Войти  
Подписка 0
Гость admin

Обеззараживание сточных вод

Оцените эту тему

1 сообщение в этой теме

Обеззараживание дренажных вод системами УФС облучения с помощью опытных образцов,

предназначенные для потоков воды с малым расходом

С. Адрадос, М.А. Гарсия, Е. Гарсия и Р. П. Гутиэррез

Министерство сельского хозяйства и агромелиорации

Политехнический университет Валенсии 46022-Валенсия, Испания

                Для проведения настоящего исследования было сооружено два опытных образца в целях приспособления различных физических переменных, связанных с обеззараживанием щелочных растворов до их изначальных характеристик, изучением их природы и течения, а также учет экономичности процесса. В целях повышения эффективности обеззараживания был выбран опытный образец контактной канальной системы закрытого типа. Конструкция образца состоит из ртутной лампы низкого давления, мощностью 75 Вт, облаченной в стальной корпус. Этот тип образца позволяет полностью устранить споры, бактерии, вирусы и водоросли при дозировке 40 МВт/см-2 при потоках до 0,5 л/с-1. В зависимости от природы инфекционного агента возможно снижение дозировки . Наряду с закрытой системой, в целях устранения работ по обслуживанию лампы и сложностей транспортировки, была выбрана канальная система УФС открытого типа. Конструкция этого образца состоит из УФ лампы, установленной продольно в горизонтальном стальном желобе длиной 120 см, через который непрерывно циркулирует слой щелочного раствора в 2 мм. Изменение напряжения стало эффективным методом в обеих установках для наращивания или снижения дозировки при постоянном потоке, без превышения рабочего режима лампы. Учитывая температуру внутри теплицы, УФ реактор функционирует при температурах, позволяющих достичь оптимальной эффективности. Явным преимуществом данного образца стала его стоимость, которая намного ниже коммерческих установок.

Введение

                Использование ирригационных стоков для полива гидропонных культур может сэкономить до 20% вод и удобрений, а также предотвратить подпочвенные заражения. В настоящее время коммерческие установки позволяют дезинфицировать воду с помощью ультрафиолетового облучения. Эти установки сложно приспособить к условиям исследования из-за их чрезмерных габаритов и недостатка данных по их физическим характеристикам. Кроме того, такие параметры коммерческих установок как поток, дозировка УФ и т.д. неизменны, изменить их можно только в некоторой степени.

                Основная цель данного исследования – создание и проверка двух опытных образцов реакторов УФ излучения с ртутными лампами низкого давления, для обеззараживания сточных вод для полива гидропонных культур в тепличных условиях.

Источники УФ излучения

                Существуют четыре волновые зоны спектра УФ излучения (см. рис 1), но только УФ волны спектра С и УФ волны спектра В обладают бактерицидными свойствами, необходимых для дезинфекции (Мьюлеманс, 1986 г.). Микроорганизмы  инактивируются с помощью УФ излучения в результате фотохимического повреждения их нуклеиновых кислот (Райт и Кеймс, 1999 г.). Наибольшие значения поглощаемости имеют волны, длиной до 265 нм (УФС). Основными же источниками УФ излучения стали ртутные лампы низкого и среднего давления.

Untitled-2.9212C8ECCFA84F37AD70328DBE907

                Ртутные лампы низкого давления излучают свет, с длиной волны 254 нм (см. рис. 2); их электрическая мощность близка к 0.3 Вт/см-1, а эффективность в преобразовании электроэнергии в УФ излучение близка к 40%. Амплитуда излучения ламп среднего давления находится в типах излучения УФВ и УФС (см. рис. 2); мощность этих ламп находится в пределах 48 и 126 Вт/cm -1, а их эффективность выше на 16: (Филипс, 1983 г.).

В больших дезинфекционных установках, используются лампы среднего давления из-за большей УФ мощности, несмотря на невысокие характеристики эффективности преобразования. Однако, для обеззараживания малых потоков, зачастую используются лампы низкого давления, благодаря их высокому показателю эффективности.

fis004.9212C8ECCFA84F37AD70328DBE907C2B.fis006.9212C8ECCFA84F37AD70328DBE907C2B.

   Рис. 2. Спектры ртутных ламп (а) низкого давления и (b) среднего давления.

Длина волны, нм (ось х)

Относительная энергия, (ось у)                      

Кинетическая инактивация в результате УФ облучения

Инактивация микроорганизмов из-за УФ облучения происходит вследствие закона Чика-Уатсона: ln ( N / N 0 )=- K I t , где N 0 является изначальным содержанием микроорганизмов до УФ облучения; N – это содержание микроорганизмов после обработки УФ облучением; К – это постоянная показателя смертности микроорганизмов, в см2 µ W -1 s -1 ; I – это интенсивность УФ излучения, в Вт/см-2; и t – это время обработки, в секундах (Моура, 2002 г.).

Дозировка используемого УФ излучения определяется путем умножения интенсивности излучения на время выдержки: D = I t (Вт/с/см-2). При обработке питьевой воды, рекомендуется дозировка до 40 МВт/с/см-2 (Райт и Кеймс, 1999 г.). Также рекомендуется увеличение дозировки для обработки сельскохозяйственных вод, из-за наличия в ней твердых веществ.

УФ излучение поглощается диспергированными частицами и самой жидкостью; таким образом, по мере проникновения излучения в жидкость, ее значение снижается в соответствии с законом Бира-Ламберта: I = I 0 . e - α x , где I – это интенсивность радиации в жидкости, α – это коэффициент поглощаемости УФ излучения жидкостью; I 0 – интенсивность излучения на источнике, в см -1 ; и x – это плотность жидкости, в см (Пирез, 1998)

                МЕТОДЫ И МАТЕРИАЛЫ

                Тип лампы

                Было рассмотрено 31 коммерческих моделей ламп из коммерческих каталогов по следующим показателям: эффективность УФС, продолжительность рабочего времени, стоимость и длина лампы, для соответствия применению.

                Была вычислена линейная корреляция с эффективностью преобразования излучения УФС и потреблением электрической энергии. Интенсивность УФС-излучения (Вт/см -2 ) определялось размером каждой из ламп. Из всего выбора ламп, подходящих для опытного образца, была отобрана лампа с наилучшими характеристиками и низкой стоимостью.

                Конструкция УФ реактора

                УФ реакторы можно классифицировать в зависимости от положения источника излучения и жидкости в открытой канальной системе, закрытой бесконтактной канальной системе и закрытой контактной канальной системе (Райт и Кеймс, 1999 г.).

  УФ излучение поглощается жидкостями с окраской или с содержанием взвешенных веществ, это заметным образом влияет на эффективность обеззараживания. В данном исследовании , сточные воды были очищены с помощью 0,4 мм песочного фильтра .

Плотность жидкостной плёнки была достаточно низка (2-5 мм) для равномерного распределения излучения. Жидкость может загрязнить лампу или ее корпус. Это означает, что их необходимо регулярно очищать.

В данном исследовании, было опробовано два УФ реактора:

1. Опытный образец 1. Закрытая канальная контактная система (рис. 3). Конструкция данного образца включала ртутную лампу низкого давления мощностью 75 Вт, с излучением волны длиной 254 нм, помещенной в стальной корпус. Жидкость протекала между кварцевой трубкой лампы и стальным корпусом. Таким образом, для увеличения эффективности обеззараживания, в качестве внутренней стенки реактора использовалась кварцевая трубка.

fis008.9212C8ECCFA84F37AD70328DBE907C2B.

Ртутная лампа

Дезинфекционный канал

Секция А-А`

fis010.9212C8ECCFA84F37AD70328DBE907C2B.

Рис. 3. Схема опытного образца 1.

2. Опытный образец 2. Открытая канальная система (рис. 4). Конструкция данного образца включала УФ лампу, идентичную вышеописанной, и зеркальный параболический цилиндр. Лампа установлена продольно, над горизонтальным стальным желобом размерами 120 см в длину и 10,5 см в ширину, через который непрерывно циркулировал тонкий слой щелочного раствора. В данном образце не использовался прямой контакт лампы с жидкостью, так что ее очищение не требуется.

fis012.9212C8ECCFA84F37AD70328DBE907C2B.

fis014.9212C8ECCFA84F37AD70328DBE907C2B.

Ртутная лампа

Дезинфекционный канал

Отражатель

Сборный канал

Рис. 4. Схема опытного образца 2.

Эффективность образца зависит от типа отражателя. Вдобавок, количество и однородность дозировки зависит от положения лампы внутри рефлектора. Было опробовано четыре различных типа зеркальных параболических цилиндра на основании идентичной ширины (10,5 см) и на уровне четырех различных высот (9,5 – 7,0 – 4,7 – 4,2 см). На каждой из исследованных высот, лампу устанавливали в различных позициях по вертикали, и измеряли интенсивность излучения на поперечных секциях основания отражателя (рис. 5).

Untitled-3.9212C8ECCFA84F37AD70328DBE907

Описание характеристик лампы

На образце 1 было исследовано влияние температуры трубки на характеристики лампы. На различных потоках воды были сделаны измерения источника напряжения, напряжения, подающегося на лампу, напряжения, подающегося на балластный слой, температуры лампы, температуры балластного слоя и силы тока.

На образце 1 был установлен источник регулируемого напряжения (автотрансформатор) с целью регулирования интенсивности излучения и определения напряжения и ограничения тока.

Испытания по дезинфекции

                Грибки довольно часто передаются через воду для орошения, нанося огромный ущерб гидропонным посевам (Маган, 2000 г.). Для проверки эффективности дезинфекции было использовано два вида грибков.

1.   Fusarium spp.   Исходные эксперименты проводились в лаборатории, в целях проверки эффективности опытного образца открытого канального типа. Суспензия, содержащая fusarium ssp. была подвержена УФ облучению в различных степенях УФС дозировки, далее суспензия была помещена в чаши Петри (по четыре повторения на дозу) и, наконец, колонии были пересчитаны после 7 и 15 дней после взращивания в камере (факультет патологий растений, политехнический университет Валенсии). Было изучено четыре водных потока: 0,25, 0,5, 1 и 3 л/мин, напряжение = 220 В.

2.   Olpidium brasicae. Исходные эксперименты проводились на гидропонных посевах томата, произрастающих в условиях промышленной теплицы. Зараженные щелочные растворы были подвержены УФС облучению при различных уровнях дозировки (по три повторения на дозу). Обработанная вода была использована для полива посевов, дважды в неделю, в объеме 200 см 3 на каждое растение. После этого была исследована инвазия грибков на корни растений.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Так как результат экспериментов определялся с помощью коммерческих моделей ламп, была вычислена следующее отношение эффективности преобразования потребляемой электроэнергии в УФС излучение: y = 0.3453x + 0.0551 (r 2 =0.957). На основании этих данных, была выбрана модель лампы TUV 75W-HO (Phillips International, Inc.) благодаря наивысшим показателям эффективности и возможности наилучшего приспособления к условиям реактора.

Опытный образец 1

1.   Изменение потребляемой электроэнергии на единицу приложенного напряжения.

     Электрический ток и потребление электроэнергии изменяются в зависимости от напряжения. Снижение напряжения источника питания оказалось достаточным для работы ртутной лампы низкого давления мощностью 75 Вт. Для получения различных уровней интенсивности УФС излучения путем изменения приложенного напряжения был использован автотрансформатор.

     Линейная корреляция между приложенным напряжением и потребляемой электроэнергией при неизменной температуре и потоке, была получена следующим путем: y = 1.6514x+103.14 (r 2=0.997). На рис. 6 показано изменение различных электрических характеристик на единицу напряжения при неизменной температуре лампы 65 C .

 Untitled-4.9212C8ECCFA84F37AD70328DBE907

    На рис. 7 показаны волны напряжения и электрического тока на экране осциллографа. Как можно заметить, они не они совпадают с синусоидальными волнами, поэтому, электроэнергия была измерена с помощью электродинамического ваттметра. С помощью формулы V I cos П• б ыла вычислена следующая линейная корреляция между электроэнергией, замеренной ваттметром : y = 1.0827 x –21.678 ( r 2 = 0.994). Следовательно, значение электрической мощности можно определить исходя из двух легко измеряемых характеристик ( V и I ).

fis020.9212C8ECCFA84F37AD70328DBE907C2B.

Рис. 7. Волны напряжения и электрического тока на экране осциллографа. Опытный образец 1.

2. Изменение потребляемой электроэнергии на единицу температуры. Температура лампа была изменяемой благодаря контакту циркулирующей жидкости с трубкой. В результате потребление электроэнергии изменялось . На рис. 8 показано что потребление электроэнергии, а, следовательно, и интенсивность УФС излучения достигло наивысших показателей при температуре между 30 и 40 С.

Untitled-6.9212C8ECCFA84F37AD70328DBE907

3. Приложенная дозировка . На рис. 9 показано отношение между приложенным напряжением и дозировкой в условиях жидкости одинаковой плотности, а также на разных потоках (между 10 и 30 л/мин-1 ). Очевидно, что минимальная рекомендованная доза для эффективного обеззараживания (40 мВт/с/см-2 ) достигнута в условиях потока, интенсивность которых достигает 30 д/мин-1.

Untitled-7.9212C8ECCFA84F37AD70328DBE907

Опытный образец 2

На рис 10 показана интенсивность излучения, подающаяся через трубку. Стоит указать, что интенсивность излучения снижается на оконечностях лампы. Следовательно, эти оконечности непригодны для обеззараживания и не берутся в расчет в приложенной дозировке.

Untitled-8.9212C8ECCFA84F37AD70328DBE907

1. Выбор отражателя. Основным фактором, взятым в расчет при выборе отражателя, стало равномерное распределение излучения вдоль поверхности жидкости, так как движение жидкости практически ламинарно.

Дозировка и равномерность УВС излучения. Чем ближе лампа помещается к жидкости, тем выше средняя дозировка, приложенная на жидкость. В противоположность – с увеличением расстояния между лампой и отражателем, снижается показатель равномерности.

     В таблице 1 показано расстояние между лампой и отражателем для достижения наибольшего уровня показателя равномерности. Указывается относительная средняя дозировка для каждого из случаев. Стоит указать, что наивысшие показатели средней дозировки и равномерности были достигнуты в самом низком рефлекторе (4,2 см в высоту).

Таблица 1. Влияние геометрической формы отражателя на относительное излучение. Образец 2. Среднее отклонение определяет равномерность дозировки.

Длина параболы,

см

Высота параболы,

см

Расстояние от лампы до основания отражателя, см

Расстояние от лампы до вершины рефлектора, см

Среднее излучение, Вт/см -2

Среднее отклонение

( равномерность )

25.0

9.5

7.65

1.85

0.660

0.13

19.5

7.0

5.15

1.85

0.843

0.31

16.0

4.7

3.45

1.25

0.933

0.08

14.0

4.2

2.95

1.25

1.000

0.06

     На рис. 11 показаны значения относительного УФС излучения на жидкости, указывающие специфические расстояния между лампой и отражателем. Максимальное значение равномерности достигается при помещении лампы близко к рефлектору.

Untitled-9.9212C8ECCFA84F37AD70328DBE907

2. Результаты обеззараживания. В таблице 2 подведен итог эффективности воздействия различных доз УФС на суспензию подвешенной fusarium ssp . Наблюдается, что полная дезинфекция зараженных растворов была достигнута с помощью наивысших доз облучения, при низших же значениях доз, выжило только несколько колоний.

Таблица 2. Воздействие УФС излучения на количество колоний fusarium ssp.

Дозировка

750

мВт/с / см 2

375

мВт/с / см 2

187.5

мВт/с / см 2

62.5                   0

мВт/с/см 2        мВт/с/см 2

Поток

0,25 л/мин

0,5 л/мин

1 л/мин

3

л/мин

Колонии

0

0

1

3                 195

ЗАКЛЮЧЕНИЯ

Путем изменения приложенного напряжения возможно снижение интенсивности УФС облучения.

Наивысшие показатели эффективности излучения лампы достигаются при температуре лампы в пределах 30 и 40 C .

Дозировка, излучаемая образцом 1, обеспечивает полное обеззараживание широких слоев потока воды.

Образец 2 показал наилучший результат относительно дозировки и равномерности излучения при помещении отражателя в самый нижний уровень. Максимальные показатели равномерности были достигнуты при соприкосновении лампы с отражателем.

Сборка образцов проста и экономична, их цена намного ниже их рыночных аналогов.

БЛАГОДАРНОСТЬ

Авторы исследования благодарят д-ра Дебору Уэстфалл за корректуру текста на английском языке.

Используемая литература

Маган, Дж. Дж. 2000 г.  Recirculacion de las soluciones nutritivas.  Manejo y control microbiolo gico. Documento interno. Estacion Experimental Las Palmerillas. Мурсия. Испания.

Мьюлеманс, С. С. Е. 1986 г . Основные принципы стерилизации воды с помощью УФ облучения. Обработка воды озоном и УФ облучением, «Акватек». Амстердам.

Моура, A. 2002 г. Avaliaсao do emprego da radia с ao UV na desinfec с ao de а guas.

Engenharia sanitaria e ambiental. 7(1), 37-47.

Филипс, Р. 1983 г. Источники и применение ультрафиолетового излучения. Нью-Йорк; Academic Press.

Пирез, М. Р., Пизани, Б., Пранди, М. A. Г. и Симоес, М. 1998 г. Desinfecсao de а gua com radiaсao uv: eficiencia bactericida. Revista do Instituto Adolfo Lutz. S а o Paulo. Vol 57 (1), 29 – 34.

Райт Х . Б . и Кеймс , У . Л . 1999 г . Desinfeccion de agua por medio de luz ultravioleta. Trojan Technologies Inc.

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на других сайтах

Создайте аккаунт или войдите для комментирования

Вы должны быть пользователем, чтобы оставить комментарий

Создать аккаунт

Зарегистрируйтесь для получения аккаунта. Это просто!


Зарегистрировать аккаунт

Войти

Уже зарегистрированы? Войдите здесь.


Войти сейчас
Войти  
Подписка 0

Пользовательский поиск





  • Сейчас популярно