Очистка воды ультрафиолетом

Очистка воды ультрафиолетом

Под обеззараживанием питьевой воды понимают мероприятия по уничтожению  в воде бактерий и вирусов, вызывающих инфекционные заболевания. По способу  воздействия на микроорганизмы методы обеззараживания воды подразделяются на химические, или реагентные; физические, или безреагентные, и комбинированные. В первом случае должный эффект достигается внесением в воду биологически активных химических соединений; безреагентные методы обеззараживания подразумевают обработку воды физическими воздействиями, а в комбинированных используются одновременно химическое и физическое воздействия.

Ниже представлена таблица  достоинств и недостатков основных дезинфектантов:

Наименование и характеристика дезинфектанта	Достоинства	Недостатки
Основные дезинфектанты
Хлор Применяется в газообразном виде, требует соблюдения строжайших мер безопасности	эффективный окислитель и дезинфектант эффективен для удаления неприятного вкуса и запахов обладает последействием предотвращает рост водорослей и биообрастаний разрушает органические соединения (фенолы) окисляет железо и магний разрушает сульфид водорода, цианиды, аммиак и другие соединения азота	повышенные требования к перевозке и хранению потенциальный риск здоровью в случае утечки образование побочных продуктов дезинфекции - тригалометанов (ТГМ). образует броматы и броморганические побочные продукты дезинфекции в присутствии бромидов
Гипохлорит натрия Применяется в жидком виде (товарная концентрация растворов - 10 -12%), возможно получение на месте применения электрохимическим способом.	эффективен против большинства болезнетворных микроорганизмов относительно безопасен при хранении и использовании при получении на месте не требует транспортировки и хранения опасных химикатов.	неэффективен против цист (Giardia, Cryptosporidium) теряет активность при длительном хранении, потенциальная опасность выделения газообразного хлора при хранении образует побочные продукты дизинфекции, включая тригалометаны, в том числе бромоформ и броматы в присутствии бромидов при получении на месте требует либо немедленного использования, либо, для обеспечения возможности хранения, специальных мер по очистке исходной воды и соли от ионов тяжелых металлов; при хранении растворов NaClO с концентрацией активного хлора более 450 мг/л и рН более 9 происходит накопление хлоратов
Диоксид хлора Получают только на месте  применения. В настоящее время  считается самым эффективным  дезинфектантом из хлорсодержащих реагентов для обработки воды при повышенных рН.	работает при пониженных дозах не образует хлораминов не способствует образованию тригалометанов разрушает фенолы - источник неприятного вкуса и запаха эффективный окислитель и дезинфектант для всех видов микроорганизмов, включая цисты (Giardia, Cryptosporidium) и вирусов не образует броматов и броморганических побочных продуктов дезинфекции в присутствии бромидов способствует удалению из воды железа и магния путем их быстрого окисления и осаждения оксидов	обязательно получение на месте применения требует перевозки и хранения легковоспламеняющихся исходных веществ образует хлораты и хлориты в сочетании с некоторыми материалами и веществами приводит к проявлению специфического запаха и вкуса
Хлорамин Образуется при взаимодействии аммиака с соединениями активного  хлора, используется как дезинфектант пролонгированного действия	обладает устойчивым и долговременным последействием способствует удалению неприятного вкуса и запаха снижает уровень образования тригалометанов и других хлорорганических побочных продуктов дезинфекции предотвращает образование биообрастаний в системах распределения	слабый дезинфектант и окислитель по сравнению с хлором неэффективен против вирусов и цист (Giardia, Cryptosporidium) для дезинфекции требуются высокие дозировки и пролонгированное время контакта представляет опасность для больных, пользующихся диализаторами, т.к. способен проникать сквозь мембрану диализатора и поражать эритроциты образует азотсодержащие побочные продукты
Альтернативные дезинфектанты
Озон Используется на протяжении нескольких десятков лет в некоторых  европейских странах для дезинфекции, удаления цвета, улучшения вкуса и устранения запаха Токсичен.	сильный дезинфектант и окислитель очень эффективен против вирусов наиболее эффективен против Giardia, Cryptosporidium, а также любой другой патогенной микрофлоры способствует удалению мутности из воды удаляет посторонние привкусы и запахи не образует хлорсодержащих тригалометанов	образует побочные продукты, включающие: альдегиды, кетоны, органические кислоты, бромсодержащие тригалометаны (включая бромоформ), броматы (в присутствии бромидов), пероксиды, бромуксусную кислоту необходимость использования биологически активных фильтров для удаления образующихся побочных продуктов не обеспечивает остаточного дезинфицирующего действия требует высоких начальных затрат на оборудование значительные затраты на обучение операторов и обслуживание установок озон, реагируя со сложными органическими соединениями, расщепляет их на фрагменты, являющиеся питательной средой для микроорганизмов в системах распределения воды
Ультрафиолет Процесс заключается в  облучении воды ультрафиолетом, способным  убивать различные типы микроорганизмов.	не требует хранения и транспортировки химикатов не образует побочных продуктов эффективен против цист (Giardia, Cryptosporidium)	нет остаточного действия требует больших затрат на оборудование и техническое обслуживание требует высоких операционных (энергетических) затрат дезинфицирующая активность зависит от мутности воды, ее жесткости (образования отложений на поверхности лампы), осаждения органических загрязнений на поверхности лампы, а также колебаний в электрической сети, влияющих на изменение длины волны. отсутствует возможность оперативного контроля эффективности обеззараживания воды

 

Анализируя эту таблицу  можно сказать, что организация процесса УФ-обеззараживания требует больших капитальных вложений, чем хлорирование, но меньших, чем озонирование. Более низкие эксплуатационные расходы делают УФ-обеззараживание и хлорирование сопоставимыми в экономическом плане. Расход электроэнергии незначителен, а стоимость ежегодной замены ламп составляет не более 10% от цены установки. Для индивидуального водоснабжения УФ-установки являются наиболее привлекательными.

Фактором, снижающим эффективность работы установок УФ-обеззараживания при длительной эксплуатации, является загрязнение кварцевых чехлов ламп отложениями органического и минерального состава. Крупные установки снабжаются автоматической системой очистки, осуществляющей промывку путем циркуляции через установку воды с добавлением пищевых кислот. В остальных случаях применяется механическая очистка.

 

 

 

Принцип действия УФ излучения.

Ультрафиолетовым излучением называется электромагнитное излучение  с длиной волны от 100 до 400 нм. Для обеззараживания используется биологически активная область спектра УФ излучения с длиной волны от 205 до 315 нм, называемая бактерицидным излучением. Максимальная эффективность инактивации микроорганизмов наблюдается в диапазоне волн 250–270 нм: на этот участок спектра приходится длина волны, генерируемая УФ лампами низкого давления – 254 нм и 185 нм. Доза УФ облучения, которая является основным критерием эффективности обеззараживания, также измеряется на длине 254 нм.

Обеззараживающее действие ультрафиолета основано на необратимых  повреждениях ДНК и РНК. Нуклеиновые  кислоты (ДНК или РНК) содержатся во всех клетках живых организмов и являются носителями наследственной информации. При размножении микроорганизма происходит удвоение молекулы нуклеиновой  кислоты. УФ излучение на длине 254 нм эффективно поглощается нуклеиновыми кислотами. В результате УФ воздействия в структуре нуклеиновых кислот образуются сшивки, которые делают невозможным удвоение ДНК/РНК, а следовательно, невозможным и размножение микроорганизма. Инактивированный таким образом микроорганизм не представляет опасности для живых организмов. УФ излучение негативно влияет и на другие клеточные структуры микроорганизмов с различной степенью интенсивности, однако, основным универсальным механизмом обеззараживания является повреждение нуклеиновых кислот.

Мерой бактерицидной энергии  является доза облучения, которая равна  произведению интенсивности УФ излучения (мВт/см2) на время (с) и измеряется в (м Дж/см2).

Дозы, применяемые для  обеззараживания, зависят от:

- среды и ее физико-химических  свойств

- типа микроорганизмов

- исходного и нормируемого  уровня микроорганизмов

 

 

 

 

 

Устройство  УФ стерилизаторов

Ультрафиолетовые стерилизаторы  представляют собой камеру из нержавеющей  стали (камеру обеззараживания) с расположенными внутри ультрафиолетовыми лампами, заключенными в прочные кварцевые  чехлы, которые исключают контакт  УФ лампы с водой.

Вода, проходя через камеру обеззараживания, непрерывно подвергается облучению ультрафиолетом, который  убивает все находящиеся в  воде микроорганизмы (бактерии, вирусы, простейшие и т.д.). Установки обеспечивают надежное обеззараживание в широком  диапазоне качества обрабатываемой воды за счет предусмотренного запаса УФ дозы.

Установки УФ обеззараживания  комплектуются пультом управления, контролирующим работу УФ лампы и  сигнализирующим о неисправностях.

Кроме того, в УФ установках может предусматриваться система  очистки кварцевых чехлов, т.к. в  процессе их работы на внутренней поверхности  бактерицидных ламп накапливаются  отложения органического и минерального происхождения. Системы очистки  в современных УФ стерилизаторах позволяют производить удаление отложений не вынимая ламп, что делает эти устройства безопасными и удобными в использовании.

Три параметра стерилизатора  определяют обеспечиваемую им дозировку  ультрафиолета.

1. Мощность.  Чем она больше, тем сильнее дозировка, а положительный эффект от такого прибора выше.

2. Размер рабочего зазора, то есть толщина обрабатываемого слоя воды. Вода очень быстро поглощает ультрафиолет. Теоретически в воде средней прозрачности, к которой относится и прудовая вода, полное поглощение ультрафиолетовых лучей происходит в слое толщиной 40–60 мм. Можно считать, что такой слой утилизирует 100 % излучения лампы, но качество обработки при этом сравнительно невысокое, так как достаточную дозу облучения получает лишь небольшой слой потока, ближайший к лампе. Соответственно, при большом рабочем зазоре между двумя колбами прибора, для полной обработки воды, ее требуется прогнать через УФ-стерилизатор многократно в течении одних суток. Уменьшение рабочего зазора заметно увеличивает эффективность обработки воды.

3. Производительность.  С одной стороны, чем больше производительность стерилизатора, т.е. ток воды, проходящий через него, тем меньшее время вода находится под воздействием ультрафиолета и тем меньше получаемая доза, а, значит ожидаемый эффект. С другой стороны, для повышения качества обеззараживания воды, желательно чтобы вся вода в водоёме была обработана хотя бы раз за сутки , и вот почему. Если, например, принять средний период деления бактерии за 12 часов, то, как пишут многие авторы в своих книгах, надо пропустить через УФ-стерилизатор два объема в сутки. Основываясь на всем этом и зная мощность УФ-лампы, ее длину и толщину рабочего слоя воды внутри, можно вычислить оптимальную производительность насоса для водоёма любого объема. Очень важный критерий, это время, в течении которого вода находится в зоне облучения при прохождении через стерилизатор. То есть, чем длиннее УФ-лампа, вдоль которой течет вода, находясь в облучаемой зоне, тем больше возрастает эффективность обработки воды. Математический аппарат расчета этого весьма сложен, приводить его здесь, нет никакой нужды. Гораздо проще воспользоваться рекомендациями производителей.

 Особенности УФ стерилизаторов (отличия, плюсы и минусы)

Основное преимущество УФ стерилизаторов перед установками  хлорирования и озонирования - УФ обеззараживание  не требует введения в воду химических реагентов, не влияет на вкус и запах  воды и не образует вредные для  организма хлорорганические соединения.

Помимо этого существует также ряд особенностей ультрафиолетовых стерилизаторов, касающихся эффективности, практичности и экономичности их использования.

Достоинства

• 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;

• сокращение времени технологических процессов – бактерицидное облучение действует почти мгновенно, и вода, прошедшая через установку, может сразу же поступать непосредственно в систему водоснабжения;

• компактность и универсальность применения – УФ оборудование легко вписывается в типовые технологические схемы;

• простота технологического оборудования;

• не требуется организовывать специальную систему безопасности, как при хлорировании и озонировании;

• не требуется проведения значительных строительных работ на существующих сооружениях;

• отсутствуют вторичные продукты;

• не нужно создавать реагентное хозяйство;

• оборудование работает без специального обслуживающего персонала;

• экономическая целесообразность.

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 возможно вторичное (после обработки излучением) заражение воды.

 

Условия применения УФ стерилизаторов

Использование ультрафиолетового  облучения в качестве обеззараживания  рекомендуется для воды, уже прошедшей  очистку по цветности, мутности и  содержанию железа.

Поэтому ультрафиолетовое обеззараживание  воды наиболее применимо для локальных  установок водоподготовки на завершающей  стадии обработки воды для обеспечения  ее надлежащего качества.

Обеззараживание питьевой воды 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;

• 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.

При обеззараживании сточной  воды, исходная вода должна отвечать следующим  требованиям:

• взвешенные вещества - не более 12 мг/л;

• БПК5 О2/л - не более 10 мг;

• ХПК О2/л - не более 50 мг;

• число термотолерантных колиформных бактерий в 1 л - не более 5х106;

• колифаги БОЕ/л - не более 5х104.

Дозы бактерицидного облучения, обеспечиваемые УФ оборудованием, составляют не менее 16 мДж/см2 для питьевой и 30 мДж/см2 - для сточной воды, что соответствует требованиям современных нормативных документов и мировым стандартам.

 

Источники УФ излучения

В качестве источников УФ излучения  используют лампы низкого (ЛНД) и  среднего давления (ЛСД). В данном случае имеется в виду давление внутри лампы, при котором происходит испарение  металлов (чаще всего ртути или  ее соединений), приводящее к излучению  определенных длин УФ волн. Ниже в таблице  приведены основные характеристики ламп низкого и среднего давления.

С технической точки зрения основными отличиями ламп низкого  и среднего давления являются мощность и спектр излучения. Лампы среднего давления имеют мощность единичной  лампы в 10–20 раз больше, чем у  ламп низкого давления. Потому оборудование на ЛСД более компактное, чем на ЛНД.

Эксплуатационные затраты на замену УФ ламп низкого и среднего давления примерно одинаковые. Несмотря на то, что для одних и тех же условий количество ЛСД будет в 10–20 раз меньше, чем ЛНД, срок службы ЛСД в два раза короче и они дороже, чем ЛНД.

Обратной стороной высокой  удельной мощности является низкий коэффициент  преобразования потребляемой электрической  энергии в бактерицидную, вследствие этого эксплуатационные затраты  на электроэнергию при использовании  ЛСД как минимум в 2 раза выше, чем при использовании ЛНД.

Второе принципиальное отличие  – это спектр излучения. Лампы  низкого давления также иногда называют монохроматическими, поскольку спектр их излучения приходится на одну длину  волны 254 нм. Лампы среднего давления излучают широкий спектр от 200 до 800 нм, поэтому их еще называют полихроматическими. С точки зрения эффективности обеззараживания это отличие не имеет значения, поскольку требуемая доза облучения должна обеспечиваться на длине 254 нм.

Существуют публикации о  том, что лампы среднего давления обеспечивают более надежное обеззараживание, чем лампы низкого давления за счет предотвращения фотореактивации микроорганизмов. Однако различие в реактивации микроорганизмов после УФ облучения лампами низкого и среднего давления наблюдается только при облучении малыми дозами (до 10 мДж/см2). Дозы облучения, применяемые на практике (25–40 мДж/см2), обеспечивают отсутствие эффекта реактивации независимо от типа ламп.