Электрогидравлические устройства для очистки и обеззараживания жидкостей и органических субстратов

Электрогидравлический эффект обладает мощным комплекс­ным воздействием на жидкость. Электромагнитные поля разрядов, образование плазмы и ее воздействие на последующие про­цессы, интенсивная ионизация и рекомбинационные процессы ионов в зоне разряда делают воздействие электрогидравлического эффекта на жидкость сходным с процессами радиационной химии и способствуют возникновению в жидкости сложных химических соединений. Хотя импульс тока, вызывающий электрогидравли­ческий эффект, практически униполярен, переход его через нулевое значение и перемена знака напряжения в конце каждого импульса еще более усложняют протекающие при этом химические про­цессы, определяя тот факт, что при электрогидравлическом воз­действии на жидкость в ней протекают мощные, носящие им-

пульеный характер и одновременно идущие процессы окисления и восстановления, которыми можно управлять, усиливая или ослаб­ляя каждый из них с помощью способов и приемов, описанных ранее.

Установлено, что если жидкость (воду или другие жидкие при нормальных условиях вещества) подвергать действию электрогид­равлического удара, создаваемого электрическими импульсами длительностью 10~⁵—10"~⁷ икс при мгновенной мощности импуль­са в 50—1000 МВт, то структура жидкости изменяется. Напри­мер, вода обогащается молекулами талой воды, возникающими обычно при таянии льда, изменяются химическая и биологи­ческая активность жидкости [86].

Электрогидравлические удары способны вызывать в воде появ­ление активных свободных радикалов, атомарньтх кислорода и водорода, образование соединений азота и даже простейших ами­нокислот. Воздух и другие газы, растворенные в воде, способст­вуют осуществлению этих процессов [9, 51, 52].

В опытах, поставленных в начале 50-х годов, было обнаружено, что микробная флора воды, в первую очередь бактериальная, под действием электрогидравлических ударов интенсиво гибнет. Исходя из того, что электрогидравлический эффект является мощным источником ультразвука (звуковое давление при работе электрогидравлической установки в диапазоне 10—40 кГц на расстоянии 1 м от источника составляет 2-Ю⁶ Па), можно считать, что ультразвук служит одной из основных причин, вызывающих интенсивную гибель микроорганизмов.

Аналогичное действие на микроорганизмы оказывают ультра­фиолетовое и рентгеновское излучение плазмы канала разряда, а энергичное окисляющее действие атомарного кислорода, обра­зующегося при электрогидравлических ударах, буквально сжигает все органическое, находящееся в воде. Исследования последних лет дали обширный материал для наблюдений над поведением бактериальных клеток и вирусов, подвергнутых электрогидравли­ческой обработке. Опытами установлено, что прямое воздействие разряда губительно действует на суспендированные в жидко­сти микроорганизмы и жидкость, полученная после соответ­ствующей электрогидравлической обработки, приобретает наве­денную бактерицидность, не снижающуюся с течением времени. Бактерицидное действие распространяется на все виды бактерий и даже вирусов. При этом, как правило, полностью разрушаются бактериальные клетки и даже отдельные их фрагменты. При со­ответствующем режиме обработки может быть разрушена любая из составляющих клеточной структуры.

В дальнейшем удалось установить, что получаемое этим путем обеззараживание жидкостей совершается весьма интенсивно, со скоростью, пропорциональной количеству и энергии импуль­сов, вызвавших электрогидравлические удары в данном объеме жидкости, а возможность направленного изменения режимов

электрогидравлической обработки позволяет пользоваться широ­ким диапазоном его действия [51 ]. Так, в малых дозах и на мягких режимах электрогидравлический эффект может выступать не как фактор разрушения, а только как способ угнетения микроорга­низмов. Отсюда возникает возможность использования этого метода для получения различных вакцин и других бациллярных и клеточных препаратов с пониженной или измененной патоген-ностью микробов, а также препаратов из убитых бактерий и вирусов [77]. Условия стерильности производства облегчаются тем, что, как уже указывалось, электрогидравлический эффект сам является мощным бактерицидным фактором.

В подавляющем большинстве случаев прямое действие раз­ряда или теплового взрыва, создающего электрогидравлический удар, не вносит в получающийся бактериальный продукт никаких вредных примесей, кроме коллоидных частиц металла электродов. Однако их можно или удалить обычными средствами, или же са­ми электроды могут быть изготовлены из такого металла, при­месь которого не портит конечный продукт. В тех случаях, когда любые примеси нежелательны, или даже категорически исклю­чены, электрогидравлическое воздействие осуществляют через мембрану, которая все же снижает эффект воздействия. Однако, когда электрогидравлической обработке подвергаются (например, в целях диспергирования или обеззараживания) какие-либо пище­вые продукты, для полного устранения вредного влияния раз-" ряда на жидкость зону разряда отделяют от обрабатываемого продукта эластичной мембраной и осуществляют разряд в отдель­ной камере, заполненной водой. В этом случае электрогидрав­лическая обработка требует значительно больших энергетических затрат.

Опыты свидетельствуют о том, что атомарный кислород, перекись водорода, соединения азота и другие компоненты интен­сивно воздействуют на разного рода загрязнения жидкостей, ней­трализуя, связывая и уничтожая их. Опытным путем также уста­новлено, что различного рода объекты, помещенные в объем жидкости, подвергаемой обработке, тоже интенсивно обеззара­живаются по всей поверхности, соприкасающейся с жидкостью, и в меньшей степени на поверхностях, не соприкасающихся с ней.

Таким образом, помимо питьевых и сточных вод, предлагае­мым способом можно обеззараживать многие пищевые продукты, в том числе консервируемые, а также одежду и предметы обору­дования.

Для очистки сточных вод чрезвычайно перспективным являет­ся разработанный метод «бактериального взрыва», дающий воз­можность получения селекционно отобранных бактерий [77]. Опытным путем было установлено, что при электрогидравлической обработке воды, содержащей какую-либо микрофлору, в ней про­исходит своеобразный «искусственный отбор», при котором, как и при естественном отборе, сначала погибают слабые и только

в последнюю очередь наиболее сильные организмы, причем эта закономерность распространяется не только на различные виды микроорганизмов, подвергающиеся одновременному электро­гидравлическому воздействию, но и на каждую группу организмов какого-либо одного вида.

Поэтому, если прекратить процесс электрогидравлической об­работки в момент, когда в жидкости остались только наиболее жизнеспособные представители интересующего нас вида микроор­ганизмов, то мы вправе ожидать, что они, получив в свое распоря­жение среду, насыщенную питательными растворами, получен-' ными в результате разрушения здоровых (а не погибших от каких-либо других причин) микроорганизмов, и соединениями, выделен­ными электрогидравлическим воздействием из воды или из возду­ха, начнут чрезвычайно быстро размножаться. И действительно, жидкость, постояв некоторое время без видимых изменений, пока бактерицидные свойства ее еще сохраняются, в дальнейшем на­столько быстро насыщается микрофлорой, что процесс этот внешне становится похожим на взрыв (что и определило его название). В частности, именно при помощи бактериального взрыва в разного

. рода почвах и торфе мы добиваемся того, что массовое содержание в них растворимых соединений азота (в основном за счет связы­вания азота воздуха бактериями) за короткий срок (5—10 дней) увеличивается в несколько раз.

Отсюда возникает возможность комбинированной биоэлектри­ческой очистки сточных вод, использующей все виды воздействия на загрязнения. Имея дело с водой, содержащей как бактериаль­ные, так и химические загрязнения, совместив электрогидрав­лическую обработку ее с такой* же обработкой предварительно внесенными в нее реактивами и катализаторами, можно одновре­менно уничтожить в ней всю бактериальную флору (а равно и лик­видировать все засорения ее органическими загрязнениями) и очистить ее от различных химических загрязнений. Осуществить это оказывается возможным в связи с тем, что если некоторые микроорганизмы, принципиально способные очищать воду от мно-

'гих интересующих нас видов химических загрязнений в обычных условиях, при энергичной конкуренции всех других микроорга­низмов оказываются неспособными дать желаемый нам быстрый и экономически выгодный эффект, то в созданных нами искус­ственных, особо благоприятных условиях их развития их действие может" оказаться значительно эффективнее остальных методов очистки. Остановив процесс электрогидравлической обработки воды в определенный момент (дозируемый величиной энергети­ческих затрат на каждую единицу ее объема), можно сохранить в ее составе интересующие нас виды микроорганизмов (а при желании и подсеять их) и, осуществив в ней затем бактериальный

•взрыв, добиться полной очистки воды от всех видов загрязнений. . Опыты показали, что в каждой единице объема жидкости на­растание количества микроорганизмов подчинено простому зако-

ну: резко возрастает в первые часы или дни после электрогидрав­лической обработки, а затем замедляется, асимптотически при­ближаясь к некоторому постоянному пределу. По виду кривая бак­териального взрыва схожа с обычными кинетическими кривыми, характерными для множества химических'реакций. Аналогичному закону следует и кривая биологической продуктивности микроор­ганизмов (например, кривая накопления в растворе продуктов их жизнедеятельности или объема переработанного ими продукта или кривая накопления соединений азота).

Очевидно, экономически выгодным является использование короткого периода, соответствующего подъему кривой. Дальней­шая выдержка, хотя и дает некоторое небольшое увеличение продукта, но происходит медленно, поэтому практического значе­ния не имеет.

Опыты также показали, что если при развитии процесса бакте­
риального взрыва до указанной выше оптимальной точки развития
кривой в этот момент осуществить вторую электрогидравлическую
обработку полученного продукта, то в нем затем возникают второй
бактериальный взрыв и второе (добавочное) накопление интере­
сующего нас продукта, общее количество которого таким обра- .
зом возрастает. По достижении оптимальной точки развития мо­
гут быть осуществлены третья электрогидравлическая обработка
и третий бактериальный взрыв и т. д. Каждый последующий
бактериальный взрыв дает примерно на 30 % меньший выход про­
дукта, чем предыдущий, однако экономическая целесообразность
многократного их осуществления очевидна. •

Рис. 6.5. Электрогидравлические устройства для очистки и обеззараживания сточных вод: а — без мембраны; б — с мем­браной; / — проточная камера; 2 — электроды; 3 — мембрана

Исходя из изложенного, технология биоэлектрической очистки сточных вод сводится к их периодической ступенчатой электро­гидравлической обработке с добавлением специальных для каждо­го типа воды катализаторов и периодическим созданием в обраба­тываемой воде, в устройствах типа отстойников целенаправленных бак­териальных взрывов с сохранением или подсевом определенных видов

и штаммов микроорганизмов. Общие энергетические затраты при, такой обработке, по опытным данным, не превышают 0,5 кВт-ч на 1 м³ воды.

Все конструктивные варианты электрогидравлических устройств для очистки- сточных вод будут содержать общие основные эле­менты. Обычно они выполняются в виде трубы со встроенны­ми во втулках, проходящих сквозь ее стенки, парами электродов. Положительные электроды при этом изолируются, а отрицатель­ные могут быть частью самой трубы. Каждая пара электродов пи­тается от самостоятельного разрядного контура, заданные группы которых, в свою очередь, питаются от общего для них источника питания ГИТ.

В устройстве, изображенном на рис. 6.5, а, обеззараживаемая жидкость непрерывно (например, насосом) перекачивается через полость устройства, выполненного в виде трубы. Корпус устройст­ва снабжен несколькими парами разрядников, электроды которых пропущены в изоляторах через стенку корпуса. Электрогидрав­лические удары обеззараживают жидкость в потоке. Скорость обеззараживания пропорциональна энергии импульсов [52].

В устройстве, изображенном на рис. 6.5, б, обеззараживаемая жидкость непрерывно подается через патрубок. Заполняющая по­лость корпуса жидкость подвергается действию электрогидравли­ческих ударов, возникающих на разряднике, электроды которого пропущены в изоляторах внутрь корпуса, и через второй патру­бок удаляется уже обеззараженной. Зона разряда отделена от жидкости эластичной мембраной, полость которой заполнена во­дой, непрерывно обновляемой обычными средствами. В случае не­обходимости введение газов, жидкостей или порошков в зону разряда осуществляется любым способом, в то'м числе и введением их через полость внутри трубчатых электродов [52].

Обеззараживание различных предметов осуществляется путем помещения их в полости подобных устройств, при выполнении устройств.по первому и второму вариантам. Непрерывное дви­жение жидкости при этом необязательно. Простота устройств облегчает возможность автоматизации управления и регулирова­ния процессов очистки, а также дает возможность создавать компактные установки любой производительности.

Электрогидравлические очистные устройства могут найти са­мое широкое применение во всех отраслях промышленности при очистке сточных вод, в коммунальном хозяйстве при очистке питьевых вод и стоков, в микробиологической и фармацевти­ческой промышленности для получения вакцин и сывороток, в пи­щевой промышленности для обеззараживания соков, молока, вина, джемов и других продуктов, а также в сельском хозяйстве для очистки животноводческих стоков и обеззараживания субстрата и питательного раствора при гидропонном выращивании расте­ний [3].