Электрофизические технологии: новая концепция обеззараживания воды ультрафиолетовым излучением

В работе рассмотрены экологические, технические и экономические аспекты внедрения технологии обеззараживания воды бактерицидными ультрафиолетовыми лучами. Предложена модель процесса обеззараживания и методика проектирования и создания УФ–установок. Ключевые слова: ультрафиолетовое бактерицидное излу...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Date:	2005
Main Authors:	Базалеев, Н.И., Клепиков, В.Ф., Литвиненко, В.В., Шаляпин, С.Н.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2005
Subjects:	Наукові основи інноваційної діяльності Екологічні технології і біотехнології
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/2638
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Электрофизические технологии: новая концепция обеззараживания воды ультрафиолетовым излучением / Н.И. Базалеев, В.Ф. Клепиков, В.В. Литвиненко, С.Н. Шаляпин // Наука та інновації. — 2005. — Т. 1, № 1. — С. 99-109. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-2638
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-26382025-02-09T20:53:51Z Электрофизические технологии: новая концепция обеззараживания воды ультрафиолетовым излучением Електрофізичні технології: нова концепція знезараження води ультрафіолетовим випромінюванням Electrophysical-Technologies: a New Concept of Water Disinfection by Ultraviolet Radiation Базалеев, Н.И. Клепиков, В.Ф. Литвиненко, В.В. Шаляпин, С.Н. Наукові основи інноваційної діяльності Екологічні технології і біотехнології В работе рассмотрены экологические, технические и экономические аспекты внедрения технологии обеззараживания воды бактерицидными ультрафиолетовыми лучами. Предложена модель процесса обеззараживания и методика проектирования и создания УФ–установок. Ключевые слова: ультрафиолетовое бактерицидное излучение, обеззараживание воды, распределение дозы. У роботі розглянуті екологічні, технічні і економічні аспекти впровадження технології знезараження води бактерицидними ультрафіолетовими променями. Запропонована модель процесу знезараження і методика проектування і створення УФ–установок. Ecological, engineering and economic aspects of implementation of water disinfection technology based on utilization of ultraviolet rays are discussed in the paper. The model of disinfection process and the method of projecting and assembling ultraviolet units are proposed. 2005 Article Электрофизические технологии: новая концепция обеззараживания воды ультрафиолетовым излучением / Н.И. Базалеев, В.Ф. Клепиков, В.В. Литвиненко, С.Н. Шаляпин // Наука та інновації. — 2005. — Т. 1, № 1. — С. 99-109. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 1815-2066 DOI: doi.org/10.15407/scin1.01.099 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/2638 ru application/pdf Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Наукові основи інноваційної діяльності Екологічні технології і біотехнології Наукові основи інноваційної діяльності Екологічні технології і біотехнології
spellingShingle	Наукові основи інноваційної діяльності Екологічні технології і біотехнології Наукові основи інноваційної діяльності Екологічні технології і біотехнології Базалеев, Н.И. Клепиков, В.Ф. Литвиненко, В.В. Шаляпин, С.Н. Электрофизические технологии: новая концепция обеззараживания воды ультрафиолетовым излучением
description	В работе рассмотрены экологические, технические и экономические аспекты внедрения технологии обеззараживания воды бактерицидными ультрафиолетовыми лучами. Предложена модель процесса обеззараживания и методика проектирования и создания УФ–установок. Ключевые слова: ультрафиолетовое бактерицидное излучение, обеззараживание воды, распределение дозы.
format	Article
author	Базалеев, Н.И. Клепиков, В.Ф. Литвиненко, В.В. Шаляпин, С.Н.
author_facet	Базалеев, Н.И. Клепиков, В.Ф. Литвиненко, В.В. Шаляпин, С.Н.
author_sort	Базалеев, Н.И.
title	Электрофизические технологии: новая концепция обеззараживания воды ультрафиолетовым излучением
title_short	Электрофизические технологии: новая концепция обеззараживания воды ультрафиолетовым излучением
title_full	Электрофизические технологии: новая концепция обеззараживания воды ультрафиолетовым излучением
title_fullStr	Электрофизические технологии: новая концепция обеззараживания воды ультрафиолетовым излучением
title_full_unstemmed	Электрофизические технологии: новая концепция обеззараживания воды ультрафиолетовым излучением
title_sort	электрофизические технологии: новая концепция обеззараживания воды ультрафиолетовым излучением
publisher	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
publishDate	2005
topic_facet	Наукові основи інноваційної діяльності Екологічні технології і біотехнології
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/2638
citation_txt	Электрофизические технологии: новая концепция обеззараживания воды ультрафиолетовым излучением / Н.И. Базалеев, В.Ф. Клепиков, В.В. Литвиненко, С.Н. Шаляпин // Наука та інновації. — 2005. — Т. 1, № 1. — С. 99-109. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT bazaleevni élektrofizičeskietehnologiinovaâkoncepciâobezzaraživaniâvodyulʹtrafioletovymizlučeniem AT klepikovvf élektrofizičeskietehnologiinovaâkoncepciâobezzaraživaniâvodyulʹtrafioletovymizlučeniem AT litvinenkovv élektrofizičeskietehnologiinovaâkoncepciâobezzaraživaniâvodyulʹtrafioletovymizlučeniem AT šalâpinsn élektrofizičeskietehnologiinovaâkoncepciâobezzaraživaniâvodyulʹtrafioletovymizlučeniem AT bazaleevni elektrofízičnítehnologíínovakoncepcíâznezaražennâvodiulʹtrafíoletovimvipromínûvannâm AT klepikovvf elektrofízičnítehnologíínovakoncepcíâznezaražennâvodiulʹtrafíoletovimvipromínûvannâm AT litvinenkovv elektrofízičnítehnologíínovakoncepcíâznezaražennâvodiulʹtrafíoletovimvipromínûvannâm AT šalâpinsn elektrofízičnítehnologíínovakoncepcíâznezaražennâvodiulʹtrafíoletovimvipromínûvannâm AT bazaleevni electrophysicaltechnologiesanewconceptofwaterdisinfectionbyultravioletradiation AT klepikovvf electrophysicaltechnologiesanewconceptofwaterdisinfectionbyultravioletradiation AT litvinenkovv electrophysicaltechnologiesanewconceptofwaterdisinfectionbyultravioletradiation AT šalâpinsn electrophysicaltechnologiesanewconceptofwaterdisinfectionbyultravioletradiation
first_indexed	2025-11-30T16:46:04Z
last_indexed	2025-11-30T16:46:04Z
_version_	1850234545765351424
fulltext	99© НАУКА ТА ІННОВАЦІЇ. 2005 Екологічні технології і біотехнології ВВЕДЕНИЕ Как известно, общей особенностью электро� физических лучевых технологий является получение заданного эффекта в результате радиационной передачи энергии в установ� ленном спектральном диапазоне к техноло� гическому объекту. Множество эффектов и, соответственно, приложений, получаемых с помощью данных технологий, обусловлено широкими возможностями вариации пара� метров процесса облучения: спектр, энергия, мощность, время воздействия, внешние усло� вия обработки, внутреннее состояние техно� логического объекта. Разнообразие и техно� логическая eмкость получаемых эффектов Наука та інновації.2005.Т 1.№ 1.С. 99�109. ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ: НОВАЯ КОНЦЕПЦИЯ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОДЫ УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ Н. И. Базалеев, кандидат технических наук, НТЦ электрофизической обработки НАН Украины, Харьков В. Ф. Клепиков, доктор физико$математических наук, академик НАНУ, НТЦ электрофизической обработки НАН Украины, Харьков В. В. Литвиненко, кандидат физико$математических наук, НТЦ электрофизической обработки НАН Украины, Харьков С. Н. Шаляпин, Харьковская электротехническая компания, Харьков Надійшла до редакції 17.12.03 Резюме: В работе рассмотрены экологические, технические и экономические аспекты внедрения тех� нологии обеззараживания воды бактерицидными ультрафиолетовыми лучами. Предложена модель процесса обеззараживания и методика проектирования и создания УФ�установок. Резюме: В роботі розглянуто екологічні, технічні та економічні аспекти впровадження тенології зне� зараження води бактерицидними ультрафіолетовими променями. Запропоновано модель процесу знезараження та методика проектування та створення УФ�установок. Abstract: Ecological, engineering and economic aspects of implementation of water disinfection technolo� gy based on utilization of ultraviolet rays are discussed in the paper. The model of disinfection process and the method of projecting and assembling ultraviolet units are proposed. Ключевые слова: ультрафиолетовое бактерицидное излучение, обеззараживание воды, распределе� ние дозы. 100 Наукові основи інноваційної діяльності НАУКА ТА ІННОВАЦІЇ. № 1, 2005 столь широка, что многие направления выде� лились в самостоятельные отрасли науки и промышленности, развитие которых опреде� ляет технический прогресс. К наиболее оче� видным примерам можно отнести электрон� но�лучевую сварку, лазерные технологии, ра� диационно�химические технологии. В то же время ряд интересных эффектов не получи� ли столь широкого развития несмотря на их актуальность и технологическую привлека� тельность. К числу таких примеров относит� ся обеззараживание воды ультрафиолетовы� ми лучами – метод известный более ста лет, получивший достаточно серьезное развитие на этапе становления централизованных предприятий водоподготовки [1], имеющий примеры внедрения, отмечаемый во многих классических трудах [2], как эффективный, и тем не менее, в силу традиционного мышле� ния, не получающий должного внедрения. В настоящее время, когда начали в гло� бальных масштабах сказываться отрицатель� ные последствия химических технологий во� доподготовки, возникла потребность внедре� ния новых высокоэффективных безреагент� ных методов обеззараживания и очистки, позволяющих снизить степень химического загрязнения питьевых и сточных вод. В этой связи представляется уместной разработка и глобальное внедрение в практику водоподго� товки и водоотведения метода обеззаражива� ния воды ультрафиолетовым излучением, принципиальной особенностью которого яв� ляется отсутствие вредного влияния на фи� зико�химические и органолептические пока� затели обеззараженной воды при более высо� ком обеззараживающем действии. Анализировать причины того, что дан� ный метод уступил химическим реагентам на рынке технологий водоподготовки, следует во временном срезе. Прежде всего, следует отметить, что от крупного предприятия водо� подготовки и очистки сточных вод зависит жизнедеятельность больших населенных пунктов и промышленных предприятий, то есть, оно должно быть стабильно функцио� нирующим и контролируемым. На момент выбора между химическими окислителями (хлор, гипохлорит натрия) и ультрафиолето� вым излучением (начало 1950�х гг.), не было стабильно работающих источников ультра� фиолетового излучения. Использование большого количества ламп – УФ�излучате� лей предъявляло повышенные требования к их качеству, ресурсу, изменению интенсивно� сти бактерицидного излучения в процессе работы, контролю большого количества од� новременно работающих УФ ламп и т. п. Од� ной из главных причин сдерживания разви� тия альтернативных технологий стали уста� ревшие стандарты и методические руковод� ства по контролю эффективности обеззара� живания. В соответствии с существующими нормативными документами контроль эф� фективности обеззараживания осуществля� ется по наличию в воде остаточного хлора. Есть хлор – вода обеззаражена, нет хлора в воде – значит вода по своим микробиологи� ческим параметрам не соответствует сани� тарно�гигиеническим требованиям. Необходимо обратить особое внимание на то, что хлор опасен не только при обезза� раживании питьевых вод, но и при обеззара� живании сточных вод. Он способствует обра� зованию в воде высокотоксичных диоксидов и тригалометанов. Насыщенные хлором сточные воды сбрасываются в поверхност� ные водоемы – реки и водохранилища, отку� да она поступает на питьевые водозаборы других городов и поселков, жители которых вынуждены употреблять отравленную токси� нами воду. Академик НАН Украины В. В. Гончарук отмечал: "Небольшие количе� ства нефтепродуктов, которые попадают в организм с питьевой водой, менее опасны, чем вода, загрязненная теми же нефтепро� дуктами и обеззараженная хлором" ("Урядо� вий кур'єр" від 5.08.2000 р.). Кроме того, за� 101НАУКА ТА ІННОВАЦІЇ. № 1, 2005 Екологічні технології і біотехнології грязнение водоемов хлором губительно ска� зывается на жизнедеятельности флоры и фа� уны водоемов. С появлением нового поколения бакте� рицидных УФ�ламп с высокими показателя� ми стабильности параметров излучения и высоким коэффициентом выхода коротко� волнового (обладающего наибольшим бакте� рицидным действием) УФ�излучения и мик� ропроцессорной техники на рынке возник ряд фирм, специализирующихся на произ� водстве установок, сориентированных на ло� кального пользователя с объемами потребле� ния воды до 100 м3/ч [3]. Тем не менее за не� большим исключением [1, 4] УФ�метод обез� зараживания воды и в настоящее время оста� ется за порогом централизованных предпри� ятий водоподготовки и очистки сточных вод. Для того, чтобы не оставить в тени перспек� тивный, экологически безупречный метод требуется радикальное изменение подхода к созданию установок для УФ�обеззаражива� ния воды. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ Причины сложившейся ситуации требуют более подробного рассмотрения. Начать сле� дует с наиболее очевидных. К первой группе причин нужно отнести кажущуюся простоту реализации метода. Для демонстрации при� водим "обобщенную" формулу изобретения встречающуюся в патентах: "УФ�излучатель помещается в корпус, снабженный устройст� вом ввода�вывода воды, с целью равномер� ной обработки воды устанавливается турбу� лизатор, за время прохождения через камеру жидкость получает требуемую дозу ультра� фиолетового излучения..." Более или менее добросовестная реализация такой конструк� ции вполне способна дать ожидаемый эф� фект на установках небольшой производи� тельности для воды с невысоким значением первичной зараженности, низким коэффици� ентом поглощения ультрафиолета (как пра� вило, вода из подземных источников), содер� жанием железа и жесткости в пределах уста� новленной нормы. Иначе складывается ситу� ация при попытке создания установок, пред� назначенных для обеззараживания воды из поверхностных источников или для обезза� раживания сточных вод. В настоящее время в Украине только 2 % поверхностных вод по показателю бактериальной зараженности оцениваются как удовлетворительные (ака� демик НАН Украины В. В. Гончарук, газета "СВІТ", №1�2 2001 г.). В этом случае начина� ют срабатывать те скрытые минусы, которые могли не приниматься во внимание при не� больших значениях производительности. Приведем некоторые из них: – используемые мощные лампы высокого (среднего) давления содержат более ши� рокий спектр излучения, в том числе длинноволновую часть спектра, способ� ную вызывать в зависимости от типа бак� терии и величины УФ�дозы как гибель, так и репарацию (восстановление) пора� женной клетки; – присутствующие в воде примеси способ� ны в различной степени рассеивать раз� личные составляющие спектра излуче� ния; – необходимость использования дополни� тельных химических реагентов (хлор, озон, гипохлорит натрия) требует опре� деления оптимального соотношения хи� мического и физического факторов обез� зараживания с целью достижения муль� типликативного синергетического эф� фекта [5]; – необходимость более частой очистки по� верхностей защитных кварцевых чехлов от органических и минеральных отложе� ний, существенно снижающих интенсив� ность бактерицидного УФ�излучения; – нагревание УФ�излучателей; – интенсивный контакт воды с внутренней 102 Наукові основи інноваційної діяльності НАУКА ТА ІННОВАЦІЇ. № 1, 2005 поверхностью камеры обработки может вызвать коррозионные процессы; – использование турбулизаторов увеличи� вает гидродинамические потери в сети. Исходя из вышесказанного, становиться очевидным необходимость выработки инди� видуального подхода к созданию высокопро� изводительных установок, основанного на: – комплексном изучении физико�химичес� ких и биологических свойств воды конк� ретного источника, а также их динамики в течение годового цикла; – моделировании физико�химических, биологических, гидродинамических про� цессов, происходящих в проектируемой установке при взаимодействии УФ�излу� чения с технологическим объектом – во� дой; – системном анализе и учете особенностей сопутствующих капитальных сооруже� ний при проектировании и изготовлении установок. Если определение физико�химических и микробиологических параметров воды про� изводится по стандартным методикам, то вы� полнение последних двух пунктов затрудне� но из�за отсутствия соответствующих мето� дик и принципов проектирования УФ�уста� новок. МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИКО( ХИМИЧЕСКИХ И БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ УФ(ЛУЧЕЙ С ВОДОЙ И ЕЕ КОМПОНЕНТАМИ Построение модели взаимодействия УФ�лу� чей с компонентами воды является много� этапным наукоемким процессом. И здесь уместно вернуться к общему определению электрофизических лучевых технологий и к тем подходам, которые были выработаны ав� торами при создании электрофизических комплексов [6]. Предлагаемая концептуаль� ная модель физико�химических и биологиче� ских процессов, происходящих при обеззара� живании воды УФ�лучами, апробирована при разработке ряда других электрофизичес� ких лучевых технологий [7] и адаптирована авторами с учетом существующего опыта по проектированию, изготовлению и внедрению УФ�установок. Модель является, по сути, структурной оболочкой для автоматизации эксперимента и создания экспертной систе� мы автоматизированного проектирования. Ввиду многофакторности процесса возника� ет задача учета взаимосогласованного дейст� вия всех факторов и оценки их вклада в фор� мирование обеззараживающего эффекта – на основании этого надо сформулировать опти� мальные параметры технологического про� цесса. На рис. 1 изображена схема формиро� вания обеззараживающего эффекта под дей� ствием УФ�излучения. Определяющим яв� ляется фактор параметров УФ�излучения FUV (спектр излучения, мощность, доза), обуславливающий физико�химические и би� ологические превращения. Обеззараживаю� щий эффект основан на летальных фотохи� Рис. 1. Схема формирования обеззараживающего эффекта под действием УФ(излучения 103НАУКА ТА ІННОВАЦІЇ. № 1, 2005 Екологічні технології і біотехнології мических реакциях в живой материи микро� организмов [8] (бактериальных вирусов, ми� кробов и простейших), приводящих при об� лучении большими дозами УФ�излучения к инактивации биосинтетического аппарата воспроизводства жизненно важных макро� молекул ДНК, РНК и белков, гибели амино� кислот, пептидов и белков, повреждению ДНК, нарушению проницаемости мембран, образованию сшивки белок – ДНК и пр. При этом различают бактерицидный (гибель кле� ток), бактериостатический (клетки живут, но не размножаются) и разнообразные леталь� ные мутационные эффекты. Бактерицидное действие УФ�излучения носит одноударный характер. Хотя квантовый выход составляет 105–108, для уничтожения клетки достаточно одного кванта энергии (один летальный удар) УФ�излучения при условии его погло� щения молекулой ДНК, играющей решаю� щую роль в жизнедеятельности клетки. Интенсивность фотохимических реак� ций, приводящих к гибели клетки, зависит от длины волны и дозы облучения. Спектр дей� ствия УФ�излучения, приводящий к гибели клетки, максимален при 260–265 нм (резуль� тат повреждения нуклеиновых кислот, пре� имущественно поглощающих излучение в указанном спектральном диапазоне), для от� дельных "белковых" микроорганизмов – 280 нм (белковый максимум), для смешан� ных – 260 и 280 нм. Летальный эффект УФ� излучения с длиной волны более 320 нм не� значителен. При длинах волн менее 200 нм эффективность инактивации возрастает из� за ионизирующего действия излучения. На бактерицидное действие УФ�излучения ока� зывают влияние такие факторы, как темпера� тура среды, характер окислительного обмена и пищевой режим клеток, фаза роста, нали� чие в среде химических протекторов или сен� сибилизаторов и пр. Необходимо принимать во внимание, что повторное поглощение кванта излучения с длиной волны 310– –340 нм может привести к репарации (вос� становлению клетки) и повысить выживае� мость бактерий от 1 до 40 % [8]. На рис. 2 приведена кривая бактерицидной эффектив� ности УФ�излучения и спектральные харак� теристики УФ�ламп. Как видно, ряд ламп, используемых в высокопроизводительных установках, имеет достаточно широкий раз� брос спектра, и таким образом существует возможность протекания всего многообразия вышеперечисленных механизмов взаимодей� ствия УФ�излучения с микроорганизмами. Рис. 2. Относительная спектральная эффективность бактерицидного УФ(излучения 104 Наукові основи інноваційної діяльності НАУКА ТА ІННОВАЦІЇ. № 1, 2005 Роль фактора параметров воды Fwat в формировании обеззараживающего эффекта состоит в большей или меньшей степени ос� лабления УФ�излучения, т. е. равномерности распределения дозы излучения в зоне разме� щения бактерий. В зависимости от первич� ной зараженности воды выбирается доза УФ� излучения. В случае обработки поверхност� ных и сточных вод целесообразно вносить в воду дополнительные химические реагенты, но в количествах гораздо меньших, чем при использовании окислительных технологий. Окислители, взаимодействуя с сульфгидрид� ными группами аминокислот белков наруж� ных оболочек, делают микроорганизм более уязвимым к действию других факторов (УФ), поражающих жизненно важные струк� турные единицы клетки. Эффективность та� кого совместного действия и возможность снижения количества физического и химиче� ского дезинфектанта обосновано в работе [5]. Фактор совокупного действия Fmix оп� ределяет особенности протекания фотохими� ческих реакций, продукты которых способны усиливать бактерицидный или бактериоста� тический эффект, а в ряде случаев создавать пролонгирующее обеззараживающее дейст� вие. Например, часть присутствующего в во� де кислорода под действием УФ�излучения трансформируется в озон, а молекулы воды способны образовывать радикалы, в т. ч. пе� рекись водорода, являющиеся сильными окислителями. Возможно также протекание фотостимулированных реакций разложения органических соединений [9]. Таким образом можно получить обоб� щенную формулу для нахождения минимума функционала, описывающего формирование обеззараживающего эффекта: , где N0 – первичная зараженность бактриями, N – количество бактерий после обработки. Его решением будет служить уравнение рег� рессии, получаемое на основе многофактор� ного эксперимента. Установив для конкрет� ного источника воды оптимальные значения дозы УФ�излучения, типа излучателя (низ� кого, среднего давления), необходимость применения дополнительных реагентов и их количеств, получаем исходные данные для проектирования установки. В качестве при� мера на рис. 3 приводим экспериментальные данные по изучению изменения коли�индек� са в сточной воде, обрабатываемой УФ�излу� чением с длиной волны λ = 253,7 нм; гори� зонтальная линия показывает максимальный уровень бактериального загрязнения сточ� ных вод, сбрасываемых в открытые водоемы (СаНПиН 4630�88 "Охрана поверхностных вод от загрязнения". ПРОЕКТИРОВАНИЕ УСТАНОВКИ Проектирование установок для внедрения на крупных водохозяйственных предприятиях требует комплексного учета как исходных факторов – тип источника водоснабжения, параметры воды, суточный и мгновенный расход воды, допустимое значение гидравли� ческого сопротивления в сети, энергоемкость и др., так и конечных характеристик установ� ки – габариты, вес, геометрия камеры облу� чения, капитальные и эксплуатационные за� траты, производительность. Таблица 1. Основные параметры обеззараживаемой воды 105НАУКА ТА ІННОВАЦІЇ. № 1, 2005 Екологічні технології і біотехнології Установка должна обеспечивать: – равномерность облучения жидкости в пределах установленной дозы; – высокий коэффициент использования излучения; – низкие потери давления в сети водопро� вода, в который вмонтирована установка; – большие объемы обработки жидкости, соизмеримые с реальными потребностя� ми предприятия в обработке питьевой, технической или сточной воды; – коррозионная устойчивость. Одна из основных проблем – обеспече� ние равномерности облучения воды – реша� ется, исходя из общего определения поверх� ностной дозы УФ�излучения, получаемой объемом потока воды, проходящей через ка� меру обработки. , где r – обобщенная координата пространства камеры облучения, I(r) – интенсивность из� лучения в точке r, sr – площадь поверхности элементарного объема; tr – время пребыва� ния элементарного объема в точке r, r1, r2 – пределы интегрирования, определяемые кон� струкцией камеры облучения и расположе� нием в ней УФ�источников. Не случайно до� за рассматривается как интегральная вели� чина, получаемая поверхностью элементар� ного объема за время прохождения через ка� меру обработки, поле излучения в которой, как правило, распределено неравномерно. Существующие подходы к оценке дозы по среднему показателю или по наихудшему оп� Рис. 3. Изменение микробиологического загрязнения сточной воды в зависимости от величины поглощенной УФ(дозы 106 Наукові основи інноваційної діяльності НАУКА ТА ІННОВАЦІЇ. № 1, 2005 равданы для обработки воды с невысоким значением коэффициента поглощения излу� чения α (0,1–0,2 см–1), характерным для во� ды из подземных источников. Проектирова� ние установок для обработки вод из поверх� ностных источников или сточных вод (как правило, объем обработки 100 м3/ч и более) связано с решением всех вышеупомянутых требований, причем их выполнение может быть взаимоисключающим. Например, не� равномерность облучения снижается за счет установки турбулизаторов, которые, в свою учередь, увеличивают гидродинамические потери в сети. Проблема устранения недооб� лученных участков решается путем размеще� ния нескольких излучателей таким образом, что зоны, расположенные на границе пересе� чения полей отдельных УФ�источников, Рис. 4. Распределения дозы УФ(излучения в поперечном разрезе цилиндрической камеры, содержащей семь излучателей (верхний правый квадрант) 107НАУКА ТА ІННОВАЦІЇ. № 1, 2005 Екологічні технології і біотехнології имеют требуемую облученность благодаря эффекту сложения полей. На рис. 4 изобра� жены изолинии распределения дозы УФ�из� лучения в поперечном разрезе цилиндричес� кой камеры (верхний правый квадрант) для случая семи излучателей (обозначены ок� ружностями) в воде с значением α равным 0,5. Площадь недооблученных зон сводиться к внешним сегментам условной окружности, описывающей радиально расположенные УФ�источники. Этот недостаток устраняется путем вмонтирования дополнителых турбу� лизаторов, либо конструктивной геометрией камеры или установкой ламинаторов потока, обеспечивающих увеличение времени пре� бывания воды в недооблученной зоне. Выбор оптимального варианта конструкции целесо� образно проводить с использованием средств системного анализа [10], что требует разра� ботки специального алгоритма технологии проектирования. Так, конструкция установ� ки характеризуется совокупностью парамет� ров x, реализация которых позволяет полу� чить ряд эксплуатационных характеристик Fi(x), i = 0, 1, …, N (например, стоимость обра� ботки, равномерность облучения воды, коэф� фициент использования излучения и др.). Данные характеристики являются функцио� налами, достигающими заданных значений при определенных параметрах установки. Исходя из технических и экономических со� ображений для ряда функционалов задается наиболее предпочтительная величина, кото� рая достигается при некоторых значениях X. Рис. 5. Комплекс обеззараживания воды из трех семиламповых модулей, общей производительностью 300 м3/ч 108 Наукові основи інноваційної діяльності НАУКА ТА ІННОВАЦІЇ. № 1, 2005 Учитывая, что в реальной ситуации достичь оптимальных значений функционалов, как правило, не удается, налагается ограничение вида , (1) где 0 < k << 1. Затем на основе специально разработанного алгоритма строится сетка значений xz, из которых конструктором вы� бираются наиболее реализуемые и удовлет� воряющие условию (1). На рис. 5 приведен комплекс из трех мо� дулей, содержащих семь излучателей, общей производительностью 300 м3/ч. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ Затраты на эксплуатацию установки состоят из затрат на электроэнергию, сменные УФ� лампы и другие затраты, связанные с перио� дическим техническим обслуживанием. Учи� тывая, что обычно УФ�установки состоят из одинаковых обеззараживающих модулей, расчет эксплуатационных затрат произво� дится для одного модуля с последующим ум� ножением полученного результата на коли� чество модулей в УФ�установке. Для примера, проведем расчет затрат на эксплуатацию одного обеззараживающего модуля типа 8В12ПКМ.02�TUV115W произ� водительностью порядка 440 м3/ч. Итак: 1) Затраты на электроэнергию. Модуль в штатном режиме потребляет 12 кВт электроэнергии. Количество потреб� ленной электроэнергии в течение года со� ставляет: 365 сут ⋅ 24 ч ⋅ 12 кВт = 105120 кВт⋅ч. При стоимости 1 кВт⋅ч электрической энергии равной 0,23 грн, затраты на электро� энергию составляют: 105120 кВт ⋅ ч ⋅ 0,23 грн/кВт⋅ч = = 24178 грн. 2) Затраты на приобретение сменных УФ�ламп. В течение года в модуле необходимо за� менить Учитывая, что стоимость одной УФ�лам� пы TUV115W составляет 200 грн, затраты на приобретение 84 сменных УФ�ламп состав� ляют: 84 ламп ⋅ 200 грн = 16800 грн. 3) Другие эксплуатационные затраты связаны с периодическим техническим об� служиванием модуля и не превышают 6000 гривен в год. Таким образом, эксплуатационные затра� ты составляют: 24178 + 16800 + 6000 = 46978 грн. Таким образом, стоимость обеззаражива� ния 1 м3 сточных вод составляет 1,22 копейки. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Выработанный комплексный подход к изуче� нию процесса обеззараживания воды УФ�из� лучением позволяет проектировать установ� ки с учетом индивидуальных особенностей водозабора (водостока) и предложить заказ� Таблица 2. Основные экономические показатели 109НАУКА ТА ІННОВАЦІЇ. № 1, 2005 Екологічні технології і біотехнології чику несколько вариантов конструкции уста� новки, являющихся оптимальными относи� тельно заказываемых технико�экономичес� ких и эксплуатационных характеристик, с учетом требований конкретного объекта, где планируется внедрение. ЛИТЕРАТУРА 1. Соколов В. Ф. Обеззараживание воды бактери� цидными лучами. – М.: Стройиздат, 1964.–334 с. 2. Николадзе Г. И., Минц Д. М., Кастальский А. А. Подготовка воды для питьевого и промышленного водоснабжения. – М: Высшая школа, 1986.–386 с. 3. Шаляпин С. Н. Обеззараживание питьевой воды бактерицидным ультрафиолетовым излучением // Сумма технологий.–1999.–1. 4. Альшин В. М., Безделин С. М., Волков С. В. и др. Применение технологии УФ�облучения воды взамен первичного хлорирования // Водоснабже� ние и санитарная техника.–1996.–12.–С. 13–16. 5. Маслюков А. П., Рахманин Ю. А., Матю( шин Г. А. и др. О природе синергизма в процессах обеззараживания воды смесями химических дез� инфектантов // Доклады академии наук РАН. –1992.–325(6). –С. 1238–1241. 6. Базалеев Н. И., Клепиков В. Ф., Литвиненко В. В. Моделирование и прогнозирование изменений физико�химических свойств материалов под воз� действием излучений // Доповіді НАН Ук� раїни.–1997.–4. –С. 82–86. 7. Базалеев Н. И., Клепиков В. Ф., Литвиненко В. В. Электрофизические радиационные техноло� гии. – Харьков: Акта, 1998.–206 с. 8. Конев С. В., Волотовский И. Д. Фотобиология. – Минск: Изд. БГУ, 1979.–384 с. 9. Гончарук В. В. Фотокаталитическое деструктив� ное окисление органических соединений в водных средах // Химия в интересах устойчивого разви� тия.–1997.–5.–С. 345–355. 10. Моисеев Н. Н. Математические задачи системно� го анализа. – М.: Наука, 1981.–488 с.

Электрофизические технологии: новая концепция обеззараживания воды ультрафиолетовым излучением

Institution

Similar Items