Ультрафиолетовое обеззараживание

Ультрафиолетовое обеззараживание — это физический метод обеззараживания (стерилизации) воздуха, воды и поверхностей, основанный на воздействии ультрафиолетового (УФ) излучения на микроорганизмы. Метод приводит к разрушению ДНК и РНК бактерий, вирусов, грибов и простейших, что лишает их способности к размножению и вызывает гибель. Ультрафиолетовое обеззараживание является одним из наиболее распространённых и экологически чистых способов борьбы с патогенной микрофлорой, не требующим применения химических реагентов.

История

Изучение бактерицидного действия солнечного света началось в конце XIX века. В 1877 году британские учёные Артур Даунс и Томас Блант обнаружили, что солнечный свет подавляет рост бактерий. В 1901 году немецкий физик и инженер Рихард Кюх и его коллеги создали первую ртутно-кварцевую лампу, излучавшую ультрафиолет. В 1903 году датский врач Нильс Рюберг Финсен получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине за использование концентрированного ультрафиолетового излучения для лечения кожного туберкулёза (волчанки).

Первые промышленные установки для обеззараживания воды с помощью УФ-излучения появились в 1910 году в Марселе (Франция) и в 1912 году в США. Однако широкое распространение метод получил только во второй половине XX века с развитием технологий производства газоразрядных ламп и совершенствованием источников УФ-излучения. С 1970-х годов УФ-обеззараживание стало активно применяться в системах водоподготовки, а с 1990-х — в системах вентиляции и кондиционирования воздуха.

Физические основы метода

Ультрафиолетовое излучение представляет собой электромагнитное излучение с длиной волны от 10 до 400 нм. Для целей обеззараживания используется диапазон УФ-С (200–280 нм), обладающий наибольшим бактерицидным действием. Максимум поглощения ДНК микроорганизмами приходится на длину волны около 254 нм, что соответствует линии излучения ртутных ламп низкого давления.

При поглощении УФ-излучения молекулами ДНК и РНК происходит фотохимическая реакция: образование тиминовых или урациловых димеров в цепочках нуклеиновых кислот. Это приводит к необратимым повреждениям генетического материала, в результате чего клетка теряет способность к репликации и делению. Для гибели микроорганизма требуется определённая доза облучения, измеряемая в Дж/м² или мДж/см².

Классификация источников УФ-излучения

По типу ламп

1. Ртутные лампы низкого давления — наиболее распространённый тип. Излучают монохроматический свет с длиной волны 253,7 нм. Отличаются высокой эффективностью (до 40% электрической мощности преобразуется в УФ-излучение) и длительным сроком службы (до 10 000 часов). Используются в бытовых и промышленных установках.
2. Ртутные лампы среднего давления — излучают широкий спектр УФ-излучения (200–600 нм). Имеют более высокую мощность, но меньший КПД (около 10%) и меньший срок службы. Применяются в крупных системах водоподготовки и для обеззараживания высоких потоков жидкости.
3. Амальгамные лампы — разновидность ртутных ламп низкого давления, в которых ртуть заменена амальгамой (сплавом ртути с другими металлами). Позволяют работать при более высоких температурах и имеют повышенную мощность.
4. Светодиодные (LED) УФ-излучатели — современный тип источников, использующий полупроводниковые светодиоды. Позволяют получать излучение в узком диапазоне длин волн (например, 265 нм или 280 нм). Отличаются компактностью, низким энергопотреблением, отсутствием ртути и мгновенным выходом на рабочий режим. Активно внедряются в портативные устройства и системы малой производительности.

По конструкции

• Открытые лампы — устанавливаются в помещениях для обеззараживания воздуха в отсутствие людей. Могут быть настенными, потолочными или напольными.
• Закрытые (рециркуляторы) — лампы помещены в корпус с вентилятором, который прогоняет воздух через зону облучения. Безопасны для присутствия людей.
• Погружные (иммерсионные) — устанавливаются непосредственно в ёмкости или трубопроводы с водой.
• Проточные — встраиваются в системы водоснабжения или вентиляции.

Применение

Обеззараживание воды

УФ-обеззараживание является одним из основных методов очистки питьевой воды, сточных вод и воды в бассейнах. Оно эффективно против бактерий (включая устойчивые к хлору формы), вирусов, цист простейших (например, лямблий и криптоспоридий). Установки УФ-обеззараживания воды широко применяются на водопроводных станциях, в частных домах, на предприятиях пищевой промышленности и в медицинских учреждениях.

Преимущества метода перед хлорированием: отсутствие образования токсичных побочных продуктов (хлорорганических соединений), сохранение органолептических свойств воды, высокая скорость обработки. Недостаток: отсутствие пролонгированного бактерицидного эффекта — после обработки вода может быть повторно загрязнена.

Обеззараживание воздуха

УФ-обеззараживание воздуха применяется в медицинских учреждениях (операционные, палаты, перевязочные), в лабораториях, на предприятиях пищевой промышленности, в общественных местах (транспорт, школы, офисы). Используются как открытые лампы (для обработки помещений в отсутствие людей), так и рециркуляторы (для непрерывной обработки в присутствии людей).

В системах вентиляции УФ-лампы устанавливаются в воздуховодах для обеззараживания приточного и рециркуляционного воздуха. Особенно эффективно в сочетании с фильтрацией.

Обеззараживание поверхностей

УФ-излучение применяется для стерилизации поверхностей в медицинских кабинетах, лабораториях, на пищевых производствах, в фармацевтике. Используются передвижные или стационарные установки. Для обработки поверхностей требуются более высокие дозы облучения, чем для воздуха или воды, так как эффективность снижается из-за затенения и загрязнения поверхностей.

В пищевой промышленности

УФ-обеззараживание применяется для обработки упаковочных материалов, тары, технологического оборудования, а также для консервирования некоторых продуктов (например, соков, молока, питьевой воды). В ряде стран разрешено использование УФ-излучения для обработки пищевых продуктов с целью продления срока хранения.

В медицине

Исторически УФ-излучение использовалось для лечения кожных заболеваний (псориаз, экзема, витилиго). В настоящее время применяется в фототерапии, а также для стерилизации медицинского инструментария и помещений.

Эффективность и факторы, влияющие на неё

Эффективность УФ-обеззараживания зависит от:

• Дозы облучения — произведения интенсивности излучения на время воздействия. Для разных микроорганизмов требуются разные дозы. Например, для инактивации 99,9% бактерий кишечной палочки (E. coli) требуется доза около 10–15 мДж/см², для вируса гриппа — около 3–5 мДж/см², для спор плесневых грибов — до 100 мДж/см² и более.
• Длины волны — максимальная эффективность достигается в диапазоне 250–270 нм.
• Прозрачности среды — вода или воздух должны быть достаточно прозрачны для УФ-излучения. Взвешенные частицы, растворённые вещества, органические соединения поглощают и рассеивают УФ-излучение, снижая эффективность.
• Температуры и влажности — для ртутных ламп оптимальная температура окружающей среды составляет 20–40 °C. При низких температурах эффективность снижается.
• Состояния поверхности лампы — загрязнение кварцевого чехла или колбы лампы снижает интенсивность излучения.

Безопасность

УФ-излучение в бактерицидном диапазоне (УФ-С) опасно для человека. Прямое воздействие на кожу вызывает ожоги (эритему), а на глаза — фотокератит (воспаление роговицы) и конъюнктивит. Длительное воздействие может способствовать развитию рака кожи. Поэтому при использовании открытых ламп необходимо отсутствие людей и животных в помещении, а также использование средств индивидуальной защиты (очки, перчатки, защитная одежда). Рециркуляторы закрытого типа безопасны для постоянного присутствия людей, так как излучение локализовано внутри корпуса.

Озонообразующие лампы (с длиной волны менее 200 нм) могут выделять озон, который в высоких концентрациях токсичен. Современные бактерицидные лампы, как правило, не производят озон.

Сравнение с другими методами обеззараживания

Интересные факты

• Первая в мире установка УФ-обеззараживания воды была построена в 1910 году в городе Марсель (Франция) для очистки питьевой воды из канала.
• В 2020 году, в период пандемии COVID-19, интерес к УФ-обеззараживанию резко возрос. Было доказано, что УФ-излучение в диапазоне 254 нм эффективно инактивирует коронавирус SARS-CoV-2.
• Разрабатываются технологии «дальнего УФ-С» (222 нм), которые, по предварительным данным, безопасны для кожи и глаз человека, что позволяет использовать их в присутствии людей.
• Некоторые бактерии, например, Deinococcus radiodurans, обладают высокой устойчивостью к УФ-излучению благодаря эффективным механизмам репарации ДНК.

Источники

• Большая советская энциклопедия. Статья «Ультрафиолетовое излучение».
• СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения».
• ГОСТ Р 54814-2011 «Ультрафиолетовые бактерицидные установки. Общие технические требования».
• Научные публикации в журналах «Water Research», «Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology», «Applied and Environmental Microbiology».
• Отчёты Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) по вопросам качества питьевой воды и обеззараживания.