Ультрафиолетовое излучение и Ультрафиолетовое обеззараживание воды.⁠⁠

Ультрафиолетовое излучение – это не видимое глазом электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между видимым и рентгеновским излучениями в пределах длин волн 400—100 нм.

Ниже 100 нм – зона рентгеновского излучения.

Свыше 400 нм – зона видимого излучения.

Вся область УФ-излучения условно делится на 4 зоны:

длинноволновый диапазон (320–400 нм) или спектр ультрафиолета А

средневолновый диапазон (280–320 нм) или спектр ультрафиолета В

коротковолновый диапазон (180–280 нм) или спектр ультрафиолета С

вакуумный (100–180 нм).

УФ-излучение обладает энергией, достаточной для воздействия на химические связи, в том числе и в живых клетках, по способу воздействия на живые организмы УФ-излучение подразделяют на:

- Слабое биологическое воздействие обладают УФ-лучи в диапазоне 400-320 нм (длинноволновой диапазон)

- Противорахитичным действием (Лечение рахита) обладают УФ-лучи в диапазоне 314-280 нм (средневолновой диапазон)

- Способностью убивать микроорганизмы обладают УФ-лучи в диапазоне 279-180 нм.

Т.е. только коротковолновый диапазон обладает бактерицидным эффектом. Следует отметить, что наиболее устойчивыми к действию ультрафиолетовых лучей являются споры бактерий, затем споры грибов и дрожжей, далее пигментированные клетки. Наименее устойчивы вегетативные клетки бактерий.

Гибель микроорганизмов под действием ультрафиолетовых лучей связана:

• с уменьшением активности клеточных ферментов;

• с разрушением нуклеиновых кислот;

• с образованием в облучаемой среде перекиси водорода, озона и других соединений.

Давайте рассмотрим биологическое воздействие УФ – излучения.

Биологическое действие УФ – излучения заключается в повреждении биомембран. Фотоповреждения белков и фосфолипидов, входящих в их состав. Фотоокисление липидов представляет собой двухэтапный процесс.

На первом этапе липиды под действием ультрафиолета окисляются по свободно радикальному механизму с образованием гидроперекисей. На второй стадии при поглощении второго кванта УФ-излучения перекиси расщепляются с образованием стабильных продуктов, и прежде всего альдегидов.

Присутствующие в мембранах жирорастворимые антиоксиданты, такие как токоферолы, ингибируют окисление, но сами при этом подвергаются фотодеструкции. Повреждение фосфолипидов биомембран будет усиливать уменьшение активности мембранных белков-ферментов, вызванную действием УФ-излучения, приводить к разобщению окисления и фосфорилирования и следовательно, подавлять синтез АТФ, повышать проницаемость мембран для различных низкомолекулярных соединений, ионов и т.д..

Находящиеся в мембранах витамины, антиоксиданты и другие, биологически активные вещества также окисляются под действием ультрафиолета и теряют свою активность.

Возникновение при воздействии УФ-излучения молекулярных повреждений ДНК, фотодеструкция белков и биологических мембран обуславливает развитие многочисленных биологических эффектов, которые приводят к летальному эффекту. В механизме летального эффекта главную роль играет образование пиримидиновых димеров в молекулах нуклеиновых кислот.

Образование димеров в ДНК ведет к гибели клетки вследствие:

1. возникновения летальной мутации

2. потери, хотя бы одной из молекул ДНК, способности к репликации за счет нерепарированных сшивок ДНК → ДНК или ДНК →белок

3. нарушения процесса транскрипции.

У бактерий воздействие спектра УФ-излучения вызывает изменение темпа деления клеток и их гибель. Однако в этом процессе наблюдается несколько фаз. Непосредственно после облучения скорость деления уменьшается и часть клеток гибнет. Выжившие клетки повторно делятся, но потом частота митозов вновь падает и часть клеток погибает. Лишь через 2-4 недели наступает окончательное гибель.

Теперь после того как мы разобрали Биологическое действие УФ – излучения, Давайте более подробно разберём коротковолновый диапазон и дозы облучения.

Коротковолновый диапазон УФ-излучения (180–280 нм).

Длинна волны в 185 нм – та длинна при которой УФ-излучение при взаимодействии с кислородом образовывает озон. Лампы с такой длинной волны называют «озоновыми лампами». Действительно УФ-лампы данного типа образуют определённое количество остаточного озона, который разрушает высокомолекулярные органические соединения (ВОС).

В настоящей лекции мы будем рассматривать только процесс УФ-обеззараживания воды при диапозоне длины волны от 254 нм до 280 нм.

Для УФ-обеззараживания воды сегодня применяются волны довольно узкого диапазона — от 254 до 280 нм. В этих рамках бактерицидное воздействия ультрафиолета приобретает своё максимальное значение.

Большая часть установок по обеззараживанию воды ультрафиолетом использует лампы низкого ртутного давления, которые производят излучение длиной от 254 до 260 нм, то есть оптимальную длину волны.

Лампы с таким диапазоном длинной волны называют «бактерицидными лампами». Средний срок службы лампы лежит в пределах от 8 000 до 12 000 ч работы.

УФ-лампы данного типа практически не образуют остаточный озон.

Мерой бактерицидной энергии является доза облучения.

Доза облучения = произведению интенсивности УФ-излучения (мВт/см2) * на время (с) и измеряется в (мДж/см2).

Дозы, применяемые для обеззараживания, зависят от:

- физико-химический свойств очищаемой среды;

- типа контролируемых микроорганизмов;

- исходного и требуемого уровней микроорганизмов.

Среднее время пребывания воды в камере обеззараживания рассчитывается по формуле:

t - среднее время пребывания воды в камере обеззараживания, с;

S - поперечное сечение камеры обеззараживания, см;

L - длина камеры обеззараживания, см;

Q - расход воды, м3/ч;

Оптимальная доза излучения, при которой гибнут микроорганизмы патогенного вида – 16 мДж/см2

Достижение более значительной степени обеззараживания обеспечивается дозой УФ-облучения 40 мДж/см2.

Вода, в которой находятся микроорганизмы, оказывает значительное влияние на эффективность УФ-обеззараживания, поскольку содержащиеся в ней примеси не только могут поглощать УФ-излучение, но и экранировать его полностью. Это влияет:

– на экономические показатели процесса: чем выше прозрачность воды для УФ-лучей, тем меньше надо затратить энергии на обеспечение одной и той же дозы для эффективного УФ-обеззараживания;

– на эффективность процесса обеззараживания: для примера, наличие твердых включений (взвешенные вещества, мутность, цветность, содержание железа) защищает микроорганизмы от УФ-лучей и резко снижает эффективность обеззараживания.

Поэтому качество исходной воды, поступающей на УФ-установки, для обеззараживания, должно соответствовать следующим требованиям:

Температура воды строго от 10 до 25ОС

БПК – до 10 мгО2/л;

ХПК – до 50 мгО2/л;

Цветность – не более 40 град;

Мутность – до 1 мг/л;

Взвешенные вещества – до 10 мг/л;

Железо общее – до 0,3 мг/л;

Содержание марганца – до 0,1 мг/л;

Содержание сероводорода – до 0,05 мг/л;

Нефтепродукты – до 0,2 мг/л.