Что такое УФ-обеззараживание?

Технология ультрафиолетового обеззараживания основана на бактерицидном действии УФ-излучения.
УФ-облучение
Что такое УФ-излучение?
Что такое УФ-доза и какой она должна быть?
Чем обеспечивается УФ-доза?
Коэффициент УФ-пропускания
Расход воды
УФ-облучение
УФ-облучение — это физический метод обеззараживания, основанный на фотохимических реакциях, которые приводят к необратимым повреждениям ДНК и РНК микроорганизмов. В результате микроорганизм теряет способность к размножению (инактивируется).

Технология УФ-обеззараживания может применяться как в системах водоподготовки и водоотведения, так и при обеззараживании воздуха и поверхностей.

При выборе УФ-оборудования очень важно обеспечить дозу УФ-излучения, достаточную для обеспечения требуемых концентраций микроорганизмов после обеззараживания.
Ультрафиолетовым называют электромагнитное излучение, занимающее спектральный диапазон между видимым и рентгеновским. УФ-лучи невидимы человеческому глазу. Длины волн УФ-излучения лежат в интервале от 100 до 400 нм). Термин происходит от лат. ultra (сверх, за пределами) и англ. violet (фиолетовый).

УФ-лампы низкого давления излучают УФ-свет с длиной волны 254 нм, что близко к пику чувствительности ДНК и РНК микроорганизмов, равному 265 нм.

Ультрафиолет диапазона УФ-С (200−280 нм) обладает самой высокой обеззараживающей эффективностью по отношению к бактериям, вирусам и простейшим, поэтому называется бактерицидным. УФ-обеззараживание особенно эффективно против патогенов, стойких к воздействию хлором (например, лямблий и криптоспоридий).

УФ-излучение не вызывает адаптацию у микроорганизмов, а значит и роста резистентности в отличие от химических реагентов, не изменяет вкус, цвет и запах обрабатываемой воды.

УФ-излучение длиной волны 254 нм, генерируемое лампами низкого давления, не приводит к образованию побочных продуктов, что особенно важно для:
  • обеззараживания воды в питьевом водоснабжении;
  • воды для повторного использования, например, ирригации, полива или производственных целей;
  • воды для систем рециркуляции в аквакультуре;
  • обработки воздуха и поверхностей.

Исследования и практический опыт показывают, что для инактивации каждого патогена требуется определённое количество УФ-излучения. Для достижения требуемого уровня обеззараживания важно обеспечить достаточную
УФ-дозу.
УФ-доза — количество УФ-излучения, сообщаемого микроорганизму для его инактивации. УФ-доза измеряется в мДж/см². Для инактивации каждого патогена требуется определённая УФ-доза. Это объясняется различным строением и составом защитной оболочки микроорганизмов.

В соответствии с МУК 4.3.2030−05 минимальная доза облучения при подготовке питьевой воды составляет от 25 до 40 мДж/см². В соответствии с МУ 2.1.5.732−99 и МУ 2.1.5.1183−03 минимальная доза облучения для обработки сточных вод, отводимых в водный объект и повторно используемых в системах технического водоснабжения, составляет не менее 30 мДж/см². Если доза УФ-излучения будет меньше, это приведет к несоблюдению требований к микробиологическому качеству воды после обеззараживания.
УФ-доза зависит от УФ-интенсивности и времени облучения. Размерность мДж/см².

УФ-доза = УФ-интенсивность x Время



УФ-интенсивность определяется мощностью, количеством УФ-ламп и коэффициентом пропускания среды.

При обработке воды с высоким коэффициентом пропускания необходимая для обеззараживания УФ-интенсивность достигается меньшей мощностью УФ-ламп, а при низком коэффициенте — большей.

Применение более мощных ламп ведет к уменьшению размеров УФ-установок (В оборудовании «ЛИТ» используются амальгамные лампы низкого давления мощностью до 1 000 Вт).

Время облучения определяется:
  • расходом воды. Чем больший расход воды подается на оборудование, тем меньше время облучения, а значит меньше УФ-доза в одном и том же УФ-реакторе;
  • геометрией оборудования. Например, чем меньше диаметр УФ-реактора, тем при одном и том же расходе время облучения будет короче.
Коэффициент УФ-пропускания воды (UVT) — доля
УФ-излучения (в %) с длиной волны 254 нм, которое пропускает слой воды определенной толщины.

Коэффициент пропускания зависит от содержания органических соединений в воде: чем их меньше, тем выше коэффициент пропускания.

Величину коэффициента пропускания можно определить по значениям физико-химических параметров воды, таких как цветность, мутность, окисляемость или ХПК. Изменения значений параметров воды носят сезонный характер. Для оценки коэффициента пропускания используются данные, за длительный период времени для выявления наихудших значений. УФ-оборудование должно эффективно обеззараживать при наихудшем значении коэффициента
УФ-пропускания.

При подборе оборудования для обеззараживания воздуха и поверхностей коэффициент пропускания принимается равным 100%.
От расхода воды зависит время нахождения микроорганизмов в зоне облучения.
Чем выше расход, тем короче время облучения, а значит больше мощности требуется для обеспечения необходимой УФ-дозы. В течение суток расход воды через установку может меняться. Оборудование «ЛИТ» подбирается для обеспечения надёжного обеззараживания при пиковых значениях расхода.

В периоды, когда расход через УФ-систему меньше максимального, в системах компании «ЛИТ» автоматически включается регулировка мощности ламп, позволяющая экономить до 50% электроэнергии.

Термины и определения

А
Б
З
И
К
Л
М
С
Т
У
Х
А
Амальгама
Жидкие или твердые сплавы ртути с другими металлами. Ртуть в сплавах не представляет опасности для человека и окружающей среды. Амальгама используется при изготовлении зеркал, как пломбировочный материал в стоматологии и в других областях. При производстве источников УФ-излучения используется амальгама на основе сплава ртути с висмутом, индием и свинцом.

Амальгамные УФ-лампы
УФ-лампы низкого давления, в которых вместо ртути используется амальгама. Такие лампы имеют большую интенсивность, чем обычные ртутные лампы при сохранении таких достоинств ламп низкого давления, как длительный срок службы и высокий КПД.

Аттестация УФ-оборудования
Экспериментальная проверка обеспечения требуемой УФ-дозы оборудованием в условиях, заявленных производителем. Существуют нормативные документы, регламентирующие аттестацию УФ-оборудования: ÖNORM M 5873−1 (2001) «Plants for the Disinfection of Water using Ultraviolet Radiation: Requirements and Testing Low Pressure Mercury Lamp Plants», ÖNORM M5873−2 (2003) «Plants for the Disinfection of Water using Ultraviolet Radiation: Requirements and Testing Medium Pressure Mercury Lamp Plants» (Австрия), DVGW W294−3 (2003) «UV Disinfection Devices for Drinking Water Supply — Requirements and Testing» (Германия), USEPA UVDGM, NWRI, NSF 55 (США).
Б
Бактерицидное излучение
Электромагнитное излучение УФ-диапазона с длиной волн 205−315 нм. Максимальная эффективность инактивации микроорганизмов наблюдается в диапазоне волн 250−270 нм, на этот участок спектра приходиться длина волны, генерируемая УФ-лампами низкого давления — 254 нм.

Бактерицидная эффективность
Относительная эффективность инактивации для каждой длины волны спектра излучения. Эта величина условно зависит от поглощения нуклеиновыми кислотами каждой длины волны.

Блок ПРА
Электротехнический шкаф, включающий в себя необходимое количество ламповых балластов, защитную автоматику и коммутационное оборудование для обеспечения балластов сетевым напряжением питания.

Блок управления и контроля
Блок, осуществляющий контроль и управление УФ-оборудованием.
З
Загрязнение кварцевых чехлов
УФ-лампы в оборудовании отделены от воды кварцевым чехлом, необходимым для поддержания температурного режима ламп. В процессе эксплуатации на внешней стороне кварцевых чехлов, контактирующей с водой, образуется налет, который снижает прозрачность чехлов и выход УФ-излучения. Скорость образования загрязнения и его свойства зависят от качества воды. Для удаления загрязнений применяется механическая очистка и/или химическая промывка, которые проводятся по достижении определенного уровня загрязнения. При проектировании блока УФ-обеззараживания закладывается запас на загрязнение кварцевых чехлов от 5 до 30% в зависимости от свойств воды и типа очистки. Уровень загрязнения контролируется УФ-датчиком.
И
Инактивация (микроорганизмов)
В контексте обеззараживания воздействие, лишающее микроорганизмы способности размножаться и, соответственно, вызывать заболевание.

Интенсивность излучения
Это отношение потока излучения к площади поверхности.
К
Камера обеззараживания (УФ-реактор)
Резервуар или камера, подвергаемые УФ-излучению. Состоит из УФ-ламп, кварцевых чехлов, УФ-датчиков, системы очистки чехлов, выравнивающих решеток или других гидравлических элементов управления.

Канальное (лотковое) УФ-оборудование
УФ-оборудование открытого типа, состоит из модулей, сгруппированных в секции, которые размещаются в безнапорном канале (лотке). Станция УФ-обеззараживания может состоять из одного или нескольких лотков. Количество модулей в лотке подбирается индивидуально для каждой станции. Канальное оборудование используется только в безнапорных системах.

Колба лампы
Внешняя поверхность УФ-лампы. Как правило, изготавливается из кварца.

Корпусное УФ-оборудование
УФ-оборудование закрытого типа, в котором ламы находятся внутри камеры обеззараживания. За исключением специальных областей применения камеры обеззараживания изготавливаются из нержавеющей стали. Может использоваться как в напорных, так и в безнапорных системах.

Коэффициент УФ-пропускания
Это количество (величина) УФ-излучения, пропускаемого веществом или средой на длине волны 254 нм. Для характеристики способности среды пропускать УФ-излучение используют коэффициент пропускания, который показывает в процентах долю УФ-излучения с длиной волны 254 нм, прошедшую через слой толщиной 10 мм. Чем чище среда (например, вода), тем выше коэффициент пропускания.

КПД УФ-лампы
Коэффициент полезного действия УФ-лампы — коэффициент, характеризующий какой процент потребляемой электроэнергии преобразуется в бактерицидное излучение.
Л
Лампа низкого давления
Ртутная лампа, которая работает при внутреннем давлении от 0,13 до 1,3 Па и с удельной мощностью 0,4−2,5 Вт/см. Результатом является генерация монохроматического излучения с длиной волны 254 нм.

Лампа среднего давления
Ртутная лампа, работающая при внутреннем давлении от 1,3 до 13 000 Па и удельной электрической мощности от 50 до 150 Вт/см. Обладает широким спектром излучения, включая длины волн бактерицидного диапазона.

Ламповый (кварцевый) чехол
Кварцевая трубка или насадка, которая окружает и защищает УФ-лампу. Внешняя часть чехла контактирует с водой.
Как правило, существует зазор (около 1см) между колбой лампы и кварцевым чехлом.

Лоток (канал)
Применительно к УФ-обеззараживанию — это лоток или канал, в котором размещаются УФ-модули и вспомогательное оборудование. Для станций небольшой производительности лоток может изготавливаться из нержавеющей стали и поставляться на объект в готовом виде. Для станций средней и большой производительности каналы сооружаются из железобетона на объекте. Канал должен иметь определенные геометрические размеры.
М
Механическая очистка
Процесс очистки ламповых чехлов механическим устройством (например, уплотнительное кольцо), которое очищает поверхность чехла с заданной частотой в автоматическом режиме.

Монохроматическое излучение
Излучение света только одной длины волны. Такой свет генерируется лампами низкого давления и высокоэффективными амальгамными лампами низкого давления.
С
Секция
Это комбинация из одного или нескольких УФ-модулей, перекрывающих сечение канала.

Система поддержания уровня (воды в канале)
Для нормальной эксплуатации канального оборудования необходимо поддерживать одинаковый уровень воды в канале. Для этого применяются системы регулирования уровня, которые бывают статическими (разветвленный водослив) и динамическими (автоматический затвор). Динамическая система поддержания уровня работает в автоматическом режиме, регулируя положение затвора на выходе канала по показаниям датчиков уровнемеров.

Срок службы лампы
Период работы УФ-лампы, в течение которого интенсивность излучения в УФ-спектре соответствует минимальному декларированному в техническом условии на лампу. Срок службы ламп зависит от типа лампы, технологии изготовления, условий эксплуатации. Срок службы ламп среднего давления составляет 6000−8000 часов, ламп низкого давления 12 000−16 000. По истечении указанного производителем срока службы лампы необходимо заменить: несмотря на то, что они продолжают «гореть», интенсивность УФ-излучения снижается и требуемая доза облучения не обеспечивается.
Т
Требуемая доза
УФ-доза, необходимая для достижения определенной степени обеззараживания. Данные о требуемых дозах для инактивации различных микроорганизмов получают в результате обобщения результатов экспериментов.
У
УФ-датчик
Фоточувствительный детектор, применяемый для измерения УФ-интенсивности в заданной точке УФ-реактора, преобразующий входной сигнал в миллиамперы (мА).

УФ-доза (D)
Мера бактерицидной энергии на единицу площади. Обычно измеряется в мДж/см² или Дж/м². 1 мДж/см² = 10 Дж/м². В общем случае доза равна произведению УФ-интенсивности на время облучения. Применительно к УФ-оборудованию для обеззараживания, например, воды, доза рассчитывается исходя из мощности УФ-ламп, количества УФ-ламп, расстояния между лампами, срока наработки УФ-ламп, коэффициента УФ-пропускания, загрязнения кварцевых чехлов, расхода воды через УФ-реактор, геометрических размеров камеры обеззараживания и расчетного распределения воды в камере.

УФ-излучение
Электромагнитное излучение, занимающее диапазон между рентгеновским и видимым излучением (диапазон длин волн от 100 до 400 нм).

УФ-лампы
Искусственный источник УФ-излучения.

УФ-модуль
Унифицированный элемент канального оборудования, представляющий из себя кассеты с лампами.

УФ-оборудование
Это электротехническое устройство, обеспечивающее обеззараживание ультрафиолетом. Корпусное оборудование включает в себя: камеру обеззараживания, УФ-лампы, УФ-датчик, блока ПРА, блок управления, систему химической промывки. Канальное оборудование состоит из модулей, УФ-датчиков, датчиков уровня воды, канала или лотка, системы регулирования уровня воды, системы механической очистки, распределительных коробок, блоков ПРА и управления.
Х
Химическая промывка (очистка) кварцевых чехлов
Процесс очистки ламповых чехлов, при котором для удаления загрязнений используются реагенты. Обычно применяются слабые растворы лимонной или щавелевой кислот. На время промывки корпусное оборудование выводится из работы и изолируется из основного потока. Промывка производится при помощи циркуляции промывного раствора внутри камеры обеззараживания в течение 1,5−3 часов. Для промывки лоткового оборудования из канала поочередно извлекаются модули и погружаются в приямок или емкость с промывным раствором. Химическая очистка эффективно удаляет большинство загрязнений, образующихся при эксплуатации оборудования в природной и сточной воде: соли железа, кальция и др. Запас на загрязнение кварцевых чехлов обычно подбирается таким образом, чтобы необходимость в промывке возникала примерно раз в месяц. При наличии механической очистки химическая промывка используется значительно реже (один раз в год) или не используется совсем.

Нормативные документы

Обеззараживание воды

Требования к УФ-оборудованию и условиям эксплуатации при обеззараживании различных типов вод изложены в следующих документах:
Для обеззараживания воды оборотных циклов бассейнов и аквапарков
  • МУ 2.1.2.694-98 «Использование ультрафиолетового излучения при обеззараживании воды плавательных бассейнов»
Для обеззараживания питьевой воды
  • МУ 2.1.4.719-98 «Санитарный надзор за применением ультрафиолетового излучения в технологии подготовки питьевой воды»
  • МУК 4.3.2030-05 «Санитарно-вирусологический контроль эффективности обеззараживания питьевых и сточных вод УФ-облучением»
Для обеззараживания воды, используемой в техническом водоснабжении
  • МУ 2.1.5.1183-03 «Санитарно эпидемиологический надзор за использованием воды в системах технического водоснабжения промышленных предприятий»
Для обеззараживания сточных вод
  • МУ 2.1.5.732-99 «Санитарно-эпидемиологический надзор за обеззараживанием сточных вод ультрафиолетовым излучением»

  • МУ 2.1.5.800-99 «Организация госсанэпиднадзора за обеззараживанием сточных вод»
Применение УФ-оборудования позволяет обеспечить требования к микробиологическому качеству воды, регламентированному в следующих документах:
Питьевое водоснабжение (в т.ч. горячее), техническая вода, использующаяся для полива и оборотного водоснабжения автомобильных моек, сточные воды, отводимые в водные объекты:
  • СанПиН 2.1.3684-21 "Санитарно-эпидемиологические требования к содержанию территорий городских и сельских поселений, к водным объектам, питьевой воде и питьевому водоснабжению, атмосферному воздуху, почвам, жилым помещениям, эксплуатации производственных, общественных помещений, организации и проведению санитарно-противоэпидемических (профилактических) мероприятий" (разделы IV-VI)

  • СанПиН 1.2.3685-21 «Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания» (раздел III)
Сточные воды и воды поверхностного источника, использующиеся в техническом водоснабжении, вода систем оборотного водоснабжения
  • МУ 2.1.5.1183-03 «Санитарно эпидемиологический надзор за использованием воды в системах технического водоснабжения промышленных предприятий»
Оборотная вода бассейнов и аквапарков
  • СП 2.1.3678-20 "Санитарно-эпидемиологические требования к эксплуатации помещений, зданий, сооружений, оборудования и транспорта, а также условиям деятельности хозяйствующих субъектов, осуществляющих продажу товаров, выполнение работ или оказание услуг", раздел VI

  • СанПиН 1.2.3685-21 «Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания», раздел III
Вода, использующаяся в пищевой промышленности
  • СанПиН 2.1.4.1116-02 «Гигиенические требования к качеству воды, расфасованной в емкости. Контроль качества»

  • СанПиН 2.3.2.1078-01 «Гигиенические требования безопасности и пищевой ценности пищевых продуктов»

Обеззараживание воздуха

  • МУ 2.3.975-00 «Применение ультрафиолетового бактерицидного излучения для обеззараживания воздушной среды помещений организаций пищевой промышленности, общественного питания и торговли продовольственными товарами»

  • Руководство Р 3.5.1904-04 «Использование ультрафиолетового бактерицидного излучения для обеззараживания воздуха в помещениях»

Очистка воздуха от дурнопахнущих и вредных веществ

  • СанПиН 2.1.3684-21 "Санитарно-эпидемиологические требования к содержанию территорий городских и сельских поселений, к водным объектам, питьевой воде и питьевому водоснабжению, атмосферному воздуху, почвам, жилым помещениям, эксплуатации производственных, общественных помещений, организации и проведению санитарно-противоэпидемических (профилактических) мероприятий" (раздел III)

  • СанПиН 1.2.3685-21 «Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания» (разделы I-II)