Перспектива синергии ультрафиолетового излучения с методом коагуляции против патогенов

АННОТАЦИЯ

В этой статье рассматривается перспективность ультрафиолетового (УФ) обеззараживания воды в комбинации с методом коагуляции, в качестве подходящей замены дезинфекции хлором при обеззараживании патогенов.

ABSTRACT

This article explores the perspective of ultraviolet (UV) water disinfection in combination with the coagulation method, as a suitable replacement for chlorine disinfection in the disinfection of pathogens.

Ключевые слова: ультрафиолетовое излучение, метод коагуляции, комбинирование установок, дисперсия, патогены.

Keywords: ultraviolet radiation, coagulation method, combination of installations, dispersion, pathogens.

В период пандемии коронавируса (COVID-19), обострилась нужда в высокоэффективных методах и устройствах обеззараживания вредных бактерий и вирусов (патогенов). Наряду с остальными дезинфицирующими средствами, ультрафиолетовое излучение показало себя высокоэффективным в обеззараживании воздуха, воды и различных поверхностей [1]. Таким образом, ультрафиолетовое излучение, занимает важное место в обеззараживании патогенов.

Безопасность питьевой воды часто ставится под угрозу из-за наличия болезнетворных микроорганизмов, таких как вирусы и бактерии. Многие вирусы и бактерии происходят из, например, плохой санитарии, наводнений и поверхностных стоков или неисправности систем очистки сточных вод.

Установки по очистке питьевой воды обезвреживают большое количество патогенов за счет традиционных предварительных обработок, включая процессы хлорирования, осаждения и фильтрации, но дезинфекция должна применяться для инактивации патогенов и обеспечения безопасности питьевой воды. УФ обеззараживание широко применяется для контроля микробного загрязнения питьевой воды, сточных вод и различных промышленных вод. УФ обеззараживание может уничтожать микроорганизмы без ухудшения вкуса или запаха воды и без образования побочных продуктов дезинфекции. Кроме того, для УФ-обработки требуется лишь короткое время воздействия, что приводит к минимальным требованиям к занимаемому пространству и не вызывает коррозию в системе распределения воды.

Практическое применение УФ-дезинфекции основывается на бактерицидной способности облучения УФ-С и УФ-В при длине волны λ = 200–280 нм (рис. 1) [3], которое повреждает нуклеиновые кислоты микроорганизмов путем поглощения нуклеотидов, строительных блоков РНК и ДНК.

Обеззараживающий эффект ультрафиолета, в первую очередь, базируется на фотохимических реакциях, которые под его воздействием происходят изменения в структуре молекул РНК и ДНК. В ДНК ультрафиолетовое излучение взаимодействует с тимином (одним из четырех нуклеотидов, которые образуют спираль ДНК). После УФ-излучения, находящиеся рядом тимины образуют димер — прочное соединение двух оснований в одно целое. Чем дольше ультрафиолет воздействует на ДНК, тем больше формируется димеров, что способствует утрате способности их деления и к последующей гибели патогенов.

Рисунок 1. Спектр электромагнитного излучения

Потенциальный недостаток заключается в том, что УФ-излучение не может гарантировать безопасную питьевую воду, если система распределения загрязнена дисперсными частицами, такими как, концентрации токсичных тяжёлых металлов (кадмия, ртути, свинца, хрома), пестициды, нитраты и фосфаты, нефтепродукты, поверхностно-активные вещества (ПАВ'ы), лекарственные препараты и гормоны, которые также могут попасть в систему водоснабжения, что влечет падение эффективности УФ-излучения.

У разных вирусов также есть различия в устойчивости к ультрафиолетовому излучению. Например, вирусу гепатита А требуется УФ-доза всего 0,184 мВт / см² для достижения 4 Log ₁₀-сокращения. Устойчивые вирусы, такие как аденовирус и MS2-бактериофаг, достигают 2–4 Log ₁₀ -сокращения при УФ-дозах 48–226 мВт / см² [3]. MS2-бактериофаг часто используется в качестве индикатора вирусов (например, суррогатного вируса) в питьевой воде, поскольку его размер и структура аналогичны многим кишечным вирусам, и его легко количественно проанализировать в лаборатории.

УФ-облучение можно комбинировать с химическими методами для достижения большей эффективности дезинфекции, чем при использовании любого из них по отдельности.

Установки очистки питьевой воды часто комбинируют УФ обеззараживание и хлорирование последовательно, так что сначала идет УФ, а затем хлорирование. Это комбинированное обеззараживание показало высокую инактивацию вирусов в лабораторных экспериментах; например, 4 Log ₁₀ -сокращение аденовирусов было достигнуто с УФ-дозой 10 мВт / см² с последующим введением 0,17 мг свободного Cl₂  / л за время контакта всего 1,5 мин. Однако, эта комбинация дала противоречивые результаты в отношении синергизма, т.е., инактивация вирусов при комбинированном обеззараживании не всегда была выше, чем сумма инактиваций, полученных при однократном обеззараживании.

Напротив, высокая эффективность и безопасность во время экспериментов наблюдалась при использовании ультрафиолетового излучения и метода коагуляции. Например, сочетание обработки 0,15 мг AlCl₃ / л и УФ-дозы 50 мВт / см² дало 4 Log ₁₀ - сокращения для аденовирусов, что было выше, чем сумма сокращений, полученных с помощью только Cl₂ или УФ-обработки. Так, порядок комбинации коагуляции с реагентами AlCl₃, за которым следует УФ обеззараживание, может иметь потенциал для дезинфекции и требует более подробного изучения.

Таким образом, были изучены дозы УФ-излучения и комбинированное обеззараживание с использованием доз AlCl₃ с коротким временем контакта и дозой УФ-излучения, а также эффективность комбинаций УФ-облучения с методом коагуляции, при дезинфекции, чтобы выяснить возможные синергические эффекты этих обработок.

Метод коагуляции — это слипание частиц коллоидной системы при их столкновениях в процессе теплового движения, перемешивания или направленного перемещения во внешнем силовом поле. В результате коагуляции образуются агрегаты - более крупные (вторичные) частицы, состоящие из скопления мелких (первичных). Первичные частицы в таких агрегатах соединены силами межмолекулярного взаимодействия непосредственно или через прослойку окружающей (дисперсионной) среды. Коагуляция сопровождается прогрессирующим укрупнением частиц и уменьшением их общего числа в объеме дисперсионной среды (в нашем случае - жидкости). Слипание однородных частиц называется гомокоагуляцией, а разнородных - гетерокоагуляцией.

Обработка загрязненной воды коагулянтами применяется для ее очистки от взвешенных веществ и снижения цветности. При этом происходит осаждение тяжелых металлов, по свойствам близких к вводимому в раствор коагулянту. Процессы коагуляции применяются в тех случаях, когда скорость естественного осаждения загрязняющих частиц очень мала. Чаще всего обработка коагулянтами производится для очистки воды открытых водоемов. При этом, наряду с очисткой воды от взвешенных веществ, происходит также удаление из нее планктонных организмов, веществ, которые обуславливают цветность, существенно снижается бактериальная загрязненность. Эффективность процессов коагуляции и флокуляции зависит от правильного выбора способов осветления воды и ее умягчения известью. При очистке поверхностных вод следует учитывать, что мутная вода содержит взвешенные и легко осаждающиеся твердые вещества. Значительная часть трудно осаждающихся твердых частиц может находиться в коллоидном состоянии. В состав коллоидных частиц, встречающихся в природной и возвратных водах, входят глина, диоксид кремния, тяжелые металлы, пигменты, а также твердые органические вещества (остатки мертвых организмов).

Процедура очистки воды вначале проводилась методом коагуляции. После обработки реагентами AlCl₃ в установке коагуляции, вода поступала в резервуар, где перед подачей потребителям, проводилось дополнительное обеззараживание при помощи ультрафиолетового излучения. Кривые на рис. 2 отображают высокую степень инактивации патогенов (для измерения количества микроорганизмов применялся метод подсчета гетеротрофных пластин (НРС) при температуре 22⁰С и 37⁰С). Обеспечивалась хорошая очистка воды, выражаемая в инактивации микробов.

Рисунок 2. Результаты дезинфекции при помощи системы комбинированного применения коагуляции и УФ обеззараживания.

В отличие от индивидуальной обработки методом коагуляции или УФ-обработкой, комбинированная обработка с дозировкой коагулянта с последующими дозами УФ-излучения показала высокие значения синергизма и эффективно инактивировала патогены. Значения синергизма были ниже, если порядок комбинированного обеззараживания был изменен на противоположный. Таким образом, комбинированная обработка методом коагуляции с последующим ультрафиолетовым излучением имеет высокую перспективу для дезинфекции патогенов.

Список литературы:

1. Камруков А.С., Козлов Н.П., Шашковский С.Г., Яловик М.С. Новые биоцидные ультрафиолетовые технологии и аппараты для санитарии, микробиологии и медицины // Безопасность жизнедеятельности. 2003. № 1 - c.32-41.
2. Волощук В.М., Седунов Ю.С. Процессы коагуляции в дисперсных системах. Л.: Гидрометеоиздат, 1975. - с.320.
3. Bolton J.R., Cotton C.A. The ultraviolet disinfection handbook. American Water Works Association, 2011.