Дезинфекция воды ультрафиолетовым излучением
Предлагаемые вниманию читателя статьи относятся
к практической области применения ультрафиолетового (УФ) излучения для дезинфекции
воды.
В настоящее время на вводящихся в эксплуатацию и проектируемых
станциях дезинфекции воды в США, Канаде, Великобритании, Франции и т. д. доза
УФ-излучения выбирается в интервале от 50 до 100 мДж/см2. Это значительно
удорожает процесс дезинфекции воды и ограничивает возможности применения УФ-излучения
ламп низкого давления из-за их малой интенсивности. В обычной практике эти лампы
(например марки TUV Philips) способны обеспечить до 20 мДж/см2, что
по современным требованиям к стерилизации явно мало. Нормативы облученности,
используемые в России (16 мДж/см2), на этом фоне вообще не выдерживают
никакой критики при требованиях к прозрачности воды 70 %.
Поэтому большое внимание вызвало сообщение русских
ученых на Международном конгрессе по УФ-технологиям дезинфекции воды, который
проходил в Вене в июле 2003 года, о новой технологии дезинфекции воды при одновременном
воздействии на воду ультразвука и ультрафиолета.
Эта работа велась в течение ряда лет совместно с учеными ЮАР.
Эффективность инактивации патогенной дезинфекции микрофлоры при
подобной технологии в сотни раз выше традиционой УФ-технологии. При этом общие
энергозатраты составляют до 10 Вт/м3 обрабатываемой воды (при себестоимости
0,04 долл. США/м3).
Технология дезинфекции воды показала свою энергоспособность на
тысячах объектах в России и за рубежом. В целом мы считаем, что представленные
статьи по дезинфекции правильно ориентируют специалистов по водоподготовке в
выборе режимов применения дезинфектантов и УФ-излучателей.
Основные требования
при работе с
системами ультрафиолетового излучения.
Метод дезинфекции воды с использованием УФ-излучения
доказал свою эффективность при дезактивации переносимых водой болезнетворных
микроорганизмов и вирусов без ухудшения вкуса и запаха воды и без внесения в
воду нежелательных побочных продуктов. Такой метод дезинфекции воды завоевывает популярность
в качестве альтернативы или дополнения к традиционным средствам дезинфекции,
таким как хлор, из-за своей безопасности, экономичности и эффективности.
Метод УФ-дезинфекции воды не обеспечивает полной дезинфекции остаточных
загрязняющих веществ, поэтому в больших системах распределения он должен сочетаться
с применением дополнительных средств дезинфекции.
Принцип действия УФ-излучения при дезинфекции воды.
УФ-дезинфекция выполняется при облучении находящихся в воде микроорганизмов
УФ-излучением определенной интенсивности в течение определенного периода времени.
В результате такого облучения микроорганизмы «микробиологически» погибают, т.
к. они теряют способность воспроизводства.
УФ-излучение при дезинфекции воды, имеющее бактерицидную длину волны 260 нм или близкую
длину волны, проникает сквозь стенку клетки переносимого водой микроорганизма
и поглощается ДНК, называемой генетической цепочкой микроорганизма, в результате
чего процесс воспроизводства микроорганизма прекращается.
Лишение микроорганизма способности воспроизводства обычно называется
дезактивацией этого микроорганизма. УФ-свет с длиной волны 185 нм применяется
для снижения концентрации полностью органического углерода (Total Organic Carbon
– ТОС).
Общие рекомендации при неполадках
Даже при выполнении всех требований по техническому обслуживанию могут возникнуть
некоторые проблемы. В этих случаях перечень контрольных вопросов может помочь
быстро найти нужное решение.
— Если УФ-монитор обнаруживает снижение дозы облучения, рекомендуется
вначале определить, заменялась(лись) ли лампа(ы) и чистился(лись) ли стакан(ы)
с момента установки системы.
— Если выдерживался необходимый график технического обслуживания,
производилась ли повторная калибровка УФ-монитора после установки новой лампы?
— Если УФ-монитор был повторно откалиброван, очищался ли также
датчик УФ-монитора от возможных загрязнений или биологических наслоений?
— Если линза датчика УФ-монитора очищалась во время текущего технического
обслуживания лампы и кварцевого стакана, не изменились ли качество воды, значение
коэффициента пропускания или температура воды?
Для УФ-систем, требующих перерыв в работе не более часа, перед
повторным включением можно не производить каких-либо дополнительных действий.
Если для системы дезинфекции воды требуется более длительный период отключения
или если она находится в резервном состоянии в течение недель или месяцев, рекомендуется
перед повторным запуском обработать хлором линии распределения согласно требованиям
по установке.
Если наблюдается продолжительное бактериальное загрязнение от
недавно запущенной системы дезинфекции воды, следует выяснить, промывалась ли
система перед запуском.
Общие вопросы по установке систем дезинфекции воды
При оценке возможности установки УФ-системы дезинфекции необходимо
рассмотреть параметры воды и характеристики конкретного приложения. Важно выбрать
параметры системы дезинфекции воды и произвести ее установку таким образом, чтобы
при максимальном расходе воды обеспечивалась необходимая доза УФ-излучения при
дезинфекции.
В обычной УФ-системе дезинфекции воды в конце рекомендуемого
производителем срока службы УФ-лампы доза излучения составляет приблизительно
40 мДж/см2. Средний срок службы лампы лежит в пределах от 8 000 до
12 000 ч работы.
Каждая УФ-система сконструирована для обработки в конце срока
службы лампы (EOLL) максимального расхода воды при определенном значении коэффициента
пропускания. Коэффициент пропускания отражает способность УФ-излучения проходить
через воду на расстояние 1 см. Для дезинфекции воды рекомендуется применять
УФ-свет при значении коэффициента пропускания не ниже 85 %. Для определения
истинного воздействия УФ-системы, кроме коэффициента пропускания, необходимо
знание значения другого показателя – общего содержания в воде взвешенных твердых
частиц (TSS).
Если взвешенные частицы не отфильтровываются, эффективность дезинфекции воды
УФ-излучением снижается. Взвешенные частицы могут влиять на эффективность УФ-системы дезинфекции воды,
затеняя микроорганизмы, в результате чего микроорганизмы могут не получить необходимой
дозы облучения.
Как правило, для систем дезинфекции воды рекомендуемая максимальная
концентрация TSS составляет 1 мг на 1 л воды. Однако даже при нормальной эксплуатации
кварцевый стакан загрязняется слоем биологического или химического материала,
интенсивность которого зависит от общего количества растворенных в воде твердых
веществ (TDS). Этот слой уменьшает способность УФ-света проникать в микроорганизмы.
Косвенное влияние TDS на качество воды выражается в снижении эффективности
лампы при увеличении загрязнения кварцевого стакана, защищающего от воды УФ-лампу.
Кроме этого, на выходные параметры системы дезинфекции воды влияет температура
воды. При превышении температуры воды значения 27 °С воду следует охлаждать,
а при снижении температуры ниже 4 °С необходимо подогревать воду или устанавливать
дополнительные лампы для компенсации снижения эффективности системы дезинфекции воды.
Характеристики систем дезинфекции воды
Для облегчения эксплуатации УФ-системы дезинфекции воды может быть добавлено специальное
оборудование для отслеживания, контроля и обслуживания базовой системы:
— ручной или автоматический механизм стеклоочистителя, служащий
для очистки загрязнений на кварцевом стакане;
— УФ-монитор, измеряющий интенсивность УФ-ламп. Такие мониторы
могут измерять выходную интенсивность ламп в абсолютных единицах мДж/см2,
или как относительную интенсивность в процентных значениях;
— автоматический соленоидный клапан, отключающий УФ-систему в
случае снижения дозы облучения из-за разбитой лампы или изменения качества воды.
Общие предостережения и рекомендации при работе с УФ-системами дезинфекции
— Не следует касаться пальцами устройства.
Во время установки УФ-системы нельзя касаться пальцами кварцевого
стакана или УФ-лампы. Жир на пальцах затрудняет передачу УФ-света от лампы.
Он может также создать горячее пятно на лампе, которое увеличивает соляризацию
лампы и резко уменьшает срок ее службы.
— Необходимо защищать глаза.
Для предотвращения попадания в глаза опасного УФ-излучения необходимо
надевать защитные очки.
— Необходимо промывать систему дезинфекции воды .
После установки УФ-системы дезинфекции воды следует промыть систему распределения
воды химическими дезинфецирующими веществами, например, хлорной известью для
удаления всех бактерий или загрязняющих веществ, которые имеются в линиях распределения.
— Надлежащий уход.
После установки УФ-системы дезинфекции воды следует регулярно производить ее надлежащее
техническое обслуживание. Кварцевые стаканы, УФ-лампы и механизм очистителя
следует заменять согласно рекомендациям производителя.
— Для обычной УФ-системы дезинфекции воды низкого давления со стандартной выходной
мощностью, используемой для приложений POU и POE, число циклов включений и выключений
в течение дня не должно превышать четырех. Более частое включение и выключение
может вызвать усиленный износ нитей накала ламп и, соответственно, сокращение
срока службы.
— Рекомендуется применять УФ-лампы с предварительным нагревом
или устанавливать механизм временной задержки. Обе возможности позволяют достичь
максимальной температуры, при которой обеспечивается максимальная эффективность
системы дезинфекции воды перед началом водообработки системой.
Заключение
УФ-системы дезинфекции воды обеспечивают безопасный, эффективный и недорогой метод
дезинфекции. Простейший базовый вариант системы дезинфекции воды, оснащенный необходимыми системами
измерения и управления, предоставляет пользователю возможности для удобной эксплуатации
и несложного технического обслуживания.
Специалисты по водообработке должны иметь общие представления
о дезинфекции воды при помощи УФ-излучения, а также о способах эксплуатации и технического
обслуживания УФ-систем дезинфекции. В свою очередь, дилеры должны обучать своих клиентов
правильному обращению и использованию систем для обеспечения чистой питьевой
воды.
Удаление остатков
хлора и хлорамина
при помощи ультрафиолетового излучения
Наряду с тем, что мощная энергия УФ-излучения традиционно используется
в таких приложениях, как дезинфекция воды, уничтожение озона, уменьшение ТОС, в последнее
время было разработано приложение по использованию УФ-технологии для уничтожения
остатков хлора и/или хлорамина.
Наука химических присадок
Для дезинфекции воды в основном используется хлор в газообразном
состоянии. Он соединяется с молекулами воды и образует хлорноватистую кислоту
(HOCl), ионы Н+ и ионы хлора. HOCl распадается на Н+ и
ионы OCl (гипохлорида).
Хлорноватистая кислота вместе с ионами гипохлорида называется
свободным хлором.
При реакции хлора с аммиаком, присутствующим в воде, образуется
хлорамин, который так же, как и хлор, имеет биоцидные свойства. Имеется три
разновидности хлорамина: монохлорамин, дихлорамин и трихлорамин. Для дезинфекции
воды в основном применяется монохлорамин. Концентрация различных разновидностей
хлорамина зависит в основном от уровня рН воды.
Наряду с тем, что хлор или хлорамин позволяют очень хорошо контролировать
бактериальный уровень, эти агенты привносят и некоторые проблемы. Внесение хлора,
будучи разновидностью химической обработки, вызывает изменения химического состава,
вкуса и запаха воды, что крайне нежелательно для большинства отраслей промышленности.
Кроме того, серьезным недостатком применения хлора является возможность появления
канцерогенных побочных продуктов или трехгалогензамещенного метана (ТНМ), образующихся,
когда остаточный хлор реагирует с органическими смесями, присутствующими в воде.
|
УФ-лампы необходимо заменять каждые
8—9 тыс. ч для лучшей их работы |
В обычных системах водоснабжения остаточный хлор обычно удаляется слоем
активированного угля или внесением химических веществ, например метабисульфита
натрия. Эти методы имеют определенные внутренние недостатки. Использование
метабисульфита натрия означает применение одного химиката для удаления другого,
поэтому слой активированного угля может служить питомником для бактерий. Кроме
того, дехлорирование слоем активированного угля не обеспечивает полного удаления
хлора.
Применение УФ-излучения для дезинфекции воды
Исследования показали, что остатки свободного хлора с концентрацией
более 1.0 на миллион и остатки хлорамина с концентрацией более 2.0 на миллион
могут успешно уничтожаться УФ-излучением.
Обычными побочными продуктами реакции разрушения хлора (в присутствии
молекул воды и при воздействии УФ-света) являются соляная кислота и разновидности
гидроксила (последние помогают в разложении некоторых органических смесей в
воде). Обычными побочными продуктами реакции разрушения хлорамина (в присутствии
молекул воды и при воздействии УФ-света) являются соляная кислота, нашатырь
и различные разновидности нитратов. Реакции разрушения свободного хлора и хлорамина
удовлетворяют условиям кинетики первого порядка.
Минимально необходимая доза облучения УФ-светом для дезинфекции воды зависит от следующих
переменных:
— качество воды (рН, TSS, TDS, мутность, наличие солей металлов
(железа, марганца), ТОС / цвет, жесткость и т. д.);
— расход;
— концентрация остаточного свободного хлора / хлорамина.
 |
УФ-модули состоят из цилиндрической
камеры с УФ-лампами, заключенными
в кварцевые стаканы |
УФ-оборудование для дезинфекции воды
Основу обычного УФ-модуля составляет цилиндрическая камера, содержащая
УФ-лампы, заключенные в кварцевые стаканы, поверх которых протекает вода. Оптимальная
конфигурация ламп внутри камеры позволяет обеспечить облучение УФ-светом каждую
часть цилиндра камеры. Лампы надежно крепятся ламповыми фиксаторами.
Подключение воды, протекающей вдоль цилиндра, осуществляется при
помощи впускного и выпускного соединений (фланцы стандарта ANSI или тройные
зажимы).
В течение короткого периода времени протекания воды в цилиндре
вещества, загрязняющие воду (бактерии, ТОС, озон, хлор или хлорамин) подвергаются
воздействию УФ-излучения, испускаемого лампами. В результате эти вещества разрушаются,
и вода становится чище.
Питание ламп осуществляется от балластной схемы, являющейся существенной
компонентой УФ-модуля. Эта схема увеличивает входное напряжение до уровня, при
котором возникает электрическая дуга и зажигаются лампы. Балластная схема также
продлевает срок службы ламп.
Интенсивность излучения ламп со временем падает, поэтому для большей
эффективности модуля они должны заменяться каждые 8 000–9 000 ч.
Общие сведения об ультрафиолетовом свете необходимом для дезинфекции воды
УФ-свет расположен в электромагнитном
спектре между видимым светом и рентгеновскими лучами. УФ-область занимает
в электромагнитном спектре диапазон от 400 до 100 нм. Кроме этого, этот
диапазон подразделяется еще на четыре поддиапазона:
—
УФ-А (длинноволновый УФ) – 315–400 нм;
— УФ-В (средневолновый
УФ) – 280–315 нм;
— УФ-С (коротковолновый УФ) – 200–280
нм;
— вакуумный УФ – 100–200 нм.
Для
водообработки применяется УФ с двумя длинами волн – 254 и 185 нм.
Свет с длиной волны 254 нм (1 нм = 10–9 м = 10
A°), называемый также бактерицидным светом из-за его способности
убивать микроорганизмы, применяется для дезинфекции и уничтожения озона.
Он проникает через внешнюю стенку клетки микроорганизма в тело клетки и
изменяет генетический материал дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК).
Таким образом, микроорганизмы уничтожаются, происходит дезинфекция
нехимическим способом.
Кроме этого, УФ-свет может разрушать
остаточный озон, присутствующий в потоке воды.
УФ-свет
длиной 185 нм, используемый для уменьшения ТОС, разлагает органические молекулы.
Излучение длиной 185 нм имеет большую энергию, чем излучение длиной 254
нм, и оно формирует из молекул воды свободные радикалы гидроксила (ОН).
Недавние выпуски
06/09/2006Контроль качества воды, анализ качества воды
15/08/2006Гидравлический расчет трубопроводов
08/08/2006Очистные сооружения на участке - показатели качества воды
13/06/2006Очистка оборотной воды на примере очистных сооружений для автомоек
28/03/2006Физические и химические свойства металлов
21/03/2006Тяжелые металлы
14/02/2006Песколовки
07/02/2006Флотация
31/01/2006Отстойники
24/01/2006Очистка сточных вод
09/12/2005Фильтр для воды - как правильно сделать выбор
05/12/2005Локальные очистные сооружения, очистные сооружения
29/11/2005Биологическая очистка сточных вод
22/11/2005Роль воды, биологическая роль воды для человека
10/11/2005Производство питьевой воды
|
