Исследование возможности применения разрядно-импульсного метода в технологиях очистки поверхностных и промышленных стоков

В различных чрезвычайных ситуациях (ЧС) часто возникают трудности с обеспечением питьевой водой пострадавшего населения и спасателей. Для водоочистки могут использоваться разные установки. Предлагается применение электроимпульсных технологий (ЭИТ), основанных на использовании комплекса физических факторов, сопровождающих процесс быстрого преобразования электрической энергии в другие виды энергии путем импульсного электрического разряда (электровзрыва) в газообразных (в т.ч. в разреженных), жидких и конденсированных средах: ударной волны (УВ), светового излучения, диссоциации и ионизации вещества, электромагнитного поля и др. Реализация ЭИТ осуществляется по схеме: аккумуляция электрической энергии (например, в емкостном накопителе) — коммутация источника электроэнергии и нагрузки (инициирование ЭВ) — сброс электроэнергии в нагрузку. В ряде приложений ЭИТ позволяет по сравнению с другими технологиями достичь качественно новых результатов.

ЭИТ основана на воздействии на обрабатываемую жидкость ударных волн, генерируемых импульсным электрическим разрядом и вызывающих дезинтеграцию и гибель микроорганизмов [1]. Использование ее при обеззараживании воды состоит в следующем [2—4]:

в объеме, занимаемом водой, формируется электрический разряд с помощью погруженных электродов специальной формы, питающихся от импульсного источника электроэнергии;

электрический разряд формирует ударную волну, которая распространяется в объеме воды; кратковременность электрического импульса позволяет реализовать ударную волну, толщина фронта которой меньше размера микроорганизмов, в результате чего в объеме, занимаемом микроорганизмом, при прохождении ударной волны возникает мгновенный градиент давления, приводящий к механическому его уничтожению (микроорганизма).

Энергия в единичном импульсе и частота следования импульсов определяются бактериальным составом воды, и для конкретного типа воды находятся сначала расчетным путем (по имеющимся методикам и накопленным экспериментальным результатам), а затем уточняются экспериментально.

Обеззараживание может быть проведено в замкнутом объеме или в проточной воде.

Применение ЭИТ для обеззараживания воды позволяет обеспечить:

безреагентную дезинфекцию воды;

уничтожение всех видов микроорганизмов;

обработку воды независимо от количества взвешенных в ней твердых частиц и примесей;

эффективную дезинфекцию воды в объеме, радиусом до одного метра.

В настоящее время известны две низкоэнергоемкие безреагентные технологии обеззараживания воды — ЭИТ и ультрафиолетовая (УФ). Однако ЭИТ позволяет обеспечить более высокую надежность при больших расходах воды (из-за существенно меньшего числа воздействующих элементов: 1 пара электродов на ~105 м3/сутки очищаемой воды против ~ 103 УФ-ламп, а также возможности обеззараживания непрозрачной для УФ излучения воды), более низкие эксплуатационные расходы.

Опыты с применением ЭИТ для обеззараживания воды, проведенные в Центре им. М.В. Келдыша [2— 4], показали эффективность и техническую возможность ее использования для обеззараживания воды как методики альтернативной реагентным методам (хлорированию, озонированию и др.). Об этом свидетельствуют высокое обеззараживающее действие, низкая удельная энергоемкость, экологическая чистота, обеспечиваемая безреагентным характером обеззараживания и возможностью отделения обрабатываемого объема воды от зоны разряда проницаемой для ударных волн мембраной.

Проект «Электроимпульсная технология обработки воды» предназначен для:

очистки воды из подземных источников до качества, соответствующего требованиям СанПиН 287482 «Питьевая вода и водоснабжение населенных мест»;

очистки и обеззараживания сточных вод с большим содержанием ионов тяжелых металлов и мышьяка;

очистки и повторного использования промывных вод в технологических схемах промышленных предприятий и на городских водозаборах.

Предлагаемая электроимпульсная технология обработки воды реализована в водоочистном комплексе «Импульс» (разработано «Исследовательским центром им. М.В. Келдыша» при содействии Института Физики высоких технологий Томского политехнического Центра) [2—4]. В работе водоочистного комплекса «Импульс» использованы технологические процессы: аэрация, электроимпульсная обработка и фильтрация (рис. 1). В качестве аэратора используется противопоточная вентиляционная градирня. Входящая вода распыляется эжектором и по хордовой насадке стекает сверху вниз.

Воздух принудительно подается навстречу потоку воды снизу вверх. Эжектор и хордовая насадка являются первой ступенью обработки воды, в которой происходят ее аэрация воздухом и удаление растворенных газов. Электроимпульсная обработка воды осуществляется электроразрядным блоком, который активирует процессы окисления, коагуляции и осаждения, что позволяет значительно снизить энергозатраты на обработку воды за счет ввода малой дозированной порции энергии в импульсном режиме для инициирования цепных химических реакций. Электроразрядный блок включает блоки №№ 1—3 и обеспечивает последующие ступени обработки воды, где происходит уникальный технологический процесс — синергетическое воздействие УФ-излучения и сильнейших (природных) окислителей стоков. Блок № 1 выполняет роль второй ступени обработки воды и во многих случаях вместе с первой ступенью обработки и системой фильтрации обеспе-

Рис. 1. Блок-схема электроимпульсной установки по очистке воды чивает очистку подземных и поверхностных вод до питьевого стандарта. Блок № 2 (электроимпульсный коагулятор) интенсифицирует коагуляционные процессы в потоке очищаемой воды и на поверхности фильтрирующей загрузки и включается в технологический процесс очистки воды до питьевого стандарта только в тех случаях, когда после обработки воды на первой ступени и блоке № 1 примеси, тем не менее, находятся в мелкодисперсной фазе и не полностью улавливаются фильтрами. А при очистке сточных вод технологический процесс включает первую ступень обработки (аэрация), блок № 1 и блок № 2. Энергопотребление блока № 2 составляет 0,02—0,05 кВт ч/м3. При этом сточные воды доводятся до качества «рыбохозяйственных водных объектов». Электроим-пульсное устройство (блок № 3), инициирующее процессы кавитации в воде, значительно усиливает процессы коагуляции примесей, а также обеспечивает предварительное обеззараживание воды. Поэтому применение блока № 3 целесообразно в технологическом процессе очистки подземной и поверхностной воды до питьевого стандарта при наличии в ней мелкодисперсной фракции примесей и особенно актуально для решения задачи повторного использования промывных вод на городских водоканалах. Энергопотребление блока № 3 составляет 0,02 кВт ч/м3. Таким образом, в зависимости от состава и состояния находящихся в воде примесей, а также в зависимости от целей водоподготовки (получение воды питьевого стандарта, очистка стоков, повторное применение промывных вод) могут быть задействованы разные ступени обработки воды комплекса «Импульс». С точки зрения многофакторности обработки и обеззараживания воды традиционные технологии, используемые в комплексе, являются аналитическими методами, т.к. каждая ступень обеспечивает выполнение строго ограниченной задачи автономно. Модульный вариант компоновки оборудования позволяет с минимальными затратами скомпоновать комплекс производительностью от 0,5 м3/час до 200 м3/час и более. Водоочистной комплекс «Импульс» способен обеспечить очистку и обеззараживание воды до питьевого стандарта из подземных источников и поверхностных вод практически любой сложности, что крайне актуально для так называемых «сложных» вод, которые характеризуются содержанием железа в виде металлоорганических соединений, а также повышенным содержанием марганца, кремния и др. Кроме того, водоочистной комплекс «Импульс» позволяет снизить значения концентраций загрязнителей в воде до значений ПДК воды водоемов, а также сточных вод с большим содержанием ионов тяжелых металлов (например, сточные воды гальванических про- изводств) и мышьяка (например, подземные воды и промывные воды золотодобывающих предприятий), а также промывных вод городских водозаборов для их повторного использования. При этом водоочистной комплекс «Импульс» прост и надежен в эксплуатации, имеет невысокую стоимость. Предлагаемая технология подготовки воды является безреагентной, энергосберегающей, экологически чистой. Сотрудниками «Сибирского федерального университета» разработан электроимпульсный метод очистки сточных вод угольных месторождений [5].

Технологическая схема очистки сточных вод с использованием электроимпульсных технологий представлена на рис. 2. Технологическая схема успешно прошла испытания на ряде предприятий этой отрасли [5—7] и может быть рекомендована для применения в цикле очистки сточных вод угольных месторождений.

Рис. 2. Технологическая схема очистки сточных вод с использованием электроимпульсных технологий

Осадок из отстойника после обезвоживания может быть использован в строительстве в качестве наполнителя.

Выводы

Для адаптации к системе МЧС России отобран принципиально новый экологически чистый метод обеззараживания и очистки природных и сточных вод, который позволяет по сравнению с другими методами достичь качественно новых результатов.

Применение ЭИТ для обеззараживания воды позволяет обеспечить:

безреагентную дезинфекцию воды;

уничтожение всех видов микроорганизмов, включая вирусы и споры;

проводить обработку воды независимо от количества взвешенных твердых частиц и примесей;

высокую эффективность обеззараживающего действия, низкую удельную энергоемкость, экологическую чистоту, что достигается безреагентным характером обеззараживания и возможностью, при необходимости, отделения обрабатываемого объема воды от зоны разряда, проницаемой для ударных волн мембраной.

Применение ЭИТ в системе МЧС России возможно: при диверсиях, террористических актах, аварийных сбросах технологических сточных вод предприятий в открытые водоемы, в городскую канализационную сеть, когда нарушаются режим работы очистных сооружений и способность водоемов к самоочищению. Сточные воды, образующиеся в условиях чрезвычайных ситуаций, могут быть сложны по составу, агрессивны, высокотоксичны. Эти обстоятельства также не мешают работе очистного комплекса «Импульс». В соответствии с экспериментальными данными [2—4] при работе комплекса на первой его ступени происходит удаление растворенных агрессивных газов — углекислого газа, сероводорода, азота и пр.

Водоочистной комплекс «Импульс» позволяет эффективно производить обеззараживание и очистку воды не только от традиционных загрязнителей (железо и марганец) и значительно улучшать органолептические показатели очищенной воды, но также производить очистку воды от другой органики (фенол, формальдегид, нефтепродукты и т.д.), от солей тяжелых металлов (свинец, кадмий, медь, хром, никель и пр.) и ионов мышьяка. При этом понижается жесткость воды и удаляется кремний без использования специального оборудования. Необходимо отметить, что проблема удаления кремния из питьевой воды появилась в России совсем недавно после принятия нового стандарта. Существующие технологии очистки воды от кремния являются очень сложными и дорогими. Таким образом, водоочистной комплекс «Импульс» способен обеспечить очистку и обеззараживание воды до питьевого стандарта из подземных источников практически любой сложности, что крайне актуально для так называемых «сложных» вод, которые характеризуются содержанием железа в виде металлоорганических соединений, а также повышенным содержанием марганца, кремния и пр. Кроме того, водоочистной комплекс позволяет снизить значения концентраций загрязнителей в воде до ПДК воды водоемов — сточные воды с большим содержанием ионов тяжелых металлов (например, сточные воды городских водозаборов для их повторного использования).

Таким образом, применение электроимпульсного комплекса «Импульс» дает возможность решать вопросы рационального использования водных ресурсов и в случае различных ЧС в зависимости от их характера и целей водоподготовки (получение воды питьевого стандарта, очистка стоков до ПДК воды водоемов, повторное применение промывных вод). При этом могут быть задействованы разные ступени установки. В связи с этим появляется необходимость в разработке экспериментальной передвижной установки «Импульс» для очистки воды и для налаживания рационального водопользования в экологически неблагоприятных районах, а также в районах, подвергнутых диверсиям, террористическим актам, стихийным бедствиям.