Обработка воды ультрафиолетом

Ультрафиолетом (УФ) называют невидимую глазом часть спектра электромагнитных волн, имеющих энергию большую, чем у видимого фиолетового света. УФ-излучение охватывает диапазон с длиной волны от 100 до 400 нм. Колебания с длиной волны от 100 до 200 нм называют жестким или вакуумным ультрафиолетом. Их энергии может хватать на разрушение органических молекул. Колебания с длиной волны от 200 до 400 нм генерируются в специальных ртутных или ксеноновых лампах и широко применяются для обеззараживания воды и воздуха от различных микроорганизмов.

Обработка воды ультрафиолетовым излучением относится к числу безреагентных, физических методов воздействия. Различают два метода облучения ультрафиолетом – импульсное, с широким спектром волн, и постоянное, в выбранном диапазоне волн.

Обеззараживающим (бактерицидным) эффектом обладает только часть спектра УФ-излучения в диапазоне волн 205–315 нм при максимальной эффективности в области 260±10 нм. Обеззараживающий эффект УФ-излучения в первую очередь обусловлен происходящими под его воздействием фотохимическими реакциями в структуре молекул ДНК и РНК, приводящими к их необратимым повреждениям. Кроме того, действие ультрафиолетового излучения вызывает нарушения в структуре мембран и клеточных стенок микроорганизмов. Все это в конечном итоге приводит к их гибели.

Эффективность обеззараживания воды (доля погибших под действием УФ облучения микроорганизмов) пропорциональна интенсивности излучения (мВт/см²) и времени его воздействия (с). Произведение этих двух величин называется дозой облучения (мДж/см²) и является мерой бактерицидной энергии, сообщенной микроорганизму. Минимальная доза УФ-облучения, регламентируемая методическими указаниями Минздрава РФ для обеззараживания питьевой воды, – 16 мДж/см² («Санитарный надзор за применением УФ-излучения в технологии подготовки питьевой воды» МУ 2.1.4.719-98). Она обеспечивает снижение содержания патогенных бактерий в воде не менее чем на 5 порядков, а по индикаторным бактериям на 2–6 порядков. Такая доза снижает содержание вирусов на 2–3 порядка.

Фотохимические процессы практически не зависят от рН и температуры воды, незначительно зависят от ее химического состава. Наличие взвесей должно обязательно учитываться при выборе режима работы, поскольку они экранируют загрязнения и поглощают часть излучения.

Специалистами НИИ гигиены им. Ф. Ф. Эрисмана были проведены исследования влияния обобщенных показателей качества воды (цветность, мутность, окисляемость, ХПК, БПК) на эффективность УФ-обез­зараживания. Показано, что колебания состава речной воды в диапазоне: цветность – 20–50 градусов, мутность – 1–30 мг/л, перманганатная окисляемость – 6–14 мг О₂/л, ХПК – 29–63 мг/л, БПК – 5–10 мг/л не влияют на дозу облучения, необходимую для достижения нормативных показателей по коли-индексу и ОМЧ. Сотрудниками НПО «ЛИТ» на промышленной установке показано, что и при мутности 145 мг/л и коли-индексе 3000000 после УФ-облучения достигается отсутствие колиформных бактерий.

Важнейшим качеством УФ-обработки воды является отсутствие изменения ее физических и химических характеристик даже при дозах, намного превышающих практически необходимые .

Широкая распространенность метода УФ-обеззараживания воды объясняется такими его достоинствами, как:

• универсальность и эффективность воздействия на различные микроорганизмы в воде;
• экологичность, безопасность для жизни и здоровья человека;
• относительно низкая цена;
• невысокие эксплуатационные расходы;
• низкие капитальные затраты;
• простота обслуживания установок.

Для пищевых производств очень важным преимуществом УФ-об­работки воды является отсутствие необходимости введения дополнительных реагентов, которые могут изменить органолептические характеристики продукта.

Серьезным недостатком УФ-обеззараживания является отсутствие последействия, т. е. очищенная вода может вновь загрязняться на последующих стадиях обработки или транспортировки.

Рис. 1. Установка УФ - обеззараживания воды

УФ-облучение воды убивает микроорганизмы, но клеточные стенки бактерий, грибов, белковые фрагменты вирусов остаются в воде. При использовании такой воды в качестве питьевой желательно удалять их с помощью тонкой фильтрации.

Обычная бактерицидная установка УФ-обеззараживания воды (рис. 1) состоит из камеры обеззараживания и пульта управления. Иногда они комплектуются блоком промывки.

Камера обеззараживания воды представляет собой корпус из нержавеющей стали, реже из пластмассы, имеющий патрубки для ввода и вывода очищаемой воды, пробоотборники и датчик УФ-излучения. С торцов корпус закрыт решетками, имеющими отцентрованные с обеих сторон отверстия, число которых соответствует количеству используемых ламп. В эти отверстия герметично устанавливают прочные кварцевые трубки – чехлы. Внутри трубок располагаются бактерицидные лампы (ртутные или ксеноновые), что исключает их непосредственный контакт с водой и обеспечивает их легкую замену без слива аппарата. Видно, что конструкция похожа на кожухотрубный теплообменник. Корпус, кварцевые трубки и их крепление рассчитаны на рабочее давление очищаемой воды.

В методических указаниях МУ 2.1.4.719-98 в качестве требований указывается, что УФ-установки обеззараживания воды должны комплектоваться: датчиками измерения интенсивности УФ-излучения в камере обеззараживания; системой автоматики, сигнализирующей о снижении минимальной поглощенной дозы; счетчиками времени наработки ламп и индикаторами их исправности; пробоотборниками и системой очистки кварцевых чехлов. Следует отметить, что стоимость этих устройств велика и их применение на установках малой производительности резко увеличивает их цену. Поскольку эти указания не носят обязательного характера, большинство производителей ограничиваются рекомендацией смены ламп при наработке ими гарантийного ресурса. На муниципальных установках подготовки питьевой воды необходимо обеспечивать их полную комплектацию.

Количество ламп в установке зависит от ее производительности, предназначения, типа и качества обрабатываемой воды. Длина корпуса определяется типом применяемых ламп.

Поскольку для зажигания ртутных ламп необходимо создание специальных условий, все установки содержат пускорегулирующее устройство, а крупные – и специальный блок управления и контроля. Для обеспечения высокой надежности работы, учитывая незначительное энергопотребление ламп, предпочитают их эксплуатацию при постоянном горении. Ресурс отечественных ламп составляет 6000–7000 часов, импортных – 8000–10000 часов. Затем лампы заменяют.

Очистка кварцевых труб осуществляется либо механическим способом, либо химической промывкой.

УФ-установки обеззараживания воды выпускаются огромным числом изготовителей за рубежом и не менее чем 10 в России. Их производительность колеблется от литров в час для бытовых систем, устанавливаемых «под мойку», до нескольких тысяч м³/ч для городских систем.

Возможны различные варианты расположения УФ-установок на сооружениях очистки воды, как в начале, так и в конце технологической цепочки. Выбор оптимального места определяется по результатам технологических исследований на конкретных очистных сооружениях. Учитывая, что действие УФ-излучения ограничивается объемом аппарата, для большинства случаев обработку воды целесообразно проводить в конце процесса, перед ее подачей потребителю.

Следует отметить, что эффективность УФ-обеззараживания воды может быть дополнительно повышена путем сочетания с другими методами обеззараживания и с физическими воздействиями. Так, одновременная обработка воды кавитацией или ультразвуком и ультрафиолетом, введение малых доз озона после УФ-обработки позволяют сократить необходимую дозу облучения и гарантировать полное обеззараживание воды даже при наличии взвесей. Введение незначительных доз активного хлора обеспечивает эффект последействия, т. е. отсутствие повторного обсеменения воды. Аналогичный эффект дает обработка воды серебром, медью, йодом.

Жесткое УФ-излучение в области 100–200 нм вызывает образование озона из молекул растворенного в воде кислорода и непосредственно воздействует на молекулы органических соединений. При использовании мощных импульсных ксеноновых ламп это создает возможность глубокой фотохимической очистки воды от загрязнения нефтепродуктами, пестицидами, токсическими и мутагенными циклическими органическими соединениями.

Установки, в которых совмещено воздействие кавитации и УФ-излучения, типа «Лазурь» разработаны в АО «Сварог». В них материалом чехлов для УФ-ламп вместо кварцевого стекла служит т. н. «Супрасил», который пропускает жесткое УФ-излучение с длиной волны 180 нм.

Кавитация приводит к образованию микропузырьков воздуха, которые образуются на микрозагрязнениях воды, таких как пылинки и микробы. При «схлопывании» пузырьков возникают большие перепады давления, которые уничтожают микробы. Одновременно в этих пузырьках под действием УФ-излучения образуются активные радикалы, которые эффективно уничтожают микрофлору и окисляют органику в воде. При этом весь объем воды обрабатывается ультрафиолетом. Как считают разработчики, такое тройное воздействие много эффективнее простой раздельной обработки облучением и кавитацией.