Применение импульсного источника питания для обеззараживания воды диафрагменным электрическим разрядом

Проблема и актуальность. Наличие чистой и обеззараженной воды
является проблемой, которой сопутствует постоянный рост населения планеты. Согласно третьему докладу ООН о водных ресурсах мира, 1,1 миллиард человек нуждается в очищенной и стерилизованной воде. По оценкам агентства «Охраны окружающей среды и управления водных ресурсов» США почти 35% смертей в развивающих странах связано с неэкологичной водой. По данным государственного доклада «О состоянии и охране окружающей среды Российской Федерации», количество подземных и поверхностных источников централизованного водоснабжения в России, не соответствующих гигиеническим нормативам по микробиологическим показателям, составляет 3,8% и 16,5% соответственно.
Существует множество способов дезинфекции воды, каждый из которых обладает своими преимуществами и недостатками. Самыми известными и распространенными являются хлорирование и ультрафиолетовое излучение (УИ), завоевавшие рынок обеззараживающих технологий. Первый способ характеризуется длительным эффектом последействия и сравнительно невысокими затратами. Основным негативным последствием хлорирования является образование в обрабатываемой воде побочных хлорсодержащих веществ, обладающих мутагенностью, канцерогенностью и высокой токсичностью. Кроме того, хлорирование не обеспечивает стерилизацию спорообразующих микроорганизмов и большинства вирусов. Обеззараживание ультрафиолетовыми лучами требует определенные нормы к качеству воды, и после обработки УИ необходимо хлорирование, так как этот способ не обладает эффектом последействия.
Среди множества способов дезинфекции особую нишу занимают электроразрядные технологии, которые в большинстве случаев являются безреагентными и автоматизированными. К таким технологиям относится и способ стерилизации воды диафрагменным электрическим разрядом (ДЭР), который имеет низкие капитальные затраты, является безреагентным, а при
5
реконструкции существующей технологии обеззараживания не требует дополнительных капитальных затрат на схему обработки воды. Способ универсален, может применяться для обработки питьевой воды, сточных вод и вод плавательных бассейнов.
Одним из приоритетных направлений совершенствования электроразрядных способов дезинфекции является снижение эксплуатационных затрат, в том числе снижение электропотребления технологий. Исследования в области снижения потребления энергии разрядами в жидких средах показывают, что наиболее экономичными являются высоковольтные импульсные источники питания (ВИИП), их применение и совершенствование в электроразрядной технике является перспективным способом снижения эксплуатационных затрат.
Существенный вклад в изучение воздействия электрических разрядов на воду внесли Fridman A., Laroussi M., Юткин Л.А., Суворов И.Ф., Пискарев И.М., Яворовский Н.А., Корнев Я.И., Коликов В.А., Крымский В.В., Stoffels E., Kelly- Wintenberg K., Rajasekaran P., Gupta S. B., Sato M., Юдин А.С., Лапшакова К.А., Никифоров А. Ю., Максимов А. И., Stará Z., Krčma F.
Во второй половине прошлого столетия в нашей стране начались
проводиться исследования способа обеззараживания и доочистки воды с
помощью ДЭР. Разряд изучается как источник образования перекиси водорода
H O , ионов меди Cu2+ и серебра Ag+, атомарного кислорода О, озона O , 223
гидроксильных радикалов OH• и супероксидов O-. Доказана высокая 2
эффективность этого электроразрядного метода в процессах доочистки и стерилизации воды. Настоящая работа направлена на увеличение эффективности обработки воды, ресурсосбережения, снижение электропотребления и улучшение эксплуатационных характеристик оборудования системы дезинфекции ДЭР.
Степень разработанности темы обеззараживания воды электрическими разрядами относительно высокая, но малое количество работ посвящено дезинфекции воды ДЭР. Недостаточно изучены сама природа и способности этого разряда. Все исследования ДЭР осуществлялись на реакторах с питанием преимущественно от источников постоянного или переменного промышленного

6
напряжения, практически не рассматривались стерилизационные способности импульсного ДЭР. Не раскрыты вопросы образования ионов металлов при электроразрядной обработке воды, а олигодинамический эффект обеззараживания учтен лишь единицами авторов. Слабо исследованы реакторы ДЭР со способностью протекания через них воды, подавляющее число работ посвящено реакторам без какого-либо протока жидкостей через них. В редких исследованиях рассмотрено применение многоочагового ДЭР.
Цель работы: повышение эффективности дезинфекции воды за счет применения реактора с горизонтальным протоком воды относительно диафрагменной мембраны, с серебряными и медными электродами, с оптимальными параметрами ДЭР и использованием ВИИП с наиболее эффективными режимами работы.
Идея исследования заключается в применении импульсных электрических разрядов для образования перекиси водорода, ионов серебра и меди в реакторе с горизонтальным протоком воды относительно диафрагменной мембраны и подборе оптимальных параметров источника питания и реактора ДЭР.
Для достижения цели потребовалось решить ряд задач:
1. Провести анализ литературных данных о технологиях стерилизации воды электроразрядными способами.
2. Создать ВИИП, позволяющий снизить расход электроэнергии и повысить эффективность обеззараживания.
3. Создать новый реактор ДЭР для уменьшения эксплуатационных затрат и потребления электроэнергии.
4. Установить важнейшие факторы, которые оказывают наибольшее влияние на эффективность ДЭР.
5. Определить оптимальные рабочие параметры установки дезинфекции ДЭР для выхода бактерицидных агентов с минимальным электропотреблением.
Научная новизна заключается в том, что:
1. Впервые установлены зависимости выхода перекиси водорода, ионов меди и серебра в модельных растворах от амплитуды подводимого в зону ДЭР

7
импульсного напряжения и длительности импульсов, проводимости модельного раствора и расхода электроэнергии.
2. Выявлены зависимости образования ионов меди и серебра от водородного показателя воды. Установлено, что вольт-амперная характеристика ДЭР имеет серпообразную форму, а мощность, потребляемая реактором, зависит от температуры обрабатываемой воды. Выявлены характеристики отмирания бактерий в зависимости от концентрации ионов меди и серебра.
3. Определено, что реактор с горизонтальным протоком воды относительно диафрагменной мембраны имеет более высокий выход обеззараживающих продуктов в сравнении с реактором с протоком воды через отверстия в диафрагменной мембране (патент РФ No137284 U1 от 19. 06. 2013).
4. Разработан алгоритм управления ВИИП как основа технологии обеззараживания воды.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в том, что:
1. Разработан ВИИП (патент РФ No151949 от 21.11.2013).
2. Разработан реактор ДЭР (патент РФ No137284 U1 от 19. 06. 2013).
3. Применение нового реактора ДЭР с серебряными и медными
электродами совместно с ВИИП повышает обеззараживающую эффективность всей технологии более чем в 2 раза в сравнении с реактором ДЭР с протоком воды через отверстия в диафрагменной мембране с медными электродами, питающегося от источника переменного синусоидального напряжения.
4. Разработанный реактор ДЭР улучшает эксплуатационные характеристики обеззараживающей технологии (снижаются рабочие токи и напряжения, что увеличивает срок службы диафрагменной мембраны) (патент РФ No137284 U1 от 19. 06. 2013).
5. Разработаны рекомендации для проектирования установок обеззараживания воды на основе ДЭР.