Микроорганизмы, ДНК которых подвергается влиянию ультрафиолетового излучения с длиной волны от 100 до 400 нм, погибают или становятся неактивными. Волны с длиной 255-265 нм наиболее эффективно разрушают ДНК и РНК и являются самыми смертоносными; длина волны 280 нм разрушает белки и ферменты. При оценке потенциала инактивации за стандарт принимается количество энергии, передаваемое ультрафиолетом с длиной волны 254 нм.

Естественное и искусственное УФ-излучение (длина волны 190 – 400 нм) повреждает микроорганизмы, прямо или косвенно влияя на нуклеиновые кислоты. Прямой ущерб связан с поглощением молекулой ДНК радиации, в результате чего происходит образование фотопродуктов. Коэффициент поглощения у молекул ДНК высок в диапазоне УФ-C (190-280 нм), но уменьшается более чем на три порядка в диапазоне УФ-B (280 – 320 нм) и ничтожно мал в УФ-A диапазоне (320 – 400 нм) (Miller et al. 1999). Эффект излучения в диапазоне УФ-C, наносящий ущерб ДНК, используется в бактерицидных лампах. Ртутная лампа низкого давления излучает приблизительно 85% своей вырабатываемой энергии в виде монохромного света с длиной 250-270 нм, оптимальной для бактерицидного действия. Солнечное облучение в диапазоне УФ-B прямо или косвенно повреждает молекулы ДНК, в то время как УФ-A диапазон приводит лишь к косвенному ущербу. Только получившие прямые повреждения молекулы ДНК восстанавливаются путем фотореактивации.

Повреждения, вызванные волнами в диапазоне УФ-C, часто приводят к образованию димеров из двух молекул пиримидина. Фотопродукты циклобутана пиримидина и пиримидина-пиримидона (6-4) являются двумя основными видами фотоповреждений, образовавшихся в результате прямого поглощения ДНК излучения в диапазоне УФ-C (Friedberg et al. 1995). После того, как все остатки пиримидина связываются друг с другом, ауторепликация нуклеиновой кислоты блокируется, что приводит к невозможности деления мутирующих клеток (Stover et al. 1986). Умеренный уровень энергии ультрафиолетового излучения не оставляет токсичных остаточных продуктов в очищенной воде. Хотя химические соединения изменяются под воздействием радиации (Gjessing and Kallqvist, 1991; Lund and Hongve, 1994), дозы ультрафиолета при дезинфекции слишком малы для получения значительных количеств фотопродуктов (Oliver и Carey, 1976; de Veer et al. 1994). Эта нетоксичность имеет решающее значение, когда выбор делается в пользу метода ультрафиолетового излучения для обеззараживания втекающей воды в УЗВ.

Доза УФ-излучения

Для достижения обеззараживающего эффекта требуется наличие минимальной дозы ультрафиолетового излучения.

УФ-доза = УФ-интенсивность*t-экпозиции = (мВтсек/см²)*сек

Типичным является время воздействия 10-30 секунды (White, 1992).

Средства ультрафиолетового излучения обычно устанавливаются на фермах по выращиванию смолта для дезинфекции морской и пресной воды, а также используются для бактериологического контроля в системах замкнутого водоснабжения (Rosenthal, 1981). Однако до того, как УФ-излучение достигнет мишени, оно должно пройти через толщу воды. Применение ультрафиолетового излучения в сильно замутненной воде, как это часто происходит в системах замкнутого водоснабжения, совершенно неэффективно, поскольку передача через водную толщу крайне незначительна, и такое излучение не способно убить ни одного микроорганизма. Поэтому, для прогнозирования необходимой дозы излучения, проходящей от источника света до целевого организма, следует определить наименьшее ожидаемое пропускание ультрафиолета в обрабатываемой воде.

Фактическая доза УФ-излучения, применяемая к потоку воды, зависит от:

— Скорости водного потока (Q) и рабочего объема генератора УФ;

— Интенсивности лампы (включая потери в кварцевом рукаве);

— Пропускание УФ-излучения в воде (% пропускания).

УФ-доза = УФ-интенсивность*t-экпозиции*фактор переноса = УФ-интенсивность*(Vемкости/Q)*a*exp^{(b*%пропускания)} = #(мВтсек/см²)*сек

Доза УФ-излучения для дезинфекции

Доза для уничтожения 99.9% бактерий по Wedemeyer (1996) и Liltved (2001)
Вид	мВтсек/см2
Aeromonas salmonicida	4
Aeromonas hydrophila	5
Vibrio anguillarum	4
Yersinia ruckeri	3
Pseudomonas fluorescens	5
Wedemeyer (1996)
Доза для сдерживания роста сапролегний	230
Доза для снижения инвазивной способности Myxobolus cerebralis	28
Рекомендуемая доза для воды в УЗВ	30
Рекомендованная доза для стоков из инкубатора	30

Эти значения показывают, что в лабораторных условиях дозы 2 – 6 мВт-сек/см² уменьшают жизнеспособное количество рассмотренных видов на 99.9% или более. Однако в рамках реальных непрерывных экспериментов, для получения максимального уровня обеззараживания, дозы должны быть значительно выше (Bullock and Stuckey, 1977; Liltved and Cripps, 1999). Поэтому при подсчете необходимой дозы в реальных условиях к результатам лабораторных исследований следует относиться с осторожностью.

Доза для уничтожения 99.9% вирусов по Wedemeyer (1996) и Liltved (2001)
Вид	мВтсек/см2
Патогенный вирус анемии лососевых (ISA)	4-10*
Вирус инфекционного некроза гемопоэтической ткани (IHN)	1-3
Вирус инфекционного панкреатического некроза (IPN)	100-200
Герпесвирус канального сома	2
Герпесвирусная болезнь лососевых (Herpesvirus salmonis)	2
Синдром белых пятен (возбудитель – бакуловирус)	900*
*-потеря заразности

Исследования Torgersen (1998) указывают на то, что патогенный вирус анемии лососевых восприимчив к ультрафиолетовому излучению. Когда гомогенат инфицированной ткани облучали дозами 4–10 мВтсек/см², вирус утрачивал заразность. С другой стороны, вирус инфекционного панкреатического некроза (IPN), не окклюдированный бирнавирус, возбудитель которого вызывает инфекцию поджелудочной желез у Атлантического лосося, напротив, устойчив к УФ-излучению. Для уничтожения 99.9% вирусов в соленой воде (Liltved et al. 1995) необходима доза в 122 мВтсек/см². Аналогичные дозы отмечены в исследованиях, проведенных японскими учеными (Sako and Sorimachi, 1985; Yoshimizu et al. 1986). Несмотря на устойчивость IPN бирнавируса, именно ультрафиолетовое излучение выбрали для дезинфекции объектов водоснабжения на норвежских лососевых фермах, где данный метод используют для уничтожения бактерий. Бирнавирус IPN проходит через эти установки без изменений, поскольку применяемые дозы слишком низкие для его инактивации. В связи с существенными потерями от вспышек IPN, следует рассмотреть профилактические меры, модернизацию существующих УФ-излучателей для уничтожения вируса. Это особенно важно при заборе воды из источников, зараженных вирусом IPN. Такая модернизация потребует пятикратного увеличения дозы УФ-излучения по сравнению с нынешней интенсивностью 25 мВтсек/см².

Еще более высокие дозы потребовались для сведения к нулю инвазивности бакуловируса азиатских креветок. Бакуловирус, вызывающий некроз средней кишки (BMNV), и вирус синдрома белых пятен (WSBV) удалось уничтожить дозами 410 и 900 мВтсек/см², соответственно (Momayama, 1989; Chang et al. 1998). Из-за крайней устойчивости этих вирусов и слишком высокой необходимой скорости водного потока ультрафиолетовое излучение не подходит для уничтожения бакуловирусов на азиатских креветочных фермах. Однако высокоэффективное ультрафиолетовое излучение может быть пригодным для икорников и выростных прудов с ограниченным водопользованием. Существуют и другие исследования, предоставляющие дополнительную информацию об уровне ультрафиолетового излучения, необходимого для достижения полной дезинфекции (Hunter et al. 1998; Wedemeyer, 1996).

Предварительная фильтрация через экран в 50 мкм позволяет усилить уничтожение бактерий УФ-излучением на 3.0*log10 единиц (Liltved and Cripps, 1999)

Для бактерий, связанных с фрагментами рачков Артемий, отмечен механизм защиты через сокрытие в частицах. Для них недостаточна дозозависимой инактивации в диапазоне 10-22 мВтсек/см². Полученные результаты свидетельствуют о возможной передаче патогенных бактерий на наземные фермы, даже если проточную воду обеззаразили УФ-излучением. Кроме того, опыты доказали, что предварительная фильтрация повышает эффективность удаления бактерий. Размеры сетки 50 мкм привели к возрастанию эффективности очищения на более чем 5log10 единиц. Это свидетельствует в пользу предварительной фильтрации проточной воды для удаления мелких фрагментов ракообразных и других частиц, где бактерии способны укрыться до начала дезинфекции УФ-излучением.

Фильтрация и УФ-дезинфекция

Преимуществами ультрафиолетового излучения являются отсутствие токсичных остатков и продуктов реакции, низкая себестоимость при обеззараживании высококачественной воды, простота эксплуатации и технического обслуживания и минимальные требования по размещению. При этом следует регулярно проводить механическую или химическую чистку кварцевых рукавов, чтобы избежать засорения.

Основным недостатком УФ дезинфекции сооружений на рыбоводческих фермах выступает неэффективность в борьбе с основными патогенными вирусами рыб. Этот недостаток способен ограничить использование ультрафиолетового излучения в будущем, поскольку борьба с вирусами становится важной превентивной мерой на фермах по разведению рыбы и креветок.

Виды ламп для УФ-излучения

Ртутные лампы:

— Низкое давление, низкая интенсивность (старая технология)

— Низкое давление, высокая интенсивность (новейшая технология)

— Среднее давление, высокая интенсивность (новая технология)

Мощность УФ-излучения постоянно ухудшается с момента первого включения. Предположим, что в общем падение мощности составит 3% в месяц или 40% в год. Температура воздуха также влияет на мощность УФ-излучении. Выходная мощность УФ-излучения равна 100% при 38°C; при 0°C она составляет всего 10% от мощности при 38°C. Проблему можно решить с помощью кварцевых рукавов, которые создают тепловой карман вокруг УФ-лампы и сохраняют мощность, близкую к ее максимальному потенциалу. Кварцевый рукав сократит мощность устройства только на 5% из-за коэффициента пропускания самого рукава. Расход на замену ламп в приборах для УФ-излучения может оказаться значительным, особенно по сравнению с другими методами стерилизации и дезинфекции. Как правило, замену УФ-лампы следует проводить, по крайней мере, один раз в год.

Сравнение приборов для УФ-излучения

Давление/интенсивность	Низкое/низкая	Низкое/высокая	Среднее/высокая
Мощность, Вт	15-70	120-260	4000
Эффективность, %	40	35-40	10-15
Светоотдача в диапазоне 254нм, Вт/см	0.1-0.2	0.5-1.0	3.0 УФ-C
Температура, °C	39	100	600
Кол-во ламп, необходимое для обработки 0.8м3/сек водного потока	100	30	5
Общая мощность, rВт	7.5	7.8	20
A. Kolch Pollution Engineering, 1999, pp.34-36

 

 

Помимо дезинфекции, лампы среднего давления могут:

— фотоокислять органический углерод при длине волн, равной 185 нм,

— создавать гидроксильные радикалы (ХО-), что приводит к распаду органических молекул

— преобразовывать нитрат в нитрит, если вы не установили специальный кварцевый рукав для фильтрации.

Конструкция аппарата

Кожухотрубную (Tube-and-Shell) конструкцию, находящуюся под давлением, следует выбирать, когда в трубе необходимо сохранить давление воды. Как правило, она функционирует при потере напора воды >0.2-1.0 метра.

Конструкцию «открытого канала» (Open Channel) без давления следует выбирать в случае малого напора воды.

 

 

——
Ozonation and UV Disinfection. Steven Summerfelt & Brian Vinci Freshwater Institute, Shepherdstown, WV