Установки ультрафиолетового (УФ) обеззараживания питьевых, хозяйственных и сточных вод.

Впервые эффект обеззараживания воды солнечным светом был замечен в 1878 году немецкими учеными при отборе проб с поверхностного слоя вод озера в Германии и дальнейшие исследования позволили определить разрушительное действие на бактерии и микроорганизмы ультрафиолетовой части спектра электромагнитного излучения. В 1910 были сделаны первые попытки использовать ультрафиолетовое обеззараживание воды в качестве одной из альтернатив процессов химической дезинфекции, в частности хлорированию, причем в технологическом аспекте установка ультрафиолетового обеззараживания воды начала прошлого века мало отличается от современных установок, агрегатов и линий обеззараживания воды ультрафиолетовым излучением.

Вместе с тем, многолетние и достаточно активные исследования в области УФ обеззараживания воды позволили:

• определить границы оптимальных длин волн UV-C электромагнитного излучения (200 - 300 нм) с пиком эффективности воздействия на бактерии, микроорганизмы и паразитов при 260 ± 10 нм;

• выявить ключевые физико-химические показатели обрабатываемых вод, которые негативно влияют на ультрафиолетовое обеззараживание воды;
• разработать целевое оборудование для обеззараживания воды, эффективно осуществляющее обеззараживание питьевой воды, промышленных оборотных, технических вод, в том числе воды бассейнов, аквапарков, а также обеззараживание сточных вод;

• определить маркеры эффективности обеззараживания воды ультрафиолетовым излучением.

На текущий момент ультрафиолетовое обеззараживание воды стало обязательной процедурой водоподготовки питьевых вод с водозабором с поверхностных источников (водоемов 1 категории водопользования, песчаных скважин, колодцев), часто используется для обеззараживания воды с подземных источников (в качестве превентивной меры и/или при выявлении в водах микробиологических и паразитологических загрязнений), является неизменной процедурой водоподготовки воды для пищевой промышленности и медицины, активно применяется для обеззараживания сточных вод, оборотной воды бассейнов и аквапарков.

В развитых зарубежных странах обеззараживание воды ультрафиолетовым излучением формализовано рядом технических регламентов, а установки ультрафиолетового обеззараживания воды, в том числе установки обеззараживания сточных вод для частных систем водоснабжения/водоотведения, муниципальных станций обеззараживания воды и промышленных объектов разрабатываются и выпускаются большим числом компаний и холдингов.

В России УФ обеззараживание воды в той или иной мере формализовано в МУ 2.1.2.694-98 «Использование ультрафиолетового излучения при обеззараживании воды плавательных бассейнов», МУК 4.2.1018-2001 «Санитарно-микробиологический анализ питьевой воды. Методические указания», МУК 4.2.964-2000 «Санитарно-паразитологическое исследование воды хозяйственного и питьевого использования. Методические указания», МУ 2.1.4.1057-2001 «Организация внутреннего контроля качества санитарно-микробиологических исследований», МУК 4.2.1018-2001 «Санитарно-микробиологический анализ питьевой воды. Методические указания», МУК 4.2.796-99 «Методы санитарно-паразитологических исследований воды. Методические указания», ГОСТ 24849-81 «Вода питьевая. Полевые методы санитарно-микробиологического анализа», ГОСТ 18963-73 «Вода питьевая. Методы санитарно-бактериологического анализа», ГОСТ Р 53491-2009 «Бассейны. Подготовка воды».

Микробиологические и паразитологические показатели питьевой воды по СанПиН 2.1.4.10749 – 01.

В целом сегодня обеззараживание воды ультрафиолетом развивается по двум основным направлениям – собственно ультрафиолетовое обеззараживание воды и комплексное обеззараживание воды ультрафиолетовым излучением и озоном, причем ряд зарубежных экспертов прогнозирует хорошие перспективы комплексного подхода к дезинфекции УФ и озоном, поскольку метод реализуется в рамках одной установки, более экономичен и демонстрирует лучшие показатели качества обработанной воды.

Ультрафиолетовое обеззараживание воды.

Эффект воздействия УФ излучения на бактерии и микроорганизмы основан на необратимом разрушении электромагнитными волнами UV-C сегмента ультрафиолетовой области спектра стандартных блоков нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) на молекулярном уровне.

Вместе с тем:

• эффективность ультрафиолетового обеззараживания воды определяется реальной дозой полученного бактериями и микроорганизмами УФ-излучения D (мДж/см²) (D - произведение интенсивности потока бактерицидных лучей на продолжительность облучения, D = E·t, где Е – интенсивность потока ультрафиолетового излучения (мВт/см²); t – время воздействия, (с));

Справка: В общем процессы гибели бактерий и микроорганизмов под воздействием УФ излучения описываются зависимостью Р = Ро·10 (exp – (Е·Т/k), где Ро и Р – соответственно число бактерий до и после обеззараживания воды ультрафиолетовым излучением; Е – интенсивность потока ультрафиолетового излучения; Т – время воздействия УФ лучей на бактерии/микроорганизмы; k – коэффициент сопротивляемости бактерий разрушительному воздействию УФ лучей.

Маркером эффективности и надежности УФ обеззараживания воды, впрочем, как и при обеззараживании хлором и озонировании, принято снижение содержания бактерий групп кишечной палочки (БГКП), самых стойких к физическим и химическим методам обеззараживания.

• доза облучения сильно зависит от толщины слоя обрабатываемой воды, ее мутности, цветности, содержания железа, марганца, фенола, суммарно определяющих коэффициент α поглощения и рассеивания водой УФ лучей.

Справка: В РФ установлены пороговые показатели качества воды, направляемой на УФ обеззараживание: мутность – не более 2 мг/л (прозрачность по шрифту ≥ 30 градусов); цветность – не более 20 градусов (по платинокобальтовой шкале); содержание железа (Feобщ) – не более 0,3 мг/л (по СанПиН 2.1.4.1074 - 01) и 1 мг/л (по технологии установок УФ); коли-индекс (содержание бактерий группы Е – коли с наибольшей сопротивляемостью к воздействию УФ лучей) – не более 10 000 шт/л.

При отсутствии показателей качества, влияющих на коэффициент поглощения и рассеивания УФ лучей и по факту определяющих целесообразность обеззараживания воды ультрафиолетовым излучением, коэффициент α (1/см) принимается равным: для бесцветных, не требующих обезжелезивания, подземных вод глубокого залегания – 0,1; для родниковой, грунтовой и инфильтрационной воды – 0,15; для поверхностной очищенной воды – 0,2 ÷ 0,3.

Т.е. гарантированное (в достаточной степени) ультрафиолетовое обеззараживание воды возможно только при соответствии показателей качества воды установленным пороговым значениям, что может быть достигнуто превентивной очисткой (и обеззараживанием) воды, а также при строгом контроле генерируемой и получаемой дозы облучения с учетом коэффициента поглощения и рассеивания УФ лучей.

Дополнительно на дозу полученного бактериями и микроорганизмами УФ-излучения влияет светопропускаемость (прозрачность) защитных колб из кварцевого стекла, которые требуют периодической очистки от наслоений.

Простейшая типовая установка ультрафиолетового обеззараживания воды (см. рис. ниже) представляет собой U – образную трубу с фланцами для монтажа в систему водоснабжения. В трубу интегрированы 2 ультрафиолетовые лампы для обеззараживания воды в защитном корпусе из кварцевого стекла и фотоэлемент для контроля и определения интенсивности УФ излучения ламп. U – образная форма трубы выбрана не случайно – зоны турбулентности при изменении направления потока несколько снижают скорость воды в области воздействия ультрафиолетового излучения, а резьбовые заглушки обеспечивают простой доступ к лампам и съемным кварцевым трубкам для очистки отложений на стекле и/или замены ламп.

Eстановка ультрафиолетового обеззараживания воды на базе U – образной трубы, где: 1 – клапан сброса воздуха; 2 – резьбовая заглушка; 3 – зоны турбулентности; 4 – УФ лампы для обеззараживания воды; 5 – защитная кварцевая труба; 6 – фотоэлемент; 7 – камера обеззараживания воды ультрафиолетом; 8 – внешняя стенка трубы.

Такого типа установки ультрафиолетового обеззараживания воды могут монтироваться в систему каскадом в виде параллельных ответвлений или последовательно, их главным достоинством считают толщины обрабатываемого излучением потока менее 2 см, что гарантирует максимально эффективное обеззараживание воды ультрафиолетом, а главным недостатком – необходимость монтажа двух и более сравнительно дорогих установок в системы водоснабжения с большим напором транспортируемой воды.

Обеззараживание сточных вод УФ, как правило, осуществляется более масштабными и мощными установками, агрегатами и линиями, причем на отечественном рынке оборудования для обеззараживания воды можно купить и установки обеззараживания сточных вод для муниципальных станций водоотведения, и компактные установки обеззараживания сточных вод для автономных систем (при необходимости сброса обеззараженных стоков в почву (или на рельеф) участков с колодцами или песчаными водозаборными скважинами).

Муниципальные и промышленные установки обеззараживания сточных вод отличаются от установок ультрафиолетового обеззараживания воды систем автономного водоотведения конструкцией, числом и мощностью ламп для обеззараживания воды, а также автоматизацией контроля над процессом обеззараживания сточных вод, качеством направляемых на дезинфекцию и обеззараженных стоков.

Комплексное обеззараживание воды ультрафиолетовым излучением и озоном.

В последней четверти прошлого века было обнаружено, что УФ излучение с длиной волны приблизительно 172 нм инициирует фотохимический процесс преобразования свободного кислорода в воде в озон, который, являясь большим окислителем, чем хлорсодержащие реагенты обеззараживания воды, эффективно разрушает органические загрязнения включая инфекционные бактерии. Первые установки комплексного обеззараживания воды ультрафиолетовым излучением и озоном были разработаны в 1980 году и к сегодняшнему дню продолжается активная работа, как по совершенствованию методов обеззараживания воды УФ и озоном, так и оборудования для обеззараживания воды, в котором лампы для обеззараживания воды сочетаются с озоновыми генераторами.

В подавляющем большинстве установок обеззараживания воды ультрафиолетовым излучением и озоном блок генерации озона выполнен в виде отдельного модуля, устанавливаемого до (реже после) типовой установка ультрафиолетового обеззараживания воды. В модуль интегрированы специальные лампы, обеспечивающие поток лучей длин волн в районе 172 нм хорошей интенсивности, что обуславливает прохождение фотохимических процессов с выделением озона и обеззараживание воды, причем благодаря обработке озоном вода еще до поступления в модуль УФ обеззараживания очищается от двухвалентного железа, марганца, гумусовых веществ, что делает ультрафиолетовое обеззараживание воды значительно более эффективным.