Ультрафиолетовое обеззараживание воды

Н. Горелова

Один из способов обеззараживания воды – обработка ультрафиолетовым излучением. Она применяется в различных сферах для водоподготовки, а также при очистке сточных вод

УФ-облучение наиболее перспективный метод обеззараживания воды с высокой эффективностью по отношению к патогенным микроорганизмам, не приводящий к образованию вредных побочных продуктов. УФ-оборудование легко вписывается в типовые технологические схемы, не требуется проведения значительных строительных работ на существующих сооружениях.

Принцип действия

Метод УФ-дезинфекции воды впервые был испытан еще в начале ХХ века. В первых работах по исследованию воздействия ультрафиолетового излучения на живые организмы был обнаружен оптимум длин волн для инактивации микроорганизмов, находящийся в области 250–266 нм, и построена кривая бактерицидного действия (рис. 1). Установлено, что наибольшим бактерицидным действием обладают ультрафиолетовые лучи с длиной волны от 200 до 295 мкм. Максимум эффективности располагается около 254 мкм.

Рис. 1. Кривая бактерицидного действия УФ-лучей

Понимание механизма УФ-обеззараживания было достигнуто в 1960-х гг. при сопоставлении действия ультрафиолета с реакциями, происходящими в молекулах. Так, установлено, что инактивация бактерий происходит в основном за счет необратимых повреждений ДНК. Другим воздействием УФ-облучения на микроорганизмы является повреждение клеточных мембран. Формула для вычисления степени обеззараживания выглядит следующим образом:

где No – количество клеток до облучения;
N – количество клеток после облучения;
I – интенсивность УФ-излучения;
t – время облучения;
k – коэффициент, зависящий от вида микроорганизмов.

Сопротивляемость многих типов микроорганизмов к УФ-излучению значительно меняется: от малых доз (для бактерий) до сравнительно больших (для спор). В большинстве случаев микроорганизмы по степени сопротивляемости к УФ-излучению располагаются следующим образом: вегетативные бактерии < цисты простейших < вирусы < бактериальные споры.

Доза облучения D или количество энергии, сообщаемое микроорганизмам, является главной характеристикой установки УФ-обеззараживания. Она равна произведению средней интенсивности (I) облучения на среднее время нахождения под облучением (t):

D= I•t.

Поскольку, в отличие от вариантов с использованием химических реагентов, при применении УФ-обеззараживания отсутствует необходимость в ограничении верхнего предела дозы облучения, можно всегда выбрать оптимальную дозу для конкретных условий. Рекомендуется обеспечение в промышленных условиях доз УФ-облучения 25–40 мДж/см², в зависимости от качества подвергаемой обеззараживанию воды в эпидемической ситуации.

Время обеззараживания при УФ-облучении составляет 1–10 с в проточном режиме (отсутствует необходимость создания контактных емкостей). При этом современные УФ-лампы имеют высокий эксплуатационный ресурс.

Источники излучения

Основной элемент установки УФ-обеззараживания – лампа, служащая источником ультрафиолетового излучения. Существует два основных вида бактерицидных ламп: ртутные, газоразрядные низкого (НД) и высокого (ВД) давления. Лампы низкого давления имеют высокий КПД преобразования электрической энергии в излучение и сравнительно невысокую (до 200 Вт) единичную мощность, чаще всего – от 15 до 30 Вт (табл.).

Таблица. Характеристики ламп низкого и среднего давления

Параметр	Лампы НД	Лампы СД
КПД преобразования электрической энергии в бактерицидную, %	До 40	До 20
Единичная мощность лампы	До 350 Вт	До 10 кВт
Рабочая температура поверхности, °C	40–140	Более 600
Срок службы, ч	До 16 000	До 8000
Спад интенсивности излучения к концу срока эксплуатации, %	15–30	30–50

УФ-лампы высокого давления обладают большой (до 10 кВт) мощностью, что позволяет сократить их число и уменьшить габариты установки, но меньшим энергетическим КПД использования излучения. В спектре этих ламп присутствует коротковолновое излучение, способное приводить к образованию озона.

Все лампы для снижения потерь энергии выполнены из увиолевого стекла (стекло, обладающее повышенным пропусканием ультрафиолетового излучения) и имеют интенсивное излучение в области от 200 до 300 нм с максимумом при длине волны 253 нм. В процессе работы мощность УФ-лампы падает. Важные динамические характеристики УФ-лампы – скорость изменения мощности и срок службы источника излучения.

Влияние качества воды на эффективность работы УФ-установок зависит от типа ламп. При использовании ламп с высокой энергией излучения и «размытым» спектром излучаемых волн (СД) наряду с бактерицидным эффектом существует вероятность образования побочных продуктов, например, нитритов. В связи с этим, в Западной Европе нормативными документами запрещено использование ламп, имеющих в своем спектре излучения длину волн ниже 240 нм. Кроме того, вследствие высокой температуры лампы СД, кварцевый чехол сильно подвержен загрязнению.

В настоящее время чаще используют амальгамные лампы низкого давления повышенной (до 350 Вт) мощности.

Известными производителями УФ-ламп являются: Atlantic Ultraviolet (США), UV-technik (Германия), Philips (Голландия), Hanovia (Великобритания).

Оборудование

Для обеззараживания воды наибольшее распространение получили установки проточного типа (рис. 2), которые состоят из камеры облучения и щита управления. Как правило, камера облучения представляет собой цилиндрический корпус из нержавеющей стали, в котором располагаются один или несколько кварцевых «чехлов» для УФ-ламп. В корпусе имеются два штуцера для протока воды. Основные характеристики камеры – производительность и доза облучения, выраженная в количестве световой энергии, падающей на единицу площади (мДж/см²) водяного потока.

Рис. 2. Установки для УФ-обеззараживания

В мировой практике требования к минимальной дозе облучения варьируются от 16 до 40 мДж/см²: не менее 25 мДж/см² для воды поверхностных источников и не менее 40 мДж/см² для любого типа вод (при неблагоприятной эпидемической ситуации).

Доза определяется интенсивностью потока лучистой энергии, временем нахождения потока в зоне облучения (обычно 1–3 с) и прозрачностью обрабатываемой воды. Дело в том, что прозрачность воды влияет на количество поглощенной световой энергии, которая не расходуется на обеззараживание, и зависит также от толщины водного слоя.

Поэтому реальные величины дозы облучения пропорциональны коэффициенту пропускания ультрафиолетовых лучей. Для воды из подземного источника он составляет 0,95–0,80, для воды из реки – 0,85–0,70, а для сточной воды – 0,40–0,60.

Следует обратить особое внимание, что многие производители УФ-оборудования указывают дозу облучения, рассчитанную для коэффициента пропускания 0,9–0,96, что соответствует воде с высокой прозрачностью, и в реальных условиях такие установки могут проводить недостаточно эффективную обработку.

Как правило, чтобы обеззараживание воды проходило эффективно, ее прозрачность в УФ-диапазоне должна быть не ниже 70% (для питьевой воды); количество взвешенных частиц – не более 1,5 мг/л; жесткость – менее 7 ммоль/л; общее содержание железа – не более 0,3 мг/л; марганца – не более 0,1 мг/л; 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 10000 в 1 л.

Конечно, УФ-обработке можно подвергать и воду, имеющую значительные примеси, но в этом случае необходимо учитывать, что часть энергии будет утеряна. Помимо прозрачности воды, на эффективность облучения оказывают влияние конструкция и расположение кварцевых кожухов УФ-ламп: наличие турбулентности потока позволяет продлить время воздействия на воду. В проточной камере возможно и возникновение застойных зон.

Форма потока зависит от количества ламп, их размещения, диаметра и расположения патрубков, а также собственно формы и размеров камеры облучателя. Электрическая часть УФ-обеззараживателя включает пускорегулирующий аппарат, обеспечивающий зажигание лампы, пульт управления и датчик контроля ультрафиолетового излучения, который откалиброван на максимум эффективного излучения, соответствующий длине волны 254 нм.

Особенности применения

Исходя из экономических соображений, УФ-оборудование наиболее рационально располагать в конце очистных сооружений, чтобы облучению подвергалась вода, имеющая наиболее высокий коэффициент пропускания УФ-лучей. Но это не единственный вариант. Применение ультрафиолетового облучения на различных этапах водоподготовки позволяет (помимо основной задачи – повышения барьерной роли) попутно решать и другие задачи, связанные с обеззараживанием.

В ряде случаев использование УФ-облучения на этапе первичного обеззараживания позволяет создать условия для сокращения хлорирования и снижения, таким образом, образования хлорорганических соединений в еще неочищенной воде. По результатам исследований и опыта эксплуатации УФ-станций на воде поверхностного источника под воздействием облучения общее микробное число снижается не менее чем на 2 порядка.

Применение УФ-обеззараживания на этапе первичной обработки воды поверхностных водоисточников снижает нагрузку на последующие этапы водоподготовки, повышает барьерную роль сооружений в отношении обеспечения эпидемиологической безопасности, в том числе, в отношении устойчивых к хлорированию микроорганизмов. При этом качество воды, приемлемой для УФ-обеззараживания, имеет достаточно широкий диапазон.

В тех случаях, когда параметры жидкости не позволяет использовать УФ-облучение на этапе первичного обеззараживания, возможен вариант размещения блока ультрафиолетового обеззараживания в середине схемы водоподготовки (после осветления).

УФ-облучение на заключительном этапе водоподготовки обеспечивает надежное обеззараживание по всем показателям, в том числе и в отношении вирусов и возбудителей паразитарных заболеваний. Однако это не исключает необходимости применения хлорсодержащих реагентов перед подачей воды в сеть.

Удачным решением является сочетание УФ-обеззараживания и хлораммонизации. Связанный хлор в меньшей степени способствует образованию хлорорганических соединений и дольше сохраняется в сети, а его недостаточно высокая эффективность в отношении устойчивых микроорганизмов полностью компенсируется УФ-облучением.

Применение схем глубокой очистки (озоносорбции и мембранной фильтрации) также не исключает использования УФ-облучения. В таких схемах УФ-обеззараживание, наряду с обеспечением дополнительного барьера в отношении возбудителей заболеваний, решает проблему увеличения общего микробного числа после угольных фильтров.

Таким образом, современный подход к обеспечению эпидемиологической безопасности питьевой воды подразумевает использование многоступенчатой схемы очистки и обеззараживания, а применение ультрафиолета позволяет обеспечить соответствие обработанной воды требуемым нормативным значениям по микробиологическим показателям и, в ряде случаев, решить ряд эксплуатационных задач, а также проблему образования побочных продуктов дезинфекции.

В УФ-установках должна предусматриваться очистка кварцевых чехлов (без выемки из камеры обеззараживания), т.к. в процессе их работы накапливаются отложения органического и минерального происхождения на внутренней поверхности бактерицидной лампы. На практике применяются системы очистки двух типов: механическая и химическая. В первом случае очистка производится с помощью щеток и электропривода, во втором – путем циркуляции через установку воды с добавлением небольших доз пищевых кислот при помощи промывочного насоса, входящего в комплектацию УФ-установки (рис. 3).

Рис. 3. УФ-установка с блоком промывки

Помимо устройств для очистки кварцевых чехлов, установки большой производительности рекомендуется оснащать: датчиками измерения интенсивности УФ-излучения в камере обеззараживания; системой автоматики, гарантирующей звуковой и световой сигналы при снижении минимальной заданной дозы; счетчиками времени наработки ламп и индикаторами исправности каждой лампы; кранами для отбора проб воды на бактериологический анализ.

При выборе схемы обеззараживания необходимо учитывать возможность повторного роста микроорганизмов в сетях. Дело в том, что вода после обеззараживания на очистных сооружениях не является стерильной, и в ней остается некоторое количество микроорганизмов. В ряде случаев в распределительных сетях возможно возникновение условий (например, неблагоприятное техническое и санитарное состояние), способствующих их активному размножению.

Мероприятия, направленные на предотвращение такого повторного роста микроорганизмов, включают в себя удаление из воды в процессе очистки органических веществ и добавление химических реагентов, обеспечивающих «консервирующий» эффект перед подачей воды в распределительную сеть и периодическую обработку потенциально опасных участков распределительной сети.

В качестве консервирующих химических веществ обычно применяют хлор и хлорсодержащие соединения. Концентрации содержания реагентов в воде нужны значительно ниже, чем для удаления патогенных микроорганизмов, однако важна длительность их наличия.

В Украине метод ультрафиолетового обеззараживания при подготовке питьевой воды пока не нашел широкого применения в крупных масштабах. На ряде водоканалов, например, в Киеве в районе Бортничи, такие проекты находятся в стадии реализации, либо подготовлены проекты.

В то же время установки применяются на небольших водоканалах и на промышленных предприятиях, в фермерских хозяйствах, как для водоподготовки, так и при очистке стоков.

Так, системы продуктивностью свыше 200 м³/час воды несколько лет используются на станции водоснабжения г. Вознесенск (Николаевская обл.). Они обеззараживают воду с помощью совместного действия УФ-лучей и гипохлорита натрия. Воздействие ультрафиолета также применяется на водоканалах населенных пунктов Снятин, Красилов, Надворная и др.

Внедрение проектов УФ-обеззараживания признано Институтом гигиены и медицинской экологии АМН Украины им. А. Н. Марзеева целесообразным в качестве альтернативного метода обеззараживания питьевой воды и приводящем, по результатам исследований ученых, к повышению ее безопасности и качества.

Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok.  Долучайтесь!

Переглянуто: 10 335