6.1. Описание метода
Электромагнитное излучение в пределах длин волн от 10 до 400 нм называется ультрафиолетовым.
Для обеззараживания природных и сточных вод используют биологически активную область спектра УФ-облучения с длиной волны от 205 до 315 нм, называемую бактерицидным излучением. Наибольшим бактерицидным действием (максимум вирулицидного действия) обладает электромагнитное излучение на длине волны 200–315 нм и максимальным проявлением в области 260±10 нм. В современных УФ-устройствах применяют излучение с длиной волны 253,7 нм.
а – кривая бактерицидного действия ультрафиолета б – кривая бактерицидного действия ультрафиолета и спектры поглощения ДНК и протеина
Метод УФ-дезинфекции известен с 1910 г., когда были построены первые станции для обработки артезианской воды во Франции и Германии. Бактерицидное действие ультрафиолетовых лучей объясняется происходящими под их воздействием фотохимическими реакциями в структуре молекулы ДНК и РНК, составляющими универсальную информационную основу механизма воспроизводимости живых организмов.
Результат этих реакций – необратимые повреждения ДНК и РНК. Кроме того, действие УФ-излучения вызывает нарушения в структуре мембран и клеточных стенок микроорганизмов. Всё это в конечном итоге приводит к их гибели.
Механизм обеззараживания УФ-облучением основан на повреждении молекул ДНК и РНК вирусов. Фотохимическое воздействие предполагает разрыв или изменение химических связей органической молекулы в результате поглощения энергии фотона. Имеют место также вторичные процессы, в основе которых лежит образование в воде под действием УФ-облучения свободных радикалов, которые усиливают вирулицидный эффект.
Степень инактивации или доля погибших под воздействием УФ-излучения микроорганизмов пропорциональна интенсивности излучения и времени воздействия.
Произведение интенсивности излучения и времени называется дозой облучения (мДж/см2) и является мерой вирулицидной энергии. Из-за различной сопротивляемости микроорганизмов доза ультрафиолета, необходимая для их инактивации на 99,9 %, сильно варьируется от малых доз для бактерий до очень больших доз для спор и простейших.
Схема установки для УФ-обеззараживания воды
6.2. Доза излучения
Основными факторами, влияющими на эффективность обеззараживания природных и сточных вод УФ-облучением, являются:
– чувствительность различных вирусов к действию УФ-облучения;
– мощность лампы;
– степень поглощения УФ-облучения водной средой;
– уровень взвешенных веществ в обеззараживаемой воде.
Различные виды вирусов при одинаковых условиях облучения различают по степени чувствительности к УФ-облучению. Дозы облучения, необходимые для инактивации отдельных видов вирусов на 99,0–99,9 %, приведены в табл. 5.
Таблица 5
(Информация приведена по данным МУК 43.2030-05 «Санитарно-вирусологический контроль эффективности обеззараживания питьевых и сточных вод УФ-облучением»).
При прохождении через воду УФ-излучение ослабевает вследствие эффектов поглощения и рассеивания. Степень поглощения определяется физико-химическими свойствами обрабатываемой воды, а также толщиной её слоя. Для учёта этого ослабления вводится коэффициент поглощения водой α, значение которого зависит от качества воды, особенно от содержания в ней железа, марганца, фенола, а также от мутности воды. Коэффициенты поглощения ультрафиолета питьевой водой, полученной из подземных источников водоснабжения, имеют значения 0,05–0,20, а из поверхностных – 0,15–0,30.
Как правило, чтобы обеззараживание воды проходило эффективно, она должна удовлетворять следующим требованиям: прозрачность – не ниже 85 %; количество взвешенных частиц – не более 1 мг/л; жесткость – менее 7 ммоль/л; общее содержание железа – не более 0,3 мг/л; марганца – не более 0,1 мг/л; содержание сероводорода – не более 0,05 мг/л; твердых взвешенных частиц – менее 10 мг/л; мутность – не более 2 мг/л по каолину; цветность – не более 35 градусов; число бактерий группы кишечной палочки не более 10 000 в 1 л.
Поэтому во всех случаях, когда качество воды отличается от стандарта на питьевую воду, выбор УФ-оборудования должен производиться специалистами.
При уф-облучении воды не существует проблемы передозировки-повышение дозы не приводит к неблагоприятным изменениям свойств воды и образованию побочных продуктов.
В мировой практике требования к минимальной дозе облучения варьируются в пределах от 16 до 40 мДж/см2, что обусловлено необходимостью обеспечения определенной степени инактивации в отношении вирусов и цист простейших. Практика и исследования, проведенные в России, позволяют выбирать дозу облучения в диапазоне от 16 до 45 мДж/см2, в зависимости от физико-химического качества воды, вида источника водоснабжения, количества и типа микроорганизмов в обеззараживаемой воде. Для достижения необходимого эффекта обеззараживания УФ-облучение должно применяться в дозе: не менее 16 мДж/см2 для воды из подземных источников I класса и питьевых вод; не менее 25 мДж/см2 для воды из подземных источников II, III класса и поверхностных источников; не менее 30 мДж/см2 для бытовых и городских сточных вод; не менее 40 мДж/см2 для любого типа вод при неблагоприятной эпидемической ситуации. Под неблагоприятной эпидемической ситуацией подразумевают систематическое обнаружение колифагов в питьевой воде и энтеровирусов в источнике и питьевой воде и (или) наличие водных вспышек энтеровирусных заболеваний.
Рекомендуемые дозы облучения в зависимости от качества воды по данным МУК 4.3.2030-05 «Санитарно-вирусологический контроль эффективности обеззараживания питьевых и сточных вод УФ-облучением» приведены в табл. 6.
При УФ-облучении воды не существует проблемы передозировки. Повышение дозы не приводит к гигиенически значимым неблагоприятным изменениям свойств воды и образованию побочных продуктов.
Совместное применение УФ-облучения и хлора при подготовке питьевой воды повышает надежность обеззараживания в отношении вирусов.
6.3. Аппаратурное оформление
УФ-стерилизатор представляет собой металлический корпус, внутри которого находится бактерицидная лампа. Она в свою очередь помещается в защитную кварцевую трубку, вода омывает её, обрабатывается ультрафиолетом и, соответственно, обеззараживается. В одной установке может быть несколько ламп.
Современные конструкции ламп обеспечивают необходимую мощность излучения на длине волны 253,7 нм, и этой мощности достаточно, чтобы в течение 3–5 с бактерицидное действие было максимальным.
Эффективность уничтожения бактерий и вирусов при этом составляет 99,9 %. При таком значении длины волны защитные чехлы должны изготавливаться из специальных материалов (увиолевое стекло, флюорит, кварцевое стекло и др.), так как, например, обычное оконное стекло непрозрачно для УФ-лучей с длиной волны меньше 320 нм.
Для оперативного санитарного и технологического контроля эффективности и надежности обеззараживания воды ультрафиолетом, как и при хлорировании и озонировании, применяется определение бактерий кишечной палочки (БГКП). Их использование для контроля качества воды, обработанной ультрафиолетом, основывается на том, что основной вид этой группы бактерий Е-coli обладает одним из самых больших коэффициентов сопротивляемости к этому типу воздействия в общем ряду энтеробактерий, в том числе и патогенных.
6.4. Рынок ультрафиолетовых обеззараживателей
На российском рынке водных технологий широко представлены как отечественные, так и зарубежные производители УФ-оборудования. Однако даже самое современное оборудование при неправильной эксплуатации может оказаться неэффективным. Наличие единых требований к конструкции и условиям применения УФ-оборудования позволяет, вне зависимости от производителя унифицировать контроль за ним, повысить качество продукции и надежность технологии.
Основное назначение данных требований – контроль за обеспечением требуемой дозы облучения, т. е. за эффективностью обеззараживания.
Помимо указанных общих технических требований, для каждого типа воды рекомендуются свои дозы облучения и условия применения.
Основным элементом установки УФ-обеззараживания является специальная лампа, которая и является источником УФ-излучения. Очень важными динамическими характеристами УФ-лампы являются скорость изменения мощности и срок службы источника излучения. Как показывает практика, в конце своего срока службы мощность излучения лампы составляет всего четверть от номинального значения.
Таблица 6
* Колифаги выделяют без концентрирования.
Известными производителями УФ-ламп являются AtlanticUltraviolet (США), UV-technik (Германия), Hanovia (Великобритания), TUV фирмы Philips (Голландия), которые имеют гарантированный срок службы в непрерывном режиме до 12 тыс. ч, со спадом мощности бактерицидного потока после 5 тыс.ч. – не более 15 %.
Отечественная промышленность выпускает ртутные лампы низкого давления мощностью от 10 до 100 Вт (например, марки ДБ).
Изделия названных компаний используются многими отечественными и зарубежными производителями, выпускающими установки для обеззараживания воды.
На рынке представлены УФ-обеззараживатели российского производства компаний: НПО «ЛИТ», ЗАО «Сварог» – установки серии «Лазурь-М», НПО «ЭНТ», ЗАО «Роса-Центр» и др. Иностранные обеззараживатели представлены марками AquaPro (Тайвань), Bewades (компания BWT, Германия), канадской компании R-CAN Sterilight (R-CAN, Канада), Wedeco (Германия) и др.
6.5. Место установки ультрафиолетового обеззараживателя в схеме очистки воды
Поскольку наличие взвешенных частиц, железа, солей жесткости снижает эффективность ультрафиолетового излучения, то в схеме очистки воды обеззараживатель ставится как последняя стадия очистки (, рис. 2).
6.6. Положительные и отрицательные качества метода
Достоинствами метода:
– наименее «искусственный» – ультрафиолетовые лучи;
– универсальность и эффективность поражения различных микроорганизмов – ультрафиолетовые лучи уничтожают не только вегетативные, но и спорообразующие бактерии, которые при хлорировании обычными нормативными дозами хлора сохраняют свою жизнеспособность;
– физико-химический состав обрабатываемой воды сохраняется неизмененным;
– отсутствие ограничения по верхнему пределу дозы;
– не требуется организовывать специальную систему безопасности как при хлорировании и озонировании;
– отсутствуют вторичные продукты;
– не нужно создавать реагентное хозяйство;
– оборудование работает без специального обслуживающего персонала.
Недостатки метода:
– падение эффективности при обработке плохоочищенной воды (мутная, цветная вода плохо «просвечивается»);
– периодическая отмывка ламп от налетов и осадков, требующаяся при обработке мутной и жесткой воды;
– отсутствует «последействие», т. е. не исключается возможность вторичного (после обработки излучением) заражения воды.