УФ-обеззараживание: какую выбрать УФ-дозу и как за ней потом следить?

В современном бассейне или аквапарке обеспечение чистоты и безопасности воды является приоритетной задачей. Причем безопасность воды важна не только с точки зрения выполнения государственных санитарно-гигиенических требований, но и из-за того, что здоровье и удовлетворенность посетителей является важным имиджевым фактором. Бассейн, после посещения которого появляются признаки заболевания, очень быстро растеряет всех своих клиентов. Именно поэтому микробиологическая защита воды важна не менее органолептических показателей.
Ультрафиолетовое (УФ) излучение является одним из наиболее эффективных и экологически чистых методов обеззараживания воды. В этой статье мы рассмотрим технологические особенности УФ-обеззараживания и нормативные требования к применению УФ-оборудования в России.

Принцип УФ-обеззараживания

Облучение ультрафиолетом получило такое широкое распространение из-за того, что оно эффективно против любого типа микроорганизмов, для его эффективности нет ограничений (в отличии, например, от хлорирования, которое неэффективно против простейших микроорганизмов и вирусов). Так происходит из-за принципа УФ-обеззараживания, заключающегося в том, что ультрафиолет воздействует на генетическую структуру микроорганизма.

 
Ультрафиолетовый свет с длиной волны от 205 до 315 нм разрушает связи в цепочках ДНК или РНК микроорганизмов, образовывая нарушения в структуре, называемые тиминовыми димерами (Рис. 1). После таких нарушений в структуре ДНК или РНК микроорганизм не может размножаться, он становится инактивированным, и больше не представляет никакой опасности для человека. Так как генетическая информация есть в любом микроорганизме, то поэтому ультрафиолет и является универсальным и эффективным дезинфектантом.

Рисунок 1. Разрушение структуры ДНК под воздействием УФ-излучения

Причем таких тиминовых димеров нужно не так уж и много – буквально 100 димеров способно остановить размножение кишечной палочки, в ДНК которой порядка 3,6 млн межцепочечных связей.

УФ-доза: что это такое и как с ней работать

УФ-доза определяется как количество УФ-излучения, приходящееся на единицу площади за единицу времени, и рассчитывается по формуле:
D = I × t, где D – УФ-доза, I – интенсивность облучения (Вт/м²), t – время облучения (с).
УФ-доза измеряется в мДж/см² (в российской практике) или в Дж/м² (европейская и американская практика). Они отличаются в 10 раз (1 мДж/см² равен 10 Дж/м²), то есть УФ-доза в 40 мДж/см² соответствует УФ-дозе 400 Дж/м². Это необходимо иметь ввиду для правильного подбора УФ-оборудования, так как поставщики импортного оборудования зачастую используют именно европейскую систему измерений.

Рисунок 2. Величины эффективных УФ-доз (в мДж/см²) для некоторых микроорганизмов, передающихся через воду бассейнов

Надо понимать, что понятие УФ-дозы это физическое понятие, просто описывающее УФ-облучение. Когда мы говорим про обеззараживание, то в этом случае надо использовать понятие эффективной УФ-дозы, то есть такой УФ-дозы, которая приводит к гарантированному обеззараживанию. Но в реальной практике слово «эффективная» обычно опускается и используется просто «УФ-доза». В данной статье мы будем придерживаться сложившейся практики, чтобы не усложнять текст.
Примеры УФ-доз для некоторых микроорганизмов представлены на рис. 2. Как видно из графика УФ-дозы для различных микроорганизмов отличаются, причем можно отметить, что для бактерий нужны более низкие УФ-дозы, а для вирусов и грибков – более высокие. Поэтому если ставить целью обеззараживание по всему спектру микроорганизмов, то нужно применять относительно более высокие УФ-дозы, которые будут эффективны против всех микроорганизмов. Опять же, эффект обеззараживания достигается только тогда, когда мы снижаем количество микроорганизмов как минимум на 99,9%.
УФ-дозу для каждого микроорганизма обнаруживают в ходе специальных исследований, результаты которых публикуются в научных статьях. Наиболее удобно использовать отчеты Международной ультрафиолетовой ассоциации IUVA, которая раз в 5 лет публикует обзор, где указывает все известные на данный момент УФ-дозы. Последний такой отчет вышел в 2021 году[1].
На практике и при государственном контроле обеззараживания, конечно, не очень удобно проверять каждый потенциально возможный патоген, поэтому при используют определенные и зафиксированные УФ-дозы, которые точно обеспечивают требуемое обеззараживание.
В России первым документом, который описал и зафиксировал УФ-дозы для обеззараживания воды, были Методические указания МУ 2.1.4.719-98 «Санитарный надзор за применением ультрафиолетового излучения в технологии подготовки питьевой воды» и МУ 2.1.2.694-98 «Использование ультрафиолетового излучения при обеззараживании воды плавательных бассейнов». В этих документах указано, что минимальная УФ-доза составляет 16 мДж/см², это и был самый первый норматив для обеспечения эффективной работы УФ-оборудования. Но в то время основными микробиологическими возбудителями принимались бактерии, исходя из борьбы с ними и создавались нормативы.
Но, как всем хорошо известно, вирусные инфекции становились все более актуальными, поэтому в 2005 году вышли дополнительные Методические указания МУК 4.3.2030-05 «Санитарно-вирусологический контроль эффективности обеззараживания питьевых и сточных вод УФ-облучением». Этот нормативный документ был сфокусирован именно на вирусных загрязнителях и в нем уже минимальная УФ-доза была увеличена до 25 мДж/см² (именно такая УФ-доза гарантированно эффективна против колифагов, которые стали служить индикаторами вирусных загрязнений и по которым стали оценивать эффективность систем водоподготовки и обеззараживания).
В документе сохранили и дозу 16 мДж/см², но указали, что ее следует использовать только для очень чистых и защищенных подземных водоисточников I класса и уже очищенных и подготовленных питьевых вод, то есть для таких случаев, когда вирусное загрязнение воды очень маловероятно. На наш взгляд, это не соответствует реальной ситуации в бассейнах и аквапарках, в которые посетители приходят даже с активными симптомами заболеваний, активно распространяя возбудителей вокруг себя. А значит нашей задачей становится защита всех остальных посетителей, и в таком случае становится более применимой третья УФ-доза, нормируемая в указанных МУК, – 40 мДж/см². В соответствии с документом, она применяется для любого типа вод при неблагоприятной эпидемической ситуации, а именно обнаружении колифагов и патогенных вирусов в воде, а именно это и происходит, когда больной человек плавает в бассейне.
Поэтому ответственным технологам, проектировщикам, службам эксплуатации и владельцам бассейнов мы рекомендуем подбирать УФ-оборудование на дозу 25 мДж/см2 для частных бассейнов или бассейнов с низкой нагрузкой по посетителям, а для бассейнов с высокой нагрузкой, для детских и уличных бассейнов, а также аквапарков мы рекомендуем УФ-дозу 40 мДж/см². Так как только такая УФ-доза позволит гарантированно обеззараживать воду в отношении всех типов возбудителей, особенно вирусов и грибков, а грибки – это страх для многих посетителей. (Бонусным свойством высокой УФ-дозы 40 мДж/см² будет разрушение хлораминов в воде бассейна.)
Это подтверждает и международная практика нормирования УФ-обеззараживания. Европейские страны при применении УФ-обеззараживания в питьевом водоснабжении обычно опираются на немецкие и австрийские нормативы, такие как DVGW/DIN или ÖVGW/ÖNORM. В них указана единственная УФ-доза для получения безопасной питьевой воды – 400 Дж/м² (это 40 мДж/см²).
Но есть ещё одна причина, по которой применение УФ-дозы 16 мДж/см² уже морально устарело. Это реактивация микроорганизмов.

Реактивация: когда не всё так просто

В начале 2000-х годов австрийские ученые во главе с Региной Зоммер обнаружили новое свойство у бактерий – реактивацию. Это способность бактерии ремонтировать повреждения в своей генетической структуре, вызванные УФ-облучением.
Было обнаружено, что после слабого УФ-облучения через некоторое время бактерии могли восстанавливать свои генетические структуры и начинать размножаться. При увеличении УФ-дозы в какой-то момент клетки уже не восстанавливались, и обеззараживание становилось окончательным и бесповоротным. Этот порог был определен в районе 20 мДж/см². Таким образом, если облучать бактерии с УФ-дозами менее 20 мДж/см², то они могут со временем восстановиться и опять начать размножаться, но при этом создавая ложное чувство защищенности, если же УФ-доза будет превышать этот порог, то защита купающихся будет надежной.
Поэтому применяя УФ-оборудование с УФ-дозой только 16 мДж/см2 можно не получить ожидаемый эффект обеззараживания, особенно это актуально для нашей отрасли, так в бассейнах вода все время находится в рецикле, постоянно возвращаясь в чашу после обеззараживания, но образовывая застойные зоны в чаше бассейна, и у бактерий есть время чтобы восстановиться. Использовании УФ-дозы 25 или 40 мДж/см² полностью исключается возможность реактивации.
Реактивации нет у вирусов, так как у них нет клеток и, соответственно, нет никаких клеточных структур, которые могли бы осуществлять восстановление ДНК или РНК.

Как нужно контролировать УФ-дозу

Таким образом, мы установили, что основным технологическим параметром, который описывает эффективность УФ-обеззараживания и за которым надо следить при работе УФ-оборудования, является УФ-доза. Но особенность УФ-дозы состоит в том, что не существует прибора, который мог бы измерить УФ-дозу, с которой УФ-установка обеззараживает протекающую через нее воду.
Если мы вспомним формулу расчета УФ-дозы, которое давалось ранее, то можно понять, что для оценки УФ-дозы при заданном расходе воды через установку нам необходимо знать хотя бы интенсивность УФ-облучения. Для измерения интенсивности УФ-излучения используются УФ-датчики, и именно они служат индикаторами обеспечения необходимой УФ-дозы.
Для того, чтобы показания УФ-датчика были релевантными и могли использовать для оценки УФ-дозы и эффективности обеззараживания, сам УФ-датчик должен отвечать определенным требованиям. Эти требования сформулированы в только что вышедшем государственном нормативе на УФ-оборудование – это ГОСТ Р 71911-24 «Оборудование для обеззараживания воды ультрафиолетовым облучением», который вводится в действие 31 марта 2025 г.
УФ-датчик должен быть избирательным, то есть работать только в диапазоне 200-280 нм и не иметь чувствительности к излучению с длиной волны свыше 300 нм, также он не должен реагировать на солнечный свет. УФ-датчик не должен требовать какой-то калибровки или специального ориентирования при установке, установка должна быть максимально простой, чтобы пользователь не мог ошибиться.
Для того, чтобы показания были однозначными и точными, УФ-датчик должен обладать сертификатом об утверждении типа средств измерений, показывающем о внесении УФ-датчика в Госреестр средств измерений с присвоением регистрационного номера.

Рисунок 3. Современный УФ-датчик типа IS-4 на УФ-установке

В принципе, показаний УФ-датчика уже достаточно для оценки эффективности работы УФ-установки, но современные УФ-установки комплектуются такими контроллерами и программами, которые получив показания УФ-датчиков, могут онлайн рассчитать и текущую УФ-дозу. Это, конечно, гораздо удобнее и надежнее, чем просто использование УФ-датчиков. В ряду бассейновых установок НПО «ЛИТ» такими возможностями обладают УФ-установки серии LENA MST с профессиональным промышленным контроллером и полноцветным дисплеем, отображающим всю необходимую информацию. Само собой, что данные УФ-установки также полностью отвечают и всем требованиям ГОСТ Р 71911-24, о котором говорилось выше.

Список литературы

1. Masjoudi M, Mohseni M, Bolton JR (2021) Sensitivity of Bacteria, Protozoa, Viruses, and Other Microorganisms to Ultraviolet Radiation. J Res Natl Inst Stan 126:126021. https://doi.org/10.6028/jres.126.021

Скачать статью в PDF