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. Всё это в конечном итоге приводит к их гибели.

Технология проведения

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:

D = E · t, (1)

(Е – интенсивность потока УФ-излучения, мВт/см²; t – время воздействия, с).

Степень инактивации или доля погибших под воздействием УФ-излучения микроорганизмов пропорциональны интенсивности излучения и времени воздействия. Процесс отмирания бактерий описывается уравнением:

Р = р_оехр ((– Е · Т)/k), (2)

где р – число бактерий, оставшихся в живых после бактерицидного облучения, в единице объема; р_о – начальное число бактерий в единице объема; Е – интенсивность потока бактерицидных лучей; T – время воздействия; k – коэффициент сопротивляемости бактерий.

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 α, 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 α, см^-1:

• для бесцветных, не требующих обезжелезивания, подземных глубокого залегания вод – 0,1;
• 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 ≥ 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/см 2.

Положительные и отрицательные качества метода

Достоинства:

• наименее «искусственный» – 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.

Потребная бактерицидная мощность источников излучения для обеззараживания воды определяется:

F_б = Q · α · K · lg (P/P_o) / 1563,4 · η_п · η_о, (3)

где F_б – потребная бактерицидная мощность источников излучения, Вт; Q – производительность аппарата, м³/ч; α – коэффициент поглощения облучаемой водой бактерицидного излучения, см^-1; K – коэффициент сопротивляемости бактерий кишечной палочки (мкВт · с/см²), принимаемый равным 2500; P_o – коли-индекс воды до облучения, ед./л; Р – коли-индекс воды после облучения (ед./л), не превышающий 3; η_о – коэффициент использования бактерицидного облучения, принимаемый равным 0,9 (чехлы из кварцевого стекла в виде полых цилиндров поглощают 1 – 11% потока); η_п – коэффициент использования интенсивности потока бактерицидных лучей, принимающийся по данным изготовителя аппарата.

Количество ламп, шт.:

n = F_б/F_л, (4)

где F_л – мощность одной лампы, Вт; F_б – потребная бактерицидная мощность источников излучения, Вт.

Расход электроэнергии на обеззараживание воды:

S = N · n / Q, (5)

Здесь – S – расход электроэнергии, Вт · ч/м 3 ; N – потребляемая мощность одной лампы, Вт; Q – производительность аппарата, м 3 /ч.

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.

Сравнение основных методов обеззараживания воды: хлорирование, озонирование, ультрафиолетовое облучение

• Каждая из трех технологий, если она применяется в соответствии с нормами, может обеспечить необходимую степень инактивации бактерий, в частности, по индикаторным бактериям группы кишечной палочки и общему микробному числу.
• По отношению к цистам патогенных простейших высокую степень очистки не обеспечивает ни один из методов. Для удаления этих микроорганизмов рекомендуется сочетать процессы обеззараживания с процессами уменьшение мутности.
• Озон и ультрафиолет имеют достаточно высокий вируцидный эффект при реальных для практики дозах. Хлорирование менее эффективно по отношению к вирусам.
• Технологическая простота процесса хлорирования и недефицитность хлора обусловливают широкое распространение именно этого метода обеззараживания.
• Метод озонирования наиболее технически сложен и дорогостоящ по сравнению с хлорированием и ультрафиолетовым обеззараживанием.
• Ультрафиолетовое излучение не меняет химический состав воды даже при дозах, намного превышающих практически необходимые. Хлорирование может привести к образованию нежелательных хлорорганических соединений, обладающих высокой токсичностью и канцерогенностью.
• При озонировании также возможно образование побочных продуктов, классифицируемых нормативами как токсичные – альдегиды, кетоны и другие ароматические соединения.
• Ультрафиолетовое излучение убивает микроорганизмы, но «образующиеся осколки» (клеточные стенки бактерий, грибков, белковые фрагменты вирусов) остаются в воде. Поэтому рекомендуется последующая тонкая фильтрация.
• Только хлорирование обеспечивает консервацию воды в дозах 0,3 – 0,5 мг/л, то есть обладает необходимым длительным действием.