Особенности ультрафиолетового обеззараживания воды в молочном производстве

Существующие методы обеззараживания воды подразделяются на четыре типа:

•• химические;

•• физические;

•• комбинированные.

В химических методах обеззараживание достигается за счет введения в воду биологически активных химических соединений (хлор, озон, гипохлорит натрия и т.д.), при физических методах вода подвергается физическому воздействию (ультразвук, ультрафиолет и т.д.).

При использовании химического метода для обеспечения стойкого обеззараживающего эффекта дозу реагента рассчитывают с избытком, гарантирующим уничтожение микроорганизмов, даже попадающих в воду еще на протяжении некоторого времени после ее обеззараживания, что, с одной стороны, обеспечивает пролонгированный эффект, а с другой – связан с опасностью передозировки реагента.

Физический метод обеззараживания воды, в частности с использованием ультрафиолетового облучения, является наиболее безопасным и эффективным, полностью лишенным недостатков химических методов. Однако перед его применением необходимо обеспечить удаление посторонних примесей из воды. Рассмотрим более подробно суть метода ультрафиолетового обеззараживания воды.

Свет, воспринимаемый глазом человека, составляет лишь часть спектра электромагнитного излучения. Свойства электромагнитного излучения определяются длиной волны в нанометрах (нм). Ультрафиолетовым излучением называется электромагнитное излучение с длиной волны от 100 до 400 нм. Для обеззараживания используется биологически активная область спектра УФ-излучения с длиной волны от 205 до 315 нм, называемая бактерицидным излучением. Максимальная эффективность инактивации микроорганизмов наблюдается в диапазоне волн 250…270 нм: на этот участок спектра приходится длина волны, генерируемая УФ-лампами низкого давления – 254 нм. Доза УФ-облучения, которая является основным критерием эффективности обеззараживания, также измеряется на длине 254 нм.

Обеззараживающее действие ультрафиолета основано на необратимых повреждениях ДНК и РНК. Нуклеиновые кислоты (ДНК или РНК) содержатся во всех клетках живых организмов и являются носителями наследственной информации. При размножении микроорганизма происходит удвоение молекулы нуклеиновой кислоты. УФ-излучение на длине 254 нм эффективно поглощается нуклеиновыми кислотами. В результате УФ-воздействия в структуре нуклеиновых кислот образуются сшивки, которые делают невозможным удвоение ДНК/РНК, а, следовательно, невозможным и размножение микроорганизма. Инактивированный таким образом микроорганизм не представляет опасности для живых организмов. УФ-излучение негативно влияет и на другие клеточные структуры микроорганизмов с различной степенью интенсивности, однако основной универсальный механизм обеззараживания – повреждение нуклеиновых кислот.

ДОЗЫ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ОБЛУЧЕНИЯ

Мерой бактерицидной энергии является доза облучения, которая равна произведению интенсивности УФ-излучения (мВт/см2) на время (с) и измеряется в (мДж/см2). Дозы, применяемые для обеззараживания, зависят от следующих факторов:

•• среды;

•• физико-химических свойств среды;

•• типа контролируемых микроорганизмов;

•• исходного и требуемого уровней микроорганизмов.

Среда, в которой находятся микроорганизмы, оказывает значительное влияние на эффективность обеззараживания, поскольку она может поглощать УФ-излучение или экранировать его. В общем случае для обеззараживания микроорганизмов в воздухе или на поверхности требуется в несколько раз меньше энергии, чем для обеззараживания в воде.

Физико-химические свойства среды влияют на экономические показатели процесса: чем выше прозрачность среды для УФ-лучей, тем меньше надо затратить энергии на обеспечение одной и той же дозы. Также на эффективность процесса обеззараживания влияет наличие в воде твердых включений (взвешенных веществ), защищающих микроорганизмы от УФ-лучей и снижающих эффективность обеззараживания.

Различные виды микроорганизмов при одинаковых условиях и в одной и той же среде имеет различную степень сопротивляемости к УФ-излучению. Это различие обусловлено строением микроорганизмов и называется УФ-чувствительностью. Наиболее чувствительны к воздействию ультрафиолетового излучения бактерии в вегетативной форме (палочки, кокки), паразитарные простейшие (цисты лямблий, ооцисты криптоспоридий), более устойчивы вирусы.

Дозы облучения до 30 мДж/см² обеспечивают инактивацию практически всех патогенных микроорганизмов, встречающихся в воде не менее чем на 99,9 %.

В целях регулирования и контроля применения метода УФ-обеззараживания разработаны нормативные документы, описывающие условия его использования в различных областях. Дозы, применяемые в водоподготовке, составляют от 25 до 40 мДж/см2 в документах разных стран. Согласно российским нормативным документам, при обеззараживании питьевой воды рекомендовалось использовать дозу не менее 16 мДж/см².

ВЛИЯНИЕ КАЧЕСТВА ВОДЫ НА УФ-ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЕ

В аспекте УФ-обеззараживания качество воды оценивается в двух направлениях: показатели, влияющие на эффективность обеззараживания, и показатели, влияющие на прозрачность воды в УФ-спектре.

Для характеристики прозрачности воды в УФ-спектре используется такой показатель, как коэффициент пропускания (Т). Коэффициент пропускания показывает в процентах, какая часть УФ-лучей проходит через слой воды толщиной 1 см.

Коэффициент пропускания на длине 254 нм зависит от содержания в воде растворенных органических соединений. Чем больше их в воде, тем меньше УФ-излучения она пропускает. Коэффициент пропускания определяется измерением на приборе типа фотоколориметра или расчетом по эмпирической формуле по таким показателям, как мутность, цветность, окисляемость. В сточных водах коэффициент пропускания рассчитывается по ХПК и БПК. Чем выше значения этих показателей, тем ниже коэффициент пропускания. На рисунке представлена диаграмма, характеризующая коэффициенты пропускания различных типов воды.

Коэффициент пропускания (Т) оказывает непосредственное влияние на количество УФ-оборудования и затраты электроэнергии на УФ-обеззараживание. Чем ниже коэффициент пропускания, тем больше оборудования и выше затраты электроэнергии для обеспечения одной и той же дозы. Зависимость дозы облучения от коэффициента пропускания степенная, поэтому разница на 10 единиц по Т (например, между Т = 60 % и Т = 70 %) приводит к изменению количества оборудования и электроэнергии в 1,5…2,0.

Расчет УФ-оборудования производится на минимальный коэффициент пропускания воды, т.е. на наихудшее качество, чтобы обеззараживание обеспечивалось во всех случаях.

ОСОБЕННОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ УФ-ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ

Оборудование для обеззараживания воды делится на корпусное и модульное (или лотковое).

Корпусное оборудование может использоваться как в напорных, так и в безнапорных системах. УФ-оборудование модульного или лоткового типа задействуют только в безнапорных системах водоотведения. Модульные УФ-системы состоят из ламповых блоков (модулей), устанавливаемых в лотках, системы механической очистки, встроенной в модули, блока управления и системы регулирования уровня воды в лотке. Модули могут иметь различное число ламп, расположенных вертикально или горизонтально. Модули устанавливаются в поперечном сечении лотка и образуют секции. В лотке может быть несколько последовательных секций, число которых в одном лотке ограничивается допустимыми потерями напора. Функциональной единицей УФ-станции в данном случае является лоток с определенным количеством модулей. Для очистки кварцевых чехлов используются системы химической промывки или механической очистки.

Неотъемлемыми элементами УФ-оборудования являются камера (или зона) обеззараживания (см. фото), блок пускорегулирующей аппаратуры и блок управления.

Камера обеззараживания изготавливается из пищевой нержавеющей стали. Внутри камеры располагаются УФ-лампы. В оборудовании, предназначенном для обеззараживания воды, лампы помещаются в прочные кварцевые чехлы, которые исключают контакт УФ-ламп с водой. Количество ламп и их расположение определяют производительность установки и условия ее эксплуатации.

Электронный пускорегулирующий аппарат (ЭПРА) необходим для обеспечения нормальной работы УФ-ламп. Качество элементной базы ЭПРА и алгоритм управления оказывают непосредственное влияния на срок служб ламп, уменьшение мощности в процессе старения, мощность лампы в УФ-диапазоне. Пульт (или блок) управления осуществляет функции контроля и управления УФ-оборудованием. На пульте управления выведены индикаторы состояния системы, счетчик времени наработки ламп, показания УФ-датчика. Блоки управления промышленных систем оборудованы сенсорным дисплеем и имеют широкий набор функций. Сигналы блока управления могут передаваться на другие устройства автоматизированного управления.

УФ-датчик необходим для контроля интенсивности УФ-излучения в камере или зоне обеззараживания. В оборудовании должны использоваться селективные референтные УФ-датчики. Селективный УФ-датчик необходим в том числе и потому, что в случае некорректной работы блока ЭПРА или превышения установленного срока службы УФ-лампы могут светить, но не обеззараживать. УФ-датчик не измеряет дозу облучения. Расчет дозы производится с учетом показаний датчика, расхода обрабатываемой среды и поглощения средой УФ-излучения.

В качестве источников УФ-излучения используют лампы низкого (ЛНД) и среднего давления (ЛСД). В данном случае имеется в виду давление внутри лампы, при котором происходит испарение металлов (чаще всего ртути или ее соединений), приводящее к излучению определенных длин УФ-волн. В табл. 1 приведены основные характеристики ламп низкого и среднего давления.

С технической точки зрения основными отличиями ламп низкого и среднего давления являются мощность и спектр излучения. Лапы среднего давления имеют мощность единичной лампы в 10…20 раз больше, чем у ламп низкого давления. Потому оборудование на ЛСД более компактное, чем на ЛНД.

Эксплутационные затраты на замену УФ-ламп низкого и среднего давления примерно одинаковые. Несмотря на то что для одних и тех же условий количество ЛСД будет в 10…20 раз меньше, чем ЛНД, срок службы ЛСД в два раза короче, и они дороже, чем ЛНД.

Обратной стороной высокой удельной мощности является низкий коэффициент преобразования потребляемой электрической энергии в бактерицидную, вследствие этого эксплуатационные затраты на электроэнергию при использовании ЛСД как минимум в 2 раза выше, чем при использовании ЛНД.

Второе принципиальное отличие – это спектр излучения. Лампы низкого давления также иногда называют монохроматическими, поскольку спектр их излучения приходится на одну длину волны – 254 нм. Лампы среднего давления излучают широкий спектр – от 200 до 800 нм, поэтому их еще называют полихроматическими. С точки зрения эффективности обеззараживания — это отличие не имеет значения, поскольку требуемая доза облучения должна обеспечиваться на длине 254 нм.

Технические характеристики УФ-стерилизаторов марки STERILIGHT представлены в табл. 2.

Известно, что лампы среднего давления обеспечивают более надежное обеззараживание, чем лампы низкого давления, за счет предотвращения фотореактивации микроорганизмов. Однако различие в реактивации микроорганизмов после УФ-облучения лампами низкого и среднего давления наблюдается только при облучении малыми дозами (до 10 мДж/см²). Дозы облучения, применяемые на практике (25…40 мДж/см²), обеспечивают отсутствие эффекта реактивации независимо от типа ламп.

ВЫБОР И СРАВНЕНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ УФ-ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОДЫ

Объективно на стоимость оборудования для УФ-обеззараживания влияет качество комплектующих и сборки. Данное оборудование состоит не только из ламп и корпуса, в его состав входит много элементов, качество которых оказывает непосредственное влияние на эффективность процесса обеззараживания:

1. Ультрафиолетовые лампы. От качества ламп зависит срок их службы, КПД преобразования электрической энергии в бактерицидную, возможность эффективной работы при низкой температуре воды и др.

2. Кварцевые чехлы. Качество кварцевых чехлов в первую очередь выражается в их прозрачности для УФ-лучей, это непосредственно влияет на обеспечение УФ-дозы.

3. Электронный пускорегулирующий аппарат. Пускорегулирующая аппаратура отвечает за работу УФ-ламп, от типа и качества данного устройства зависят срок службы ламп и частота их выхода из строя. При некоторых дефектах пускорегулирующего аппарата УФ-лампы могут светить, но не излучать требуемую мощность в ультрафиолете, поэтому пускорегулирующая аппаратура является очень важным элементом УФ-оборудования.

4. Блок управления. Стоимость блока управления зависит от требуемой степени автоматизации и возможностей управления. Обязательными элементами блока управления являются сигналы неисправности и промывки, счетчик наработки ламп.

5. УФ-датчик. УФ-датчик необходим для контроля за УФ-облучением и загрязнением кварцевых чехлов.

6. Камера УФ-обеззараживания. Качество камеры УФ-обеззараживания – это в первую очередь качество стали, толщина стального листа, качество сварки и обработки металла. Все это влияет на внешний вид оборудования и его долговечность.

Кроме перечисленных основных элементов УФ-оборудования, есть и более глубокая деталировка, каждая составляющая, которой влияет на надежность работы системы. При выборе УФ-оборудования необходимо понимать, что качество оборудования непосредственно связано с надежностью такого важного процесса, как обеззараживание.

Кроме этого, необходимо обращать внимание, включено ли в стоимость дополнительное оборудование: блок промывки, система регулирования уровня (для модульного оборудования), резервное оборудование.

ОСНОВНЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА УФ-ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОДЫ

УФ-облучение летально для большинства бактерий, вирусов, спор и паразитарных простейших. Оно уничтожает возбудителей таких инфекционных болезней, как тиф, холера, дизентерия, вирусный гепатит, полиомиелит и др. УФ-излучение инактивирует микроорганизмы, устойчивые к хлорированию.

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 отличие от хлорирования и озонирования, после воздействия УФ в воде не образуется вредных органических соединений даже в случае многократного превышения требуемой дозы. УФ-излучение не влияет на органолептические свойства воды (запах, привкус). Время обеззараживания при УФ-облучении составляет 1…10 с в проточном режиме, поэтому отсутствует необходимость в создании контактных емкостей. Достижения последних лет в светотехнике и электротехнике позволяют обеспечить высокую степень надежности УФ-комплексов. Современные УФ-лампы и пускорегулирующая аппаратура к ним выпускаются серийно и имеют высокий эксплуатационный ресурс.

Метод безопасен для людей, 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.

Для обеззараживания УФ-излучением характерны более низкие, чем при хлорировании и тем более озонировании, эксплуатационные расходы. Это связано со сравнительно небольшими затратами электроэнергии (10…30 Вт на 1 м3 обрабатываемой воды).

Таким образом, обеззараживание воды ультрафиолетом является безопасным процессом, не сопровождающимся образованием побочных продуктов.

Литература

1. Рябчиков Б.Е. Современные методы подготовки воды для промышленного и бытового использования / Б.Е. Рябчиков – М.: ДеЛи принт, 2004. – 328 с.

2. Пономарёв А.Н. Основные направления мембранных технологий при переработке молочной продукции: монография / А.Н. Пономарёв, А.И. Ключников, К.К. Полянский. – Воронеж: Истоки, 2011. – 356 с.

3. Пономарёв А.Н. Мембранные системы и инжиниринг при переработке молочного сырья / А.Н. Пономарёв, К.К. Полянский, А. И. Ключников // Молочная промышленность. 2012. – № 4. – С. 71–72.

4. URL: http://www.lit-uv.com/ru/

Источник: Переработка молока. 2017. № 8.