Ультрафиолетовое облучение очищенной воды

Обеззараживание УФ-облучением является наиболее распространенным в России методом обеззараживания подземных вод высокого качества на установках производи­тельностью от 20 до 500 тыс. м³/сут. Эффективность этого метода проверена в традици­онных реагентных схемах очистки поверхностных вод на стадии первичного обеззара­живания волжской воды, что позволило значительно снизить дозу хлора на стадии окон­чательного хлорирования. Широкого опыта применения УФ-облучения взамен вторич­ного хлорирования пока нет.

В зарубежной практике УФ-облучение применяют на ряде крупных станций как при самостоятельном первичном и вторичном хлорировании, так и в сочетании с озони­рованием (в Европе, США и Канаде).

В нашей стране также имеется современное эффективное оборудование для обез­зараживания поверхностных и подземных вод любой производительности.

Для обеззараживания природных вод используют бактерицидные ультрафиолето­вые лучи длиной 205-315 нм. Максимальным бактерицидным эффектом обладает УФ- излучение в радиусе ~ 3 см с длиной волны 250-290 нм. Его обеззараживающее воздействие обусловлено повреждением болезнетворных молекул за счет фотохимической лу­чистой энергии.

Степень инактивации микроорганизмов УФ-облучением описывается уравнением

N = N₀e -Д/К,

где N и N₀- соответственно число бактерий в единице объема после и до облучения; Д- доза облучения, мДж/см²; К - коэффициент сопротивляемости бактерий.

Типовая установка обеззараживания питьевой воды УФ-облучением

Основными исходными данными для расчета УФ-установки являются: максималь­ная часовая производительность по воде q_ч, м³/ч; минимальная интенсивность бактери­ального излучения Е, мВт/см²; коэффициент Т использования интенсивности в потоке, 0,7-0,9 ед.; эффект обеззараживания Э, 99,9%; доза облучения Д не менее 16 мВтс/см²; время пребывания воды в камере t, с. Расчетные величины: требуемая мощность излу­чения N_u, Вт; объем камеры W, м³; число ламп n заданной мощности.

Для инактивации вирусов коксакки, полиовируса типа 1 необходима инактивирую­щая доза примерно в 6 раз больше, чем для E-Coli. Истинным нормативным показате­лем эффективности процесса обеззараживания по патогенным бактериям и вирусам яв­ляется только бактериологический анализ по величине индекса колифага.

Основные характеристики процесса: напряжение питания 220 или 380 В, опти­мальная длина волны - 254±5 нМ, минимальная энергия активации (доза) - 16 мВт/см², экспозиция мгновенная - 8-50 с, слой воды на излучателе - до 800-1000 мм. Расход эле­ктроэнергии на обеззараживание подземной воды не превышает 10-15 Вт-ч/м³, поверх­ностной обработанной воды - до 50 Вт-ч/м³. Это на порядок ниже затрат на химические методы обеззараживания.

Надежность инактивации патогенных бактерий и вирусов УФ-облучением при со­ответствующих дозах доказана в лабораторных и производственных условиях.

При дозе облучения 16-25 мВтс/см² метод УФ-облучения обеспечивает 99,99-100%- ную инактивацию воды при исходных индикаторных показателях загрязненности: общее микробное число - 35 до 22-10³ кл/мл, общие колиформные бактерии - до 2000 ед/100 мл, термотолерантные колиформные бактерии - до 200 ед/100 мл, колифаги - до 15 ед/100 мл.

В состав установки по обеззараживанию входят: камера дезинфекции с блоком пу­скорегулирующей температуры, пульт управления, сигнализация, блок промывки каме­ры дезинфекции от отложений, блок контроля интенсивности УФ-излучения. Установка работает в автоматическом режиме.

НПО ЛИТ разработаны типовые установки различной производительности (от 10 до 1000 и более м³/ч) для использования при водоподготовке поверхностных и подземных вод.

Все оборудование комплектуется бактерицидными лампами низкого давления.

Характеристики установок УФ-облучения НПОЛИТ

УДВ-10/2-А4	10 м3/ч	0,2 кВт	1400x680x290 мм
УДВ-50/7-А1	50 м3/ч	0,6 кВт	1400x520x420 мм
УДВ-100/14-А1	100 м3/ч	1,2 кВт	1400x1080x420 мм
УДВ-150/21-А1	150 м3/ч	1,8 кВт	1400x1520x420 мм
УДВ-1000/144-В2	1000 м3/ч	26 кВт	3700x1700x1600 мм

Для обработки поверхностных вод предложена установка УДВ-1000/288-ВЗ - 1000 м³/ч - 26 кВт размерами 3700x1700x1600 мм.

Выбор оптимальных доз, проектирование, привязку УФ-установок, пусконаладочные работы и гарантийное обслуживание осуществляют специалисты НПО ЛИТ.

Качество дезинфицируемой воды должно отвечать требованиям СанПиН, иметь мутность не более 1 мг/л и дисперсность частиц - не более 5 мкм.

Расчетные данные, заложенные в установки ЛИТ:

• минимальные дозы излучения - 16-25 мВт/см²;
• гарантийный ресурс работы ламп - 8000 часов при спаде интенсивности излучения к концу этого срока не более 15%;
• рабочая температура лампы - 40 °С;
• оптимальная длина волны - 254±5 нм;
• слой воды на излучателе - до 800-1000 мм;
• экспозиция (мгновенная) - 8-50 с;
• напряжение тока питания - 220 или 380 В;
• эффект окончательного обеззараживания - не менее 99,9% (1 кл/л по коли-индексу);
• то же предварительного обеззараживания - 99% (<10 кл/л после фильтра);
• гарантия обеспечения бактериальной надежности в водоводах и сети обеспечивается введением активного хлора с остаточной дозой 0,3-0,5 мг/л;
• коэффициент поглощения облучаемой подземной воды - 0,15 см^-1;
• коэффициент поглощения обработанной поверхностной воды - 0,30 см^-1;
• коэффициент использования бактерицидного потока - 0,9;
• коэффициент использования бактерицидного излучения - 0,9;
• потери напора в установке - 0₅5 м;
• принимают не менее двух параллельно работающих установок и одну резервную.

Однако, как показали исследования специалистов фирмы «Сварог», применяемые в России ультрафиолетовые лампы низкого давления недостаточно эффективны для уничтожения спорообразующих бактерий, вирусов, грибков, водорослей и плесени при плотности УФ-потока в 16-20 мДж/см², рекомендуемой для обеззараживания питьевой воды.

Для сравнения, нормативы США, Канады, ряда стран Европы определяют не менее 40 мДж/см² ультрафиолетового потока излучения в конце срока службы ламп. Вводи­мые в эксплуатацию в США станции обеззараживания воды имеют плотность УФ-пото­ка от 50 до 100 мДж/см².

Существенным недостатком общего ультрафиолетового метода очистки воды явля­ется также наблюдаемое со временем загрязнение защитных кварцевых оболочек УФ- ламп кристаллами соли и биовеществ, что сужает область его применения и снижает ре­сурс эффективной работоспособности самих ламп. Устранить указанные проблемы уда­лось при разработке и испытаниях новой технологии обеззараживания в установках «Лазурь». В ее основе лежит непрерывная обработка воды УФ-излучением, с плотнос­тью потока не менее 40 мДж/см², и длиной волны 253,7 нм и 185 нм с одновременным ультразвуковым воздействием на обрабатываемую воду плотностью около 2 Вт/см² и акустическими колебаниями. При обработке проходящего потока воды ультразвуком от излучателя, размещаемого непосредственно в камере ультрафиолетового облучателя, в воде возникают короткоживущие парогазовые каверны, которые появляются в момент локального снижения давления в воде и схлопываются при сжатии воды. Вблизи точек схлопывания за счет резкого повышения давления и температуры полностью уничтожа­ется патогенная микрофлора, образуются активные радикалы и пероксид водорода. Ка­верны возникают в объеме камеры УФ-излучателя на неоднородностях с частотой в не­сколько десятков килогерц. В роли неоднородностей выступают споры грибков, бакте­рии, являющиеся своеобразными мишенями. Кроме того, под воздействием УЗ-излучения в объеме обрабатываемой жидкости возникают многочисленные микроскопические воздушные пузырьки (процесс объемной дегазации), работающие как стиральная маши­на, тщательно отмывающая поверхности корпуса установки и защитного кварцевого ко­жуха УФ-излучателя, что исключает их биообрастание и соляризацию.

За счет комплексного, совместного воздействия на обеззараживаемую среду ульт­рафиолетового, ультразвукового излучений и акустических колебаний прозрачность об­рабатываемой среды может быть значительно ниже (до 50%), чем в случае применения традиционного УФ-обеззараживания (70-80%), что существенно удешевляет (до 50%) проблему обеззараживания воды. Данная схема успешно реализована и апробирована в изделиях «Лазурь-М».

Производительность модулей по воде составляет 0,5; 1,0; 3,0; 5,0; 10,0; 30,0; 50,0; 100 м³/ч. Потребляемая мощность от сети 220 вольт с частотой 50 Гц, в зависимости от комплектации и производительности, на 1,0 м³/ч обрабатываемой воды не превышает 8 Вт для питьевой воды.

При одновременном воздействии ультрафиолетового и ультразвукового излучения эффективность подавления микроорганизмов существенно выше. Зависи­мости логарифма инактивации от эффективной дозы ультрафиолетового облучения для фага MS2 не имеет перелома после 50 мДж/см² . Аналогичный характер зависимости на­блюдается для кривых инактивации Bacillus subtilis.

Также доказано, что при дозах ультрафиолетового облучения больше 20 мДж/см²на кривой способности ультрафиолетового излучения инактивации инфекционного по­тенциала цист Giardia muris наблюдался отчетливый концевой эффект.

Полученные данные показывают, что дезинфекция при одновременном воздейст­вии ультрафиолетового и ультразвукового облучения является надежной технологией инактивации болезнетворных микроорганизмов. Доза ультрафиолетового облучения 60 мДж/см² и ультразвукового облучения 2 Вт/см² обеспечивает высокую степень инак­тивации фагов и эндоспор и полную инактивацию цист протоза и ооцист, в то время как эта доза при воздействии только ультрафиолетового облучения составляет 120 мДж/см².

Общий вид и конструктивные габариты установки «Лазурь М250»

Зависимости инактивации фагов и цист от дозы излучения

1, 2 - фаг М250; 3, 4 - цисты Giardia; 1,3- УФ-технологии; 2, 4 - УФ+УЗ-технологии.

Дополнительным преимуществом этой технологии являются более низкие требова­ния к прозрачности воды (до 50%) и количеству взвешенных в воде частиц (до 20 мг/л).

Специалистами фирмы «Сварог» сформулированы основные требования к уров­ням УФ- и УЗ-излучения, реализуемым в объеме модулей, из которых состоят станции обеззараживания водных сред:

1. Уровень ультразвуковой и акустической мощности в любой точке модуля должен составлять не менее 1-2 Вт/см² облучаемой площади.
2. Уровень интенсивности ультразвукового облучения в диапазоне 200-300 нм дол­жен превышать 15 мВт/см² в любой точке облучаемого объема с учетом прозрачности обрабатываемой среды до 50%.

В этом случае подобного эффекта можно добиться, используя определенным обра­зом расположенную систему УФ- и УЗ-излучателей. Лампы УФ-излучателей располага­ются концентрическими кольцами внутри корпуса модуля. УФ-излучатели расположены в нескольких сечениях по длине модуля. В одной плоскости располагает­ся от 2 до 5 УЗ-излучателей. Объем обрабатываемой жидкости 300-350 л, экспозиция 3 с. Потребляемая мощность - 8000 Вт.

Интенсивные источники УФ, спектр излучения которых обеспечивают максималь­ный бактерицидный эффект, представляют значительный интерес для технологии водоподготовки.

Как правило, УФ-технология очистки и обеззараживания воды базируется на ис­пользовании ртутных ламп низкого давления, излучение которых сосредоточено на 90% в линии 254 нм. Благодаря высокой энергетической эффективности бактерицидные ртут­ные лампы остаются источником УФ, который находит широкое применение в техноло­гии водоподготовки. В то же время интенсивность таких источников УФ ограничена из-за самопоглощения в парах ртути. При этом интенсивность УФ сильно зависит от рабо­чей температуры лампы. Кроме того, этот источник УФ обладает далеко не оптимальным для бактерицидных целей спектром излучения. Известно, что спектр фотопоглощения нуклеиновых кислот является широкополосным (170-300 нм) и имеет два максимума: на длине волны 265 нм, на который сориентированы бактерицидные ртутные лампы (254 нм), и более интенсивный пик фотопоглощения вблизи 200 нм. Серьезной пробле­мой является утилизация экологически опасных ртутных ламп.

В НИИ ядерной физики МГУ им. М.В. Ломоносова разработан газоразрядный ис­точник УФ импульсно-периодического действия, который является открытым и может работать в окружающей атмосфере. УФ-источник интенсивно излучает в спектральной области 180-300 нм в течение 1-2 мкс с частотой следования вплоть до 10⁴ Гц. Способ организации разряда позволяет легко компоновать источник УФ с любыми устройства­ми водоподготовки. Квазинепрерывная интенсивность источника УФ в спектральном диапазоне 180-300 нм определяется источником питания и может регулироваться в ши­роких пределах. Вследствие этого бактерицидный эффект может быть достигнут за вре­мя 1-10 секунд. В отличие от известных бактерицидных ламп предлагаемый источник УФ экологически безопасен. В конструкции УФ-источника не используются дорогосто­ящие оптические материалы УФ-диапазона. Проведены микробиологические испыта­ния плазменного источника УФ и получены положительные отзывы.

Обеззараживание воды озоном

Зарубежный и отечественный опыт применения озона в водоподготовке загрязнен­ных поверхностных и подземных вод свидетельствует о его комплексном воздействии на очищаемую воду, включая и обеззараживание.

Для обеспечения эффективной инактивации как вегетативных, так и споровых бак­терий, а также вирусов необходимо предварительное глубокое обесцвечивание воды до 8-10 град, осветление до 1 мг/л и отсутствие частиц взвеси с крупностью более 5 мкм.

Обеззараживающая доза озона составляет порядка 5 мг/л при продолжительности контакта 5-10 мин и величине остаточного озона 0,3-0,4 мг0₃/л.

Несмотря на то, что 0₃ является очень сильным обеззараживающим агентом, ис­пользование его на конечной стадии водоподготовки не исключает последующего рис­ка повторного загрязнения микроорганизмами. Так, остаточный 0₃ в количестве 0,4 мг/л разлагается менее чем за 1 ч. Это может привести к тому, что в очищенной во­де после разложения озона наблюдается усиление активности бактерий и рост их числа в протяженных водоводах и распределительных сетях.

Озон значительно уменьшает дозу хлора для обеззараживания и пролонгирует его действие. Необходимое время контакта озоновоздушной смеси с водой - не менее 20-30 минут.

Озонирование как специальный метод обеззараживания питьевых вод осуществля­ют в сочетании с другими методами: хлорированием уменьшенными дозами и мембран­ной технологией.

Расчет озонаторной установки для обеззараживания питьевой воды: метод озонирования целесообразно применять для обеззараживания любых расхо­дов очищенных поверхностных, подрусловых и подземных вод, загрязненных устойчи­выми к инактивации видами патогенных спорообразующих бактерий и энтеровирусов. В технологии водоподготовки обеззараживание частично осуществляют на этапе преозонирования и окончательно - на этапе дезинфекции.

Озонаторная установка может работать на атмосферном воздухе и жидком кисло­роде. В первом случае установка включает: блок осушки и подготовки воздуха, воздуш­ный компрессор, генератор озона, блок водяного охлаждения генератора, реактор, повы­шающий трансформатор, пульт управления, блок контроля озоновоздушной смеси. Ра­бота установки автоматизирована. Во втором случае исключается блок подготовки и осушки воздуха.

Расчет производительности озонаторной установки производят по суммарной дозе озона q_оз на указанных стадиях обработки и расчетному часовому расходу озонируемой воды q_чac.

Технологическая схема озонаторной станции

1 - компрессор; 2, 5 - ресиверы; 3 - адсорбер; 4 - фильтр; 6 - пылевой фильтр; 7 - редуктор давле­ния; 8 - предохранительный клапан; 9 - кислородная установка PSA; 10 - трубчатый генератор озона.

При предварительном озонировании озон расходуется на удаление органических и неорганических веществ, прежде чем он будет затрачиваться на инактивацию патоген­ных бактерий и вирусов.

Ориентировочно на преозонирование поверхностной воды (до коагуляционной обра­ботки) дозу озона принимают от 0,5 до 5 гО₃/м³ в зависимости от загрязненности исходной воды. Продолжительность контакта озоновоздушной смеси с водой - от 10 до 20 мин. Мак­симальные дозы озона 3-5 гО₃/м³ в течение года колеблются по сезонам:

• в осенне-зимний период - 3-4 г0₃/м³,
• в весенний период - 5 г0₃/м³,
• в летний период - 5 г0₃/м³.

Технологическая схема контактной камеры

1 - контактная камера; 2 - радиальный диффузор; 3 - предохранительный клапан; 4 - насос; 5- емкости с сернистым ангидридом; 6 - деструктор.

В каждом случае требуется экспериментальное определение дозы озона.

При средней загрязненности исходной воды по органическим веществам, соответ­ствующей величине перманганатной окисляемости менее 8 мг0₂/л, требуемая доза озо­на равна 2 г0₃/м³. При окисляемости около 10 мг0₂/л - 3 г0₃/м³. Дозы 4-5 г0₃/м³ необ­ходимы при поступлении в воду залповых загрязнений по органическим веществам, равных 15-20 мг0₂/л, считая по перманганатной окисляемости.

Очищенная вода на стадии окончательного обеззараживания должна иметь мут­ность не более 1,5 мг/л, дисперсные примеси - не более 5 мкм, цветность - до 20 град, суммарное количество железа и марганца - не более 0,1 мг/л, коли-индекс - не более 1000 кл/л, ОМЧ - не более 10 кл/см³, отсутствие цист простейших.

Расход озона на стадии дезинфекции обработанной воды составляет 0,75-1,0 г0₃/м³ (зимой) и 1-3 г0₃/м³ (летом). Продолжительность контакта от 4 до 10-12 мин.

На стадии обеззараживания значение произведения величины концентрации озона С, в мг/л, на время контакта Т, мин, обычно принимают равным 1,6 (например, поддер­жание остаточной концентрации озона С = 0,4 мг/л в течение 4 мин).

Окончательное обеззараживание рекомендуют производить в контактных резерву­арах с двумя последовательными камерами. В первой обеспечивается химическая по­требность воды в озоне с остаточной концентрацией С = 0,4 мг/л, во второй - эта кон­центрация поддерживается в течение требуемого времени Т= 4 мин.

Эффект обеззараживания по патогенным бактериям и вирусам, включая наиболее устойчивые вирусы гепатита и полиомиелита, - 99,99-100%.

Концентрация озона в озоновоздушной смеси - до 20 г0₃/м³. Коэффициент исполь­зования озона - не менее 0,9. Время разложения остаточного озона в воде, прошедшей дезинфекцию, - менее 20 мин.