Экологичная ультразвуковая система очистки контролирует рост водорослей в отстойном пруду электростанции. Специалисты по очистке воды для борьбы с водорослями в отстойниках электростанций обычно используют химические вещества. Возможно, этот метод очистки эффективен, но экологически чистая ультразвуковая технология работает лучше и не оказывает вредного воздействия на флору и фауну.
В США Национальная программа системы ликвидации выбросов загрязняющих веществ (NPDES) была создана в 1972 году в соответствии с Законом о чистой воде. Цель NPDES - решить проблему водных экосистем путем регулирования точечных источников, которые сбрасывают загрязняющие вещества в воды.
Ограничения на стоки служат основным механизмом NPDES для контроля сбросов загрязняющих веществ в водоприемники. Рекомендации по ограничению стоков для негосударственных предприятий устанавливаются Агентством по охране окружающей среды США. Они разрабатываются на основе степени сокращения выбросов загрязняющих веществ, достижимой для той или иной промышленной категории путем применения технологий контроля загрязняющих веществ.
Электростанциям сложно соблюдать ограничения, установленные в разрешениях NPDES. Например, генерирующая станция Rollin M. Schahfer компании Northern Indiana Public Service Co. (NIPSCO), расположенная в округе Джаспер недалеко от Уитфилда (штат Индиана) эксплуатирует четыре угольных блока общей мощностью около 1943 МВт. Для их охлаждения используется вода из реки Канкаки. Перед сбросом в реку вода поступает в бассейн для окончательной отстойки. Площадь поверхности бассейн составляет около 194 акров, а средняя глубина около 10,7 футов.
Вода, которая сбрасывается обратно в реку должна соответствовать следующим ограничениям NPDES: концентрация общего количества взвешенных твердых частиц (TSS) - менее 30 частей на миллион (ppm) на ежедневной основе и менее 15 ppm в среднем за месяц, а pH воды - менее 9. В отстойниках обычно содержится много питательных веществ, а температура воды в бассейне Шахфера выше, чем в реке, так как она нагревается конденсаторами при прохождении через станцию. Такие условия приводят к быстрому росту водорослей, что отрицательно сказывается на TSS и pH.
В течение многих лет NIPSCO использовала альгициды, чтобы вода в окончательном отстойнике соответствовала ограничениям NPDES. Однако стоимость альгицидов довольно высока, а способы их применения ограничены, например, альгициды нельзя добавлять в бассейн, так как часть сточных вод из пруда поступает в реку. Компания протестировала другие варианты снижения уровня TSS, но результаты были противоречивыми, а фильтры из образцов TSS часто забивались водорослями. Также рассматривалась возможность фильтрации сточных вод из пруда, но это оказалось экономически не выгодно.
Ультразвуковая обработка.
NIPSCO обратилась в компанию LG Sonic, которая называет себя «лидером в области устойчивого управления водорослями». NIPSCO совместно с LG Sonic разработали ультразвуковое решение на основе технологии MPC- Buoy от LG Sonic. MPC-Buoy - это плавучая система на солнечных батареях, сочетающая контроль качества воды в режиме реального времени и ультразвуковые волны для эффективного контроля над водорослями.
«Технология контроля над водорослями с помощью ультразвука малой мощности существует давно. Это экологически чистая технология, безвредная для рыб и растений», - сказала Лиза Бранд, технический директор LG Sonic.
Ультразвук можно использовать как в пресноводных водоемах (озера, резервуары с питьевой водой и ирригационные бассейны), так и в море. Контролируя рост водорослей, можно добиться улучшения прозрачности воды и снизить TSS и pH.
Наука, лежащая в основе технологий.
Чтобы понять, как система MPC-Buoy от LG Sonic воздействует на водоросли, необходимо рассмотреть механизм роста водорослей. Все одноклеточные планктонные водоросли должны находиться на поверхности воды, так как для их жизнедеятельности необходим свет. Днем в водорослях происходит процесс фотосинтеза, при котором для производства кислорода и полисахаридов используется углекислый газ и растворенные питательные вещества из окружающей воды.
Система LG Sonic для борьбы с водорослями передает определенные ультразвуковые волны. Звуковые волны распространяются через толщу воды на сотни метров и создают звуковой слой в верхнем слое воды, который влияет на регулирование плавучести водорослей, закрепляя их в толще воды. Клетки водорослей опускаются в более глубокие и темные слои водоема, где фотосинтез не возможен и погибают из-за недостатка солнечного света.
В зависимости от типа водорослей, с которыми необходимо бороться, используются специальные программы частот. Так как процесс жизнедеятельности водорослей меняются в зависимости от сезона, возможность изменения ультразвуковых частот важна для долгосрочного успеха.
Ультразвуковой контроль существенно не влияет на количество водорослей, которые находятся в озере или водохранилище. Однако прямое воздействие ультразвука на вертикальное распределение водорослей в толще воды напрямую влияет на их цветение. Как правило, при использовании ультразвука концентрация цветения водорослей снижается на 70–90% по сравнению с необработанным водоемом.
MPC-Buoy.
MPC-Buoy LG Sonic использует специфический ультразвук малой мощности (5–20 Вт), который, как показали многочисленные исследования, безвреден для рыб и водных растений. Однако существуют и другие ультразвуковые методы. Менее экологичным способом является кавитация, при которой мощный ультразвук вызывает образование пузырьков, взрывающихся и вызывающих интенсивное нагревание и давление, которое может разрушать клетки и оказывать вредное воздействие на экосистему. Кроме того, из-за высоких требований к мощности для систем кавитационного типа нецелесообразно использовать этот метод для обработки озер или любой большой водной поверхности.
«Специалисты LG Sonic оказывают постоянную поддержку и анализируют, как лучше поместить установки в резервуарах; оценивают необходимое количество химикатов при обработке водорослей ультразвуком; и консультируют по вопросам общего управления водоемами. LG Sonic осуществляет мониторинг и обработку водоемов по всему миру», - сказал Бранд.
Для отстойника Шахфера компания LG Sonic разработала установку с двумя блоками MPC-Buoy Pro и тремя блоками MPC-Buoy Lite (рис. 1). Устройства Pro состоят из ультразвуковых передатчиков и датчиков контроля качества воды, которые настраиваются в соответствии с запросами пользователей. В комплект Lite входят только ультразвуковые передатчики без датчиков мониторинга. Устройства Lite получают инструкции по ультразвуковой обработке от устройств Pro.
1. Система MPC-Buoy, установленная на генерирующей станции RM Schahfer, использует солнечные фотоэлектрические элементы для питания ультразвуковых передатчиков для борьбы с водорослями.
Система MPC-Buoy не требует использования химикатов или других расходных материалов. Однако датчики необходимо чистить. Чистку необходимо проводить раз в два месяца, что занимает всего пару часов. Периодичность технического обслуживания на других установках может варьироваться в зависимости от местоположения, качества воды и погодных условий.
Извлеченные уроки.
Система MPC-Buoy была установлена на объекте Schahfer 1 апреля 2019 года. Компания NIPSCO планировала установить устройства до начала роста водорослей.
LG Sonic утверждает, что ее устройства имеют прочные и продуманные конструкции, что упрощает их установку и обслуживание. По словам компании LG Sonic, NIPSCO может установить пять устройств в течение одной восьмичасовой смены. Демонтаж и укладка также выполняются за восемь часов.
В день установки системы MPC-Buoy компания NIPSCO прекратила подачу химикатов в отстойный пруд на станции Schahfer. Это оказалось ошибкой и привело к цветению водорослей, так как ультразвук еще не начал действовать. Теперь LG Sonic рекомендует проводить как минимум две недели ультразвукового лечения и мониторинга, прежде чем вносить изменения в предыдущие схемы.
«Озера - хрупкая экосистема, и изменения не происходят быстро. NIPSCO с пониманием отнеслась к этому процессу, поскольку для них главным приоритетом было не превысить лимиты сброса», - сказал Бранд.
В 2020 году возникла проблема из-за недостаточно закрепленной установки. Она была временно закреплена на месте с помощью троса, но когда на место обрушился ураган, была повреждена при ударе о берег. К счастью, благодаря модульной конструкции потребовалось заменить только два преобразователя и датчик pH.
«Обслуживание установок лучше всего проводить с лодки, в которой могут разместиться три человека, чтобы два человека могли работать над бортом лодки», - сказал Бранд.
Благоприятные результаты.
«Мы использовали как альгицид [четвертичный амин], так и УФ-блокатор на всех наших градирнях. К концу сезона [2019] мы отказались от использования химикатов, блокирующих УФ-лучи, и сократили содержание альгицида на 25%», - сказал LG Sonic Брайан Снайдер, старший специалист по химии и окружающей среде NIPSCO. «В 2020 году использование альгицида было сокращено до 33% от того объема, который использовался до установки [MPC-Buoy]».
Снайдер сообщил, что в 2020 году было несколько дней с более высоким, чем обычно, TSS, но среднемесячный уровень соответствия никогда не повышался. TSS регулярно находился ниже 6 промилле. Во время вебинара, проведенного 1 июля 2020 года, Снайдер продемонстрировал снимки водохранилища до и после установки (2018 г. по сравнению с 2019 г.), показывающие, что вода в бассейне стала чище.