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

МЕТОДЫ ПОЧВЕННОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

Методы почвенной очистки сточных вод основаны на способности самоочищения почвы; осуществляется такая очистка на полях орошения или на полях фильтрации. Полями орошения называются специально подготовленные и спланированные земельные участки, предназначенные для очистки сточных вод и для выращивания на них сельскохозяйственных культур. Если земельные участки предназначаются только для очистки сточных вод, они носят название полей фильтрации. Очистка сточных вод в обоих случаях происходит в результате совокупности сложных физико-химических и биологических процессов. Сущность процесса очистки состоит в том, что при фильтрации сточных вод через почву в верхнем ее слое задерживаются взвешенные и коллоидные вещества, образующие на поверхности частичек почвы густозаселенную микроорганизмами пленку. Эта пленка адсорбирует на своей поверхности растворенные органические вещества, находящиеся в сточных водах. Используя кислород, проникающий из атмосферы в поры почвы, микроорганизмы переводят органические вещества в минеральные соединения. Таким образом, наличие кислорода является необходимым условием нормального хода процесса. Так как с точки зрения кислородного режима верхние слои почвы (0,2—0,3 м) находятся в более благоприятных условиях, то именно в этих слоях и происуодят наиболее интенсивное окисление органических веществ и процесс нитрификации. По мере углубления количество кислорода в почве быстро уменьшается и, наконец, наступает зона анаэробиоза, где окисление органических веществ, проникающих сюда в виде растворов, происходит только за счет процесса денитрифи-кации, так как в зону анаэробиоза сточные воды попадают с большим запасом нитритов. Отсюда вытекают требования, которые предъявляются к отводимой под поля орошения или фильтрации территории, к свойствам грунтов, а также к качеству и объему сточной воды, которая может быть очищена на 1 га площади полей. Почвенная очистка, в частности использование сточных вод для целей орошения, известна с древних времен. Особенно широкое применение она получила с середины XIX в., когда с развитием промышленности и ростом городов увеличился объем подлежащих удалению с их территории сточных вод. Значительные площади, требуемые для полей орошения в связи с непрерывным увеличением объема сточных вод, и дороговизна пригородных земельных участков заставили в конце XIX — начале XX в. разработать искусственные методы очистки, не требующие больших площадей земли. Степень очистки сточных вод на полях орошения и полях фильтрации значительно снижается в зимнее время в силу замедления и даже прекращения биологических процессов при низких температурах. В этот период поля всех видов работают преимущественно как накопители, задерживая в почве сточные воды и находящиеся в них вещества путем поверхностного намораживания. В условиях социалистического хозяйства при отсутствии частной собственности на землю применение полей орошения может содействовать комплексному решению проблемы благоустройства городов и развития пригородного сельского хозяйства как базы снабжения населения овощами. Поэтому при выборе метода очистки сточных вод и местоположения очистных сооружений необходимо в первую очередь выявлять возможность использования сточных вод для сельского хозяйства и, лишь когда это не представляется целесообразным (по местным условиям, санитарным требованиям или технико-экономическим соображениям), следует осуществлять биологическую очистку в искусственных условиях. Как уже указывалось, при устройстве полей орошения преследуют две цели: а) санитарную — очистка сточных вод и б) селькохозяйственную — использование сточных вод как источника влаги, а содержащихся в ней веществ как удобрения. Различают следующие виды полей орошения. 1. Коммунальные поля орошения, главной задачей которых является очистка сточных вод, а использование для сельскохозяйственных целей играет вспомогательную роль. В связи с этим коммунальные поля орошения получают максимально допустимые по условиям выращивания сельскохозяйственных культур нагрузки сточных вод. Эксплуатация полей этого типа находится з ведении коммунальных органов. 2. Сельскохозяйственные поля орошения, на которых использование сточных вод для сельского хозяйства и их очистка представляют единое целое. Поля этого типа устраивают на сельскохозяйственных (колхозных и совхозных) землях без изъятия их у землепользователей и оставляют в ведении последних. Сточные воды подаются на поля вне зависимости от времени года и метеорологических условий. Сельскохозяйственные поля орошения устраивают в различных климатических районах, за исключением северных. Эти поля отличаются небольшой (5—20 м3/га) суточной нагрузкой сточных вод. Для устройства их не требуется предварительной горизонтальной планировки орошаемых участков (можно ограничиться только выравниванием микрорельефа), что расширяет область их применения. Однако применение таких полей носит пока ограниченный характер в связи с рядом серьезных организационных затруднений, возникающих при их эксплуатации. Как уже сказано, бытовые сточные воды содержат значительное число патогенных бактерий и яиц гельминтов. Поэтому при устройстве и эксплуатации полей орошения любого типа должны соблюдаться определенные санитарные требования. В частности, запрещается орошать неочищенными сточными водами поля при выращивании на них овощей, употребляемых в пищу в сыром виде. Предварительное отстаивание сточной воды обеспечивает выделение из нее 50—60% общего числа бактерий вместе с крупными взвешенными веществами в осадок; таким образом, отстоенная сточная вода в бактериальном отношении менее опасна. Путем искусственной биологической очистки сточных вод можно снизить число бактерий на 90—95%; санитарная опасность при орошении такой водой практически невелика. Серьезным вопросом является распространение через овощи глистных заболеваний. Яйца гельминтов (глисты, паразитные черви и др.), попадая в почву и на овощи, сохраняют жизнеспособность длительное время. Особенно устойчивы яйца аскарид. Отстаивание сточных вод позволяет снизить содержание яиц гельминтов на 50—60%, а в горизонтальных отстойниках при скорости течения 1 мм/с — на 95%. Результаты экспериментальных исследований свидетельствуют о довольно сильном загрязнении почвы патогенными микроорганизмами и яйцами гельминтов при орошении неочищенными сточными водами. Поэтому во всех случаях использования сточных вод в целях орошения необходимо предварительно их отстаивать и обрабатывать получаемый осадок при высоких температурах (50—55° С). Концентрация питательных элементов (азота, фосфора и калия) в бытовых сточных водах зависит от нормы водоотведения. В них содержится 15—60 мг/л азота, 3—12 мг/л фосфора, 6—25 мг/л калия. Эти питательные элементы находятся главным образом в растворенном состоянии и частично во взвешенном. Так, растворенный азот составляет 85%, а 15% его находится во взвешенном состоянии; фосфор — соответственно 60 и 40%; калий — 95 и 5%. Соотношение между основными элементами питания растений азотом, фосфором и калием, содержащимися в сточных водах, составляет 5:1:2, тогда как в навозе это соотношение 2:1:2. Таким образом, сточные воды являются удобрением с повышенным содержанием азота, способствующего развитию растений. Для орошения могут быть использованы также производственные сточные воды, которые не содержат ядовитых веществ в объемах, вредно влияющих на рост растений. Общее содержание солей не должно превышать 3—4 г/л, в том числе питательных солей — 1 —1,5 г/л. При большем содержании солей в сточных водах требуется их специальная подготовка (разбавление, нейтрализация и т.д.).

Основные виды микроорганизмов, населяющих природные и сточные воды. Влияние физических, химических и биологических факторов на развитие микроорганизмов.

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.

6,