Ультрафиолетовое обеззараживание воды
Ультрафиолет UV
Ультрафиолетовым называется электромагнитное излучение в пределах длин волн от 10 до 400 нм. Для обеззараживания используется «ближняя область»: 200–400 нм (длина волн природного ультрафиолетового излучения у поверхности земли больше 290 нм). Наибольшим бактерицидным действием 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. 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 реакция – необратимые повреждения ДНК и РНК. Кроме того, действие ультрафиолетового излучения вызывает нарушения в структуре мембран и клеточных стенок микроорганизмов. Все это в конечном итоге приводит к их гибели.
Технология ультрафиолетового обеззараживания
УФ-стерилизатор представляет собой металлический корпус, внутри которого находится бактерицидная лампа. Она, в свою очередь, помещается в защитную кварцевую трубку. Вода омывает кварцевую трубку, обрабатывается ультрафиолетом и, соответственно, обеззараживается.
В одной установке может быть несколько ламп. Основной параметр, определяющий эффективность обеззараживания воды – доза УФ-излучения (D, мДж/см2) – произведение интенсивности потока бактерицидных лучей на продолжительность облучения. Степень инактивации или доля погибших под воздействием УФ-излучения микроорганизмов пропорциональны интенсивности излучения и времени воздействия. Соответственно количество обезвреженных (инактивированных) микроорганизмов экспоненциально растет с увеличением дозы облучения. Из-за различной сопротивляемости микроорганизмов доза ультрафиолета, необходимая для инактивации, например 99,9%, сильно варьируется от малых доз для бактерий до очень больших доз для спор и простейших. При прохождении через воду УФ-излучение ослабевает вследствие эффектов поглощения и рассеяния. Для учета этого ослабления вводится коэффициент поглощения водой k, значение которого зависит от качества воды, особенно от содержания в ней железа, марганца, фенола, а также от мутности воды. При отсутствии экспериментальных данных можно пользоваться значениями k, см-1:
- для родниковой, грунтовой и инфильтрационной воды – 0,15;
- для поверхностной обработанной (очищенной) воды – 0,2–0,3.
Условия применения метода
Обеззараживание УФ-излучением рекомендуется применять для обработки воды, соответствующей требованиям:
мутность – не более 2 мг/л (прозрачность по шрифту C 30 градусов);
цветность – не более 20 градусов платино-кобальтовой шкалы;
содержание железа (Fe) – не более 0,3 мг/л (по СанПиН 2.1.4.1074-01) и 1 мг/л (по технологии установок УФ);
коли-индекс – не более 10 000 шт./л.
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-коли обладает одним из самых больших коэффициентов сопротивляемости к этому типу воздействия в общем ряду интеробактерий, в том числе и патогенных. Опыт применения ультрафиолета показывает:
если в установке доза облучения обеспечивается не ниже определенного значения, то гарантируется устойчивый эффект обеззараживания. В мировой практике требования к минимальной дозе облучения варьируются в пределах от 16 до 40 мДж/см2. Минимальная доза, соответствующая российским нормативам, – 16 мДж/см2.
Положительные и отрицательные качества ультрафиолетового метода обеззараживания воды
Достоинства:
наименее «искусственный» – работают ультрафиолетовые лучи;
универсальность и эффективность поражения различных микроорганизмов – УФ-лучи уничтожают не только вегетативные, но и спорообразующие бактерии, которые при хлорировании обычными нормативными дозами хлора сохраняют жизнеспособность;
физико-химический состав обрабатываемой воды сохраняется;
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;
в соотношении «качество обеззараживания / цена» метод лучше других.
Недостатки:
падение эффективности при обработке плохо очищенной воды (мутная, цветная вода плохо «просвечивается»);
периодическая отмывка ламп от налетов осадков, требующаяся при обработке мутной и жесткой воды;
отсутствует «последействие», то есть возможность вторичного (после обработки излучением) заражения воды.
Источник бактерицидного излучения
В настоящее время для обеззараживания воды применяется два основных типа ламп: ртутные газоразрядные лампы низкого (ЛНД) и высокого (ЛВД) давления. ЛНД имеют высокий (до 40%) КПД преобразования электрической энергии в излучение бактерицидного диапазона и сравнительно низкую (до 200 Вт) единичную мощность. ЛВД имеют низкий (до 8%) КПД и высокие (до 10 кВт) единичные мощности. В спектре излучения ЛВД присутствует коротковолновое излучение, способное приводить к образованию озона. Что создает дополнительные трудности в обеспечении безопасной работы персонала. 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 – 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. В настоящее время разработана новая серия УФ-ламп – амальгамных низкого давления повышенной мощности (до 200–350 Вт), не содержащих свободной ртути. Эта конструкция ламп позволяет создавать компактные УФ-системы большой производительности до 3000 м3/ч питьевой воды. А также существуют бактерицидные лампы с длиной волны 185 нм. Бактерицидное излучение с такой длиной волны более действенно, чем у излучения с длиной волны 254 нм. Для пропуска излучения с такой длиной волны разработчикам удалось создать специальное кварцевое стекло. Энергозатраты: 8–70 Вт на установке производительностью 500 л/ч. Эффективный выход излучения – 25% мощности лампы. В установке достигается синэнергетический эффект: в одном корпусе объединены устройства, генерирующие кавитацию и ультрафиолетовое излучение – так, что бактерии и вирусы подвергаются их одновременному воздействию.
