Використання ультрафіолетового випромінювання для бактерицидного знезараження води, повітря та поверхонь

Размещено на http://www.allbest.ru/

Полтавський університет економіки і торгівлі

Використання ультрафіолетового випромінювання для бактерицидного знезараження води, повітря та поверхонь

доц. А.О. Семенов

к. ф.-м. н., проф. Г.М. Кожушко

д. т. н. Н.В. Семенова

Постановка проблеми. В світовій практиці визнано, що ультрафіолетове (УФ) бактерицидне випромінювання є дієвим профілактичним санітарно-епідемічним засобом, яке подавляє життєздатність мікроорганізмів в повітряному, водному середовищах та на доступних для опромінення поверхнях предметів [1, 2].

Метод ультрафіолетового знезараження відноситься до числа фізичних, безреагентних методів. Він позбавлений головних недоліків хімічних методів дезинфекції: неминучого залишкового вмісту реагентів, неможливості безперервного використання реагентів для обробки приміщень, об'єктів, обладнання в присутності людей. УФ метод не викликає залишкових ефектів при знезаражуванні повітря та води, не призводить до створення шкідливих та потенційно-небезпечних речовин, не змінює органолептичних властивостей (запаху, смаку). У випадках передозування - також не виникають негативні ефекти. Він дозволяє знищувати віруси та гриби на які не діють традиційні хімічні методи, зокрема, хлорування.

Антимікробна дія УФ випромінювання проявляється в деструктивно-модифікуючих пошкодженнях ДНК в клітковому ядрі мікроорганізмів, що приводить до загибелі мікробної клітини в першому або наступних поколіннях.

Метою даної роботи є привернення уваги спеціалістів, зокрема спеціалістів різних галузей промисловості, до сучасних методів УФ дезинфекції з метою забезпечення бактеріологічної безпеки населення та довкілля.

Виклад основного матеріалу досліджень. Бактерицидні опромінювані для знезараження повітря (поверхонь) поділяються на три групи - відкриті (настінні, підлогові та стельові), закриті та комбіновані.

У відкритих опромінювачах прямий бактерицидний потік охоплює широку зону в просторі аж до тілесного кута 4р. У відкритих комбінованих опромінювачах є поворотний екран (відбивач), який направляє потік випромінювання в потрібну зону простору. Знезараження здійснюється прямим та відбитим УФ випромінюванням. Опромінювальні установки відкритого типу можна використовувати тільки у відсутності людей або при їх короткочасному перебуванні. У закритих опромінювачах (рециркуляторах), лампи розташовуються в невеликому замкнутому корпусі опромінювача і бактерицидний потік не має виходу на зовні, тому опромінювачі можуть застосовуватися, у випадках коли в приміщенні перебувають люди. Енергія бактерицидного потоку дезактивує більшість вірусів і бактерій, що потрапляють у внутрішній блок разом з повітряним потоком. Закриті опромінювані (рециркулятори) призначені для знезараження повітря виробничих приміщень, приміщень громадського харчування, торгівлі та інш. де потрібно підтримувати чистоту повітря. Принцип роботи рециркулятора зводиться до наступного: повітря із навколишнього середовища всмоктується через вхідний вентиляційний отвір, знезаражується при проходженні через опомінювальну камеру, де встановлені бактерицидні лампи і виходить через вихідний отвір. Рух повітря через камеру забезпечується вентилятором. Рециркулятори можуть експлуатуватись в присутності людей. Їх продуктивність може складатися від десятків до сотень метрів кубічних за год. Продуктивність визначається мінімальною антимікробною дозою ультрафіолету.

На основі досвіду проектування та експлуатації рециркулятивних установок нами визначено, що сумарний бактерицидний потік потужністю 1Вт забезпечує бактеріальне знезараження повітря з продуктивністю 8-15 м³/год. Наприклад установка з ртутною бактерицидною лампою низького тиску потужністю 60Вт (ДРБ-60) забезпечить продуктивність знезараження повітря не менше 48 м³/год.

Промисловістю різних країн випускається широкий асортимент ультрафіолетових ламп для установок фотофізичної, фотобіологічної та фотохімічної дії. Найбільш поширеного використання в Україні набули бактерицидні розрядні лампи низького тиску (РЛНТ) в кварцевому або увіолевому склі у яких більше 60% випромінювання приходиться на лінію л=253,4 нм. Їх ефективність досягає 30-35% від споживаної електроенергії. Електрична потужність цих ламп знаходиться в межах 4-300 Вт.

Також як бактерицидні лампи використовуються і ртутні лампи високого тиску (РЛВТ). Ефективність цих ламп значно нижче, ніж у РЛНТ - 8-12%, але вони мають значно більший діапазон потужностей 100ч12000 Вт і менші розміри.

Проведені нами дослідження різних типів ультрафіолетових ламп показали, що променевий потік бактерицидних ламп низького тиску потужністю 8-60 Вт в колбах з увіолевого скла (після 100 год роботи лампи) складає величину 0,2ч0,22 електричної потужності цих ламп. Променевий потік бактерицидних ламп низького тиску потужністю 8-60 Вт в колбах із кварцевого скла (після 100 год роботи ламп) складає величину 0,28-0,34 електричної потужності ламп. А зниження променевого потоку в процесі роботи для ламп з увіолевою колбою становить приблизно 13ч15% на 1000 год, а для ламп з кварцевою колбою - 10ч12% на 1000 год.

Основні технічні параметри деяких ртутних бактерицидних ламп низького та високого тиску приведені в таблиці 1.

Таблиця 1. Основні технічні параметри деяких ртутних бактерицидних ламп низького та високого тиску

* - потік випромінювання в спектральній області 240-320 нм.

Зниження променевого потоку для ламп високого тиску складає 15ч25% за 1000 год роботи. Стабільність променевого потоку, в основному залежить від прозорості кварцу в УФ області спектру і мало залежить від конструктивних особливостей ламп.

При зниженні напруги живлення (для ламп низького і високого тиску) має місце зниження променевого потоку (на 10% зниження напруги, а променевий потік на 15%).

В результаті зменшення прозорості матеріалу колби, зміни теплового режиму, зменшення напруги живлення, забруднення колб та інших факторів променевий потік опромінювальних установок може знижуватись значно нижче нормованих рівнів, тому для забезпечення ефективного функціонування опромінювальних установок потрібний періодичний контроль їх параметрів, що пропонується в методиці контролю потоку випромінювання бактерицидних ламп під час їх експлуатації [3].

Колективом вчених науково-технічного центу Полтавського університету економіки і торгівлі (ПУЕТ) розроблена технологія і серія опромінювачів бактерицидного знезараження повітря (рис. 1). Продуктивність знезараження 80-250 м³/год при потужності - 35 -100 Вт.

Рис. 1. Установка бактерицидного знезараження повітря рекуперативного типу УБЗПР: 1 - світильник; 2 - бактерицидна лампа; 3 - камера опромінювання; 4 - екран; 5 - вентилятор

Запропонований пристрій бактерицидного знезараження повітря (рис.1) містить циліндричний корпус із вхідним і вихідним отворами, в якому встановлений вентилятор. Утворена таким чином камера опромінювання повітря на вході і виході комплектується екранами, виконаними у вигляді жалюзів, які екранують приміщення від ультрафіолетових променів, при цьому суттєво не збільшують опір повітря. В камері опромінювання вісесиметрично розміщено джерело ультрафіолетового випромінювання - «безозонова» ртутна лампа низького тиску. Внутрішня стінка камери і екрани покриті плівкою з високим коефіцієнтом відбивання не менше 0,95, що дає можливість підвищити коефіцієнт використання бактерицидного потоку за рахунок багаторазових відбивань.

У відомих конструкціях установок продуктивність і розміри опромінювальної камери розраховуються по стандартним методикам [4] з використанням експериментально визначених об'ємних доз для інактивації різних видів мікроорганізмів . Недоліком такого підходу є те, що об'ємна доза залежить від геометрії камери і ступеня однорідності потоків повітря в процесі опромінення. В даному випадку шари повітря, які знаходяться ближче до УФ-лампи-опромінювача будуть отримувати «надлишкову» дозу, а шари повітря, що знаходяться біля стінок камери - недоотримають необхідної дози (при достатньому середньому значенні ). Даний недолік пропонується ліквідувати шляхом використання при розрахунках поверхневої бактерицидної експозиції , яка не залежить від геометричних розмірів камери, а є функцією виду мікроорганізму та ступеню його інактивації. Розміри камери установки (діаметр та довжина) пропонується вибирати із умов, при яких мінімальна опроміненість для найменш опромінювальних ділянок камери була б достатньою для створення поверхневої дози , необхідної для інактивації мікроорганізмів. Інші ділянки будуть отримувати «надлишкове» опромінення, що тільки підвищує надійність бактерицидного знезараження.

Продуктивність установки визначається із виразу:

(1)

де - довжина розрядного стовпа бактерицидної лампи; - опроміненість на циліндричній поверхні радіусом (радіус опромінювальної порожнини); - радіус джерела випромінювання.

Енергетична освітленість зовнішньої поверхні лампи визначалася експериментально за допомогою УФ радіометра «Тензор-31» за методикою [5].

На основі запропонованого технічного рішення розроблена технологія, яка використовується підприємствами України. Пропускна здатність установок бактерицидного знезараження повітря забезпечується конструктивними особливостями під час проектування, враховуючи концентрацію та вид шкідливих мікроорганізмів бажаний ступінь знезараження і визначається теоретично-дослідним шляхом за результатами мікробіологічного аналізу.

УФ випромінення сьогодні також широко використовується в установках підготовки питної води та знезараження стічних вод. Суттєвим моментом в сучасному підході до УФ знезараження води є переважне впровадження УФ-опромінювачів на підприємствах постачання води, що подається до споживачів по трубопровідним системам. Споживачі такої води, не гарантовані від попадання в неї (під час забору та транспортування до споживача) патогенних мікроорганізмів спричинене незадовільним станом існуючих водопровідних систем. Вода часто стає джерелом і розповсюджувачем хвороботворних мікроорганізмів. Тому знезараження води має проводитись не тільки в процесі водопідготовки (на підприємствах водозабезпечення), але й - безпосередньо у споживачів - у медичних та дитячих навчальних закладах, на підприємствах харчової промисловості, в санаторіях, кафе, ресторанах та інших об'єктах, де через заражену воду можуть інфікуватися люди. Одним з шляхів вирішення бактерицидної безпеки населення, на наш погляд, є широке впровадження УФ опромінювачів для знезараження води безпосередньо перед використанням.

В цій роботі наводяться результати розробки технології та установки бактерицидного знезараження води УФ випроміненням [6], які призначаються для використання безпосередньо споживачами питної води.

За останні два десятиліття технологія знезараження води УФ випроміненням набула популярності в багатьох країнах світу [2]. Досвід використання подібних установок в Німеччині, Великобританії, Австрії, Росії та інших країнах показав позитивні сторони променевих технологій:

- не утворюються побічні небажані речовини та не змінюються хімічний склад корисних (мінеральних та інших) домішок і не змінюються органолептичні властивості води;

- спосіб і процес відрізняються надійністю, простотою, низькою енергоємністю та собівартістю. Установки компактні, не займають великих площ, прості у використанні та обслуговуванні. На основі аналізу досвіду конструювання установок бактерицидного знезаражування питної води з використанням УФ випромінення найбільш ефективною конструкцією можна визнати установку проточного типу, в якій лампа розташовується по осі циліндричної опромінювальної камери. В разі такого конструктивного рішення майже весь потік УФ випромінення проходить через шар води і дезинфеція (знешкодження 99,9% мікробіологічних об'єктів які перебувають у воді) може забезпечуватися мінімальною силою випромінення На ефективність знезараження води впливають як хімічний склад води (наявність домішок, які осідають на зовнішній колбі лампи та ін.), так і параметри конструкції установки (геометричні розміри, та величина променевого потоку, товщина шару води, швидкість її протікання та ін.). Наприклад, наявність у воді частинок нерозчинних органічних та неорганічних речовин знижує її прозорість для УФ випромінення, тому що ці частинки можуть в деякій мірі поглинати УФ випромінення та екранувати мікроорганізми від нього.

Розрахунок опромінювальної установки зводиться до визначення такої зони опромінювального простору, яка піддається мінімальній бактерицидній опроміненості [7]. Необхідна доза (Вт·см²) досягається варіацією (Вт·м²) або часу (с):

(2)

Ефективний час (с) перебування води в установці визначається формулою:

(3)

де - об'єм опромінювальної порожнини установки, м³; - об'єм зануреної частини зовнішньої колби лампи, м³; - продуктивність установки, м³·год^-1.

Для установок знезараження води такої конструкції нами розроблена серія одноцокольних занурювальних ламп на базі розрядних ламп низького тиску потужністю від 8 до 60 Вт в яких кварцову розрядну трубку поміщено в зовнішню кварцову колбу, один кінець якої герметизовано.

Враховуємо той факт, що провідні мікробіологи наукових центрів Америки, Європи та Азії за останні десятиліття підтверджують в своїх працях підвищення стійкості патогенної мікрофлори до дії озону та УФ опромінення в декілька разів (до УФ опромінення приблизно в 4 рази).

Нами в розрахунках використовувались значення мінімальної експозиції, що більш, ніж в 5 разів перевищує наведені нормативи [8]. В економічно розвинутих країнах мінімальна експозиція опромінення становить 40 мДж·см^-2, а в разі проектування станцій знезараження води встановлюється експозиція 70ч100 мДж·см^-2. Для врахування природного спаду променевого потоку лампи протягом терміну служби (~35% до 4000 год горіння) застосовується коефіцієнт запасу 0,65:

. (4)

Діаметр камери вибирався з урахуванням даних [9], де рекомендується, щоб у разі використання ртутних розрядних ламп низького тиску діаметр опромінювальної порожнини не перебільшував 100 мм. Довжина опромінювальної порожнини визначалася довжиною занурювальної частини зовнішньої колби.

На основі запропонованого технічного рішення розроблена серія установок бактерицидного знезараження питної води, які успішно використовуються рядом підприємств України. Пропускна здатність установок залежить від тиску подання води і може бути від 1000 до 5000 літрів за годину. Реальна продуктивність знезараження залежить від концентрації та виду шкідливих мікроорганізмів, бажаного ступеню знезараження та швидкості пропускання води і може бути визначена дослідним шляхом за результатами мікробіологічного аналізу води. Як показали виконані нами розрахунки, собівартість знезараження води за такої технології не перевищує 0,2 грн. за м³.

Висновки:

1. Ультрафіолетове випромінювання сьогодні знаходить досить широке використання в різних сферах діяльності людей - в медицині, в фармацевтичній, харчовій, текстильній, деревообробній, хімічній, поліграфічній промисловостях, агропромисловому комплексі, в системах водопідготовки та водовідведення та ін. Ультрафіолетове бактерицидне випромінювання є дійовим санітарно-протиепідемологічним засобом, направленим на придушення життєдіяльності мікроорганізмів в повітряному, водному середовищі та на поверхні предметів.

2. Основні переваги технологічного процесу УФ знезараження води перед іншими технологіями:

- безреагентний і безконтактний метод який, на протязі короткого часу забезпечує знешкодження патогенних мікроорганізмів, в тому числі - хвороботворних бактерій, вірусів, грибків, водорослів та плісені;

- метод УФ стерилізації води не змінює її фізичних, хімічних і смакових властивостей, не створює на відміну від дезинфекції води хлоруванням хімічних радикалів шкідливих для здоров'я людини;

- менш енергоємний і дешевий, ніж метод озонування води, не потребує контролю за вмістом в воді низькомолекулярних та інших продуктів озонування.

3. Фінішне знезараження води УФ опроміненням може використовуватись безпосередньо на об'єктах споживання води - закладах громадського харчування, школах, лікарнях та ін.

Література

ультрафіолетовий знезараження бактерицидний лампа

1. Мейер А., Зейтц Э. Ультрафиолетовое излучение. М., ИЛ, 1952- 424 с.

2. Бутилированая вода: типы, состав, нормативы/ под ред. Д. Сениор, Н. Деге; пер. с анг. Е. Боровиковой, Т. Зверевич. - СПб: Профессия, 2006 - 424 с.

3. Белявский М.П., Вассерман А.Л., Рубинштейн П.В. Методика контроля потока излучения бактерицидных ламп в процессе их эксплуатации // Светотехника. - 2001. - № 1. - С. 6-8.

4. Вассерман А.Л. Ультрафиолетовые бактерицидные установки для обеззараживания воздушной среды помещений. - М.: Изд-во дом света, 1999, выпуск 8(20).

5. Методика виконання вимірювань параметрів ультрафіолетового випромінювання. МВУ 11-038-2007, від 1 квітня 2007 р.

6. Кожушко Г.М., Семенов А.О., Берлінова Л.В. Патент України на корисну модель № 71953 «Установка бактерицидного знезараження питної води» від 25.07.2012 р.

7. Сарычев Г.С. К расчету бактерицидных установок / Светотехника. - 2005. - № 1. - С. 62-63.

8. Матвеев А.Б., Лебедкова С.М., Петров В.И. Электрические облучательные установки фотобиологического действия. Под ред. д.т.н. С.П. Решенова - М.: МЭИ, 1989.

9. Masschel I., Debacker E., Chebakbak S. Stude sur modele dela disinfection de lean par rayconement ultraviolet. // Rev.sci.can. 1980, - № 2. - p. 29-41.

Размещено на Allbest.ru