Содержание
- О технологии
- Виды ультрафиолетовых ламп
- Как подбирать УФ оборудование
- Эффективная УФ-доза, качество воды и чувствительность микроорганизмов
- Поглощение водной средой УФ-излучения
- Связанный хлор и побочные продукты
- Особенности монтажа и эксплуатации
Ультрафиолетовые технологии широко применяются во всем мире в питьевой и промышленной водоподготовке, в задачах по обеззараживанию воздуха и поверхностей, а также для обработки воды плавательных бассейнах. УФ-обеззараживание не требует длительного времени контакта, обработка воды происходит в проточном режиме и бактерицидный эффект наступает в течение нескольких секунд за то время, что вода проходит через камеру обеззараживания, при этом процесс обеззараживания ультрафиолетовым излучением не приводит к изменениям органолептических свойств и состава воды.
Однако, после УФ-обеззараживания вода не приобретает бактерицидных свойств, предохраняющих ее от повторного заражения. поэтому УФ-обработка может использоваться только в сочетании с окислителями (хлором, бромом), которые обеспечивают остаточную концентрацию реагента в воде. Тем не менее, использование УФ-обработки в сочетании с хлорированием позволяет значительно улучшить качество воздушной и водной среды в бассейне, а также сократить расход хлор-реагентов. Согласно санитарным правилам при сочетании методов, минимальная остаточная концентрация свободного хлора может быть снижена с 0,3-05 мг/л до 0,1-0,3 мг/л.
Благодаря большой истории применения, УФ-оборудование отличается высокой технической надежностью, имеет относительно низкие эксплуатационные затраты, не требует высокой квалификации обслуживающего персонала, а также безопасно в процессе эксплуатации.
О технологии
Ультрафиолетовое излучение – это электромагнитное излучение в диапазоне волн длиной от 100 до 400 нм, которое лежит между рентгеновским и видимым спектрами света.
Механизм обеззараживания УФ-облучения основан на фотохимическом воздействии, которое предполагает разрыв или изменение химических связей органической молекулы в результате поглощения энергии фотона. Проникая через клеточные мембраны патогенных микроорганизмов, УФ-излучение вызывает необратимые повреждения компонентов, необходимых для функционирования клетки (молекул ДНК, РНК, клеточных мембран), что приводит к гибели подвергшихся воздействию клеток.
Также имеют место вторичные процессы, в основе которых лежит образование в воде под действием УФ-облучения свободных радикалов, которые усиливают бактерицидный эффект. [1]
Ультрафиолетовое излучение можно разделить на:- вакуумное УФ-излучение (100–200 нм);
- излучение UV-C (200–280 нм);
- излучение UV-B (280–315 нм);
- излучение UV-A (315–400 нм).
Наиболее выраженным бактерицидным воздействием обладает УФ-излучение с длиной волны от 205 до 315 нм, называемое бактерицидным излучением. Максимум бактерицидного действия приходится на область 250-270 нм. [2]
Виды ультрафиолетовых ламп
В качестве источников УФ-излучения используются газоразрядные лампы, заполненные смесью паров ртути и инертных газов. Для целей обеззараживания и обработки воды в плавательном бассейне могут использоваться:
- Ультрафиолетовые лампы низкого давления, излучающие максимальную мощность на длине волны 253,7 нм;
В лампах этого типа около 30-35% электрической энергии преобразуется в УФ излучение, выход составляет 0,2-3,5 Вт/см. Лампы низкого давления имеют рабочую температуру 40 – 150 ֯С. Срок службы – от 8000 до 16000 ч.
- Ультрафиолетовые лампы среднего давления, излучающие энергию на длинах волн в диапазоне от 180 до 370 нм;
В лампах этого типа около 10-20% электрической энергии преобразуется в УФ-излучение, выход составляет 5-30 Вт/см. Лампы среднего давления имеют рабочую температуру 600 – 800 ֯С. Срок службы – от 5000 до 10000 ч.
- Ультрафиолетовые лампы, излучающие на других длинах волн в «импульсном» режиме высокой интенсивности.
Также существуют конструкции ламп, в спектре излучения которых помимо линии 254 нм, содержится линия 185 нм. В процессе работы этих ламп в воздушной среде образуется озон. Такие лампы называются двухдиапазонными или озоновыми, и они применяются как для обработки воды бассейнов, так и в области промышленной очистке воды. При применении таких ламп обязательно контролировать концентрацию озона в воздухе помещений - она не должна превышать маскимально допустимую 0,1 мг/м3.
Ультрафиолетовые лампы могут быть ртутные, где ртуть находится в свободном состоянии, и амальгамные, в которых ртуть находится в связанном состоянии, в виде сплава (с висмутом или индием). С точки зрения экологичности и безопасности эксплуатации предпочтительны амальгамные лампы, так как в случае повреждения корпуса лампы, риски загрязнения помещения парами ртути и опасности для человека минимальны. Кроме того, мощность и выход UV-C излучения у амальгамных ламп значительно превышает ртутные лампы.
Для обработки воды плавательных бассейнов используются лампы погружного типа – УФ-лампы размещаются в камере обеззараживания внутри защитных кварцевых чехлов и располагаются в потоке воды, обтекающей их со всех сторон. Защитные чехлы изготавливаются из кварцевого стекла, которое не препятствует пропусканию УФ-излучения, и предназначены для стабилизации температурного режима ламп и их предотвращения разницы температур при контакте с холодной обрабатываемой водой.
Камера обеззараживания изготавливается из материалов, применимых в области питьевой водоподготовки и устойчивых к воздействию реагентов, применяемых в процессах – обычно это нержавеющая сталь марок AISI-304 или AISI-316.
Как подбирать УФ оборудование
Основными факторами, влияющими на эффективность процесса обеззараживания воды УФ-излучением, являются:
- чувствительность различных микроорганизмов к действию УФ-излучения;
- мощность УФ-излучения (УФ-ламп);
- степень поглощения УФ-излучения водной средой
Поэтому, чтобы подобрать УФ-установку, помимо расхода воды, необходимо знать требуемую УФ-дозу, которая в свою очередь, зависит от типа источника водоснабжения и качества воды, и степень поглощения УФ-излучения водой (или обратный ему коэффициент пропускания). О каждом из этих параметров поговорим подробнее ниже.
Эффективная УФ-доза, качество воды и чувствительность микроогранизмов
Мерой эффективности процесса УФ-обеззараживания воды, которая определяет степень инактивации микроорганизмов, является доза УФ-излучения – или мера бактерицидной энергии, которая направляется на микроорганизмы. Доза УФ-излучения рассчитывается по формуле:
D = I х t,
где:
D - доза УФ-излучения, мВт×с/см2
I - интенсивность, мВт/см2
t - время воздействия, с
Ультрафиолетовое излучение обладает выраженным биоцидным действием в отношении различных патогенов, включая бактерии, вирусы и грибы, в том числе тех из них, которые демонстрируют устойчивость к хлору – например, цисты лямблий (Lamblia intestinalis/Giardia) и ооцисты криптоспоридий (Cryptosporidium sp.), но различные виды микроорганизмов при одинаковых условиях облучения имеют различную степень чувствительности к УФ-излучению.[3-5]
Доза ультрафиолетового облучения (мДж/см2), необходимая для инактивации различных видов патогенных микроорганизмов
| № | Вид микроорганизмов | Доза облучения мДж/см2, необходимая для инактивации 99,0 - 99,9% |
| 1 | Shigella flexneri | 5,2 |
| 2 | Salmonella typhi | 7,5 |
| 3 | Shigella dysenteriae | 8,8 |
| 4 | Proteus vulgaris | 7,8 |
| 5 | Staphylococcus aureus | 7,8 |
| 6 | Escherichia coli | 6,0 |
| 7 | Virus poliomyelitis | 6,0 |
| 8 | Salmonella paratyphi | 6,1 |
| 9 | Vibrio cholerae | 6,5 |
| 10 | Orthomyxoviridae (вирусы гриппа) | 6,6 |
| 11 | Salmonella enteritidis | 7,6 |
| 12 | Mycobacterium tuberculosis | 10,0 |
| 13 | Pseudomonas aeruginosa | 10,5 |
| 14 | Virus hepatitis A | 8,0 - 11,0 |
| 15 | Аденовирус III типа | 4,5 |
| 16 | Колифаги | 6,6 - 8,1 - 25 |
| 17 | Коксаки | 6,3 |
| 18 | Полиовирус | 16 - 25 |
| 19 | Цисты лямблий (Lamblia intestinalis) (синоним Giardia)) | 40 |
| 20 | Ооцисты криптоспоридий (Cryptosporidium sp.) | 45 |
Методические рекомендации по использованию ультрафиолетового излучения при обеззараживании воды плавательных бассейнов (МУ 2.1.2.694-98 утв. Главным государственным санитарным врачом РФ 02.04.1998) устанавливают минимальную дозу УФ-облучения 16 мДж/см2, как эффективную в отношении общих и термотолерантных колиформных бактерий, бактерий кишечной палочки, колифагов, стафиллококов, возбудителей брюшного тифа, вирусного гепатита, дизентерии, холеры, острых, кишечных заболеваний, вызываемых псевдомонадами.
Однако, указанная доза не гарантирует эпидемической безопасности в отношении паразитологических показателей. Учитывая потенциальные риски фекального загрязнения воды в плавательных бассейнах, а также высокую вирусную и бактериальную нагрузку, особенно в бассейнах с высокой посещаемостью (аквапарки), для целей обеззараживания рекомендуется придерживаться дозы не менее 25-40 мДж/см2.
Поглощение водной средой УФ-излучения
Интенсивность УФ-излучения определяется мощностью и количеством УФ-ламп, гидродинамическими характеристиками камеры обеззараживания (т.е. способностью обеспечивать наиболее равномерное облучение потока воды), а также коэффициентом пропускания обрабатываемой воды.
Поглощение водной средой УФ-излучения (или наоборот – ее пропускание) радикальным образом влияет на эффективность УФ-обеззараживания. Проникая в воду, ультрафиолетовые лучи поглощаются как самой водой, так и веществами в ней – взвешенными или растворенными. Коэффициент пропускания бактерицидного излучения обеззараживаемой водой определяется отношением величины интенсивности УФ-излучения, прошедшего через слой воды в 1 см, к величине интенсивности поступающего излучения;
Наибольшее влияние на пропускание УФ-излучения оказывают цветность, мутность воды и содержание в ней железа. Соответственно, чем выше эти показатели – тем ниже коэффициент пропускания и тем большая мощность/количество УФ-ламп потребуется, чтобы обеспечить нужную УФ-дозу.
Определение коэффициента пропускания обрабатываемой воды является критически важным при подборе УФ-оборудования. Замер показателя возможен с помощью специального оборудования с привлечением лаборатории. Также существует эмпирические формулы, которые исходя из показателей качества воды (содержание железа, цветность) позволяют сделать примерный расчет. При отсутствии данных о степени пропускания водой ультрафиолетового излучения и уровне микробиологического загрязнения, УФ-оборудование выбирается из расчета следующих показателей: коэффициент пропускания - 0,7 (70%); коли-индекс – 1000. [6]
Минеральный состав воды влияет в том числе на образования осадка на поверхности кварцевых чехлов УФ-ламп, который препятствует пропусканию бактерицидного излучения и создает необходимость периодической очистки чехлов. Особенно это актуально для ламп среднего давления, которые имеют более высокую температуру работы и больший потенциал к образованию обрастаний. В связи с этим, установки с лампами среднего давления рекомендуется эксплуатировать в комплекте с предустановленной системой очистки кварцевых чехлов – механической или химической.
Связанный хлор и побочные продукты
Снижение показателя связанного хлора является дополнительным эффектом при применении УФ-оборудования в плавательных бассейнах. Это достигается за счет способности мощного УФ-облучения образовывать в воде активные радикалы (ОН*, О-* и т.д), которые обеспечивают разложение хлораминов. Такой эффект наблюдается, например, при облучении воды бассейна, содержащей свободный хлор в виде хлорноватистой кислоты и гипохлорит-иона:
НОСl + hv → ОН* + Cl*
OCl- + hv → O-* + Cl*
O-* + H2O → ОН* + OH-
Основным фактором, определяющим эффективность УФ-оборудования в отношении хлораминов, которые составляют показатель связанного хлора, является доза УФ-облучения, которая должна лежать в диапазоне от 60 мДж/см2 до 80 мДж/см2.
В основном, для целей снижения показателя связанного хлора используются УФ-лампы среднего давления, которые имеют высокую мощность и могут обеспечивать поток излучения высокой плотности меньшим количеством ламп, что более оправдано с точки зрения эксплуатации. Также, за счет широкого спектра излучения ламп среднего давления, дополнительный вклад вносит и прямой фотолиз хлораминов.
Следует иметь в виду, что облучение воды с высоким содержанием свободного хлора высокими дозами УФ-излучения может увеличивать риски формирования побочных продуктов – хлороформа, формальдегида и других соединений. Не рекомендуется осуществлять обработку воды с концентрацией свободного хлора более 1 мг/л дозой УФ-излучения от 60 мДж/см2 и выше.
Также, стоит учитывать, что используемая доза УФ-излучения влияет на поглощение свободного хлора - чем она больше, тем больше хлора теряется. По данным исследований, при обработке воды дозой до 40 мДж/см2 потери около составляют около 0,1 мг/л общего хлора. [7]
Особенности монтажа и эксплуатации
УФ-оборудование должно иметь производительность, равную циркуляционному расходу и УФ-облучению должен подвергаться весь циркуляционный поток. УФ-оборудование следует устанавливать в системе водоподготовки бассейна после фильтров, но перед дозированием реагентов и нагревателями в соответствии с методическими указаниями завода-изготовителя.
Для возможности проведения регламентных (ремонтных, профилактических и др.) работ должна быть предусмотрена возможность отключения УФ-установок от основного потока воды, а также система слива воды из установок в канализационную систему.
Для эффективной работы и уменьшения побочных продуктов хлорирования УФ-оборудование следует вводить в работу не ранее чем через 6-8 циклов водообмена, когда прозрачность воды обеспечит визуальный просмотр всего дна ванны и при условии снижения концентрации свободного хлора в воде бассейна менее 0,5 мг/л.
Перед вводом в эксплуатацию, а также после длительного перерыва в работе рекомендуется осуществлять промывку камеры обеззараживания и подводящих трубопроводов водой с содержанием свободного хлора не менее 20 мг/л. Время контакта - 3 часа.
Для поддержания требуемой дозы УФ-облучения на протяжении всего жизненного срока УФ-ламп, необходимо обеспечить во время эксплуатации прозрачность и чистоту защитного кварцевого чехла, с помощью регулярной ручной или автоматической промывки в соответствии с рекомендациями завода-изготовителя. Необходимость очистки кварцевых чехлов УФ-ламп рекомендуется устанавливать на основании показаний датчиков интенсивности бактерицидного излучения при снижении показаний ниже пороговых значений.
Установки УФ-обеззараживания должны быть оборудованы счетчиком времени наработки ламп и индикатором их исправности. Замена УФ-ламп производится в случае их выхода из строя, либо по достижении установленного завода-изготовителем ресурса или срока службы. Отслужившие УФ-лампы должны быть обезврежены и утилизированы в соответствии с постановлением Правительства РФ от 28 декабря 2020 г. N 2314 «Об утверждении Правил обращения с отходами производства и потребления в части осветительных устройств, электрических ламп, ненадлежащие сбор, накопление, использование, обезвреживание, транспортирование и размещение которых может повлечь причинение вреда жизни, здоровью граждан, вреда животным, растениям и окружающей среде».
Запрещается выбрасывать лампы с ртутным наполнением вместе с бытовым и промышленным мусором в общие контейнеры. Отслужившие лампы подлежат утилизации в специализированных организациях, имеющих лицензию на обращение с отходами соответствующего класса. Ртутные УФ-лампы являются ртутьсодержащими отходами I класса опасности и подлежат предварительному обезвреживанию (демеркуризации) перед утилизацией. Амальгамные УФ лампы относятся к отходам III – IV класса и утилизируются как малоопасные отходы.
Список литературы
1. US EPA Alternative Disinfectants and Oxidants Guidance Manual, US EPA Ultraviolet Disinfection Guidance Manual
2. МУ 2.1.2.694-98 "Использование ультрафиолетового излучения при обеззараживании воды плавательных бассейнов"
3. МУ 2.1.4.719-98 "Санитарный надзор за применением ультрафиолетового излучения в технологии подготовки питьевой воды"
4. МУК 4.3.2030-05 "Санитарно-вирусологический контроль эффективности обеззараживания питьевых и сточных вод УФ-облучением"
5. МУ 2.1.5.732-99 "Санитарно-эпидемиологический надзор за обеззараживанием сточных вод ультрафиолетовым излучением"
6. МУ 2.1.2.694-98 "Использование ультрафиолетового излучения при обеззараживании воды плавательных бассейнов"
7. US EPA - Ultraviolet Disinfection Guidance Manual for the Final Long Term 2 Enhanced Surface Water Treatment Rule
