1. Введение

Поверхностные и подземные источники питьевой воды зачастую не соответствуют установленным для безопасного употребления гигиеническим нормативам. По этой причине требуется предварительная очистка и дезинфекция такой воды, прежде чем она будет доставлена потребителям, что является необходимой мерой для обеспечения здоровья людей и предотвращения распространения инфекционных заболеваний. К важнейшим критериям, определяющим качество питьевой воды, можно отнести её безопасность с точки зрения эпидемиологии, отсутствие вредных химических веществ в составе, а также наличие приемлемых органолептических показателей. С учетом вышеназванных факторов в разных странах были разработаны специальные нормативные акты, устанавливающие стандарты качества питьевой воды, включая микробиологические и паразитологические показатели. Эти документы служат основой для обеспечения здоровья населения и защиты экологической среды, а также учитывают требования к контролю качества на разных этапах — от источника воды до конечного потребителя [1], [2], [3].

На сегодняшний день методы хлорирования, использующие газообразный хлор и его производные, продолжают широко применяться в странах ближнего зарубежья и некоторых других государствах. Причинами такой популярности хлорирования являются высокая степень бактерицидного действия хлорпродуктов, а также простота конструкций оборудования и возможности быстрого контроля процесса. Тем не менее, наряду с перечисленными преимуществами, существует и серьезный недостаток данного метода: образование хлорорганических соединений, обладающих высокой токсичностью, мутагенными и канцерогенными свойствами. Эти вещества могут накапливаться и вызывать физиологические изменения в живых организмах, включая биологические реакции, и приводя к их гибели. Многочисленные исследования наглядно демонстрируют, как хлорирование питьевых и сточных вод приводит к значительным уровням мутагенной активности и токсичности. При обработке воды хлорсодержащими веществами были обнаружены и выделены продукты, обладающие выраженной генотоксичностью, такие как тригалометаны, хлорфенолы, n-нитрохлорбензол, бромоформ и другие. Особенно важно отметить, что у хлороформа и четыреххлористого углерода, которые относятся к галогенорганическим соединениям с потенциальными долгосрочными биологическими эффектами, были выявлены канцерогенные свойства. В связи с этим данные соединения рассматриваются, как опасные для здоровья человека. Поэтому необходимо обратить особое внимание на поиск и внедрение альтернативных методов обработки воды, которые бы снижали или исключали образование этих вредных побочных продуктов [3], [4], [5], [8].

В настоящее время при проектировании современных систем водоподготовки наблюдается переход от использования жидкого хлора к более безопасному и простому в эксплуатации гипохлориту натрия. Однако данное технологическое решение также связано с рядом значительных недостатков. Во-первых, при добавлении гипохлорита натрия в воду в нее поступает существенное количество хлорид-ионов, содержание которых ускоряет коррозионные процессы на внутренней поверхности трубопроводов из углеродистой стали, по которым очищенная вода направляется к потребителям. Во-вторых, применение гипохлорита натрия не уменьшает, а в некоторых случаях даже увеличивает количество образующихся хлорорганических соединений, например, таких, как тригалометаны, которые по некоторым исследованиям связаны с риском возникновения раковых заболеваний. Кроме того, гипохлорит натрия обладает меньшей бактерицидной активностью по сравнению с жидким хлором. В связи с этим для достижения аналогичного эффекта обеззараживания требуется значительно увеличить время контакта, что влияет на производительность установок. Эти недостатки подчеркивают необходимость дальнейших исследований и разработки более эффективных и безопасных альтернативных методов обеззараживания воды, которые могли бы избежать проблем, связанных как с жидким хлором, так и с гипохлоритом натрия [6], [7], [8].

Среди физических методов обеззараживания воды наиболее популярно применяется ультрафиолетовый метод. Другие физические методы, такие как облучение гамма-излучением, использование высоковольтных разрядов, электрических разрядов малой мощности, переменного тока, термическая обработка и ультразвуковая обработка, встречаются значительно реже в связи с их высокой энергоемкостью и сложностью технической реализации. Бактерицидный эффект ультрафиолетовых лучей обусловлен в первую очередь фотохимическими реакциями, которые приводят к необратимому повреждению ДНК микроорганизмов. Однако ультрафиолетовое излучение также воздействует и на другие клеточные структуры, такие как РНК и клеточные мембраны. Наибольшей способностью повреждать и инактивировать бактериальные клетки обладает УФ-излучение с длинами волн от 200 до 280 нм. Это связано с тем, что излучение именно в этом диапазоне эффективно поглощается нуклеиновыми кислотами (ДНК и РНК) микроорганизмов. Максимальная эффективность этого воздействия, то есть пик бактерицидной активности, наблюдается при длинах волн в интервале 250–260 нм. Основными источниками УФ-излучения в установках для обеззараживания воды служат газоразрядные лампы, наполненные смесью паров ртути и инертных газов. Эти лампы классифицируются по рабочему давлению на два основных типа: низкого и высокого давления [9], [10].

Лампы низкого давления характеризуются относительно невысокой электрической мощностью (от 2 до 200 Вт) и умеренной рабочей температурой колбы (40–150 °C). При этом лампы низкого давления обладают высокой эффективностью преобразования энергии, а именно до 30% потребляемой электроэнергии трансформируется в УФ-излучение с длиной волны 254 нм [11], [12].

Лампы высокого давления отличаются значительно большей единичной мощностью (от 50 Вт до 10 кВт и выше), высокой рабочей температурой (600–800 °C), широким спектром излучения, охватывающим как УФ, так и видимую область. Недостатком является более низкий КПД в генерации именно коротковолнового УФ-излучения (включая 254 нм) по сравнению с лампами низкого давления. Однако, несмотря на меньшую эффективность в бактерицидном диапазоне, лампы высокого давления применяются в водоподготовке благодаря высокой суммарной мощности, что позволяет обрабатывать большие объемы воды или воду с низким УФ-пропусканием с помощью меньшего количества ламп [13], [14], [15].

2. Методы и принципы исследования

Одним из ключевых параметров процесса обеззараживания с использованием УФ-излучения является его доза, которая определяется как мощность излучения на единицу площади в течение заданного времени. Доза ультрафиолетового излучения определяется рядом факторов, включая мощность источника в ультрафиолетовом диапазоне, способность воды поглощать это излучение, восприимчивость микроорганизмов к ультрафиолетовым лучам, начальное количество микроорганизмов в воде, а также необходимую степень обеззараживания. Помимо этого, нужно принимать во внимание температуру воды, ее мутность, а также возможное присутствие различных химических соединений, которые могут снижать эффективность воздействия ультрафиолетового излучения. Важно отметить, что для достижения эффективного обеззараживания необходимо тщательно учитывать все эти факторы. Например, различные виды микроорганизмов могут проявлять разную чувствительность к УФ-излучению, поэтому для каждой конкретной ситуации может понадобиться индивидуальная настройка условий обработки [15], [16], [17], [18].

С целью изучения эффективности процесса обеззараживания авторами проведен ряд испытаний проточных обеззараживающих установок, серийно выпускаемых предприятием ООО «Завод «Современная Автоматика», г. Казань. Установки SOV-UF сертифицированы и соответствуют требованиям технического регламента Таможенного союза «О безопасности машин и оборудования», «О безопасности низковольтного оборудования», «Электромагнитная совместимость технических средств». Характеристики установок, представленных на испытание приведены в таблице 1.

Установка проточного обеззараживания воды состоит из металлического корпуса из нержавеющей сталиAISI 304, внутри которого установлен кварцевый чехол с бактерицидной лампой. На корпусе предусмотрены резьбовые патрубки для подвода и отвода обрабатываемой воды. Поток воды под давлением проходит через корпус установки, омывает кварцевый чехол и подвергается обработке ультрафиолетом. В зависимости от типа исходной воды, расхода, требуемой дозы облучения в одной установке может быть размещено разное количество ламп. Для контроля степени излучения и своевременной замены лампы на корпусе установлен датчик УФ-интенсивности. Эффективность проектирования и надежность эксплуатации установок УФ-обеззараживания воды напрямую зависят от учета ряда параметров. К ним относятся органолептические характеристики обрабатываемой воды и присутствующие в ней примеси (т.к. они влияют на прохождение УФ-лучей), а также расчетная производительность системы и её энергопотребление [18], [19], [20], [22].

С целью практической проверки и оценки производительности УФ-установок в контролируемых условиях была разработана и смонтирована технологическая схема испытательного стенда, описанного в литературе [15]. Этот стенд имитирует процесс обработки воды и включает: накопитель исходной воды, насосную станцию, установку УФ-обеззараживания, расходомер для точного измерения объема обрабатываемой воды и накопитель очищенной воды. Вода для эксперимента использовалась из артезианского источника. Протокол анализа воды приведен в таблице 2.

Из результатов анализа видно, что вода не соответствует СанПиН 2.1.4.1074-01 по бактериологическим показателям. В связи с этим при эксплуатации данного источника водоснабжения необходимо предусмотреть систему водоподготовки, обеспечивающую соответствие питьевой воды санитарно-гигиеническим требованиям и нормативам, установленным для распределительной сети. Такая система должна гарантировать безопасность, надежность и стабильное качество воды, предотвращая возможные риски для здоровья потребителей [23], [24].

3. Основные результаты

В ходе экспериментальных исследований вода последовательно перекачивалась из емкости с исходной водой в накопитель очищенной воды, проходя через модуль УФ-обеззараживания. Ключевым элементом эксперимента было целенаправленное изменение расхода воды через установку. Варьирование расхода напрямую влияло на время пребывания (экспозиции) воды в зоне УФ-излучения и, как следствие, на итоговую дозу облучения, получаемую водой. Расход и скорость воды регулировались путем изменения частоты электрического тока и управления оборотами электродвигателя насосного агрегата. Расход воды контролировался при помощи электромагнитного расходомера. Технические условия проведения эксперимента приведены в таблицах 3–4.

Из результатов эксперимента видно, что обе установки соответствуют заявленным заводом-изготовителем характеристикам. При превышении паспортного расхода через установку SOV-UF-2,0 доза облучения снижается ниже допустимого значения в 25 мДж/см2 установленного для воды хозяйственно-питьевого назначения. Установка SOV-UF-5,0 спроектирована с некоторым запасом мощности поэтому доза облучения в ней снижается до 25 мДж/см2 после превышения расхода на 16,0%, что будет являться большим преимуществом для потребителя при выборе соответствующего оборудования.

На рис. 1–2. Показаны графические зависимости интенсивности дозы облучения при изменении расхода воды через установку. На дозу облучения также влияют процессы преобразования энергии волны в тепло и изменение ее направления, частоты при взаимодействии с водой. Для оценки этого влияния использовался коэффициент поглощения, значение которого было принято по органолептическим и санитарно-гигиеническим характеристикам воды — в частности по уровню мутности и количественному содержанию таких веществ, как железо, марганец и фенол. Наличие и высокая концентрация данных примесей ослабляется излучение. Кроме того, на степень ослабления влияет и длина волны УФ-излучения: более короткие волны поглощаются интенсивнее. Учет этих факторов необходим при проектировании и эксплуатации систем обеззараживания воды с применением УФ-облучения, поскольку эффективность дезинфекции напрямую зависит от того, насколько глубоко излучение проникает в водную среду [18], [20], [21], [22].

В процессе каждого эксперимента было получено по 3 пробы воды объемом 500 мл. Для чистоты эксперимента образцы воды набирали из пробоотборника, установленного на выходном патрубке установки. Общее количество проб для двух установок составило 60 единиц. Для контроля качества воды был выбран метод определения бактерий кишечной палочки, так как основной вид этой группы бактерий E.coli обладает одним из самых больших коэффициентов сопротивляемости к ультрафиолетовому обеззараживанию в общем ряду интеробактерий, в том числе и патогенных. Бактериологический анализ воды, как ключевой этап оценки эффективности обеззараживания, проводился внешней аккредитованной лабораторией [23], [24]. Итоговые результаты, приведенные в таблице 5., представляют собой усредненные значения. Для каждого экспериментального условия (режима работы установки) было выполнено по три параллельных анализа, а затем рассчитано среднее значение, что позволило повысить статистическую надежность выводов.

4. Обсуждение

Из результатов таблицы 5. следует, что установки SOV-UF-2,0 и SOV-UF-5,0 обеспечивают биоцидное действие с высокой эффективностью, позволяющей использовать анализируемую воду в качестве питьевой. Однако, несмотря на высокую эффективность ультрафиолетового обеззараживания, необходимо учитывать типы используемых источников УФ-излучения и их возможное воздействие на физико-химические характеристики обрабатываемой воды. Разные типы ламп могут иметь различную спектральную мощность, срок службы и особенности эксплуатации, что влияет на стабильность и результативность обработки. Это подчёркивает важность дальнейших исследований, направленных на совершенствование и адаптацию УФ-технологий к различным условиям водоподготовки. Оптимизация параметров излучения, выбор эффективных конструкций установок и учёт свойств воды — всё это необходимо для обеспечения надёжного, безопасного и экологически чистого обеззараживания.

5. Заключение

Основные результаты и выводы:

1. Методы хлорирования, использующие газообразный хлор и его производные, широко применяются для обеззараживания воды из подземных и поверхностных источников. Современные исследования показали, что данные методы способствуют образованию в воде хлорорганических соединений, обладающих высокой токсичностью и способностью накапливаться в живых организмах, вызывать физиологические изменения, включая биологические реакции, и приводя к их гибели.

2. По сравнению с другими методами обеззараживания бактерицидный эффект не сопровождается образованием канцерогенных продуктов трансформации химических соединений в воде, что исключает опасность передозировки УФ-излучения.

3. Результаты работы позволят обратить внимание эксплуатирующих организаций на необходимость регулярного мониторинга условий работы УФ-систем для поддержания стабильного и качественного результата.

4. Проведенный микробиологический анализ образцов воды показал наличие общих колиформных бактерий при дозе облучения 19,84 мДж/см2 и ниже. Установка SOV-UF-2,0 соответствует паспортным характеристикам завода-изготовителя, согласно которым эффективная доза 25 мДж/см2 достигается при расходе 2,0 м3/ч.

5. В ходе эксперимента было выявлено, что расход и скорость воды в значительной степени влияют на интенсивности дозы облучения в установках. Полученные уравнения, описывающие ход эксперимента, позволят определять оптимальный расход воды для ее эффективного обеззараживания и использования по назначению. Таким образом, понимание и управление этими переменными позволит оптимизировать процесс ультрафиолетового обеззараживания, что, в свою очередь, повысит его эффективность и обеспечит безопасность обрабатываемой воды.

The additional file for this article can be found as follows: