Экология /2.Экологические и метеорологические проблемы

К.т.н. Игнатьев В.М., Антонюк Э.А.

Южно-Российский государственный политехнический университет, Россия

ИCПОЛЬЗОВАНИЕ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ОБЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОДЫ

Высокие бактерицидные свойства ультрафиолетовых (УФ) лучей одни исследователи [1] объясняют вероятностью образования под его действием озона, другие [2, 3] – образованием свободных радикалов, пероксида водорода H₂O₂ при фотолизе. Согласно Л.А. Кульскому [4], наиболее обоснованным является предположение о том, что УФ-лучи изменяют структуру и дисперсность белковых коллоидов клеток, в результате чего последние гибнут. В работе [5] утверждается версия: спектр бактерицидного действия УФ-лучей (254 нм) совпадает со спектром поглощения ДНК клетки микроорганизма (l_max = 260 нм). Многочисленными исследованиями установлено, что эффективность бактерицидного действия УФ-лучей зависит от плотности его потока (Вт/см²) и времени облучения или экспозиции (t, с). Их произведение есть доза УФ-облучения (мДж/см²); она является важнейшим параметром процесса обеззараживания.

Число инактивированных, т. е. обезвреженных микроорганизмов растет с увеличением дозы, однако из-за различной сопротивляемости (резистентности) микроорганизмов доза УФ-облучения, которая необходима для инактивации сильно меняется: например, от 7 мДж/см² для кишечной палочки до 92 при необходимости обезвреживания 99,9 % яиц нематоды [6]. Требования к минимальной эффективной дозе облучения, согласно мировой практике, укладываются в интервале 16 – 40 мДж/см² [7, 8], что согласуется и с результатами исследований у нас в стране [9]. Указанные требования определяются уровнем эпидемиологической обстановки конкретного региона. Согласно приказу Минздрава России, в качестве минимально допустимой установлена доза 16 мДж/см² [10]. Относительно длительная практическая эксплуатация систем УФ-обеззараживания выявила ряд несомненных его достоинств по сравнению с хлорированием или озонированием [2, 4, 6, 12]: отсутствие вредных побочных продуктов и явлений; не изменяются в худшую сторону потребительские свойства обработанной воды (по сравнению с хлорированием); отсутствие потребности в специальных химических препаратах для предварительной подготовки воды; не нужны большие емкости для контактирования; исключение возможности передозировки бактерицидного агента; относительно низкие капитальные и эксплуатационные затраты (последнее обусловлено сравнительно низким энергопотреблением УФ-установок; относительно легкая встраиваемость УФ-оборудования (вследствие его компактности) в существующие технологические схемы водоподготовки и водоотведения.

В то же время Бернхард [13] указывает на возможность проявления эффекта фотореактивации – повторного роста бактерий, если доза облучения была недостаточной для их гарантированной гибели. Однако в работах других авторов [14, 15] эффект фотореактивации не обнаружен. Несмотря на отмеченные достоинства УФ-облучения, этот метод стал широко развиваться только после разработки и начала широкомасштабного производства эффективной и относительно экономичной в эксплуатации аппаратуры. Ныне в развитых странах Запада проявилась тенденция к замене систем хлорирования на станциях очистки сточных вод на УФ-обеззараживание.

В России успехи внедрения УФ-облучения для обеззараживания сточных вод много скромнее, хотя имеется большое число научных разработок. Здесь следует, например, отметить разработку и использование мощных импульсных ксеноновых источников УФ-излучения сплошного спектра (диапазон 190 – 400 нм) для обеззараживания сточных вод от химических токсикантов (диоксинов, фенола, нефтепродуктов) [6, 16].

По мнению Вольфа [17], применение УФ-обеззараживания в отношении природной воды, предназначенной для питьевых целей, целесообразно только в том случае, когда обрабатываемые воды (прежде всего подземные) вполне удовлетворяют всем установленным нормам кроме микробиологических. Широкая практика применения УФ-обеззараживания в системах централизованного водоснабжения многих зарубежных стран, например, таких как Швейцария, Норвегия, США [18] опровергает вышеприведенное мнение. Так, в Голландии введена в эксплуатацию установка производительностью по обеззараживаемой посредством УФ-облучения воде более 400 тыс. м³/сутки. И в отношении питьевых вод также вырисовывается тенденция к замене хлорирования на УФ-облучение, причем эксплуатационные расходы на обеззараживание 1000 м³ воды составляют лишь 1 долл. [19]. Широкое развитие УФ-обработки природных вод в России тормозилось слабой базой производства эффективных и экономичных в эксплуатации установок. Ныне этот недостаток устранен: на рынок поступило УФ-оборудование, по многим показателям не уступающее зарубежным аналогам [6, 11].

О применимости УФ-облучения в системах водоснабжения. Одни специалисты не разделяют точки зрения относительно того, что УФ-облучение является альтернативой широко распространенным методам, как хлорирование и озонирование. Отмечается также негативная роль взвешенных частиц, а также возможность фотореактивации и даже стимуляции (при некоторых условиях) развития отдельных видов микроорганизмов. Указывается также на возможность влияния мощного УФ-облучения на химический состав воды. Аргументами «за» применение УФ-облучения являются успешные внедрения метода УФ-обработки воды в ряде городов России.

По нашему мнению УФ-обработка должна сочетаться с финишным хлорированием (постоянным или периодическим) или адсорбцией на угле. Остановимся еще на одном недостатке УФ-обеззараживания воды (все равно питьевой, сточной или оборотной). После прекращения облучения вода может быть легко инфицирована либо за счет внешнего бактериального загрязнения, либо вследствие восстановления жизнедеятельности выживших микроорганизмов. УФ-облучение, как и озонирование, не обладает бактерицидным последействием. Это обстоятельство является главным недостатком УФ-обеззараживания, чего в принципе лишен метод хлорирования. Желание устранить указанный недостаток стимулировало в последние годы исследования с целью повышения эффективности УФ-облучения посредством его сочетания с различными дезинфектантами в основном химической группы: с озоном и перекисью водорода, хлором, диоксидом хлора и ионами серебра [20]. Так, введение хлора после УФ-обеззараживания придает воде достаточно длительную устойчивость ко вторичному (внешнему) микробиологическому загрязнению. Однако, как сообщается в [20], это способствует появлению тех проблем, которые характерны для процесса хлорирования.

Мы считаем более целесообразным сочетание УФ-облучения с гипохлоритом натрия, что позволит, с одной стороны, обеспечить бактерицидное последействие, а с другой, – свести до минимума образование вредных для человека и других живых компонентов биосферы соединений. В качестве недостатка этого процесса указывают на возможность увеличения концентрации хлорид-ионов в обрабатываемой воде (в 20 – 40 раз), а также повышенный расход электроэнергии. В практике подготовки питьевой воды г. Хельсинки начиная с 1998 г. сочетается УФ-облучение с введением хлораминов [6]. Отмечая оригинальность такого сочетания, исключающего многие недостатки, присущие обычному хлорированию, хотелось бы указать и на необходимость организации довольно сложного и экологически опасного хозяйства (хранилищ хлора и аммиака), а также относительную сложность приготовления из этих веществ бактерицидного препарата – раствора хлорамина. Оригинальное предложение выдвинуто А.В. Селюковым [21]: совместно применять УФ-излучение и перекись водорода H₂O₂, либо последнюю совместно с озоном. Это приводит к фотохимическому распаду H₂O₂ и O₃, появлением сверхактивных свободных радикалов OH. Последние способны разрушить практически все окисляемые примеси воды, а также содержащиеся в ней микроорганизмы. Однако ни одно из рекомендованных сочетаний не устраняет основной недостаток УФ-обеззараживания, а именно: отсутствие бактерицидного последействия.

В этом аспекте исследования, направленные на поиск оптимальных сочетаний УФ-обеззараживания и ионов серебра в концентрациях ниже ПДК, устраняют указанный недостаток. Особый интерес представляют утверждения авторов, основанные на анализе экспериментальных данных, что ионы серебра обеспечивают возникновение синергетического эффекта, многократно усиливающего бактерицидное действие ультрафиолета. К сожалению, такой эффект обеспечивает дорогостоящий (1 кг серебра стоит порядка 150 – 160 $) и дефицитный материал. Кроме того, неизбежно возникают проблемы приготовления тонких листов серебряного электрода из соответствующих брусков, а также, что немаловажно, их безопасного хранения.

Выводы по проведённому обзору. Представляется перспективным в социально-экологическом и экономическом аспектах сочетание разных дезинфектантов физической (УФ-облучение) и химической (хлорирование, озонирование и т. п.) природы, когда недостатки одного компенсируются достоинствами другого. Интерес открывается при использовании установок оборонного водоснабжения для водоснабжения сельских населенных пунктов или в кризисной экологической обстановке.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Возная Н.Ф. Химия воды и микробиология. - М.: Высш. школа, 1979. - 340 с.

2. Загорский В.А., Козлов М.Н., Данилович Д.А. Методы обеззараживания сточных вод // Водоснабжение и сан. техника. – 1998. – № 2. – С. 2-5.

3. Коршунов И.А., Маклевский Ю.С. О применении ультрафиолета // Журнал общей химии. – 1948. - № 18.

4. Кульский Л.А. Основы химии и технологии воды. – Киев: Наукова думка, 1991. – 586 с.

5. Скурлатов Ю.И., Штамм Е.В. Ультрафиолетовое излучение в процессах водоподготовки и водоочистки // Водоснабжение и санитарная техника. – 1997. - № 9. – С. 14-18.

6. Костюченко С.В., Волков С.В., Якименко А.В., Шишов С.Ю. и др. УФ-излучение для обеззараживания питьевой воды из поверхностных источников // Водоснабжение и санитарная техника. – 2000. - № 2. – С. 12 – 16.

7. Campbell A.T. Inactivation of oocyst Cryptosporidium porrum by vetraviolet radiation // Water Res. – 1995. - № 29.

8. Sommer R. Inactivation of viruses by UV-irradiation // Wiener Mitteilungen Wasser – Abwasser – Gewasser. – 1993. № 112.

9. Романенко Н.А., Новосильцев Г.И., Недачин А.Е., Артемьева Т.З. и др. УФ-излучение и его воздействие на вирусы и цисты простейших //Водоснабжение и санитарная техника. – 2001. - № 2. – С. 5 – 8.

10. МУ 2.1.4.7.19.98. Методические указания по санитарному надзору за применением ультрафиолетового излучения и технология подготовки питьевой воды. – М.: Минздрав России. – 1998. – 38 с.

11. Ультрафиолетовые технологии / НПО “Лит”. – М., 2001.

12. Расширение очистных сооружений г. Зеленограда до мощности 200 тыс. м³/сут: ТЭО на внедрение технологии УФ-обеззараживания ЗСА /Мосводканал НИИ проект. – М. – 1995.

13.Bernhard H. UV disinfection of treated surface water // Proc. of Regional Conf. on Ozone, Ultraviolet Light, Advanced Oxidation in water Treatment. – Amsterdam. – 1996. – P. 111.

14. Соколов В.Ф. Обеззараживание воды бактерицидными лучами. – М.: Стройиздат. – 1964.

15 .Eliasson B., Kodelschatt U., Ctein H.U. New trends in high intensity UV generation //EPA newsletter. – 1988. - № 32.

16. Куканов В.А. Обеззараживание и фотохимическая очистка воды с использованием мощных импульсных ксеноновых источников УФ-излучения // Материалы IV международного конгресса «Вода: экология и технология». – М., 2000. – С. 363 – 364.

17. Wolfe R.L. Ultraviolet disinfection of potable water // Envir. Sci. Tech. – 1990. – V. 24. - № 6. – P. 12 – 17.

18. Kruithof U.C., Vander Leer R. Chr., Hajnen W. A. M. Practical experences with UV disinfection in the Netherlandegs 1/0 Water SRT/ - Agna. 1992. – V. 41.

19. Gibson P. The case for UV //World Water and Environmental Engineering. – 1991. March. – P. 77.

20. Денисов И.А., Скрябин А.Ю., Фисенко Л.Н. и др. Активировнные технологии обеззараживании питьевой воды. – Ростов н/Д: Изд-во СКНЦ ВШ, 2014. – 192 с.

21.Сотниченко С.А., Флоренский К.Л., Панченко Р.К. Современные активированные окислительные технологии: Критерии выбора и оптимизации в создании приборов нового поколения // Материалы международного конгресса «Вода: экология и технология». – М., 2000. – С. 576 – 577.