Сравнение всех методов

5.3.6 Сравнение всех методов

5.3.6.1 Эффективность по сравнению с масштабом деятельности

Различные методы дезинфекции, изученные авторами, были сравнены по срокам их эффективности. Что такое эффективность? Это отношение общей скорости дезинфекции, полученной для конкретного метода в течение определенного периода времени к скорости диссипации энергии плюс стоимость химических веществ, при определенной технологии дезинфекции в любое заданное время, то есть, КОЕ убитых / Дж. Расчеты  сообщаются, как примерные расчеты в главе 8, вопросы 26 и 34. Тепловая очистка, такая  как кипячение воды для питья, является распространенным методом, используемым во всем мире. Эффективность всех методов, изученных в данной работе, значительно больше, чем тепловая эффективность (Таблица 5.9).

Таким образом, из таблицы 5.9, можно отметить, что эффективность ультразвукового рога 55, что в три раза выше, чем эффективность термической обработки. Эффективность ультразвуковой ванны 203 и эффективность гибридного процесса гидродинамическая кавитация + проточная ячейка + перекись водорода -  6459, что значительно выше (12 и 369 раз соответственно), чем эффективность термической обработки.

  Таблица 5.9

Эффективность различных технологий как оценка бактерий ГП

Технология	Скорость диссипации энергии Дж/с	Общий уровень дезинфекции в конце 15 мин. обрабоки (КОЕ/ с)	Эффектив- ность (КОЕ убитых/Дж)
Термическая обработка	243.95	5833.33	17.5
УЗ рог	7.31	402	55
УЗ ванна	46.63	9469	203
Гидродинамическая кавитация с многочисленными отверстиями в диафрагме (5.17 бар) + Н2О2	1915	1.046.670	547
Гидродинамическая кавитиация (1.72 бар) + УЗ проточная ячейка (40кГ)	247+31.38	1.786.200	6416
Гидродинамическая кавитиация (1.72 бар) + УЗ проточная ячейка (40кГ) + Н2О2	247+31.38	1.786.000	6459

Объем обрабатываемой воды отличался для различных методов дезинфекции. Для того чтобы сравнить методы с точки зрения их масштаба операции, было необходимо рассчитать эффективность  КОЕ убитых /мл. Дж, которая была зарегистрирована в других местах (Джиоти и Пандит, 2010), и пример расчета показывается в конце главы. Эффективность ультразвукового рога была выше (0,55 КОЕ убитых / мл. Дж), чем  ультразвуковой ванны (0,1 КОЕ убитых / мл. Дж).Это ясно указывает на то, что если небольшие объемы воды нужно было бы продезинфицировать, УЗ рог был бы идеальным. Аналогичным образом, в случае гибридных методов  ультразвука и перекиси водорода, УЗ рог будет пригодным для очищения небольших объемов воды, так как эффективность рога + перекись водорода (1,41 КОЕ убитых / мл. Дж) выше, чем  ванна + пероксид водорода (0,23 КОЕ убитых / мл. Дж).

В случае гибридного процесса на основе гидродинамической кавитации, эффективность гидродинамической кавитации (10 л настройки) + озон - выше (4,8 Ч 105 КОЕ убитых / мл. Дж), чем гибридного процесса гидродинамической кавитации (75 л настройки) + перекись водорода (2,9 Ч 105 КОЕ убитых / мл. Дж). Это еще раз указывает на то, что если меньшие объемы были обработаны,  меньше, чем 10 л  используется установка гидродинамической кавитации и описывается здесь, что было бы идеальным выбором (таблица 5.10).

Таблица 5.10

Эффективность различных технологий как оценка бактерий ГП

Технология	Скорость диссипации энергии Дж/с	Общий уровень дезинфекции в конце 15 мин. обрабоки (КОЕ/ с)	Эффектив- ность (КОЕ убитых/Дж)
УЗ рог	Бактерии ГП	7.31	4.02	0.55
УЗ ванна	Бактерии ГП	46.63	4.73	0.10
УЗ рог + Н2О2	Бактерии ГП	7.31	10.33	1.41
УЗ ванна + Н2О2	Бактерии ГП	46.63	10.66	0.229
Гидродинамическая кавитация  10 л. настойки + О3	Бактерии ГП	1373	6.5664	4,8*10 -3
Гидродинамическая кавитация без многочисленных отверстий в диафрагме (5.17 бар) + Н2О2	1915	5.695	2.9*10-3

5.3.6.2  Стоимость очистки

Для сравнения и оценки стоимости, 100% критерии дезинфекции были выбраны, так как Руководящие принципы ЕЭС (1975) утверждают, что максимально допустимый предел для питьевой воды составляет 1000 кол. бактерий ГП / 100 мл при 37 ° C,  общих колиформ / 100 мл, фекальных колиформ / 100 мл и фекальных стрептококков / 100 мл должно быть равно нулю. Только начальная скорость считалась, как обнаружили авторы, что начальные 15 мин. обработки привели к максимуму дезинфекции. Таблица 5.11 дает стоимость методов дезинфекции.

Таблица 5.11

Стоимость дезинфекции

Технология дезинфекции	Микроорганизм	Стоимость
150 мг/л Н2О2	Бактерии ГП	0.00375
5 мг/л Н2О2	Общие колиформы	0.000125
2 мг/ О3	Бактерии ГП Общие колиформы	0.00004 0.00004
Высокоскоростной гомогенизатор	Бактерии ГП	0.0034
Гомогенизатор высокого давления	Бактерии ГП	0.027
УЗ рог	Бактерии ГП Общие колиформы	0.05 1.6
УЗ рог +150 мг/л Н2О2	Бактерии ГП	0.03а
УЗ рог +5 мг/л Н2О2	Общие колиформы	1.38а
УЗ рог +2 мг/ О3	Бактерии ГП Общие колиформы	0.1а 0.36а
УЗ ванна	Бактерии ГП Общие колиформы	0.001 0.03
УЗ ванна +150 мг/л Н2О2	Бактерии ГП	0.0007а
УЗ ванна+5 мг/л Н2О2	Общие колиформы	0.03а
УЗ ванна+2 мг/ О3	Бактерии ГП Общие колиформы	0.0013а 0.04а
Гидродинамическая кавитация (1.72 бар)	Бактерии ГП Общие колиформы	0.002 0.44
Гидродинамическая кавитация (5.17 бар)	Бактерии ГП Общие колиформы	0.0014 0.17
Гидродинамическая кавитация (5.17 бар) +150 мг/л Н2О2	Бактерии ГП	0.0013а
Гидродинамическая кавитация (5.17 бар) +5 мг/л Н2О2	Общие колиформы	0.18а
Гидродинамическая кавитация (1.72 бар)+ УЗ проточная ячейка (40кГ)	Бактерии ГП Общие колиформы	0.0004 0.10
Гидродинамическая кавитация (1.72 бар)+ УЗ проточная ячейка (40кГ) +150 мг/л Н2О2	Бактерии ГП	0.0004а
Гидродинамическая кавитация (1.72 бар)+ УЗ проточная ячейка (40кГ) +5 мг/л Н2О2	Общие колиформы	0.09а
Гидродинамическая кавитация 10 л. настойки(5.17 бар)	Общие колиформы	0.28
Гидродинамическая кавитация 10 л. настойки+2 мг/ О3	Общие колиформы	0.14а

Метод, используемый для вычисления этих значений, сообщается в качестве образца расчета в главе 8.

Стоимость играет важную роль в выборе подходящего способа дезинфекции, который  в свою очередь влияет на общие экономические показатели схемы очистки воды. Идеальная технология дезинфекции, это та, которая способна снизить  бактериальную популяцию до желаемого уровня, а также быть экономичной без любых вредных побочных продуктов. Хлор широко использовался, потому что он очень дешевый. Однако, использование хлора приводит также к канцерогенным побочным продуктам, таким как тригалогенметаны. Это тщательно обсуждалось в Главе 2. Предыдущие обсуждения показывают, что гибридные методы, такие как использование гидродинамической кавитации, акустической кавитации,  перекиси водорода, а также гидродинамическая кавитация и озон, являются такими методами. Однако, стоимость очистки значительно больше, чем для использования перекиси водорода или озона в одиночку (Таблица 5.11). Более высокая стоимость гибридных методов может быть связана с требованием высокой энергии. С другой стороны, методы химической дезинфекции, то есть, очистка перекисью водорода или озоном, была дешевле на один или два порядка, чем гибридные методы, описанные в этой главе. Однако, недостатки, связанные с химической обработки, такие, как образование токсичных побочных продуктов, могут быть уменьшены или полностью устранены  гибридными методами. Таким образом, похоже, что снижение потребности в энергии может снизить стоимость очистки. Есть ряд ситуаций, когда резервуар для воды и очистные сооружения находятся на значительном расстоянии, и вода либо закачивается из резервуара, либо заставляется течь под действием силы тяжести. Таким образом, вода доступна много раз на  водоочистной станции, на значительном гидростатическом давлении  или давлении, которое затем снижают, используя усовершенствованную станцию снижения давления, чтобы сделать её пригодной для химической обработки, такой как хлорирование, озонирование и так далее. Конструкция этих станций снижения давления может быть изменена таким образом, чтобы заставить их работать в гидродинамическом режиме кавитации, без подачи какой-либо дополнительной энергии. Это, вероятно, снизит стоимость очистки, а также количество и стоимость химических веществ, используемых в последующей обработке, как это видно из сокращенного  использования Н2О2 (5 мг / л по сравнению  с 150 мг / л) для того же уровня дезинфекции, как  обнаружено

в данном исследовании. Таким образом, гидродинамическая кавитация, если она используются в гибридном режиме, показывает значительные перспективы.

Исследование авторов выявило некоторые основные выводы для обеззараживания воды, которые приведены ниже:

1. Кавитация -  перспективный метод обеззараживания воды. Будучи нехимическим способом, его использование не приводит к образованию каких-либо  токсичных побочных продуктов, как в случае с химической обработкой с использованием хлора.

2. Это процесс с низким энергопотреблением и, следовательно, может рассматриваться как потенциальный дополнительный метод для масштабной схемы обработки воды.

3. Предварительная очистка гидродинамической кавитацией уменьшает потребление химических дезинфицирующих веществ существенно, почти  от 50 до 90%.

4. Гибридные методы намного превосходят для очистки воды, чем любой индивидуальный физический метод очистки, обсуждаемый  в этой главе.

5. Гибридные технологии не только снижают  бактерии гетеротропной пластины (КОЕ / мл), но и снижают общие колиформы, фекальные колиформы и фекальные стрептококки, которые считаются показателем  загрязнения питьевой воды.

5.4 Современное состояние и путь вперед

Дальнейшее исследование кавитации в течение последнего десятилетия еще более подтверждается в работе авторов. Теперь, гидродинамическая кавитация по праву считается одним из потенциальных методов обеззараживания воды, особенно в сельской местности (Meзуле и др., 2009). Однако, по сравнению с обычными методами, это кажется, дорого и подходит только в малых масштабах обработки воды. Это главное препятствие на пути применения промышленного масштаба. Считается, что с исследованием, направленным на интенсификацию кавитации и эффективный дизайн реактора, это препятствие легко преодолевается в будущем (Гогейт, 2007). Сообщается, что кавитационные реакторы  очень эффективны для обеззараживания воды, и  были разработаны новые реакторы, которые предлагают эффективный дизайн и масштабные  возможности (Кумар и Moхолкар, 2007). Исследование различных конструкций камер реакторов, основанных на гидродинамической кавитации, а также эксплуатационные параметры для инактивации кишечной палочки в обеззараживании воды, показали, что этот метод имеет много обещаний (Aрроджо и др., 2008). Математические исследования моделирования для прогнозирования кавитационной интенсивность в гидродинамических кавитационных реакторах  в присутствии диафрагмы разных геометрий были предприняты для дальнейшей оптимизации процесса (Шарма и др., 2008). Также успешно пытались проектировать кавитационные реакторы с новым  кластерным подходом для полости пузырьков(Kaнтале и др., 2008). Бактерицидный эффект акустической кавитации был широко исследован, а также  подробно обсужден  в предыдущих разделах. В настоящее время, больше работы направляется к бактерицидным эффектам гидродинамической кавитации, особенно на индикаторных организмах, таких как  кишечная палочка, которой  не  хватало прежде. Было показано, что физико-химические эффекты кавитации несут ответственность за уничтожение клеток и интенсивность кавитации, и микробная загрузка и содержание растворенного газа влияют на параметры  дезинфекции. Исследования обеззараживания воды гидродинамической кавитацией расширили постепенно от её влияния на индикаторные микроорганизмы до зоопланктона. Недавно сообщили, что кавитация является практическим инструментом для дезинфекции  морской воды (Савант и др., 2008). Продолжалось сообщать, чтобы активизировать некоторые физические и химические операции и найти широкое применение в биотехнологии и биохимической инженерии, такой как микробное разрушение клеток для выпуска ценных продуктов, обеззараживание воды, очистка сточных вод, эмульгирование и применение молекулярной биологии, такой как перенос генов. Междисциплинарному подходу было рекомендовано эффективно использовать кавитационные реакторы (Гогейт и Kaбади, 2009). Последним подходом для обеззараживания воды стал гибридные методы, связанные с гидродинамической кавитацией и дезинфицирующими средствами. Сообщалось о  новой технологии обеззараживания воды озоном  жидкой свистящей реакцией на основе гидродинамической кавитации. Было установлено, что сочетание экономически эффективно по сравнению с отдельными методами гидродинамической кавитации и озона для дезинфекции индикаторных  организмов, кишечной палочки (Чанд и др., 2007). Более новые реакторы, основанные на использовании микропроводной сетки и нижнего потока форсунки  протестированы с обычными геометрическими диафрагмами и против них. Гибридный метод, сочетающий такой кавитационный реактор с диоксидом хлора, привел к росту ставок инактивации кишечной палочки. Кроме того, концентрация требующихся химических веществ, как правило, находится, чтобы компенсировать более высокие потребности в энергии кавитационной установки (Маслак и Воустер-Боц, 2011).

Патентование еще одно интересное развитие в области обеззараживания воды и кавитации, которое становится угрожающего масштаба. Некоторые системы  очистки воды, основанные на технологии гидродинамической кавитации, были запатентованы, и которые могут быть использованы для очистки грунтовых вод, сточных вод и промышленного процесса воды, как отдельно-стоящий процесс, так и в качестве части очистной цепочки.  DYNAJETS® кавитационная реактивная система, разработанная DynaFlow, является одной из таких примеров, который основан на недорогом гидромеханическом источнике кавитации. Было сообщено, что достигалось как микробное снижение, так  и органический контроль загрязнения с более высокой эффективностью, чем у ультразвуковых устройств. Гидродинамическая кавитация использовалась компанией в Лас-Вегасе, VRTX Технологиями,  чтобы эффективно сохранять  воду в градирнях. Было сообщено, что уменьшилось образование накипи, коррозии и бактерий  энергосберегающим способом (www. ). Это также привело к меньшему потреблению воды и её расходу. Несколько запатентованных технологий  для обеззараживания воды  гидродинамической кавитацией недавно появились, например, радиальный противоточный реактор  Vorsana, который предназначен для крупномасштабной обработки воды (http://www. /home. html). Запатентованная конструкция обеззараживания воды, Waterbotruff 7,5 А, еще один пример предстоящей релевантности кавитации против химической дезинфекции (Http://www. /enertech. html). Блок  уничтожает патогенные микроорганизмы и органические загрязнители в воде. HyCa технологии являются еще одним примером формирующейся индийской компании  чистых технологий, которая использует свою собственную запатентованную технологию HyCator ™ для нескольких физических, химических и биологических приложений. Её выдающиеся достижения в области очистки сточных вод, градирни, смешивания, балласта и  технологии  очистки питьевой воды были показаны в средствах массовой информации и получили признание  HyCa Технологии в качестве развивающейся компании.        

Таким образом, будущее выглядит многообещающе для кавитационной технологии. Акустическая кавитация будет продолжать наслаждаться своим местом в качестве эффективного метода, особенно для малых приложений. Гидродинамическая кавитация, с дальнейшей оптимизацией, скорее всего будет рассматриваться, как зеленая технология в водной промышленности и водоотведении в больших масштабах. Однако, есть некоторые пробелы, которые необходимо устранить. Побочные продукты дезинфекции, образованные кавитационными гибридными методами, должны быть установлены. Наличие активных, но не культивируемых  бактерий также должно быть рассмотрено, так как оно может привести к повторному  росту этих микроорганизмов в системе распределения. Считается, что стремление к чистой питьевой воде будет продолжаться,  так как человечество будет сталкиваться с острой нехваткой воды в будущем. Все больше и больше внимания научного сообщества во всем мире будет направлено на решение этого вопроса. Как мы все знаем, необходимость – мать изобретения, и можно оптимистично заверить, что, безусловно, будет решение на каждую проблему.

Вопросов

1. Что такое кавитация? Опишите кратко различные типы кавитации.

2. Привлечь факторы, влияющие на акустическую кавитацию. Опишите любой  в деталях.

3. Что такое эффект средней вязкости и поверхностного натяжения на кавитации?

4. Что такое датчик? Опишите  различные типы датчиков.

5. Опишите различное оборудование  обработки ультразвуком  и  принцип его работы.

6. Объясните термин кавитация создания.

7. Приведите уравнение, определяющее число кавитации и объясните его значение в гидродинамической кавитации.

8. Как ультразвук инактивирует микроорганизмы?

9. Какие факторы могут повлиять на бактерицидные эффекты ультразвука?

10. Как  оценивается обеззараживание воды? Опишите подробно перечисление гетеротрофных бактерий  в соответствии с рекомендациями Американской ассоциации общественного здравоохранения (AАОЗ).

11. Что такое эффект вращения ротора на скорости обеззараживания в высокоскоростном гомогенизаторе?

12. Что такое эффект увеличения давления на скорость обеззараживания в высокоскоростном гомогенизаторе?

13. Какой будет эффект увеличения времени обработки на  скорость дезинфекции ультразвуком?

14. С помощью аккуратной диаграммы, объясните,  как работает типичная гидродинамическая установка кавитации.

15. Почему скорость дезинфекции выше в начальные 15 минут очищения в установке гидродинамической кавитации?

16. Почему высокоскоростной гомогенизатор лучше, чем гомогенизатор  высокой скорости  с точки зрения эффективности?

17. С точки зрения эффективности,  имеет ли тип обработки ультразвуком какую-либо роль в дезинфекции?

18. Что такое эффект увеличения разряда давления  на скорость дезинфекции в установке гидродинамической кавитации?

19. Кратко опишите влияние разложения озона и перекиси  водорода на  дезинфекцию.

20. Как изменение в концентрации химического дезинфицирующего средства, например, озона  влияет на общий уровень дезинфекции?

21. Объясните модель Чик-Ватсона. Как она может быть использована для сравнения производительности химических дезинфицирующих средств? Также  дайте  значение константы скорости и степени.

22. Насколько полезны гибридные методы обеззараживания воды?

23. Какова роль кавитации в синергетическом процессе? Проработайте преимущества.

24. Что такое диафрагма? Как она улучшает  интенсивность кавитации в установке гидродинамической  кавитации?

25. Дайте механизм микробного разрушения гибридным  процессом, с участием кавитации и химического дезинфицирующего средства.

26. Что такое  индикаторные  микроорганизмы? Объясните их роль в  эффективности очистки питьевой воды.

27. Сравните термическую дезинфекцию с кавитацией.

28. Прокомментируйте  эффективность обработки ультразвуком в сравнении с масштабом работы.

Ссылки стр.161- 164