с установкой без кавитатора. И этот фактор может стать определяющим при покупке установки. Дальнейшее развитие метода будет осуществляться в направлении увеличения времени жизни ультрафиолетовых ламп, повышения интенсивности излучения и снижения их стоимости. В настоящее время с появлением ультрафиолетовых светодиодов рассматривается возможность их использования для обеззараживания. Ресурс времени жизни светодиодов в десятки раз больше, а энергопотребление в разы меньше, чем у газоразрадных ламп. Также будут предприниматься попытки заменить ультразвуковой кавитатор на устройство аналогичной функциональности.

Среди перспективных методов безреагентного обеззараживания представляет интерес электроимпульсная технология, основанная на воздействии на обрабатываемую жидкость ударных волн, генерируемых импульсным электрическим разрядом и вызывающих дезинтеграцию и гибель микроорганизмов. В объеме, занимаемом водой, формируется электрический разряд с помощью подвижных заостренных электродов, способных смыкаться для образования разряда и питающихся от импульсного источника электроэнергии. Электрический разряд формирует ударную волну, которая распространяется в объеме воды. Кратковременность электрического импульса позволяет реализовать такую ударную волну, толщина фронта которой меньше размера микроорганизмов. При прохождении такой ударной волны в объеме, занимаемом микроорганизмом, возникает мгновенный градиент давления, который и приводит к механическому уничтожению биологического объекта. Энергия в единичном импульсе и частота следования импульсов определяются бактериальным составом воды. Обеззараживание может быть проведено как в замкнутом объеме, так и в проточной воде. Применение электроимпульсной технологии для обеззараживания воды позволяет обеспечить уничтожение всех видов микроорганизмов, включая вирусы и споры, независимо от количества взвешенных в ней твердых частиц и примесей. При этом ударная волна остаётся эффективной в объеме радиусом до 1 метра.

При практической реализации электроимпульсной технологии также возникает ряд проблем, связанных с кинетикой самого разряда. При его возникновении на остриях электродов создаются экстремальные условия, сходные, а во многом – превосходящие те, что возникают при кавитации. Это приводит к достаточно быстрой эрозии рабочих поверхностей электродов с потерей необходимой острийности и ухудшению качества разряда. А испарившийся материал электродов неизбежно поступает в объём обеззараживаемой жидкости. К тому же электрический разряд является по сути – взрывом в несжимаемой водной среде, ударная волна от которого способна деструктивно повлиять на стенки рабочей камеры установки.

Вызывает некоторый интерес предложение использовать для обеззараживания следующую модель: в замкнутую камеру с водой нагнетается воздух до достижения давления около сотни атмосфер, при этом происходит растворение воздуха в воде аналогично тому, как насыщаются углекислым газом напитки. Предполагается, что воздух при столь высоком давлении проникнет и через клеточные мембраны внутрь микроорганизмов. После этого осуществляется выпуск воды через небольшие отверстия в камере. Падение давления на выходе из камеры приводит к «закипанию» воды – выделению избыточного воздуха. Резкое увеличение объёма газа внутри клеток провоцирует разрыв клеточных мембран и гибель микроорганизмов. Затем камера вновь заполняется водой и цикл повторяется. Периодичность данного процесса является его основным недостатком, да и технических трудностей для реализации предостаточно, однако, в некоторых областях такой метод может быть предпочтительным.

Таким образом, спектр безреагентных методов обеззараживания представлен лишь несколькими видами, среди которых наиболее распространёнными являются ультрафиолетовое и совместное ультрафиолет-ультразвуковое обеззараживание. Ограничения данных методов не сдерживают их развития в направлении увеличения ресурса службы и интенсивности светового потока ультрафиолетовых ламп. Ведутся работы и над совершенствованием ультразвуковых излучателей в аспекте снижения энергопотребления при сохранении выходной мощности.

Другие методы обеззараживания пока не находят столь широкого применения, однако, в случае преодоления некоторых технических трудностей, они могут оказаться более актуальными. Так, например, гидродинамический кавитационный метод признаётся наименее энергозатратным при высокой производительности и в перспективе может вытеснить остальные.