Дезинфекция с помощью УФ-стерилизации и озонирования

Процессы непрерывной дезинфекции предназначены для предотвращения попадания и накопления облигатных и факультативных патогенных организмов в системах с рециркуляцией воды. Они особенно актуальны во время вспышки инфекции, когда её возбудитель начинает развиваться внутри системы. С целью проактивной защиты аквакультуры, отдельно или вместе, используются процессы озонирования и облучения ультрафиолетом.

В данной статье представлено исследование, результаты которого опубликованы в журнале “Aquacultural Engineering”. Авторы Steven T. Summerfelt, Mark J. Sharrer, Scott M. Tsukuda и Michael Gearheart в своей работе “Process requirements for achieving full-flow disinfection of recirculating water using ozonation and UV irradiation” определили условия наиболее полной дезинфекции во всем объеме системы с рециркуляцией воды.

В качестве методов обеззараживания использовалось озонирование и УФ-облучение водного потока перед его непосредственным возвращением в емкости с рыбой. Исследователи обнаружили, что пропорционально-интегральный (PI) регулятор с обратной связью способен автоматически выравнивать концентрацию озона, образуемого из подаваемого кислорода (и, таким образом, вводимого в низконапорный оксигенатор), и поддерживать остаточный уровень растворенного озона или окислительно-восстановительного потенциала (ORP) на выбранной точке.

Отмечено, что удобнее и эффективнее осуществлять постоянный мониторинг и автоматически контролировать концентрацию озона с использованием датчика ORP (по сравнению с датчиком растворенного озона) на выходе камеры озонирования и непосредственно перед поступлением воды в УФ-стерилизатор. Настройка пропорционально-интегрального (PI) регулятора на уровень ORP 450-525 мВ, а растворенного озона – 20 млрд-1 обеспечивает практически полную инактивацию гетеротрофных бактерий при чашечном методе подсчета и улучшение качества воды (особенно цвет и % пропускания УФ-лучей). Под полной инактивацией понимается продукция менее 1 колониобразующей единицы (КОЕ)/мл. Достижение такого уровня обработки требует введения в среднем 29 ± 3 г озона на кг корма. Однако, вследствие того, что вода обрабатывается и вторично используется в УЗВ, средние значения озона, вводимого ежедневно для поддержания ORP в диапазоне 375-525 мВ (или 20 млрд-1 растворенного озона), составили 0.34–0.39 мг/л. Это в 10 раз меньше, чем требуется обычно для дезинфекции поверхности воды в единичном цикле обработки.

В отсутствии внутренних процессов дезинфекции облигатные и факультативные патогенные микроорганизмы рыб накапливаются в системе с рециркуляцией воды. Это особенно заметно во время вспышек инфекции, когда возбудитель распространяется от хозяина. Ультрафиолетовое излучение и/или озонирование могут использоваться для фильтрации и иногда дезинфекции рециркулирующей воды перед её возвратом в емкость с рыбой. В системах в возвратным водоснабжением УФ-стерилизаторы инактивируют микроорганизмы и разрушают растворенный озон. Эффективность УФ-излучения зависит от размеров частиц в воде и их концентрации, % пропускания излучения, а также устойчивости к ультрафиолету конкретных микроорганизмов.

Последние исследовательские работы указывают на то, что умеренные дозы озона (0.1–0.2 мин мг/л) с последующей более мощной УФ-стерилизацией (42.5–112.7 мДж/см2) обеспечивают практически полную инактивацию всех гетеротрофных бактерий (чашечный метод подсчета) в цикле обработки УЗВ.

Озонирование также оказалось эффективным в плане улучшения качества воды за счет повышения производительности микросетчатого фильтра. Оно позволило окислить нитриты до нитратов и расщепить устойчивые соединения, следовательно, предотвратило нарушение окраски воды. Этого удалось добиться введением 15–25 г озона на килограмм корма. Данный уровень озона также улучшил здоровье рыб, потому что препятствовал вторичным вспышках бактериальных жаберных инфекций у радужной форели без использования химиотерапии. Однако он не снижал число гетеротрофных бактерий даже на 1 log10 в толще воды.

Для достижения остаточного уровня озона, достаточного для снижения числа бактерий, необходимо преодоление его затрат на окисление нитрита и органического углерода в рециркулирующей воде.

Например, для поддержания концентрации озона в поверхностных водах водохранилища Fishing Creek в районе 0.2 мг/л после 10 минутной экспозиции необходима первоначальная концентрация 2-3 мг/л. Эти данные аналогичны или слегка меньше тех, о которых докладывал Cryer (1992) для озонирования поверхностных вод хозяйства Kitoi Bay (Аляска) и Cold Lake (Альберта, Канада).

Органический углерод может накапливаться до относительно высоких концентраций в системе с оборотным водоснабжением, что связано с большими объемами вносимого корма. Таким образом, ожидается, что потребление озона в УЗВ будет даже выше, чем в относительно чистой поверхностной воде. Однако, так как вода обрабатывается и вторично используется в системе, возможно, что частое озонирование (каждые 30-60 минут) снизит потребление озона по сравнению с концентрацией, используемой при единичном введении озона. Например, в работе Sharrer и Summerfelt (2007) дезинфекция сточных вод из УЗВ потребовала <1 мг/л озона.

Концентрация озона, необходимая для покрытия потребностей и поддержания остаточного уровня в конце камеры озонирования, зависит от особенностей кормления и цикла производства загрязнений. Потенциально, высокие пики метаболизма рыб и выделения загрязнений наблюдается во время кормления (Krumins et al., 2001a), либо стресса у рыб во время зарыбления (Forsberg, 1994, 1995). Для снижения дневных пиков выделения метаболитов и создания квазистационарного состояния с неизменным качеством воды использовались различные технологии. К их числу относится 24 часовое освещение с порционным кормлением маленькими порциями через равные промежутки времени. Помимо этого, может использоваться автоматический контроль выделения озона, который образуется из подаваемого в систему кислорода (который затем переносится в контактную емкость озонирования). Это необходимо для поддержания желаемой концентрации озона и окислительно-восстановительного потенциала в конце контактной камеры озонирования.

Хотя озонирование является эффективным методом дезинфекции, озон очень опасен, и его концентрация 5 млн-1 угрожает персоналу. Поэтому процесс озонирования должен контролироваться эффективным и безопасным механизмом.

Объектом данной статьи является определение процессов, необходимых для дезинфекции циркулирующей воды перед её попаданием в емкость с рыбой с использованием озонирования и последующей УФ-стерилизации. Первичной задачей выступает определение требований к контролю поступления озона, т.е. необходимо ответить на следующие вопросы:

1. Нужен ли постоянный автоматический контроль поступления озона путем взятия водных проб для определения его концентрации, либо можно ограничиться измерением окислительно-восстановительного потенциала на выходе из озонатора?
2. Способен ли пропорционально-интегральный (PI) регулятор с обратной связью автоматически выравнивать концентрацию озона, образующегося из вводимого кислорода (и, таким образом, попадающий в низконапорный оксигенатор), для поддержания его остаточного уровня или значения окислительно-восстановительного потенциала в заданном диапазоне?
3. Какое значение окислительно-восстановительного потенциала или остаточный уровень озона достаточен для полного уничтожения бактерий и улучшения качества воды в УЗВ?
4. Какая доза озона (мг/л или мг на килограмм корма) должна вноситься в циркулирующую воду для обеспечения дезинфекции различной силы.

Материалы и методы
Система с рециркуляцией воды

Технические требования к дезинфекции водного потока с использованием озонирования и последующей УФ-стерилизацией определялись в установке замкнутого водоснабжения фонда Института сохранения пресных вод (Шепердстаун, Западная Вирджиния, США). Краткое описание системы: 5HP центробежный насос для подъема воды из нижней точке линии гидравлического уклона (4640 л/минуту), т.е. из сампа насоса до наивысшей точки системы (биофильтр Cyclo Bio с псевдоожиженным слоем). Вода, покидающая верхнюю часть биофильтра, перед попаданием в емкость культивирования объемом 150 м3, под действием силы тяжести проходит каскад аэрируемых колон, низконапорный оксигенатор (LHO), самп LHO и узел УФ-стерилизации. Вода, покидающая бассейны с рыбой, самотеком проходит через микросетчатый барабанный фильтр (90 мкм), а затем в самп с помпой, где происходит её нагнетание. Скорость водного потока рассчитана таким образом, чтобы весь объем бассейнов обновлялся каждые 30 минут. В систему вносится 4% от всего объема свежей воды (185 л/мин). Озон образуется из смеси, содержащей 99.5% чистого кислорода. Затем полученная смесь попадает в низконапорный оксигенатор УЗВ, где происходит насыщение воды кислородом и, следовательно, повышается вместимость системы.

Рисунок 1. Обработка воды в системе выращивания лососевых (Davidson and Summerfelt, 2005).
Рисунок 2. Вода выходит через верхнюю часть песчаного биофильтра, проходит через разбрызгивающую колонку, а затем через низконапорный оксигенатор. Обогащенная озоном кислородная газовая смесь поступает в LHO. Самп и канал непосредственно перед УФ-стерилизатором служат контактной камерой озонатора. Датчики ORP, растворенного озона располагаются в канале перед УФ-стерилизатором. Датчики ORP, растворенного кислорода и pH — в канале после стерилизатора.

Фотопериод, кормление и рыба
Система с рециркуляцией воды использовалась для подращивания радужной форели (Oncorhynchus mykiss) от начальной массы 710 граммов до конечной — 1620 граммов. Обеспечивался постоянный 24-часовой фотопериод. Кроме того, для постоянных темпов биологического дыхания и выделения загрязнений были установлены автоматические кормушки. С их помощью рыба получала равные порции корма 8 раз в день, т.е. каждые 3 часа. Средние затраты корма варьировали от 72 ± 6 до 93 ± 8 кг/день. Плотность посадки рыб поддерживалась на уровне 50-80 кг/м3 путем сортировки и вылова наиболее крупных особей каждые 3-6 недель.

Рисунок 3. График 24-часового фотопериода, когда механический кормораздатчик каждые 3 часа вносил в бассейн с рыбой корм (7.5 мг/л; показаны средние данные за 5 дней). Измерен расход кислорода.

Постоянный мониторинг in situ (на месте)
Для приема данных с 6 цифровых датчиков использовались три универсальных контроллера SC 100 (Hach Company, Loveland, CO), по 2 датчика на устройство. Концентрация растворенного озона измерялась с помощью амперометрического датчика озона Hach 9185sc. Окислительно-восстановительный потенциал регистрировался с помощью дифференциальных датчиков Hach ORP. Концентрация растворенного кислорода регистрировалась с использованием анализа проб воды датчиком Hach LDO1. Один из датчиков ORP и LDO1 располагался непосредственно после камеры УФ-стерилизации, а другие два (для ORP и для измерения концентрации озона) – в конце камеры озонирования, т.е. перед входом воды в УФ-стерилизатор. Кроме того, проводилась регистрация pH воды in situ. Для этого использовался цифровой датчик Hach pH, расположенный после узла УФ-стерилизации.

С помощью программного обеспечения Lookout version 4.5 (National Instruments, Austin, TX) проводился постоянный мониторинг и запись: концентрации озона, покидающая генератор; концентрация растворенного в воде озона; окислительно-восстановительный потенциал и температура воды перед выходом из камеры озонирования; окислительно-восстановительный потенциал, температура и концентрация растворенного кислорода в воде, покидающей УФ-стерилизатор, перед попаданием в бассейны с рыбой.

Измерение общего объёмного расхода осуществлялось ультразвуковым расходомером (Transport Model PT868 Portable Flowmeter, Panametrics, Inc., Waltham, MA), встроенным в трубу.

Образование озона и системы контроля
Применение озонирования предусматривает несколько этапов: поступление чистого кислорода; генератор озона; система растворения озона (LHO); сосуд, обеспечивающий время гидравлического контакта с озоном; система разложения озона (УФ-стерилизатор); датчики in situ мониторинга окислительно-восстановительного потенциала и растворенного кислорода на выходе из озонатора для организации обратной связи контроля уровня озона; датчики in situ (измерения окислительно-восстановительного потенциала) для мониторинга и последующей остановки подачи озона, когда в воде, поступающей в бассейны с рыбой, обнаруживается остаточный озон.

Для защиты персонала от этого токсичного соединения, из колонок для оксигенации (LHO) озон выдувается из здания через 2.5 см ПВХ-трубу. Кроме того, имеется автоматическая система защиты, включающая тревогу при повышении уровня озона (фиксируется датчиками помещения), и отключающая поступление озона при снижении водного потока в LHO. В отдельных частях помещения и около соединений труб и вентилей дополнительно производился анализ с помощью газового анализатора Porta Sens II Gas (Analytical Technology, Inc., Collegeville, PA).

Для образования озона использовался водоохлаждаемый генератор PCI-Wedeco Environmental Technologies (West Caldwell, New Jersey) модель GSO40. Генератор имел общую производительность 4 кг O3 в день в концентрации 6% по массе газовой смеси. Озон генерировался из поступающей газовой смеси, содержащей 99.5% кислорода (из баллонов с сжиженным газом). После выхода из генератора O3-содержащая смесь поступала в LHO через 6.4 мм трубку из нержавеющей стали марки 316. Перед попаданием в LHO смесь проходила через обратный клапан, соленоидный клапан и устройство контроля воздушного потока.

Устройство контроля воздушного потока состояло из расходомера с переменным сечением (ротаметр) из боросиликатного стекла (Model K-03217-78, Cole-Parmer Instrument Company, Vernon Hills, Illinois) с сапфировым поплавком и тефлоновым впускным клапаном и фитингами, манометра из нержавеющей стали 316, игольчатого стального (марка 316) клапана.

Игольчатый клапан, за которым следует манометр на линии снабжения O3, используется для регулировки обратного давления в расходомере с переменным сечением (ротаметр), таким образом, чтобы устройство контроля воздушного потока могло калиброваться до стандартных условий. В итоге, это устройство контроля потока одновременно использовалось для измерения и контроля насыщенной озоном газовой смеси перед её введением в LHO.

Обычно закрытый, диаметром 6.4 мм, соленоидный клапан из нержавеющей стали марки 316 (Model 8262G220NV, ASCO Red Hat, Florham Park, New Jersey) устанавливался непосредственно перед устройством контроля воздушного потока на трубу поступления газовой смеси. Этот клапан необходим для закрытия линии, когда уровень воды над распределительной пластиной LHO падал до низкого уровня. Падение уровня регистрировалось поплавком, расположенном на распределительной пластине, либо по возрастанию окислительно-восстановительного потенциала на выходе из УФ-стерилизатора выше установочных 375 мВ. Соленоидный клапан был открыт лишь в случае, когда уровень воды над распределительной пластиной LHO был выше нижнего предела, а окислительно-восстановительный потенциал на выходе из УФ-стерилизатора был ниже 375 мВ.

Для регулировки генератора O3 в диапазоне от 1 до 100% производительности, к нему поступал сигнал 4-20 мА от O3-контроллера (Hach sc100). Контроллер предусматривал пропорционально-интегральный (PI) регулятор с обратной связью для выравнивания уровня O3, образующегося с целью поддержания установочной концентрации O3 и окислительно-восстановительного потенциала в воде, проходящей через O3-контроллер.

Опираясь на наблюдения, исследователи подобрали значения пропорциональной и интегральной составляющих контроллера таким образом, чтобы получить адекватную реакцию дозы-ответа в диапазоне установочной точки для окислительно-восстановительного потенциала и концентрации растворенного O3. PI-регулятор с обратной связью является очень важным компонентом для контроля концентрации O3 и ORP. Одной настройки хватило для работы системе с различной биомассой.

Для определения озона, находящегося в окружающем воздухе, между LHO и бассейном с рыбой был установлен модульный O3-детектор (STX-PA Gas Monitor, Pure-Aire Monitoring Systems, Inc., Lake Zurich, IL). Это устройство было запрограммировано на сигнализацию тревоги (световой сигнал и сирена), когда концентрация озона в воздухе помещения превышает 0.07 млн-1.

В отдельных частях помещения и около соединений труб и вентилей дополнительно производился анализ с помощью газового анализатора Porta Sens II Gas (Analytical Technology, Inc., Collegeville, PA). Этот портативный инструмент использовался периодически и сигнализировал тревогу при превышении концентрации озона 0.07 млн-1.

Экспериментальная обработка
PI-регулятор с обратной связью использовался для автоматического настройки производительности генератора озона в нескольких режимах. Непосредственно перед поступлением воды в УФ-стерилизатор значения окислительно-восстановительного потенциала должны были составить 375, 450 или 525 мВ, либо концентрация растворенного O3 – 20 млрд-1. Эти режимы обработки, вместе с «отсутствует O3/ отсутствует УФ», случайным образом распределялись во времени и каждый из них воспроизводился три раза. Однако некоторые режимы (450 мВ и 20 млрд-1) воспроизводились четыре раза, а один режим – пять раз (525 мВ). После трех экспериментов с различными значениями концентрации O3 и УФ трижды проводились контрольные эксперименты только с внесением озона (375 мВ).

Обработка T°C Корм (кг/день) Вход O2 (мг/л) Выход O2 (мг/л) Разница O2 (мг/л)
Контроль (без озона и УФ) 13.5 ± 0.2 73 ± 7 19.1 ± 0.1 10.9 ± 0.4 8.2
Озон 375 мВ без УФ 15.4 ± 0.1 72 ± 6 19.1 ± 0.2 11.8 ± 0.4 7.3
Озон 375 мВ и УФ 14.0 ± 0.4 93 ± 8 19.6 ± 0.2 11.0 ± 0.4 8.6
Озон 450 мВ и УФ 14.1 ± 0.3 90 ± 11 19.5 ± 0.2 11.1 ± 0.2 8.4
Озон 525 мВ и УФ 14.3 ± 0.3 92 ± 6 19.3 ± 0.2 11.2 ± 0.3 8.1
Озон 20 млрд-1 и УФ 14.5 ± 0.3 82 ± 2 18.9 ± 0.0 11.1 ± 0.2 7.8

Таблица 1. Средняя температура воды; поступление корма; поступление, выход и расход растворенного кислорода в бассейнах с рыбой.

Режимы обработки выполнялись случайно в течение недели. На каждый из них отводилось 5-12 дней перед тем, как производился бактериологический анализ и анализ качества воды (три дня подряд). Пробы брались на 5, 6 и 7 дни, либо на 12, 13 и 14 дни в случаях, когда случайная обработка продолжалась и на следующей неделе.

УФ-стерилизатор
Сделанный на заказ канальный УФ-стерилизатор излучал 100% на все 4640 л/мин циркулирующей воды перед её возвратом в бассейны. Он имел 24 лампы низкого давления высокой производительности мощностью 200 Вт (Emperor Aquatics Inc., Pottstown, Pennsylvania). Доза излучения в начале исследования (т.е. когда лампы были новые) оценивалась приблизительно 100 мл/см2. Оценка строилась на ожидаемой производительности, особенностях водообмена и % светопропускания в воде.

Настольный анализ качества воды
С помощью спектрофотометра Hach Company DR/4000U и набора AccuVac с ампулами реагента индиго измерялась концентрация растворенного O3 перед LHO и на выходе из O3-контактной камеры, УФ-стерилизатора и бассейнов культивирования.

Относительная эффективность каждого этапа дезинфекции определялась с использованием чашечного метода подсчёта в качестве индикатора микроорганизмов, т.е. бактерий группы кишечной палочки и общего числа гетеротрофных бактерий. Подсчет бактерий производился при взятии образцов из четырех мест: подпиточной воды, непосредственно перед O3-контактной камерой (перед тем, как вода поступила в LHO), в конце O3-контактной камеры (перед поступлением воды в УФ-стерилизатор), после УФ-стерилизации (перед поступлением воды в бассейны с рыбой). Образцы брались перед местом введения озона погружением стерильной бутылки из боросиликатного стекла в воду горлышком вниз над сливом биофильтра и примерно на 0.5 метра ниже уровня воды, и последующего её переворачивания для залива воды. Образцы после введение озона и после стерилизации ультрафиолетом забирались погружением бутылочки в толщу воды и её переворачиванием горлышком вверх на глубине 0.5 метра ниже поверхности воды. Образцы подпиточной воды забирались на 1.3 см от вентиля на подпиточной трубе в 5 метрах выше по течению УЗВ. Вентиль открывался так, чтобы поток воды составлял 2-4 л/мин. В течение 1 минуты осуществлялся забор воды.

Чашечный подсчет гетеротрофных бактерий и бактерий группы кишечной палочки проводился по методу мембранных фильтров, согласно Стандартным методам исследования воды и загрязненных вод (APHA, 2005). Гетеротрофные бактерии инкубировались в течение 48 часов при температуре 35 градусов на глюкозо-триптонном бульоне с индикатором тетразолием хлоридом (Millipore Corporation, Billerica, MA). Подсчет проводился под микроскопом с малым увеличением, результаты представлены в виде колониобразующих единицах (КОЕ) на 1 мл образца.

Бактерии группы кишечной палочки инкубировались в течение 24 часов при 35 градусах на бульоне m-ColiBlue241 (Hach Company). Их также подсчитывали под микроскопом с малым увеличением и выводили результаты в виде колониобразующих единицах (КОЕ) на 100 мл образца. Когда ни одной бактериальной колонии не обнаруживалось, либо их число составляло менее 1 КОЕ на 1 мл (для гетеротрофных) и 1 КОЕ на 100 мл (для группы кишечной палочки), записывался нулевой результат. Для каждого условия экспериментов записывалось среднее значение числа бактерий. Затем оно использовалось для подсчет эффективности удаления бактерий:

Удаление бактерий (%) = [(число на входе – число на выходе)/число на входе] х 100
Десятичный логарифм (log10) снижения числа бактерий при прохождении через очистную систему рассчитывался по уравнению:

log10 = — log10 (1- [%удаления/100])

Статистический анализ оценивал однородность средних для образцов гетеротрофных и кишечных бактерий на выходе из УФ-стерилизатора для всех экспериментальных режимов. Для проверки нормальности распределения данных использовался критерий Шапиро-Уилка. Он показал отсутствие нормального распределения для общего числа гетеротрофных бактерий и группы кишечной палочки. В результате, оценка однородности средних выполнялась с помощью непараметрического теста Крускала-Уоллиса. Для определения специфических различий в бактериальной популяции, ранжированные не преобразованные средние значения ретроспективно (Post hoc) анализировали тестом Тьюки для множественного сравнения. Статистическая обработка проводилась в программе SYSTAT 11 (2004).

Образцы воды также анализировались для определения её качества в системе. Анализ проводился еженедельно в четырех местах: от узлов фильтрации, в потоке перед озонированием, на выходе из O3-контактной камеры и на выходе из УФ-стерилизатора. Образцы, еженедельно брались перед и после озонирования, и после обработки ультрафиолетом. Они исследовались на общий аммонийный азот, общую щелочность, цвет, % пропускания ультрафиолета, общего уровня твердых частиц. Также изучалось распределение частиц по размеру, но только после облучения ультрафиолетом. Еженедельно вода после прохождения узлов водоочистки исследовалась на общий аммонийный азот и щелочность.

Общий уровень аммонийного азота оценивался с помощью метода компании Hach Nessler и спектрофотометра DR4000/U. Уровень нитрита и нитрата оценивались с помощью метода диазотирования и редукции кадмия компании Hach, соответственно. Общий уровень твердых частиц определялся согласно стандартным процедурам 2540 D (APHA, 2005). Цвет воды оценивался с помощью стандартной платино-кобальтовой шкалы и % пропускания УФ-излучения по методу прямого считывания (λ = 253.7 нм). Распределение частиц по размеру определялось при помощи счётчика частиц Hach Company 2200 PCX и модифицированной установки, включающей насос, увлажнитель и мешалку для растворов. Общая щелочность определялась с помощью титрования с цифровым определением точки конца и конечной точки pH, по фенолфталеину методу определения общей щелочности серной кислотой.

Тест с солевым трассированием с целью определения времени гидравлического удержания в контактной камере озонатора

Для определения среднего времени гидравлического удержания циркулирующий водный поток проходил через низконапорный оксигенатор (LHO) и контактную камеру озонатора (т.е. LHO самп и O3 контактная камера располагались до УФ-стерилизатора). Как только вода поступала на распределительную пластину низконапорного оксигенатора, в неё одиночным импульсом вводилось 4 литра хлорида натрия, а затем на выходе из контактной камеры озонатора каждые 5 секунд регистрировалась специфическая электропроводность. Анализ с солевым трассированием воспроизводился трижды, раз в день. Среднее время гидравлического удержания водного потока в контактной камере озонатора оценивалось по площади под графиком кривой и определению точки (т.е. среднего значения), когда по обе стороны от неё располагаются равные площади.

Рисунок 4. Графики специфической электропроводности, измеренной в водном потоке. Образцы брались на выходе из контактной камеры озонатора. Время ноль означает момент, когда солевой раствор вводился по распределительной пластине LHO. Среднее время гидравлического удержания в камере составляет примерно 2 минуты.

Баланс массы для определения степени использования озона и его концентрации
Концентрация озона, образующаяся из поступающего кислорода (% O3), в течение исследования непрерывно регистрировалась каждые 5 минут. Эти данные затем использовались для рассчета ежедневной доли озона в кислородной смеси (% O3) после каждой обработки. Кроме того, поток обогащенной озоном кислородной смеси (Ogas) был постоянным и регистрировался один раз в день, вместе с обратным давлением на ротаметре. Ogas подавался при температуре 21 градус и под давлением 1 атмосфера. Ежедневная масса вносимого озона рассчитывалась из объема Ogas и %O3 по следующему уравнению:

Доза O3 на единицу вносимого корма, т.е. мг O3 на килограмм корма, подаваемый в УЗВ, рассчитывалась путем деления средней ежедневной используемой массы O3 на средний ежедневный рацион (как есть, не сухая масса) в течение каждого эксперимента:

Средняя используемая концентрация O3, т.е. используемая доза, вычислялась путем деления ежедневной массы озона на обработанный поток воды, 4640 л/мин:

Контактная концентрация озона вычислялась как произведение средней остаточной концентрации растворенного озона (измерялась на выходе из контактной камеры озонатора) и среднего времени гидравлического удержания, т.е:

Результаты и обсуждение
В ходе исследования, средняя температура воды, средний уровень потребления корма и среднее потребление растворенного кислорода в бассейне составляли: 13.5 — 15.4 градусов C, 72–93 кг/день и 6.9–8.6 мг/л O2, соответственно.

Эксперименты с солевым трассированием позволили обнаружить, что контактная камера обеспечивает среднее время гидравлического удержания примерно 2.0 минуты. При этом вода проходит через низконапорный оксигенатор, самп низконапорного оксигенатора и канал контактной камеры непосредственно перед УФ-стерилизатором. Кроме того, эффективность переноса озона в LHO приближается к 100%, на что указывает отсутствие O3 в отходящих из LHO газов.

Эффективность обработки – инактивация бактерий
Пропорционально-интегральный (PI) регулятор O3 с обратной связью устанавливался таким образом, чтобы окислительно-восстановительный потенциал находился в точках 450 и 525 мВ, а концентрация растворенного O3 – 20 млрд−1 (эквивалентно значению окислительно-восстановительного потенциала 607 мВ). Озонирование в таких условиях с последующей стерилизацией ультрафиолетом обеспечивало полную инактивацию гетеротрофных бактерий, т.е. их среднее количество 10 снижение гетеротрофных бактерий (чашечный метод подсчета). Аналогичное озонирование вместе с УФ-стерилизацией снижало число бактерий группы кишечной палочки до 3-5 КОЕ/100 мл и 2.7–3.1 log10. Кроме того, при озонировании в условиях, когда PI-регулятор находился на отметке 375 мВ для O3, с последующей стерилизацией ультрафиолетом достигалось снижение среднего числа гетеротрофных бактерий до 3±1 КОЕ/мл (или 1.6 log10 снижение) и бактерий группы кишечной палочки – до 26±15 КОЕ/100 мл (2 log10 снижение). Однако, когда воду обрабатывали только методом озонирования (без УФ-стерилизации) и устанавливали точку PI-регулятора 375 мВ, снижение среднего числа гетеротрофных бактерий только до 21±3 КОЕ/мл (0.4 log10 снижение) и общего числа бактерий кишечной палочки до 636±304 КОЕ/100 мл (0.4 log10 снижение). Даже введение O3 в дозах, приводящих к более высокому окислительно-восстановительному потенциалу (450 – 525 мВ), которые используются для обработки непосредственно перед УФ-стерилизатором, само по себе, не способно снизить общее число гетеротрофных и колиформных бактерий на 1 log10.

Место Общее число гетертрофных бактерий (КОЕ/мл) % удаления log10 удаления Общее число колиформных бактерий (КОЕ/100 мл) % удаления log10 удаления
контроль (без O3 и без УФ)
Перед O3 камерой 466 ± 147 27203 ± 7458
После O3 камеры 509 ± 139 30065 ± 8209
После УФ (УФ выключен) 530 ± 145a 31123 ± 8327b
Озон при 375 мВ и без УФ
Перед O3 камерой 48 ± 9 1293 ± 326
После O3 камеры 22 ± 5 571 ± 229
После УФ (УФ выключен) 21 ± 3a 56.3 0.35 636 ± 304c 55.8 0.35
Озон при 375 мВ и УФ
Перед O3 камерой 124 ± 27 2800 ± 665
После O3 камеры 81 ± 18 2293 ± 763
После УФ (УФ включен) 3 ± 1d 97.6 1.6 26 ± 15e 99.1 2.04
Озон при 450 мВ и УФ
Перед O3 камерой 50 ± 12 2702 ± 1054
После O3 камеры 22 ± 4 864 ± 236
После УФ (УФ включен) 0 ± 0f 100 5 ± 2g 99.8 2.7
Озон при 525 мВ и УФ
Перед O3 камерой 386 ± 348 1418 ± 505
После O3 камеры 225 ±209 439 ± 107
После УФ (УФ включен) 0.4 ± 0.3h 99.90 3.0 3 ± 2i 99.8 2.7
Озон при 20 млрд-1 и УФ
Перед O3 камерой 47 ± 11 3195 ± 939
После O3 камеры 8 ± 2 498 ± 272
После УФ (УФ включен) 0 ± 0j 100 3 ± 1k 99.91 3.1

Таблица 2. Среднее число (± ошибка средней) гетеротрофных бактерий, колиформных бактерий и эффетивность удаления бактерий для каждого условия.


a — Статистически значимое различие (p < 0.003, α = 0.05) по сравнению со всеми другими условиями обработки.
b — Статистически значимое различие (p = 0.000, α = 0.05) по сравнению со всеми другими условиями обработки, за исключением озонирования при 375 мВ и без УФ.
c — Статистически значимое различие (p = 0.000, α = 0.05) по сравнению со всеми другими условиями обработки, за исключением контроля без озонирования и без УФ.
d — Статистически значимое различие (p < 0.015, α = 0.05) по сравнению со всеми другими условиями обработки, за исключением озонирования при 525 мВ и с УФ.
e — Статистически значимое различие (p = 0.000, α = 0.05) по сравнению со всеми другими условиями обработки, за исключением озонирования при 450 мВ, озонирования при 525 мВ и с УФ, озонирования при 20 млрд-1 и с УФ.
f — Статистически значимое различие (p < 0.015, α = 0.05) по сравнению со всеми другими условиями обработки, за исключением озонирования при 20 млрд-1 и с УФ, и озонирования при 525 мВ и с УФ.
g — Статистически значимое различие (p = 0.000, α = 0.05) по сравнению со всеми другими условиями обработки, за исключением озонирования при 375 мВ и с УФ, озонирования при 525 мВ и с УФ, и озонирования при 20 млрд-1 и с УФ.
h — Статистически значимое различие (p = 0.000, α = 0.05) по сравнению со всеми другими условиями обработки, за исключением озонирования при 20 млрд-1, озонирования при 525 мВ и с УФ, и 375 мВ с УФ.
i — Статистически значимое различие (p = 0.000, α = 0.05) по сравнению со всеми другими условиями обработки, за исключением озонирования при 375 мВ и с УФ, озонирования при 450 мВ и с УФ, озонирования при 20 млрд-1 и с УФ.
j — Статистически значимое различие (p < 0.007, α = 0.05) по сравнению со всеми другими условиями обработки, за исключением озонирования при 450 мВ и УФ, озонирования при 525 мВ и с УФ.
k — Статистически значимое различие (p = 0.000, α = 0.05) по сравнению со всеми другими условиями обработки, за исключением озонирования при 375 мВ и с УФ, озонирования при 450 мВ и с УФ, озонирования при 525 мВ и с УФ.


Во всех экспериментах статистические различия в общем числе гетеротрофных бактерий после прохождения УФ-стерилизатора (post-UV) оценивались с помощью критерия Краскела — Уоллиса проверки однородности (p = 0.000, α = 0.05). Специфические различия между средними числами гетеротрофных бактерий определялись с помощью post-hoc анализа Таки.


Post-hoc тест используется после того, как дисперсионный анализ или другой тест показал общую значимость. Он позволяет сравнить все возможные пары средних, не изменяя критерия ошибки типа I (первого рода) на данном уровне значимости.

Ошибка первого рода — часто называется ложной тревогой, ложным срабатыванием или ложноположительным срабатыванием — например, анализ крови показал наличие заболевания, хотя на самом деле человек здоров, или металлодетектор выдал сигнал тревоги, сработав на металлическую пряжку ремня. Слово «положительный» в данном случае не имеет отношения к желательности или нежелательности самого события.


В итоге, статистические различия общего числа гетеротрофных бактерий выявлялись при сравнении данных контрольных экспериментов (в отсутствии озонирования и облучении ультрафиолетом) с результатами различных вариантов обработки воды. При этом оценивался бактерицидный эффект озонирования в присутствии или отсутствии УФ-стерилизации.

Кроме того, статистические различия определялись при сравнении данных с «озонированием при 375 мВ без УФ-стерилизации» со всеми другими вариантами экспериментальной обработки воды. Было показано, что озон в низкой концентрации обеспечивает умеренное снижение общего числа гетеротрофных бактерий. Однако при сравнении результатов обработки «озонированием с любой концентрацией O3 в совокупности с облучением ультрафиолетом» с контрольной группой и данными «озонирования при 375 мВ без УФ-стерилизации» получены статистически значимые отличия.

Используя критерий Краскела — Уоллиса проверки однородности средних для общего числа колиформных бактерий, во всех экспериментах показаны статистически значимые различия (p = 0.000, α = 0.05) при регистрации числа бактерий после прохождения УФ-стрилизатора. Динамика инактивации колиформных бактерий схожа с дезинфекцией гетеротрофных бактерий. Контрольные эксперименты без использования озонирования и стерилизации ультрафиолетом имели статистически значимые различия с экспериментальными группами, что указывает на некоторую степень дезинфекции озоном, отдельно или в комбинации с ультрафиолетом. Более того, значимые различия обнаружены при сравнении контрольной группы с данными озонирования при 375 мВ (без УФ). Это свидетельствует об умеренной дезинфекции колиформных бактерий, проводимой одним озонированием. Наконец, сравнение результатов обработки комбинацией озонирования различной силы и УФ-излучения с данными контрольных экспериментов и с использование исключительно озонирования 375 мВ также продемонстрировало статистически значимые различия.

Введение двух наиболее высоких доз озона (редокс-потенциал, ORP – 525 мВ или концентрации растворенного O3 – 20 млрд-1) приводило к выходу озона (c x t) в конце контактной камеры в концентрации 0.01 и 0.03 мг/л в минуту, соответственно. Это чрезвычайно низкое значение c x t для хорошей дезинфекции и уничтожения большого числа бактерий в воде (Sharrerand Summerfelt, 2007). Однако результаты говорят о том, что озонирование повышает эффективность обработки ультрафиолетом, возможно за счет снижения концентрации твердых частиц и увеличения % пропускания излучения (%УФ).

Для определения инактивации бактерий и качества воды с участием УФ-стерилизации в отсутствии озонирования проводились следующие исследования.

В этих работах с обработкой небольшого бокового стока в схожей системе использовалось УФ-излучение – 78, 150, 303, 493 и 980 млДж/см2 (без озонирования) и достигалось только 0.4-0.9 log10 снижение общего числа гетеротрофных бактерий. С другой стороны, доза УФ в 1800 млДж/см2 приводила к 1.7 log10 снижению, оставляя всего 181 ± 71 КОЕ/мл (Sharrer et al., 2005). Автор работы Sharrer (2005) заключил, что инактивация гетеротрофных бактерий ультрафиолетом занижена, потому что бактерии выживают в системе, в которой присутствуют твердые частицы или бактериальные агрегаты, скрывающие микроорганизмы от уничтожения ультрафиолетом. В свою очередь, обработка сего циркулирующего водного потока с помощью озонирования и последующего УФ-облучения практически полностью уничтожает гетеротрофных бактерий.

Эффективность обработки – улучшение качества воды
Озонирование в любых дозах перед УФ-обработкой улучшает качество воды (особенно цвет и % УФ-пропускания) без необходимости повышения ежедневных водных подмен. По сравнению с контролем (без O3 и УФ) вода на возвратной к бассейнам линии во всех экспериментах, где совмещалось озонирование и УФ-облучение, имели сниженный уровень NO2-N от 0.06 мг/л (контроль) до 0.01-0.02 мг/л, цвета – от 9.5 по платино-кобальтовой шкале (Pt-Co) (контроль) до 0.7-1.7 Pt-Co, общих взвешенных частиц (TSS) – от 4.0 мг/л до 2.1-2.5 мг/л. Между тем, процент пропускания ультрафиолета с 90.2% в контроле поднялся после озонирования до 94.9-96.8%.

Место TAN (мг/л-N) Нитрит (мг/л-N) Нитрат (мг/л-N) TSS (мг/л) Цвет (Pt-Co) УФ пропускание (%)
контроль (без O3 и без УФ)
Перед O3 камерой 0.05 ± 0.01 0.027 ± 0.009 11.9 ± 1.4
После O3 камеры 0.10 ± 0.02 0.036 ± 0.008 11.7 ± 1.4
После УФ (УФ выключен) 0.11 ± 0.01 0.060 ± 0.025 11.7 ± 1.5 4.0 ± 0.9 9.5 ± 2.2 90.2 ± 1.5
Озон при 375 мВ и без УФ
Перед O3 камерой 0.03 ± 0.01 0.006 ± 0.002 10.0 ± 0.4
После O3 камеры 0.09 ± 0.01 0.008 ± 0.006 9.9 ± 1.8
После УФ (УФ выключен) 0.10 ± 0.01 0.020 ± 0.010 11.3 ± 1.4 3.0 ± 1.2 0.3 ± 0.3 95.7 ± 0.3
Озон при 375 мВ и УФ
Перед O3 камерой 0.06 ± 0.01 0.026 ± 0.003 13.8 ± 1.4
После O3 камеры 0.12 ± 0.02 0.009 ± 0.002 16 ± 1.7
После УФ (УФ включен) 0.13 ± 0.02 0.020 ± 0.006 15 ± 2.2 2.1 ± 0.4 1.7 ± 0.3 94.9 ± 0.2
Озон при 450 мВ и УФ
Перед O3 камерой 0.03 ± 0.01 0.010 ± 0.004 15.0 ± 1.0
После O3 камеры 0.11 ± 0.01 0.012 ± 0.009 14.7 ± 1.9
После УФ (УФ включен) 0.11 ± 0.01 0.008 ± 0.006 15.5 ± 2.0 2.5 ± 0.5 0.7 ± 0.3 95.3 ± 0.2
Озон при 525 мВ и УФ
Перед O3 камерой 0.05 ± 0.00 0.013 ± 0.004 15.5 ± 0.6
После O3 камеры 0.13 ± 0.03 0.004 ± 0.001 14.7 ± 1.2
После УФ (УФ включен) 0.14 ± 0.02 0.012 ± 0.007 14.8 ± 0.6 2.4 ± 0.6 1.0 ± 0.6 95.9 ± 0.3
Озон при 20 млрд-1 и УФ
Перед O3 камерой 0.04 ± 0.02 0.018 ± 0.014 12.6 ± 1.0
После O3 камеры 0.11 ± 0.02 0.006 ± 0.002 11.9 ± 1.2
После УФ (УФ включен) 0.10 ± 0.02 0.015 ± 0.010 12.1 ± 1.0 2.2 ± 0.2 1.7 ± 0.3 96.8 ± 1.0

Таблица 3. Средние значение (± ошибка средней) общий аммонийный азот (TAN), нитрит, нитрат, общие твердые частицы (TSS), цвет воды, % пропускания УФ

Даже без введения озона, вследствие высокой эффективности песочного фильтра, концентрация NO2-N в УЗВ поддерживались на очень низком уровне (т.е. NO2-N до уровня, находящегося на границе обнаружения нитрита. Подобный эффект от введения озона широко известен (Summerfelt et al., 1997; Christensen et al., 2000). Кроме того, докладывалось о том, что озонирование улучшает удаление твердых частиц при посредничестве пенного фракционирования и осаждения (Summerfelt and Hochheimer, 1997). Summerfelt et al. (1997) докладывал, что внесение лишь 25 г O3 на килограмм корма улучшает характеристики микросетчатого фильтра: удаление TSS возрастает на 35 %, образование иловой воды (отделяющаяся при отстаивании ила) снижалось до 53%, объем осаждаемого ила снижался до 77%.

Концентрация озона (мг/л) и доза на единицу вносимого корма
Концентрация вводимого O3 и его доза на единицу корма (т.е. технические требования O3) определялись в каждом эксперименте. Результаты показывают, что ежедневная средняя доза 27-29 г O3 на килограмм корма позволяет добиться редокс-потенциала 375 мВ (28±4 г/кг), 450 мВ (29±3 г/кг) или 525 мВ (29±2 г/кг), либо концентрации растворенного озона 20 млрд-1 (27±3 г/кг) в водном потоке непосредственно перед УФ-стерилизатором. Без УФ-обработки для достижения редокс-потетенциала 375 мВ в конце контактной камеры озонатора требуется ежедневная средняя доза 21±2 г/кг O3 на килограмм корма.

Обработка ORP (мВ) a Проба растворенного O3 (млрд-1) a Ампула растворенного O3 (млрд-1) a O3 к корму (г/кг) Доза O3 (мг/л)
Контроль (без O3 и без УФ) 333 ± 15 0 ± 0 0 ± 0
375 мВ/без УФ 356 ± 19 1 ± 1 1 ± 1 21 ± 2 0.23 ± 0.03
375 мВ 375 ± 0 3 ± 0 0 ± 0 28 ± 4 0.38 ± 0.04
450 мВ 450 ± 0 7 ± 2 2 ± 1 29 ± 3 0.39 ± 0.06
525 мВ 525 ± 0 12 ± 3 7 ± 2 29 ± 2 0.34 ± 0.04
20 млрд-1 607 ± 32 20 ± 0 22 ± 3 27 ± 3 0.34 ± 0.05

Таблица 4. Средние значения концентрации (± ошибка средней) используемого озона (мг/л) и дозы озона на единицу корма (г/кг). Значения ORP и концентрации растворенного озона включают измерения датчиков и данные химического анализа в конце контактной камеры озонатора. a — регистрация проходила в конце контактной камеры озонатора

Результаты раннего исследования (Brazil, 1996; Summerfelt et al., 1997) свидетельствуют о том, что контроль качества воды в УЗВ может обеспечиваться внесением лишь 15-25 г O3 на килограмм корма. Эти значения также благотворно сказываются на здоровье рыб (Brazil, 1996; Bullock et al., 1997), предотвращают вторичные вспышки жаберных инфекций у радужной форели без использования химиотерапии, однако не обеспечивают даже 1log10 снижения числа гетеротрофных бактерий (Bullock et al., 1997). В исследовании, которое освещено в данной статье, внесение озона в дозе 27-29 г/кг корма перед облучением ультрафиолетом достаточно для создания минимальной остаточной концентрации этого газа (измерялся по редокс-потенциалу – 375 — 525 мВ или концентрации растворенного O3 – 20 млрд-1). Этих значений достаточно для удовлетворения запросов, порождаемых нитритом и органическим углеродом в УЗВ. Полученные результаты свидетельствуют о том, что используя УФ-излучение непосредственно после озонатора, можно повысить исходную концентрацию вносимого озона. Таким образом, в присутствии обработки ультрафиолетовым обучением требуется 27-29 г/кг корма O3, а в отсутствии – лишь 21±2 г O3. Возрастание запросов может быть обусловлено разрушением гидроксильных радикалов или других остатков озона, когда поток проходит через УФ-стерилизатор.

Для поддержания редокс-потенциала на уровне 375, 450 или 525 мВ, или концентрации растворенного O3 – 20 млрд-1 в воде перед её поступлением в стерилизатор (т.е. время гидравлического удержания озона в контактной камере примерно 2 минуты) требуется ежедневная доза O3 – 0.34-0.39 мг/л (соответственно, 0.38±0.04, 0.39±0.06, 0.34±0.04 или 0.34±0.05 мг/л). В отсутствии УФ облучения ежедневной средней дозы озона 0.23±0.03 мг/л достаточно для достижения редокс-потенциала – 375 мВ в конце контактной камеры озонатора. Эти средние значения примерно в 10 раз ниже, чем 3 мг/л озона, необходимого для дезинфекции поверхности воды (Summerfelt et al., 2008).

Авторы работы считают, что средняя ежедневная необходимая доза озона гораздо ниже (т.е. 0.34-0.39 г/л против примерно 3 мг/л), так как вода обрабатывается и вторично используется примерно 50 раз на дню. В более ранних исследованиях, в которых обрабатывался отводящий сток в схожей системе, для поддержания 0.05, 0.1 и 0.2 мг/л O3, при среднем времени гидравлического удержания в контактной камере 8 и 16 минут, в воду вносилось примерно 0.75-1.2 мг/л озона (Sharrer and Summerfelt, 2007). Средняя ежедневная доза озона в работе с отводящим стоком была выше, вероятно потому, что значительная часть водного потока недостаточно озонировалась, и концентрации O3 было не достаточно для удовлетворения потребностей дезинфекции.

Контроль с обратной связью. Регистрация редокс-потенциала (ORP) против проб растворенного озона
Пропорционально-интегральный (PI) регулятор с обратной связью успешно контролировал концентрацию озона в автоматическом режиме так, чтобы значения редокс-потенциала и среднее значение остаточной концентрации растворенного озона сохранялись на установленном уровне. Концентрация растворенного O3 коррелировала с редокс-потенциалом при измерении в одних точках и временных интервалах, особенно, когда сравнивались средние значения. Авторы отметили, что более эффективно непрерывно регистрировать редокс-потенциал по сравнению с определением концентраций растворенного озона. Кроме того, датчики ORP значительно дешевле, их проще калибровать и сохранять, чем зонд для регистрации растворенного O3. В частности, вследствие изначального обрастания мембраны, датчики растворенного озона извлекались из проточной ячейки, предоставленной изготовителем, и помещались непосредственно в обрабатываемую воду с модифицированным корпусом датчика, чтобы защитить его и не препятствовать току воды через мембрану.

График 5. Зависимость концентрации растворенного озона (млрд-1) от редокс-потенциала (мВ). Регистрация проходила одновременно в одних точках на конце контактной камеры озонатора (in situ). Линейная регрессия показала корреляцию между двумя показателями.

Калибровка датчика для измерения концентрации растворенного озона требует его погружение в свободную от окислителей воду на 24 часа, перед введением в озонированную воду на 3-4 часа. Процедура калибровки датчика ORP требует его погружения на 1-2 часа в стандартный раствор с редокс-потенциалом 200 мВ. Подтверждение калибровки для обоих датчиков проводилось в течение 5 минут O3-контроллером Hach sc100. Процедура настройки PI-регулятора с обратной связью олинакова для датчиков ORP и измерения концентрации озона. Однако в плане мониторинга и автоматического контроля поступления озона датчик ORP оказывается таким же эффективным, как и пробы растворенного озона. Кроме того, датчик измерения концентрации O3 имеет очень низкий порог чувствительности (минимум 1 млрд-1), что затрудняет его калибровку. Тем не менее, датчик уровня растворенного озона быстрее реагирует на незначительные изменения концентрации этого газа. В свою очередь, датчик ORP регистрирует стабильные значения с минимальными отклонениями от установленной точки. Он быстро реагирует на возрастание уровня O3, но медленно – на внезапное падение концентрации растворенного O3.

Контроль УФ-излучения и редокс-потенциала (ORP) для безопасности гидробионтов
Необходимо избегать риска нахождения рыб в воде с высокой концентрацией O3. Этот газ вызывает разрушения тканей и даже гибель рыб. Концентрация растворенного O3, разрушающая жабры, варьирует от 1 до 6 млрд-1 (Roselund, 1974), а летальная доза для радужной форели составляет примерно 8 млрд-1 (Wedemeyer et al., 1979a,b). На этом уровне растворенный озон разрушает эпителий, покрывающий жаберные ламеллы, что приводит к резкому падению осмотическое давление сыворотки крови. Если при этом смерть не наступает немедленно, рыба с разрушенными тканями становится очень восприимчивой к микробным инфекциям. Первые симптомы отравления озоном проявляются в изменении поведения рыб. Они прекращают питаться и собираются у поверхности воды, иногда глотают воздух. Плавательная активность становится беспорядочной, рыбы пытаются выпрыгнуть из воды. Иногда они передвигаются рывками. Позднее особи теряют вертикальное положение тела, становятся бледными с темными вертикальными линиями по бокам.

Авторы приведенного исследования не отмечали подобное поведение в своей работе. Фактически, используемой в работе дозы ультрафиолета было достаточно для разрушения любых остаточных концентраций озона на выходе из контактной камеры озонатора и перед поступлением воды в бассейн с рыбой. Данное утверждение подтверждается регистрацией ORP на выходе УФ-стерилизатора. Полученные результаты согласуются с ранними исследованиями, в которых ультрафиолет в дозе 50 мДж/см2 непрерывно удалял весь растворенный озон, поступающий в УФ-стерилизатор в концентрации ≤0.1 мг/л (Summerfelt et al., 2004). С целью защиты от поломки УФ-стерилизатора на его выходе регистрировался ORP, а контроллер использовался для закрытия соленоидного клапана в случае превышения редокс-потенциала более 375 мВ. Эта система обезопасила рыбу от даже незначительных концентраций растворенного озона. Редокс-потенциал на выходе из УФ-стерилизатора и в бассейнах с рыбой составлял примерно 300 мВ, что соответствовало концентрации O3 менее 1 млрд-1. Это значение безопасно для культивирования радужной форели (Bullock et al., 1997). Стоит отметить, что, когда стерилизация ультрафиолетом не планируется после озонирования, необходима система безопасности (вспомогательные датчики ORP, установка более низких значений ORP).

Процедуры обеспечения безопасности персонала
Перенос насыщенной озоном кислородной смеси от озонатора до низконапорного оксигенатора требует соответствующие трубы и системы контакта газовой и жидкостной фаз, которые обеспечивали бы безопасность персонала и надежность установки. Как только после установки утечка газов была устранена, трубы и обжимные фитинги из нержавеющей стали марки 316 и клапана с тефлоновыми прокладками и уплотнениями показали свою надежность.

В случаях, когда поток воды к низконапорному оксигенатору (LHO) сильно снижался или пропадал, поплавковый выключатель, установленный над распределительной пластиной LHO, опускался и вызывал закрытие соленоидного клапана. Этот клапан перекрывал поток газовой смеси из озонатора и препятствовал его утечки в атмосферу. Для дополнительной безопасности выходящие из LHO газы выветривались из помещения, предотвращая накопление озона.

Между бассейном с рыбой и LHO устанавливался газовый детектор, также оберегающий персонал от потенциально опасного уровня озона в воздухе. Когда концентрация O3 в воздухе превышала 0.07 млн-1, он извещал звуковым и световым сигналом тревоги. Кроме того, удаленный выключатель генератора O3 находился рядом с входной дверью.

Заключение
Полная инактивация гетеротрофных бактерий в общем водном потоке достигалась путем озонирования и последующей УФ-стерилизации, перед возвращением воды в бассейны с рыбой. Озонирование можно контролировать с помощью PI-регулятора с обратной связью, который контролирует концентрацию озона в системе. Наилучшая дезинфекция отмечается при ORP 425 или 525 мВ, либо концентрации растворенного O3 20 млрд-1, времени гидравлического удержания в контактной камере 2 минуты. Затем должно проводиться облучение ультрафиолетом. Большинство бактерий уничтожается УФ-излучением, однако озонирование вносит существенный вклад в этот процесс, вероятно, потому что увеличивает % пропускания ультрафиолетового излучения или снижает концентрацию твердых частиц. Более того, озонирование улучшает качество воды (особенно TSS, NO2-N, цвет, % пропускания УФ) в общем водном потоке без необходимости повышения ежедневных водных подмен. Ежедневной средней дозы O3 0.34-0.39 мг/л (эквивалентно 27-29 г озона на килограмм корма) достаточно для поддержания ORP на уровне 375, 450 и 525 мВ, либо концентрации растворенного озона 20 млрд-1 в водном потоке перед УФ-стерилизатором. Однако в отсутствии облучения ультрафиолетом редокс-потенциал 375 мВ в конце контактной камеры достигается при средней дозе O3 23±3 мг/л (эквивалентно 21±2 г O3 на килограмм корма). Это свидетельствует о том, что использование УФ излучения после озонирования позволяет увеличить дозу O3.
——
по информации:
Steven T. Summerfelt, Mark J. Sharrer, Scott M. Tsukuda, Michael Gearheart. Process requirements for achieving full-flow disinfection of recirculating water using ozonation and UV irradiation. Aquacultural Engineering. Volume 40, Issue 1, January 2009, Pages 17–27

Похожие статьи:

УФ дезинфекция воды в УЗВ

Озонирование воды в УЗВ

Редокс потенциал воды и озон

Установки для УФ-стерилизации SafeGUARD

Лампа для ультрафиолетового стерилизатора

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

× два = два