Zastosowanie lamp UV w technologii dezynfekcji i oczyszczania wody pitnej
Ujmowane wody powierzchniowe oraz płytkie wody podziemne zwykle są skażone mikrobiologicznie. Często obecne są w nich organizmy patogenne wykazujące bardzo zróżnicowaną odporność na dezynfekcję.
Stale prawdopodobne jest zagrożenie epidemią, więc pracownicy wodociągów muszą mieć ten problem na uwadze. Zgodnie z obowiązującymi przepisami, woda przeznaczona do spożycia przez ludzi w miejscu jej poboru przez użytkowników musi spełniać wymagania bakteriologiczne. Aby temu sprostać, woda musi być poddawana procesowi dezynfekcji, który jest ostatnim procesem układu technologicznego oczyszczania wody. Celem procesu dezynfekcji jest przede wszystkim zniszczenie wszystkich żywych i przetrwalnikowych form organizmów patogennych. Poza tym, ważnym jest również zapobieżenie ich wtórnemu rozwojowi w systemie dystrybucji wody.
Skuteczna dezynfekcja wody musi spełniać następujące wymagania:
- w możliwie najkrótszym czasie kontaktu wody z dezynfektantem powinny zostać zniszczone lub zdezynfekowane mikroorganizmy patogenne obecne w wodzie, a jakość mikrobiologiczna wody powinna odpowiadać stawianym jej wymogom,
- stężenie ubocznych produktów dezynfekcji powinno być mniejsze od wartości dopuszczalnej,
- woda nie powinna wykazywać obcego smaku i zapachu,
- w wodzie wprowadzonej do sieci wodociągowej powinien znajdować się dezynfektant pozostały w stężeniu gwarantującym bezpieczeństwo sanitarne odbiorcom dostarczanej wody,
- stosowany sposób dezynfekcji powinien być bezpieczny i wygodny w użyciu, a koszty inwestycyjne i eksploatacyjne dezynfekcji akceptowalne.
Niewystarczający sposób dezynfekcji lub jej brak jest przyczyną wielu chorób wodopochodnych.
Poza chemicznymi metodami dezynfekcji wody, które polegają na dawkowaniu do niej silnych utleniaczy (takich jak chlor, dwutlenek chloru, podchloryn sodu, chloraminy, ozon, brom i jod), często w technologii oczyszczania wody stosuje się metody fizyczne. Wśród fizycznych metod dezynfekcji wody, bardzo obiecującym jest zastosowanie promieniowania ultrafioletowego (UV). Po raz pierwszy, w 1877 roku bakteriobójcze właściwości promieniowania UV zostały stwierdzone przez Downes’a i Blunt’a. Już w 1910 roku wykorzystano je do dezynfekcji wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi. W następnych kilkudziesięciu latach metodę tę coraz szerzej stosowano w krajach Europy Zachodniej i w Stanach Zjednoczonych. Aktualnie w Holandii ponad 95% zakładów oczyszczania wody dezynfekuje wodę za pomocą naświetlania UV bez stosowania chlorowania. Na terenie Niemiec dezynfekcja wody przeznaczonej do spożycia oraz na cele gospodarcze za pomocą promieniowania UV prowadzona jest w 35 zakładach wodociągowych o wydajności 3 – 500 m3/h. Procesowi dezynfekcji poddawana jest tam woda ujmowana bezpośrednio ze studni albo woda po procesie napowietrzania i filtracji lub koagulacji solami glinu i filtracji. Obecnie w Polsce wprowadza się z roku na rok tę metodę coraz częściej do dezynfekcji w małych gminnych, średnich i zasilających całe miasta.
Do zalet tej metody można zaliczyć:
- brak wprowadzania do wody chemikaliów,
- brak zmian smaku i zapachu wody,
- eliminacja niebezpieczeństwa przedawkowania środków dezynfekujących,
- eliminacja powstawania ubocznych produktów dezynfekcji,
- brak zmiany składu fizyczno-chemicznego wody.
W związku z tym, że działanie dezynfekujące występuje tylko w czasie naświetlania wody promieniami UV, konieczne jest dawkowanie dezynfektantów chemicznych, ale w ilościach dużo mniejszych niż w przypadku stosowania tylko dezynfekcji metodą chemiczną. Przyjmuje się, że naświetlanie wody lampami UV można stosować do dezynfekcji końcowej w wodociągach o niewielkiej i dobrze utrzymanej sieci dystrybucji wody.
Światło ultrafioletowe jest promieniowaniem elektromagnetycznym o długości fali od 100 do 400 µm. Dzieli się je na trzy zakresy: UV-A, UV-B i UV-C. Przedział UV-C, obejmujący zakres o długości fali od 200 do 280 µm, jest odpowiedzialny za bakteriobójcze działanie promieniowania ultrafioletowego. Przy długości fali 253,7 nm stwierdza się maksymalną efektywność dezynfekcji.
Składnikami komórki bakteryjnej, które silnie pochłaniają promienie ultrafioletowe są zasady purynowe i pirymidynowe oraz zawarte w białkach aminokwasy aromatyczne. Poza właściwościami bakteriobójczymi, promieniowanie ultrafioletowe wykazuje również zdolności do wywoływania mutacji. Związane jest to ze zmianami zachodzącymi w strukturze ważnych dla funkcjonowania komórki kwasów nukleinowych, głównie w kwasie dezoksyrybonukleinowym (DNA). Zmiany w obrębie DNA wywoływane na skutek działania promieni UV są różnorodne. Między innymi powstają dimery tyminy, cytozyny i mieszane dimery cytozynowo-tyminowe. Sama zaś cytozyna ulega hydratacji. Zatem efekt biobójczy jest głównie związany z powstawaniem dimerów tyminy między sąsiadującymi w tej samej nici DNA resztami tyminowymi. Taka zmiana całkowicie zmienia normalną replikację DNA i prowadzi do śmierci komórki.
Skuteczność promieniowania UV zależy od rodzaju mikroorganizmów, a konkretnie od ich odporności na penetrację energii UV do wnętrza komórki. Dzięki tej metodzie skutecznie niszczone są drobnoustroje. Według Ellisa, następująco można zestawić względną wrażliwość różnych grup bakterii na działanie promieni UV:
Salmonella sp. > Shigella sp. > Escherichia coli > Streptococcaceae > Bacterium prodigiosum, Pseudomonas fluorescens > Bacillus subtilis >>> spory Bacillus subtilis
W podobnym stopniu jak bakterie, wirusy są wrażliwe na działanie promieniu UV.
Bardzo istotnym dla prawidłowego przebiegu procesu dezynfekcji jest ustalenie odpowiedniej dawki promieniowania UV [mJ/cm2] będącej iloczynem natężenia promieniowania E [mW/cm2] oraz czasu naświetlania t [s]. Czas naświetlania jest zwykle krótszy od 1 minuty. Dawki promieniowania UV-C wymagane do uzyskania 90% zniszczenia różnych mikroorganizmów są następujące:
- bakterie: 1 – 20 mJ/cm2,
- drożdże: 2- 100 mJ/cm2,
- grzyby: 5 - 150 mJ/cm2,
- pierwotniaki: 60 – 100 mJ/cm2,
- glony: 300 - 600 mJ/cm2.
Według światowej organizacji WHO, 99% dezaktywacji różnego rodzaju bakterii, wirusów, pierwotniaków Giardia oraz Cryptosporidium zapewniają dawki wynoszące odpowiednio: 7, 59, 5 oraz 10 mJ/cm2. Zwykle do dezynfekcji wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi stosuje się dawki w zakresie 25 - 40 mJ/cm2.
W badaniach dotyczących bakteriologicznych skutków działania promieni ultrafioletowych wykazano, że zastosowanie tych promieni w dawkach niższych niż śmiertelne może działać stymulująco lub bakteriostatycznie. Naświetlone w ten sposób bakterie mogą uruchomić mechanizmy naprawiające uszkodzenia DNA. Zatem natężenie tych procesów zależy nie tylko od dawki promieniowania, ale także od stanu fizjologicznego i warunków bytowych bakterii zaraz po naświetlaniu. Dimery tyminy mogą być rozbijane w procesie fotoreaktywacji. Wówczas powstaje specjalny enzym zdolny do wycinania z łańcucha polinukleotydowego dimerów tyminy. Według danych literaturowych, dawki promieniowania UV do 130 mJ/cm2 nie powodują transformacji niebiodegradowalnych związków organicznych do ich form biodegradowalnych, a dawki do 200 mJ/cm2 nie zwiększają stężenia biologicznie przyswajalnego fosforu. Powyższe fakty mają duże znaczenie praktyczne, ponieważ eliminują niebezpieczeństwo wzrostu stężenia substancji pokarmowych dla mikroorganizmów w wodzie dezynfekowanej dawkami promieniowania UV, nawet jeśli są większe niż zalecane do dezynfekcji wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi.
Naświetlana woda powinna być pozbawiona cząstek koloidalnych i zawieszonych (niska barwa wody < 5 mg Pt/dm3, niska mętność wody < 1 NTU), które mogą adsorbować pewne ilości promieni UV, a tym samym zmniejszając efektywność procesu dezynfekcji. Poza tym, woda nie powinna zawierać związków żelaza, biodegradowalnego węgla organicznego, amoniaku, azotanów (III) i związków siarki (na stopniu utlenienia -II), czyli tych wszystkich związków, które mogą powodować niestabilność biologiczną wody.
Warunkiem koniecznym do stosowania tego typu dezynfekcji jest możliwość posiadania odpowiedniej geometrii komory kontaktowej tak, aby naświetlana warstwa wody nie była grubsza niż kilka centymetrów. Poza tym, ważnym jest również posiadanie urządzeń monitorujących czystość lamp i długość czasu naświetlania.
W skali technicznej, do emitowania promieniowania UV stosowane są wyłącznie gazowe lampy wyładowcze. Są one wykonane ze szkła kwarcowego. Najczęściej zawierają parę rtęci, która w stanie wzbudzonym emituje promieniowanie o określonej długości. Ze względu na ciśnienie pary rtęci wyróżnić można różne rodzaje lamp, m. in.: lampy niskociśnieniowe (LP), niskociśnieniowe wysokowydajne (LP-HP) amalgamatowe, średniociśnieniowe (MP) oraz multifalowe (MW). Największą emisję promieniowania UV-C (ok. 45%) zapewniają niskociśnieniowe wysokowydajne lampy amalgamatowe. Charakteryzują się one również największą trwałością (12 000 godzin pracy). Lampy niskociśnieniowe emitują tylko promieniowanie w zakresie UV-C, przy czym prawie 100% promieniowania jest emitowane w paśmie 254 nm. Odznaczają się również mniejszą trwałością (do 9 000 godz.). Poza tym ich mała moc (30 – 150 W) ogranicza ich wykorzystanie i wymaga stosowania tzw. wielolampowych systemów kompaktowych dla przepływów powyżej kilkudziesięciu m3/h. Ich stosowanie jest zalecane dla wydajności do 120 m3/h (max 150 m3/h). Najskuteczniejsze, pod względem dezynfekcyjnym, są lampy średniociśnieniowe. Emitują one promieniowanie w całym zakresie UV, w większości poza zakresem skuteczności. Pozwalają one na uzyskanie dużych mocy (2000 – 4000 W), ale charakteryzują się niską emisją UV-C (przetwarzają tylko ok. 8% pobieranej mocy) i maksymalnym czasem pracy równym ok. 6 000 godzin. Temperatura powierzchni lamp niskociśnieniowych wynosi ok. 600 – 900 °C, podczas gdy lamp niskociśnieniowych wynosi ok. 40 °C. Stosowanie tego typu lamp jest uzasadnione w przypadku natężenia przepływu dezynfekowanej wody w granicach 120 m3/h – kilku tysięcy m3/h. Promienie UV przenikają tylko przez kilka cm warstwy wody, a natężenie promieniowania zmniejsza się wraz z odległością od lampy. Aby zapewnić dobre efekty działania tego typu lamp UV należy zapewnić znaczną turbulencję przepływającej wody.
Lampy multifalowe charakteryzują się dużą mocą i większą energią UV, dzięki czemu zapewniają pełną dezaktywację mikroorganizmów i zapobiegają występowaniu zjawiska fotoreaktywacji. Jest to zjawisko polegające na zdolności do samoczynnej odbudowy zniszczeń spowodowanych działaniem światła monochromatycznego UV 254 nm na strukturę DNA. Aby trwale unieszkodliwić każdy z mikroorganizmów wymagana jest pewna ilość energii UV, która przewyższa jego naturalną barierę immunologiczną. Moc energetyczna takich lamp pokonuje tę barierę i gwarantuje skuteczną dezaktywację. Uznaje się, że lampy multifalowe stanowią najnowsze osiągnięcia w technice UV.
Dostarczyliśmy i wykonaliśmy montaż systemu dezynfekcji wody na wodociągach Wadowice nominalna wydajność lampy 550 m3/h x 2 szt przy zachowaniu 2000 J/m2 |
W Stanach Zjednoczonych stosuje się inne rozwiązanie techniczne. Są nim rury teflonowe, przez które przepływa woda naświetlana niskociśnieniowymi lampami kwarcowymi zapewniającymi promieniowanie o długości fali 253,7 nm.
Do dezynfekcji wody promieniowaniem UV stosuje się wyłącznie urządzenia zamknięte z lampami zanurzonymi w cieczy. Są one chronione specjalnymi kwarcowymi rurami osłonowymi przepuszczającymi promieniowanie UV, zabezpieczającymi przed wpływem ciśnienia i zapewniającymi szczelność połączeń elektrycznych. W trakcie eksploatacji często następuje zanieczyszczenie osłonowych rur kwarcowych promienników powodujące zmniejszenie natężenia promieniowania UV. Lampy UV powinny pracować bez przerwy, a wytrącające się na lampach osady muszą być systematycznie usuwane. Ze względu na różnice temperatury powierzchni lamp nisko- i średniociśnieniowych oraz związane z tym różnice temperatury powierzchni kwarcowych rur osłonowych, zanieczyszczenie powierzchni tych ostatnich osadami mineralnymi zachodzi wolniej w przypadku lamp niskociśnieniowych.