Системи за UV обеззаразяване на води

Oбеззаразяването чрез ултравиолетово лъчение е относително рентабилен метод за дезинфекция както на питейни, така и на отпадъчни води. Експлоатационните разходи на технологията са сравними с тези на комбинацията от процеси на хлориране и дехлориране.

При хлорирането оперативните разходи зависят от капацитета на пречиствателната станция и регулаторните изисквания за съхранението на хлор. Също така, за разлика от хлорирането, процесът на UV обеззаразяване не води до получаването на значителни количества странични продукти.

Ултравиолетовата радиация инактивира микроорганизмите, тъй като уврежда тяхната ДНК или РНК. Организмът все още може да функционира, но не може да използва ДНК/РНК-то си за възпроизводство и съответно популацията измира. Увреждането на ДНК е в резултат главно от лъчението при дължина на вълната в UV-C областта на спектъра (200-280 nm) и е с максимална ефективност при 254 nm. Този принцип се използва при UV дезинфекцията на води.

UV дозата обикновено се изразява в единици mJ/cm2 или J/m2 и е функция на UV интензитета, mW/cm2 и времето на експозиция s. Системите за UV дезинфекция имат възможност да работят със зададена за определени експлоатационни условия (например дебит, качество на водата) доза.

UV лампи

Ултравиолетовата светлина може да бъде осигурена от различни видове лампи – обикновено за дезинфекция на питейни води се използват живачни лампи с ниско (LP) или средно (MP) налягане, или с ниско налягане и висока мощност (LPHO). Светлинната мощност на живачните лампи зависи от налягането на парите в тях. В LP и LPHO лампите живакът съществува при ниско парно налягане и умерена температура (40 и 200°C съответно), при което се получава монохроматично UV излъчване с дължина на вълната 253,7 nm.

По-високите стойности на парното налягане и работната температура в MP лампите водят до увеличаване честотата на сблъсъците между живачните атоми. Така се получава полихроматична UV светлина в широк спектър между 180 и 300 nm, с общо взето висок интензитет, малка част от който попада в бактерицидния диапазон.

Ефективността на ултравиолетовата светлина варира в зависимост от дължината на вълната. За повечето микроорганизми пикът на бактерицидното UV действие се проявява при около 260 nm, локалният минимум - при 230 nm, и падът до нула при 300 nm. Тъй като няма ефективен метод за получаване на UV светлина с 260 nm, използването на живак за 254 nm се е превърнало в стандарт.

При подаване на напрежение през електродите на лампата се генерира електрическа дъга от йонизиран газ или газови смеси, които провеждат ток. С нарастване температурата на дъгата, живакът в лампата преминава в състояние на пара. Живачните пари провеждат електричеството, затваряйки веригата и отделят фотони UV светлина. В сравнение с лампите със средно налягане, тези с ниско имат по-малко енергопотребление и по-слабо бактерицидно действие, но са с по-висока ефективност и по-дълъг експлоатационен живот.

За осигуряването на определена доза обаче са необходими много по-голям брой LP, отколкото MP лампи. С увеличаване възрастта на лампите с живачни пари тяхната мощност намалява и живакът постепенно се изчерпва. Обикновено изчисленията за една система за UV обеззаразяване се правят на база дозата в края на експлоатационния период на лампата.

UV реактори

При дезинфекция на питейна вода ултравиолетовите лампи се монтират в затворени реактори. Предлагат се реактори с различна конфигурация в зависимост от производителя и ограниченията на площадката за специфичната инсталация. Реакторите могат да бъдат на редове, U- или S-образни. Ултравиолетовите лампи могат да бъдат разположени успоредно, перпендикулярно или диагонално на водния поток.

При реакторите с квадратно сечение лампите обикновено са ориентирани перпендикулярно на потока, а при тези с кръгло сечение – успоредно. От съществено значение е и разстоянието между лампите, като то зависи от коефициента на пропускане на UV светлина на водата, мощността на лампата и хидравличното смесване в рамките на реактора. LP и LPHO системи се използват както за малки, така и за средни по големина инсталации.

С увеличаване на хидравличните потоци, LPHO системите стават по-некомпактни заради необходимостта от повече лампи за осигуряване на определената доза. Входът и изходът на реактора трябва да бъдат проектирани така, че да не се получават мъртви зони. Правите впускателни отвори с постепенно изменение площта на напречното сечение могат да спомогнат за създаване на условия на потока за оптимално разпределение на дозата.

Системите за UV дезинфекция са оборудвани с един или повече датчици и анализатор на коефициента на пропускливост на UV, който е инсталиран преди реактора. Сензорите измерват дяла на интензитета, попадащ в бактерицидния диапазон, а анализаторът определя UV пропускливостта на предвидената за третиране вода. Надеждното измерване на интензитета е от ключово значение за управление на дозата, което налага периодичното верифициране на сензорите спрямо референтни прибори.

Ефективност

Ефективността на UV дезинфекцията е най-висока за бактерии, след това за протозойни патогени и е най-ниска за вируси и спори на бактерии. Реакцията на един микроорганизъм на UV дозата е мярка за чувствителността му към експозиция на ултравиолетова светлина и е уникална за всеки организъм. Тя се определя чрез облъчване на водни проби, съдържащи микроорганизми, с различни дози и измерване на концентрацията на жизнеспособните организми преди и след експозиция.

Ако UV системата се използва за първична дезинфекция, дозата трябва да осигурява достатъчна инактивация на няколко вида патогени. Според международните стандарти за UV оборудване за питейна вода, подходящата доза е 40 mJ/cm2.

Потенциално проблемни за водоснабдяването странични продукти се образуват предимно в резултат на реакцията на UV светлина с дължини на вълната под 240 nm с органиката или нитратите във водата. Естествените органични вещества могат да се разложат под действието на UV светлината до по-лесно биоразградими съединения като алдехиди или карбоксилни киселини, което може да допринесе за образуването на биофилм по вътрешната повърхност на водопроводните тръби.

Нитрити могат да се формират при редукцията на нитрати с UV светлина с дължини на вълната под 225 nm. Освен че са предмет на регулаторен контрол, нитритите могат съществено да увеличат необходимия за водата хлор. Образуването на нитрати е свързано с употребата на MP лампи, при които вълновият диапазон е по-широк. Лампите със средно налягане на парите обикновено имат балон, който задържа светлината с по-малки дължини на вълната, водеща до получаването на нитрити. Това в повечето случаи ограничава и формирането на органични странични продукти.

Фактори, влияещи на ефективността

Качеството на водата на вход на UV реактора може да повлияе на ефективността на дезинфекция по няколко начина. Пропускливостта определя колко лесно UV светлината преминава през водата, като ниската пропускливост може да осигури защита от излъчването за някои микроорганизми.

Понижаването й се дължи на разсейването и поглъщането на ултравиолетовата светлина от водата, вследствие на съдържанието на естествена органична материя, фракцията разтворен общ органичен въглерод и неорганични вещества като желязо и нитрати.

Въпреки че мътността оказва влияние на UV пропускливостта на третираната вода, все още не е установена пряка корелация между мътността и ефективността на UV дозата. Всяка такава връзка обаче ще зависи от степента на разсейване, а не на поглъщане на светлината.

Стойността на пропускливостта при води от подземни водоносни пластове обикновено е по-висока, отколкото при такива от повърхностни източници. Подземните водни тела във варовикови области са по-податливи на сезонни изменения на пропускливостта, които се дължат на замърсяване от повърхността.

Проектирането на UV реакторите, които следва да се включват в системата за пречистване след филтриращите съоръжения, изисква предварително да бъде извършен анализ на проби от предвидената за пречистване вода. При изследването на тези проби трябва да се идентифицира най-ниската възможна стойност на пропускливостта, като се отчете сезонността на качеството на повърхностните води и ефективността на предварителната филтрация с цел намаляване съдържанието на химични съединения, редуциране на оцветеността и мътността.

Съдържащите се във водата вещества могат да замърсят външните повърхности на балоните на лампите, както и други омокряни компоненти на UV реакторите, което може да доведе до понижаване интензитета на светлината, а от там и на ефективността на дезинфекцията. Замърсяването на лампите може да се дължи и на други параметри на водата, водещи до блокиране на ултравиолетовата светлина.

Измененията в pH например не влияят върху пропускливостта, но съдържанието на желязо и високата твърдост на водата могат да причинят отлагане на минерални вещества върху кварцовите балони на UV лампите. Водите с висока твърдост имат по-голям потенциал за замърсяване, тъй като съдържат съединения, чиято разтворимост намалява с увеличаване на температурата, например CaCO3, CaSO4, MgSO4, Al2(SO4)3.

Води с висока концентрация на желязо (над 0,1 mg/l), CaCO3 (над 140 mg/l), сероводород и органични вещества налагат необходимостта от често химично почистване на балоните на лампите, като периодичността се определя освен от съответния химичен състав на водата и от вида на лампата.

Предимства и недостатъци

Сред основните преимущества на системите за UV обеззаразяване на вода са способността им лесно да инактивират бактерии и протозойни патогени (например Cryptosporidium) при ниски дози и това, че вследствие на дезинфекцията не се формират странични продукти.

Освен това инсталациите заемат малко място, а необходимите капиталови разходи са в много по-малък размер, отколкото тези за обеззаразяване чрез озониране или мембранна филтрация. Съотношението за експлоатационните разходи – 1 (UV): 3 (озониране): 8 (мембрани), също показва колко рентабилен е методът.

Като недостатък може да бъде посочена невъзможността за защита на водата при повторното й замърсяване след третиране, за разлика от хлорирането, където във вече обеззаразената вода се запазва остатъчно количество хлор.

В допълнение, UV дезинфекцията има ограничения по отношение химичния състав на водата, не премахва оцветяването и не води до окисление на съдържащото се във водата желязо или манган. Това прави метода подходящ за дезинфекция на подземни води с високо качество, които не изискват пречистване или вече третирани води с намалено съдържание на частици, органика или химични примеси. Също така ултравиолетовата светлина не оказва въздействие върху вкуса или мириса на водата, в случай че има такива.