Современные тенденции и особенности применения УФ-обеззараживания в водоподготовке
DOI 10.35 776/VST.2022.07.01 / УДК 628.166.085

Статья опубликована в журнале «Водоснабжение и санитарная техника» в номере 7, 2022 года.

Приводится краткий обзор изменений в СанПиН 1.2.368 521 в части микробиологических показателей и концентраций веществ, связанных с реагентным обеззараживанием в водоподготовке. Тенденции, заложенные в новых нормативных документах, предполагают применение наиболее эффективных технологических решений в сфере обеззараживания воды. Описывается принципиальный подход к организации мультибарьерных схем обеззараживания воды, в том числе и с использованием ультрафиолетового облучения. Приведены примеры запущенных в эксплуатацию в крупных городах России и мира сооружений водоподготовки, использующих мультибарьерный принцип обеззараживания воды с помощью УФ-облучения. Положительный опыт модернизации систем обеззараживания воды в системах питьевого водоснабжения городов РФ и за рубежом, а также мировые тенденции и практика подтверждают возможность использования УФ-излучения в качестве наиболее надежной и безопасной современной технологии обеззараживания.

Ключевые слова: водоподготовка, мультибарьерная технология очистки, УФ-обеззараживание, хлорирование, хлорреагенты, хлорорганические соединения.

Костюченко Сергей Владимирович, кандидат физико-математических наук, председатель совета директоров, ООО НПО «ЛИТ»
141701, Россия, Московская область, г. Долгопрудный, Лихачевский проезд, 25, тел.: +7 (495) 197-76-58, e-mail: lit@lit.ru

Волков Сергей Владимирович, руководитель департамента комплексных проектных продаж, ООО НПО «ЛИТ»
141701, Россия, Московская область, г. Долгопрудный, Лихачевский проезд, 25, тел.: +7 (495) 197-76-58, e-mail: volkov@npo.lit.ru

Ткачев Андрей Анатольевич, заместитель генерального директора по маркетингу, ООО НПО «ЛИТ»
141701, Россия, Московская область, г. Долгопрудный, Лихачевский проезд, 25, тел.: +7 (926) 560-34-76, e-mail: tkachev@npo.lit.ru

Стрелков Александр Кузьмич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Водоснабжение и водоотведение», Академия строительства и архитектуры, Самарский государственный технический университет
443100, Россия, г. Самара, Молодогвардейская ул., 244, тел.: +7 (927) 712-75-18, e-mail: a19400209@yandex.ru

Смирнов Александр Дмитриевич, доктор технических наук, главный специалист, научный руководитель лаборатории глубокой очистки воды, АО «НИИ ВОДГЕО»
119435, Россия, Москва, Большой Саввинский пер., 9, тел.: +7 (925) 517-14-34, e-mail: 5171434@mail.ru

Баранов Виктор Львович, начальник технологического отдела, ООО «АкваФлайт»
129090, Россия, Москва, Протопоповский пер., 25, корп. Б, тел.: +7 (495) 977-49-35, e-mail: vlb@rambler.ru

Введение

Качество питьевой воды в отдельных населенных пунктах Российской Федерации не всегда соответствует актуальным нормативным требованиям.

Несмотря на некоторое снижение удельного веса неудовлетворительных проб по микробиологическим показателям за период 2000—2017 годов, в ряде регионов РФ, особенно там, где централизованные системы водоснабжения используют воду поверхностных водоисточников, этот показатель до сих пор превышает 15% [1].

Важно заметить, что в последние годы (2020−2021) в РФ кардинально ужесточились нормативные требования к качеству питьевой воды как по микробиологическим, так и по физико-химическим показателям, что требует существенной модернизации технологических процессов водоподготовки.

Аналогичное ужесточение нормативных требований к качеству питьевой воды произошло и происходит в последние 20 лет в индустриально развитых странах Европы, Америки и Юго-Восточной Азии.
Современные направления совершенствования нормативной гигиенической базы

В целях существенного улучшения качества воды питьевого назначения, подаваемой населению, в РФ в 2021 г. были введены новые нормативные документы в области здравоохранения.

СанПиН 1.2.3685−21 «Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания» устанавливает целый ряд новых, более жестких нормативных показателей в сравнении с ранее существовавшими.

В список контролируемых показателей в питьевой воде были включены энтерококки. К паразитарным цистам лямблий добавились цисты и ооцисты патогенных простейших, фактически речь идет об ооцистах криптоспоридий. Введен контрольный показатель по синегнойной палочке Pseudomonas aeruginosa в качестве дополнительного параметра для контроля в случае обнаружения нестандартной пробы.

Очень важным представляется введение обязательного контроля за колифагами и паразитарными показателями во всех системах водоснабжения независимо от источника (подземные или поверхностные воды).

Существенное ужесточение нормативных требований по содержанию в питьевой воде токсичных, канцерогенных и мутагенных хлорорганических соединений соответствует тенденции, давно действующей в развитых европейских странах, связанной с максимальным сокращением хлорирования, применяемого при водоподготовке. Новые нормативы указывают следующие уровни хлорорганических соединений, мг/л: хлороформ — 0,06, четырехлористый углерод — 0,002, 1,2-дихлорэтан — 0,003.

Ужесточены нормативные требования по содержанию в питьевой воде остаточного озона с 0,3 до 0,1 мг/л, присутствует показатель по содержанию продуктов озонирования — броматионов (0,01 мг/л).

В целях глубокого удаления из состава питьевой воды органических веществ и уменьшения возможности продуцирования хлорорганических соединений впервые в РФ введен нормативный показатель — общий органический углерод (5 мг/л).

Все вышеперечисленные введенные вновь нормативы однозначно направлены как на ужесточение критериев качества питьевой воды по микробиологическим показателям, так и на максимальное сокращение галогенорганических веществ в составе питьевой воды.

Тенденции, заложенные в новых нормативных документах, предполагают применение наиболее эффективных технологических решений в сфере обеззараживания воды.
Мультибарьерные схемы глубокого обеззараживания

Одновременное обеспечение нормируемых микробиологических и химических показателей качества питьевой воды при использовании только традиционных химических методов обеззараживания (хлорирование, озонирование и т. п.) не представляется возможным.

Хлор и хлорсодержащие реагенты в приемлемых технологических дозах не обладают высокой эффективностью против вирусов и цист простейших микроорганизмов [2], особенно цист криптоспоридий. Кроме того, обработка хлорсодержащими реагентами сопровождается образованием широкого спектра хлорорганических соединений, концентрация которых постоянно ограничивается нормативными требованиями РФ.

Таким образом, для соблюдения новых гигиенических требований необходимо применение, во-первых, современных высокоэффективных технологий обеззараживания воды, не вызывающих образования вторичных продуктов, опасных для здоровья человека, во-вторых, комбинированных (мультибарьерных) технологий обеззараживания, сочетающих различные методы с минимальным использованием химических реагентов.

Мультибарьерный подход к технологиям обеззараживания получил широкое отражение в нормативных документах за рубежом. Например, в США обязательным требованием для поверхностных водоисточников является использование не менее двух различных методов обеззараживания, что указано в стандарте по защите окружающей среды US EPA «The Long Term 2 Enhanced Surface Water Treatment Rule» [3]. В нем каждой из возможных технологий очистки и обеззараживания воды из поверхностных водоисточников присвоено максимальное значение степени снижения контролируемых микробиологических и физико-химических показателей. Для любой проектируе мой станции водоподготовки с учетом качества исходной воды подбирается технологическая схема, которая в сумме обеспечит требуемую степень снижения содержания патогенных микроорганизмов. В соответствии с данными документа, УФ-обеззараживание является одним из самых эффективных методов создания надежного барьера. Аналогичный подход к обеззараживанию также широко применяется во многих странах Европы (Германия, Австрия, Франция и др.), где его использование также регламентируется законодательно.

Именно благодаря общепризнанной надежности и высокой эффективности в подавляющем большинстве случаев мировой практики УФ-облучение используется в качестве основного барьера в мультибарьерных схемах обеззараживания воды в сочетании с химическими методами.
Принцип обеззараживания ультрафиолетовым излучением

УФ-излучение — электромагнитное излучение, занимающее диапазон между рентгеновским и видимым излучением (диапазон длины волны 100−400 нм). Ультрафиолетовое излучение является физическим методом обеззараживания воды.

Основным источником УФ-излучения, применяемым для обеззараживания воды, являются лампы низкого давления, ртутные и амальгамные, с длиной волны 254 нм. Воздействие ультрафиолета с длиной волны 254 нм происходит только на клетки микроорганизмов, химические или физические свойства обрабатываемой воды остаются неизменными, в воде не образуются побочные продукты обеззараживания даже в случае многократного превышения требуемой УФ-дозы [4].

В результате воздействия ультрафиолета в цепочках ДНК и РНК происходят необратимые повреждения, из-за которых микроорганизм теряет способность к размножению (инактивируется).

УФ-обеззараживание является эффективным барьером в отношении всех видов микроорганизмов, в том числе устойчивых к воздействию хлора, таких как вирусы и патогенные простейшие, крайне опасные в отношении возникновения массовых инфекционных заболеваний.

В настоящее время действующая нормативная база в Западной Европе и США регламентирует применение УФ-излучения для удаления практически всех видов вирусов при дозе УФ-излучения 40 мДж/см2.

Высокая эффективность воздействия УФ-излучения на цисты патогенных простейших и ооцисты криптоспоридий при дозах в пределах 22 мДж/см2 выявлена при проведении целого ряда исследований в РФ и за рубежом и закреплена в нормативных документах [3].
Практика применения мультибарьерных технологий обеззараживания

Мультибарьерные технологии в системах подготовки питьевой воды с применением УФ-излучения зарекомендовали себя как надежные, безопасные и эффективные на практике методы обеззараживания. Об этом свидетельствует опыт эксплуатации систем обеззараживания воды в разных городах РФ и мира.

Санкт-Петербург. В период с 2003 по 2008 г. в ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» осуществлена модернизация системы обеззараживания на сооружениях водоподготовки. Ранее применяемое хлорирование жидким хлором было заменено двухбарьерной технологией: УФ-обеззараживание в сочетании с хлораммонизацией (преаммонизацией). Тем самым была решена задача повышения эффективности обеззараживания (в отношении устойчивых к воздействию хлора вирусов, спор клостридий и цист патогенных простейших) при одновременной минимизации процесса образования хлорорганических соединений.

В результате модернизации максимально сокращено образование тригалогенметанов, являющихся производными хлора — сильного окислителя, вступающего в реакцию с органическими соединениями. Применение амальгамных ламп низкого давления в УФ-установках исключает образование побочных канцерогенных соединений.

Мультибарьерная технология обеззараживания воды внедрена после проведения комплекса предварительных технологических исследований и долгосрочных опытно-промышленных испытаний. По их результатам определены эффективные дозы УФ-облучения, соответствующие конкретным характеристикам исходной воды из реки Невы.

Общая проектная пропускная способность станций УФ-обеззараживания Санкт-Петербурга превышает 5 млн м3/сут.

Компактность УФ-установок позволила разместить их в существующих помещениях действующих машинных залов насосных станций второго подъема на Главной водопроводной станции, а также на других очистных сооружениях водопровода (рис. 1). Установки расположены на напорных магистралях после насосов второго подъема.
На всех УФ-установках комплекса реализована система автоматического регулирования мощности УФ-ламп, которая позволяет обеспечить экономию до 50% потребляемой активной электроэнергии в зависимости от расхода поступающей на обеззараживание воды.

Эффективность технологии комплексного обеззараживания с применением химического (хлораммонизация) и физического (УФ-обра- ботка) методов подтверждается данными Управления Роспотребнадзора по Санкт-Петербургу по заболеваемости вирусным гепатитом А, которая снизилась со 124 до 3,3 случаев на 100 тыс. человек в течение действия мультибарьерной технологии.

Нижний Новгород. Источниками питьевого водоснабжения Нижнего Новгорода являются реки Волга и Ока. На трех станциях водоподготовки города («Слудинская», «Малиновая гряда» и «Ново-Сормовская») реализована и успешно эксплуатируется современная мультибарьерная схема обеззараживания (рис. 2).
В качестве основного барьера комплексной технологии выступает ультрафиолетовое облучение, сопутствующей технологией является хлораммонизация.

Общая производительность комплексов УФ-обеззараживания в Нижнем Новгороде превышает 700 тыс. м3/сут.

Первой водопроводной станцией Нижнего Новгорода, модернизировавшей технологию обеззараживания и перешедшей к мультибарьерной схеме с использованием ультрафиолета, стала «Слудинская».

Основной причиной внедрения технологии обеззараживания ультрафиолетом явилась необходимость улучшения качества и повышения эпидемиологической безопасности воды, а также устранение возможности образования тригалогенметанов.

Технология УФ-обеззараживания была введена в 2009 г. и повысила барьерную роль сооружений водоподготовки в отношении устойчивых к хлору вирусов и простейших микроорганизмов. После модернизации схемы обеззараживания концентрация хлорорганических веществ в питьевой воде уменьшилась на 60−80% (например, концентрация хлороформа уменьшилась с 0,01 до 0,002 мг/л), резко снизилась интенсивность хлорфенольных запахов при поступлении в водоисточник фенолов или нефтепродуктов [5].

УФ-системы установлены на водопроводной станции «Слудинская» в помещении машинного зала насосной станции на напорных линиях насосов второго подъема в составе трех установок в вертикальном исполнении.

После нескольких лет успешной работы новой мультибарьерной схемы были модернизированы и две остальные водопроводные станции — «Малиновая гряда» и «Ново-Сормовская», где применялись те же технические и технологические решения, что и на станции «Слудинская».

По заключению Роспотребнадзора по Нижегородской области, после внедрения УФ-обеззараживания на водопроводной станции «Слудинская» заболеваемость вирусным гепатитом, А в нагорной части города, обслуживаемой именно этой станцией, снизилась в 14 раз (рис. 3) [6].
Новосибирск. Источником питьевого водоснабжения г. Новосибирска является река Обь. По заключению ФГУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в Новосибирской области» от 2008 г., источник относится ко второму классу опасности по микробиологическим загрязнениям. Для обеспечения надежного обеззараживания воды в Новосибирске была реализована мультибарьерная схема, где используется УФ-обеззараживание, выполняющее барьерную роль в отношении микроорганизмов, а также хлораммонизация, необходимая для поддержания надлежащего санитарного состояния воды в сооружениях и сетях.

УФ-обеззараживание вводилось в технологические схемы водоподготовки поэтапно, и сначала было реализовано на насосно-фильтровальной станции НФС-1 (проектная производительность 250 тыс. м3/сут), а затем на НФС-5 (600 тыс. м3/сут). Блок УФ-обеззараживания на НФС-1, введенный в эксплуатацию в 2010 г., состоит из четырех рабочих и одной резервной установки с амальгамными УФ-лампами. УФ-установки расположены после резервуаров чистой воды на очистных сооружениях водоподготовки (рис. 4).

Комплекс УФ-обеззараживания НФС-5 введен в эксплуатацию в 2013 г. УФ-станция состоит из четырех рабочих установок, расположенных на напорной магистрали насосной станции первого подъема перед смесителями.
Будапешт (Венгрия). В Будапеште основным источником питьевого водоснабжения является сеть подрусловых водозаборов из реки Дунай. Основным методом очистки питьевой воды была естественная фильтрация через подрусловые дрены с последующим хлорированием на станциях подкачки. Но такой метод чреват высокими рисками в отношении хлор устойчивых патогенов в условиях наводнений и подтоплений. По этому водоканал Будапешта (Fovarosi VIZMUVEK Zrt.) принял решение добавить еще одну стадию обеззараживания. Выбор выпал на применение ультрафиолета, так как этот метод отличается стабильностью обеззараживания даже при значительном изменении качества воды вследствие сезонных колебаний.

После долговременных годовых опытно-промышленных испытаний, подтвердивших эффективность УФ-обеззараживания в различных условиях эксплуатации, было принято решение об оснащении УФ-установками всех рабочих насосных станций второго подъема с суммарным расходом 600 тыс. м3/сут. Реализация проекта состоялась в 2009—2010 годах. Все пять УФ-установок были оснащены амальгамными УФ-лампами с перпендикулярным расположением относительно потока воды (рис. 5).
УФ-обеззараживание обеспечило соблюдение требований к качеству питьевой воды, особую важность имело отсутствие спор сульфитредуцирующих клостридий. Применение УФ-обеззараживания как основного барьера позволило сократить дозу вводимого хлора, тем самым снизив образование хлорорганических соединений в питьевой воде.

УФ-комплект в Будапеште является самым крупным комплексом обеззараживания ультрафиолетом в системах питьевого водоснабжения в Европейском союзе.

Другими примерами применения мультибарьерной схемы обеззараживания (УФ-излучение + хлорреагенты) в Европе могут служить сооружения водоподготовки в Хельсинки (Финляндия), состоящие из двух комплексов суммарной производительностью 268 тыс. м3/сут, и сооружения водоподготовки в Париже (Франция) производительностью 140 тыс. м3/сут.
Дополнительные мероприятия по повышению эффективности обеззараживания в системах водоснабжения городов с протяженными водопроводными сетями

С целью поддержания постоянного и стабильного качества питьевой воды по микробиологическим показателям в соответствии с нормативными требованиями в населенных пунктах с протяженными водопроводными сетями целесообразным является размещение дополнительных станций УФ-обеззараживания в системе подачи питьевой воды в непосредственной близости от жилой застройки.

В Санкт-Петербурге реализована и успешно эксплуатируется схема дополнительного обеззараживания питьевой воды на повысительных водопроводных станциях: Московской (рис. 6, а) и Фрунзенской (с расходом соответственно 1044 и 168 тыс. м3/сут).

В Череповце УФ-обеззараживание применяется на нескольких повысительных насосных станциях города суммарной производительностью около 100 тыс. м3/сут (рис. 6, б).
Использование УФ-излучения в качестве единственного метода обеззараживания

Необходимо отметить, что УФ-излучение находит применение не только в составе мультибарьерных схем, но и в качестве единственного метода обеззараживания.

В некоторых городах Европы наблюдается переход на УФ-облучение как на основной и единственный метод обеззараживания с тотальным отказом от хлорирования либо с применением хлорреагентов только для периодической санации сооружений и сетей (рис. 7).
При минимальном содержании органических соединений в воде (индикатором является показатель — общий органический углерод) принципиально исключается возможность вторичного микробиологического загрязнения питьевой воды. Именно поэтому УФ-обеззараживание без хлорирования применяют на подземной артезианской воде, в которой содержание общего органического углерода минимально, что принципиально отличает ее от поверхностных водоисточников.

Характерным зарубежным примером является комплекс станций водоподготовки г. Антверпена (Бельгия) суммарной производительностью порядка 111 тыс. м3/сут, подготавливающий воду из территориально распределенных артезианских скважин. В России примером могут служить сооружения водоподготовки в г. Сургуте, где УФ-оборудование установлено на основных узлах водоснабжения, в пос. Синегорье в Магаданской области, в г. Серпухове, Димитровграде и во многих других городах РФ.

Существуют примеры применения перехода исключительно на УФ-обеззараживание и в случае использования инфильтрационного источника водоснабжения, например, комплекс УФ-станций в Берлине (Германия) суммарной производительностью 106 тыс. м3/сут.
Выводы

  1. В условиях увеличения микробиологической нагрузки на сооружения водоподготовки, а также ужесточения нормативных требований мультибарьерные технологии обеззараживания позволяют обеспечить необходимое качество воды питьевого назначения.
  2. Положительный опыт модернизации систем обеззараживания воды в системах питьевого водоснабжения городов РФ и за рубежом, а также мировые тенденции и практика подтверждают возможность использования УФ-излучения в качестве наиболее надежной и безопасной современной технологии обеззараживания. Именно УФ-излучение обеспечивает основное глубокое обеззараживание с гарантированным эффектом по бактериальному, вирусному и паразитарному загрязнениям, тогда как реагентные методы с применением хлорреагентов в условиях глобального снижения содержания в питьевой воде токсичных, канцерогенных и мутагенных хлорорганических соединений могут использоваться только для поддержания санитарного состояния водопроводных сетей.
Список литературы

  1. Демин А. П. Региональные различия в обеспечении населения России централизованным водоснабжением и безопасной питьевой водой // Региональные исследования. 2019. № 2 (64). С. 80–91.
  2. Онищенко Г. Г. Эффективное обеззараживание воды – основа профилактики инфекционных заболеваний // Водоснабжение и санитарная техника. 2005. № 12, ч. 1. С. 8–12.
  3. United States Environmental Protection Agency. Long Term 2 Enhanced Surface Water Treatment Rule. https://www.epa.gov/dwreginfo/long-term-2-enhanced-surface-watertreatmentrule-documents (дата обращения 27.04.2022).
  4. Haider Th., Sommer R., Knasmller S., et al. Evaluation of genotoxic and mutagenic effects in drinking water samples treated with medium pressure and low pressure UV-lamps. Proceedings 2nd International Congress on Ultraviolet Technologie. – Vienna, Austria (July 9–11, 2003), International Ultraviolet Association.
  5. Дзиминкас Ч. А., Костюченко С. В. Консолидация современных технологий при подготовке питьевой воды на Слудинской водопроводной станции г. Нижний Новгород // Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение. 2011. № 3. С. 52–60.
  6. Жолдакова З. И., Тульская Е. А., Костюченко С. В., Ткачев А. А. Ультрафиолетовое обеззараживание как элемент многобарьерной схемы очистки воды для защиты от патогенов, устойчивых к хлорированию // Гигиена и санитария. 2017. № 96 (6). С. 531–535. DOI: http://dx.doi.org/10.18821/0016-9900-2017-96-6-531-535.