Эффективный метод обеззараживания воды - ультрафиолетовое излучение

Начиная с 70-х годов ХХ века, за рубежом наметилась тенденция по сокращению объемов применения хлора и хлорсодержащих реагентов в водопроводно-канализационных хозяйствах в результате выявления их негативного воздействия на живые организмы и биоценоз водоемов. Это получило отражение в массовом создании станций дехлорирования обеззараженных сточных вод и сокращении использования хлора в хозяйственно-питьевом водоснабжении на основе применения других технологий обеззараживания. Одной из технологий, получивших широкое промышленное внедрение, является обеззараживание ультрафиолетовым (УФ) излучением, позволяющее обеспечить необходимый эффект при отсутствии образования побочных веществ, обладающих негативным воздействием на живые организмы. В мире эксплуатируется более 3000 станций УФ-обеззараживания воды различного назначения и производительности, в том числе крупные, производительностью более 1 млн. м³/сут.

Введение новых нормативных документов в области водного хозяйства в последние несколько лет определили необходимость модернизации большинства очистных систем. Одной из наиболее актуальных задач является совершенствование схем обеззараживания, поскольку она напрямую связана со здоровьем человека.

Несмотря на несомненные успехи профилактической и лечебной медицины, эпидемиологическая роль водного фактора остается актуальной и в наши дни. Развитие гигиенической науки и обострение проблемы загрязнения окружающей среды приводят к тому, что как в мировой практике, так и в России постоянной является тенденция, направленная на ужесточение гигиенических требований к качеству воды, используемой для хозяйственно-питьевых нужд, а также гигиенических и рыбохозяйственных требований к качеству очищенных сточных вод. Так, СанПиН 2.1.4.1074-01 "Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству...", принятые в России, устанавливают контрольный показатель вирусного и паразитарного загрязнения, а также жестко ограничивают содержание в питьевой воде токсичных, мутагенных и канцерогенных хлорорганических соединений (ХОС), продуцируемых в основном на самих очистных сооружениях подготовки воды при ее хлорировании. Решение задачи повышения качества обеззараживания воды, требующее увеличения доз хлора, вступает в противоречие с необходимостью ограничения содержания хлорорганических соединений, образующихся при хлорировании.

Такие же проблемы существуют при хлорировании очищенных сточных вод в связи с высокой токсичностью остаточного хлора, хлорорганических соединений и хлораминов для всего биоценоза водоемов-приемников сточных вод. Методические указания МУ 2.1.5.800-99 "Организация санитарно-эпидемиологического надзора за обеззараживанием сточных вод" регламентируют исследование продуктов трансформации, образующихся при хлорировании, и требуют дехлорирования сточных вод перед выпуском их в водоемы. В гигиенических нормах ГН 2.1.5.689-98 "Предельно допустимые концентрации химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования" предписывается полное отсутствие активного хлора в составе выпускаемых сточных вод.

Кроме того, наличие больших запасов хлора в городах и на территории промышленных предприятий для целей обеззараживания природных и сточных вод создает реальную опасность для окружающей природной среды и населения в связи с высокой аварийностью хлорных хозяйств и токсичностью хлора, снижает устойчивость водопроводных и канализационных систем в целом. Постоянно ужесточающиеся требования надзорных органов предписывают проводить дорогостоящую реконструкцию и дооснащение действующих хлорных хозяйств. Увеличиваются нормативные размеры санитарно-защитных зон для хлораторных в системах водоснабжения и канализации, что в условиях застроенных территорий не всегда может быть реализовано.

Таким образом, основной промышленный метод обеззараживания, распространенный в России - хлорирование хлором или хлорсодержащими реагентами, не в состоянии обеспечить всю совокупность современных гигиенических и экологических требований. Для выполнения современных нормативных требований неизбежным является разработка новых методов и оборудования по обеззараживанию воды, обеспечивающих высокоэффективное удаление микроорганизмов, отсутствие опасных побочных продуктов и имеющих удовлетворительные технико-эксплуатационные и экономические показатели.

Наиболее перспективным в этих условиях промышленным методом является обеззараживание воды ультрафиолетовым излучением. Применение УФ-метода для обеззараживания в системах подготовки питьевой воды и очистки сточных вод оптимально решает возникшие проблемы.

С 1989 года Московским НПО "ЛИТ" в сотрудничестве с ведущими технологическими и санитарными научными организациями проводятся широкомасштабные работы по развитию и внедрению УФ-обеззараживания в России. Были разработаны высокоэффективные источники УФ-излучения и создано современное отечественное оборудование нового поколения для обеззараживания воды.

Принцип УФ-обеззараживания заключается в прямом воздействии излучения на нуклеиновые кислоты, входящие в состав ДНК и РНК всех живых организмов. Уже в первых работах по исследованию воздействия УФ-излучения на микроорганизмы был обнаружен оптимум длин волн для уничтожения бактерий, находящийся в области 250 - 266 нм. Действие ультрафиолета на разные типы микроорганизмов имеет одинаковую природу. Входящие в состав ДНК пирамидиновые основания - тимин и цитозин, отличающиеся высокой фотохимической активностью в области 250 - 280 нм, образуют под воздействием облучения сшивки (димеры). Этот фотопродукт обнаружен при использовании коротковолнового УФ-излучения в биологических дозах у самых различных объектов. Многочисленные факты свидетельствуют об определяющей роли димеров в летальном, мутагенном и других эффектах УФ-излучения. При этом внешняя структура микроорганизма оказывает минимальное влияние на эффективность УФ-излучения. Ультрафиолетовое облучение является летальным для большинства микроорганизмов, в том числе и для устойчивых к окислительным методам вирусов и цист простейших.

Основной характеристикой процесса УФ-обеззараживания, определяющей степень снижения количества микроорганизмов данного типа в процессе облучения, является произведение интенсивности излучения - I [мВт/см2] и времени облучения - t [с]. Произведение I x t называется дозой облучения - D [мДж/см2]. Доза облучения определяет количество энергии ультрафиолетового излучения, сообщаемое микроорганизмам.

УФ-облучение обладает высокой эффективностью по отношению к патогенным микроорганизмам. Исследования, проведенные НПО "ЛИТ" на более чем 120 объектах водоснабжения и канализации, показали, что для инактивации большинства бактерий на 1 - 4 порядка достаточной является доза 10 - 16 мДж/см2. Лабораторные исследования, проведенные НПО "ЛИТ" совместно с Институтом медицинской паразитологии и тропической медицины им. Е. И. Марциновского ММА им. И. М. Сеченова; НИИ экологии человека и гигиены окружающей среды им. А. Н. Сысина РАМН, показали, что доза облучения 16 мДж/см2 обеспечивает снижение содержания вирусов (коли-фаги и энтеровирусы) на 1,8 - 2,9 порядка. Достижение более значительной степени обеззараживания по вирусам обеспечивается дозой 40 мДж/см2 (более 4 порядков). В отношении наиболее устойчивых к обеззараживанию цист лямблий и ооцист криптоспоридий требуемая доза УФ-облучения зависит от исходной концентрации этих микроорганизмов: при концентрации до 10000 экз/мл доза 16 мДж/см2 обеспечивает инактивацию на 2 - 4 порядка, доза 40 мДж/см2 - обеспечивает отсутствие жизнеспособных цист (рис. 1).

Поскольку УФ-излучение поглощается рядом растворенных в воде веществ, доза, сообщаемая обрабатываемой воде, зависит от коэффициента пропускания воды УФ-излучения на длине волны 254 нм.

В 1995 - 1997 годах специалистами НИИ гигиены им. Ф. Ф. Эрисмана был проведен цикл работ по определению влияния обобщенных показателей качества воды (цветность, мутность, окисляемость, ХПК, БПК) на эффективность УФ-обеззараживания. Эти исследования, а также анализ данных, полученных при обследовании реальных объектов, проведенные специалистами НПО "ЛИТ", показали принципиальную возможность обеззараживания УФ-облучением воды с различными характеристиками физико-химических показателей. Кроме того, накопленные данные позволяют делать прогноз коэффициента пропускания воды на основании данных физико-химического качества.

Точное измерение коэффициента пропускания и проведение модельного облучения позволяют подобрать оптимальное оборудование, отвечающее конкретным условиям. При этом, поскольку в отличие от химических реагентов при применении УФ-обеззараживания отсутствует необходимость в ограничении верхнего предела дозы облучения, ее всегда можно выбрать достаточной для конкретных условий. Обеспечение в промышленных условиях доз УФ-облучения 40 и 80 мДж/см2 является вполне реальным с технической и экономической точек зрения.

На основе многочисленных исследований, многолетнего опыта практической эксплуатации промышленных станций УФ-обеззараживания различного назначения в различных отраслях промышленности ведущими гигиеническими институтами России (НИИ гигиены им. Ф. Ф. Эрисмана, НИИ ЭЧиГОС им. А. С. Сысина) разработаны санитарно-гигиенические нормативные документы, регламентирующие применение УФ-метода для обеззараживания природных и сточных вод.

В их числе такие документы, как Методические указания МУ 2.1.4.719-98 "Санитарный надзор за применением ультрафиолетового излучения в технологии подготовки питьевой воды"; МУ 2.1.5.732-99 "Санитарно-эпидемиологический надзор за обеззараживанием сточных вод ультрафиолетовым излучением"; МУ 2.1.2.694-98 "Использование ультрафиолетового излучения при обеззараживании воды плавательных бассейнов".

В этих документах нормативно установлены минимальные эффективные дозы УФ-излучения, соответствующие мировым стандартам и позволяющие обеспечить надежное и стабильное обеззараживание в системах питьевого водоснабжения, очистки сточных вод и водооборотных циклах плавательных бассейнов. Описаны элементы конструкции УФ-установок, обязательные для обеспечения их нормальной эксплуатации, регламентировано использование систем контроля дозы УФ-излучения как средства контроля за эффективностью процесса обеззараживания.

Современные строительные нормативы разработаны также с учетом уровня развития УФ-технологии. В новую редакцию СНиП 40-03-99 "Канализация. Наружные сети и сооружения" внесены рекомендации по применению УФ-метода для обеззараживания сточных вод, что позволяет регламентировать проектирование и строительство УФ-обеззараживания.

Высокие технико-эксплуатационные показатели выпускаемого УФ-оборудования и современный уровень развития УФ-технологии в целом создали условия для масштабного применения ультрафиолета в различных областях коммунального хозяйства и проблем больших городов и крупных промышленных предприятий.

УФ-оборудование, выпускаемое НПО "ЛИТ", соответствует современным требованиям к промышленному оборудованию для водного хозяйства и нормативным документам, регламентирующим его применение, так как:

в оборудовании реализована предварительно рассчитанная доза облучения, которая гарантирует достижение нормативных санитарно-бактериологических показателей качества обрабатываемой воды;

используются бактерицидные ртутные лампы низкого давления, которые были специально разработаны и выпускаются НПО "ЛИТ" для установок обеззараживания воды. Их отличает высокий к. п. д. излучения в бактерицидном диапазоне - 30% - 35% (что в 5 - 6 раз выше, чем у ламп предыдущих поколений), большой срок службы (10000 - 12000 часов), низкая рабочая температура поверхности ламп (30°С - 40°С);

конструкция камеры обеззараживания позволяет обеспечить малые потери напора, поэтому эти установки могут успешно применяться как в напорных, так и в самотечных схемах. Разработаны различные конструктивные модификации оборудования, которые позволяют включить этап УФ-обеззараживания практически в любую схему очистных сооружений;

в установках используются высококачественные конструкционные материалы: корпус камеры обеззараживания изготовлен из нержавеющей стали, защитные чехлы - из стойкого кварцевого стекла, двойные уплотнения выполнены из долговечной резины. В установках применяется наиболее удобный и экономичный способ регламентной очистки: химическая промывка слабыми растворами пищевых кислот. Для этого установки комплектуются специальным блоком промывки. На пульт управления вынесены индикация о режиме работы установки, загрязнения кварцевых чехлов, счетчик времени наработки ламп и сигнализации об аварийных ситуациях. Особое внимание при разработке установок уделяется простоте и удобству обслуживания.;

конструктивное исполнение УФ-оборудования обеспечивает его длительную и безаварийную эксплуатацию в тяжелых климатических и технологических условиях реальных зданий и сооружений.

Выпускаются установки трех типов, предназначенные для обеззараживания питьевой, поверхностной, сточной очищенной и доочищенной воды.