Очистка стічних вод на молокопереробних підприємствах (кавітація)

Зміст

Вступ

Розділ 1. Характеристика складу стічних вод від молокопереробних підприємств

1.1 Джерела утворення стічних вод на молокопереробних підприємствах

1.2 Склад стічних вод від молокопереробних підприємств

Розділ 2. Сучасний стан і аналіз методів очистки стічних вод підприємств молочної промисловості

2.1 Порівняльний аналіз методів водоочищення

2.2 Прогресивні методи очищення поверхневих та стічних вод на молокопереробних підприємствах

Розділ 3. Застосування кавітації для очищення води з різними видами забруднень

3.1 Природа і властивості кавітації в рідинах

3.2 Механізм і фізико-хімічна дія кавітації

3.3 Характеристика ефектів впливу кавітації на біологічні об’єкти

3.4 Класифікація та порівняльна характеристика кавітаційних пристроїв для оброблення рідких середовищ

Розділ 4. Розробка технологічної схеми очищення стічних вод молочних підприємств за допомогою віброкавітаційної установки

4.1 Характеристика об’єкту дослідження

4.2 Опис віброкавітаційної установки

4.3 Опис технологічної схеми та конструкції апарата для віброкавітаційного очищення природних та стічних вод

Розділ 5. Економічна частина

5.1 Техніко-економічні розрахунки ефективності технології віброкавітаційного очищення

5.2 Еколого-економічна оцінка ефективності віброкавітаційного методу очищення

Розділ 6. Охорона праці та безпека в надзвичайних ситуаціях

6.1 Аналіз шкідливих та небезпечних факторів на філії "Охтирський сиркомбінат" ПП "Рось"

6.2 Розрахунок освітлення цеху на філії "Охтирський сиркомбінат" ПП "Рось"

6.3 Безпека в надзвичайних ситуаціях на молочному підприємстві

Висновок

Список використаних джерел

Вступ

Актуальність теми. Очищення стічних вод являться надважливою екологічною проблемою народного господарства будь-якої країни, нехтування якою може призвести до значних негативних наслідків у вигляді екологічних катастроф національного масштабу. Саме тому її необхідно вирішувати якомога оперативніше, використовуючи новітні очисні технології, устаткування та методи очищення. Проблема очищення стічних вод особливо актуальною для України, де через застосування морально застарілих технологій більшість стоків характеризуються високим рівнем хімічного та біологічного забруднення. І чи не основними джерелами забруднення довкілля тут постають підприємства харчової промисловості та переробки сільськогосподарської продукції. Переважна більшість таких стічних вод скидається неочищеними у природні водойми, на поля фільтрації чи в каналізацію, створюючи відчутне екологічне навантаження на довкілля.

Для зменшення шкідливого впливу стічних вод на навколишнє середовище особливої актуальності набуває удосконалення існуючих і впровадження нових перспективних технологій водоочищення із застосуванням високоефективних методів здатних надійно знезаражувати і очищати воду незалежно від ступеня її хімічного чи біологічного забруднення. Один із перспективних шляхів вдосконалення очисних технологій є використання для інактивації контамінантної мікрофлори і очищення від органічних забруднень у водному середовищі кавітаційних явищ. Із огляду на відносну дешевизну, надійність та економічну безпечність кавітаційне очищення води має безсумнівну перспективу закріпити свою визначальну роль в охороні водного басейну.

Метою дипломної роботи є розроблення заходів підвищення екологічної безпеки промислових виробництв шляхом впровадження кавітаційної технології очищення стічних вод від органічних і біологічних забруднень.

Для досягнення поставленої мети необхідно було виконати наступні завдання:

-       Здійснити аналіз сучасного стану та виокремити основні джерела екологічної небезпеки довкіллю від діяльності широко розповсюджених підприємств переробки сільськогосподарської продукції та харчової промисловості;

-       Здійснити детальний аналіз різних методів та способів очищення стічних вод;

-       Запропонувати впровадження новітньої технології очистки стічних вод, що дасть змогу покращити ступінь очистки.

Об’єктом дослідження є процес очищення стічних та поверхневих вод від органічних та біологічних забруднень.

Предмет дослідження - кавітаційне окиснення органічних речовин та знезараження мікроорганізмів стічних та поверхневих вод.

Розділ 1. Характеристика складу стічних вод від молокопереробних підприємств

1.1 Джерела утворення стічних вод на молокопереробних підприємствах

Харчова промисловість є одним з найбільших споживачів прісної води, а стічні води її підприємств відносяться до числа найбільш забруднених.

Стічні води, що утворюються при переробці такого типу харчової сировини, як молоко, діляться на забруднені і незабруднені. Джерелом незабруднених стічних вод служать конденсати холодильних установок, що використовують для охолодження молока та молочної продукції. Найчастіше вони відразу використовуються в системах оборотного водопостачання або ж повторно використовуються для миття обладнання та тари, а також для інших виробничих цілей. Забруднені стічні води є продуктом, що утворюється після миття обладнання, технологічної трубопровідної системи, ємностей для транспортування різного об'єму, у тому числі автомобільних і залізничних цистерн, фляг та іншої тари. Також до джерел утворення забруднених стічних вод відносяться стоки після прибирання виробничих приміщень, миття панелей і підлоги. Забруднені стічні води становлять приблизно від 20 до 50 відсотків від загального обсягу стокі, що утворюються. Вони складаються з молока, що пролилося та продукції з нього, залишків миючих речовин, що застосовуються при митті ємкостей для перевезення і зберігання молока та молочної продукції, відходів виробництва продукції, а також стоків, що утворюються при митті виробничих приміщень. Ці стічні води відрізняються в основному нейтральною реакцією, хоча вона може зрушуватися до слабокислої, або слаболужної сторони при викидах відповідних забруднень, сироватки або залишків миючих лужних розчинів. [1]

молокопереробний стічна вода очистка

Кількість забруднених стічних вод становить 20-50 % загального стоку. Витрата незабруднених виробничих стічних вод, що направляються в систему оборотного водопостачання або на повторне використання, становить до 60-80% загальної витрати води на підприємстві. Загальна витрата стічних вод, що скидаються заводами, коливається від 15-20 до 2500 м³/добу. Кількість побутових стічних вод становить 2-10 % загального стоку. Забруднення виробничих стічних вод підприємств молочної промисловості складаються з втрат молока та молочної продукції, відходів виробництва, реагентів, що застосовуються при митті тари, домішок, що змиваються з поверхні тари, обладнання, підлог і панелей приміщень.

Температура стічних вод в холодний період року становить 15-18°С, в теплий період - 20-25° С. [2]

Як і на багатьох підприємствах харчової промисловості, на молокозаводах передбачено наявність окремої каналізаційної мережі, призначеної для відведення виробничих стічних вод. Для відводу незабруднених стоків та дощової води використовується загальна мережа каналізації. Облаштування загальної мережі для незабруднених і забруднених стоків допустимо тільки у разі виробництв, які працюють з невеликими обсягами продукції і розташованих за межами міста [1].

1.2 Склад стічних вод від молокопереробних підприємств

Стічні води молокопереробних підприємств відносяться до категорії висококонцентрованих стоків по органічним забруднювачам. Стічні води молокопереробних заводів містять високі концентрації органічних забруднень (жир, білок, лактоза), забруднені також неорганічними сполуками, і синтетичними поверхнево активними речовинами (миючі речовини). Склад і концентрація забруднення стічних вод залежать від профілю та продуктивності підприємств [3].

Що стосується загальних характеристик стоків молочних виробництв, то вони мають у своєму складі:

         невелику кількість зважених речовин, в концентрації 350 мг/г для молокозаводів і підприємств з виготовленні сухого молока, і 600 мг/л для масло-сироробного виробництва;

-        жири в стоках всіх цих виробництв знаходяться в невеликій кількості і складають до 100 мг/л для всіх цехів переробки, крім тих, що випускають морожену продукцію, де їх концентрація становить 200-400 мг/л;

         вміст загального фосфору коливається від 7-8 до 16 мг/л у стоках маслоробних виробництв;

         аналогічна картина і для загального азоту, що становить 50 мг/л для консервованих продуктів. 60 мг/л для підприємств молоко переробки та 90 мг/л для виробництва масла і сиру;

         вміст хлоридів складає від 150 до 200 мг/л, що не виходить за межі норми;

         по БСК_повн лідирують стоки сиро-малоробних підприємств, де цей показник становить 2400 мг/л при ХСК рівному 3000мг/л. Далі йдуть молокопереробні заводи з БСК_повн 1200 мг/л при 1400 мг/л. За ними слідують виробництва сухого молока з БСК_повн 1000 мг/л при ХСК рівному 1200 мг/л;

         помітно. що співвідношення БСК_повн до ХСК для цих виробництв складає близько 0,8-0,85, що говорить про високий і переважний вміт в них легкоокиснюючих органічних речовин, високу мутність і кольоровість, а також схильність до бродіння [1].

Якісні та кількісні характеристики стічних вод залежать від потужності молокопереробного підприємства та асортименту продукції, при цьому витрата свіжої води становить у середньому 3-12 м^3/т молока [4].

Проблема очищення стічних вод, що утворюються в технологічному процесі молочного виробництва - це, перш за все, проблема знезараження.

До складу стічних вод молочних заводів входить трохи жиру (100 мг/л) і безліч різних бактерій.

Кількість бактерій у стічних водах традиційно характеризується таким інтегральним показником як біологічне споживання кисню (БCК). В стічних водах молокозаводів БCК доходить до значень 1800 - 2000 мг / л. Традиційні біохімічні методи очищення дозволяють очистити воду, починаючи з 600мг/л.

В санітарних нормах СН 245-71, для молочних підприємств (молочних заводів) встановлено санітарно - захисну зону в розмірі 150 м від очисного комплексу до будівлі основного виробництва молокозаводу, де відбувається сам технологічний процес переробки молока з виробленням продуктів. Хімічний склад стічних вод молокозаводу наведено в таблиці 1.1.

Таблиця 1.1 - Хімічній склад стічних вод молокозаводу

З наведених у таблиці 1.1 даних видно, що високе значення такого показника як БCК характеризує значну біологічну зарядженість стічної води молокозаводу [5].

Величина pH стічних вод в значній мірі визначається технологією виробництва, асортиментом продукції, що випускається. Для виробництв, не пов'язаних з процесами молочнокислого бродіння, pH стоку близький до нейтрального (6,8-7,4 для молочноконсервних комбінатів, маслоробних заводів). На сироварних заводах, міських молочних заводах та інших підприємствах, що виробляють сир і кисломолочні продукти, в каналізаційну мережу скидається певна кількість сироватки, що обумовлює зниження pH стічних вод до 6,2.

Коливання pH стоку часто викликається також скидом в каналізацію кислотовмісних і лужних реагентів, застосовуваних при митті обладнання. Різке короткочасне підвищення pH загального стоку до 10 - 10,5 може бути пояснено залповим скиданням лужних миючих розчинів, які в основному застосовують на молочних заводах.

Тривале перебування стічних вод в анаеробних умовах (в каналізаційній мережі, відстійниках) обумовлює закисання рідини в результаті молочно-кислого бродіння і призводить до зниження pH.

Зважені речовини стічних вод молочних заводів представлені частинками твердих продуктів переробки молока (шматочки сиру, молочними плівками) та іншими домішками (грунт, пісок), що потрапляють у каналізацію при митті технологічного обладнання, тари, приміщень.

Основна частина суспензій (до 90 %) є органічними речовинами, як правило, білкового походження. Концентрація зважених речовин коливається в широких межах залежно від технологічного циклу виробництва. Коливання концентрації зважених речовин у стічних водах молочних заводів спостерігаються і по годинам доби; найбільша кількість суспензії надходить в початковий період мийки обладнання.

Значення ХСК і БСК стічних вод молочних заводів також коливаються в широких межах.

Слід мати на увазі, що між БСК₅ і БСК_повн, а також між БСК₅ і ХСК відсутній чіткий взаємозв’язок, отже, значення БСК₅ для стічних вод молочних заводів не є об'єктивним показником забруднення стічних вод.

Вміст жирів у стічних водах підприємств молочної промисловості визначається в основному асортиментом продукції, що випускається і технологією виробництва. Залежно від цих чинників змінюється не тільки концентрація жирів в стічних водах, а й вид цих забруднень. Стічні води цільномолочного виробництва містять жири в тому ж вигляді, що і натуральне молоко, оскільки втрати молока є основним забрудненням цих стоків.

Жири молока являють собою дрібні кульки, оточені гідратованою білковою оболонкою, які вкрай повільно спливають при відстоюванні стічних вод.

При виробництві високожирної продукції (вершків, сметани, масла) з молока витягуються великі кульки жиру, відбувається їх злипання і укрупнення, а також руйнування білкової оболонки. Тому жирові домішки, що містяться в стічних водах таких виробництв, істотно відрізняються за видом і концентрацією від подібних забруднень стічних вод інших молочних заводів. Виділення жирових домішок з стічних вод від виробництва високожирної продукції, наприклад шляхом відстоювання рідини, відбувається значно швидше і ефективніше, ніж із стічних вод інших виробництв.

При санітарному аналізі стічних вод визначають вміст жирів і жироподібних речовин, екстрагуючим ефіром або хлороформом. Концентрація екстрагуючих речовин у стічних водах заводів і цехів, спеціалізованих на випуску високожирної продукції, становить 200-400 мг/л, у стічних водах інших видів виробництва зазвичай не перевищує 100 мг / л.

У стічних водах молочних заводів азот міститься в основному у вигляді аміногруп білкових сполук. У невеликих кількостях в стік потрапляє також азот амонійних солей з аміачних компресорів.

Вміст загального азоту в стічних водах міських молочних заводів, молочноконсервних комбінатів, маслоробних заводів становить 50-60 мг / л, або 4,2-6 % від БСК_повн; сироробних заводів - 90 мг / л, або 3,7 % від БСК_повн. Концентрація фосфору дорівнює 0,6-0,7% від БСК_повн.

Концентрації солей азоту та фосфору є достатньою для нормального протікання процесу біологічної очистки стічних вод підприємств молочної промисловості і розмноження бактерій, що беруть участь в окисленні забруднень цих стоків.

При біологічному очищенні стічних вод сироварних заводів процеси нітрифікації йдуть менш інтенсивно, ніж при очищенні стоків інших підприємств молочної промисловості, через менший по відношенню до БСК вміст солей азоту.

Наявність хлоридів у стічних водах молочних заводів обумовлено застосуванням у виробництві кухонної солі, потраплянням в каналізацію охолоджуючих розсолів, присутністю хлоридів у свіжій воді, молоці, миючих розчинах. Концентрація хлоридів у стічних водах молочних заводів досягає 800-1000 мг / л і становить у середньому 150-200 мг / л. Досить високий вміст хлоридів дозволяє застосувати для очищення стічних вод молочних заводів методи електрофлотації та електрокоагуляції [6].

Розділ 2. Сучасний стан і аналіз методів очистки стічних вод підприємств молочної промисловості

Очищення стічних вод - це руйнування або видалення з них певних визначених речовин, знезараження і видалення патогенних мікроорганізмів. Оцінюючи очищення води як комплексну проблему, варто безпосередньо зупинитися на існуючих способах, об’єктивний аналіз яких дозволить оцінити переваги і недоліки, та визначити перспективність подальших досліджень у цьому напрямку. [7]

Аналіз літературних джерел показав, що в Україні та сучасних європейських країнах ведеться інтенсивний пошук найбільш раціональних та високоефективних методів і технологій очистки висококонцентрованих стічних вод підприємств харчової промисловості (в тому числі молочної). Найбільш поширеним рішенням в цій галузі є поєднання класичних методів очистки з новими методами. [8]

Для очищення стічних вод промислових підприємств застосовуються головним чином:

         Механічні методи (відстоювання, грати, відстійники, обробка осаду, фільтрування);

-        Хімічні (окиснення, нейтралізація, відновленні, коагуляція, флокуляція);

         Фізико-хімічні методи (флотація, сорбція, екстракція, іонний обмін, електрохімічні методи);

         Біологічні методи (біофільтри, біологічні ставки, аеротенки);

         Комбіновані методи.

Також існує поділ методів очищення на:

         Реагентні (окиснення, нейтралізація, обробка іонами перехідних металів);

-        Безреагентні (обробка ультразвуком, магнітним полем, ультрафіолетом, теплова, електричним полем, струмом високої частоти);

         Комбіновані.

Застосування того чи іншого методу в кожному конкретному випадку визначається характером забруднення і ступенем шкідливості домішок. [9]

2.1 Порівняльний аналіз методів водоочищення

Механічне очищення застосовують для виділення зі стічних вод нерозчинних у ній мінеральних і органічних домішок. Домішки в залежності від розмірів вловлюються гратами, ситами, ковшами різних конструкцій, а поверхневі забруднення - відстійниками, піскоуловлювачами і т.д. Механічне очищення є, як правило, попереднім етапом служить для підготовки стічних вод до біологічного, фізико-хімічного або іншого методу більш глибокого очищення. Цей метод забезпечує виділення завислих речовин на 90-95% і зниження органічних забруднень (за БСК) на 20-25% [10].

Хімічний метод полягає в тому, що у стічні води додають різні хімічні реагенти, що вступають у реакцію з забруднювачами й осаджують їх у вигляді нерозчинних осадів. Нейтралізацію кислих стоків здійснюють речовинами основного характеру: оксидами (негашене вапно СаО), гідроксидами (гашене вапно Са (ОН) ₂, каустична сода NаОН, водний розчин аміаку NН₄ОН), солями слабких кислот, карбонатами (кальцинована сода Nа₂СО₃). Окиснення застосовують для видалення ціанідів, сірководню, сульфідів, органічних домішок. З широко поширених окиснювачів є озон, хлор, пероксид водню, перманганат калію. В Україні для знезараження води застосовують хлор-газ (98%), гіпохлорид натрію (1,1%), діоксин хлору, озон та інші реагенти і технології (0,9%). Обробка стічної води гіпохлоритом натрію за вартістю практично рівноцінна обробці хлором і в 1,5-2 рази дешевше, ніж хлорним вапном.

Широкому поширенню хлору в технологіях водо підготовки сприяла його ефективність, доступність, простота технологічного оформлення і здатність консервувати вже очищену воду тривалий час. Однак хлорування має істотні недоліки: утворення, внаслідок неповного окиснення органічних речовин, ряду токсичних подічних продуктів (хлорованих фенлів, хлороформу, тригалометанів, діоксинів, галоген оцтові кислоти, галогенцетонітрили тощо), яким притаманні мутагенні, канцерогенні, ембріотоксичні та інші властивості. Порівняльний аналіз реакційної здатності різних хлорвмісних реагентів до утворення побічних продуктів знезараження дозволив виявити залежність: газоподібний хлор >гіпохлорит натрію = хлорне вапно > діоксин хлору. Традиційне хлорування води з використанням вільного хлору і гіпохлориту натрію при залишковому хлорі 0,8 мг/дм³ є неефективним щодо цист лямбій і кріптоспоридій, а при дозі залишкового хлору 1,5 мг/дм³ не забезпечує необхідної епідемічної безпеки щодо вірусів. Повна інактивація фотогенів настає при залишковому хлорі 1,4 мг/дм³ протягом 180 хв., що робить таку воду непридатною для пиття і вимагає її дехлорування за допомогою сірчистого газу або тіосульфату натрію.

Важливу роль в технологіях очищення води відіграє коагуляція. Активний розвиток коагуляція отримала в 30-ті роки минулого століття, і до сьогоднішнього дня це одна з головних стадій очищення на водопровідних станціях, як в Україні, так і в усьому світі. Найбільш великі станції із застосуванням коагуляційної обробки води працюють в США, Японії, Швеції. Коагуляцію здійснюють введенням в рідину відповідних реагентів (метод реагентної коагуляції) або шляхом електрохімічного розчинення металів (метод електрокоагуляції). В якості коагулянтів застосовують: сульфат алюмінію (глинозем) А1₂ (SO₄) _{3 ×} 18Н₂O при рН вихідної води 6,5-7,5; сульфат заліза (залізний купорос) FeSO₄ × 7H₂O при рН води 4-10; хлорне залізо FeCl_{3 ×} 6H₂O для води з рН = 4-10; полігідроксихлорид алюмінію А1₂ (ОН) ₅Сl. Найчастіше використовується сульфат алюмінію або хлорид заліза в кількості 50-150 г/м³, що дозволяє видаляти до 90 % фосфатів при одночасному зниженні БСК на 60-85 % (до 9-15 г/м³) і ГДК на 40-70 % [11]. У процесі коагуляційного очищення води на 90-99% видаляються різні мікробіологічні забруднення [12].

Однак у коагулянтів є і серйозні недоліки: ефективність очищення залежить від каламутності, кольоровості й перманганатної окиснюваності оброблюваної води, умов процесу; очищення можливе лише коли утворюється колоїдна система з розвиненою поверхнею; солі алюмінію є сильним нейротоксикантом, тому необхідно контролювати норму вмісту залишкового алюмінію в очищеній воді.

Впровадження флокулянтів дозволило інтенсифікувати процеси коагуляційного очищення води і значно покращити якість очищеної води по кольоровості, каламутності і залишку алюмінію. Встановлено, що кращими флокулянтами для освітлення води та обезводнення осадів є поліетиленін та катіонований поліакриламід, що ефективні всже при дозах 2-10 мг/дм³. На даний час основними флокулянтами, які використовуються в Україні і країнах СНД є "Біопіг", "Фосфопаг", "Фосгусепт" та "Полісепт" - Росія, "Акватон", "Валеус" - Україна та інші препарати, які мають в своїй основі похідні поліексаметиленгуанідину [13].

При фізико-хімічному методі обробки зі стічних вод видаляються тонко дисперсні і розчинені неорганічні домішки і руйнуються органічні речовини Найчастіше з фізико-хімічних методів застосовується флотація та електрокоагуляція. [14]

У стічних водах молочних заводів міститься певна кількість часток як з гідрофобними властивостями (жирів, часток сиру, плівок молока та ін.), які можна витягнути при флотації, так і з гідрофільними властивостями (в основному білків). Частинки молочного жиру, які оточені гідратованою білковою оболонкою, проявляють теж гідрофільні властивості і погано видаляються при флотації.

Зважаючи на наявність у стічних водах молочних заводів органічних забруднень та миючих розчинів для зниження поверхневого натягу на поверхні розділу фаз рідина-газ не потрібно додавати реагент. Процес флотації цих стічних вод супроводжується рясним піноутворенням.

Були проведені дослідження з очищення стічних вод молочних заводів від жиру за допомогою методів пневматичної, механічної і напірної флотації, а також електрофлотації.

Як показали результати досліджень, при використанні методу пневматичної флотації концентрація жирів знижується на 45-50%, зважених речовин - на 35-40%. Загальний ефект очищення стічних вод молочного заводу методом пневматичної флотації з подальшим їх відстоюванням в жироловках приблизно такий же, як і ефект очищення стічних вод в жироловці без попередньої флотації. Лише в окремих випадках ефект очищення збільшився на 3-5%.

Дослідження механічної флотації на лабораторних установках імпелерного типу дозволили установити оптимальні параметри процесу: тривалість флотації 10 хв, витрата повітря 20 м^3/год на 1 м² площі поверхні флотаційної камери.

У цих умовах при роботі лабораторної установки в проточних умовах ефект очищення становив у середньому по жирах 82 %, по зважених речовинах - 62 %, по ХСК - 38 %. При роботі установки в непроточних умовах ефект очищення був більш високим.

Однак ефект очищення стічних вод на флотаційних установках імпелерного типу у виробничих умовах приблизно на 15-25% нижче, ніж у лабораторних: по жирам він не перевищує 50-60%, по зваженим речовинам - 60-50 %.

Недоліком методу механічної флотації є утворення значної кількості піни (24 % від витрати стічних вод). Для обробки декантованої води, що утворюється з піни, необхідно збільшити обсяг установки приблизно на 20%.

Оптимальні параметри процесу очищення стічних вод молочних заводів методом електрофлотації наступні: тривалість обробки 5 хв, щільність струму 380 А/м². При цьому ефект очищення складає по жирах 59%, по зважених речовинах - 50 %, по ХСК - 34 %. Проте проведення процесу електрофлотації при таких параметрах пов'язане зі значними витратами електроенергії (близько 10 кВт*год/м³). При зменшенні щільності струму з метою зниження витрати електроенергії різко падає ефект очищення стічних вод. Так, при щільності струму 60 А/м² концентрація жирів зменшується лише на 12,5 %.

Найбільш ефективним для підприємств харчової промисловості є метод напірної флотації, який дозволяє забезпечити високий ступінь очистки від нерозчинних домішок, завислих речовин, жирів, ПАР, що містяться в високих концентраціях і являються характерними для підприємств даної галузі.

Відмінність даного методу - в високій ефективності захвату найдрібнішими бульбашками повітря часток забруднень, в результаті утворюються флококомплекси, що добре видаляються.

Для інтенсифікації швидкості флотаційного вилучення частинок за рахунок їх укрупнення доцільне застосування коагуляції і флотації, що дозволяє збільшити ефективність очищення стоків на 15-20 %.

Переваги даного методу полягають у високому ступені очищення і безперервності процесу, простоті і компактності установки. Основними недоліками є: недостатньо висока ступінь очищення за ХСК і БСК, оскільки більшість біогенних елементів у стічних водах знаходиться в розчиненому вигляді; утворення флотошламу, що вимагає подальшої утилізації [14].

Наведені вище дані свідчать про те, що різні методи флотації, що застосовуються для очищення стічних вод підприємств молочної промисловості, характеризуються приблизно однаковим ефектом очищення (50-60% по жирах і зважених речовинах). Отже, враховуючи складність пристрою флотаційних установок та їх експлуатації в порівнянні з жироловками (при практично однакових ефектах очищення), для даних видів стоків застосовувати метод флотації нераціонально. [15]

Біологічні методи очищення стічних вод засновані на життєдіяльності мікроорганізмів, які мінералізують розчинені органічні сполуки, що є для мікроорганізмів джерелами живлення. Споруди біологічного очищення умовно поділять на два види: споруди, в яких процес біологічного очищення протікає в умовах, близьких до природних (поля фільтрації та біологічні ставки); споруди, в яких очищення здійснюється в штучно створених умовах (аеротенки і біофільтри). При біологічному очищенні стічних вод на штучних спорудах загальний вміст бактерій зменшується на 95%, при очищенні на полях зрошення - на 99%.

При очищенні стічних вод підприємств молочної промисловості на полях фільтрації слід не допускати їх перевантаження забрудненнями. Перевантаження полів фільтрації може привести до неповного окислення забруднень і розвитку анаеробних процесів молочнокислого бродіння, що викликають закисання ґрунту. Відновити поля після їх тимчасового перевантаження можна шляхом вапнування ґрунту або зняття поверхневого шару ґрунту.

Стічні води перед подачею на поля фільтрації необхідно ретельно очищати від зважених речовин і жирів. Зазвичай для цієї мети застосовують відстоювання.

Як правило, навантаження на поля фільтрації визначають, виходячи з досвіду їх експлуатації в аналогічних кліматичних і гідрогеологічних умовах.

Поля фільтрації можна також використовувати і для доочищення стічних вод після їх біологічного очищення (наприклад, в аеротенках, біофільтрах або інших спорудах). Однак дані про використання полів фільтрації для доочищення стічних вод, що наявні в літературі, досить незначні, що не дозволяє їх застосовувати для розрахунку цих споруд.

Доочистка стічних вод в біологічних ставках.

У ставку доочистки забруднення вилучаються аеробними мікроорганізмами, які надходять в них з очищеною рідиною з вторинних відстійників (після аеротенків і біологічних фільтрів), а також розвиваються безпосередньо в самих ставках. Важливу роль виконує вища водна рослинність (водорості).

Кисень, необхідний для окислення органічних забруднень, у ставки з природною аерацією надходить через їх відкриту поверхню внаслідок атмосферної реаерації. Крім того, кисень утворюється в результаті фотосинтезу.

Ставки з природною аерацією характеризуються низькими швидкостями процесу очищення стічних вод. Частково це пояснюється незадовільно організованою структурою потоку в них. Значна площа ставків, мала глибина (0,4-0,6 м), вітрові течії створюють непротічні зони, місцями підвищену струменевість потоку. Все це зменшує фактичну тривалість перебування стічних вод в ставках, а це в свою чергу знижує ефект очищення. Швидкість біохімічного процесу вилучення та окислення органічних забруднень в ставках з природною аерацією лімітується низькими швидкостями атмосферної реаерації і процесів масообміну.

У ставках з штучною аерацією в результаті подачі необхідної кількості повітря при інтенсивному перемішуванні рідини швидкість біохімічного процесу в 5-7 разів більше, ніж швидкість біохімічного процесу в ставках з природною аерацією. Крім того, підвищується ступінь використання корисного об'єму аеруючих ставків.

Штучна аерація дозволяє влаштовувати ставки глибиною 3-5 м, у той час як природна аерація лімітує глибину ставків до 1 м для уникнення утворення анаеробних придонних зон.

Аерацію ставків здійснюють за допомогою пневматичної або механічної систем, що влаштовуються аналогічно системам аерації аеротенків. Зважаючи на можливі коливання рівня води у ставках механічні аератори розміщують на понтонах [16].

У технології біологічного очищення стічних вод найбільше застосування отримав аеробний метод. А при високих концентраціях забруднень застосовується поєднання анаеробних методів на першій ступені очищення і аеробних методів на останній ступені очищення. При цьому утворюється велика кількість біогазу (вміст метану 60-80 %), який є альтернативним джерелом енергії. Основним недоліком даної технології є значні капіталовкладення [14].

Однак, багато шкідливих органічних речовин не повністю окиснюються на спорудах біологічного очищення стічних вод, вони довго зберігають стабільність у воді і можуть спричиняти токсичну дію на живі організми. І крім того, ці технології мають суттєві недоліки: високі енерговитрати на аерацію і проблеми, пов'язані з обробкою та утилізацією великої кількості утвореного надлишкового мулу, його спухання і спінювання. До того ж використання технології природної тривалої сушки мулу на майданчиках призводить до відчуження значної площі родючих земель і погіршення екологічної ситуації. [17]

Підсумовуючи огляд існуючих на сьогоднішній день методів очищення стічних вод можна зробити висновок, що кожен із застосовуваних методів володіє рядом переваг і недоліків. Технології водоочищення, що використовуються в наш час, не досконалі і потребують значних затрат електроенергії, хімматеріалів. А застосування реагентів-окиснювачів (що є найбільш поширено) в технологіях водоочищення призводить до значного забруднення продуктами окиснення органічних домішок, що значно підвищує токсичність води. З огляду на це, необхідно переходити на нові, більш досконалі, перспективні технології з використанням фізичних чи фізико-хімічних методів очищення стічних вод з врахуванням сучасних наукових досягнень у цій галузі, що призведе до зменшення негативного впливу на гідросферу різного роду шкідливих та небезпечних факторів, що виникають при скиданні недостатньо очищених чи неочищених стічних вод.

2.2 Прогресивні методи очищення поверхневих та стічних вод на молокопереробних підприємствах

У даний час багато уваги приділяється питанням інтенсифікації процесу очищення природних і стічних вод, модернізації технології та розроблення нових ефективних методів, що дозволить вдосконалити існуючі технології обробки води, скоротити трудомісткі процеси приготування і дозування реагентів, зменшити витрати на експлуатацію очисних споруд, збільшити їх продуктивність, підвищити якість і зменшити собівартість очищеної води [18].

Аналіз патентних матеріалів за останні роки свідчить про те, що ведеться інтенсивний пошук найбільш економічних і високоефективних способів очищення стічних вод.

Характерною рисою є поєднання класичних методів очищення з новими методами, з використанням мікроорганізмів. Розробляються різні фізичні і комбіновані методи дезінфекції води, в яких відзначається висока ефективність застосування лазерного випромінювання, накладення електричного поля, магнітного поля, ультразвуку, ультрафіолету, електричного розряду, електрохімічної обробки, мембранних технологій, а також технологій, пов’язаних із зміною молекулярної структури водних асоціатів в результаті енергоінформаційних способів водоочищення [19].

До числа прогресивних технологій відносяться очищення води за допомогою додавання нових хімічних реагентів.

Найефективнішими, в даний час, є три наведені нижче технології, з додаванням нових хімічних реагентів.

Реагентний спосіб очистки стічних вод.

Технічною задачею наведеної новітньої технології є розробка нового високоефективного способу очищення стічних вод, що містять високі концентрації жиру і білка.

Зазначена технічна задача вирішується тим, що стічні води попередньо нейтралізують вапняним молоком до рН 6,0-8,5 і обробляють флокулянтом на основі аніонного поліакриламіду з молекулярною масою не менше 15*10⁶, узятим в кількості не менше 0,01 мг / л.

Спосіб здійснюють наступним чином. Стічну воду молокозаводу з наступними фізико-хімічними характеристиками:

Таблиця 2.1 - Фізико-хімічні характеристики стічних вод молокозаводу

подають у ємність, вводять 10% -й розчин вапна (вапняне молоко) перемішують, доводять показник рН до 6,0-8,5 і додають 0,01% -й розчин флокулянта Flopam AN934 з розрахунку не менше 0,01 мг / л. Отриману суміш відстоюють протягом 20 хв й осад, що випав відокремлюють. Отримана після відділення осаду вода придатна для скидання в рибогосподарські водойми.

У таблиці 2.2 представлені результати здійснення даного способу з використанням різних флокулянтів і зміною технологічних параметрів.

Використовувані в наведених прикладах флокулянти:

Росфлок КВП являє собою аніонну емульсію високомолекулярного частково гідролізованого поліакриламіду.

Флокулянти Flopam серії АN являють собою аніонні емульсії, отримані шляхом сополімеризації мономерів акриламіду і акрилату натрію в різних пропорціях. Вони негативно заряджені з щільністю заряду в діапазоні від 1 до 50% і мають молекулярну масу від 5*10⁶ до 22*10⁶.

Флокулянт Праєстол 2530ТR являє собою продукт сополімеризації мономерів акриламіду і акрилату натрію в різних пропорціях, виробляється переважно у вигляді порошку або гранул.

Таблиця 2.2 - Результати здійснення реагентного способу очистки з використанням різних флокулянтів і зміною технологічного процесу

Таким чином, даний спосіб забезпечує ефективну очистку стічної води до 99%, дозволяє очистити стічні води до необхідних нормативів якості води для рибогосподарських водойм.

Використання аніонного флокулянта з молекулярною масою менше 15*10⁶ в заявленому інтервалі рН не дозволяє отримувати флокули, що складаються не тільки з зважених, але і з колоїдних частинок, і для отримання освітленої води, максимально очищеної від зважених часток, буде потрібно використовувати додаткові операції з очищення.

При нейтралізації колоїдної суспензії показника рН нижче 6.0 з використанням заявленого флокулянта ефективність відділення зважених часток падає. При нейтралізації колоїдної суспензії до рН понад 8,5 виходить лужна вода вище норми, необхідної для скидання у водойми, крім того, збільшується витрата нейтралізуючого агента при тій же ефективності відділення зважених часток.

Після відділення осад можна використовувати як добавки до кормових продуктів. [20]

Очистка промивних стічних вод за допомогою кліноптилолітвмісної породи.

Метою даного способу є підвищення ефективності очищення стічних вод, усунення вторинного забруднення очищених вод, поліпшення екологічної ситуації.

Суть даного методу полягає в тому, що промивні стічні води молочної промисловості обробляють хімічним реагентом - кліноптилолітвмісною породою при масовому співвідношенні порода: стічна вода 1: 5-1: 7 при кімнатній температурі з періодичним перемішуванням й витримуванням протягом 20-30 хвилин і відділенням фільтрату - очищеної стічної води. При цьому використовують порошкоподібну кремністно-ціолітову або карбонатно-кремністно-ціолітову породи, що містять кліноптилоліт, який і визначає сорбційні і фільтруючі властивості матеріалу.

Зазначені породи володіють також іонообмінними, каталітичними і коагулюючими властивостями, що забезпечують видалення з промивних стічних вод всього комплексу забруднювачі (сухих речовин) - білків, жирів, молочного цукру (лактози), органічних кислот та інших домішок з ефективністю до 99,8%.

Тривалість витримування (відстоювання) суміші породи зі стічними водами - 20 - 30 хвилин. При зменшенні частки породи в суміші зменшується ефективність, при збільшенні частки стічної води погіршуються умови відділення фільтрату. Водна фаза може бути відділена від твердої фази фільтруванням або центрифугуванням.

Спосіб здійснюється наступним чином.

У скляну колбу потрібно внести розрахункову кількість кліноптилолітвмісної породи, потім усереднену промивну стічну воду при масовому співвідношенні 1: 5-1: 7, потрібно періодично перемішувати, і витримувати 20-30 хвилин. Потім потрібно відокремити водний шар і визначити його якість.

Приклад 1.

У скляну колбу місткістю 100 см³ вносили 5 г порошку карбонатно-кремністно-цеолітової породи і 25 г стічної води від промивання обладнання, трубопроводів і тари процесу отримання кисломолочного продукту, періодично перемішували, витримували 20 хвилин й відокремлювали верхній водний шар, в якому визначили: рН 3,5, азот по К’єльдалю відсутній, вміст сухих речовин 0,02% (до очищення 0,50%). Ступінь очищення 96,0%.

Приклад 2.

У колбу за прикладом 1 вносили 5 г порошку кремністо-цеолітової породи і 35 г стічної води від промивання обладнання, трубопроводів і тари процесу отримання кислого молока, періодично перемішували, витримували 30 хвилин, відокремлювали водний шар, в якому визначили: рН 3,0, азот по К’єльдалю відсутній, вміст сухих речовин 0,001% (до очищення 0,54%). Ступінь очищення 99,8%.

Приклад 3.

У колбу за прикладом 1 вносили 5 г порошку кремністно-цеолітової породи і 35 г стічної води від промивання обладнання, трубопроводів і тари процесу розливу питного молока, що заготовляється, періодично перемішували, витримували 25 хвилин, відокремлювали водний шар, в якому визначили: рН6, 5, азот по К’єльдалю відсутній, вміст сухих речовин 0,002% (до очищення 0,47%). Ступінь очищення 99,6%.

Таким чином, обробка промивних стічних вод молочної промисловості цеолітвмісними породами дозволяє підвищити ефективність очищення, усунути вторинне забруднення очищених вод, поліпшити екологічну ситуацію. [21]

Спосіб очистки стічних вод коагуляцією за допомогою додавання оксихлориду алюмінію.

Даний спосіб очистки відноситься до області очищення стічних вод коагуляцією, зокрема до технології очищення стічних вод молокопереробних заводів, що містять, крім неорганічних сполук, високі концентрації органічних забруднень. Завданням, на вирішення якого спрямовано даний спосіб, є підвищення ефективності очищення від органічних забруднень шляхом підбору дози коагулюючого реагенту (коагулянту) залежно від співвідношення жиру і білка, які містяться у стічних водах.

Сутність способу очищення стічних вод молочного виробництва, що включає обробку стічних вод реагентами з наступним поділом фаз флотацією полягає в тому, що в якості коагулюючого реагенту застосовують оксихлорид алюмінію (ОХА), дозу якого підбирають залежно від співвідношення масової концентрації жирів і білків у стічних водах, що знаходиться в межах 0,17<К_ж <13,2 за формулою:

, (2.1)

де D - доза ОХА, мг / л;

Е - ефект очищення по ХСК,%;

К_ж - співвідношення масової концентрації жирів і білків, що містяться в стічних водах.

До обробки реагентами попередньо стічні води молочних виробництв, що мають співвідношення жиру і білка менше 1, можуть бути змішані в усереднювачі зі стоками молочних виробництв, співвідношення жиру і білка яких більше 5.

Очищення стічних вод здійснюють таким чином. Вихідні стічні води надходять в усереднювач, який призначений для усереднення складу стічних вод. В усереднювачі можуть бути змішані стоки молочних виробництв, що мають співвідношення жиру і білка менше 1, зі стічними водами молочних виробництв, співвідношення жиру і білка яких більше 5. З усереднювача стічна вода подається в нейтралізатор, в якому проводиться коригування рН стоку до оптимальних значень шляхом введення реагентів (кислоти або лугу в залежності від вихідної рН). Далі в воду додається розчин коагулянту. Після змішування цих середовищ здійснюється флотація. Частина очищеної води, що рециркулюється забирається рециркуляційними насосами і подається в напірний бак-сатуратор, де відбувається розчинення повітря в воді, що рециркулюється. Повітря засмоктується з атмосфери ежектором, встановленим на напірної лінії насосів.

Піна, що утворюється при очищенні в флотаторі за допомогою піногонного скребка збирається в лоток, що розташовується в кінці флотатора, і відводиться. Видалення осаду з нейтралізатора і флотатора передбачається по осадовідвідних трубах у резервуар - накопичувач осаду. Звідти осад насосами направляється до осадоущільнювача, де осадущільнюється, а його вологість знижується з 99% до 98-97%.

В якості коагулянту використовують оксихлорид алюмінію (ОХА), а в якості нейтралізуючих реагентів - кислота і луг.

При очищенні стоків молокопереробних заводів коагуляційним методом ефективність видалення органічних забруднювачів визначається активністю взаємодії молочного білка і доданого коагулянту. Ступінь активності білка залежить від площі поверхні жирової фази, тому що в молоці жир і білок з’єднані один з одним. Чим більше вміст жиру, тим більше площа адсорбції для білкових молекул. Адсорбція супроводжується розгортанням пептидних ланцюгів білка з вивільненням додаткових активних функціональних груп. Чим більше співвідношення жиру і білка в гомогенізованому молоці, тим більше вивільнено активних функціональних груп білка для контакту з коагулянтом, і тим менше необхідна доза коагулянту.

При виборі дози коагулянту для очищення стічних вод молочних заводів з декількома видами виробництв враховується вплив складу (співвідношення жиру і білка, позначене як К_ж) стічних вод, що утворюються від різних виробництв, на величину ефективності очищення. Дозу коагулянту підбирають на підставі залежності (3.1). Рівняння (3.1) характеризує залежність дози коагулянту від ефективності очищення і складу стічних вод. Дана формула справедлива в області значень D від 30 до 180 мг*л^-1 і К_ж від 0,17 до 13,2.

Для доказу ефективності запропонованого способу наведені приклади очищення стічних вод молочних виробництв.

Приклад 1.

У стічні води молочного заводу від виробництва нежирного кефіру, що мають співвідношення жиру і білка 0,33 і ХСК 337 мг / л, при рН=6,5 дозують коагулянт (ОХА) у кількості 60 мг*л^-1 (по А1₂О₃). Далі здійснюється флотація. У очищеній воді величина ХСК знизилася до 159,4мг/ л, а ефективність очищення склала 52,7%.

У ті ж стічні води при рН = 8,0 дозують ОХА в кількості 180 мг*л^-1 (по А1₂О₃).

Після флотації величина ХСК знизилася до 143,6 мг / л, а ефективність очищення склала 57,4%.

Приклад 2.

У стічні води молочного заводу від виробництва молока середньої жирності, співвідношення жиру і білка яких 1,25, ХСК 418 мг / л, вводять 60 мг*л^-1 (по А1₂О₃) ОХА. Після флотації показник ХСК знизився до 175,6мг/ л, а ефективність очищення склала 58%.

У ті ж стічні води з тим же співвідношенням жиру і білка (1,25), але маючи ХСК 1420 мг / л, вводять 60 мг*л^-1 (по А1₂О₃) ОХА. Після флотації показник ХСК знизився до 553,8 мг / л, а ефективність очищення склала 61%.

Приклад 3.

Для очищення стоків від виробництва знежиреного молока, в яких співвідношення жиру і білка рівне 0,17, додають 120 мг*л^-1 (по А1₂О₃) при рН = 6,5. Пройшовши ступінь флотації, ефективність очищення по ХСК не перевищує 53%. Для очищення стоків від виробництва вершків високої жирності, в яких співвідношення жиру і білка складає 13,2, дозують ОХА в кількості 30 мг*л^-1 (по А1₂О₃) при рН = 7,0. Після обробки води у флотаторі ефективність очищення за ХСК досягає 88%.

Приклад 4.

При попередньому з'єднанні зазначених у прикладі 3 видів стоків в усереднювачі (перед нейтралізацією), з урахуванням того, що співвідношення обсягів перших і других стічних вод складає 3: 4, співвідношення жиру і білка суміші, що вийшла дорівнюватиме 3,78. В отриману суміш стічних вод вводять 30 мг*л^-1 (по А1₂О₃) ОХА. Потім пластівці, що утворилися флотуються. Ефект очищення по ХСК досягає 72%. Пропоноване рішення дозволяє підвищити в середньому ефективність очищення і знизити витрату коагулянту.

Таким чином, при коагуляційній обробці стоків, що мають співвідношення жиру і білка < 1, ефективність видалення органічних забруднень (по ХСК) складає 50-53%. У стічних водах із співвідношенням жиру і білка 1-5 ефективність коагуляції (по ХСК) досягає 58-70%, а при співвідношенні тих же речовин > 5 ступінь очищення по ХСК перевищує 80%. Тому можливе цільове планування скидання стічних вод від різних виробництв з різним складом забруднень (співвідношенням жиру і білка) для отримання їх конкретної суміші з метою досягнення певного ефекту очищення. Знаючи заздалегідь, стоки яких виробництв передбачається об'єднати, визначається співвідношення жиру і білка суміші, що утворилася, а потім підбирається доза ОХА. [22]

Також, до числа прогресивних технологій в галузі очищення стічних вод належить технологія мембранного біореактора (МБР), яка дозволяє об'єднати в собі методи біологічного очищення та мембранну сепарацію. Перевагами МБР є мала площа споруд; віддалений контроль роботи установки через Інтернет або стільниковий зв'язок; двохступенева система знезараження. У спорудах типу МБР використовуються процеси ультра - і мікрофільтрації, які відносяться до загальної групи баромембранних процесів. Крім ультрафільтрації і мікрофільтрації до баромембранних процесів відносяться нанофільтрація і зворотний осмос [23].

Зворотний осмос (розміри пор 1-15 Å, робочий тиск 0,5-8,0 МПа) застосовується для демінералізації води, затримує практично всі іони на 92-99%, а з двоступеневою системою і до 99,9%. Нанофільтрація (розміри пор 10-70 Å, робочий тиск 0,5-8,0 МПа) використовується для відділення барвників, пестицидів, гербіцидів, сахарози, деяких розчинених солей, органічних речовин, вірусів тощо. Ультрафільтрація (розміри пор 30-1000 Å, робочий тиск 0,2-1,0 МПа) застосовується для відділення деяких колоїдів (кремнію, наприклад), вірусів (в тому числі поліомієліту), вугільної сажі, поділу на фракції молока тощо. Мікрофільтрація (розміри пор 500-20000 Å, робочий тиск від 0,01 до 0,2 МПа) використовується для відділення деяких вірусів і бактерій, тонкодисперсних пігментів, пилу активованого вугілля, азбесту, барвників, поділу водо-масляних емульсій тощо.

Розвиток технічного прогресу відкрив нові можливості для вивчення та оцінки фізичних способів водоочищення. Починаючи з 60 років XX століття доволі активно використовують ультрафіолетове випромінювання (УФВ). УФВ з довжиною хвилі 250-260 нм володіє найбільшою антимікробною дією. Доза, що забезпечує 90% інактивацію бактерій кишкової палички, складає 3 мДж/см². Для більш глибокого знезараження, тобто зменшення кількості мікроорганізмів до 99,0 і 99,99%, потрібні дози УФВ відповідно 6,9 і 15 мДж/см². Антимікробний ефект стосовно інших видів мікроорганізмів, за даними ряду авторів, знаходиться в діапазоні доз від 2,5 до 440 мДж/см². Встановлено, що знезаражуюча дію УФВ понижується в ряді Escherichia coli >Candida albicans > Bacillius subtilis > Penicillium multicolor> Aspergillus niger >Cladosporium cladcspcricides. Дози для знезараження води від E. coli, Bac. subtilis і C. albicans відповідно рівні 5; 26 і 24 мДж/см². Тоді як для A. niger і C. cladosporioides - відповідно 180 і 270 мДж/см². Тобто діючі дози УФВ в 16 - 25 мДж/см² для питної води і 30 мДж/см² для господарсько-побутових і промислових стоків не забезпечують необхідної інактивації всіх видів патогенної мікрофлори. Саме тому зараз в економічно розвинених країнах мінімальна доза впливу УФВ визначена в 40 мДж/см², а у всіх проектованих станціях по обробці питної води і стічних вод закладається доза УФВ мДж/см² [24].

До переваг УФВ можна віднести: широкий спектр антимікробної дії; не змінює запах і смак води; ефективність знезараження не залежить від рН і температури води; не має проблеми передозування і не викликає утворення токсичних сполук; мінімальний час контакту (секунди) для знезараження води; висока продуктивність і простота експлуатації; компактні установки, працюють у проточному режимі, надійні у відношенні техніки безпеки. Негативними сторонами знезараження води УФВ є: залежність бактерицидного ефекту від мутності і кольоровості оброблюваної води, виду МО, їхньої кількості, дози опромінення; можливість осадження гумінових кислот, заліза і солей марганцю на кварцовому чохлі ламп, що зменшує інтенсивність випромінювання. Дана технологія не має ефекту післядії, що уможлив лює вторинний ріст бактерій в оброблюваній воді.

Одним з перспективних методів очищення води є кавітаційна обробка води. Знезараження та очищення води ультразвуком, як ефективним засобом генерування кавітації, вважається одним з найсучасніших способів дезінфекції. Дослідження з обробки водних систем ультразвуком показують, що він є ефективним безреагентним високоекологічним методом очищення води від органічних забруднюючих речовин, мікроорганізмами та інтенсифікації різних хіміко-технологічних процесів.

Перевагами ультразвукових коливань (УЗК) є: відсутність негативного впливу на органолептичні властивості води, незалежність бактерицидної дії від основних фізико-хімічних параметрів води, можливість автоматизації процесу. Ефективність бактерицидної дії УЗК залежить від цілого ряду обставин: параметрів ультразвуку (інтенсивності, частоти коливань, експозиції); фізичних параметрів середовища, що озвучується, (температури, в'язкості); морфологічних особливостей мікроорганізмів (розмірів і форми, віку, наявності капсули, хімічного складу мембрани). Процес знезараження води УЗК залишається в 2-4 рази дорожчим, ніж обробка ультрафіолетовим випромінюванням (УФВ), при енерговитратах 2-2,5 кВт. Стримуючим моментом широкого застосування залишаються труднощі конструювання установок великої продуктивності з надійністю в експлуатації і прийнятною собівартістю.

Зростаюча стійкість мікроорганізмів (вірусів, спорових форм, цист) до дії хімічних дезінфікаторів обумовлює необхідність використання високих доз реагентів. Мікробіологи провідних наукових центрів Америки, Азії та Європи вказують, що за останні 15-20 років стійкість патогенної мікрофлори до хлору підвищилася в 5 разів, до озону в 2-3 рази, до УФВ - в 4. У зв’язку з цим виникає інтерес до комбінованих методів очищення і знезараження води. Крім того, правильно підібрані дезінфікатори при комплексній обробці води приводять до виникнення синергічних ефектів (коли дія комплексу реагентів перевищує суму ефектів окремих реагентів), що дозволяє досягнути більш високого антимікробного ефекту при збереженні або навіть при пониженні доз реагентів.

Останні дослідження в напрямку вдосконалення процесів знезараження присвячені використанню кавітації з поєднанням інших хімічних дезінфектантів: хлор, пероксид водню, йони срібла, вапняне молоко, розчин лугу або кислот, озон тощо. Таке поєднання дозволяє одержати високу якість води, скоротити витрати реагентів. Основні переваги кавітаційної технології: високий знезаражувальний потенціал і широкий спектр біоцидної дії (бактерицидної, віруліцидної, фунгицидної, спороцидної); сумісність з іншими реагентами; можливість застосування в існуючих технологічних схемах водоочищення без їх суттєвої реконструкції; екологічна безпека для навколишнього середовища, свідчать про перспективність використання даного методу у технологіях водоочищення [25].

Таким чином, використання прогресивних технологій в області очищення природних і стічних вод дозволить інтенсифікувати процеси очищення, зменшити витрати на експлуатацію очисних споруд. Однак для комплексного та енергоефективного вирішення даної проблеми доцільна комбінація методів. Таке поєднання нівелює недоліки кожного з методів і дозволяє найбільш ефективно вирішувати поставлену задачу.

Розділ 3. Застосування кавітації для очищення води з різними видами забруднень

Інноваційні технології та розроблене обладнання для водоочищення мають повною мірою відповідати вимогам енерго- і ресурсозбереження, екологічної безпеки, бути конкурентоспроможними в сучасних умовах ринкової економіки. Це можливо, якщо в їх основі лежать прогресивні інноваційні ідеї. Одним з таких інноваційних напрямків є ефективне використання кавітаційних явищ.

3.1 Природа і властивості кавітації в рідинах

Кавітація - (від лат. саvitas - порожнеча) - утворення в рідині порожнин (кавітаційних бульбашок, або каверн), заповнених газом, парою або їх сумішшю. Кавітація виникає в результаті місцевого пониження тиску в рідині, яке може відбуватися або при збільшенні її швидкості (гідродинамічна кавітація), або при проходженні акустичної хвилі великої інтенсивності під час напівперіоду розрідження (акустична кавітація).

При акустичній кавітації відносно низька середня щільність енергії звукового поля трансформується в дуже високу щільність енергії, пов'язану з радіально пульсуючою бульбашкою. Концентрація енергії в дуже малих обсягах і пояснює високу ефективність застосування акустичної кавітації для інтенсифікації процесів хімічної технології.

Гідродинамічна кавітація менш ефективна при впливі на оброблюване середовище, однак пристрої для її штучного збурення відрізняються простотою і надійністю. Вона може здійснюватися різними способами: утворенням потоку рідини при обтіканні перепони або високою швидкістю твердих тіл щодо рідини, швидким відривом поршня від рідини, ударним навантаженням тощо.

У промисловості для кавітаційного впливу на рідину використовують: гідродинамічні, електродинамічні, п'єзоелектричні, магнітострикційні і механічні генератори кавітації. У більшості установок для очищення води використовують п'єзоелектричні та магнітострикційні методи, тому що вони передають від 70 до 90% енергії, що надходить в рідину.

В даний час ультразвук (УЗ) - один з ефективних методів утворення кавітації. УЗ можна створювати різними способами, наприклад, використовуючи УЗ-свистки, сирени, іскрові розрядники, принципи п'єзоелектричного, електростатичного та електромагнітного перетворення. Для генерації УЗ хвиль і їх виявлення застосовуються також лазерні технології.

Ультразвукові коливання (УЗК) - це механічні коливання у твердому, рідкому і газоподібному середовищах з діапазоном частот коливань вище 15 кГц. УЗК поділяються на низькочастотні (від 16 до 80 кГц) і високочастотні (вище 80 кГц). Низькочастотний УЗ породжує великі бульбашки, і в результаті відбувається потужний колапс, виробляючи високі локалізовані температуру і тиск, а також сильні ударні хвилі. У той час як, на більш високих частотах (100 кГц-1 МГц), утворюється більше кавітаційних бульбашок за одиницю часу, але дрібніших, при колапсі яких досягаються більш низькі температура і тиск.

При поширенні в газах, рідинах і твердих тілах УЗ породжує унікальні явища, багато з яких знайшли практичне застосування в різних областях науки і техніки. Кавітація є одним з найважливіших факторів, що сприяють інтенсифікації різних хіміко-технологічних процесів в хімічній, фармацевтичній і харчовій промисловостях. Застосуванням Уз можна: ініціювати вільно-радикальні реакції; прискорювати хімічні реакції; підвищувати швидкість емульгування рідких компонентів; диспергування твердих компонентів реакції або каталізаторів; розчинення - дегазації; запобігання осадження або коагуляції речовин; отримання тонкодисперсних пігментів; інтенсивного перемішування; сприяти екстракції речовин; видаляти і руйнувати певні частинки, мікроорганізми тощо.

Обробка УЗ успішно застосовується в адсорбційних, хемосорбційних, ректифікаційних процесах і в озонаторних установках очищення стічних вод. До переваг використання УЗ очищення в промисловості відносяться: підвищена швидкість очищення як у водному середовищі, так і в розчиннику; менший потрібний простір і зменшення витрат праці; можливість застосування для очищення небезпечних речовин; високий рівень безпеки; спрощується конструкція реактора, підвищується його надійність і довговічність; покращується очищення води з одночасною її дезінфекцією, дезодорацією і знебарвленням; відсутність забруднення навколишнього середовища. Все це обумовлено різноманітністю кавітаційних ефектів, в основі яких лежить ряд механізмів. [27]

3.2 Механізм і фізико-хімічна дія кавітації

Акустична кавітація являє собою ефективний засіб концентрації енергії звукової хвилі низької густини у високу густину енергії, пов'язану з пульсаціями і заплескуванням кавітаційних бульбашок. Загальна картина утворення кавітаційного пухирця представляється в наступному вигляді. У фазі розрідження акустичної хвилі в рідині утворюється розрив у вигляді порожнини, яка заповнюється насиченою парою даної рідини. У фазі стиснення під дією підвищеного тиску і сил поверхневого натягу порожнина зхлопується, а пара конденсується на межі розділу фаз. В даний час немає єдиної думки з фізичного пояснення фази руйнування кавітаційних бульбашок. Вважають, що відбувається дуже швидке "місцеве перегрівання", а стиснення газу і пари в бульбашках є адіабатичним процесом. Тому безпосередньо перед руйнуванням бульбашок температура і тиск в них можуть досягати значень порядку відповідно 4000-5000 К і 0,2-0,5 МПа. Короткий час перегрівання (<10мкс) свідчить про екстремально високі швидкості нагрівання й охолодження (порядку 1010 К/с).

Можливі два механізми утворення ударних хвиль в кавітаційному полі: в результаті виникнення високих тисків на границі кавітаційної бульбашки з рідиною