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.

Основными критериями [2] для систем горячего водоснабжения, при которых возбудитель легионеллы становится опасным для населения и начинает быстро размножаться, являются:

- температура воды. Обычно это диапазон температуры в системах горячего водоснабжения от 25 до 45 °С;

- наличие застойной зоны;

- наличие осадочных отложений внутри системы ГВС либо биопленок на трубопроводах;

- наличие других микроорганизмом (в основном амеб).

Температура воды. Она имеет прямое отношение к опасности передачи через систему горячего водоснабжения заболевания. Легионелла размножается в воде при температурах 25-50 °С, с оптимальным значением для развития 35-46 °С. При увеличении температуры до 60 °С, возбудитель инфекции может в отдельных случаях еще существовать в районе 30мин; при увеличении температуры до 70 °С – погибает сразу [1]. Именно из-за этого свойства бактерии, системы горячего водоснабжения с недостаточно высокой температурой воды внутри сети создают риск распространения заболевания населению. В соответствии с руководящими принципами ВОЗ в системах горячего водоснабжения следует поддерживать температуру 50 °С в наиболее удаленных точках сети и 60 °С в резервуарах с горячей водой. При этом необходимо также учитывать тот факт, что чем дальше исследуемая точка пробы на возбудитель заболевания от резервуара горячей воды, тем ниже температура в системе. Соответственно, с увеличением расстояния от резервуара с горячей водой увеличивается количество точек, заселенных легионеллами.

Поддержание постоянной температуры оборотной воды в системе горячего водоснабжения выше   60 °С ведет за собой большие затраты электроэнергии. Альтернативным методом является установка фильтров в местах использования [2]. Самым действенным вариантом фильтрации будет установка нескольких последовательных фильтров- предварительного, для удаления отложений и механических частиц и основного фильтра, для удаления микроорганизмов, включая легионеллу. Также такой процесс фильтрации исходной питьевой воды не устраняет поступающие уровни дезинфицирующего средства, поддерживаемые системой горячего водоснабжения. Эффективность такой фильтрации горячей воды обеспечивает удаление до 98% находящихся в ней загрязнений.

Дезинфекция с использованием веществ. Вторичная дезинфекция с помощью хлора, озона или ионизации воды медью/серебром также широко применяется для минимизации возникновения заболевания [4]. Однако, при использовании такого метода обработки могут возникать остаточные уровни дезинфицирующих веществ в системе. Например, при дезинфекции системы горячего водоснабжения, застойные водопроводные трубы или тупиковые линии могут мешать попаданию дезинфицирующих средств. Это ведет к образованию возбудителя бактерии в этих зонах. Периодическая промывка таких застойных областей снижает уровень риска возникновения заболевания. Также нежелательным воздействием на систему горячего водоснабжения в данном случае служит точечная коррозия трубопроводов, изменение вкуса или запаха поступающей воды населению. И дополнительными затратами при таком варианте дезинфекции является необходимость размещения дозируемых препаратов на отдельной площадке.

Альтернативой методу дезинфекции с помощью веществ является дезинфекция воды при помощи ультрафиолета. Метод является довольно эффективным при малых дозах воздействия. Также ультрафиолетовая дезинфекция не обеспечивает остаточного дезинфицирующего средства в системе.

На сегодняшний момент в РФ в целях предотвращения развития легионеллы используют в основном метод предварительного хлорирования воды [3]. Однако, особую опасность даже при таком методе воздействия представляют открытые участки системы горячего водоснабжения – например, накопительные емкости воды. Если вода не используется и накапливается в емкостях долгое время, то вероятность распространения инфекции очень высока. Легионелла обладает значительной степенью своей устойчивости к хлору, и в низкой концентрации присутствует в системах горячего водоснабжения центральной сети.

Во многих решениях используется рециркуляционный насос для горячего водоснабжения. Он позволяет уменьшить расстояние, которое необходимо для подачи воды на дальние участки системы. С добавлением в цикл очистки фильтра [4] в контур рециркуляции или после резервуара для хранения горячей воды, эффективность удержания микроорганизмов возбудителя значительно увеличивается, поскольку происходит постоянная циркуляция воды. Контур рециркуляции горячей воды обеспечивает оптимальную конструкцию по очистке системы, которая постоянно поддерживает контур горячей воды в безопасном микробном положении.

В связи с распространением COVID-19 в 2020 году и закрытие зданий в рамках социального дистанцирования, создались новые риски для распространения легионеллы. Этому способствуют застойные зоны или слабые потоки воды в системе горячего водоснабжения в здании, что создает оптимальную атмосферу для роста бактерий в биопленке.

Мерами профилактики распространения [1] и упреждения данного заболевания могут быть:

1. Необходимая рециркуляция внутри системы водоснабжения;
2. Контроль за остатками дезинфицирующих средств;
3. Регулярная очистка градирен и других наиболее подверженных распространению возбудителя сооружений системы водоснабжения;
4. Контроль диапазона температуры для уменьшения количества микроорганизмов. Важнейшее условие для профилактики размножения легионеллы в системе горячего водоснабжения это то, что нагрев воды должен быть равномерным. Для этого нагревательный элемент размещают вблизи от резервуара накопления или же используют в накопительной системе встроенный теплообменник, который имеет большую площадь соприкосновения с нагреваемой средой.
5. Мониторинг качества воды (рН, температура, микробиология).

Для того, чтобы предотвратить попадание легионелл в систему горячего водоснабжения, необходимо обеспечить надежную водоочистку. Водоочистка позволит добиться уменьшения численности возбудителей заболевания. Рекомендуется упреждающий подход к проблеме заболевания, который включал бы фильтрацию исходной воды и непрерывную циркуляцию горячей воды в системе с поддержанием необходимой температуры. Мониторинг, температура и уровни дезинфицирующих средств снизят риск заражения легионеллой питьевой воды.