Применение импульсного и непрерывного уф-излучения для обеззараживания воды и воздуха

Л. М. Василяк, доктор физ.-мат. наук, Объединенный институт высоких температур РАН

С. В. Костюченко, канд. физ.-мат. наук, ЗАО НПО «ЛИТ»

Г. В. Кольцов, ЗАО НПО «ЛИТ»

В современном городе с предельными техногенными нагрузками, полной зависимостью от инфраструктуры и высокой плотностью населения человек сталкивается с реальной угрозой для своего здоровья. В таких условиях особую значимость приобретают мероприятия по предупреждению возникновения и распространения инфекционных заболеваний, в первую очередь, обеззараживание.

Многолетние отечественные и зарубежные медицинские исследования влияния химических дезинфектантов на здоровье населения показывают устойчивую корреляцию между заболеваниями органов дыхания, пищеварения, воспалений слизистых оболочек и содержанием в атмосфере применяемых химических реагентов. Образующиеся при хлорировании воды побочные продукты, в основном галогенорганические соединения, в питьевой воде представляют опасность для здоровья людей, а в сточных водах наносят серьезный ущерб экологии водоемов. При этом хлорирование и другие окислительные технологии обеззараживания малоэффективны по отношению к вирусам. Применение озонаторов для обеззараживания воздушной среды и поверхностей дает неплохие результаты в части микробиологии. Однако необходимая концентрация озона многократно превосходит ПДК в атмосферном воздухе 0,03 мг/см³. Это накладывает дополнительные ограничения на применение озонирования, к тому же наличие избыточного озона может привести к образованию в окружающей среде формальдегидов. Таким образом, применение в целях обеззараживания химических реагентов приводит к неоправданному росту химической нагрузки на человеческую популяцию. В отличие от промышленных химических загрязнений, дезинфектанты вносятся непосредственно в среду обитания человека и их применение жестко ограничено нормативами на остаточное содержание стерилизующих средств.

Наряду с использованием традиционных методов дезинфекции все большее применение в мировой практике находит метод дезинфекции ультрафиолетовым (УФ) излучением, который успешно применяется для обеззараживания воды, воздуха и поверхностей. Обеззараживание УФ-облучением удачно сочетает в себе высокую эффективность и безопасность. В настоящее время во всем мире технологию хлорирования питьевых и сточных вод заменяют на технологию УФ-обеззараживания. Последние несколько лет эта технология активно внедряется в России. Широкое признание метода объясняется четким пониманием технологии и регламента ее использования, а также повышением надежности и экономичности промышленного УФ-оборудования.

Обеззараживание воды, воздуха и поверхностей с помощью УФ-излучения является универсальным физическим методом, экологически безопасным, экономичным и удобным в эксплуатации. Этот метод известен около 100 лет, однако широко применяется в течение последних 20, после того, как в 1970-х годах были разработаны мощные эффективные лампы бактерицидного УФ-излучения.

В качестве источников бактерицидного УФ-излучения [1–3] обычно используется электрическая дуга в парах ртути. Постоянное повышение требований в отношении экологической безопасности стимулировало исследования альтернативных источников бактерицидного УФ-излучения и разработку технологии их применения. Хорошо известным источником УФ-излучения являются импульсные разряды в инертных газах и их смесях с галогенами (эксимерные смеси). В настоящее время для различных сфер применения разрабатывается оборудование с использованием импульсных ксеноновых ламп [1–4], в спектре излучения которых содержится значительная доля УФ (рис. 1). Импульсное УФ-излучение бактерицидного диапазона производит обеззараживание так же, как постоянно работающий источник, например, ртутная лампа высокого давления (рис. 2). Однако пиковая мощность импульса излучения ксеноновой лампы составляет 3–10 МВт, поэтому возникает естественный вопрос: есть ли различия при обеззараживании УФ-излучением малой и большой мощности, а также – влияет ли на процесс обеззараживания импульсное излучение видимого диапазона. Исследования обеззараживания импульсным излучением показали, что при превышении импульсом излучения пороговой мощности может реализоваться еще один дополнительный механизм воздействия УФ-излучения на микроорганизмы – импульсный нагрев [5–7]. Рассмотрим оба механизма обеззараживания и возможности импульсных систем.

Рисунок 1. Спектр излучения импульсной ксеноновой лампы при плотности тока 6,5 кА/см2 (1) и 1 кА/см2 (2) (Technical Bulletins and Catalogues on Flash lamps by Perkinelmers Opto-Electronics Corp. (former EG&G Corp.), 1989-1999. Address: 35 Congress Street, Salem, Ma, USA)

Рисунок 2. Определение бактерицидной эффективности импульсной ксеноновой лампы 1 – относительная спектральная кривая бактерицидного действия Sl; 2 – распределение энергии излучения Il по спектру импульсной ксеноновой лампы в диапазоне 200-300 нм; 3 – произведение Sl Il – бактерицидная эффективность

Механизмы дезинфекции импульсным УФ-излучением

1. Бактерицидное УФ-излучение.

УФ-излучение из бактерицидного диапазона 205–315 нм всегда производит бактерицидное действие, которое заключается в поглощении УФ-фотонов молекулами ДНК и РНК внутри клетки, разрывом связей в молекуле ДНК и образованием новых связей, в результате чего микроорганизм теряет способность к воспроизведению. Кривая эффективности бактерицидного воздействия УФ-излучения в зависимости от длины волны хорошо согласуется с кривой поглощения УФ-излучения молекулами ДНК. Максимум этой кривой находится в области 260 нм (рис. 2, кривая 1), поэтому излучение ртутных ламп низкого давления с длиной волны 254 нм обладает высокой бактерицидной эффективностью. Величина УФ-дозы, необходимой для десятикратного уменьшения числа микроорганизмов, зависит от их вида и для многих бактерий и вирусов лежит в области 2–20 мДж/см² [1].

2. Импульсный перегрев микроорганизмов.

Отличия воздействия импульсного излучения по сравнению с непрерывным были исследованы в США и Германии [5–7, 8, 9], в России [10, 11], Японии [12, 13], Канаде [14] и других странах. Импульсная технология была запатентована в 1984 году [12], а через 15 лет было доказано, что в процесс обеззараживания импульсным излучением основной вклад вносят УФ-фотоны [5, 6].

К настоящему времени установлено, что импульсное излучение обладает бактерицидным действием и что механизм его воздействия на микроорганизмы зависит от пиковой плотности мощности УФ-излучения, причем для каждого вида микроорганизмов существует свое значение пороговой пиковой мощности. Согласно полученным данным [5, 6], механизм дезинфекции импульсным излучением имеет две составляющие:

• воздействие бактерицидным УФ-излучением;
• разрушение микроорганизма в результате его перегрева при поглощении всего УФ-излучения.

При пиковой плотности мощности УФ-излучения ниже пороговой обеззараживание определяется УФ-излучением бактерицидного диапазона 205–315 нм.

При высоких плотностях импульсного излучения, когда суммарная плотность мощности УФ-излучения в спектральных диапазонах A, B, C (200–400 нм) выше пороговой, скорость подвода лучистой энергии превышает скорость сброса тепловой энергии микроорганизмом в окружающую среду и происходит перегрев микроорганизма, приводящий к его дезинтеграции [5, 6]. Экспериментально показано, что излучение в видимой области спектра не вносит существенного вклада в нагрев микроорганизмов. Для стабильной дезинтеграции большей части бактерий их необходимо нагреть до температуры более 130 °С. Пример такого воздействия представлен на рис. 3 (облучение спор A. Niger двумя импульсами с пиковой плотностью УФ-излучения 33 кВт/см² [5, 6]. Хорошо видна разорванная пустая оболочка). Перегрев зависит от свойств окружающей среды. Для воды мощность излучения должна быть выше, поскольку теплопередача от микроорганизма в воде выше, чем в воздухе. В опыте по дезинтеграции микроорганизмов на поверхности из воска наблюдалось оплавление поверхности – столь высоки плотности импульсной энергии [5, 6].

Кроме величины пиковой мощности необходимо обеспечить подвод энергии к «мишени», достаточной для ее нагрева. Если импульс излучения очень короткий, например, менее 1 мкс, то микроорганизмы просто не успеют нагреться. Другими словами, необходимо обеспечить и импульсную мощность излучения, и поглощенную дозу энергии для того, чтобы ее хватило для нагрева микроорганизма до высокой температуры. Еще раз отметим, что основной вклад в нагрев микроорганизмов дает УФ-излучение, а не видимый свет или инфракрасное излучение.

В ходе экспериментов обнаружено, что импульсного перегрева и разрушения микроорганизмов можно добиться и при использовании только мягкого УФ-излучения из областей А и В (280–400 нм), что позволяет обеспечить дезинфекцию без применения жесткого бактерицидного УФ-излучения из области С (200–280 нм).

Рисунок 3. Воздействие импульсного излучения на споры A.Niger. На фотографиях указан масштаб a – исходные споры; b – споры Aspergillus Niger после воздействия 2 импульсов УФ излучения с пиковой мощностью 33 кВт/см2. Видны углубления на поверхности подложки из полиэтилентерефталита, которые образовались в результате погружения разогретых спор импульсным излучением; с – одиночная спора Aspergillus Niger после воздействия 2 импульсов излучения с пиковой мощностью 33 кВт/см2. Вершина споры разорвана перегретой внутриклеточной жидкостью, которая вылетела из споры наружу. Вокруг споры образуется кратер из вылетевших остатков; d – спора после воздействия 5 импульсов излучения с пиковой мощностью 5 кВт/см2

Источники УФ-излучения

Многолетний опыт эксплуатации УФ-систем показал, что кроме условий работы оборудования в целом, существует ряд специфических требований, которые предъявляются к источникам УФ-излучения: высокая мощность и высокий КПД, длительный срок работы (более 12 тыс. ч) и спад излучения не более 20 % к концу гарантированного срока службы.

Кроме того, в последнее время выдвигаются жесткие требования отсутствия побочных продуктов в процессе эксплуатации бактерицидных установок и снижения опасности загрязнения помещений парами ртути в случае разгерметизации ламп.

Основными факторами, определяющими эффективность источников УФ-излучения для бактерицидной обработки, являются:

• бактерицидная эффективность;
• бактерицидный поток лампы;
• ресурс и падение бактерицидного потока к концу срока службы лампы;
• срок службы, компактность и стоимость блока питания (ПРА);
• безопасность и технологичность использования источника бактерицидного излучения.

Наибольшим бактерицидным эффектом обладает излучение из достаточно узкого спектрального интервала 205–315 нм, и эффективность источника излучения определяется тем, насколько близок спектр его излучения к максимуму бактерицидной чувствительности микроорганизмов.

Атом ртути, являющийся основным излучающим элементом бактерицидных газоразрядных ламп, имеет резонансный электронный переход с длиной волны излучения 253,7 нм, что близко к максимуму кривой бактерицидной чувствительности. В ртутных лампах низкого давления КПД преобразования вложенной в лампу электрической энергии в излучение на длине волны 253,7 нм достигает ~35–40 % [1], что составляет более 90 % всего излучения. В сочетании с простой конструкцией ПРА (электромагнитный дроссель и стартер) и сроком службы более 10 тыс. ч это привело к широкому распространению ртутных ламп низкого давления в качестве источника бактерицидного излучения.

Погонная мощность ртутных ламп низкого давления не превышает 0,5–1 Вт/см, что не всегда достаточно для оборудования с большой производительностью. Высокую мощность излучения и погонную электрическую мощность до 100 Вт/см имеют ртутные лампы высокого давления. Однако бактерицидная эффективность такого типа ламп в 2–3 раза ниже, чем у ртутных ламп низкого давления. Доля излучения в бактерицидном диапазоне длин волн составляет 15–17 % от вкладываемой электрической энергии, а соответствующая бактерицидная эффективность равна 8–12 %.

Существенным недостатком ртутных бактерицидных ламп, ограничивающим их применение, было высокое содержание металлической ртути в свободном состоянии. В ртутных лампах низкого давления количество свободной ртути колеблется в пределах от 3 до 10 мг на лампу, а в лампах высокого давления составляет сотни миллиграмм. Так как ПДК содержания ртути в атмосферном воздухе составляет 0,3 мкг/м³, то очевидно, что лампы с металлической ртутью в случае разрушения создают значительную экологическую опасность.

Практически все промышленно выпускаемые бактерицидные ртутные лампы высокого давления излучают линии с длиной волны менее 200 нм, что приводит к наработке высокотоксичного озона. Ртутные лампы низкого давления в основном изготавливают из боросиликатного стекла или специальных сортов кварца, которые не пропускают коротковолновое излучение и исключают наработку озона, что выгодно отличает их от озонообразующих ламп.

В последнее время достигнуты серьезные успехи в разработке нового поколения УФ-ламп низкого давления, в которых источником паров ртути является амальгама. Основная масса ртути находится в связанном состоянии (амальгаме), а в свободном только 0,03 мкг на лампу, поэтому давление паров ртути при температуре до 50 °С ниже ПДК и они не представляют опасности. Эти лампы существенно безопаснее, чем люминесцентные, повсеместно используемые для освещения. Амальгамные лампы имеют высокий КПД (35–40 %) преобразования электрической энергии в УФ-излучение с длиной волны 254 нм и благодаря троекратно повышенной интенсивности УФ-излучения по сравнению с ртутными бактерицидными лампами позволяют эффективно решать задачи обеззараживания воздуха и воды при больших расходах. Использование электронных компактных ПРА, работающих на частоте 40–50 кГц, позволило повысить КПД системы, увеличить срок службы лампы и варьировать электрическую мощность лампы в процессе ее работы. Только на таких лампах в настоящее время создаются все крупные станции обеззараживания, например, крупнейшая в мире станция обеззараживания питьевой воды с расходом 1,4 млн м³/сутки в Санкт-Петербурге, которая была разработана и построена российским производителем НПО «ЛИТ».

Источником импульсного УФ-излучения являются импульсные разряды в инертных газах и их смесях с галогенами (эксимерные смеси). В разработанном оборудовании используются импульсные ксеноновые лампы. Основным заявляемым преимуществом подобных ламп указывается большая пиковая мощность в импульсе, которая достигает 5–10 МВт при длительности импульса несколько сотен микросекунд. Первоначально ксеноновые лампы были разработаны для накачки твердотельных лазеров, а затем стали применяться и для обеззараживания. Спектральный состав излучения зависит от разрядного тока и схемы включения лампы (рис. 1). На диапазон длин волн 200–300 нм приходится 25–30 % всего излучения в диапазоне 100–1100 нм и 40 % на весь УФ-диапазон. Соответственно, бактерицидная эффективность составит 10–13 % от суммарного излучения лампы (рис. 2, кривая 3). Полученный результат согласуется с показателями ксеноновых ламп типа ИНП-7/120 и ИФП-8000 [1, 2]. С учетом потерь на пропускание колбы лампы и тепловых потерь бактерицидная эффективность составит ~10 % от вкладываемой в лампу электрической энергии. Следует отметить, что широкий спектр излучения импульсных ксеноновых ламп является скорее недостатком, чем преимуществом, т. к. его коротковолновая часть может приводить к нежелательному образованию озона, к побочным химическим реакциям и наработке вредных для человека соединений. Для предотвращения наработки озона коротковолновым излучением используют дополнительные защитные пленки или специальные сорта кварца, однако это значительно увеличивает стоимость ламп и уменьшает ресурс, поскольку из-за поглощения УФ-излучения стенкой увеличиваются импульсные термические напряжения во время вспышки.

Срок службы импульсных ксеноновых ламп определяется числом вспышек, которые может обеспечить лампа. Чем выше энергия импульса, тем меньше число срабатываний лампы, которое варьируется от 10³ до 10⁸ импульсов. Средняя мощность лампы регулируется изменением частоты следования импульсов. Для оборудования американской фирмы LightStream Technologies при максимальной производительности частота следования вспышек равна 30 Гц, при заявляемом числе вспышек 10⁸ получаем менее 1000 ч непрерывной работы лампы. При практическом применении импульсных ламп падение УФ-излучения к концу срока службы составляет 25–50 %.

Для зажигания импульсных ксеноновых ламп используют две основные электрические схемы. В обоих в качестве накопителя энергии используют импульсные конденсаторы. При зарядке конденсатора всегда происходят потери энергии. Применение мощной импульсной высоковольтной техники значительно увеличивает габариты и сложность источника питания для импульсных ламп и предъявляет повышенные требования к электробезопасности при работе с этим оборудованием.

Таким образом, импульсные источники УФ-излучения характеризуются высокой (до 10 МВт) мгновенной мощностью, бактерицидной эффективностью около 10 %, сроком службы около 1000 ч и громоздкими высоковольтными источником питания. Лампы с высокой удельной нагрузкой, такие как ртутные лампы высокого давления и импульсные ксеноновые лампы, требуют интенсивного теплоотвода, что делает конструкцию аппаратов на их основе более сложной по сравнению с оборудованием на основе ртутных ламп низкого давления.

Продолжение в следующем номере