Уф- (ультрафиолетовое) обеззараживание воды / сточных вод

Важно:Для перехода к предлагаемым решениям, нажмите на ссылку

Технология и оборудование УФ обеззараживания питьевых, производственных, хозяйственных и сточных вод.

Средняя (оптическая) область спектра электромагнитных излучений (1нм–1мм) включает сегмент ультрафиолетового излучения (согласно CIE S 017:2011 «ILV: International Lighting Vocabulary» ultraviolet radiation (UV) это оптическое излучение, у которого длины волн меньше длин волн видимого излучения), впервые обнаруженное Иоганном Вильгельмом Риттером в 1801 году и сегодня классифицированное в ISO 21348:2007 на несколько видов по длине волны и энергии фотона.

Таблица. Виды УФ-излучения согласно ISO 21348:2007

Бактерицидным эффектом обладает излучение в диапазоне длин волн 226-329 нм с пиком эффективности около 250 нм, в нашей стране формализовано бактерицидное излучение длин волн от 205 до 315 нм с максимумом вирулицидного действия в области спектра 250-270 нм (МУ 2.1.4.719-98, МУК 4.3.2030-05 «Санитарно-вирусологический контроль эффективности обеззараживания питьевых и сточных вод УФ-облучением»).

Бактерицидный эффект ультрафиолетового излучения обусловлен способностью фотонов ультрафиолетового спектра:

• напрямую нарушать структуру бактериальных ДНК, препятствуя их репликации, и/или полностью разрушать клеточные мембраны

• переводить атомы кислорода воздуха, в том числе растворенного в воде, в возбужденное состояние (континуум Герцберга), в котором они с молекулами кислорода и образуют трехатомные молекулы озона с высокой реакционной способностью, способного деполимеризовывать органические молекулы (в основном образование озона происходит за счет облучения волнами диапазона вакуумного ультрафиолета (ВУФ) с пиком эффективности в районе длин волн 180 нм);
• при воздействии на водные растворы провоцировать интенсивное образование ОН-радикалов - сильнейших из известных окислителей

Таблица. Окислительные потенциалы некоторых окислителей в воде.

Справка: Активное поглощение озоном волн диапазона от 200 до 300 нм с почти симметричным пиком в области 254 нм приводит к его распаду на молекулярный кислород и атом синглетного кислорода – сильного окислителя, но нестабильного и достаточно быстро переходящего в состояние молекулярного кислорода. В целом по этой причине в отличие от требований по предельным концентрациям озона в воздухе рабочей зоны (МУ 2.3.975-00 «Применение ультрафиолетового бактерицидного излучения для обеззараживания воздушной среды помещений организаций пищевой промышленности, общественного питания и торговли продовольственными товарами») нормативно-правовые акты не нормируют концентрацию синглетного кислорода при использовании бактерицидного УФ излучения для обеззараживания воздуха, а тем более питьевых и сточных вод, при бактерицидной очистке которых МУК 4.3.2030-05 не регламентирует контроль даже за концентрацией озона.

Важно: При использовании УФ излучения нужно учитывать требования нормативно-правовых актов по безопасности людей: при обеззараживании сточных вод УФ направленным излучением от не погружных установок - ГОСТ Р МЭК 62471-2013 «Лампы и ламповые системы. Светобиологическая безопасность», при обеззараживании воздуха и поверхностей МУ 2.3.975-00 и ГОСТ Р МЭК 62471-2013.

Маркеры бактериологической очистки питьевых, производственных, хозяйственных, сточных вод и требования к качеству воды, направляемой на ультрафиолетовое обеззараживание.

Для контроля над состоянием питьевых, производственных, хозяйственных, сточных после УФ обеззараживания используются маркеры и методики, регламентированные в:

• МУ 2.1.5.1183-03 «Санитарно эпидемиологический надзор за использованием воды в системах технического водоснабжения промышленных предприятий» - для воды технического водоснабжения;
• ТИ 95120-00334600-163-00 «Технологическая инструкция по обеззараживанию воды при производстве напитков с использованием ультрафиолетового излучения» - для воды, используемой для напитков;
• МУ 2.1.2.694-98 «Использование ультрафиолетового излучения при обеззараживании воды плавательных бассейнов» - для оборотных вод бассейнов, аквапарков;
• МУК 4.3.2030-05 «Санитарно-вирусологический контроль эффективности обеззараживания питьевых и сточных вод УФ облучением» - для питьевых и сточных вод.

В зависимости от санитарно-эпидемиологической обстановки и состояния водозабора могут определяться цисты патогенные кишечных простейших и яйца гельминтов по МУК 4.2.1884-04 Санитарно-микробиологический и санитарно-паразитологический анализ воды поверхностных водных объектов», но основным маркером вирусного загрязнения воды являются колифаги, и только при наличии колифагов в трехкратно последовательно отобранных пробах после УФ-облучения воду анализируют на наличие энтеровирусов.

Рис. Цисты патогенные кишечных простейших и яйца гельминтов.

Таблица. Вирусологические критерии эпидемиологической безопасности воды различных водных объектов по МУК 4.3.2030-05.

Таблица. Периодичность производственного санитарно-вирусологического контроля при обеззараживании УФ-облучением питьевой и сточной воды согласно рекомендаций МУК 4.3.2030-05.

Важно: Согласно МУК 4.3.2030-05 частота и степень контроля над УФ обеззараживанием воды определяется:

• сезонностью распространения различных групп вирусов в течение года;
• санитарно-гигиенической и эпидемической ситуацией (наличие «факторов предшественников») в верхних участках водотока;
• изменением или нарушением технологии очистки и обеззараживания питьевых и сточных вод;
• авариями на водопроводных или канализационных очистных станциях;
• возникновением вспышки или эпидемии вирусных инфекций водного происхождения на данной территории.

Дозы облучения ультрафиолетом устанавливаются на основе экспериментальных исследований и/или с учетом требований МУК 4.3.2030-05.

Таблица. Дозы УФ-облучения в зависимости от качества обрабатываемой воды согласно МУК 4.3.2030-05.

Бактерицидные лампы и установки для ультрафиолетового обеззараживания воды.

Для генерации потока электромагнитного излучения ультрафиолетовой части спектра обычно используются газоразрядные лампы – наполненные инертными газами, реже вакуумные с внесением в рабочее пространство металлической ртути в виде шарика или осажденной на электродах. В последние годы отечественные и зарубежные производители начали выпускать газоразрядные лампы с наполнением амальгамой - твердого или жидкого раствора ртути в одном или нескольких металлах, что:

• существенно снижает эффект «пленения» фотона - безизлучательной релаксации возбужденных электронов за счет соударений, усиливающийся с ростом концентрации атомов ртути;
• позволяет оптимизировать температурный режим лампы и повысить мощность излучения за счет выхода на более пологую зависимость мощности от давления паров при более высоких температурах.

Рис. Зависимость мощности УФ излучения от температуры «холодной точки» в ртутной лампе и лампе с амальгамой.

Переходящая при возникновении дуги между электродами в парообразное состояние ртуть, в том числе ртуть амальгамы излучает волны ультрафиолетового спектра с двумя резонансами, соответствующими длинам волн 185 и 253,7 нм, однако основные доли излучения зависят от давления паров ртути и приходятся для:

• ламп низкого давления (давление паров ртути от 0,01 до 1 мм рт. ст. или от 1,33 до 133 Па) на УФ-С диапазон 83%, УФ-В диапазон 2.8%, УФ-А диапазон 1.8%, видимый свет 12.4%;
• ламп среднего давления (от 1 до 3 атм или до 3x105 Па) на УФ-С диапазон 16.4%, УФ-В диапазон 21.5%, УФ-А диапазон 19.4%, видимый свет 42.7%;
• ламп высокого давления (до нескольких десятков атм. или от 3x105 до 107 Па) на УФ-С диапазон 4.4%, УФ-В диапазон 26.7%, УФ-а диапазон 21.2%, видимый свет 47.8%.

Т.е. оптимальной относительной энергией излучения для бактерицидной обработки диапазона УФ-С обладают лампы низкого давления (до 83% излучения в диапазоне УФ-С), однако световая отдача и допустимая мощность таких ламп существенно ниже, чем у ламп высокого давления.

Рис. Зависимость световой отдачи ртутного разряда от давления паров ртути, где область левее точки С – никого, а правее точки С – среднего и высокого давления.

Корректировка спектра ультрафиолетового излучения в пользу длин волн бактерицидного диапазона достигается:

• использованием специального стекла для колб – увиолевого, не содержащего в составе Fе2О3, Сr2O3, V2O3, сульфидов тяжелых металлов, преимущественно поглощающих излучение с длиной волн 280...320 нм и до 200 нм. Иногда такие лампы называют «безозоновыми», поскольку колба блокирует ВУФ диапазон, в том числе резонанс на длине волны 185 нм;

Важно: В ртутных лампах с колбами из увиолевого стекла спад потока излучения обычно составляет 30-50% за 3500 часов работы, что обусловлено «соляризацией» - потемнением стекла при окислении под действием УФ излучения, находящихся в структуре стекла следов FeO до Fe2O3, причем фактическая интенсивность излучения длины резонанса 254 нм синхронно уменьшается вместе с коэффициентом пропускания увиолевого стекла, а само окисление по данным научных исследований провоцируется диффузией ионов ртути в материал колбы. Для устранения этой проблемы, по факту сокращающей срок службы ламп, колбы покрывают изнутри защитным слоем, блокирующим проникновение ионов ртути в структуру материала колбы.

Рис. Зависимость интенсивности УФ – излучения (1,2) и коэффициента пропускания увиолевого стекла (3,4) от времени работы лампы с амальгамой.

• наполнением ртутных ламп криптоном, аргоном, неоном, усиливающим выход излучения длины волны резонанса 253,7 нм;

Рис. Выход линии 253,7 нм в зависимости от нагрузки на единицу длины положительного столба для ламп, наполненных различными инертными газами при давлении 260 Па и при давлении ртути 0,8 Па.

• увеличением разрядного тока при одновременном повышении концентрации инертного газа, что позволяет повысить мощность лампы на резонансной длине волны 254 нм;

Рис. Зависимость мощности УФ-излучения 254 нм от разрядного тока при различном содержании неона.

• подбором оптимального диаметра колбы лампы для получения максимального выхода УФ – излучения на резонансной волне 254 нм;

Рис. Зависимость потока и КПД генерации излучения резонансной линии 254 нм от внутреннего диаметра колбы разрядной лампы.

• применением светонаправляющих конструкций с элиптическими рефлекторами, в том числе с дихроичным многослойным покрытием для сепарации ИК-, видимого и УФ-А/В-излучения при обеззараживании воздуха, воды в безнапорных системах с помощью не погружных ламп.

Рис. Светонаправляющие конструкции с элиптическими рефлекторами (слева и в центре) и многослойным дихроичным покрытием (справа).

Установки для ультрафиолетового обеззараживания воды, как правило, модульные из нескольких ламп низкого, среднего или высокого давления:

• погружные проточные напорные с расположением ламп вдоль или поперек потока обрабатываемой воды;

• погружные проточные безнапорные с расположением ламп вдоль или поперек потока обрабатываемой воды;

• не погружные со светонаправляющими конструкциями для обеззараживания воды в безнапорных системах.