г. Москва, Россия
Существует актуальная потребность в надежном, экономичном и экологически безопасном методе обеззараживания и активации воды для устранения микроорганизмов и обогащения питательными веществами, который может эффективно работать в небольших масштабах в рамках полива растений. Цель исследований заключалась в изучении влияния обработки искровыми разрядами на обеззараживание атмосферных сточных вод. Экспериментальные исследования выполнены в 2022 г. в лаборатории электрофизического воздействия на сельскохозяйственные объекты и материалы ФНАЦ ВИМ (г. Москва). Используемое оборудование для измерения концентрации бактерий – люминометр EnSURETouch.Объект исследований – атмосферные сточные воды Жулебинского коллектора и Курьяновского канала г. Москвы, образованные в результате выпадения осадком в весеннее время года. Экспериментальная установка содержит повышающий трансформатор ТВИ-50 со встроенным мостовым выпрямителем; батарею двух параллельно соединенных конденсаторов K75-25 по 0,025 мкФ; формирующий и рабочий зазоры, на которых образуется канал искровых разрядов, следующих с частотой 1 Гц при разрядном напряжении 20 кВ; рабочий орган с электродами. Выявлено снижение концентрации бактерий при увеличении продолжительности обработки искровыми разрядами на экспериментальной установке до 5 мин. в атмосферной сточной воде Жулебинского коллектора с 1010КОЕ/млдо 105 КОЕ/мл, Курьяновского канала – с 109КОЕ/млдо 104 КОЕ/мл.Для достижения нормы 106 КОЕ/мл воду Жулебинского коллектора необходимо обрабатывать в течение 2 мин, Курьяновского канала – 1,5 мин. Для обеззараживания на 1 log в среднем по всем выбранным образцам воды требуется 0,3 мин.
активные формы, вода для полива, искровые разряды, концентрация бактерий, растения, ультрафиолетовая обработка, экспериментальная установка
Введение.Для обеззараживания воды применяют такие методы и технологии, как обработка ультрафиолетом, озонирование, хлорирование, солнечный фотокатализ и др.Известные традиционные методы обеззараживанияводы имеют определенные недостатки.Несмотря на то, что фильтры эффективно удаляют микроорганизмы, они не способны их инактивировать. Поэтому требуется регулярная замена фильтров. Химические дезинфицирующие средства имеют проблему токсичности.Например, признаются долгосрочные побочные эффекты употребления хлорированной воды. Хлор соединяется с природными веществами в воде с образованием тригалометанов, которые запускают в организмепроизводство свободных радикалов, вызывая повреждение тканей, приводящее к раку и нарушениям репродуктивной функции. Некоторые паразиты устойчивы к большинству таких методов стерилизации, как хлорирование, и онидовольно легко могут перемещаться по системе распределения к местам возможного попадания в организм человека. Ультрафиолетовое излучение – эффективный инструмент для стерилизации воды, но общие затраты, включая затраты на электроэнергию, установку и техническое обслуживание, относительно велики [1]. Озон способен инактивировать микроорганизмы в воде на уровне хлора, но при высоких температурах и рН озону требуется больше времени воздействия из-за его быстрого распада. Более того, такие методы трудно использовать в развивающихся странах с разрозненными поселениями и небольшой численностью проживающих людей [2].
Преимущество обработки воды искровыми разрядами, в отличие от перечисленных и наиболее широко распространенных, заключается в двунаправленном воздействии благодаря высокой реакционной способности искровых разрядов [3]. Кроме обеззараживания, предлагаемый метод позволяет обогащать воду такими питательными веществами, как нитраты, кислород и гидроксиды [4]. Реакционную способность искровых разрядов в основном подтверждает образование активных радикалов, формирование которых происходит по четырехступенчатому механизму [5]. Первый этап включает диссоциацию молекул кислорода, азота и воды (O2, N2 из воздуха, H2O из окружающей влаги и испарения воды) из-за высокоэнергетических ультрафиолетовых фотонов и присутствия третьих тел с высокой энергией (например, электронов) внутри плазменной фазы искровых разрядов. Далее высокоэнергетические продукты диссоциации реагируют между собой, а также с другими атомами и молекулами с образованием промежуточных соединений. После чего эти соединения проталкиваются внутрь воды посредством диффузии и принудительной конвекции (нисходящий поток газа). Наконец, они взаимодействуют с водной фазой, давая различные реакции диссоциации и ассоциации, формируя устойчивые активные формы кислорода и азота.
Следовательно, существует актуальная потребность в надежном, экономичном и экологически безопасном методе обеззараживания и активации воды для устранения микроорганизмов и обогащения питательными веществами, эффективнаяреализация котороговозможна в небольших масштабахдля полива растений.
Цель исследования– изучение влияния обработки искровыми разрядамина обеззараживание атмосферныхсточных водметодом обработки воды искровыми разрядами.
Условия, материалы и методы.Проведение экспериментальных исследований осуществляли в 2022 г. в лаборатории электрофизического воздействия на сельскохозяйственные объекты и материалыФНАЦ ВИМ (г. Москва). Концентрацию бактерий измеряли люминометромEnSURETouch.Достоверность и обоснованность выбранного метода измерений бактерий люминометром была установлена предыдущими исследованиями [6, 7]. Объект исследований– атмосферные сточные воды Жулебинского коллектора и Курьяновского канала г. Москвы, образованные в результате выпадения осадков в весеннее время года.
Источником высокого напряжения для экспериментальной установкислужит повышающий трансформатор ТВИ-50 со встроенным мостовым выпрямителем. Он повышает однофазное переменное напряжение сети 240 В до 20 кВ. Мостовой выпрямитель позволяет выпрямить его до постоянного. Накопителем энергии служит батарея 2-х параллельно соединенных конденсаторов K75-25 по 0,025 мкФ. При повышениинапряжения на батарее конденсаторов до 20 кВ происходит самопроизвольный пробой воздушных формирующих зазоров. Вся энергия, запасенная в конденсаторах, мгновенно поступает на рабочий зазорв воде и выделяется в виде короткого электрического импульса большой мощности в рабочем органе. При более высоком напряжении снижается эксплуатационная надежность установки, при меньшем напряжении увеличивается продолжительность обработки[8]. Обработка воды плазмой искровых разрядов частотой 1 Гц осуществляется в рабочем органе, поэтому материалом для обеспечения прочности и надежности этого наиболее важного компонента установки выбран титан[9]. Максимальная разовая загрузка рабочего органа 2,5 л воды. Его заполняют водой выше уровня электродов, но так, чтобы вверху оставалась воздушная полость для демпфирования ударной волны от канала разряда (чтобы не повредить изоляторы электродов).
Было отобрано по 5 проб атмосферной сточной воды Жулебинского коллектора и Курьяновского канала по 3 повторности. После измерения концентрации бактерий в каждой из 30 проб воды было рассчитаны усредненные значения. Для Жулебинского коллектора исходная концентрация бактерий составляла 1010КОЕ/мл, для Курьяновского канала – 109КОЕ/мл. Обеззараживание атмосферных сточных вод искровыми разрядами проводили в течение 1…5 мин.
Результаты и обсуждение.Полив атмосферной сточной водой растений, в том числе овощей, невозможен без предварительногообеззараживания.Измерения люминометромEnSURETouch показали снижение концентрации бактерий при увеличении продолжительности обработки до 5 мин в атмосферной сточной воде Жулебинского коллектора до 105КОЕ/мл,Курьяновского канала – до 104КОЕ/мл (см. рисунок). Концентрация бактерий в поливной воде должна быть не более 106КОЕ/мл [10]. Для достижения такой нормы воду Жулебинского коллектора необходимо обрабатывать в течение 2 мин., Курьяновского канала – 1,5 мин. Следует отметить, что для обеззараживания на 1 log требуется в среднем по всем выбранным образцам воды 0,3 мин.
Рисунок – Зависимости концентрации бактерий в атмосферных сточных водах от продолжительности обработкиискровыми разрядами.
Повышение температуры воды может способствовать размножению бактерий в ней. Температуру воды измеряли термодатчиком люминометра. У контрольных образцов она составляла 14…16 ⁰С, у экспериментальных образцов по мере увеличения продолжительности обработки до 5 мин температура возрастала до 18…20 ⁰С соответственно. Повышение температуры обрабатываемой воды на 1…4 ⁰С не создает благоприятных условий для развития бактерий после обработки.
Факторы, которые играют основную роль в процессе инактивации микроорганизмов в воде при образовании искрового разряда, – генерация сильного ультрафиолетового излучения, электрического поля высокой напряженности, свободных радикалов, ударных волн и металлических наночастиц, образующихся в результате износа материала рабочих электродов. Энергия запасается в канале разрядника в виде ионизации, возбуждения и кинетической энергии случайного движения частиц. Накопленная энергия удаляется из канала электромагнитным излучением, ударными волнами и теплопроводностью к близлежащим молекулам воды, поскольку искровой канал излучает свет, расширяется в размерах,а температура внутри канала снижается[11, 12, 13]. В зависимости от типа разряда и общей подводимой энергии около 30% может излучаться в виде ультрафиолетового излучения.
Выводы.В результатепроведенных исследований выявлено, чтопри увеличении продолжительности обработки искровыми разрядами на экспериментальной установке до 5 мин, происходитснижение концентрации бактерий в атмосферной сточной воде Жулебинского коллектора до 105 КОЕ/мл,Курьяновского канала – до 104 КОЕ/мл. Для достижения нормы 106 КОЕ/мл эту воду необходимо обрабатывать соответственно 2 мин и 1,5 мин. Для обеззараживаниявыбранных образцов воды на 1 logнеобходимо в среднем по 0,3 мин.Основную роль в процессе обеззараживания воды играют такие факторы, как генерация сильного ультрафиолетового излучения, электрического поля высокой напряженности, свободных радикалов, ударных волн и металлических наночастиц, образующихся в результате износа рабочих электродов.
1. Effects of pulsed and continuous wave discharges of underwater plasma on Escherichia coli / S. J. Lee, S. H. Ma, Y. C. Hong, et al. // Separation and Purification Technology. 2018. No. 193. P. 351-357. doi:https://doi.org/10.1016/j.seppur.2017.10.040.
2. Zheng J. Inactivation of Staphylococcus aureus in water by pulsed spark discharge // Scientific Reports. 2017. Vol. 7.No. 1. 10311. URL: https://www.nature.com/articles/s41598-017-10784-2 (дата обращения: 10.05.2022). doi:https://doi.org/10.1038/s41598-017-10784-2
3. Влияние электрогидравлической обработки на содержание нитратного азота в поливной воде/ А. А.Белов, А. Н.Васильев, Ю. А.Степанычеви др. // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2020. Т. 15. № 3 (59). С. 54-57.
4. Investigation of physicochemical properties of plasma activated water and its bactericidal efficacy / V. Rathore, D. Patel, S. Butani, et al. // Plasma Chemistry and Plasma Processing. 2021. No. 41. P. 871-902. doi:https://doi.org/10.1007/s11090-021-10161-y
5. Plasma activated water (PAW): chemistry, physico-chemical properties, applications in food and agriculture /R. Thirumdas, A. Kothakota, U. Annapure, et al. //Trends in Food Science and Technology. 2018. 77. P. 21-31. doi:https://doi.org/10.1016/j.tifs.2018.05.007
6. BelovA., VasilyevA., Musenko A. Application of high-voltage discharges for disinfection and activation of irrigation water // Irrigation and Drainage. 2021. Vol. 70.No. 2. P. 185-194. doi:https://doi.org/10.1002/ird.2535
7. Effect of high-voltage spark discharges on reduction of the concentration of total bacterial count in wastewater / A. Belov, A. Vasilyev, A. Dorokhov, et al. // Journal of Water Process Engineering. 2022. Vol. 45. 102465.URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2214714421005523?via%3Dihub (дата обращения: 12.05.2022).doi:https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2021.102465
8. Аналитическоеобоснованиесистемыавтоматическогоконтроляглубиныобработки почвы / А.С. Дорохов, А.В. Сибирёв, А.Г. Аксенов и др. // Агроинженерия. 2021. № 3 (103). С. 19-23.
9. Белов А.А.Обоснование параметров и режима работы лабораторной электрогидравлической установки для обеззараживания воды// Вестник Воронежского государственного аграрного университета. 2020. Т. 13. № 4 (67). С. 167-173.
10. Microbial Hazards in Irrigation Water: Standards, Norms, and Testing to Manage Use of Water in Fresh Produce Primary Production / M. Uyttendaele, L.A. Jaykus, P. Amoah, et al. // Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety. 2015. Vol. 14.No. 4.P. 336-356. doi:https://doi.org/10.1111/1541-4337.12133.
11. Effect of pulse rise time on plasma plume propagation velocity / W. Gong, Q. Huang, Z. Wang, et al. // IEEE Transactions on Plasma Science. 2014. Vol. 42.P. 2868-2869.doi:https://doi.org/10.1109/TPS.2014.2323254.
12. Валиев, А.Р. Роль и место орошаемого земледелия в производстве сельскохозяйственной продукции и его экономическая эффективность (опыт Республики Татарстан) / А.Р. Валиев А.В.Комиссаров, Р.Уллах // Вестник Казанского государственного аграрного университета. - 2021. - Т. 16. - № 3(63). - С. 160-166.
13. Comparative evaluation of productivity of ryegrass and ryegrass-goatling grass stands affected by different mineral and organomineral nutrition / L.T. Vafina, F.N. Safiollin // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science: The proceedings of the conference AgroCON-2019, Kurgan, 18-19 апреля 2019 года. - Kurgan: IOP Publishing Ltd, 2019. - P. 012109.
