Інтенсифікація процесів знезараження води з використанням гідродинамічних кавітаційних пристроїв - Автореферат

Вибір оптимальних, екологічно безпечних технологічних процесів знезараження побутових і стічних вод, що містять різні види патогенної флори, набуває все більшого народногосподарського значення. Недоліками даних методів є те, що одночасно з високою ступінню знезараження (99,0 - 99,99%) спостерігається реактивація мікроорганізмів; до того ж у воду потрапляють хлорорганічні сполуки, що здійснюють мутагенний і канцерогенний вплив, пестициди, амінофеноли, поверхнево-активні речовини.В звязку з цим, останні дослідження в напрямку удосконалення процесів знезараження присвячені використанню фізичних методів обробки води: електрообробці, ультрафіолетовому опроміненню, тліючому розряду, кавітації. Проте, дотепер ще не достатньо повно вивчені аспекти впливу гідродинамічної кавітації на мікрофлору води, оскільки механізм знезаражуючої дії пояснюється не тільки впливом фізичних ефектів, що супроводжують гідродинамічну кавітацію, але й можливим впливом хімічно-активних сполук, що утворюються в кавітаційному полі. В даній роботі: на основі проведених досліджень зміни морфології бактерій E.coli запропоновано і обґрунтовано механізм знезаражуючої дії кавітації - знезараження відбувається за рахунок фізичних ефектів кавітаційного поля (механічне руйнування клітин) і хімічної деградації під впливом хімічно-активних сполук; вперше встановлено ступінь впливу хімічних і фізичних факторів кавітації на клітини E.coli і отримали подальший розвиток дослідження хімічних процесів у воді, що відбуваються під дією ефектів гідродинамічної кавітації;У першому розділі наведено огляд науково-технічної літератури за темою дисертації, в якому проведено моніторинг забруднень природних вод, розглянуто та проаналізовано існуючі методи знезараження води. Обґрунтовано доцільність застосування кавітації в процесах знезараження води, наведено теоретичні передумови використання гідродинамічної кавітації для знезараження води і проаналізовано проблеми практичного використання кавітаційних пристроїв у процесах водопідготовки. У третьому розділі досліджено ефективність знезараження води, контамінованої E.coli, в залежності від конструктивних особливостей пристроїв динамічного і статичного типів, та гідродинамічних характеристик режимів обробки. Експериментально досліджено, що при всіх режимах обробки відбувається зміна РН води в лужну сторону, що можна пояснити дегазацією СО2 і хімічними перетвореннями у воді. 5) і запропонованої фізичної моделі було розроблено математичну модель процесу знезараження, в основу якої було покладено твердження, що інактивація здійснюється як за рахунок механічного впливу кавітаційних ефектів, що супроводжують кавітацію (дія кумулятивних струмин і локальних тисків), так і внаслідок хімічної деградації клітин під впливом хімічно-активних сполук (радикалів гідроксилу і пероксиду водню): (1) де С - сумарна кількість інактивованих мікроорганізмів внаслідок впливу механічних і хімічних ефектів і явищ кавітаційного поля, ос./см3;На основі проведеного літературного огляду стосовно існуючих технологій водоочищення було встановлено, що кавітаційна обробка є одним із перспективних методів знезараження води. Проте аспекти впливу гідродинамічної кавітації на мікрофлору води дотепер ще не достатньо вивчені, в літературі мало даних щодо механізму і кінетичних закономірностей знезараження під дією гідродинамічної кавітації. Для пристроїв статичного типу, в діапазоні досліджуваних режимів 6·104<Re<8·104, було встановлено оптимальне значення стадії кавітації ?=2,6. Досліджено зміну РН відстояної водопровідної води, дистиляту і дезаерованого дистиляту під час її обробки у кавітаційному пристрої динамічного типу. Шляхом компютерної обробки експериментальних даних визначено, що знезараження під впливом механічних ефектів відбувається за першим порядком, а під дією хімічно-активних сполук - за другим порядком.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

1. На основі проведеного літературного огляду стосовно існуючих технологій водоочищення було встановлено, що кавітаційна обробка є одним із перспективних методів знезараження води. Проте аспекти впливу гідродинамічної кавітації на мікрофлору води дотепер ще не достатньо вивчені, в літературі мало даних щодо механізму і кінетичних закономірностей знезараження під дією гідродинамічної кавітації.

2. На основі візуальних спостережень, експериментальних даних та проведених теоретичних розрахунків, встановлено діапазон досліджуваних режимів в межах 3·105<Rem<6·105. Для пристроїв статичного типу, в діапазоні досліджуваних режимів 6·104<Re<8·104, було встановлено оптимальне значення стадії кавітації ?=2,6.

3. Досліджено зміну РН відстояної водопровідної води, дистиляту і дезаерованого дистиляту під час її обробки у кавітаційному пристрої динамічного типу. Встановлено, що найбільша зміна водневого показника відбувається при обробці водопровідної води до 16%, найменша зміна 5% зафіксована у дезаерованому дистиляті. Експериментальні дослідження показали, що у кавітаційному режимі перемішування із парогазової фази у воду надходять радикали гідроксилу ОН•, пероксид водню Н2О2 і озон. Аналіз концентрацій показав, що знезаражуючий вплив здатні здійснювати лише радикали ОН• і Н2О2, а концентрація О3 становить менше 0,05 мг/дм3. Експериментально досліджено залежність кількості надходження радикалів ОН• і пероксиду водню із парогазової фази у воду від числа Рейнольдса (Rem) і температури оброблюваного середовища. Встановлено, що із збільшенням Rem і зменшенням температури швидкість надходження хімічно-активних сполук у воду збільшується.

4. На основі досліджень структурно-морфологічних змін E.coli запропоновано механізм знезаражуючої дії гідродинамічної кавітації. У відповідності до якого знезаражуючий ефект досягається за рахунок фізико-хімічних ефектів кавітаційного поля, вплив яких здійснює механічне руйнування клітин, і хімічну деградацію під дією хімічно-активних сполук, зокрема ОН• і Н2О2.

5. Експериментально досліджено ступінь впливу кожного із факторів на зміну концентрації мікроорганізмів. Встановлено, що в залежності від режиму обробки і початкового забруднення, радикалами гідроксиду інактивується 60-70% бактерій, пероксидом водню 5-7%, за рахунок механічних ефектів 25-30%. Шляхом компютерної обробки експериментальних даних визначено, що знезараження під впливом механічних ефектів відбувається за першим порядком, а під дією хімічно-активних сполук - за другим порядком. Розраховано константи швидкості даних процесів.

6. На основі запропонованого механізму дії гідродинамічної кавітації на клітину, розроблено математичну модель процесу інактивації мікроорганізмів E.coli, основану на кінетичних залежностях, що описують окремі стадії процесу. Отримано аналітичне рівняння для визначення зміни концентрації мікроорганізмів в умовах кавітації, яке враховує гідродинаміку і режими обробки у модельних пристроях.

7. Вивчено закономірності відмирання E.coli в залежності від режимів обробки та мікробного навантаження. Результати показали, що у турбулентному режимі не відбувається інактивація мікроорганізмів. В умовах кавітаційного режиму швидкість відмирання бактерій зростає зі збільшенням Rem і зменшенням мікробного забруднення. При режимах, коли Rem=6·105 зменшення початкового забруднення E.coli 103 ос/см3 на 99% відбувається за 10-12 хв. При мікробному забрудненні 106ос./см3 за такий же час інактивовано лише 15% E.coli. Така ж тенденція зберігається і при інших режимах обробки.

8. Досліджено синергічний ефект при знезараженні хімічними окисниками (Н2О2, AGNO3 і CACL2) в умовах кавітаційного перемішування. Встановлено, що використання комплексного впливу кавітації і Н2О2 (50мг/дм3) у 25 разів скорочує час експозиції. Комплексна дія Ag(I) 0,005 мг/дм3 дозволяє отримати такий самий ефект знезараження, як при використанні самого Ag(I) концентрацією 0,01 мг/дм3. При використанні CACL2О на 50-60% зменшуються витрати окисника і покращуються якісні показники води.

9. Експериментально досліджено вплив ефектів кавітаційного поля на виживання монокультур S.aureus, S.faecalis і природних асоціацій бактерій. Встановлено, що найбільш стійкими є S.aureus, по виживанню їм поступаються S.faecalis і найуразливіші E.coli. Для досягнення повної дезінфекції води із Тернопільського ставу необхідно застосовувати комбінований спосіб обробки з використанням хімічних окисників.

10. Проведено порівняння інтенсивності та ефективності роботи пристроїв динамічного і статичного типу. Встановлено, що процес знезараження у пристроях динамічного типу відбувається у 3 рази інтенсивніше, а ефективність використання енергії у 2 рази вища у статичних пристроях.

11. Технічна документація на кавітаційний пристрій і технологію підготовки води для плавальних басейнів аквапарку “Лімпопо” передана для впровадження у дирекцію ТЗОВ «Алігатор-ІІ», термін окупності капітальних вкладень становить 0,56 року.

1. Вітенько Т.М. Гідродинамічна кавітація як один із способів активації рідких середовищ / Вітенько Т.М., Гащин О.Р. // Одеська національна академія харчових технологій. Наукові праці. - 2006. - Т. 2, № 28. - С. 22-25. (Здобувачем проведено експериментальне дослідження процесу утворення хімічно-активних сполук (ОН•, Н2О2, О3) і зміни РН води).

2. Гащин О.Р. Исследование химического фактора гидродинамической кавитации в процессах обеззараживания воды / Гащин О.Р., Витенько Т.Н. // Екотехнологии и ресурсосбережение. - 2007. - №3. - С. 44-48. (Здобувачем проведенно експериментальні дослідження та оброблено експериментальні результати).

3. Гащин О.Р. Гідродинамічна кавітація в процесах знезараження під дією хімічних окиснювачів / Гащин О.Р., Вітенько Т.М. // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. - 2007. - №3(109) - С. 49-53. (Здобувачем проведено експериментальні дослідження інактивації мікроорганізмів E.coli хімічними окисниками (CACL2, Н2О2, AGNO3) в умовах кавітаційного перемішування, виконано обробку експериментальних даних).

4. Гащин О.Р. Особенности кинетики обеззараживания воды, содержащей E.coli в условиях гидродинамической кавитации / Гащин О.Р., Витенько Т.Н. // Химия и технология воды. - 2008. - №5 - С. 567-575. (Здобувачем представлено результати інактивації мікроорганізмів E.coli в умовах кавітаційного впливу в залежності від мікробного навантаження, режимів обробки, газового середовища).

5. Пат. 4243 Україна, МПК7 В01F7/04. Кавітаційний пристрій / Вітенько Т.М., Гащин О.Р.; заявник і власник патенту ТДТУ ім. І. Пулюя. - № 2004032160 ; заявл. 23.03.04 ; опубл. 17.01.2005, Бюл. № 1. (Здобувачем запропоновано виконання внутрішньої частини циліндричної камери).

6. Патент 11090 Україна, МПК7 A23J1/20. Спосіб виробництва кислотного казеїну / Вітенько Т.М., Гащин О.Р.; заявник і власник патенту ТДТУ ім. І. Пулюя. - № u200504729 ; заявл. 20.05.05 ; опубл. 15.12.2005, Бюл. № 12. (Здобувачем представлено експериментальні результати впливу кавітаційної обробки на фізико-хімічні і бактеріологічні показники води).

7. Пат. 15684 Україна, МПК D21B1/00. Кавітаційний пристрій / Вітенько Т.М., Гащин О.Р.; заявник і власник патенту ТДТУ ім. І. Пулюя. - № u200600058 ; заявл. 03.01.2006 ; опубл. 17.07.2006, Бюл. № 7 (Здобувачем запропоновано схему розміщення кавітаторів у протічній камері).

8. Гащин О.Р. Перспектива використання гідродинамічних кавітаційних пристроїв для знезараження води / Матеріали Девятої наукової конференції ТДТУ імені Івана Пулюя. 12 - 13 травня 2005р. - С. 144. (Здобувачем представлено аналіз науково-технічної літератури стосовно проблем використання кавітаційних пристроїв у технології водопідготовки).

9. Вітенько Т., Гащин О. Експериментальні дослідження хімічних процесів у воді під впливом гідродинамічного кавітаційного поля / Матеріали Десятої наукової конференції ТДТУ імені Івана Пулюя. 17 - 18 травня 2006 р. - С. 184. (Здобувачем наведено результати утворення хімічно- активних сполук у воді під впливом гідродинамічної кавітації).

10. Вітенько Т., Гащин О. Вивчення комплексної дії гідродинамічної кавітації і хімічних окиснювачів на мікроорганізми Eshcherihia coli / Матеріали Одинадцятої наукової конференції ТДТУ імені Івана Пулюя. 16 - 17 травня 2007р. - С. 181. (Здобувачем проведено експериментальні дослідження, виконано узагальнення експериментальних даних).

11. Гащин О. Вітенько Т. Застосування гідродинамічної кавітації в процесах знезараження води / Матеріали науково-практичної конференції “Екологічна безпека: моніторинг, оцінка ризику, перспективні природоохоронні технології” - Львів, 2007р. - С. 33-34. (Здобувачем запропоновано вирішення пробеми знезараження природних вод впливом гідродинамічної кавітації).

12. Вітенько Т, Гащин О. Вплив гідродинамічного кавітаційного поля на морфологію бактеріальної клітини / Матеріали Дванадцятої наукової конференції ТДТУ імені Івана Пулюя. 14 - 15 травня 2008р. - С. 224. (Здобувачем проведено експериментальні дослідження, фотозйомку).

13. Гащин О., Вітенько Т. Оцінка ефективності та інтенсивності роботи кавітаційних пристроїв у технології водопідготовки. / Матеріали 5-ї міжнародної науково-практичної конференції “Проблеми економії енергії”, 23-25 жовтня 2008р., Львів, 2008р. - С. 282-286. (Здобувачем представлено результати порівняння інтенсивності та ефективності роботи кавітаційних пристроїв).

Размещено на .ru