Dezynfekcja wody promieniowaniem ultrafioletowym (UV)

Woda stanowi niezbędny zasób zarówno dla życia, jak i funkcjonowania kluczowych sektorów gospodarki, takich jak rolnictwo czy przemysł. Aby mogła być bezpiecznie wykorzystywana zgodnie ze swoim przeznaczeniem, często konieczne jest zastosowanie specjalistycznych technologii uzdatniania. Wśród nich szczególne znaczenie ma dezynfekcja, której celem jest eliminacja patogennych mikroorganizmów. Idealna metoda dezynfekcji powinna być nie tylko skuteczna i ekonomiczna, ale także bezpieczna dla procesów produkcyjnych, użytkowników wody oraz środowiska naturalnego. W odpowiedzi na te wymagania rosnącym zainteresowaniem cieszy się technologia oparta na promieniowaniu ultrafioletowym (UV), uznawana za wysoce efektywną i bezpieczną, bez konieczności stosowania środków chemicznych.

Dlaczego dezynfekcja wody jest ważna?

Dezynfekcja jest podstawowym etapem procesów uzdatniania wody, zapewniającym jej bezpieczeństwo mikrobiologiczne. Ma to fundamentalne znaczenie niezależnie od przeznaczenia wody – czy to do spożycia, zastosowań przemysłowych, czy rekreacyjnych. Celem tego procesu jest eliminacja lub inaktywacja szkodliwych mikroorganizmów, takich jak bakterie, wirusy, pierwotniaki i inne patogeny, które mogą stwarzać poważne zagrożenie dla zdrowia, a nawet życia człowieka.

Choć tradycyjne metody dezynfekcji oparte na środkach chemicznych mają ugruntowaną pozycję, wiążą się z ryzykiem powstawania toksycznych produktów ubocznych i mogą być nieskuteczne wobec niektórych organizmów, w tym opornych na poszczególne pochodne chloru. W tym kontekście technologia dezynfekcji promieniowaniem ultrafioletowym (UV) stanowi skuteczną i bezpieczną alternatywę – efektywnie eliminuje także patogeny chemoodporne, nie wprowadzając do wody żadnych dodatkowych substancji chemicznych.

Charakterystyka systemów dezynfekcji UV

Systemy dezynfekcji UV, znane również jako lampy lub sterylizatory UV, to urządzenia służące do oczyszczania wody za pomocą promieniowania ultrafioletowego. Wykorzystują one światło o określonej długości fali do niszczenia materiału genetycznego mikroorganizmów. Technologia ta znajduje szerokie zastosowanie – od niewielkich instalacji w gospodarstwach domowych po rozbudowane systemy w zakładach uzdatniania wody i obiektach przemysłowych.

Zasadniczym elementem tych systemów są żarniki emitujące promieniowanie UV. Ze względu na charakterystykę emitowanego promieniowania, lampy UV można podzielić na dwie grupy:

• Lampy niskociśnieniowe (LP): Charakteryzują się emisją monochromatyczną o stałej długości fali 254 nm, co pokrywa się z maksimum absorpcji DNA, zapewniając wysoką efektywność dezynfekcji. Promienniki te zawierają również niewielkie ilości par rtęci [1].

• Lampy średniociśnieniowe (MP): Emitują promieniowanie w szerszym zakresie UV. Wynika to z zawartości większej ilości par rtęci, co w połączeniu z wysoką temperaturą pozwala uzyskać promieniowanie w szerszym spektrum. Szersze spektrum emisji oraz wyższa moc jednostkowa sprawiają, że lampy MP znajdują zastosowanie w instalacjach o bardzo dużych przepływach lub w specyficznych procesach wymagających oddziaływania różnych długości fal [2].

Budowa lampy UV

Konstrukcja typowego sterylizatora UV składa się z kilku kluczowych elementów:

1. Komora reakcyjna: Obudowa, najczęściej cylindryczna, wykonana ze stali nierdzewnej, przez którą przepływa woda. Jej geometria i wymiary są projektowane w celu zapewnienia optymalnej hydrauliki przepływu (minimalizacja stref martwych, zapewnienie odpowiedniego czasu retencji) oraz równomiernego rozkładu natężenia promieniowania w całej objętości przepływającej wody.

2. Promiennik UV: Źródło promieniowania UV (żarnik), emitujące światło o określonej długości fali. Jest to najważniejszy element sterylizatora, w lamach przeznaczonych do dużych przepływów stosuje się klika promienników UV.

3. Osłonowa kwarcowa: Specjalny przewód hydrauliczny, o owalnym przekroju, który oddziela promiennik od przepływającej wody. Chroni go przed bezpośrednim kontaktem z wodą, zanieczyszczeniami i uszkodzeniami mechanicznymi. Najczęściej wykonana z wysokiej czystości kwarcu syntetycznego, charakteryzującego się wysoką transmitancją dla promieniowania.

4. System zasilania i sterowania: Układ elektroniczny zapewniający odpowiednie napięcie i prąd do uruchomienia i stabilnej pracy promiennika UV. System monitorowania pracy może obejmować elementy takie jak czujniki natężenia UV, licznik godzin pracy lampy, alarmy i wiele innych.

Rysunek 1: Budowa lampy UV

Promieniowanie ultrafioletowe

Promieniowanie ultrafioletowe to część widma promieniowania elektromagnetycznego o długości fali od 100 do 400 nanometrów (nm). Jest ono niewidzialne dla ludzkiego oka. Ze względu na długość fali i oddziaływanie biologiczne, promieniowanie UV dzieli się na:

• UV-A (315-400 nm): Najmniej energetyczne, stosunkowo bezpieczne.

• UV-B (280-315 nm): Ma działanie biologiczne, ale mniejsze właściwości biobójcze niż UV-C.

• UV-C (100-280 nm): Promieniowanie o najwyższej energii i najsilniejszych właściwościach biobójczych. Zakres ten, w szczególności bliski 254 nm, jest wykorzystywany do dezynfekcji.
Promieniowanie UV-C wykazuje najwyższą skuteczność biobójczą. Prowadzi ono do zmian w kwasach nukleinowych (DNA, RNA), takich jak rozrywanie łańcuch czy denaturację białek [3].

Rysunek 2: Charakterystyka widmowa

Wpływ promieniowania na mikroorganizmy

Promieniowanie UV-C, wnikając przez ścianę komórkową mikroorganizmu, jest absorbowane przez kwasy nukleinowe (DNA i RNA). Absorpcja ta prowadzi do reakcji fotochemicznych, głównie powstawania dimerów pirymidynowych (zwłaszcza tyminy w DNA). Te uszkodzenia zaburzają strukturę materiału genetycznego, uniemożliwiając replikację (rozmnażanie) i transkrypcję, co prowadzi do inaktywacji mikroorganizmu (utraty zdolności do namnażania) lub śmierci komórki [4].

Skuteczność dezynfekcji zależy od wielu czynników. Jednym z nich jest rodzaj mikroorganizmu. Bakterie i wirusy są najbardziej wrażliwe na promieniowanie, podczas gdy zarodniki grzybów (pleśnie) czy cysty pierwotniaków wymagają wyższych dawek. Innymi czynnikami determinującymi skuteczność promieniowania UV jest wiek i wielkość mikroorganizmów, ich stan fizjologiczny, czynniki środowiskowe oraz forma mikroorganizmu [5]. Przykładowo, dawki UV wymagane do inaktywacji większości bakterii i wirusów są niższe niż te potrzebne do inaktywacji bardziej odpornych form, takich jak zarodniki grzybów (pleśni) czy cysty pierwotniaków.

Czym jest dawka promieniowania UV?

Dawka promieniowania UV (fluencja) jest miarą energii promieniowania UV-C dostarczonej do jednostki objętości lub padającej na jednostkę powierzchni. Jest kluczowym parametrem determinującym skuteczność dezynfekcji i wyraża się ją najczęściej w dżulach na metr kwadratowy (J/m²) lub milidżulach na centymetr kwadratowy (mJ/cm²). Dawka stosowanego promieniowania UV zależy od jego intensywności (natężenia) oraz od czasu naświetlania (ekspozycji) – można więc ją określić wzorem:

Dawka promieniowania UV

Natężenie promieniowana (irradiancja), to gęstość mocy padająca na daną powierzchnię (W/m2). Jest to wielkość zależna od mocy promieniowania, geometrii lamp, właściwości optycznych wody (transmitancji). Natężenie emitowane przez lampę maleje wraz z czasem jej eksploatacji (starzenie się lampy), co musi być uwzględnione przy projektowaniu i eksploatacji systemu (np. przez wymianę lamp po określonym czasie pracy).

Czas ekspozycji oznacza okres, przez jaki cząsteczka wody znajduje się w strefie oddziaływania promieniowania UV podczas przepływu przez komorę reakcyjną. Jest on odwrotnie proporcjonalny do natężenia przepływu wody – im szybszy przepływ, tym krótszy czas ekspozycji. Lampy UV muszą być dobierane na podstawie maksymalnego chwilowego przepływu wody w instalacji, aby zapewnić wymaganą dawkę nawet w szczytowych momentach poboru.

Dobór sterylizatorów UV musi uwzględniać rozkład natężenia i czasu przebywania cząstek wody w komorze, aby zapewnić dostarczenie co najmniej minimalnej wymaganej dawki do każdej porcji przepływającej wody.

Istnieje bezpośrednia zależność między dawką promieniowania a skutecznością dezynfekcji – wyższa dawka prowadzi do wyższego stopnia inaktywacji mikroorganizmów. Wymagana dawka jest zależna od rodzaju skażenia oraz przeznaczenia dezynfekowanej wody. Dla przykładu, w wielu krajach dla wody pitnej często przyjmuje się dawkę referencyjną 400 J/m², zapewniającą skuteczną dezynfekcję. Zaletą UV jest brak możliwości “przedawkowania” w sensie negatywnych skutków chemicznych, choć stosowanie dawek wyższych niż wymagane prowadzi do niepotrzebnego zużycia energii, zwiększając koszty eksploatacyjne [6].

Wpływ jakości wody – Transmitancja UV

Transmitancja UV – UVT (klarowność) to parametr określający zdolność wody do przepuszczania promieniowania UV-C na określonej drodze optycznej (zwykle 1 cm), wyrażany w procentach (%). Obecność zawiesin, barwy, związków organicznych (np. humusowych) czy niektórych jonów metali (np. żelaza) powoduje absorpcję i rozpraszanie promieniowania UV, obniżając transmitancję. Niska transmitancja znacząco obniża natężenie promieniowania docierające do mikroorganizmów, co redukuje skuteczność dezynfekcji. Wymaga to zastosowania reaktorów o większej mocy, większej liczbie promienników, wydłużeniu czasu ekspozycji (zmniejszenie przepływu) lub wstępne uzdatnianie wody w celu poprawy UVT. Dokładny pomiar transmitancji jest niezbędny dla prawidłowego doboru urządzenia UV [7].

Zastosowanie lamp UV

Lampy UV znajdują zastosowanie zarówno w dezynfekcji wody pitnej oraz w wielu branżach przemysłowych. Przedsiębiorstwa wodociągowe często stosują dezynfekcję UV jako pierwotną barierę dezynfekcyjną lub jako dodatkowe zabezpieczenie, szczególnie w przypadku wód powierzchniowych lub podatnych na skażenie mikrobiologiczne. W podobnym celu stosowane są one w przemyśle spożywczym, farmaceutycznym czy kosmetycznym, gdzie skażenie wody może doprowadzić do skażenia całej partii produktów, a tym samym do strat finansowych firmy.

Należy podkreślić, że dezynfekcja UV nie zapewnia efektu resztkowego (pozostałości środka dezynfekcyjnego w wodzie). Działa jedynie w punkcie zastosowania (wewnątrz reaktora) i nie chroni przed potencjalnym wtórnym skażeniem wody w sieci dystrybucyjnej. Dlatego w rozległych lub starych sieciach, albo tam, gdzie istnieje ryzyko reinfekcji, często stosuje się ją w połączeniu z dezynfekcją chemiczną.

Dezynfekcja wody z wykorzystaniem promieniowania UV jest zaawansowaną, skuteczną i ekologicznie bezpieczną technologią, stanowiącą cenną alternatywę lub uzupełnienie tradycyjnych metod chemicznych. Jej działanie opiera się na fotochemicznym uszkadzaniu materiału genetycznego mikroorganizmów. Podstawowymi parametrami procesu są dawka promieniowania, natężenie, czas ekspozycji oraz jakość wody. Prawidłowy dobór lampy UV, uwzględniający maksymalny przepływ, transmitancję wody oraz wymaganą dawkę dla docelowych mikroorganizmów lub aplikacji to gwarancja efektywności i skuteczności procesu uzdatniania.

W kontekście rosnących obaw dotyczących produktów ubocznych dezynfekcji chemicznej oraz pojawiania się patogenów odpornych na tradycyjne metody, technologia UV staje się coraz ważniejszym elementem nowoczesnych systemów uzdatniania wody.

Bibliografia

1. Gromiec, T. Zastosowanie nowych urządzeń do dezynfekcji wody i ścieków. Gaz, Woda i Technika Sanitarna 2012, nr 9, s. 386–391.
2. Gromiec M., Gromiec T. Dezynfekcja wody i ścieków za pomocą promieniowania UV. Wodociągi i Kanalizacja 2013, nr 7-8, s. 44–47.
3. Słoboda M., Włodyka-Bergier A. Analiza możliwości zastosowania zaawansowanych metod utleniania do dezynfekcji ścieków komunalnych. Logistyka 2015, nr 4(CD3), s. 9773–9779.
4. Solecka M. Zastosowanie promieniowania ultrafioletowego do dezynfekcji ścieków miejskich. Ekologia i Technika 2011, 9(3), s. 115–121.
5. Parys S. Dezynfekcja wody pitnej za pomocą promieniowania UV. Materiały budowlane 2001, nr 5, s. 88–92.
6. Environmental Protection Agency. Water Treatment Manual: Disinfection. 2011.
7. Kordas K., Grobelak A., Śmieszek M.M. Rola promieniowania UV w oczyszczeniu wody i ścieków. Czerwiec 2017.