РАДИАЦИОННАЯ ХИМИЯ
541.15
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ПОДГОТОВКА ПИТЬЕВОМ ВОДЫ В ПРОМЫШЛЕННОЙ СИСТЕМЕ
© 2007 г. Н. А. Строкин
Иркутский государственный технический университет 664074, Иркутск, ул. Лермонтова, 83 E-mail: strokin@istu.edu Поступила в редакцию 06.04.2006 г.
Сообщаются первые результаты электронно-лучевой водоподготовки питьевой воды, проведенной с помощью ускорителя электронов ЭЛВ-8 (энергия 1.6 МэВ, мощность в пучке 50-60 кВт), вписанного в промышленную систему забора и транспортирования воды реки Ангара. Производительность комплекса по обеззараженной и очищенной воде составила не менее 50 м3/ч при энергетических затратах 5 кВтч/м3.
ХИМИЯ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ, 2007, том 41, № 1, с. 3-6
УДК
Задача обеспечения населения питьевой водой, безопасной в санитарно-гигиеническом и токсикологическом отношениях, становится все актуальнее. Барьерная роль водопроводных очистных сооружений невелика. Растворенные химические вещества проходят их практически без изменения. Хлорирование воды приводит к образованию токсичных хлорорганических продуктов (тригалогенметаны, галогенкарбоновые кислоты, галогенацетонитрилы и др.). Многие из этих соединений проявляют мутагенную и канцерогенную активность. Например, хлороформ и четыреххлористый углерод вызывают опухоли печени, почек и щитовидной железы. Выделены [1] новые побочные продукты - 3-хлоро-4(ди-хлорметил)-5-гидрокси-2(5Н)-фуранон и его геометрический изомер (Е)-2-хлоро-3-(дихлорме-тил)-4-оксибутеновая кислота, образующиеся при хлорировании питьевой воды, которые при концентрации 30-60 нг/л отвечают за 60% всей наблюдаемой мутагенной активности.
Ужесточение требований к предельно допустимым концентрациям хлорорганических соединений в питьевой воде приведет к необходимости исключения при водоподготовке хлорирования воды.
Один из альтернативных методов очистки, позволяющих существенно улучшить качество питьевой воды, - озонирование. Озон используют как дезинфектант и как окислитель, обеспечивающий некоторую очистку от химических загрязнений. Токсикологические характеристики питьевой воды при озонировании определяются устойчивыми к окислению соединениями, присутствующими в исходной воде.
Наиболее надежным из известных методов одновременного обеззараживания речной воды и очистки ее от химических загрязнений является электронно-лучевой метод водоподготовки с ис-
пользованием озона из зоны радиолиза воздуха электронным пучком. Из лабораторных опытов известно, что обесцвечивание, дезодорация и обеззараживание питьевой воды до уровня, соответствующего ГОСТ 2874-82 "Вода питьевая", происходит при дозах В ~ 1 кГр [2]. Показано [3], что доза, необходимая для уничтожения бактерий палочки брюшного тифа, составляет 0.1-0.15 кГр, кишечной палочки - 0.4-0.5 кГр, вирусов полиомиелита - 2-2.5 кГр. Высокую эффективность использования ускоренных электронов для очистки речной воды продемонстрировали авторы работы [4], применившие ускоритель электронов для обработки проб высокоцветной воды реки Сеге-жа дозой 2 кГр с аэрированием воздухом или озо-но-воздушной смесью.
При начальном индексе ЛКП 70000 в воде Верх-Исетского пруда (источник питьевого водоснабжения г. Екатеринбурга) получена стерильная вода при В < 2.5 кГр [5]. Авторы подчеркивают преимущество обеззараживания электронным пучком по сравнению с хлорированием и озонированием, состоящее в возможности воздействия на микроорганизмы, находящиеся внутри взвешенных частиц. Количество выживших микроорганизмов определялось поглощенной дозой и не зависело от их начальной концентрации. Затраты на очистку 1 м3 воды составили 0.62 кВтч электроэнергии.
Крупномасштабное (1000 м3/ч) использование радиационной очистки природной воды, предназначенной для питьевых целей, запланировано в Австрии. Детали ее будущей эксплуатации отрабатываются на прототипе с расходом Q = 3 м3/ч.
Таблица 1. Результаты обеззараживания речной воды в условиях неочищенной системы подачи-отвода
Показатель Единицы измерения Величина показателя П, %
вход выход
Водородный показатель ед. рН 7.58 7.86
Нефтепродукты суммарно мг/дм3 1.77 0.019 98.9
ОМЧ КОЕ в 1 мл 70 5 93
Бактерии семейства Е^егоЬа^епасеае КОЕ в 100 мл Зарос фильтров 16.5
Индекс ЛКП ед./1 дм3 47704 14 404 58
Нитриты мг/дм3 0.028 0.115 -311
Нитраты » 0.54 0.67 -24
Озон остаточный » 0.13
Газовые выбросы в атмосферу
Озон мг/дм3 0.36
Окислы азота » 1.5
РЕЗУЛЬТАТЫ ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННОГО ПРОБЕГА
Работу проводили на комплексе "Ускоритель" ОАО "Ангарская нефтехимическая компания". Кроме ускорителя электронов и насосной станции, в его состав входят два открытых на атмосферу бетонных резервуара (100 м3 и 50 м3) и три металлических резервуара суммарной емкостью около 35 м3, также сообщающиеся с атмосферой. В таких условиях - первый вариант промышленной системы - ставилась задача показать возможность обеззараживания и очистки речной воды до уровня питьевой по бактериологическим показателям и оценить максимально возможную производительность установки.
Ускоритель электронов ЭЛВ-8 ГНЦ РФ ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН (энергия электронов Е была искусственно ограничена сверху по порогу фотоядерных реакций величиной 1.6 МэВ; мощность в пучке 56 кВт) с реакционной камерой вписан в реальную промышленную систему забора, перекачки и накопления воды реки Ангара. На комплексе предусмотрена возможность циркуляции воды под пучком электронов. Объем воды V, вовлекаемый в циркуляцию, ~ 125 м3.
С целью улучшения степени очистки и исключения повторного заражения при транспортировании воды до потребителя радиолитический озон забирался вентилятором высокого давления из воздушного пространства между системой выпуска пучка электронов и реакционной камерой и вводился в две области водяного потока: в зоне облучения и в выходной (после обеззараживания) трубопровод. Подобное использование воздуха
из зоны радиолиза позволяет уменьшить также газовые выбросы. Увеличение содержания озона, нитритов и нитратов (результат радиолиза воздуха) в очищенной воде происходит в пределах ПДК. Для питьевой воды (в момент потребления) ПДК по озону равен 0.3 мг/дм3, что больше регистрируемого на выходе из реакционной камеры в ~2 раза. Для нитритов ПДК = 45 мг/дм3 много больше наблюдаемого в очищенной воде.
При расходах воды Q > 50 м3/ч время нахождения воды под пучком электронов t < 0.4 с, поэтому обеспечить однородную обработку жидкости, перемешивая ее, за это время невозможно. Было найдено техническое решение для реакционной камеры [6], обеспечивающее однородную обработку любого элемента потока воды дозой В > > 2.5-3 кГр.
В табл. 1 для случая расхода речной воды Q = = 52 м3/ч, расхода технологического воздуха для аэрации QBOзД = 2120 м3/ч, дозы В = 4 кГр приведены результаты обработки пучком электронов потока воды без предварительного обеззараживания тракта подачи-отвода. Нормы для питьевой воды по контролировавшимся параметрам составляют: рН 6-9, содержание нефтепродукта -0.1 мг/дм3, общее микробное число (ОМЧ) < 50, индекс ЛКП (число лактозоположительных кишечных палочек в 1 дм3 воды) - 3, бактерии семейства ЕйегоЬайейасеае - отсутствие колоний образующих единиц (КОЕ) в 300 мл воды. В табл. 1 П = [(%) - А^)/^] х 100, % - степень удаления химических веществ, микроорганизмов, загрязняющих воду; А0 - концентрация загрязнений на входе в реакционную камеру, N - на выходе; анализы
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ПОДГОТОВКА ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ
5
Таблица 2. Результаты обеззараживания речной воды в режиме циркуляции
Единицы измерения Величина показателя П, %
Показатель вход, О = 4 кГр выход, О = 8 кГр
Водородный показатель ед. рН 7.58 7.96
Нефтепродукты суммарно мг/дм3 0.142 0.071 50
ОМЧ КОЕ в 1 мл 90 0
Бактерии семейства ЕШег-оЪайепасеае КОЕ в 100 мл 1 1
Индекс ЛКП ед./1 дм3 0 0
Нитриты мг/дм3 0.11 0.13 -18
Нитраты » 1.1 1.2 -9
Озон остаточный » 0.16
Газовые выбросы в атмосферу
Озон мг/дм3 0.2
Окислы азота » 2
Таблица 3. Результаты обеззараживания речной воды в рабочем режиме
Показатель Единицы измерения Величина показателя, выход
Водородный показатель ед. рН 7.81
Нефтепродукты суммарно мг/дм3 0.0457
ОМЧ КОЕ в 1 мл 0.5
Бактерии семейства ЕйегоЪаСеп-асеае КОЕ в 100 мл Не обнаружены в 300 мл
Индекс ЛКП ед./1 дм3 0
проводились в заводской лаборатории по стандартным методикам; концентрация газовых выбросов измерялась в воздуховоде вентиляции, удаляющей воздух из ускорительного зала.
Для ликвидации обнаруженного бактериального заражения тракта подачи-отвода в течение одних суток облученной водой с введенным в нее радиолитическим озоном был промыт весь тракт
транспортирования воды (водоводы, резервуары, насосы).
Непосредственно после этого обработка воды электронами проводилась в режиме циркуляции при последовательном двукратном прохождении потока под пучком электронов (0 = 50 м3/ч, 0возд = = 2800 м3/ч). Результаты приведены в табл. 2. Первая проба (О = 4 кГр) - вода перед вторым прохождением реакционной камеры, прошедшая повторно тракт подачи (водоводы, открытые резервуары). При прохождении однократно облученной воды через открытые на атмосферу резервуары при возвращении под ускоритель, произошло повторное заражение воды сапрофитными бактериями - ОМЧ = 90 КОЕ в 1 мл (см. табл. 2). Относительно заражения болезнетворными бактериями система оказалась устойчивой.
В дальнейшем проводилась обработка воды реки Ангара в рабочем режиме (однократная) дозой О = 4 кГр при расходе воды 0 = 50 м3/ч, технологического воздуха - 0возд = 2800 м3/ч без прохождения облученной воды через открытые на атмосферу резервуары. Типичные результаты на выходе реакционной камеры приведены в табл. 3.
Уменьшение дозы до 2 кГр или увеличение расхода воды до 75 м3/ч ухудшает показатели по удалению бактерий семейства Е^егоЬаСепасеае до 16-22 КОЕ в 100 мл, оставляя хорошей эффективность удаления сапрофитных бактерий. Аналогичный, но более слабый эффект наблюдается, если не используется радиолитический озон.
В целом, дозы, потребовавшиеся для надежного обеззараживания речной воды в промышленных условиях при полном поглощении энергии электронного пучка ускор
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.