Вей Лю, Чии Шанг, Лок Ман Чунг, Университет науки и технологии, Гонконг
Резюме. Комбинация ультрафиолетового (УФ) излучения и хлорирования является перспективной схемой последовательного обеззараживания питьевой воды, поскольку УФ излучение эффективно против устойчивых к хлору патогенных микроорганизмов, и при этом хлор можно применять с пониженными дозами, в основном, для обеспечения остаточного действия. В этой работе изучалось формирование тригалометанов (ТГМ) и галогенуксусных кислот (ГУК) при различных последовательностях дезинфекции воды с использованием хлора и УФ излучения – ламп низкого и среднего давления. Было обнаружено, что первичная обработка воды, содержащей гуминовые кислоты, УФ лампами низкого давления (УФНД) приводит к некоторому увеличению формирования побочных продуктов дезинфекции (ППД) при последующей обработке хлором, и количество ППД увеличивается с повышением дозы УФ излучения. Добавление хлора непосредственно перед облучением УФНД приводит к значительно большему образованию ППД. И наоборот, первичная обработка УФ лампами среднего давления (УФСД) снижает формирование ППД при последующем хлорировании и это снижение увеличивается с увеличением УФ дозы. Первичное хлорирование приводит к большему образованию ППД по сравнению с обратной последовательностью, но количество образующихся ТГМ во всех случаях было ниже, чем при использовании только хлора, без УФ облучения. Комбинация УФНД и хлора существенно увеличивает потенциал формирования ППД. И наоборот, комбинация УФСД-хлор не влияет или снижает потенциал формирования ППД при первичном или вторичном хлорировании соответственно.
ВВЕДЕНИЕ
Последовательное применение различных дезинфектантов получает все большую популярность в последнее время, в связи с необходимостью поддержания качества питьевой воды в соответствии с все более жесткими стандартами и требованиями к инактивации устойчивых к хлору патогенных микроорганизмов, таких как Cryptosporidium parvum, Giardia lamblia и др., а также снижению ППД. Как было недавно доказано, УФ излучение очень эффективно в обезвреживании хлор устойчивых микроорганизмов, таких как Cryptosporidium parvum (Clancy et al., 2000; Craik et al., 2001; Linden et al., 2001). При этом рассматривается, что УФ облучение действует, как первичный дезинфектант в сочетании с вторичным дезинфектантом, таким как хлор, при комбинированном последовательном дезинфекционном подходе.
На рынке существует два типа УФ ламп, ртутные лампы низкого давления (НД) и среднего давления (СД). Лампы низкого давления являются наиболее эффективным источником бактерицидного УФ, т.к. они производят монохроматичное УФ излучение с длиной волны около 254 нм, которая близка к максимально эффективной бактерицидной длине волны. В то же время, УФ лампы среднего давления производят полихроматичное УФ излучение (от 185 до 400 нм) с высокой интенсивностью. Лампы СД менее эффективны в преобразовании электрической энергии в бактерицидное излучение, по сравнению с лампами НД. Также у ламп СД потери энергии больше, чем у НД ламп, т.к. СД лампы работают при большем давлении ртутных паров и большей температуре, чем лампы НД. Тем не менее, СД лампы становятся все более популярными в системах дезинфекции по причине ряда преимуществ, таких как меньшее количество ламп, компактные размеры оборудования и других, являющихся результатом более высокой (в более чем 10 раз) общей бактерицидной интенсивностью по сравнению с НД лампами. Оба типа ламп одинаково эффективны в инактивации микроорганизмов, как говорится в литературе, и каждый тип может использоваться для различных применений с учетом их собственных достоинств.
Поскольку формирование ППД сильно зависит от состава и содержания органических веществ в воде, любой процесс предочистки, включая использование дезинфектантов до хлорирования или хлораммонизации, может изменить состав или количество органики и соответственно влиять на формирование ППД. До настоящего времени, влияние УФ излучения на органические вещества и взаимодействие УФ модифицированной органики с хлором не было описано в литературе. Таким образом, предметом данного исследования было изучение формирования ППД при различных последовательностях обработки растворов органических веществ ультрафиолетом НД или СД и хлором. Исследование проводилось с модельными растворами и в качестве источника органического вещества использовались гуминовые кислоты. Измеряемыми величинами были концентрации ТГМ и ГУК, а также сравнительное воздействие УФСД и УФНД на соответствующее формирование ППД.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Во всех случаях, хотя и производились измерения всех четырех ТГМ и девяти ГУК, были обнаружены только хлороформ, дихлоруксусная кислота (ДХУК) и трихлоруксусная кислота (ТХУК). Это было обусловлено отсутствием бромид ионов в растворе синтетической гуминовой кислоты. Концентрация гуминовой кислоты (ГК) была 5 мг/л во всех опытах и дозы УФ излучения составляли от 0 до 140 мДж/см2, что соответствует обычному содержанию органики в поверхностных водах и общепринятым дозам УФ излучения, применяемым при обработке воды соответственно. Все опыты проводились при комнатной температуре 22° С,
Рисунок 1 показывает результаты образования ППД при первичной обработке УФ и последующем хлорировании.
Такая последовательность “УФ-хлор” является обычной практикой при очистке воды. Результаты применения УФНД и УФСД приведены на Рис. 1а и Рис.1б соответственно. Как видно на Рис. 1а, первичная обработка УФНД привела к увеличению количества ТГМ и ГУК и этот рост увеличивается с повышением дозы УФ излучения от 0 до 140 мДж/см2. Наоборот, первичная обработка воды УФСД привела к очевидному снижению всех трех ППД в растворе гуминовой кислоты, и снижение становится более значительным с увеличением дозы УФ излучения. Эти результаты показывают, что первичная обработка воды УФ излучением может изменять состав или структуру гуминовой кислоты. Более того, противоположные результаты также указывают, что УФСД, содержащее довольно широкую полосу УФ спектра, оказывает отличное от УФНД воздействие на гуминовую кислоту. Как следствие, содержание ТГМ, ТХУК и ДХУК соответственно оказались ниже на 116, 130 и 122,5% при дозе 140 мДж/см2 с использованием УФСД, чем при той же дозе УФНД.
Образование ППД при последовательной обработке “хлор-УФ излучение” исследовалось таким же образом, как и при “УФ излучение-хлор”, за исключением того, что последовательность была обратной. Исходя из комбинированного использования химического и физического дезинфектанта, добавление вторичного дезинфектанта (хлора) непосредственно перед УФ установкой концептуально осуществимо. Этот подход также обычен в практике, когда вода прехлорируется и остаточный хлор проходит через последующую стадию УФ дезинфекции и служит в дальнейшем как вторичный дезинфектант.
Рисунок 2 представляет сравнение уровней формирования ППД при обратной последовательности обработки воды с использованием свободного хлора (7 мг/л по С12) и УФ облучения (60 мДж/см2) со временем реакции 24 часа.
Уровни образования ППД при использовании только хлора без УФ излучения также приведены для сравнения. Очевидно, что уровни образования ППД при последовательности “хлор-УФНД” выше, чем при “УФНД-хлор”, особенно по уровню ТГМ и в обоих случаях выше, чем при хлорировании.
Точно так же, последовательность “хлор-УФСД” производит однозначно больше ППД в растворе ГК, чем “УФСД-хлор”. Хотя при последовательности “УФСД-хлор”, уровни ГУК были всегда ниже, чем при чистом хлорировании, а уровень ТГМ возрастал. Эти результаты при использовании УФНД и УФСД совпадают, т.е. добавление хлора перед УФ облучением всегда приводят к большему образованию ППД, особенно по уровню ТГМ. Предполагается, что одновременная обработка воды хлором и УФ в начале процесса может вызывать более значительные изменения в составе и структуре ГК и таким образом способствовать большему образованию ППД. Предположительно, это является следствием фото-каталитической реакции взаимодействия между НОС1 и УФ излучением, подобной фотоокислительным реакциям озон/УФ излучение и перекись водорода/УФ излучение.
Было также обнаружено, что первичное УФ облучение, как УФНД, так и УФСД, приводит к быстрому снижению свободного остаточного хлора в растворах
ГК, в то же время совместная обработка УФ и хлором привела к еще более быстрому его распаду (данные здесь не приведены). Эти результаты в свою очередь также демонстрируют изменения в составе и структуре ГК, причиненные УФ излучением, и это явление может быть объяснено увеличением концентрации промежуточных продуктов (таких как низкомолекулярные органические кислоты) генерируемых УФ облучением.
Результаты потенциала формирования ТГМ и ГУК при использовании свободного хлора приведены в Таблице 1.
Эксперименты проводились таким же образом, но УФ дозы составляли 0-60 мДж/см2. Начальные концентрации хлора, принятые в этих опытах, составляли 30 мг/л по С12 для получения остаточного содержания после двух недель выдержки. Как и ожидалось, ППД (ТГМ, ДХУК и ТХУК) были обнаружены в значительно больших количествах и с большей степенью влияния УФ облучения на их уровни, по сравнению с уровнями ППД и их изменением при обычно применяемых дозах хлора. В случае использования УФНД, ППД при комбинированной обработке оказались выше, чем при использовании только хлора, и значительно больший рост (примерно в 5 раз) наблюдался по ТГМ при последовательности обработки “хлор-УФ” по сравнению с “УФ-хлор”. Эти данные позволяют предположить, что фото-каталитическое окисление ГК при одновременном использовании УФНД и хлора могут создавать значительные, но специфические изменения в растворах ГК, приводящих только к росту уровня ТГМ.
В случае с использованием УФСД, первичная обработка воды имела слабый эффект на ППД (ТГМ, ДХУК и ТХУК). Интересные и заслуживающие внимания результаты по снижению ППД были получены в растворах ГК при совместной обработке УФ излучением и хлором. Это неожиданное снижение ППД вместе с последующим быстрым разрушением остаточного свободного хлора могут говорить об увеличении количества других промежуточных продуктов или других не определяемых хлор содержащих ППД, отличных от ТГМ и ГУК.
ВЫВОДЫ
УФНД увеличивает уровни концентраций ТГМ и ДХУК при последующем хлорировании с нормальными дозами и контактным временем, в то же время УФСД облучение приводит к общему снижению уровней концентрации ППД. В связи с предполагаемым фотокаталитическим эффектом при совместном воздействии УФ излучения и остаточного хлора, наблюдались более высокие концентрации ППД в обоих случаях “хлор-УФНД” и “хлор-УФСД”, по сравнению с первичной обработкой УФ излучением. Был получен существенный рост потенциала формирования ППД во всех комбинациях УФНД и хлора. Первичное УФСД облучение слабо влияет на формирование ППД при последующем хлорировании, но последовательность обеззараживания “хлор-УФСД” привела к неожиданному, значительному снижению образования ППД, по сравнению с обычным хлорированием.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Clancy, J.L., Bukhari, Z., Hargy, T. M., Bolton, J. R., Dussert, B. W. and Marshall, M. M. (2000) Using UV to Inactivate Cryptosporidium. Jour. AWWA., Vol.92, No.9, 97-104.
2. Linden, K. G, Soriano, G S. and Sobsey, M. D. (2001) Comparative effectiveness of UV wavelengths for the inactivation of Cryptosporidium parvum oocysts in water. Wat. Sci. TechnoL, Vol.43, No. 12, 171-174.
3. Craik, S.A., Weldon, D., Finch, G R., Bolton, J. R. and Belosevic, M. (2001) Inactivation of Cryptosporidium Parvum Oocysts Using Medium- and Low-Pressure Ultraviolet Radiation. Wat. Res., Vol.35, No.6, 1387-1398.
4. Havelaar, A., Meukemans, C, Pot-Hoge-boom, W. and Koster, J. (1990) Inactivation of bacteriophage MS2 in wasterwater effluent with monochromatic and polychromatic light. Wat. Res., Vol.24, No.ll, 1387-1393.
5. Linden, K. G and Darby, J. L. (1997) Estimating effective germicidal dose from medium pressure UV lamps. J. Environ. Engrg., Vol.123, No.ll, Nov. 1142-1149. Giese, N. and Darby, J. (2000) Sensitivity of microorganism to different wavelengths of UV light: implications on modeling of medium pressure UV systems. Wat. Res., Vol.34, No.16, 4007-4013.
6. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (1998). 20th edn, American Public Health Association/American Water Works Association/Water Environment Federation, Washington DC, USA.
7. U.S. Environmental Protection Agency (1990). Methods for the Determination of Organic Compounds in Drinking Water: Supplement I, EPA-600/4-90/020, Cincinnati.