X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Метод УФ-обеззараживания жидких сред основан на осуществлении технологических процессов в бактерицидных установках, в которых излучение используется как специфический энергетический фактор и в которых применяются электрические источники излучения. Данные процессы относятся к оптическим электротехнологиям (ОЭТ), которые характеризуются большим количеством энергопреобразований по пути от сети до объекта. Кроме того, обязательный в этом случае промежуточный энергопоток — энергия электромагнитного излучения – весьма специфичен. Он обеспечивает перенос энергии на расстояние без переноса вещества, отличается своими законами генерации, распространения и поглощения. Все это приводит к дополнительным существенным потерям энергии при получении электромагнитного излучения, его преобразовании, передаче к объекту, а также в самом объекте при обеспечении технологического эффекта. В соответствии с научными разработками, направленными на развитие энергосберегающей методологии оценки энергетики работы различных энергетических систем, структурная схема энергетической линии реализуемой в УФ-установках может быть представлена рис.1., где:

1 — пускорегулирующее устройство; 2 — УФ — лампа; 3 — энерготехнологический процесс (ЭТП); Q₁, Q₂, Q₃ — энергия; Р₁, Р₂, Р₃ — электрическая мощность; ΔQ₁₂, ΔQ₂₃ — потери энергии; Ф₀^' — бактерицидный поток поступающий к обрабатываемой жидкости; ΔФ – потери бактерицидного потока; V₁ — объем жидкости поступающий на обработку УФ — потоком; V₂ — объем обработанной жидкости, представляющий собой продукт ЭТП; V₁ = V₂.

Рис. 1.1 Структурная схема энергетической линии реализуемая в УФ-установках

Электрическая энергия в УФ-установках, перед тем как дойти до ЭТП в виде энергии электромагнитного излучения, проходит 2 элемента энергетической линии, элементы 1 и 2 на рисунке 1. Каждый элемент линии обладает определенной эффективностью передачи энергии. Для элемента 1 (рис. 1) она определяется как отношение Р₂/Р₁, представляет собой КПД η_ПРА пускорегулирующего устройства и составляет порядка 0,9. Элемент 2 (рис.1) – это источник бактерицидного излучения, который в УФ-установках может применяться двух типов: в виде ртутной лампы низкого давления (РЛНД), либо ртутной лампы высокого давления (РЛВД). Эффективность его работы определяется выражением (1) и составляет для РЛНД η_РЛНД = 0,4 для РЛВД η_РЛВД = 0,1.

, (1)

где Ф₀ — поток излучаемый лампой в спектральном диапазоне λ=205…315нм., Вт.

В результате получаем, что к ЭТП приходит не более 36% энергии от потребленной Q₁, при использовании РЛНД, и не более 9%, в случае использования РЛВД.

Основной целью ЭТП, реализуемого в УФ-установках, является достижение необходимого условия N_бк/N_бн, где N_бн — количество патогенных микроорганизмов (контрольных, по которому определяется общая эффективность (качество) процесса обеззараживания) содержащихся в объеме среды V₁; N_бк — количество патогенных микроорганизмов, содержащихся в объеме среды V₂. N_бк/ N_бн — эффект обеззараживания среды, задаваемый технологическими требованиями. Качество обеззараживания жидкости УФ-потоком зависит от того насколько равномерно облучен им каждый элементарный объем среды до требуемого значения объемной бактерицидной дозы облучения H_Vk, при которой происходит гибель контрольного микроорганизма. Величина H_Vk определяется выражением (2).

, (2)

где Ф_бк — бактерицидный поток; t — длительность облучения; V — объем облучаемой среды.

Чем выше равномерность объемной плотности облучения по всему объему жидкости, прошедшей через бактерицидную установку, тем выше качество обеззараживания (N_бк/N_бн). Превышение объемной бактерицидной дозы облучения H_V в каждом элементарном объеме над дозой, при которой происходит гибель контрольного микроорганизма, ведет к перерасходу УФ-потока. Снижение дозы облучения, меньше минимально допустимой, ведет к утрате необходимого результата обработки жидкой среды и сразу же снижает эффективность ее работы. То есть для того, чтобы обеспечить высокое качество обеззараживания среды, в сочетании с низкой энергоемкостью процесса инактивации вредоносных микроорганизмов, нужно обеспечить условие H_V≥ H_Vk (в идеальном случае H_V= H_Vk).

На равномерность облучения каждого элементарного объема жидкости до требуемого значения H_Vk оказывает влияние распределение пространственной плотности энергии излучения в ней.

Для монохроматического потока она связана с интенсивностью, убывает которая при прохождении плоскопараллельного пучка в среде в соответствии с законом Бугера .

, (3)

где h — толщина слоя, см; I₀, I_h — интенсивности волны излучения на верхней и нижней границах слоя, ; а — коэффициент ослабления потока в элементарном слое, см^-1.

Именно физическое явление поглощения определяет как ожидаемый эффект от облучения, подавление жизнедеятельности болезнетворных микроорганизмов, которые относятся к кумулятивным фотобиологическим приемникам, так и нежелательную неравномерность.

От величин I₀, I_h можно перейти к величинам Ф₀^’, Ф_h (где Ф_h — бактерицидный поток на нижней границе слоя), учитывая то, что поток Ф₀^’ имеет узконаправленное распространение в среде, тогда выражение (3) запишется в виде

. (4)

Полученное выражение показывает характер ослабления бактерицидного потока Ф₀^’ УФ-установок в облучаемой среде.

Энергетическую эффективность работы УФ-установок, а следовательно и всего ЭТП реализуемого в них, можно охарактеризовать, согласно, коэффициентом полезного использования электрической мощности КПИ_Р

, (5)

где Ф_бкТ – доля бактерицидного потока облучателя, достигающая объекта и обеспечивающая технологический процесс;

Р₂ – электрическая мощность облучательной установки (см. рис.1).

Величина Ф_бкТ, определяется выражением (6):

, (6)

где Ф₀ — полный поток облучателя;

ΔФ_бк1 — потери бактерицидного потока обусловленные несовершенством передачи потока Ф₀ от источника УФ-излучения к объему обрабатываемой среды;

ΔФ_бк2 – потери бактерицидного потока, показывающие долю потока, прошедшего сквозь облучаемую жидкость и поглощенные внутренними стенками камеры обеззараживания УФ-установки.

Тогда выражение для КПИ_Р запишется в виде

. (7)

Если принять ΔФ_бк1 = 0, то выражение (1.7) может быть приведено к виду:

, (8)

или

, (9)

где — относительные потери бактерицидного потока ΔФ_бк2.

Запишем выражение (9) через величину потока Ф_бкТ, обеспечивающего технологический процесс:

. (10)

Выражение показывает, что эффективность использования электроэнергии в облучательных установках, к которым относятся УФ-установки для обеззараживания жидких сред, зависит не только от уровня ее совершенства преобразования в поток Ф₀, но и от распределения его в пространстве в соответствии с особенностями объекта и технологическими требованиями. Распределение потока Ф₀ в объеме обрабатываемой среды зависит от технологии облучения, применяемой в бактерицидной установке.

Л и т е р а т у р а

Савлук О.С., Потапченко Н.Г., Илляшенко В.В. Изучение обеззараживания питьевой воды в макетной УФ-установке // Химия и технология воды. -1993. -т. 15, № 11 12. - с. 797 - 803.

Коспоченко С.В., Васильев С.А. Технологическое обследование очистных сооружений канализации и выбор УФ-оборудования // Водоснабжение и санитарная техника. 2000. - № 10. - с. 16 - 17.

Ахмедеев В.В., Волков С.В., Костюченко С.В. и др. Применение метода УФ-облучения для обеззараживания сточных вод // Вода и экология. 2000.- № 2. с. 33 - 42.

Код для цитирования: Скопировать