Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

DEVELOPMENT OF AN ELECTROTECHNICAL COMPLEX OF SEWAGE TREATMENT FOR THE PURPOSE OF REDUCTION OF CONSUMPTION OF ELECTRIC ENERGY AND AN INTENSIFICATION OF PROCESS OF CLEANING

Akhmedova O.O. 1 Soshinov A.G. 1 Bakhtiarov K.N. 1
1 Kamyshin technological institute (branch) of Federal State Budgetary Educational Establishment of Higher Professional Education “Volgograd State Technical University”
Now level of impurity of environment waste products of the person in densely populated places reaches a critical point. In settlements where there is no connection to the existing centralized sewer network, there is a problem in use of a local electrotechnical complex of the water purification, capable to make purification of waters of house-hold drains with high extent of cleaning. Secondary utilization of already used water reduces level of pollution of the natural massifs accepting sewage. On recycling can go both household drains, and city and industrial. Before recycling of the regenerated water it is necessary to provide a certain level of quality, especially in the relation sanitary and hygienic requirements. Traditional methods of processing of the water directed on dumping, are in-sufficient for ensuring such quality. New cleanings alternative technologies and disinfection by means of which it is possible to lower level of the content in water of microbes, nutrients, toxic substances are necessary and to come to a demanded level of quality of water at rather low cost. The successful solution of this task possibly at the inte-grated approach based on development of effective technological schemes and justification of parameters and working hours of electrophysical system of sewage treatment from biologically permanent organic pollution for its recycling in systems of an irrigation.
imitating model
ultra-violet influence
disinfecting of sewage
water recycling

Вторичная утилизация уже использованной воды сокращает уровень загрязнения природных массивов, принимающих сточные воды.

На вторичное использование могут направляться как бытовые стоки, так и городские и промышленные. Вторичное использование решается при условии, если будет обеспечена полная экологическая безопасность (т.е. такое использование не должно наносить ущерб сложившейся экосистеме, почве и культурным растениям), а также исключён всякий риск для местного населения в санитарно-гигиеническом отношении. Таким образом, очень важно, чтобы в рамках любого такого проекта тщательно соблюдались требования действующих нормативных документов в части охраны здоровья и безопасности, а также действующие отраслевые норма и правила для промышленности и сельского хозяйства [2].

В большинстве случаев, чтобы воду можно было направить на вторичное использование, требуется её предварительная очистка. Выбор степени такой очистки определяется установленными требованиями санитарно-гигиенической безопасности и стоимостными параметрами.

В соответствии с постановлением 185/2003 в отношении использования регенерированной воды выделяются три основные категории:

1) системы орошения: полив культурных растений, предназначенных для производства пищевых продуктов для потребления человеком и домашними животными, а также продуктов непродовольственной сферы, полив участков озеленения, садово-парковых зон и спортивных объектов;

2) гражданское назначение: мойка мостовых и тротуаров населённых пунктов, водоснабжение отопительных сетей и сетей кондиционирования воздуха, водоснабжение вторичных распределительных сетей (отдельно от питьевого водопровода) без права непосредственного использования такой воды в зданиях гражданского назначения за исключением систем слива туалетов и санузлов;

3) промышленное назначение: снабжение систем пожаротушения, производственных контуров, моечных систем, термических циклов производственных процессов с исключением областей применения, предусматривающих контактирование вторичной регенерированной воды с пищевой, фармацевтической и косметической продукцией [2].

Перед вторичным использованием регенерированной воды необходимо обеспечить определённый уровень качества, особенно в отношении санитарно-гигиенических требований. Традиционные методы обработки воды, направляемой на сброс, для обеспечения такого качества недостаточны. Необходимы новые альтернативные технологий очистки и дезинфекции, при помощи которых удаётся снизить уровень содержания в воде микробов, питательных веществ, токсических веществ и выйти на требуемый уровень качества воды при относительно невысокой стоимости.

Успешное решение этой задачи возможно при комплексном подходе, основанном на разработке эффективных технологических схем и обосновании параметров и режимов работы электрофизической системы очистки сточных вод от биологически стойких органических загрязнений для вторичного использования её в системах орошения.

Рис. 1. Имитационная модель электротехнического комплекса очистки сточных вод с выводом процентного снижения численности патогенов при использовании оптимальных параметров

Рассмотрим имитационную модель электротехнического комплекса очистки сточных вод с последовательным соединением блоков воздействия (рис. 1). Параметры состояния имитационной модели отображают процент выживших микроорганизмов от общего числа патогенов, для ОМЧ, ОКБ, ТКБ начальное число болезнетворных бактерий равно 10000 шт. в 100 мл, а колифагов 100 шт. в 100 мл, поэтому для удобства восприятия далее перейдём от процентного соотношения к количественному показателю.

Общее микробное число снизилось до величины менее 3,29.10-7 КОЕ/мл в очищенной воде, аналогичные результаты были достигнуты и по остальным индикаторным показателям: количество общих колиформных бактерий на выходе установки составило 0,086 КОЕ/100 мл, термотолерантных бактерий - 2,6.10-10 КОЕ/100 мл, а колифагов – 0,015 БОЕ/100 мл. При этом энергозатраты для каждого блока составят: озонирующая установка – 25 Вт.час, ультрафиолетовая установка – 85 Вт.час (энергопотребление при продолжительности воздействия 0,75 с и интенсивности 45 мВт/см2 составит 1,7 Вт.с/м2) , ультразвуковая установка – 1,2 Вт.час (энергопотребление при продолжительности воздействия 2,26 с и интенсивности 1 мВт/см2 составит 0,0752 Вт.с/м2), СВЧ-установка – 211,7 Вт.час (энергопотребление при продолжительности воздействия 120 с и интенсивности 1,8 Вт/г составит – 6,96 Вт.с).

При разработке электротехнического комплекса использовалось понятие вектора Умова – Пойтинга.

, (1)

где К - вектор Умова-Пойнтинга, S - поверхность, ограничивающая объем, м2; K.cos α -нормальная составляющая вектора по точкам поверхности.

Из выражения (1) можно определить мощность излучения, приходящуюся на определённый объём среды, равную разности потоков втекающей в объём и вытекающей из него энергии. Для создания энергосберегающей технологии необходимо реализовать в ней условие, при котором энергия ультрафиолетового излучения полностью поглощается объёмом облучаемой среды.

Если вектор скорости перемещения сточной воды направить перпендикулярно плоскому волновому фронту, то тогда энергия, поглощенная каждым элементарным объёмом, будет находиться при помощи интегрирования не только по времени воздействия (зависит от скорости), но и по потоку облучения, который является функцией пространственных координат. Значение указанного интеграла при движении среды без локальных взаимных смещений элементарных объемов будет для каждого из них одинаковым, что, по существу, и является решением проблемы обеспече­ния равномерности облучения всего объема облучаемой среды. Следовательно, технологическая схема должна отвечать требованию локализации электромагнитной энергии в виде потока с плоским волновым фронтом и направлением движения обеззараживаемой среды в пространстве локализации электромагнитной энергии перпендикулярно волновому фронту облучающего потока.

На рис. 2 представлены технологические схемы, в которых жид­кость, не перемешиваясь, поднимается вверх, навстречу потоку излучения (а) и, наоборот, опускается от источника излучения (б).

а)б)

Рис. 2. Расчётные схемы облучения обеззараживаемой жидкости, движущейся навстречу потоку излучения (а) и в одном с ним направлении (б)

Данные технологические схемы являются универсальными, так как в них могут облучаться жидкости с разными показателями поглощения ультрафиолетового потока α, и даже жидкости, характеризующиеся переменным по глубине эффективным показателем поглощения, из-за перехода с глубиной проникновения от направленного к рассеянному излучению.

Схемы на рис. 2 дают одинаковые результаты, если эффект пропорционален только дозе излучения. Однако закон возрастания получаемого элементарным слоем жидкости дозы облучения по координате «х» в процессе её прохождения через фотореактор будет различным для рассмотренных схем и определяется выражениями [2]:

, (2)

. (3)

Сравнивая выражения (2) и (3), видно, что в первом случае доза облучения набирается плавно, с возрастающей скоростью, а при движении обеззараживаемой жидкости в одном направлении с потоком УФ-облучения скорость нарастания дозы в начальный момент максимальна, а затем уменьшается до нуля. Данные отличия необходимо учитывать, выбирая более эффективную схему для ультрафиолетового обеззараживания среды.

Воздействие излучения на жидкость характеризуется сложной закономерностью технологического процесса от и. Количество бактерий в единице объёма, оставшихся после облучения, определяется выражением:

, (4)

где Nбн – исходная плотность микроорганизмов одного вида (количество микроорганизмов в единице объема среды), шт/л.; Nбк – остаточная плотность микроорганизмов одного вида в единице объёма среды, шт/л.; Еб – бактерицидная облучённость, Вт/м2; Nбл – поверхностная бактерицидная доза, при которой происходит прекращение жизнедеятельности микроорганизмов индикаторов, бк.с/см2.

Данное выражение получено из уравнения кинетики гибели бактерий при воздействии на единицу объема среды потока излучения Ф:

. (5)

Поток излучения, поглощаемый единицей объёма облучаемой среды, зависит от координаты «х» расположения слоя по высоте реактора. Учитывая, что Ф . dt = du, после интегрирования дифференци­ального уравнения (5) получаем:

. (6)

Обе схемы облучения, представленные на рис. 2, дадут одинаковые интегральные результаты, так как движение облучаемой жидкости u(h) одинаково. Подставляя в уравнение (6) выражения (2) и (3) для двух вариантов схем ультрафиолетового воздействия и переходя к безразмерным координатам, соответственно получаем зависимости относительной концентрации бактерий от координаты "х" фотореактора в процессе обеззараживания:

, (7)

, (8)

где g = Е0 / (υ. Н0) - задаваемая относительная объемная плотность дозы облучения; х′ = х / h - текущая относительная глубина.

Степень обеззараживания жидкости при оптической толщине Д > 5 определяется выражением

. (9)

Таким образом, при УФ-обеззараживании жидких сред по рассматри­ваемой технологической схеме скорость движения жидкости определяется по выражению (9) при заданных необходимых значениях степени стерилиза­ции ψ и пороговой дозы Нбл:

, (10)

где ρ - интегральный коэффициент отражения излучения поверхностью жидкости.

а)б)

Рис. 3. Зависимости относительной скорости изменения объемной плотности лучистой энергии u′, степени обеззараживания жидкости ψ и относительной эффективности процесса обеззараживания ηоб от относительной высоты слоя х′ в фотореакторе при движении жидкости навстречу потоку излуче­ния (а) и в одном с ним направлении (б)

Кинетика обеззараживания жидкости, несмотря на равенство интегральных показателей, при разных направлениях движения будет различной. На рис. 3 показан один из вариантов зависимостей основных параметров про­цесса от относительной глубины х′ при движении слоя жидкости соответст­венно вверх и вниз. Координата х′ в обоих случаях ориентирована в направле­нии движения обеззараживаемой жидкости. Кроме ψ, на рис. 3 показаны также зависимости относительной скорости изменения объемной плотности поглощаемой энергии u′. Исходя из выражений (7) - (8), для каждой из схем соответственно получаем:

1) схема с рис. 2а:

(11)

2) схема с рис. 2б:

(12)

Если сопоставить зависимости ψ и u′, то следует, что в случае движения жидкости вниз, в отличие от противоположного варианта, характер кривых ψ(х) и u′(х) совпадает, то есть большей концентрации бактерий соответствует более высокая объемная плотность поглощенной энергии. Поэтому следует обеспечивать нисходящий поток жидкости, что также подтверждается характером кривых относительной эффективности процесса облучения и рассчитанных согласно выражению

, (13)

где dN′бк/dx' — относительная скорость обеззараживания по глубине реактора, определяемая из выражений (7) и (8).

Рассмотренные варианты движения облучаемой жидкости в данных технологиях и математический анализ параметров энергетики и качества процесса обеззараживания в них позволили выявить взаимное направление движения среды и УФ-потока, при котором обеспечивается максимальный эффект стерилизации среды с минимальными затратами электроэнергии.

Рецензенты:

Артюхов И.И., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Электроснабжение промышленных предприятий», Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю.А., г. Саратов.

Угаров Г.Г., д.т.н., профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий», Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю.А., г. Саратов.