Ультрафиолет плюс ультразвук, и почему опять «нет аналогов в мире»?
DOI 10.35 776/VST.2022.01.01 / УДК 628.166
DOI 10.35 776/VST.2022.01.01 / УДК 628.166
Статья опубликована в журнале «Водоснабжение и санитарная техника» в номере 1, 2022 года.
Ультразвук не получил широкого распространения в мире как технология обеззараживания воды. Он обладает низкой энергетической эффективностью обеззараживания по сравнению с ультрафиолетовым облучением и поэтому самостоятельно не применяется. Совместное воздействие ультразвука и УФ-облучения не обладает синергетическим эффектом, так как это различные и независимые друг от друга фото-биологический и физико-химический процессы. Отсутствуют критерии и способы контроля эффективности обеззараживания ультразвуком. Применение ультразвука не регламентировано санитарными правилами и методическими указаниями в сфере обеззараживания питьевой и сточной воды. Очистка кварцевых чехлов осуществляется с помощью механических систем и химической промывки, мировые производители оборудования не использует для этого ультразвук. Требуется защита персонала от вредного воздействия ультразвука.
Ключевые слова: обеззараживание, сточные воды, питьевая вода, водоподготовка, ультразвук, ультрафиолет.
Ультразвук не получил широкого распространения в мире как технология обеззараживания воды. Он обладает низкой энергетической эффективностью обеззараживания по сравнению с ультрафиолетовым облучением и поэтому самостоятельно не применяется. Совместное воздействие ультразвука и УФ-облучения не обладает синергетическим эффектом, так как это различные и независимые друг от друга фото-биологический и физико-химический процессы. Отсутствуют критерии и способы контроля эффективности обеззараживания ультразвуком. Применение ультразвука не регламентировано санитарными правилами и методическими указаниями в сфере обеззараживания питьевой и сточной воды. Очистка кварцевых чехлов осуществляется с помощью механических систем и химической промывки, мировые производители оборудования не использует для этого ультразвук. Требуется защита персонала от вредного воздействия ультразвука.
Ключевые слова: обеззараживание, сточные воды, питьевая вода, водоподготовка, ультразвук, ультрафиолет.
Василяк Леонид Михайлович, главный научный сотрудник, доктор физико-математических наук, профессор,
Объединенный институт высоких температур Российской академии наук
125 412, Россия, Москва, Ижорская ул., 13, стр. 2, тел.: +7 (495) 484-18-10, e-mail: vasilyak@ihed.ras.ru
Кудрявцев Николай Николаевич, доктор физико-математических наук, член-корреспондент Российской академии наук,
президент Московского физико-технического института
141 701, Россия, Московская область, г. Долгопрудный, Институтский пер., 9, тел.: +7 (495) 408-57-00, e-mail: president@mipt.ru
Смирнов Александр Дмитриевич, доктор технических наук, главный специалист, АО «НИИ ВОДГЕО»
119 435, Россия, Москва, Большой Саввинский пер., 9, тел.: +7 (499) 272-47-58, e-mail: 5 171 434@mail.ru
Стрелков Александр Кузьмич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Водоснабжение и водоотведение»,
Академия строительства и архитектуры, Самарский государственный технический университет
443 100, Россия, г. Самара, Молодогвардейская ул., 244, тел.: +7 (846) 339-14-11, e-mail: a19400209@yandex.ru
Объединенный институт высоких температур Российской академии наук
125 412, Россия, Москва, Ижорская ул., 13, стр. 2, тел.: +7 (495) 484-18-10, e-mail: vasilyak@ihed.ras.ru
Кудрявцев Николай Николаевич, доктор физико-математических наук, член-корреспондент Российской академии наук,
президент Московского физико-технического института
141 701, Россия, Московская область, г. Долгопрудный, Институтский пер., 9, тел.: +7 (495) 408-57-00, e-mail: president@mipt.ru
Смирнов Александр Дмитриевич, доктор технических наук, главный специалист, АО «НИИ ВОДГЕО»
119 435, Россия, Москва, Большой Саввинский пер., 9, тел.: +7 (499) 272-47-58, e-mail: 5 171 434@mail.ru
Стрелков Александр Кузьмич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Водоснабжение и водоотведение»,
Академия строительства и архитектуры, Самарский государственный технический университет
443 100, Россия, г. Самара, Молодогвардейская ул., 244, тел.: +7 (846) 339-14-11, e-mail: a19400209@yandex.ru
За последние тридцать лет технология обеззараживания ультрафиолетовым (УФ) излучением природных и сточных вод стала традиционной и широко применяемой в коммунальном хозяйстве и промышленности [1]. Более 75% сточных вод в США обеззараживаются УФ-излучением, в РФ этот показатель на 2021 год составил более 40% и продолжает расти. Аналогичная ситуация наблюдается в развитых странах Юго-Восточной Азии (Южная Корея — 80%, Китай — более 50%, Малайзия — более 50%, Гонконг, Сингапур ~ 100% и т. д.). Все более широко УФ-излучение применяется в сочетании с окислительными технологиями (хлорирование, озонирование), мембранными системами очистки и обеззараживания при подготовке хозяйственно-питьевой воды из поверхностных источников водоснабжения в США, Европе, Азии. В России также накоплен значительный опыт в этой области (Санкт-Петербург, Нижний Новгород, Ростов-на-Дону, Новосибирск и др.). Такое сочетание методов позволяет обеспечить надежное обеззараживание воды по спорам и вирусам, особенно в рамках новых нормативных требований (СанПиН 2.1.3684−21 и СанПиН 1.2.3685−21).
Современные мировые тенденции повышения эффективности и надежности УФ-технологии и УФ-оборудования:
а) повышение единичной мощности УФ-ламп и их КПД, увеличение ресурса и снижение спада потока УФ-излучения в процессе эксплуатации;
б) внедрение либо совершенствование систем управления мощностью УФ-излучения в зависимости от изменения расхода и качества воды для повышения энергоэффективности УФ-системы в целом;
в) совершенствование конструкций УФ-оборудования на основе современного гидродинамического моделирования;
г) совершенствование правил и нормативов сертификации УФ-оборудования (чем мы в России мало занимаемся и в этой сфере тотально отстаем от западных стран).
К сожалению, необходимость кропотливой работы по вышеназванным направлениям некоторые наши разработчики и производители подменяют поисками и предложениями чудес, которым, как это модно у нас говорить в последнее время, почему-то нет «аналогов в мире».
В настоящее время на рынке УФ-оборудования можно встретить УФ-системы от отечественных производителей, оснащенные дополнительными ультразвуковыми (УЗ) излучателями. Разработчики таких систем декларируют повышение эффективности обеззараживания (за счет синергетического эффекта), но, как правило, ничем не подтвержденное, а оборудование позиционируют зачастую как ноу-хау или передовые разработки отечественных инженеров, либо секреты прошлого из «оборонки». А так ли это на самом деле?
Ультразвук — это механические колебания, частота которых выше области слышимого человеком звука 18−20 кГц [2−5]. Ультразвук широко применяется в медицине для диагностики, в технике для визуализации подводных объектов, интенсификации процессов промывки и химической очистки поверхностей, сепарации, создания эмульсий и др. [2−9]. Применение ультразвука с целью обеззараживания воды — достаточно специфическая технология, не получившая в мире широкого распространения, в том числе в сфере водоснабжения и водоотведения, на что есть ряд причин. Обеззараживающий эффект при высоких интенсивностях ультразвука (выше 1−2 Вт/см2) достаточно хорошо изучен [10−16] и, по сути, не может претендовать на ноу-хау.
Исследования [10; 11] показали, что для уменьшения количества E-coli и фекальных колиформ на три порядка необходима обработка воды ультразвуком в течение 60 минут при плотности ультразвуковой мощности 400 Вт/л, что соответствует энергетическим затратам 400 Вт·ч/л. Согласно заключению, сделанному в работе [10], учитывая экспоненциальное уменьшение микроорганизмов по времени, аналогичный эффект обеззараживания с помощью УФ-излучения обеспечивается при энергозатратах, не превышающих 0,02−0,04 Вт·ч/л. В работе [14] санитарные показатели для сточной воды достигались при длительности обработки ультразвуком 45 минут, при потреблении энергии 12,5 кВт·ч/м3. Таким образом, затраты энергии при УЗ-обеззараживании воды в несколько тысяч раз выше, чем при УФ-обеззараживании [10; 11], а необходимая длительность обработки больше примерно на два порядка. Очевидно, что при таких энергозатратах УЗ-обеззараживание неконкурентоспособно, поэтому его в промышленных масштабах нигде не применяют.
Современные мировые тенденции повышения эффективности и надежности УФ-технологии и УФ-оборудования:
а) повышение единичной мощности УФ-ламп и их КПД, увеличение ресурса и снижение спада потока УФ-излучения в процессе эксплуатации;
б) внедрение либо совершенствование систем управления мощностью УФ-излучения в зависимости от изменения расхода и качества воды для повышения энергоэффективности УФ-системы в целом;
в) совершенствование конструкций УФ-оборудования на основе современного гидродинамического моделирования;
г) совершенствование правил и нормативов сертификации УФ-оборудования (чем мы в России мало занимаемся и в этой сфере тотально отстаем от западных стран).
К сожалению, необходимость кропотливой работы по вышеназванным направлениям некоторые наши разработчики и производители подменяют поисками и предложениями чудес, которым, как это модно у нас говорить в последнее время, почему-то нет «аналогов в мире».
В настоящее время на рынке УФ-оборудования можно встретить УФ-системы от отечественных производителей, оснащенные дополнительными ультразвуковыми (УЗ) излучателями. Разработчики таких систем декларируют повышение эффективности обеззараживания (за счет синергетического эффекта), но, как правило, ничем не подтвержденное, а оборудование позиционируют зачастую как ноу-хау или передовые разработки отечественных инженеров, либо секреты прошлого из «оборонки». А так ли это на самом деле?
Ультразвук — это механические колебания, частота которых выше области слышимого человеком звука 18−20 кГц [2−5]. Ультразвук широко применяется в медицине для диагностики, в технике для визуализации подводных объектов, интенсификации процессов промывки и химической очистки поверхностей, сепарации, создания эмульсий и др. [2−9]. Применение ультразвука с целью обеззараживания воды — достаточно специфическая технология, не получившая в мире широкого распространения, в том числе в сфере водоснабжения и водоотведения, на что есть ряд причин. Обеззараживающий эффект при высоких интенсивностях ультразвука (выше 1−2 Вт/см2) достаточно хорошо изучен [10−16] и, по сути, не может претендовать на ноу-хау.
Исследования [10; 11] показали, что для уменьшения количества E-coli и фекальных колиформ на три порядка необходима обработка воды ультразвуком в течение 60 минут при плотности ультразвуковой мощности 400 Вт/л, что соответствует энергетическим затратам 400 Вт·ч/л. Согласно заключению, сделанному в работе [10], учитывая экспоненциальное уменьшение микроорганизмов по времени, аналогичный эффект обеззараживания с помощью УФ-излучения обеспечивается при энергозатратах, не превышающих 0,02−0,04 Вт·ч/л. В работе [14] санитарные показатели для сточной воды достигались при длительности обработки ультразвуком 45 минут, при потреблении энергии 12,5 кВт·ч/м3. Таким образом, затраты энергии при УЗ-обеззараживании воды в несколько тысяч раз выше, чем при УФ-обеззараживании [10; 11], а необходимая длительность обработки больше примерно на два порядка. Очевидно, что при таких энергозатратах УЗ-обеззараживание неконкурентоспособно, поэтому его в промышленных масштабах нигде не применяют.
Совместное воздействие УФ + УЗ в разных комбинациях было исследовано достаточно давно в США [17], поэтому также не может претендовать на ноу-хау. После этих исследований прошло 35 лет, были выполнены и другие работы [10; 11; 18; 19−21], однако технология совместного воздействия УФ и УЗ для обеззараживания воды нигде не применяется. Одна из основных причин — чрезвычайно высокие энергозатраты на УЗ-обработку, которые для достижения значимого эффекта при обеззараживании сточной воды в несколько раз выше, чем для УФ-об лучения.
Следует отметить, что оборудование отечественных производителей, совмещающее в себе УФ и УЗ, фактически представляет собой обычную УФ-установку с расположенными на ней генераторами ультразвука. Среднее время пребывания воды в такой установке составляет в среднем 1−7 секунд в зависимости от качества обрабатываемой воды и мощности применяемых ламп. Даже когда затраты на УЗ составляют до 30−40% от всей мощности, ультразвуковые излучатели обеспечивают плотность ультразвуковой мощности 2−4 Вт/л, что с учетом времени пребывания соответствует энергозатратам по ультразвуку не более 0,008 Вт·ч/л. При таких низких энергозатратах говорить об обеззараживающем действии ультразвука не приходится. Более того, эффект может быть противоположным, так как при низкой интенсивности и малом времени воздействия ультразвук может стимулировать активность и рост микроорганизмов [5; 8; 12; 21−24].
УФ-обеззараживание (инактивация) и УЗ-обеззараживание — это различные и независимые друг от друга фото-биологический и физико-химический процессы. Утверждение о том, что «сочетание УЗ плюс УФ увеличивает УФ-дозу» аналогично утверждению, что с помощью УЗ на пляже или в солярии можно загореть быстрее.
Осознавая отсутствие синергии (УЗ + УФ), в последние годы начал звучать другой тезис: «УЗ дробит взвешенные вещества, облегчает и улучшает УФ-обеззараживание». Однако в питьевой воде, согласно нормативам, взвешенных частиц крайне мало, поэтому применение ультразвука просто бессмысленно. Повышение эффективности обеззараживания сточных вод (УФ, хлорирование, озонирование и т. п.) за счет дробления взвешенных частиц с помощью ультразвука в процессе обеззараживания или перед ним давно опробовано [10; 11; 13; 18−20]. Этот способ дорогостоящий и крайне редко применяется в специальных технических решениях и только при малых расходах, так как мощность УЗ в несколько раз превосходит мощность УФ [10; 11; 18−20]. Более того, как показывает мировая практика, УФ-технология прекрасно справляется с обеззараживанием сточных вод до нормативных показателей и без всякого измельчения взвешенных веществ.
Отдельно необходимо затронуть аспект использования ультразвука для предотвращения загрязнения либо для очистки кварцевых чехлов. В настоящее время во всем мире используется механическая очистка чехлов, а также их химическая промывка согласно регламенту (например, один раз в квартал). Для перехода на технологию ультразвуковой очистки необходимы объективные условия:
1) применяемая технология не эффективна или эффективность новой технологии выше;
2) стоимость оборудования и эксплуатационные расходы для новой технологии существенно ниже;
3) простота эксплуатации;
4) технология более безопасна.
Использование ультразвука в жидкости для промывки поверхностей, например печатных плат для электроники, известно достаточно давно [3−5]; УЗ-ванна широко применяется во многих отраслях. В основном используют ультразвук низкочастотного диапазона 18−100 кГц. При ультразвуковой очистке наиболее важными параметрами являются переменное избыточное давление, создающееся акустической волной, и кавитация. Действие ультразвука при очистке поверхностей в основном сказывается на ускорении процесса растворения загрязнений в растворителях, доставке свежих порций растворителя к загрязненным поверхностям и лишь при значительных мощностях способствует отделению частиц загрязнений в зоне очистки [3−7]. Таким образом, УЗ-обработка, скорее всего, интенсифицирует процесс химической очистки и облегчает удаление загрязнения, а не заменяет самостоятельно эти процессы.
Не следует забывать, что солеотложение, биообрастание на поверхностях и аналогичные процессы, как и способы их предотвращения и борьбы с их последствиями, являются одной из глобальных проблем во многих отраслях промышленности, например в теплоэнергетике, а также в бытовой технике. В 2020 г. было продано 101 млн стиральных машин и около 40 млн посудомоечных. Почему ультразвук не находит в этой области широкого применения для улучшения стирки и очистки нагревательных элементов от накипи? Ведь это фантастически огромный рынок! Тем не менее во всем мире моют посуду и стирают белье, применяя химическую и механическую очистку, а не ультразвук.
Технология механической и химической очистки чехлов ламп хорошо себя зарекомендовала, поэтому нет никаких оснований рассматривать ультразвук как эффективное технологическое дополнение. Российские методические указания по использованию УФ-излучения для обеззараживания воды (2.1.4.719−98 «Санитарный надзор за применением ультрафиолетового излучения в технологии подготовки питьевой воды», 2.1.5.732−99 «Санитарно-эпидемиологический надзор за обеззараживанием сточных вод ультрафиолетовым излучением») рекомендуют химическую и механическую очистку кварцевых чехлов; аналогичными, более детальными документами руководствуются в Европе и США (EPA/525/1−86/021 «Design Manuel Municipal Wastewater Disinfection»).
Следует отметить, что оборудование отечественных производителей, совмещающее в себе УФ и УЗ, фактически представляет собой обычную УФ-установку с расположенными на ней генераторами ультразвука. Среднее время пребывания воды в такой установке составляет в среднем 1−7 секунд в зависимости от качества обрабатываемой воды и мощности применяемых ламп. Даже когда затраты на УЗ составляют до 30−40% от всей мощности, ультразвуковые излучатели обеспечивают плотность ультразвуковой мощности 2−4 Вт/л, что с учетом времени пребывания соответствует энергозатратам по ультразвуку не более 0,008 Вт·ч/л. При таких низких энергозатратах говорить об обеззараживающем действии ультразвука не приходится. Более того, эффект может быть противоположным, так как при низкой интенсивности и малом времени воздействия ультразвук может стимулировать активность и рост микроорганизмов [5; 8; 12; 21−24].
УФ-обеззараживание (инактивация) и УЗ-обеззараживание — это различные и независимые друг от друга фото-биологический и физико-химический процессы. Утверждение о том, что «сочетание УЗ плюс УФ увеличивает УФ-дозу» аналогично утверждению, что с помощью УЗ на пляже или в солярии можно загореть быстрее.
Осознавая отсутствие синергии (УЗ + УФ), в последние годы начал звучать другой тезис: «УЗ дробит взвешенные вещества, облегчает и улучшает УФ-обеззараживание». Однако в питьевой воде, согласно нормативам, взвешенных частиц крайне мало, поэтому применение ультразвука просто бессмысленно. Повышение эффективности обеззараживания сточных вод (УФ, хлорирование, озонирование и т. п.) за счет дробления взвешенных частиц с помощью ультразвука в процессе обеззараживания или перед ним давно опробовано [10; 11; 13; 18−20]. Этот способ дорогостоящий и крайне редко применяется в специальных технических решениях и только при малых расходах, так как мощность УЗ в несколько раз превосходит мощность УФ [10; 11; 18−20]. Более того, как показывает мировая практика, УФ-технология прекрасно справляется с обеззараживанием сточных вод до нормативных показателей и без всякого измельчения взвешенных веществ.
Отдельно необходимо затронуть аспект использования ультразвука для предотвращения загрязнения либо для очистки кварцевых чехлов. В настоящее время во всем мире используется механическая очистка чехлов, а также их химическая промывка согласно регламенту (например, один раз в квартал). Для перехода на технологию ультразвуковой очистки необходимы объективные условия:
1) применяемая технология не эффективна или эффективность новой технологии выше;
2) стоимость оборудования и эксплуатационные расходы для новой технологии существенно ниже;
3) простота эксплуатации;
4) технология более безопасна.
Использование ультразвука в жидкости для промывки поверхностей, например печатных плат для электроники, известно достаточно давно [3−5]; УЗ-ванна широко применяется во многих отраслях. В основном используют ультразвук низкочастотного диапазона 18−100 кГц. При ультразвуковой очистке наиболее важными параметрами являются переменное избыточное давление, создающееся акустической волной, и кавитация. Действие ультразвука при очистке поверхностей в основном сказывается на ускорении процесса растворения загрязнений в растворителях, доставке свежих порций растворителя к загрязненным поверхностям и лишь при значительных мощностях способствует отделению частиц загрязнений в зоне очистки [3−7]. Таким образом, УЗ-обработка, скорее всего, интенсифицирует процесс химической очистки и облегчает удаление загрязнения, а не заменяет самостоятельно эти процессы.
Не следует забывать, что солеотложение, биообрастание на поверхностях и аналогичные процессы, как и способы их предотвращения и борьбы с их последствиями, являются одной из глобальных проблем во многих отраслях промышленности, например в теплоэнергетике, а также в бытовой технике. В 2020 г. было продано 101 млн стиральных машин и около 40 млн посудомоечных. Почему ультразвук не находит в этой области широкого применения для улучшения стирки и очистки нагревательных элементов от накипи? Ведь это фантастически огромный рынок! Тем не менее во всем мире моют посуду и стирают белье, применяя химическую и механическую очистку, а не ультразвук.
Технология механической и химической очистки чехлов ламп хорошо себя зарекомендовала, поэтому нет никаких оснований рассматривать ультразвук как эффективное технологическое дополнение. Российские методические указания по использованию УФ-излучения для обеззараживания воды (2.1.4.719−98 «Санитарный надзор за применением ультрафиолетового излучения в технологии подготовки питьевой воды», 2.1.5.732−99 «Санитарно-эпидемиологический надзор за обеззараживанием сточных вод ультрафиолетовым излучением») рекомендуют химическую и механическую очистку кварцевых чехлов; аналогичными, более детальными документами руководствуются в Европе и США (EPA/525/1−86/021 «Design Manuel Municipal Wastewater Disinfection»).
Важным является вопрос безопасности УЗ-технологии для оборудования и людей. При воздействии ультразвука на жидкость возникают специфические физические и химические эффекты, такие как кавитация, капиллярный эффект, диспергирование, эмульгирование, дегазация, локальный нагрев [6−8]. Некоторые из этих эффектов могут представлять опасность для оборудования, например кавитация, вызывающая коррозию материалов, соприкасающихся с жидкостью, в которой протекают кавитационные процессы. Производители УФ-ламп никогда не дадут гарантий на ресурс и другие показатели при их работе в поле мощного УЗ-воздействия. Ультразвук может и, скорее всего, будет негативно влиять на эти показатели. УФ-лампа является сложным электровакуумным прибором. Ультразвук может приводить к деградации и высыпанию эмитера с электродов, к отслоению и разрушению защитного покрытия на внутренней стенке лампы, образованию микротрещин в зоне заштамповки электродов и, как следствие, к натеканию и преждевременному выходу УФ-лампы из строя; амальгама может отрываться от пятна либо перемещаться из иной зоны крепления, особенно при вертикальном расположении лампы [1], и т. п. В результате разрушения защитного покрытия на внутренней стенке лампа будет продолжать светиться в видимом диапазоне, однако поток УФ-излучения может упасть в 2−3 раза, что катастрофически скажется на степени обеззараживания.
Ультразвук опасен для людей. Он способен оказывать негативное влияние на организм человека, вызывать головную боль, быструю утомляемость с падением кровяного давления и вызывать другие нежелательные последствия. И если УФ-излучение ограничено камерой обеззараживания и его выход за ее пределы исключен, то ультразвук эффективно распространяется на большие расстояния по металлоконструкциям, каковыми, например, являются трубопроводные магистрали. Это может подвергать опасности обслуживающий персонал на объектах водоподготовки и водоотведения, а также потребителей, если система обеззараживания установлена в здании.
Нормирование ультразвука на рабочих местах в Российской Федерации осуществляется в соответствии с СанПиН 1.2.3685−21 «Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания», а также ГОСТ 12.1.001−89 «Ультразвук. Общие требования безопасности» и ГОСТ 12.2.007.10−87 «Установки, генераторы и нагреватели индукционные для электротермии, установки и генераторы ультразвуковые. Требования безопасности». Отдельно нормируется воздушный (распространяется по воздуху) и контактный ультразвук (распространяется при соприкосновении рук или других частей тела человека с источником ультразвука, обрабатываемыми деталями и т. д.). Ультразвуковое оборудование должно соответствовать требованиям ГОСТ 12.2.051−80 «Система стандартов безопасности труда. Оборудование технологическое ультразвуковое. Требования безопасности». Так, например, помимо жестких ограничений на мощность воздушного ультразвука в рабочей зоне, в соответствии с вышеназванными документами, для устранения дискомфорта, который может испытывать рабочий персонал, необходимо обеспечить дополнительные средства защиты, например, для защиты рук от возможного неблагоприятного воздействия контактного ультразвука в твердой или жидкой средах необходимо применять две пары перчаток — резиновые (наружные) и хлопчатобумажные (внутренние) или только хлопчатобумажные. Для защиты персонала в помещении от неблагоприятного воздействия воздушного ультразвука следует пользоваться специальными наушниками. Исходя из этого, эксплуатация систем механической очистки безопасна и более проста, чем УЗ-очистки.
Практическое применение любого метода обеззараживания подразумевает наличие технологических критериев и способов контроля эффективности и безопасности процесса. Для химических методов, например хлорирования, таким критерием является остаточный хлор; при УФ-обеззараживании контролируется доза облучения с помощью специальных УФ-датчиков. Для УЗ-обеззараживания, как и для УЗ в сочетании с УФ и другими методами, такие критерии и методы контроля процесса отсутствуют.
Применение ультразвука для обеззараживания питьевой и сточной воды не регламентировано в Российской Федерации ни санитарными правилами, ни какими-либо методическими указаниями, также авторам не известны зарубежные нормативные документы относительно обеззараживания ультразвуком либо ультразвуком в сочетании с другими методами.
Применение ультразвука для предотвращения загрязнения или очистки кварцевых чехлов УФ-ламп не может заменить традиционно используемую химическую и механическую очистку: в подавляющем большинстве случаев при обеззараживании коммунальных сточных вод хорошо работает автоматическая механическая очистка; дополнительная химическая промывка кварцевых чехлов считается достаточной при регламентной замене УФ-ламп один раз в 1,5−2 года. Если производственный сток имеет специфические особенности, то химическая промывка может требоваться чаще. При обеззараживании природных вод в процессах подготовки хозяйственно-питьевой воды достаточно применять редкую, не чаще одного раза в квартал, химическую промывку. Существуют УФ-системы, использующие автоматическую механохимическую очистку, которая является достаточно дорогостоящей и применяется в исключительных случаях.
Ультразвук опасен для людей. Он способен оказывать негативное влияние на организм человека, вызывать головную боль, быструю утомляемость с падением кровяного давления и вызывать другие нежелательные последствия. И если УФ-излучение ограничено камерой обеззараживания и его выход за ее пределы исключен, то ультразвук эффективно распространяется на большие расстояния по металлоконструкциям, каковыми, например, являются трубопроводные магистрали. Это может подвергать опасности обслуживающий персонал на объектах водоподготовки и водоотведения, а также потребителей, если система обеззараживания установлена в здании.
Нормирование ультразвука на рабочих местах в Российской Федерации осуществляется в соответствии с СанПиН 1.2.3685−21 «Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания», а также ГОСТ 12.1.001−89 «Ультразвук. Общие требования безопасности» и ГОСТ 12.2.007.10−87 «Установки, генераторы и нагреватели индукционные для электротермии, установки и генераторы ультразвуковые. Требования безопасности». Отдельно нормируется воздушный (распространяется по воздуху) и контактный ультразвук (распространяется при соприкосновении рук или других частей тела человека с источником ультразвука, обрабатываемыми деталями и т. д.). Ультразвуковое оборудование должно соответствовать требованиям ГОСТ 12.2.051−80 «Система стандартов безопасности труда. Оборудование технологическое ультразвуковое. Требования безопасности». Так, например, помимо жестких ограничений на мощность воздушного ультразвука в рабочей зоне, в соответствии с вышеназванными документами, для устранения дискомфорта, который может испытывать рабочий персонал, необходимо обеспечить дополнительные средства защиты, например, для защиты рук от возможного неблагоприятного воздействия контактного ультразвука в твердой или жидкой средах необходимо применять две пары перчаток — резиновые (наружные) и хлопчатобумажные (внутренние) или только хлопчатобумажные. Для защиты персонала в помещении от неблагоприятного воздействия воздушного ультразвука следует пользоваться специальными наушниками. Исходя из этого, эксплуатация систем механической очистки безопасна и более проста, чем УЗ-очистки.
Практическое применение любого метода обеззараживания подразумевает наличие технологических критериев и способов контроля эффективности и безопасности процесса. Для химических методов, например хлорирования, таким критерием является остаточный хлор; при УФ-обеззараживании контролируется доза облучения с помощью специальных УФ-датчиков. Для УЗ-обеззараживания, как и для УЗ в сочетании с УФ и другими методами, такие критерии и методы контроля процесса отсутствуют.
Применение ультразвука для обеззараживания питьевой и сточной воды не регламентировано в Российской Федерации ни санитарными правилами, ни какими-либо методическими указаниями, также авторам не известны зарубежные нормативные документы относительно обеззараживания ультразвуком либо ультразвуком в сочетании с другими методами.
Применение ультразвука для предотвращения загрязнения или очистки кварцевых чехлов УФ-ламп не может заменить традиционно используемую химическую и механическую очистку: в подавляющем большинстве случаев при обеззараживании коммунальных сточных вод хорошо работает автоматическая механическая очистка; дополнительная химическая промывка кварцевых чехлов считается достаточной при регламентной замене УФ-ламп один раз в 1,5−2 года. Если производственный сток имеет специфические особенности, то химическая промывка может требоваться чаще. При обеззараживании природных вод в процессах подготовки хозяйственно-питьевой воды достаточно применять редкую, не чаще одного раза в квартал, химическую промывку. Существуют УФ-системы, использующие автоматическую механохимическую очистку, которая является достаточно дорогостоящей и применяется в исключительных случаях.
Вывод
В настоящее время ведущие мировые производители УФ-оборудования для обеззараживания природных и сточных вод, такие как Trojan, ЛИТ, Wedeco, Bernson, Hanovia, а также десятки других известных марок не используют ультразвук. Возможно, именно поэтому некоторые российские системы совместного использования ультрафиолета и ультразвука не имеют аналогов в мире?
В настоящее время ведущие мировые производители УФ-оборудования для обеззараживания природных и сточных вод, такие как Trojan, ЛИТ, Wedeco, Bernson, Hanovia, а также десятки других известных марок не используют ультразвук. Возможно, именно поэтому некоторые российские системы совместного использования ультрафиолета и ультразвука не имеют аналогов в мире?
Список литературы
- Ультрафиолетовые технологии в современном мире / Под редакцией Ф. В. Кармазинова, С. В. Костюченко, Н. Н. Кудрявцева, С. В. Храменкова. – Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2012. 392 с.
- Ультразвук. Энциклопедия / Под редакцией И. П. Голяминой. – М.: Советская энциклопедия, 1979. 400 с.
- Агранат Б. А., Дубровин М. Н., Хавский Н. Н., Эскин Г. И. Основы физики и техники ультразвука. – М.: Высшая школа, 1987. 352 с.
- Ультразвуковая обработка материалов / Под редакцией О. В. Абрамова. – М.: Машиностроение, 1984. 280 с.
- Эльпинер И. Е. Ультразвук. Физико-химическое и биологическое действие. – М., 1963. 420 c.
- Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике / Перевод с немецкого. – М.: Издательство иностранной литературы, 1957. 726 с.
- Келлер О. К., Кратыш Г. С., Лубяницкий Г. Д. Ультразвуковая очистка. – Л.: Машиностроение, 1977. 184 с.
- Frizzell L. A. Biological effects of acoustic cavitation, in ultrasound: Its chemical, physical and biological effects, Suslick K. S. (ed.), VCH Publishers, New York, 1988.
- Hua I., Thomson J. E. Inactivaton of Escherichia coli by sonication at discrete ultrasonic frequencies // Water Research. 2000. V. 34. No. 15. P. 3888–3893.
- Blume T., Neis U. Improved waste water disinfection by ultrasonic pre-treatment // Ultrasonics Sonochemistry. 2004. V. 11. No. 5. P. 333–336.
- Blume T., Martínez I., Neis U., Neis U. (ed.). Wastewater disinfection using ultrasound and UV light / TU Hamburg-Harburg reports on sanitary engineering // Ultrasound in Environmental Engineering. 2002. V. 35. P. 117–128.
- Соснин Э. А., Липатов Е. И., Скакун В. С., Панарин В. А., Тарасенко В. Ф., Жданова О. С., Гольцова П. А. Действие ультрафиолетового излучения и ультразвуковых колебаний на сточные воды // Современные научные исследования и инновации. 2016. № 3 (59). С. 125–131.
- Blume T., Neis U. Improving clorine disinfection of wastewater by ultrasound application // Water Science and Technology. 2005. V. 52. P. 139–144.
- Amabilis-Sosa L. Vázquez-López E. M., García Rojas J. L., Roé-Sosa A., Moeller-Chávez G. E. Efficient bacteria inactivation by ultrasound in municipal wastewater // Environments. 2018. V. 5. No. 47. DOI: 10.3390/ environments5040047.
- Li J., Ahn J., Liu D., Chen S., Ye X., Ding T. Evaluation of ultrasound-induced damage to Escherichia coli and Staphylococcus aureus by flow cytometry and transmission electron microscopy // Applied and Environmental Microbiology. 2016. V. 82. P. 1828–1837.
- Furuta M., Yamaguchi M., Tsukamoto T., Yim B., Stavarache C., Hasiba K., Maeda Y. Inactivation of Escherichia coli by Ultrasonic irradiation // Ultrasonics Sonochemistry. 2004. V. 11. P. 57–60.
- Hardcastle C. H. Ultraviolet and ultrasound disinfection of a recycle irrigation water. Thesis master of science. The University of Arizona, 1987. Link to Item: http://hdl.handle.net/10150/191938.
- Naddeo N., Landi M., Belgiorno V., Napoli R. Wastewater disinfection by combination of ultrasound and ultraviolet irradiation // Journal of Hazardous Materials. 2009. V. 168. P. 925–992. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2009.02.128.
- Lakeh A. Effect of low frequency ultrasound and ultraviolet-C light for water disinfection in recirculating aquaculture systems. Berlin, 2014.
- Zhou X., Guo H., Li Z., Zhao J., Yun, Y. Experimental study on the disinfection efficiencies of a continuousflow ultrasound/ultraviolet baffled reactor // Ultrasonics Sonochemistry. 2015. V. 27. P. 81–86. DOI: 10.1016/ j.ultsonch.2015.05.002.
- Huang G., Chen S., Dai C., et al. Effects of ultrasound on microbial growth and enzyme activity // Ultrasonics Sonochemistry. 2017. V. 37. P. 144–149. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2016.12.018.
- Dai C., Wang B., Duan C., Sakanishi A. Low ultrasonic stimulates fermentation of riboflavin producing strain Ecemothecium ashbyii // Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. 2003. V. 30. P. 37–41.
- Chuanyun D., Bochu W., Huan Z., Conglin H., Chuanren D., Wangqian L., Toyama Y., Sakanishi A. Effect of low frequency ultrasonic stimulation on the secretion of siboflavin produced by Ecemothecium Ashbyii // Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. 2004. V. 34. P. 7–11.
- Lanchun S., Bochu W., Zhiming L., Chuanren D., Chuanyun D., Sakanishi A. The research into the influence of low-intensity ultrasonic on the growth of S. cerevisiaes // Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. 2003. V. 30. P. 43–49.
Заказать звонок