В конце 7 0-х годов в ряде развитых стран Европы и Северной Америки были созданы программы по развитию альтернативных хлорированию технологий обеззараживания природных и сточных вод (например, Программа Агентства защиты окружающей среды США в 1976-1984 гг.) . В результате работы по этим программам, на основе серьезных достижений в области свето- и электротехники было создано оборудование по обеззараживанию природных и сточных вод ультрафиолетовым излучением, по своим технико-экс-плуата-ционным показателям приемлемое для станций большой производительности. В нашей стране также проводились аналогичные работы. Так, на Курьяновской станции аэрации в 1958-1959 гг. проводились экспериментальные работы по выявлению эффективности УФ-излучения. К сожалению, из-за недостаточного опыта была неправильно определена требуемая доза, и как следствие была достигнута невысокая эффективность обеззараживания около 60-80%. На основании этих результатов был сделан вывод о недостаточной эффективности УФ-излучения для обеззараживания сточных вод, что привело к приостановке работ, направленных на разработку установок УФ-обеззараживания сточных вод.
За рубежом ситуация складывалась более благоприятно. Количество внедренных систем УФ-облучения для обеззараживания сточных вод растет с каждым годом. В Руководстве по обеззараживанию сточных вод (США, 1996 г.) приведены данные, что в Северной Америке в 198 6 г. только 50 очистных сооружений использовали системы УФ-обеззараживания (большинство производительностью не более 158 м3/ч) , в 1990 г. уже было более 500 очистных сооружений (из них значительная часть производительностью более 1580 м3/ч), а к моменту издания руководства более 1000 сооружений использовали данный метод обеззараживания. Уже в 1998 г. сообщается, что в мире УФ-системы действуют более чем на 2000 очистных сооружениях очистки сточных вод. Общий расход обрабатываемых УФ-облучением сточных вод составляет более 1 млн. м3/ч. В 1998 г. сообщалось, что во Франции, начиная с 1994 г., УФ-обеззараживание внедрено на 30 станциях, в Великобритании внедрено более чем на 100 станциях. Применение УФ-облучения для обеззараживания не имеет ограничений по производительности сооружений - крупные УФ-станции имеют производительность более 30 тыс. м3/ч на сооружениях в Квебек (Канада) , г. Мине апполис (США).
Метод УФ-обеззараживания имеет следующие преимущества по отношению к окислительным обеззараживающим методам (хлорирование, озонирование):
- УФ-облучение летально для большинства водных бактерий, вирусов, спор и протозоа. Оно уничтожает возбудителей таких инфекционных болезней, как тиф, холера, дизентерия, вирусный гепатит, полиомиелит и др. Применение ультрафиолета позволяет добиться более эффективного обеззараживания, чем хлорирование, особенно в отношении вирусов;
- обеззараживание ультрафиолетом происходит за счет фотохимических реакций внутри микроорганизмов, поэтому на его эффективность изменение характеристик воды оказывает намного меньшее влияние, чем при обеззараживании химическими реагентами. В частности, на воздействие УФ-излучения на микроорганизмы не влияют рН и температура воды;
- в обработанной ультрафиолетовым излучением воде не обнаруживаются токсичные и мутагенные соединения, оказывающие негативное влияние на биоценоз водоемов;
- в отличие от окислительных технологий в случае передозировки отсутствуют отрицательные эффекты. Это позволяет значительно упростить контроль за процессом обеззараживания и не
проводить анализы на определение содержания в воде остаточной концентрации дезинфектанта;
- время обеззараживания при УФ-облучении составляет 1-10 с в проточном режиме, поэтому отсутствует необходимость в создании контактных емкостей;
- достижения последних лет в свето- и электротехнике позволяют обеспечить высокую степень надежности УФ-комплексов. Современные УФ-лампы и пускорегулирующая аппаратура к ним выпускаются серийно, имеют высокий эксплуатационный ресурс;
- для обеззараживания УФ-излучением характерны более низкие, чем при хлорировании и тем более озонировании, эксплуатационные расходы. Это связано со сравнительно небольшими затратами электроэнергии (в 3-5 раз меньшими, чем при озонировании) и отсутствием потребности в дорогостоящих реагентах (жидком хлоре, гипохлорите натрия или кальция), а также в отсутствии необходимости в реагентах для дехлорирования;
- отсутствует необходимость создания складов токсичных хлорсодержащих реагентов, требующих соблюдения специальных мер технической и экологической безопасности, что повышает надежность систем водоснабжения и канализации в целом;
- УФ-оборудование компактно, требует минимальных площадей, его внедрение возможно в действующие технологические процессы очистных сооружений без их остановки, с минимальными объемами строительно-монтажных работ.
Факторы, влияющие на эффективность обеззараживания УФ-излучением
НПО «ЛИТ» занимается разработкой, производством и внедрением УФ-оборудования для обеззараживания сточных вод, начиная с 80-х годов. Накопленный опыт показал, что при попытке адаптирования зарубежного опыта к условиям нашей страны возникает ряд проблем. В первую очередь это связанно с более строгими требованиями российских нормативов на микробиологические показатели сбрасываемых в водоемы сточных вод (табл. 23) .
Таблица 23
Норматив
Регион
Содержание колиформ в 1 л воды
ВОЗ
О бщий
1 000-10 000 фекальных
EC Bathing Water Directive
Европа
5 000-10 000 общих
ЕРА
США
2 000 фекальных
СанПиН 4630-88
Россия
1 000 общих
Эти и другие сложности побудили нас вести независимые широкомасштабные научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по определению и разработки основных принципов применения УФ-метода для обеззараживания сточных вод. В ходе этих работ кроме лабораторных проводились полевые исследования и опытно-промышленные испытания. Специалистами НПО «ЛИТ» проведено более 70 технологических обследований объектов по всей территории России, проведено около десятка долгосрочных опытно-промышленных испытаний, подготовлено более 50 проектных решений и накоплен большой опыт многолетней эксплуатации реальных комплексов УФ-оборудования на различных очистных сооружениях.
Проведенные нами работы позволили выявить основные факторы, влияющие на эффективность метода УФ-обеззараживания.
Известно, что бактерицидное действие УФ-излучения немонотонно зависит от длины волны и имеет максимум в области 250-260 нм. Наиболее оптимальными источниками излучения являются ртутные лампы низкого давления, излучающие на длине 253,7 нм. Кроме длины волны важной характеристикой является доза облучения - D [мДж/см2] , которая определяет степень обеззараживания в процессе облучения. Для лабораторных культур наблюдается строгая убывающая экспоненциальная зависимость выживших микроорганизмов от дозы облучения. Однако непосредственные измерения, проведенные на реальных сточных водах, показали, что наблюдается отличие от экспоненциального закона убывания числа микроорганизмов. Было обнаружено, что, начиная с некоторой пороговой концентрации, снижение числа микроорганизмов прекращается. Значение остаточной концентрации выходит на «плато». Характеристика, отражающая зависимость уменьшения концентрации микроорганизмов от дозы облучения, называется кривой обеззараживания.
Значение концентрации микроорганизмов на «плато» определяется предшествовавшей обеззараживанию технологии очистки стоков. Кривые обеззараживания, полученные для стоков на ОСК г. Тольятти и на Зеленоградской станции аэрации, показаны на рис. 99. Эти кривые отражают экспериментальную зависимость для сточных вод, прошедших соответственно очистку и доочистку.
«Плато» кривой обеззараживания достигается обычно при дозах облучения 2 0-30 мДж/см2.