Качество сточных вод не всегда соответствует требуемым и регламентируемым нормам допустимой загрязненности. Часто происходит сброс непригодной воды, отходов в сточные воды. В связи с этим требования, предъявляемые к воде, растут [1-3]. Но в последние годы активно модернизируются и исследуются методы, устройства для очистки и дезинфекции сточных вод. Одним из популярных и действенных способов обеззараживания воды является ультрафиолетовое облучение (УФО).

Действие УФ-излучения может быть как активирующим рост микроорганизма, так и инактивирующим, вплоть до полного подавления их жизнеспособности. Для инактивации чаще всего используются коротковолновое УФ-излучение, которое, как известно, максимально поглощается молекулами ДНК. Это ведёт к появлению различных дефектов ДНК (например, к гидратации оснований ДНК), что в свою очередь препятствует её репликации, замедляет и ограничивает рост микроорганизмов. Среди источников УФ-излучения широко известными являются ртутные лампы высокого и низкого давления в связи с тем, что спектр их излучения перекрывается со спектрами инактивирующего действия излучения на ДНК [4, 5].

Однако сегодня признано, что ртутные лампы перестали соответствовать экологическим стандартам [6]. Кроме того, утилизация ртутных ламп является дорогостоящей процедурой. Поэтому в странах ЕС происходит осознанный поиск альтернативных источников УФ-излучения, не содержащих ртути. Наши исследования 2003-2015 гг. показали, что в качестве таких источников можно использовать эксилампы. Слово «эксилампа» является обобщающим названием класса устройств, излучающих спонтанное ультрафиолетовое (УФ) и/или вакуумное ультрафиолетовое (ВУФ) излучение эксимерных и эксиплексных молекул. Спектры длин волн ряда эксиламп лежат в т.н. бактерицидном диапазоне. В частности, типичные спектры XeBr- и KrCl-эксиламп барьерного разряда представляют собой интенсивные полосы излучения с максимумами на длинах волн 282 и 222 нм, соответственно, и имеют полуширину полосы порядка нескольких нм [7].

До сих пор объектом микробиологических исследований с применением эксиламп были загрязненные в лабораторных условиях поверхности, газы и жидкости. В настоящей работе указанные эксилампы были использованы для изучения влияния УФ-излучения на микроорганизмы при обеззараживании сточных вод, взятых со станции водоочистки. Кроме того, дополнительным фактором воздействия было ультразвуковая обработка (УЗО).

Материалы и методы

Важными микробиологическими показателями качества воды являются: общее количество колониеобразующих единиц (КОЕ), а конкретно – количество колиморфных бактерий (ОКБ) и количество термотолерантных колиморфных бактерий (ТКБ). Общие колиморфные бактерии – это разновидности кишечной палочки, грамотрицательные бактерии, не способные к спорообразованию, но способные воспроизводить альдегид на различных лактозных средах, ферментирующие лактозу с образованием кислоты и газа при температуре 37° С в течение 24-48 ч. Термотолерантным колиморфным бактериям присущи все признаки общих колиморфных бактерий, но кислоту и газ образуют при температуре 44° С в течение только 24 ч. Они же являются показателем наличия или попадания в воду фекального загрязнения [8].

При использовании для обеззараживания сточных вод ртутными лампами низкого давления проводились как лабораторные исследования, так и полевые, в т.ч. для выявления условий, в которых можно отказаться от всех прочих способов очистки воды (хлорирование, озонирование и т.д.) [9-14]. Но даже тщательное соблюдение санитарных, гигиенических и технологических норм регламента обработки ртутными лампами не дают гарантий того, что разработка сможет перейти в масштабное производство и функционировать длительное время в связи с тем, что многие страны Европейского Союза сейчас занимаются снятием с производства ламп, содержащих ртуть [15].

Использование УЗО также применяется сегодня, но данный фактор воздействия даёт неоднозначные результаты. Так, в литературе указывается, что несмотря на большие затраты энергии, длительное время воздействия, ультразвук не всегда оказывает инактивирующее воздействие на бактерии. А при определенных параметрах он даже стимулирует рост бактерий. Поэтому процесс УЗО воды в большинстве случае предполагает использование ультразвука в сочетании с другими методами и средствами для достижения наибольшего эффекта. В частности, корректируют частоты и мощность ультразвуковых волн, сочетают УЗО и/или УФО, и/или химические окислители органических веществ. Т.е. ультразвук является дополнением к методам обеззараживания воды, а не самодостаточным способом очистки сточных и питьевых вод [16-20].

Для проведения исследований по УФО и УЗО сточных вод, была использована экспериментальная установка, схема которой показана на рис. 1. С помощью насоса (1) установка обеспечивала циркуляцию исследуемой воды в системе: вода из контейнера (2) поступала в ультразвуковую ванну (3), затем подвергалась УФО коаксиальными KrCl (4) и XeBr (5) эксилампами барьерного разряда, и далее возвращалась в контейнер (2). Скорость прокачки жидкости через систему могла варьироваться от 0.5 до 2.5 л/мин.

На рис. 2 дано поперечное сечение эксилампы. Облучаемая жидкость в этом случае протекает через кварцевую трубку, размещенную в полости 6. В ходе опытов KrCl- и XeBr- эксилампы обеспечивали энергетическую освещенность на внутренней поверхности кварцевой трубки E_вн = 23 и 31 мВт/см², соответственно. Рабочий диаметр трубки составлял d_раб. = 0.79 см. Длина рабочей области одной эксилампы, в которой происходит облучение, составляла l = 12.8 см. Соответственно, рабочий объем одной эксилампы V_раб = 6.27 см³, а общий объем системы составлял 2500 см³. На основе этих данных были рассчитаны основные параметры УФО эксиламп на воду (табл. 1).

Для обработки ультразвуковыми колебаниями применялась ванна Elmasonic S 10H, позволяющая оптимально распределять звуковое поле внутри объёма с жидкостью. Ванна имела глубину, ширину и длину 5.8, 8.5 и 19 см, соответственно, и объём V_уз ~ 932 см³. Пиковая мощность ультразвука в ней составляет 240 Вт, при частоте колебаний f = 37 кГц [21]. Толщина слоя жидкости для УЗО составляла 0.5 см.

Рисунок 1. Блок-схема установки для обеззараживания воды: 1 – насос; 2 – контейнер с исследуемой водой; 3 – ультразвуковая ванна; 4 – KrCl-эксилампа; 5 – XeBr-эксилампа; 6 – стеклянная трубка; 7 – тракты для циркуляции воды через установку

Рисунок 2. Поперечное сечение коаксиальной эксилампы барьерного разряда: 1, 2 – кварцевые трубки, образующие внешнюю и внутреннюю стенки эксилампы; 3 – внешний отражающий электрод; 4 – зона разряда между кварцевыми трубками; 5 – внутренний полупрозрачный электрод; 6 – внутренняя полость для облучения. Белыми стрелками обозначено направление, в котором концентрируется излучение

Таблица 1 – Параметры УФО эксиламп

Вода для исследований была взята на очистных сооружениях п. Аэропорт, Томская область, Томский район, Мирненское сельское поселение. Для первичных исследований было взято две меры воды по 1 л, а впоследствии – четыре меры воды по 15 л в каждой.

Взятые меры проходили обработку в трёх режимах: 1) УФО с помощью обоих эксиламп; 2) УЗО; 3) совмещение режима 2 и 1. Время обработки составляло во всех опытах 80 минут. В каждой серии опытов одна мера сточной воды оставалась контрольной, обработке не подвергалась и использовалась для сравнения.

Обработанную воду исследовали на соответствие СанПиН 2.1.5.980-00 «Гигиенические требования к охране поверхностных вод» [22] при использовании метода исследования МУК 4.2.1884-04 «Санитарно-микробиологический и санитарно-паразитологический анализ воды поверхностных водных объектов» [23] в Бактериологической лаборатории Центра гигиены и эпидемиологии в Томской области.

Результаты и обсуждение

Эксперименты по УФО и УЗО были проведены дважды. В первой серии экспериментов было проведено УФО воды, объемом 1 л. Во второй серии объемом был увеличен воды до 15 л, и дополнительно проводилось УЗО. Результаты обработки собраны в табл. 2.

Таблица 2 – Результаты экспериментов

По табл. 2 видно, что наибольший эффект обеззараживания достигается в режиме одновременной работы KrCl- и XeBr-эксиламп. В этом случае содержание как общих колиморфных бактерий, так и термотолерантных колиморфных бактерий уменьшается в среднем в 10 раз. Это происходит в виду того, что спектры излучения эксимерных ламп лежат в бактерицидном диапазоне длин волн.

При одновременной УФО и УЗО концентрация КОЕ ОКБ уменьшается незначительно. А применение только УЗО оказалось стимулирующим рост колиморфных бактерий. Данный эффект можно объяснить тем, что УЗО измельчает содержащиеся в воде крупные фракции органических веществ, обеспечивая лучший доступ к ним бактериальных культур и облегчая их питание. Вероятно, чтобы перейти к инактивации микроорганизмов, необходимо увеличивать дозу УЗО. Тем не менее сам найденный эффект интересен как фактор, который следует учитывать при проектировании маломощных установок по очистке воды и/или при обработке вод, содержащих крупные фракции органических веществ.

Дополнительно было исследовано влияние УФО и УЗО на бактерии рода Proteus. Протей (Proteus) – грамотрицательная бактерия, неспособная образовывать споры и окрашиваться по Граму, имеющая вид нитевидных палочек размером около 0.3 × 3 мкм. Данная разновидность кишечных бактерий характеризуется высокой активностью и подвижностью, а также способностью выделять токсины и высокой резистентностью к антибиотикам. Она является биоиндикатором фекального загрязнения и загрязнения органическими веществами [24]. Эта группа бактерий была обнаружена в контрольных мерах воды. Экспериментально выявлено, что УФО полностью уничтожает Proteus. После УЗО, напротив, эта разновидность бактерий сохранялась.

Полученные данные подтверждают данных других экспериментов [25-26], в которых было показано, что к ультразвуковой обработке сточных вод следует относиться с осторожностью. Условия её оптимального применения требуют дополнительных исследований. С другой стороны, ультрафиолетовое излучение в условиях реальных сточных вод также не даёт необходимой (согласно нормам СанПиН) степени инактивации. Всё это свидетельствует о необходимости новых исследований, нацеленных на получение действенной методики инактивации сточных вод и определения пределов её применимости.

Выводы

Проведены сравнительные исследования инактивации микроорганизмов в сточных водах ультрафиолетовым излучением узкополосных эксиламп и ультразвуком. Показано, что излучение XeBr- и KrCl-эксиламп обладает наибольшим инактивирующим действием. Использование ультразвука, напротив, приводит к росту количества патогенных микроорганизмов. По отношению к бактериям рода Proteus выявлена эффективность ультрафиолетового облучения эксилампами и неэффективность ультразвуковой обработки.

Авторы благодарят бактериологическую лабораторию Центра гигиены и эпидемиологии Томской области за помощь в оценке результатов экспериментов и С.М. Авдеева за помощь в изготовлении эксиламп.

Работа выполнена в рамках государственного задания Института сильноточной электроники СО РАН по теме №13.1.3, а также внутреннего гранта института. Авторы выражают свою благодарность администрации в лице директора института Н.А. Ратахина и зам. директора по научной работе И.Ю. Турчановского за идейную и организационную поддержку работы.

На рис. 1 представлен внешний вид апокампа в искровом разряде на воздухе при нормальных условиях в промежутке d = 1 см при подаче на него высоковольтных импульсов амплитудой ~ 10 кВ на частоте f = 50 кГц.

Цель настоящей работы – получить первые данные о влиянии образующейся плазменной струи на микроорганизмы. Для исследования были использованы штаммы Staphylococcus aureus (209Р) и Escherichia coli (501). Взвесь суточных культур в концентрации 10⁶ КОЕ/мл перед началом эксперимента засевали на чашки Петри с мясо-пептонным агаром.

Рисунок 1. Внешний вид апокампа: внизу два острийных электрода, между которыми зажигается плазменный канал. На месте изгиба канала образуется плазменный выброс – апокамп. Регистрация фотокамерой Сanon PowerShot SX60 HS в режиме серийной покадровой съёмки с частотой 6.4 кадра/c.

Эксперимент состоял из следующих этапов: 1) апокамп формировали и стабилизировали в пространстве  вертикально, плазменный канал экранировали (чтобы отсечь его влияние), а апокамп выпускали через отверстие диаметром ~ 2 мм; 2) на расстоянии d = 2,5 см от основания плазменной струи размещали перевёрнутую чашку Петри с посевом микроорганизма; 3) воздействовали апокампом на микроорганизмы, а длительность воздействия изменяли для разных опытов (от 40 с до 2 мин).

Температура струи в месте контакта с чашкой Петри не превышала 40°С, чтобы исключить термический фактор инактивации.

На рисунке 2 представлены результаты воздействия апокампа на микроорганизмы. Видно, что при одинаковых экспозициях инактивация E. сoli происходит эффективнее, чем S. аureus. Наибольшую чувствительность к действию апокампа проявляла E. сoli при экспозиции 2 мин. Отчётливо видно полное подавление роста культуры в месте действия апокампа. Также следует отметить, что с увеличением длительности воздействия стерильная площадь тоже увеличивается. Во время работы установки ощущался отчётливый запах, характерный для окислов азота (N_xO_y).

Рисунок 2. Внешний вид микроорганизма после воздействия апокампическим разрядом: А) S. аureus; Б) и В) E. сoli.

Таким образом, в ходе исследования было выявлено, что открытое явление – апокампический разряд оказывает инактивирующее воздействие на микроорганизмы (S. аureus и E. сoli). Показано, что наибольшая инактивация достигается в случае воздействия на культуру при 90 с и 2 мин. Наибольшую чувствительность к действию апокампа проявляет микроорганизм E. сoli. Результаты полученных и будущих исследований могут стать обоснованием для использования апокампа с целью стерилизации и дезинфекции.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект №14-29-00052).

Рисунок 1. Процесс сушки рук

Одним из способов решения данной проблемы может быть очистка воздуха, засасываемого в сушилку для рук. Для данной цели могут быть использованы разные фильтры и фильтрующие элементы [3]. Проведя анализ характеристик фильтров и фильтрующих элементов, которые могут быть приспособлены к совместной работе с сушилками становится понятно, что наиболее приемлемым является электрофильтр (Рисунок – 2). Он имеет высокую эффективность очистки и обеззараживания до 99%. Имеет низкое аэродинамическое сопротивление, до 10 Па, малое потребление электроэнергии, и как следствие низкая себестоимость очистки и обеззараживания воздуха [4,5].

Рисунок 2. Диапазоны размеров аэрозолей и область действия фильтров

В основу действия электрофильтра положен коронный разряд, в поле которого происходит зарядка взвешенных в очищаемом и обеззараживаемом воздухе частиц, аэрозолей и их осаждение на осадительных электродах под действием электрических сил (Рисунок 3). Кроме этого, коронный разряд образует в чехле короны озон, который является мощным окислителем, что будет положительно сказываться на обеззараживании воздуха [5,6]. Пользуясь существующими методиками расчета параметров электрофильтров и учитывая количество воздуха, которое проходит через сушилку, можно рассчитать, что геометрические размеры короноразрядной системы электрофильтра будут невелики. Таким образом, можно будет модернизировать существующие сушилки для рук, путем установки на них дополнительных модулей (электрофильтр и блок питания), либо при проектировании закладывать необходимые элементы в конструкцию сушилок.

1 – коронирующие электроды; 2 –осадительные электроды; 3 – осаждаемая частица; 4 – источник питания электрофильтра

Рисунок 3. Процесс очистки в электрофильтре

Таким образом, если воздух предварительно очищать, то процесс сушки рук станет полностью безопасным, и можно не переживать за то, что какие-то микробы и бактерии могут попасть на чистые руки (Рисунок – 4).

1 – Воздух из санитарного узла; 2 – электрофильтр; 3 – сушилка для рук; 4 – руки после мытья

Рисунок 4. Процесс сушки рук с очисткой воздуха

Решив вопрос по очистке воздуха для сушилок рук, можно сохранить здоровье людей. Перспектива дальнейших исследований — это расчет и разработка действующего макета совместной работы электрофильтра и сушилки для рук и дальнейшие лабораторные испытания с использованием чашек Петри.