<< Назад в оглавление
 

Введение. Безреагентные, прежде всего лазерно-магнитные, технологии в последнее время нашли достаточно широкое применение для очистки особо загрязненных вод [1]. Разработанные технологии основаны как на непосредственном применении микроволновой энергии в технологическом процессе [2], так и на использовании микроволновой энергии для генерации плазмы при различных давлениях рабочего (плазмообразующего) газа [3]. К первой группе технологий относятся технологии сушки различных материалов, технологии полимеризации, вулканизации, стерилизации изделий медицинского назначения, а также технологии размораживания и термической обработки пищевых продуктов и многие другие [2, 4]. Вторая группа технологий охватывает технологии плазмохимического синтеза ультрадисперсных порошковых материалов [5-6], технологии плазмохимической обработки поверхности материалов [7], утилизации промышленных отходов [8] и множество других.

К важнейшим проблемам в области обеспечения жизнедеятельности человека относятся вопросы очистки и обеззараживания питьевых вод, а также вопросы очистки сточных вод и осадков сточных вод, прежде всего от примесей тяжелых металлов.
Данная работа посвящена исследованию возможности создания новых микроволновых технологий, эффективных при очистке и обеззараживании питьевых вод и при очистке осадков сточных вод от примесей тяжелых металлов.

В настоящее время для очистки сточных вод от примесей тяжелых металлов практически отсутствуют альтернативы традиционным химическим технологиям, требующим применения больших объемов разнообразных химических реагентов. При этом процесс утилизации продуктов химической очистки сточных вод остается практически открытым.

Методика экспериментальных исследований.
 

В качестве объектов исследований служили образцы осадков сточных вод, взятые на Курьяновской станции аэрации г. Москвы до их обработки по стандартной технологии, а также образцы питьевой воды с Западной водопроводной станции г. Москвы до их обработки по стандартной технологии. Схема экспериментальной микроволновой (СВЧ) установки, на которой проводилась обработка образцов осадков сточных вод и питьевой воды, показана на рис. 1.

Установка включает:
• 1 – коаксиально-волноводный переход
• 2 – генераторный блок
• 3 – блок питания генераторного блока
• 4 – трехштырьковый подстроечный СВЧ трансформатор
• 5 – СВЧ циркулятор
• 6 – волноводное поворотное устройство
• 7 – технологический модуль
• 8 и 9 – водяные СВЧ нагрузки
• 10 – измерители СВЧ мощности волны, соответственно, для падающей на исследуемый образец Р1, прошедшей через исследуемый образец Р2 и отраженной от исследуемого образца Р3.

При этом Q1 – поток сухого воздуха, продуваемого через технологический модуль внешним насосом, Q2 – поток воздуха, выходящего из технологического модуля и содержащего пары воды, испарившейся из исследуемых образцов в результате микроволновой обработки, причем данный поток направляется в конденсатор влаги, не показанный на рисунке.

На рис. 2 приведена схема технологического модуля.
Технологический модуль состоит из СВЧ волноводов 1 и 2 сечением 90 х 45 мм2, соединяемых через фланцы. Во фторопластовой перегородке 3 установлены два кварцевых контейнера 4 для размещения исследуемых образцов питьевой воды или осадков сточных вод 6. Контейнеры сверху закрываются фторопластовыми крышками 5. Через патрубок 7 область контейнеров продувается сухим воздухом, при этом воздух в результате микроволновой обработки исследуемых образцов насыщается парами воды и направляется в конденсатор влаги через патрубок 8.

В качестве источника СВЧ излучения (генераторный блок 2 и источник питания 3) использовали модуль от установки «Фиалка – 6» [9], обеспечивающий генерацию СВЧ излучения на частоте 2450 МГц в импульсном и непрерывном режимах, причем мощность регулируется в интервале 0,3…5 кВт.

Образцы осадков сточных вод в виде густой увлажненной массы помещали в кварцевые контейнеры (суммарная масса навески в двух контейнерах – примерно 0,2 кг) и облучали СВЧ энергией при различных уровнях мощности СВЧ генератора в течение 2 минут. Методами химического анализа определяли исходное содержание тяжелых металлов в навесках и их содержание после СВЧ обработки. Кроме того, качественно анализировали содержание тяжелых металлов в конденсате паров воды, испарившейся из навесок.
Образцы питьевой воды с суммарной массой навесок 0,1 кг также помещали в кварцевые контейнеры и подвергали СВЧ обработке в двух режимах: в первом – при мощности излучения генератора 600 Вт, второй – при мощности излучения 300 Вт. Время обработки в обоих режимах составляло 1 минуту. Часть образцов воды дополнительно фильтровали через фильтры, выполненные на основе ультрадисперсного порошка оксида алюминия [6]. Определяли общее микробное число образцов воды, coli – индекс и содержание гликопептидов (относительно максимально допустимого содержания, принятого за единицу).

Результаты экспериментальных исследований.
Микроволновая обработка питьевой воды. Результаты микроволновой обработки питьевой воды в режиме 1 и в режиме 2 приведены в табл. 1. Согласно ГОСТ 2874-82 питьевая вода после обработки, например хлорирования, должна иметь следующие микробиологические показатели: общее микробное число - не более 100, coli-индекс – не более 3, при этом содержание гликопептидов в настоящее время стандартами Российской Федерации не нормируется. Результаты табл. 1 показывают, что обработка воды в режиме 1 позволяет резко улучшить ее микробиологические показатели, однако только микроволновая обработка не обеспечивает достижение требований ГОСТ по coli-индексу.

На рис. 3 приведены сводные результаты микроволновой обработки образцов питьевой воды, в том числе результаты после дополнительного фильтрования.

На рис. 3 обозначены: 1 – требования ГОСТ 2874-82 по значениям общего микробного числа и coli-индексу воды, а также требования стандарта США по содержанию гликопептидов (принятого за единицу); 2 – исходная вода из водоканала; 3 – вода после стандартного хлорирования; 4 – вода после микроволновой обработки в режиме 2; 5 – вода после обработки в режиме 2 и дополнительного фильтрования.
Микроволновая обработка осадков сточных вод. Образцы осадков сточных вод № 1ч6 обрабатывались попарно: образцы 1 и 2 – при мощности генератора 0,3 кВт, образцы 3 и 4 – при мощности генератора 1,7 кВт, образцы 5 и 6 – при мощности генератора 2,0 кВт. В табл. 2 приведено содержание некоторых тяжелых элементов в образцах осадков сточных вод до и после микроволновой обработки.

Качественный анализ конденсата паров, собранных при микроволновой обработке образцов № 1 и 2 показал, что конденсат содержит следующие металлы: Ca, Al, Mn, Na, Mo, Ni, Fe, Cu, Sn, Pb и Cr. Аналогичный результат получен и в результате анализа конденсата с образцов № 3 и 4, а также № 5 и 6. Количественный анализ конденсата не проводился ввиду отсутствия соответствующей методики и эталонов.

Как видно из табл. 7.1.2, уровень микроволновой мощности поразному влияет на степень удаления различных элементов из осадков сточных вод. Сравнение результатов, полученных при различных значениях микроволновой мощности, можно провести с использованием безразмерного параметра, равного отношению количества соответствующего удаленного тяжелого элемента к количеству удаленной воды в процессе микроволновой обработки. Данный параметр, по существу, характеризует эффективность конкретного режима микроволновой обработки, так как энергопотребление в процессе обработки определяется количеством испаренной воды. Значения данного параметра, усредненного по каждой паре образцов, приведены в табл. 3.

Обсуждение результатов.
Анализ полученных экспериментальных результатов по микроволновой обработке питьевой воды показал, что только микроволновая обработка питьевой воды не обеспечивает достижение требуемого качества воды. Чисто микроволновая обработка, по-видимому, приводит не только к разрушению содержащихся в ней микроорганизмов, но и к активации органических включений с образованием высокомолекулярных соединений. Однако последующая фильтрация воды, обработанной в микроволновом поле, на фильтре, выполненном из спеченного ультрадисперсного порошка оксида алюминия с размерами пор порядка 30 нм, позволяет получить питьевую воду, качество которой заметно выше, чем требования соответствующих стандартов.
При этом при обработке воды в режиме 2 и последующей фильтрации удельные энергозатраты на микроволновую обработку воды составляют 0,1 кВт час/литр. Анализ полученных экспериментальных результатов по микроволновой обработке осадков сточных вод показал, что данный технологический подход весьма эффективен при очистке осадков сточных вод от примесей тяжелых металлов. При этом высокая эффективность процесса обеспечивается при сравнительно небольших значениях микроволновой мощности. Для увеличения глубины очистки осадков сточных вод от тяжелых металлов не требуется повышения мощности СВЧ устройства, а достаточно применить двух или трехстадийную обработку при сравнительно небольшом уровне мощности оборудования. Средние удельные энергозатраты на одну стадию очистки составят 0,05 кВт час/кг.

Выводы.
Микроволновая обработка питьевой воды в сочетании с последующей фильтрацией воды на фильтрах, изготовленных с использованием наноматериалов (спеченного ультрадисперсного порошка оксида алюминия с размерами пор порядка 30 нм), позволяет обеспечить качество воды выше требований современных стандартов. Энергозатраты при этом составят не более 0,1 кВт час/литр.
Микроволновая обработка осадков сточных вод позволяет обеспечить эффективное удаление из осадков сточных вод примесей тяжелых металлов с энергозатратами не более 0,05 кВт час/кг. Требуемый уровень абсолютной очистки может быть обеспечен двух- или трехстадийной обработкой объектов. Предложенные технологии наиболее целесообразно реализовать в виде технологических модулей мощностью до 5 кВт, которые могут быть использованы для очистки питьевой воды и сточных вод коттеджей, небольших предприятий, отдельных зданий, общественных сооружений.

<< Назад в оглавление