УФ-излучение для обеззараживания питьевой воды из поверхностных источников

В системах коммунального водоснабжения на протяжении более столетия применяются различные методы обеззараживания воды. Однако и в настоящее время сохраняется риск возникновения заболеваний, связанных с употреблением населением питьевой воды, содержащей вирусы и простейшие. Попытки повышения надежности обеззараживания воды в отношении этих микроорганизмов посредством увеличения доз хлора приводит к образованию опасных для здоровья человека хлорорганических соединений.

Анализ зарубежной научной литературы и нормативных документов показывает, что совершенствованию схем обеззараживания воды сейчас уделяется большое внимание. Во многих странах на государственном уровне ведутся исследования с целью определения возможности использования различных методов и технологий (программы Агентства по защите окружающей среды в США, Министерства образования, науки, исследований и технологий в Германии, EAAP в Италии и др.).

Реальными практическими методами, обладающими необходимым потенциалом обеззараживания воды и прошедшими проверку на действующих крупномасштабных сооружениях водоподготовки, являются хлорирование, озонирование, обработка диоксидом хлора и УФ-облучение. Существует ряд критериев, по которым оценивается приемлемость того или иного метода: обеспечение удаления патогенных и снижения концентрации индикаторных микроорганизмов до значений, установленных соответствующими санитарными нормативами; минимальное влияние колебаний физико-химического качества воды на эффективность обеззараживания; применяемый метод обеззараживания не должен приводить к возникновению вредных побочных продуктов в концентрациях выше ПДК; метод должен органически вписываться в общую технологическую схему очистки и быть приемлемым с экономической точки зрения.

Выбор конкретного метода в каждом случае основывается на комплексном анализе предлагаемого решения с технико-эксплуатационной и экономической точек зрения. Основное внимание при этом уделяется обеспечению надежного и непрерывного обеззараживания воды. Целью данной статьи является рассмотрение особенностей и перспектив применения обеззараживания воды УФ-излучением.

УФ-облучение обладает высокой эффективностью по отношению к патогенным микроорганизмам.

Действие УФ на разные типы микроорганизмов имеет одинаковую природу, основной механизм заключается в прямом воздействии излучения на нуклеиновые кислоты. Входящие в состав ДНК пиримидиновые основания — тимин и цитозин, отличающиеся высокой фотохимической активностью в области 250-280 HM, 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.

Анализ более 40 опубликованных работ, в которых имеются данные о действии УФ-излучения, показывает, что дозы, необходимые для инактивации различных патогенных микроорганизмов, включая вирусы, отличаются незначительно. Несмотря на некоторые различия в приведенных данных, связанных с методикой проведения экспериментов, дозы УФ-облучения для обеззараживания на один порядок имеют в среднем следующие значения: бактерии — от 1,5 мДж/см2 для некоторых штаммов Shigella dysenteriae до 10 мДж/см2 для энтерококков и фекальных стрептококков; энтеровирусы — от 4,5 мДж/см2 для полиовирусов (Mahoney) до 11 мДж/см2 для ротавирусов. Из приведенных данных видно, что дозы УФ для бактерий и вирусов отличаются незначительно, в то время как при обеззараживании хлором требуемые дозы имеют различие до 50 раз. Для снижения на один порядок содержания цист лямблий необходимы дозы 40-80 мДж/см2.
До последнего времени считалось, что для удаления криптоспоридий необходимы дозы более 200-300 мДж/см2, однако в 1997-1999 гг. был проведен цикл исследовательских работ, показавших, что УФ-облучения дозами 40-120 мДж/см2 достаточно для инактивации ооцист на 4 порядка . Результаты были подтверждены при эксплуатации промышленных УФ-систем.

Выбор УФ-оборудования для обеззараживания воды определяется по необходимой степени снижения концентрации патогенных и индикаторных микроорганизмов. В таблице приведена зависимость степени обеззараживания от различных доз облучения [степень обеззараживания — это десятичный логарифм или количество порядков отношения исходной и конечной концентрации микроорганизмов logio (No/N). Доза облучения 16 мДж/см2 — это минимальная доза, установленная нормативами для применения УФ при обеззараживании питьевой воды, которая обеспечивает не менее 5 порядков снижения для патогенных бактерий и 1,6-6 порядков по индикаторным бактериям. Для вирусов доза облучения 16 мДж/см2 обеспечивает снижение на 1,8-2,9 порядка, достижение более значительной степени обеззараживания обеспечивается дозой 40 мДж/см2 (более 4 порядков). Доза облучения 80 мДж/см2 инактивирует цисты на 1-4 порядка.



Микроорганизм Степень обеззараживания при дозе УФ-облучения, мДж/см2
16 40 80
Бактерии
Aeromonas hydrophila >6 >6 >6
Campylobacter jejuni >6 >6 >6
Clostridium tetani 1,8 4,4 >6
Eschcrichia coli 6 >6 >6
Enteroc occus 1,6 4 8
Fecal Coliform >6 >6 >6
Fecal Streptococcus 1,6 4 8
Pseudomonas aeruginosa >6 >6 >6
Salmonella paratyphi 5 >6 >6
Salmonella typhi >6 >6 >6
Shigella dysenteriae >6 >6 >6
Shigella flexneri >6 >6 >6
Vibrio holerae >6 >6 >6
Вирусы
Hepatitis A 2,9 >4 >4
Coliphage 4,4 >4 >4
Coliphage MS-2 0,7 1,7 3,5
Coxsackie 2,7 >4 >4
Poliovirus 2,1 >4 >4
Rotavirus 1,8 >4 >4
Простейшие
Giardia lamblia 0,19 0,49 1,5
Cryptosporidium parvum 4 (0,1)
* Различные методы анализа.

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.

Диапазон физико-химических показателей качества воды, приемлемых для применения метода УФ-обеззараживания, является достаточно широким.

Фотохимические процессы практически не зависят от рН и температуры воды, поэтому в отличие от хлорирования изменение этих параметров качества воды оказывает минимальное влияние на инактивацию микроорганизмов УФ-облучением. Присутствие в воде ряда органических и неорганических веществ, поглощающих УФ-излучение, приводит к снижению фактической дозы облучения, обеспечиваемой УФ-установками. Влияние качества воды на пропускание водой излучения должно быть учтено при выборе УФ-оборудования.

В  1995-1997 гг. специалистами НИИ гигиены им. Ф.Ф. Эрисмана проведен цикл работ по определению влияния обобщенных показателей качества воды (цветность, мутность, окисляемость, ХПК, ВПК) на эффективность УФ-обеззараживания. Облучению подвергалась речная вода с цветностью в пределах 20-50 град., мутностью 1-30 мг/л., БПКз 5-10 мг/л. и ХПК 29-63 мг/л., перманганатной окисляемостью 6-14 мг/л. В результате исследований выявлено, что изменение показателей в указанных пределах не влияет на дозу облучения, необходимую для достижения нормативных показателей по колииндексу и ОМЧ.

Аналогичные данные получены в процессе модельных испытаний на работающих УФ-станциях. Обеззараживание воды до нормативных показателей достигалось при модельном облучении воды р. Волги в г. Твери при цветности 80 град и р. Камы в г. Перми при цветности до 48 град. УФ-станция в г. Тольятти в течение более четырех лет стабильно обеспечивает нормативное обеззараживание при цветности воды 20-35 град, перманганатной окисляемости 4-10 мг/л.

Наличие в воде взвешенных веществ может привести к снижению эффективности обеззараживания при любом его методе. При УФ-облучении присутствие взвеси может экранировать микроорганизмы от воздействия излучения, однако при правильно выбранной дозе необходимая степень обеззараживания может быть достигнута и при значительном содержании взвешенных веществ. Так, мутность воды, поступающей на УФ-станцию в г. Тольятти, достигала 10 мг/л; при эксплуатации УФ-установок в период паводка 1998-1999 гг. в г. Отрадном при мутности исходной воды до 145 мг/л и колииндексе до 30000 после УФ-облучения достигалось отсутствие общих колиформ в 100мл.

Обработка воды УФ-излучением не приводит к образованию вредных побочных химических соединений.

Определению изменения химического состава воды после облучения различными дозами и различными источниками УФ-излучения посвящено большое количество научных работ. Как правило, в этих работах присутствие органических соединений анализировалось методами газовой и жидкостной хроматографии и масс-спектроскопии, проводилось также биотестирование на различных организмах и водорослях. Единственным побочным продуктом, повышение концентрации которого было обнаружено при облучении природных вод, оказался формальдегид. Наибольшие концентрации формальдегида в этих исследованиях не превысили 3 % его ПДК в питьевой воде при облучении дозами более 100 мДж/см2 неочищенной воды из поверхностного источника [5]. Работы по исследованию образования побочных продуктов при УФ-облучении проводились в 1998 г. в НИИ ЭЧиГОС им. A. H. Сысина: установлено, что УФ-облучение не приводит к сколько-нибудь значительному образованию вредных побочных продуктов. Многие зарубежные исследователи также изучали мутагенные и токсические свойства воды. Так, после УФ-облучения воды из рек Рейна и Мааса в Нидерландах заметных изменений обнаружено не было, в то время как хлорирование приводило к значительному росту мутагенного действия воды.

Высокая эффективность действия на различные типы микроорганизмов, незначительное влияние внешних факторов на эффективность обеззараживания и отсутствие вредных побочных продуктов позволяют рассматривать УФ-облучение как реальный практический метод обеззараживания в системах водоподготовки.