INTEGRATED DISINFECTION DEVICE OF AGRICULTURAL DRAINS

Full Text

Перестройка экономики, одним из направлений которой является импортозамещение путем развития собственного производства, дала положительные сдвиги, особенно в сельском хозяйстве. Однако рост мясной и молочной промышленности приводит и к росту отходов ее деятельности. Взаимоотношение животноводства с экологическими системами носит комплексный характер. Поэтому повышение спроса на продукцию животноводства меняет тип взаимоотношений между отраслью и природными ресурсами [1]. Качеству водно-воздушного бассейна животноводство потенциально наносит ущерб непосредственно через загрязнения надземных и подземных вод химическими соединениями, патогенными и другими вредными субстанциями. Данный процесс может привести к эпидемиям, снижению биологического разнообразия, изменению климата, окислению почвы и воды, деградации экологических систем биосферы. Наиболее распространенными способами обеззараживания навозных стоков являются механические, физические, химические, биологические и комбинированные способы обработки. Анализ эффективности методов переработки (обеззараживания) навозных стоков с их экологической безопасностью и Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 4 20 ВОДОСНАБЖЕНИЕ, КАНАЛИЗАЦИЯ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ доступностью дает представление о перспективности безреагентных технологий. С учетом данного аспекта предлагается использовать электрофизический способ обеззараживания сточных вод [2]. Реализация способа будет произведена посредством обработки сточных вод специальным устройством «Диполь-Н». В данном устройстве комплексно реализованы механические, электрофизические, электрохимические и биоэнергетические виды воздействия на патогенные культуры в режиме вихре-волнового резонанса. Жидкость, подлежащая обработке, выступает в роли рабочего вещества, в зависимости от ее характеристик устройство настраивается на саморезонанс. Предлагаемый способ может быть реализован на завершающем этапе очистки и обеззараживания стоков в следующей технологической последовательности (рис. 1). В вихревую камеру 1 посредством подающего патрубка 9 через реактор 5 очищаемая вода подается с места забора 8 насосной установкой через устройство продуцирования скрещенных электромагнитных полей 2 и 4. Затем вода, получив определенное вихревое ускорение, поступает в устройство сброса 6, где посредством коронатора осуществляется разряд, из устройства сброса 6 через сливную трубу 7 (второе устройство продуцирования скрещенных электромагнитных полей) направляется в систему сбора и распределения. Включение высоковольтного источника питания 10 означает запуск системы обеззараживания. В результате такой обработки на всех этапах осуществляется воздействие, характеризующееся рядом эффектов и направленное на зарождение и активацию физико-химических процессов (ФХП) по очистке и обеззараживанию проточной воды рассматриваемой системы. На базе трех блоков обработки собрана лабораторная установка обеззараживания. Для того чтобы завязать этапы обеззараживания в единую технологическую систему, предлагается обработка воды в режиме вихре-волнового и структурного резонанса [3] по схеме рис. 2. Рис. 1. Схема реализации технологического решения в универсальной электротехнологической установке «Диполь-Н» Рис. 2. Схема обработки воды в режиме вихре-волнового и структурного резонанса: 1 - блок питания и управления; 2 - первый блок продуцирования скрещенных электромагнитных полей; 3 - второй блок продуцирования скрещенных электромагнитных полей; 4 - блок обработки воды скользящим коронным разрядом А. Д. Булат, В. М. Филенков, В. А. Обрубов, В. А. Селезнёв, И. А. Лушкин 21 Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 4 В качестве блока питания и управления используется аппарат АИИ-70М (предназначен для испытания кабелей, твердых и жидких диэлектриков, самой схемой предусмотрено увеличение напряжения (вилка Авраменко). В ветвях вилки запитаны блоки продуцирования скрещенных электромагнитных полей на трубе с эффектом Ранке и продуцирования скрещенных электромагнитных полей с эффектом гидродинамической воронки Шаубергера, схема замыкается посредством блока обработки воды скользящим коронным разрядом. Рассматривая каждый блок как этап обработки, несложно представить процессы, вызванные в воде, как отдельными блоками воздействия, так и установкой в целом. Ниже представим каждый блок установки с краткой характеристикой воздействия на обрабатываемую воду. 1. Устройство продуцирования скрещенных электромагнитных полей с реализацией эффекта Ранке - вихревое движение жидкости, барботаж и силовое действие скрещенных электрических и магнитных полей - диспергация. Не вдаваясь в описание процессов воздействия, вызываемых устройством, остановимся на аспектах процесса, вызываемого только силовым действием электрического поля. Силовое действие электрического поля - это силы на границе раздела сред, достаточные для диспергации органических и неорганических веществ и патогенных возбудителей и водных кластеров [3]. Сила, действующая на единицу поверхности раздела сред, определяется по формуле (1) где E - напряженность электрического поля, В/м; 1 - относительная диэлектрическая проницаемость первого граничного слоя; 2 - относительная диэлектрическая проницаемость второго граничного слоя; d - толщина границы раздела сред; 0 - электрическая постоянная, Ф/м. Структура используемой бактерии свидетельствует о ее многослойности (рис. 3). Причем каждый слой обладает собственной диэлектрической проницаемостью (). Диэлектрическая проницаемость мембраны составляет: для фосфолипидной области   2,0-2,2, для гидрофильной области   10-20. Следовательно, силовое действие электрического поля на бактериальную клетку, ввиду разницы диэлектрических проницаемостей клеточной стенки и ее мембраны, свидетельствует о развитии силы, согласно приведенному выражению (1), для фосфолипидной области со стороны мембраны 5 на стенку клетки 6, для гидрофильной области - наоборот. Таким образом, зная прочностные характеристики мембраны и стенки клетки, можно констатировать, что при определенном уровне напряженности поля произойдет их разрушение, а следовательно, и лизис бактерии [4]. Кроме того, данный процесс распространяется на водные кластеры и молекулы. Результат такого взаимодействия приводит к разрыву диполя, т. е. идет процесс электролиза, вода насыщается кислородом и гидроксилами. Это скажется на характеристике воды как pH, значимые при сбросе на рельеф. Таким образом, на первом этапе идет обеззараживание и регулирование кислотно-щелочного баланса воды, подлежащей сбросу. 2. Устройство обработки воды скользящим коронным разрядом в устройстве сброса 6 (см. рис. 1), где посредством коронатора осуществляется разряд и идет реализация эффекта озонирования. В совокупности основных факторов воздействия данного блока (ультрафиолетовое излучение, химически активные вещества и радикалы, в том числе озон, образующиеся при электрическом разряде, электрическое поле, магнитогидродинамический эффект, давление, температура, ультразвук, кавитация и другие магнитофизикохимические эффекты) осуществляется очистка воды в соответствии с известными теоретическими и экспериментальными методами очистки и обеззараживания. Не вдаваясь в описание механизмов процессов обеззараживания, остановимся на аспектах процесса озонирования. Все известные способы растворения озона в воде основаны на разбиении газового потока, содержащего озон (озоно-воздушная смесь), на мельчайшие пузырьки. Последние, совершая движение в потоке воды, обеспечивают переход озона из газообразного состояния в раствор. Этот переход озона через границу раздела газовой и жидкой фазы называется массопереносом озона в воду. Но лишь часть озона из газового потока переходит в раствор и участвует в окислительно-восстановительных реакциях и обеззараживает воду. Коронный разряд в поверхностном слое реактора насыщает воду озоном, кислородом и Рис. 3. Строение бактериальной клетки: 1 - ворсинки для передачи информации; 2 - запасное питательное вещество; 3 - цитоплазма; 4 - ДНК; 5 - клеточная мембрана; 6 - клеточная стенка; 7 - рибосомы; 8 - жгутик для движения (клеточная стенка   3-4; цитоплазма  80) Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 4 22 ВОДОСНАБЖЕНИЕ, КАНАЛИЗАЦИЯ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ гидроксилами, но эффективного растворения в воде не происходит ввиду тонкого слоя (1-2 см), так как технологически осуществляется сброс именно поверхностного слоя. Иными словами, на втором этапе идет выработка в поверхностном слое воды активных окислителей и радикалов, необходимых для более глубокого обеззараживания и регулирования кислотно-щелочного баланса воды. 3. Устройство продуцирования скрещенных электромагнитных полей с реализацией эффекта гидродинамической воронки Шаубергера и силового действия скрещенных электромагнитных полей (см. рис. 1). При прохождении воронки Шаубергера идет снижение температуры воды (чем ниже температура, тем лучше растворение). Эффект смешения озона после действия коронного разряда с водой идет значительно эффективней. Действие скрещенных электрических и магнитных полей аналогично действию на первом этапе, но при ниспадающем потоке. На данном этапе основное внимание придается диспергации пузырьков озоно-воздушной смеси на мельчайшие, тем самым повышается активная поверхность пузырьков для контакта и осуществления эффективного окисления. Это в конечном итоге скажется на качестве обеззараживания жидкости и доведения до нормативных пределов кислотно-щелочного баланса воды. Таким образом, на заключительном этапе идет эффективное смешение и растворение активных окислителей и радикалов. Режим резонансного воздействия характеризуется разложением воды на кислород и водород под действием резонансного электромагнитного поля, частота n-й гармоники которого приближается к собственной частоте воды, что скажется на стабильности и эффективности очистки, т. е. интенсификации эффектов воздействия и активации ФХП. Результаты проведенных поисковых и постановочных экспериментов свидетельствуют об эффективности предложенного подхода (см. таблицу). Результаты проведенных поисковых и постановочных экспериментов Тип воды Кишечная палочка (коли индекс) Общее микробное число КОЕ Река контроль 3·104 2·103 обработка Практически отсутствует 80 Сточная вода контроль 2·106 6,5·106 обработка ≤100 1,5·103 Проведенные нами исследования показали, что между совокупностью существенных признаков воды, подлежащей очистке, и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь. Показатели микробной характеристики воды и ее кислотно-щелочной баланс отвечают требованиям Федерального закона № 7-ФЗ «Об охране окружающей среды» и соответствуют Водному кодексу РФ № 74-ФЗ, что свидетельствует о перспективности способа при минимизации энергоемкости предложенного комплексного устройства. Предложенный подход является инновационным, высокоэффективным, с низким энергопотреблением при высокой надежности функционирования, а высокая скорость обработки и минимизация обслуживающего персонала и требований к нему делают проект привлекательным и перспективным. На базе сформулированных условий и факторов воздействия можно создать универсальную электротехнологическую установку, в зависимости от местных условий способную осуществлять обработку как стационарно в виде отдельного поста, так и мобильный вариант на базе автомобиля. Однако несмотря на относительную простоту технической реализации самой технологии, все же реальная физическая и энергетическая сущность процессов при реализации этого эффекта весьма сложна и пока не до конца изучена. Ввиду синергетического эффекта взаимодействия ряд процессов носит дискуссионный характер и требует дальнейших теоретических и экспериментальных исследований.

About the authors

Anatoly D. BULAT

Russian Academy of National Economy and Public Administration under the President of the Russian Federation

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Vladimir M. FILENKOV

Tolyatti State University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Vladimir A. OBRUBOV

Russian Academy of National Economy and Public Administration under the President of the Russian Federation

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Vladimir A. SELEZNEV

Tolyatti State University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Igor A. LUSHKIN

Tolyatti State University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files