Наиболее перспективным в этих условиях промышленным методом является обеззараживание воды ультрафиолетовым излучением. Применение УФ-метода для обеззараживания в системах подготовки питьевой воды и очистки сточных вод оптимально решает возникшие проблемы.
С 1989 года Московским НПО "ЛИТ" в сотрудничестве с ведущими технологическими и санитарными научными организациями проводятся широкомасштабные работы по развитию и внедрению УФ-обеззараживания в России. Были разработаны высокоэффективные источники УФ-излучения и создано современное отечественное оборудование нового поколения для обеззараживания воды.
Принцип УФ-обеззараживания заключается в прямом воздействии излучения на нуклеиновые кислоты, входящие в состав ДНК и РНК всех живых организмов. Уже в первых работах по исследованию воздействия УФ-излучения на микроорганизмы был обнаружен оптимум длин волн для уничтожения бактерий, находящийся в области 250 - 266 нм. Действие ультрафиолета на разные типы микроорганизмов имеет одинаковую природу. Входящие в состав ДНК пирамидиновые основания - тимин и цитозин, отличающиеся высокой фотохимической активностью в области 250 - 280 нм, 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. Ультрафиолетовое облучение является летальным для большинства микроорганизмов, в том числе и для устойчивых к окислительным методам вирусов и цист простейших.
Основной характеристикой процесса УФ-обеззараживания, определяющей степень снижения количества микроорганизмов данного типа в процессе облучения, является произведение интенсивности излучения - I [мВт/см2] и времени облучения - t [с]. Произведение I x t называется дозой облучения - D [мДж/см2]. Доза облучения определяет количество энергии ультрафиолетового излучения, сообщаемое микроорганизмам.
УФ-облучение обладает высокой эффективностью по отношению к патогенным микроорганизмам. Исследования, проведенные НПО "ЛИТ" на более чем 120 объектах водоснабжения и канализации, показали, что для инактивации большинства бактерий на 1 - 4 порядка достаточной является доза 10 - 16 мДж/см2. Лабораторные исследования, проведенные НПО "ЛИТ" совместно с Институтом медицинской паразитологии и тропической медицины им. Е. И. Марциновского ММА им. И. М. Сеченова; НИИ экологии человека и гигиены окружающей среды им. А. Н. Сысина РАМН, показали, что доза облучения 16 мДж/см2 обеспечивает снижение содержания вирусов (коли-фаги и энтеровирусы) на 1,8 - 2,9 порядка. Достижение более значительной степени обеззараживания по вирусам обеспечивается дозой 40 мДж/см2 (более 4 порядков). В отношении наиболее устойчивых к обеззараживанию цист лямблий и ооцист криптоспоридий требуемая доза УФ-облучения зависит от исходной концентрации этих микроорганизмов: при концентрации до 10000 экз/мл доза 16 мДж/см2 обеспечивает инактивацию на 2 - 4 порядка, доза 40 мДж/см2 - обеспечивает отсутствие жизнеспособных цист (рис. 1).
Поскольку УФ-излучение поглощается рядом растворенных в воде веществ, доза, сообщаемая обрабатываемой воде, зависит от коэффициента пропускания воды УФ-излучения на длине волны 254 нм.
В 1995 - 1997 годах специалистами НИИ гигиены им. Ф. Ф. Эрисмана был проведен цикл работ по определению влияния обобщенных показателей качества воды (цветность, мутность, окисляемость, ХПК, БПК) на эффективность УФ-обеззараживания. Эти исследования, а также анализ данных, полученных при обследовании реальных объектов, проведенные специалистами НПО "ЛИТ", показали принципиальную возможность обеззараживания УФ-облучением воды с различными характеристиками физико-химических показателей. Кроме того, накопленные данные позволяют делать прогноз коэффициента пропускания воды на основании данных физико-химического качества.
Точное измерение коэффициента пропускания и проведение модельного облучения позволяют подобрать оптимальное оборудование, отвечающее конкретным условиям. При этом, 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.
На основе многочисленных исследований, многолетнего опыта практической эксплуатации промышленных станций УФ-обеззараживания различного назначения в различных отраслях промышленности ведущими гигиеническими институтами России (НИИ гигиены им. Ф. Ф. Эрисмана, НИИ ЭЧиГОС им. А. С. Сысина) разработаны санитарно-гигиенические нормативные документы, регламентирующие применение УФ-метода для обеззараживания природных и сточных вод.
В их числе такие документы, как Методические указания МУ 2.1.4.719-98 "Санитарный надзор за применением ультрафиолетового излучения в технологии подготовки питьевой воды"; МУ 2.1.5.732-99 "Санитарно-эпидемиологический надзор за обеззараживанием сточных вод ультрафиолетовым излучением"; МУ 2.1.2.694-98 "Использование ультрафиолетового излучения при обеззараживании воды плавательных бассейнов".
В этих документах нормативно установлены минимальные эффективные дозы УФ-излучения, соответствующие мировым стандартам и позволяющие обеспечить надежное и стабильное обеззараживание в системах питьевого водоснабжения, очистки сточных вод и водооборотных циклах плавательных бассейнов. Описаны элементы конструкции УФ-установок, обязательные для обеспечения их нормальной эксплуатации, регламентировано использование систем контроля дозы УФ-излучения как средства контроля за эффективностью процесса обеззараживания.
Современные строительные нормативы разработаны также с учетом уровня развития УФ-технологии. В новую редакцию СНиП 40-03-99 "Канализация. Наружные сети и сооружения" внесены рекомендации по применению УФ-метода для обеззараживания сточных вод, что позволяет регламентировать проектирование и строительство УФ-обеззараживания.
Высокие технико-эксплуатационные показатели выпускаемого УФ-оборудования и современный уровень развития УФ-технологии в целом создали условия для масштабного применения ультрафиолета в различных областях коммунального хозяйства и проблем больших городов и крупных промышленных предприятий.
УФ-оборудование, выпускаемое НПО "ЛИТ", соответствует современным требованиям к промышленному оборудованию для водного хозяйства и нормативным документам, регламентирующим его применение, так как:
в оборудовании реализована предварительно рассчитанная доза облучения, которая гарантирует достижение нормативных санитарно-бактериологических показателей качества обрабатываемой воды;
используются бактерицидные ртутные лампы низкого давления, которые были специально разработаны и выпускаются НПО "ЛИТ" для установок обеззараживания воды. Их отличает высокий к. п. д. излучения в бактерицидном диапазоне - 30% - 35% (что в 5 - 6 раз выше, чем у ламп предыдущих поколений), большой срок службы (10000 - 12000 часов), низкая рабочая температура поверхности ламп (30°С - 40°С);
конструкция камеры обеззараживания позволяет обеспечить малые потери напора, поэтому эти установки могут успешно применяться как в напорных, так и в самотечных схемах. Разработаны различные конструктивные модификации оборудования, которые позволяют включить этап УФ-обеззараживания практически в любую схему очистных сооружений;
в установках используются высококачественные конструкционные материалы: корпус камеры обеззараживания изготовлен из нержавеющей стали, защитные чехлы - из стойкого кварцевого стекла, двойные уплотнения выполнены из долговечной резины. В установках применяется наиболее удобный и экономичный способ регламентной очистки: химическая промывка слабыми растворами пищевых кислот. Для этого установки комплектуются специальным блоком промывки. На пульт управления вынесены индикация о режиме работы установки, загрязнения кварцевых чехлов, счетчик времени наработки ламп и сигнализации об аварийных ситуациях. Особое внимание при разработке установок уделяется простоте и удобству обслуживания.;
конструктивное исполнение УФ-оборудования обеспечивает его длительную и безаварийную эксплуатацию в тяжелых климатических и технологических условиях реальных зданий и сооружений.
Выпускаются установки трех типов, предназначенные для обеззараживания питьевой, поверхностной, сточной очищенной и доочищенной воды.
Установки для обеззараживания питьевой воды имеют производительность от 1 до 3000 м3/ч и рассчитаны на рабочее давление до 10 атм. Оборудование этого типа применяется также для обеззараживания оборотной воды плавательных бассейнов, морской воды. Для обеззараживания поверхностной воды выпускается оборудование единичной производительностью от 120 до 2000 м3/ч. Для обеззараживания сточных вод, прошедших полную биологическую очистку, изготавливаются установки производительностью от 5 до 2500 м3/ч как в безнапорном (погруженные лотковые модули), так и в напорном исполнении (рабочее давление до 10 атм.). Единичное оборудование при необходимости может соединяться последовательно или параллельно для реализации конкретных компоновочных решений, что позволяет комплектовать УФ-станции производительностью от единиц до миллионов кубических метров в сутки.