Экспериментальные исследования по применению ультразвуковых волн для обеззараживания воды

 

Существующие способы обеззараживания воды имеют ряд отрицательных сторон и не всегда при­менимы. Здесь имеется в виду изменение органо­лептических свойств воды, сложность оборудова­ния, необходимость определенного контактного периода, подбор дозы дезинфицирующего реаген­та, зависимость его эффективности от физико-хи­мических свойств воды и т.д. Кроме того, хими­ческая дезинфекция воды сопряжена с введением в человеческий организм биологически активных веществ.

По сравнению с широко распространенным хло­рированием физические способы обеззараживания воды более современны. Однако ультрафиолетовое бактерицидное излучение, применяемое на ряде водопроводов, эффективно лишь для хорошо ос­ветленных и обесцвеченных вод с незначительным бактериальным загрязнением. Другой мощный физический бактерицидный агент — радиоактивное излучение — мало изучен для целей дезинфекции воды.

Ознакомление с отечественными и зарубежными исследованиями показывает, что в поле ультра­звуковых волн удается получить высокий бактери­цидный эффект для всех видов изученных микро­организмов. Выявлен ряд особенностей бактери­цидного действия ультразвука в воде - зависи­мость эффекта от объема озвучиваемой воды, про­должительности воздействия, частоты и интенсив­ности ультразвука, независимо от мутности воды, pH и количества микробных тел. Все эти данные свидетельствуют о том, что применение ультразву­ка в водопроводной практике имеет широкую пер­спективу.

Наши исследования были проведены с целью изыскания эффективного способа обеззаражива­ния воды на речном флоте, где в питьевых целях используется забортная вода. Она подвергается примитивной очистке и имеет, как известно, край­не низкие органолептические и бактериологические показатели. В связи с этим в условиях речного судоходства ни один из существующих способов обеззараживания воды (кроме кипячения) не ока­зался практически применимым.

Мы полагали, что ультразвуковые волны благо­даря своим свойствам позволят разрешить эту проблему. Следует указать, что обобщение литературных данных для выявления наиболее эффективных параметров ультразвуковых волн оказалось край­не затруднительным.

Значительное расхождение сведений ряда авторов объясняется применением разнообразных экспери­ментальных условий (генераторов, излучателей, сосудов для озвучивания, способов измерения уль­тразвуковых полей и т. д.).

Базируясь на основных выявленных закономерно­стях бактерицидного действия ультразвука, мы прежде всего постарались использовать для своих экспериментов современную ультразвуковую аппа­ратуру, позволяющую получать не только большие интенсивности, но и озвучивать воду при ее непо­средственном контакте с излучателем ультразвука.

Чтобы проводить опыты в высокочастотном диа­пазоне ультразвуковых волн, мы выбрали пьезо­электрический кварцевый излучатель ультразвука. По ряду литературных указаний оптимальный бак­терицидный эффект наблюдается именно в этом диапазоне (500 КГц-1 МГц) частот. Другой причи­ной выбора этого типа излучателя явилась возмож­ность снятия с него значительных интенсивностей ультразвука путем тонкой их настройки и правиль­ного согласования с генератором. Высокие интен­сивности ультразвука необходимы для значитель­ного ускорения бактерицидного действия.

Попытка применения' более простого излучателя (магнитострикционного) была малоуспешна — максимальные интенсивности здесь не превышали 1,5 Вт/см².

  

 Рис. 1. Кварцедержатель с ван­ной для озвучивания

1 - стенка ванны с водяным охла­ждением: 2 - вода; 3 - масло; 4 - пьезокварцевая пластина; 5 - свин­цовые кольца; 6 - латунное кольцо; 7 - воздух; 8 - основание из эбо­нита

Примененные нами пьезоэлектрические излуча­тели сконструированы таким образом, что излуча­ющая поверхность кварца была откры­та в сторону реак­ционной ванны (рис. 1). Интенсив­ность ультразвука измеряли калори­метрическим мето­дом (модификация прибора Видергельма) и титанатобариевым гидрофоном. Максимальная ин­тенсивность в соот­ветствии с измере­ниями составляла 30 Вт/см², регулиру­ющее устройство по­зволяло менять ин­тенсивность в пре­делах 2-7-19-30 Вт/см². Опыты бы­ли проведены в час­тотном диапазоне 380-722-800-930 КГц. Конструкции реакционных ванн предусматривали возможность озвучивания воды на протоке.

Биологической моделью в опытах служила ки­шечная палочка (2 штамма). Опыты были прове­дены на искусственно зараженной артезианской воде и на естественной речной воде. В ряде опытов артезианскую воду окрашивала гуминовыми веществами.

Первая часть исследований, проведенная на часто­тах 380 и 800 КГц при интенсивности 5-7 Вт/см², по­казала, что в 10-см слоях непроточной воды через 10-15 мин. наблюдается 100-процентная гибель бакте­рий. Эффект этот при сокращении экспозиции падал: при уменьшении экспозиции вдвое он снижался на 50—60'%. Однако высота эффекта не сни­жалась при увеличении количества микробов до 20—25 млн. в 1 л воды.

При переходе к условиям протока (частота ультразвуковых волн 800 КГц) оказалось, что гигиенически удовлетворительный эффект обеззараживания (коли-титр не выше 3) наблюдался при меньших экспозициях (5 мин. вместо 15).

Этот феномен был нами истолкован исходя из существующих данных об «архитектуре» ультразвукового поля, где в биологически неактивных зонах (пучности ускорения, узлы давления) акустические силы сдерживают часть бактерий. Можно предположить, что динамические силы потока воды способствуют выносу бактерий из биологически неактивных зон в активные (пучности давления, узлы ускорения).

Следующие исследования были проведены для выяснения роли интенсивности ультразвука при его бактерицидном действии в проточной воде (частота ультразвуковых волн 722 КГц), также в 10-см слоях воды при продолжительности воздействия 3 мин. Результаты исследований графически изображены на рис. 2. С повышением интенсивности эффект закономерно возрастает и при 30 Вт/см² достигается 100-процентная гибель микробов .

 

Рис.2. Зависимость бактерицидного действия ультразвука от его интенсивности

N₀ - исходное количество бактерий в 1мл воды;

N - количество бактерий в 1мл воды после озвучивания

Эти опыты, подтвердившие имеющиеся данные о роли интенсивности ультразвука при обеззараживании воды, позволяют считать, что дальнейшие возможности сокращения бактерицидных экспозиций ультразвука могут быть расширены путем создания интенсивных ультраакустических источников.

Стремясь полнее использовать современные технические возможности, мы провели ряд исследований по комбинированному бактерицидному действию ультразвуковых волн с иными химическими и физическими дезинфицирующими агентами. Результаты первой части опытов (сочетание с хлором и перекисью водорода) нами были опубликованы ранее («Гигиена и санитария» № 7, 1958); здесь мы укажем лишь на то, что сочетание ультразвуковых волн с малыми, практически небактерицидными дозами названных ве¬ществ оказалось очень эффективным при применении значительно меньших экспозиций (например, 20 сек. при дозе перекиси водорода 35 мг/л). Этот эффект, несомненно, свидетельствует о значительном повышении чувствительности озвучиваемых бактерий к химическим веществам. В свете ряда биологических исследований здесь можно было думать об изменении проницаемости клеточных стенок в поле ультразвуковых волн.

Изучая возможности сочетания ультразвуковых волн с другим физическим бактерицидным агентом - ультрафиолетовым излучением, - мы также полагали, что ультразвуковые волны позволят повысить чувствительность микроба к ультрафиолетовым лучам. Так как в неосветленных водах бактерицидное действие ультрафиолетовых лучей падает вследствие значительного их поглощения, то можно было ожидать, что повышение чувствительности микроба к ультрафиолетовой радиации позволит наблюдать высокий бактерицидный эффект ультрафиолетовых лучей в озвучиваемой неосветленной воде. Известная роль здесь могла принадлежать и процессам перемешивания, диспергирования, отмывания, наблюдающимся в ультразвуковых полях.

В предварительных исследованиях по изучению последовательного действия обоих агентов действительно было установлено, что озвученные микроорганизмы погибают при меньших дозах ультрафиолетовых лучей. Это было выявлено при изменении направления опыта от облучения к озвучиванию и обратно (рис. 3).

 

 Рис.3. Зависимость бактерицидного дей­ствия сочетания ультразвука и ультрафи­олетовых лучей от очередности их дейст­вия на кишечную палочку в цветной воде (100°), продолжительность облучения УФ - 3 сек.

а - облучение предшествовало озвучиванию; б - озвучивание предшествовало облучению

Для большей демонстративности эти исследова­ния были проведены на воде цветностью 100° платинокобальтовой шкалы. Одновременно установле­но (рис. 4), что бактерицидный эффект ультразву­ка в цветной и бесцветной воде одинаков.

Рис.4. Бактерицидное действие ультразвука в цветной и бесцветной воде

а - бесцветная вода; б - цветная вода

Таким образом, были получены основания для дальнейших опытов по совместному действию ультразвука и ультрафи­олетовых лучей уже на проточную воду. Для проведения этих опытов создана эксперименталь­ная установка оригиналь­ной конструкции (рис. 5), где бактерицидная лампа БУВ-30-П была погру­жена в цилиндричеокую ультразвуковую ванну, эксцентрично ее оси и перпендикулярно излуча­ющей поверхности пьезо­кварца. Объем ванны при погруженной лампе составлял 2,8 л. Внутренний диаметр ванны - 10 см.

Рис.5. Схема прибора для комбинированного обеззараживания воды ультразвуком и ультрафиолетовым излучением

1 - пьезокварцевая пластина; 2- лампа БУВ-30-П; 3 - ванна для обеззараживания воды; 4 - вода

Приток воды осуще­ствляется через боковой патрубок, находящийся в 3 см от дна, забор воды через верхний патрубок, расположенный в 40 см от дна ванны. В экспериментах создавали протоки во­ды 50 и 100 л/час при продолжительности озвучива­ния 100-200 сек. Цветность воды соответствовала 50° и 100° платинокобальтовой шкалы. Микробные нагрузки создавали из расчета их соответствия коли-титру 0,1-0,4 и 0,004.

Проведенные исследования (см. таблицу) показа­ли, что при указанных экспозициях бактерицидное действие одного ультразвука в столь значительных слоях и объемах воды выявить невозможно. Невы­соко было и бактерицидное действие ультрафиоле­товых лучей, поскольку опыты вели на окрашенных водах, протекающих вокруг лампы значительным слоем. Однако совместное действие обоих агентов, как это видно из таблицы, позволяло в ряде случаев наблюдать гигиенически приемлемый эффект обез­зараживания воды.

В найденных наилучших условиях обеззаражи­вания искусственно окрашенной и зараженной ар­тезианской воды были проведены эксперименты по обеззараживанию естественной речной воды. Для этой цели была взята вода из Химкинского во­дохранилища (цветность 40° платинокобальтовой шкалы, прозрачность 25 см по шрифту, коли-индекс - 150 000) и из р. Москвы в районе Татарово (цветность 40°, прозрачность 22 см по шрифту, коли-индекс 3 200).

Эффект применения экспериментальной установ­ки для обеззараживания взятых речных вод ока­зался вполне удовлетворительным при расходе воды 100 л/час (продолжительность воздействия 100 сек.). В многочисленных исследованиях обез­зараженной воды коли-титр не превышал 3. Ста­тистическая достоверность этих опытов была уста­новлена по таблицам проф. А. Я. Боярского.

Таким образом, эксперименты показали, что эф­фективное использование современных ультразву­ковых установок для обеззараживания воды также возможно. Однако при моделировании производ­ственных условий (проток, значительные объемы воды) гигиенически удовлетворительные результа­ты можно наблюдать при комбинированном дейст­вии ультразвука и ультрафиолетового бактерицид­ного излучения.

 

ЛИТЕРАТУРА

Л. Бергман, Ультразвук, ИИЛ, 1956.

Л. Б . Доливо-Добровольский, С. И. Кузнецов, Бактерицидное действне ультразвуковых колебаний в воде, «Гигнена и санитария» № 7, 1943.

Л.Н. Фальковская, Обеззараживание воды ультразвуком, «Водоснабжение и санитарная техника» № 12, 1958 .

Л.Н. Фальковская, Обеззараживание питьевой воды ультразвуковыми колебаниями, «Гигиена и санитария» № 1, 1956.

Л.И. Эльпинер, Обеззараживание питьевой воды при комбинированном действии ультразвуковых волн и малых доз дезинфиuирующкх веществ, «Гигиена и санитария» № 7, 1958.

H. Kinsloe, E. Ackerman, J. Reid, Exposure of microorganisms to measured saund fields, «J. Bacter», 1954, 68, 3, 373.

G. Veltmann, K. Wocber, Beitrag zur Bakteriziden Wirkung des Ultraschalls, Strahlenther, 1949, 7 9, 4, 587.