ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЕ КОММУНАЛЬНЫХ СТОКОВ МЕТОДОМ УПРАВЛЯЕМЫХ МИКРОВЗРЫВОВ В ТОЛЩЕ ВОДЫ
Узбекистан - Центральноазиатская республика с жарким, засушливым климатом и при этом имеет развитый, аграрный сектор производства, ориентированный на использование поливных технологий. Естественно, благополучие данного региона в значительной степени определяется наличием и качеством водных ресурсов. Не случайно народы, издавна населяющие этот регион, с большим уважением и бережливостью относились к водным ресурсам.
К сожалению, в настоящее время, в регионе ощущается значительное напряжение в вопросах водных ресурсов, в частности ощущается недостаток питьевой воды. Во- первых, это связано с глобальными изменениями климата на планете, при этом высыхание Арала вызвало в регионе значительные изменения в экологическом аспекте. Другим существенным фактором является непродуманное, расточительное отношение к водным ресурсам. Сюда можно отнести и вопросы вторичного использования после очистки и обеззараживания промышленных и коммунальных стоков.
Существующие станции биологической очистки канализационных стоков, установленные в большинстве случаев 40-50 лет тому назад, не отвечают требованиям сегодняшнего дня. Одной из причин является экономическая нецелесообразность дальнейшего использования энергоемких и дорогостоящих технологий. Кроме этого, они предъявляют высокие требования к системе энергообеспечения. В случае перебоев с электроэнергией происходит остановка системы аэрации стоков, что приводит к гибели очищающих аэробных микроорганизмов, и, как следствие, коммунальные стоки без очистки и обеззараживания сбрасываются в водоемы. Наличие в регионе благоприятных климатических условий для развития микроорганизмов, создаёт потенциальную угрозу возбуждения различного рода эпидемий среди населения и домашних животных.
Таким образом, одной из актуальных задач при обеззараживании коммунальных стоков после их осветления, а также питьевой воды является разработка энергоавтономных и энерго-эффективных технологий без использования химических реагентов, т. е. технологий, не приводящих к образованию в процессе обеззараживания токсичных соединений (как в случае применения соединений хлора и озонирования) при одновременном полном уничтожении патогенной микрофлоры.
Известно, что отрицательное влияние статического давления на жизнедеятельность микроорганизмов не так значительно, как скачкообразное изменение давления жидкости, в которой находятся эти микроорганизмы. При этом в жидкости возникает явление кавитации, которое пагубно влияет на все микроорганизмы и даже на их споры [1,2]. При распространении ультразвука в воде вокруг объектов, находящихся в ней и имеющих другую плотность, возникают микроскопические области высокого давления (десятки тысяч атмосфер), сменяющегося высоким разрежением - явление ультразвуковой кавитации. Микроорганизмы не способны выдержать такие воздействия и происходит механическое разрушение бактерий. Используемые на сегодняшний день методы получения кавитации - гидродинамические, акустические, электроразрядные - наряду с преимуществами имеют и ряд недостатков.
Данные методы энергоемкие и имеют ограниченный радиус действия, а так как очистные сооружения в большинстве своем имеют значительные объемы, то и малоэффективны. Поэтому необходимо разработать малозатратный и эффективный метод возбуждения и излучения акустических импульсов, которые в своем спектральном составе имели бы высокочастотные компоненты. Авторами в качестве генерации импульсов с большим числом Фурье-компонент предлагается использовать метод направленного микровзрыва в толще жидкости. Для этого в жидкость помещается закрытый объем смеси метана с воздухом (в опытах использовали соотношение 1/10) с избыточным давлением и с помощью электрического сигнала производится взрыв. Для получения эффекта плоской волны объем имеет форму параллелепипеда с одной жесткой стенкой, противоположной свободному пространству, где и распространяется сильный импульс. Генератор таких импульсов имеет низкую себестоимость, при этом управляем по мощности и направлению. В работах [3,4], авторами получен гиперболический закон ослабления прямой волны, а также увеличение крутизны с переменной фазой, зависящей от мощности импульса. Звуковое поле, создаваемое данным способом, имеет тенденцию появления пилообразных волн с резкой крутизной переднего волнового фронта. Это явление, а также существование эффекта реверберации при многократном отражении звуковой волны от стен бассейна [5] позволяет действовать на микроорганизмы импульсно, где производные давления, скорости по координате и времени достигают значительных величин.
Здесь в объеме 1 производится микровзрыв с заданной мощностью, все стены 2 выполнены из монолитного бетона и с допустимой погрешностю их можно принять за абсолютно жесткие. Поверхность 3-генератор плоских волн представляет собой металлическую пластину. Волна распространяется в жидкости по суживающейся профилированной трубе. Изменение площади сечения трубы при отсутствии потери мощности импульса (условно потери отсутствуют, т.к. стены трубы выполнены из жесткого материала) приводит к увеличению мощности импульса. Зная отношение площадей в начальной точке 4 и в определяемых точках 5, а также первоначальное значение мощности можно вычислить мощность импульса в этих точках. Проделав анализы проб воды из этих точек, можно определить влияние мощности импульса на жизнедеятельность микроорганизмов.
На следующих рис. 2, 3 представлена схема и общий вид предполагаемой экспериментальной установки. В закрытом объеме, частично заполненном водой и имеющем рассчитанные сопловые насадки, создаётся серия микровзрывов смеси метана с воздухом. Взрывная волна через сопла вырывается в воду и создает упругие волны. Кроме этого, на выходе из отверстий по ходу распространения волны устанавливаются поверхности, являющиеся резонаторами плоских волн и создающие кавитационный фронт за собой, который также подавляет микроорганизмы.