Технологические и технические особенности метода обеззараживания воды ультрафиолетом

Экология потребления.Технологии:По данным Всемирной организации здравоохранения, основное негативное воздействие при употреблении воды человеком или при его контакте с ней связано не с наличием неприемлемых органолептических свойств или неудовлетворительного химического состава, а с бактериальной загрязненностью водной среды.

По данным Всемирной организации здравоохранения, основное негативное воздействие при употреблении воды человеком или при его контакте с ней связано не с наличием неприемлемых органолептических свойств или неудовлетворительного химического состава, а с бактериальной загрязненностью водной среды, являющейся идеальным местом для существования большого количества микроорганизмов, в том числе возбудителей тифа, вирусного гепатита, холеры и т. д. Поэтому основным этапом водоподготовки и водоочистки является обеззараживание.

Технологии обеззараживания воды

Самым распространенным химическим методом обеззараживания питьевой воды является обработка хлором или хлорсодержащими реагентами. Однако основной недостаток этих технологий – образование высокотоксичных хлорорганических соединений, обладающих мутагенным и канцерогенным действием, способных вызвать ряд серьезных заболеваний [1]. Именно поэтому государственные нормативные документы РФ устанавливают жесткие требования к предельно допустимой концентрации (ПДК) этих веществ в воде. Современный тренд развития нормативной базы предполагает дальнейшее ужесточение этих нормативов.

Вирусы и цисты простейших обладают высокой устойчивостью (резистентностью) к хлору [2], для их инактивации требуется увеличение дозы подаваемого реагента, что, в свою очередь, приводит к изменению в худшую сторону органолептических свойств обрабатываемой воды – появляется резкий запах, ощущается вкус хлора.

Технология хлорирования подразумевает наличие небезопасных хлорных хозяйств. Таким хозяйствам присваивается высокий класс опасности, что обусловливает наличие специальных конструкций хлораторных и санитарно-охранной зоны.

Рисунок 1. Спектр излучения и кривая бактерицидной чувствительности микроорганизмов и вирусов

Еще одним химическим методом обеззараживания воды является озонирование. Озон (О3) – аллотропная модификация кислорода (O2), является сильным окислителем, а технология очистки воды, основанная на применении этого вещества, направлена на окисление и устранение вредных органических примесей. Обеззараживание здесь, по сути, является дополнительным, второстепенным эффектом. Стоит отметить, что озон относится к самому высокому классу опасности вредных веществ: он индуцирует появление токсичных галогенсодержащих соединений, таких как броматы, пероксиды [3]. Технология обеззараживания является крайне энергозатратной и дорогостоящей, что связано с этапом получения озона. Оборудование для озонирования технически сложное, требует наличия грамотной системы контроля и автоматического регулирования, которая стоит немалых денег. По природе своей озон не обладает эффектом последействия, необходимым для поддержания надлежащего санитарного состояния коммуникаций и оборудования, находящегося после ступени озонирования. Существенным преимуществом озонирования перед хлорированием является отсутствие необходимости хранения опасных реагентов (хлор в жидком или газообразном состоянии). Однако озонирование требует повышенного внимания и дополнительных затрат на обеспечение техники безопасности, так как озон является опасным газом, требующим отдельных помещений, оборудованных системами приточно-вытяжной вентиляции и специализированными датчиками. Вместе с этим стоит отметить высокую обеззараживающую способность озона в отношении вирусов и цист простейших.

Альтернативным «бесхимическим», или физическим, методом является обеззараживание воды ультрафиолетом.

Особенности технологии УФ-обеззараживания воды

За последние десятилетия технология ультрафиолетового (УФ) обеззараживания воды заняла ведущее место в ряду других технологий обеззараживания. Помимо водоснабжения и канализации УФ-обеззараживание также широко используется в различных отраслях промышленности – пищевой, фармакологической, электронной, а также в оборотном водоснабжении, аквакультуре и других. Ультрафиолетовое излучение – электромагнитное излучение, занимающее диапазон между рентгеновским и видимым излучением (диапазон длин волн от 100 до 400 нм). Различают несколько участков спектра ультрафиолетового излучения, имеющих разное биологическое воздействие: УФ-A (315–400 нм), УФ-B (280–315 нм), УФ-C (200–280 нм), вакуумный УФ (100–200 нм).

Из всего УФ-диапазона участок УФ-С часто называют бактерицидным из-за его высокой обеззараживающей эффективности по отношению к бактериям и вирусам. Максимально эффективным является ультрафиолетовое излучение с длиной волны 254 нм.

УФ-излучение – это физический метод обеззараживания, основанный на фотохимических реакциях, которые приводят к необратимым повреждениям ДНК и РНК микроорганизмов и вирусов, в результате чего теряется способность к размножению (происходит инактивация).

Бактерицидное УФ-излучение эффективно в отношении вирусов и простейших, стойких к воздействию хлорсодержащих реагентов. УФ-обработка воды не приводит к образованию вредных побочных продуктов, даже если доза излучения превышена многократно. Органолептические свойства воды не ухудшаются после установок обеззараживания УФ-излучением. Обеззараживание ультрафиолетом является своеобразным барьером, действует в месте установки и не носит пролонгированного характера в отличие от хлора. Поэтому при применении ультрафиолета на этапе водоподготовки возможно вторичное микробиологическое загрязнение воды, подаваемой потребителю, вызванное неудовлетворительным санитарным состоянием водораспределительных сетей и появлением биопленок на внутренних поверхностях труб. Решением этой проблемы является совместнoe применениe УФ-обеззараживания и хлорирования, обеспечивающего последействие. Такой принцип обеззараживания при водоподготовке носит название «принцип мультибарьерности». Наиболее оптимальным при этой схеме обеззараживания считается применение хлораминов в качестве агента с пролонгированным действием. Вследствие более длительного сохранения в сетях и более активного, чем хлор, действия на биопленки в трубах [4] хлорамины находят все большее применение в практике водоподготовки.

Рисунок 2. Механизм обеззараживания УФ-излучением

Для обеззараживания сточных вод достаточно применения только УФ без каких-либо дополнительных дезинфицирующих реагентов. Применение хлорирования вследствие наличия последействия, являющегося преимуществом в процессах водоподготовки, при обеззараживании сточных вод нежелательно из-за негативного влияния на биоценоз водоемов, куда сбрасываются стоки.Также нельзя полностью исключить хлорирование и при обеззараживании воды для плавательных бассейнов. Здесь важным аспектом остается микробиологическая безопасность воды в чаше бассейна. При применении комбинированного метода обеззараживания УФ + хлор содержание свободного остаточного хлора должно находиться в пределах 0,1–0,3 мг/л, тогда как при хлорировании без УФ-обеззараживания – в пределах 0,3–0,5 мг/л, соответственно затраты на реагент снижаются в 2–3 раза [5].

Высокая эффективность действия на различные типы микроорганизмов, отсутствие вредных побочных продуктов позволяют рассматривать облучение ультрафиолетом как реальный и уже хорошо зарекомендовавший себя практический метод обеззараживания.

Технологические и технические особенности применения технологии УФ-обеззараживания

Возможность применения технологии обеззараживания УФ-излучением определяется качеством воды, поступающей на обеззараживание. Диапазон физико-химических показателей качества воды, рекомендуемых для применения метода УФ-обеззараживания, является достаточно широким. На процесс УФ-обеззараживания не оказывают влияние pH и температура воды. Присутствие в воде ряда органических и неорганических веществ, поглощающих УФ-излучение, приводит к снижению фактической дозы облучения, обеспечиваемой УФ-установками. Влияние качества воды на пропускание излучения должно быть учтено при выборе УФ-оборудования.

При превышении хотя бы одного из показателей рекомендуется проведение дополнительных исследований.

Важнейшим критерием работы установок УФ-обеззараживания является эффективность обеззараживания. Основной характеристикой эффективности, кроме непосредственно микробиологических показателей в обеззараженной воде, является доза УФ-облучения. В соответствии с законодательством РФ для обеззараживания сточных вод доза должна быть не менее 30 мДж/см2 [6], а для питьевой воды – е менее 25 мДж/см2 для безопасности воды по вирусологическим показателям [8]. Установки УФ-обеззараживания обеспечивают требуемые дозы при применении оборудования в пределах рекомендуемых производителем технических параметров.

Основными промышленно применяемыми источниками УФ-излучения являются ртутные лампы высокого, а также низкого давления, в том числе их новое поколение – амальгамные. Лампы высокого давления обладают высокой единичной мощностью (до нескольких десятков кВт), но более низким КПД (9–12 %) и меньшим ресурсом, чем лампы низкого давления (КПД 40 %), единичная мощность которых составляет десятки и сотни ватт. УФ-системы на амальгамных лампах чуть менее компактны, но гораздо более энергоэффективны, чем системы на лампах высокого давления. Поэтому требуемое количество УФ-оборудования, а также тип и количество используемых в нем УФ-ламп зависят не только от требуемой дозы УФ-облучения, расхода и физико-химических показателей качества обрабатываемой среды, но и от условий размещения и эксплуатации.

Комплектация и оснащенность УФ-установок могут изменяться и зависят от конкретного случая применения. Счетчик времени наработки лампы, например, является важнейшим инструментом и должен присутствовать в каждой установке. По истечении срока службы лампы подается сигнализация, которая позволяет вовремя заменить лампы на новые. Для защиты от перегрева мощных УФ-ламп должна быть предусмотрена аварийная индикация, своевременно предупреждающая о росте температуры внутри камеры. Перечисленные выше функции – необходимый минимум для стабильной и эффективной работы УФ-системы. Если качество воды, определяемое коэффициентом пропускания, и расход меняются в широких пределах – целесообразно использовать систему регулировки мощности. Система регулировки мощности позволяет снижать мощность ламп при изменении одного из параметров, тем самым уменьшая расходы на электроэнергию.Для контроля работы УФ-установки необходимо иметь датчик ультрафиолетового излучения, селективно измеряющий интенсивность УФ-излучения на длине волны 254 нм. При снижении интенсивности ниже порогового значения сработает аварийная сигнализация, предупреждающая пользователя о необходимости принять меры по предупреждению или устранению неполадки.

* – согласно рекомендациям производителей.

Таблица 1
Критерии качества сточной и питьевой воды, поступающей на УФ-обеззараживание

Для подтверждения эффективности обеззараживания ультрафиолетовым излучением за рубежом, например, распространена практика биовалидации установок обеззараживания питьевой и сточной воды, балластной воды судов. Например, в основе процесса сертификации систем для обеззараживания воды лежат реальные тесты, проверяющие способность установок УФ-обеззараживания инактивировать бактерии (например, Bacillus Subtilis), имеющие низкую чувствительность к ультрафиолету по сравнению с другими микроорганизмами и вирусами, в том числе болезнетворными. После прохождения всех этапов сертификации на установку выдается сертификат, подтверждающий ее эффективность. В нем приведен список технологических параметров (максимальный расход при определенном коэффициенте пропускания), соблюдение которых гарантирует обеззараживание.

Самыми распространенными стандартами биовалидации систем УФ-обеззараживания являются нормативы, выпущенные такими организациями, как DVGW (Германия), ONORM (Австрия), US EPA (США). Получение общепризнанных мировых сертификатов подтверждает правильность выбранных технологических решений и высокое качество производимого оборудования.

Выбор типа оборудования и его оснащенности во многом зависит от области применения. Однако немаловажным общим критерием является наличие базовых инструментов (температурный датчик, датчик УФ-интенсивности), которые гарантируют эффективность обеззараживания за счет постоянного мониторинга основных технических параметров, обеспечивая бесперебойную работу и возможность своевременного устранения неполадок. Гарантией эффективного обеззараживания и высокого качества самого оборудования в целом является прохождение реального биотестирования.

За счет достаточной простоты технологии УФ-обеззараживания, эффективности ультрафиолета в отношении вирусов и простейших этот метод получил широкое распространение, а совершенствование конструкции оборудования и систем мониторинга является на данный момент приоритетной задачей разработчиков систем УФ-обеззараживания воды. опубликовано econet.ru