Ультрафиолетовое бактерицидное облучение (УФГИ) — это метод дезинфекции , в котором используется ультрафиолетовый (УФ) свет, особенно УФ-С (180–280 нм), для уничтожения или инактивации микроорганизмов . UVGI в первую очередь инактивирует микробы, повреждая их генетический материал, тем самым подавляя их способность выполнять жизненно важные функции. [1]
Использование UVGI распространяется на множество применений, включая дезинфекцию пищевых продуктов, поверхностей, воздуха и воды. Устройства UVGI могут инактивировать микроорганизмы, включая бактерии , вирусы , грибки , плесень и другие патогены . [2] [3] Недавние исследования подтвердили способность УФ-излучения инактивировать SARS-CoV-2 , штамм коронавируса , вызывающий COVID-19 . [4] [5] [6 ] [7 ] [8] [9]
Длины волн УФ-С демонстрируют различную бактерицидную эффективность и воздействие на биологические ткани. [9] [10] [11] Многие бактерицидные лампы , такие как ртутные лампы низкого давления (LP-Hg) с пиковым излучением около 254 нм, содержат длины волн УФ, которые могут быть опасны для человека . [12] [13] В результате системы UVGI в основном ограничиваются приложениями, где люди не подвергаются прямому воздействию, включая дезинфекцию поверхностей в больницах, UVGI в верхних помещениях и очистку воды . [14] [15] [16] В последнее время применение волн с длиной волны 200–235 нм, часто называемых дальним УФ-излучением, получило распространение для дезинфекции поверхностей и воздуха. [11] [17] [18] Эти длины волн считаются гораздо более безопасными из-за их значительно меньшего проникновения в ткани человека. [19] [20] [21] [22]
Примечательно, что свет УФ-С практически отсутствует в солнечном свете, достигающем поверхности Земли, из-за поглощающих свойств озонового слоя в атмосфере . [23]
Развитие UVGI восходит к 1878 году, когда Артур Даунс и Томас Блант обнаружили, что солнечный свет, особенно его более короткие волны, препятствует росту микробов. [24] [25] [26] Развивая эту работу, Эмиль Дюкло в 1885 году выявил различия в чувствительности к солнечному свету среди разных видов бактерий. [27] [28] [29] Несколько лет спустя, в 1890 году, Роберт Кох продемонстрировал летальное воздействие солнечного света на микобактерии туберкулеза , намекая на потенциал UVGI для борьбы с такими заболеваниями, как туберкулез . [30]
Последующие исследования дополнительно определили длины волн, наиболее эффективные для бактерицидной инактивации. В 1892 году было отмечено, что УФ-сегмент солнечного света обладает наиболее сильным бактерицидным действием. [31] [32] Исследования, проведенные в начале 1890-х годов, продемонстрировали превосходную бактерицидную эффективность УФ-С по сравнению с УФ-А и УФ-В. [33] [34] [35]
Мутагенные эффекты УФ-излучения были впервые обнаружены в исследовании 1914 года, в котором наблюдались метаболические изменения у Bacillus anthracis при воздействии сублетальных доз УФ-излучения . [36] Фредерик Гейтс в конце 1920-х годов предложил первые количественные спектры бактерицидного действия для Staphylococcus aureus и Bacillus coli, отметив пиковую эффективность при длине волны 265 нм. [37] [38] [39] Это соответствовало спектру поглощения нуклеиновых кислот , намекая на повреждение ДНК как ключевой фактор инактивации бактерий. Это понимание укрепилось к 1960-м годам благодаря исследованиям, демонстрирующим способность УФ-С образовывать димеры тимина , что приводит к инактивации микроорганизмов. [40] Эти ранние открытия в совокупности заложили основу для современного UVGI в качестве инструмента дезинфекции.
Всерьез использование УФГИ для дезинфекции воздуха началось в середине 1930-х годов. Уильям Ф. Уэллс продемонстрировал в 1935 году, что передающиеся по воздуху инфекционные организмы, в частности аэрозольная B. coli, подвергнутая воздействию УФ-излучения с длиной волны 254 нм, могут быть быстро инактивированы. [41] Это основано на более ранних теориях передачи инфекционных капельных ядер, выдвинутых Карлом Флюгге и самим Уэллсом. [42] [43] До этого УФ-излучение изучалось преимущественно в контексте жидких или твердых сред, а не переносимых по воздуху микробов.
Вскоре после первых экспериментов Уэллса высокоинтенсивное УФ-излучение было использовано для дезинфекции операционной больницы в Университете Дьюка в 1936 году . использование УФГИ. [45] Вскоре этот подход был распространен на другие больницы и детские палаты с использованием «световых завес» UVGI, предназначенных для предотвращения перекрестных респираторных инфекций, с заметным успехом. [46] [47] [48] [49]
Изменения в применении UVGI привели к переходу от «световых завес» к UVGI в верхней комнате, ограничивая бактерицидное облучение выше уровня головы человека. Несмотря на зависимость от хорошего вертикального движения воздуха, этот подход дал положительные результаты в предотвращении перекрестных инфекций. [50] [51] [52] Примером этого является успешное использование Уэллсом UVGI в верхних классах в период с 1937 по 1941 год для ограничения распространения кори в пригородных дневных школах Филадельфии. Его исследование показало, что 53,6% восприимчивых людей в школах без UVGI заразились, тогда как в школах с UVGI заразились только 13,3% восприимчивых людей. [53]
Ричард Л. Райли, первоначально студент Уэллса, продолжал изучение воздушно-капельных инфекций и УФГИ на протяжении 1950-х и 60-х годов, проводя значительные эксперименты в туберкулезном отделении больницы для ветеранов. Райли успешно продемонстрировал, что UVGI может эффективно инактивировать передающиеся по воздуху патогены и предотвращать распространение туберкулеза. [54] [55] [56]
Несмотря на первоначальные успехи, использование UVGI сократилось во второй половине 20-го века из-за различных факторов, включая появление альтернативных методов контроля и профилактики инфекций, противоречивые результаты эффективности и опасения относительно требований безопасности и обслуживания. [14] Однако недавние события, такие как рост числа бактерий с множественной лекарственной устойчивостью и пандемия COVID-19, возобновили интерес к UVGI для дезинфекции воздуха. [57] [58] [59] [60]
Использование ультрафиолета для дезинфекции питьевой воды началось в 1910 году в Марселе, Франция . [61] Завод-прототип был остановлен через короткое время из-за низкой надежности. В 1955 году системы УФ- очистки воды были применены в Австрии и Швейцарии; к 1985 году в Европе работало около 1500 заводов. В 1998 году было обнаружено, что простейшие , такие как криптоспоридии и лямблии , более уязвимы к ультрафиолетовому излучению, чем считалось ранее; это открыло путь к широкому использованию УФ-очистки воды в Северной Америке. К 2001 году в Европе действовало более 6000 установок УФ-очистки воды. [62]
Со временем затраты на УФ-излучение снизились, поскольку исследователи разрабатывают и используют новые методы УФ-обеззараживания воды и сточных вод. Несколько стран опубликовали правила и рекомендации по использованию УФ-излучения для дезинфекции питьевой воды, в том числе США [63] [64] [65] и Великобритания. [66]
УФ-свет — это электромагнитное излучение с длиной волны короче, чем у видимого света, но длиннее, чем у рентгеновских лучей . УФ-излучение подразделяется на несколько диапазонов длин волн, при этом коротковолновое УФ (УФ-С) считается «бактерицидным УФ». Длины волн примерно от 200 до 300 нм сильно поглощаются нуклеиновыми кислотами . Поглощенная энергия может привести к образованию дефектов, включая димеры пиримидина . Эти димеры могут препятствовать репликации или экспрессии необходимых белков, что приводит к гибели или инактивации организма. Недавно было показано, что эти димеры флуоресцентны. [68]
Этот процесс аналогичен, но сильнее, чем эффект более длинных волн ( УФ-В ), вызывающий солнечные ожоги у людей. Микроорганизмы имеют меньшую защиту от ультрафиолета и не могут выжить при длительном его воздействии. [ нужна цитата ]
Система UVGI предназначена для воздействия бактерицидного УФ- излучения на такие помещения, как резервуары для воды , помещения и системы принудительной подачи воздуха . Воздействие происходит от бактерицидных ламп , которые излучают бактерицидное УФ-излучение правильной длины волны, облучая таким образом окружающую среду. Принудительный поток воздуха или воды через эту среду обеспечивает воздействие этого воздуха или воды. [ нужна цитата ]
Эффективность бактерицидного УФ-излучения зависит от продолжительности воздействия УФ-излучения на микроорганизм, интенсивности и длины волны УФ-излучения, присутствия частиц, которые могут защитить микроорганизмы от УФ-излучения, а также способности микроорганизма противостоять УФ -излучению во время его воздействия.
Во многих системах избыточность воздействия ультрафиолета на микроорганизмы достигается за счет многократной циркуляции воздуха или воды. Это обеспечивает несколько проходов, поэтому УФ-излучение эффективно против наибольшего количества микроорганизмов и многократно облучает устойчивые микроорганизмы, чтобы разрушить их.
« Стерилизацию » часто ошибочно называют достижимой. Хотя это теоретически возможно в контролируемой среде, это очень сложно доказать, и термин «дезинфекция» обычно используется компаниями, предлагающими эту услугу, чтобы избежать юридического выговора. Специализированные компании часто рекламируют определенное логарифмическое снижение , например, 6-кратное сокращение или эффективность 99,9999%, вместо стерилизации. При этом учитывается явление, известное как световая и темновая репарация ( фотореактивация и эксцизионная репарация оснований соответственно), при котором клетка может восстанавливать ДНК , поврежденную УФ-светом.
Эффективность этой формы дезинфекции зависит от воздействия на микроорганизмы ультрафиолетового света в прямой видимости . Среды, в которых дизайн создает препятствия, блокирующие ультрафиолетовый свет, не так эффективны. В такой среде эффективность зависит от размещения системы UVGI так, чтобы прямая видимость была оптимальной для дезинфекции.
Пыль и пленки, покрывающие лампу, снижают выход УФ-излучения. Поэтому лампочки требуют периодической чистки и замены для обеспечения эффективности. Срок службы бактерицидных УФ-ламп варьируется в зависимости от конструкции. Кроме того, материал, из которого изготовлена лампа, может поглощать часть бактерицидных лучей.
Охлаждение лампы потоком воздуха также может снизить выход УФ-излучения. Увеличение эффективности и интенсивности УФ-излучения может быть достигнуто за счет использования отражения. Алюминий имеет самый высокий коэффициент отражения по сравнению с другими металлами, и его рекомендуется использовать при использовании УФ-излучения. [71]
Одним из методов измерения эффективности УФ-излучения при дезинфекции воды является расчет дозы УФ-излучения. Агентство по охране окружающей среды США (EPA) опубликовало рекомендации по дозировке УФ-излучения для водоочистки в 1986 году. [72] Дозу УФ-излучения нельзя измерить напрямую, но ее можно сделать вывод на основе известных или предполагаемых входных факторов в процесс:
При дезинфекции воздуха и поверхностей эффективность УФ-излучения оценивается путем расчета дозы УФ-излучения, которая будет доставлена микробной популяции. Доза УФ рассчитывается следующим образом:
Интенсивность УФ указана для каждой лампы на расстоянии 1 метр. Интенсивность УФ-излучения обратно пропорциональна квадрату расстояния, поэтому она уменьшается на больших расстояниях. Альтернативно, оно быстро увеличивается на расстояниях менее 1 м. В приведенной выше формуле интенсивность УФ-излучения всегда должна корректироваться с учетом расстояния, если только доза УФ-излучения не рассчитана на расстоянии ровно 1 м (3,3 фута) от лампы. Кроме того, для обеспечения эффективности доза УФ-излучения должна рассчитываться в конце срока службы лампы (EOL указывается в количестве часов, в течение которых ожидается, что лампа достигнет 80 % от ее первоначальной мощности УФ-излучения) и на самом дальнем расстоянии от включенной лампы. периферия целевой области. Некоторые небьющиеся лампы покрыты фторированным полимером этилена, который удерживает осколки стекла и ртуть в случае поломки; это покрытие снижает выход УФ-излучения на целых 20%.
Чтобы точно предсказать, какая доза УФ-излучения будет доставлена к цели, интенсивность УФ-излучения с поправкой на расстояние, покрытие и окончание срока службы лампы будет умножена на время воздействия. В статических приложениях время воздействия может быть настолько продолжительным, насколько необходимо для достижения эффективной дозы УФ-излучения. В случае быстро движущегося воздуха, например, в воздуховодах переменного тока, время воздействия короткое, поэтому интенсивность УФ-излучения необходимо увеличить путем установки нескольких УФ-ламп или даже групп ламп. Кроме того, установка УФ-излучения в идеале должна быть расположена на длинном прямом участке воздуховода, при этом лампы будут направлять УФ-излучение в направлении, параллельном потоку воздуха, чтобы максимально увеличить время облучения воздуха.
Эти расчеты фактически предсказывают плотность УФ-излучения, и предполагается, что плотность УФ-излучения будет равна дозе УФ-излучения. Доза УФ-излучения — это количество бактерицидной УФ-энергии, поглощаемой микробной популяцией за определенный период времени. Если микроорганизмы являются планктонными (свободно плавающими), плотность УФ-излучения будет равна дозе УФ-излучения. Однако, если микроорганизмы защищены механическими частицами, такими как пыль и грязь, или образовали биопленку , потребуется гораздо более высокая плотность УФ-излучения для введения эффективной дозы УФ-излучения в микробную популяцию.
Степень инактивации ультрафиолетовым излучением напрямую связана с дозой УФ-излучения, воздействующей на воду. Дозировка, являющаяся произведением интенсивности УФ-излучения и времени воздействия, обычно измеряется в микроджоулях на квадратный сантиметр или, что эквивалентно, в микроватт-секундах на квадратный сантиметр (мкВт·с/см 2 ). Дозировки для уничтожения 90% большинства бактерий и вирусов варьируются от 2000 до 8000 мкВт·с/см 2 . Более крупные паразиты, такие как Cryptosporidium, требуют более низких доз для инактивации. В результате Агентство по охране окружающей среды США приняло УФ-дезинфекцию в качестве метода для растений, производящих питьевую воду, для получения кредитов на инактивацию криптоспоридий , лямблий или вирусов. Например, для снижения заболеваемости Cryptosporidium на 90% необходима минимальная доза 2500 мкВт·с/см 2 в соответствии с руководством EPA 2006 года. [65] : 1–7
Устройства для очистки воды УФ-излучением можно использовать для дезинфекции колодезной и поверхностной воды. УФ-обработка выгодно отличается от других систем обеззараживания воды по стоимости, трудозатратам и необходимости в технически подготовленном персонале для эксплуатации. Хлорирование воды лечит более крупные организмы и обеспечивает остаточную дезинфекцию, но эти системы дороги, поскольку требуют специальной подготовки операторов и постоянного снабжения потенциально опасным материалом. Наконец, кипячение воды является наиболее надежным методом очистки, но он требует трудозатрат и имеет высокие экономические затраты. УФ-обработка является быстрой и с точки зрения использования первичной энергии примерно в 20 000 раз более эффективной, чем кипячение. [ нужна цитата ]
УФ-дезинфекция наиболее эффективна для обработки высокочистой, очищенной обратным осмосом дистиллированной воды. Взвешенные частицы представляют собой проблему, поскольку микроорганизмы, находящиеся внутри частиц, защищены от ультрафиолетового излучения и не подвергаются воздействию ультрафиолетового излучения. Тем не менее, УФ-системы могут быть объединены с предварительным фильтром для удаления более крупных организмов, которые в противном случае прошли бы через УФ-систему незатронутыми. Предварительный фильтр также осветляет воду, улучшая светопропускание и, следовательно, дозу УФ-излучения по всей толще воды. Еще одним ключевым фактором обработки воды УФ-излучением является скорость потока: если поток слишком велик, вода будет проходить без достаточного воздействия УФ-излучения. Если поток слишком мал, тепло может накапливаться и повредить УФ-лампу. [74]
Недостатком UVGI является то, что, хотя вода, обработанная хлорированием, устойчива к повторному заражению (до тех пор, пока не выделяются хлорные газы), вода UVGI не устойчива к повторному заражению. Воду UVGI необходимо транспортировать или доставлять таким образом, чтобы избежать повторного заражения.
Многие системы UVGI используют длины волн УФ, которые могут быть вредными для человека, что приводит как к немедленным, так и к долгосрочным последствиям. Острые воздействия на глаза и кожу могут включать такие состояния, как фотокератит (часто называемый «снежной слепотой») и эритема (покраснение кожи), тогда как хроническое воздействие может повысить риск рака кожи . [12] [13] [75]
Однако безопасность и воздействие УФ-излучения сильно различаются в зависимости от длины волны, а это означает, что не все системы UVGI представляют одинаковый уровень опасности. Люди обычно сталкиваются с УФ-светом в форме солнечного УФ, который включает значительную часть УФ-А и УФ-В , но исключает УФ-С . Диапазон УФ-В, способный глубоко проникать в живые, размножающиеся ткани, признан наиболее разрушительным и канцерогенным . [76]
Многие стандартные системы UVGI, такие как ртутные лампы низкого давления (LP-Hg), производят широкополосное излучение в диапазоне УФ-C, а также пиковое излучение в диапазоне УФ-В. Это часто затрудняет привязку повреждающих эффектов к конкретной длине волны. [77] Тем не менее, более длинные волны в диапазоне УФ-С могут вызывать такие состояния, как фотокератит и эритема. [22] [78] Следовательно, многие системы UVGI используются в условиях, где прямое воздействие на человека ограничено, например, в воздухоочистителях UVGI для верхних помещений и системах дезинфекции воды.
Для защиты пользователей этих систем UVGI обычно принимаются меры предосторожности, в том числе:
С начала 2010-х годов растет интерес к длинам волн дальнего УФ-излучения (200–235 нм) для облучения всего помещения. Эти длины волн обычно считаются более безопасными из-за ограниченной глубины проникновения, вызванной повышенным поглощением белка . [79] [80] Эта особенность ограничивает воздействие дальнего УФ-излучения на поверхностные слои ткани , такие как внешний слой омертвевшей кожи ( роговой слой ), слезная пленка и поверхностные клетки роговицы . [22] [81] [82] [83] Поскольку эти ткани не содержат реплицирующихся клеток, их повреждение представляет меньший канцерогенный риск. Также было продемонстрировано, что дальний УФ-излучение не вызывает эритемы или повреждения роговицы в количествах, во много раз превышающих уровень солнечного УФ или обычных систем UVGI с длиной волны 254 нм. [84] [85] [22]
УФ-излучение может влиять на химический состав воздуха в помещении, приводя к образованию озона и других потенциально вредных загрязнителей , включая загрязнение твердыми частицами . [86] Это происходит в основном посредством фотолиза , когда УФ- фотоны разбивают молекулы на более мелкие радикалы , которые образуют радикалы, такие как OH. [87] Радикалы могут реагировать с летучими органическими соединениями (ЛОС) с образованием окисленных ЛОС (ЛОС) и вторичных органических аэрозолей (СОА). [88]
Длины волн ниже 242 нм также могут генерировать озон, который не только способствует образованию OVOC и SOA, но и сам по себе может быть вредным. При вдыхании в больших количествах эти загрязняющие вещества могут раздражать глаза и дыхательную систему и усугублять такие заболевания, как астма . [89]
Конкретные образующиеся загрязняющие вещества зависят от исходного химического состава воздуха, мощности и длины волны УФ-источника. Для контроля озона и других загрязняющих веществ в помещении используются методы вентиляции и фильтрации , которые разбавляют переносимые по воздуху загрязняющие вещества и поддерживают качество воздуха в помещении. [90]
Пределы воздействия УФ-излучения, особенно бактерицидного диапазона УФ-С, со временем изменились благодаря научным исследованиям и меняющимся технологиям. Американская конференция правительственных специалистов по промышленной гигиене (ACGIH) и Международная комиссия по защите от неионизирующего излучения (ICNIRP) установили пределы воздействия для защиты как от немедленных, так и от долгосрочных последствий воздействия ультрафиолета. [91] [92] Эти пределы, также называемые пороговыми предельными значениями (TLV), составляют основу для пределов выбросов в стандартах безопасности продукции.
Фотобиологический спектральный диапазон УФ-С определяется как 100–280 нм, при этом в настоящее время применяются пределы только от 180 до 280 нм. Это отражает опасения по поводу острых повреждений, таких как эритема и фотокератит, а также долгосрочных отсроченных эффектов, таких как фотоканцерогенез . Однако в связи с увеличением количества доказательств безопасности УФ-С для бактерицидных применений существующие ПДК ACGIH были пересмотрены в 2022 году. [93]
TLV для длины волны УФ-C 222 нм (пиковые выбросы эксимерных ламп KrCl) после пересмотра 2022 года теперь составляют 161 мДж/см 2 для воздействия на глаза и 479 мДж/см 2 для воздействия на кожу в течение восьмичасового периода. [94] Для длины волны УФ-излучения 254 нм обновленный предел воздействия теперь установлен на уровне 6 мДж/см 2 для глаз и 10 мДж/см 2 для кожи. [94]
УФ-излучение способно разрывать химические связи. Это приводит к быстрому старению пластмасс и других материалов, а также изоляции и прокладок . Пластмассы, продаваемые как «устойчивые к УФ-излучению», проверяются только на УФ-излучение с более низкой энергией, поскольку УФ-излучение обычно не достигает поверхности Земли. [95] Когда УФ используется рядом с пластиком, резиной или изоляцией, эти материалы можно защитить металлической лентой или алюминиевой фольгой.
УФГИ можно использовать для дезинфекции воздуха при длительном воздействии. В 1930-х и 40-х годах эксперимент в государственных школах Филадельфии показал, что ультрафиолетовые светильники в верхних классах могут значительно снизить передачу кори среди учащихся. [96] В 2020 году UVGI снова исследуется как возможная мера противодействия COVID-19 . [97] [98]
УФ и фиолетовый свет способны нейтрализовать инфекционность SARS-CoV-2 . [99] Титры вирусов, обычно обнаруживаемые в мокроте пациентов с COVID-19, полностью инактивируются уровнями УФ-А и УФ-В- излучения, которые аналогичны уровням, возникающим при естественном солнечном воздействии . Эти данные позволяют предположить, что снижение заболеваемости SARS-COV-2 летом может быть частично связано с нейтрализующей активностью солнечного УФ-излучения. [99]
Для дезинфекции SARS-CoV-2 можно использовать различные устройства, излучающие УФ-излучение, и эти устройства могут помочь уменьшить распространение инфекции. [100] SARS-CoV-2 можно инактивировать с помощью широкого спектра длин волн УФ-излучения, а длина волны 222 нм обеспечивает наиболее эффективную дезинфекцию. [100]
Дезинфекция зависит от интенсивности УФ-излучения и времени. По этой причине теоретически он не так эффективен при движении воздуха или когда лампа расположена перпендикулярно потоку, поскольку время экспозиции значительно сокращается. Однако многочисленные профессиональные и научные публикации указывают на то, что общая эффективность UVGI на самом деле увеличивается при использовании в сочетании с вентиляторами и вентиляцией HVAC, которые облегчают циркуляцию во всем помещении, подвергая больше воздуха воздействию источника ультрафиолета. [101] [102] Системы очистки воздуха UVGI могут представлять собой отдельно стоящие устройства с экранированными УФ-лампами, в которых используется вентилятор, прогоняющий воздух мимо УФ-излучения. Другие системы устанавливаются в системах принудительной вентиляции, чтобы циркуляция в помещении перемещала микроорганизмы мимо ламп. Ключом к этой форме стерилизации является размещение УФ-ламп и хорошей системы фильтрации для удаления мертвых микроорганизмов. [103] Например, системы принудительной подачи воздуха по своей конструкции затрудняют прямую видимость, создавая таким образом области окружающей среды, которые будут затенены от ультрафиолетового света. Однако УФ-лампа, установленная на змеевиках и сливных поддонах систем охлаждения, не позволит микроорганизмам образовываться в этих влажных местах.
Ультрафиолетовое обеззараживание воды – чисто физический, безхимический процесс. Эффективно снижается даже количество таких паразитов , как Cryptosporidium или Giardia , которые чрезвычайно устойчивы к химическим дезинфицирующим средствам. УФ также можно использовать для удаления хлора и хлораминов из воды; этот процесс называется фотолизом и требует более высокой дозы, чем обычная дезинфекция. Погибшие микроорганизмы не удаляются из воды. УФ-дезинфекция не удаляет растворенные органические вещества, неорганические соединения или частицы в воде. [104] Крупнейшая в мире установка по обеззараживанию воды обрабатывает питьевую воду для Нью-Йорка . Установка ультрафиолетовой дезинфекции воды в Катскилле-Делавэре , введенная в эксплуатацию 8 октября 2013 года, включает в себя в общей сложности 56 энергоэффективных УФ-реакторов, обрабатывающих до 2,2 миллиарда галлонов США (8,3 миллиарда литров) в день. [105] [106]
Ультрафиолетовый свет также можно комбинировать с озоном или перекисью водорода для получения гидроксильных радикалов, которые разрушают следы загрязнений посредством усовершенствованного процесса окисления .
Раньше считалось, что УФ-дезинфекция более эффективна для бактерий и вирусов, у которых более открытый генетический материал, чем для более крупных патогенов, имеющих внешнюю оболочку или образующих состояния кист (например, лямблии ), которые защищают свою ДНК от УФ-излучения. Однако недавно было обнаружено, что ультрафиолетовое излучение может быть в некоторой степени эффективным для лечения микроорганизма Cryptosporidium . Результаты привели к использованию УФ-излучения в качестве эффективного метода очистки питьевой воды. В свою очередь, было показано, что лямблии очень восприимчивы к УФ-С, когда тесты были основаны на инфекционности, а не на эксцистации. [107] Было обнаружено, что протисты способны выдерживать высокие дозы УФ-С, но стерилизуются при низких дозах.
В рамках проекта 2006 года Калифорнийского университета в Беркли была разработана конструкция недорогой дезинфекции воды в условиях нехватки ресурсов. [108] Целью проекта было создание проекта с открытым исходным кодом, который можно было бы адаптировать к местным условиям. В чем-то похожем предложении в 2014 году австралийские студенты разработали систему, использующую фольгу для упаковки картофельных чипсов (хрустящую) для отражения солнечного ультрафиолетового излучения в стеклянную трубку, которая дезинфицирует воду без электричества. [109]
Ультрафиолетовое излучение при очистке сточных вод обычно заменяет хлорирование. Во многом это связано с опасениями, что реакция хлора с органическими соединениями в потоке сточных вод может привести к образованию потенциально токсичных и долгоживущих хлорированных органических веществ , а также из-за экологических рисков , связанных с хранением газообразного хлора или хлорсодержащих химикатов. Отдельные потоки отходов, подлежащие обработке с помощью UVGI, должны быть проверены, чтобы гарантировать эффективность метода из-за потенциальных помех, таких как взвешенные твердые вещества , красители или другие вещества, которые могут блокировать или поглощать УФ-излучение. По данным Всемирной организации здравоохранения , «УФ-установки для обработки небольших партий (от 1 до нескольких литров) или небольших потоков (от 1 до нескольких литров в минуту) воды на уровне общин оцениваются в 20 долларов США за мегалитр, включая стоимость электроэнергии и расходных материалов, а также годовая капитальная стоимость установки». [110]
Крупномасштабная очистка городских сточных вод ультрафиолетом осуществляется в таких городах, как Эдмонтон, Альберта . Использование ультрафиолета в настоящее время стало стандартной практикой в большинстве процессов очистки городских сточных вод. Сточные воды теперь начинают признаваться ценным ресурсом, а не проблемой, от которой необходимо избавиться. Многие сооружения по очистке сточных вод переименовываются в водоочистные сооружения, независимо от того, сбрасываются ли сточные воды в реку, используются для орошения сельскохозяйственных культур или закачиваются в водоносный горизонт для последующего восстановления. В настоящее время ультрафиолетовый свет используется для очистки воды от вредных организмов.
Ультрафиолетовые стерилизаторы часто используются для борьбы с нежелательными микроорганизмами в аквариумах и прудах. УФ-облучение предотвращает размножение болезнетворных микроорганизмов, что снижает вероятность вспышки заболеваний в аквариуме.
Стерилизаторы для аквариумов и прудов обычно небольшие, с фитингами для трубок, которые позволяют воде течь через стерилизатор на пути от отдельного внешнего фильтра или водяного насоса. Внутри стерилизатора вода течет как можно ближе к источнику ультрафиолетового света. Предварительная фильтрация воды имеет решающее значение, поскольку мутность воды снижает проникновение УФ-C. Многие из лучших УФ-стерилизаторов имеют длительное время выдержки и ограничивают пространство между источником УФ-С и внутренней стенкой УФ-стерилизатора. [111] [ нужен сторонний источник ]
UVGI часто используется для дезинфекции оборудования, такого как защитные очки , инструменты, пипетки и другие устройства. Сотрудники лаборатории также дезинфицируют таким образом стеклянную и пластиковую посуду. Микробиологические лаборатории используют UVGI для дезинфекции поверхностей внутри боксов биологической безопасности («вытяжек») между использованиями.
С тех пор как в 2001 году Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США издало правило, требующее, чтобы практически все производители фруктовых и овощных соков соблюдали контроль HACCP , и предписывающее 5- логарифмическое сокращение количества патогенов, UVGI нашел некоторое применение при стерилизации соков, например свежевыжатых.
Бактерицидное УФ-излучение для дезинфекции чаще всего генерируется ртутной лампой . Пары ртути низкого давления имеют сильную эмиссионную линию на длине волны 254 нм, что находится в диапазоне длин волн, демонстрирующих сильный дезинфицирующий эффект. Оптимальные длины волн для дезинфекции близки к 260 нм. [65] : 2–6, 2–14.
Ртутные лампы можно разделить на лампы низкого давления (включая амальгамные) или среднего давления. УФ-лампы низкого давления обладают высокой эффективностью (около 35% УФ-C), но меньшей мощностью, обычно плотностью мощности 1 Вт/см (мощность на единицу длины дуги). В амальгамных УФ-лампах амальгама используется для контроля давления ртути, что позволяет работать при несколько более высокой температуре и плотности мощности. Они работают при более высоких температурах и имеют срок службы до 16 000 часов. Их эффективность несколько ниже, чем у традиционных ламп низкого давления (около 33% мощности УФ-С), а плотность мощности составляет примерно 2–3 Вт/см 3 . УФ-лампы среднего давления работают при гораздо более высоких температурах, примерно до 800 градусов Цельсия, имеют полихроматический выходной спектр и высокую мощность излучения, но более низкую эффективность УФ-C, составляющую 10% или меньше. Типичная плотность мощности составляет 30 Вт/см 3 или выше.
В зависимости от кварцевого стекла, используемого для корпуса лампы, УФ-излучение низкого давления и амальгамы излучают излучение с длиной волны 254 нм, а также с длиной волны 185 нм, которое оказывает химическое воздействие. УФ-излучение с длиной волны 185 нм используется для генерации озона.
УФ-лампы для очистки воды состоят из специализированных ртутных ламп низкого давления, которые производят ультрафиолетовое излучение с длиной волны 254 нм, или УФ-ламп среднего давления, которые производят полихроматическое излучение от 200 нм до видимой и инфракрасной энергии. УФ-лампа никогда не контактирует с водой; он либо помещен в кожух из кварцевого стекла внутри водяной камеры, либо установлен снаружи воды, которая течет через прозрачную УФ-трубку. Вода, проходящая через проточную камеру, подвергается воздействию ультрафиолетовых лучей, которые поглощаются взвешенными твердыми частицами, такими как микроорганизмы и грязь, в потоке. [112]
Последние разработки в области светодиодных технологий привели к появлению на рынке светодиодов UV-C. В светодиодах UV-C используются полупроводники, излучающие свет с длиной волны от 255 до 280 нм. [70] Длина волны излучения настраивается путем выбора материала полупроводника. По состоянию на 2019 год [обновлять]эффективность преобразования электрического тока в УФ-C у светодиодов была ниже, чем у ртутных ламп. Уменьшенный размер светодиодов открывает возможности для небольших реакторных систем, позволяющих использовать их в точках использования и интегрировать в медицинские устройства. [113] Низкое энергопотребление полупроводников привело к появлению систем УФ-дезинфекции, в которых используются небольшие солнечные элементы в удаленных приложениях или в странах третьего мира. [113]
Светодиоды UV-C не обязательно служат дольше, чем традиционные бактерицидные лампы, с точки зрения количества часов использования, вместо этого они имеют более изменчивые технические характеристики и лучшую устойчивость к кратковременной эксплуатации. Светодиод UV-C может работать дольше, чем традиционная бактерицидная лампа при периодическом использовании. Аналогичным образом, деградация светодиодов увеличивается с нагревом, в то время как длина волны выходной мощности ламп накаливания и HID-ламп зависит от температуры, поэтому инженеры могут проектировать светодиоды определенного размера и стоимости, которые будут иметь более высокую выходную мощность и более быструю деградацию или более низкую выходную мощность и более медленное снижение с течением времени.
На размер УФ-системы влияют три переменные: скорость потока, мощность лампы и пропускание УФ-излучения в воде. Производители обычно разрабатывают сложные модели вычислительной гидродинамики (CFD), проверенные с помощью биоанализа . Это включает в себя тестирование эффективности дезинфекции УФ-реактора с помощью бактериофагов MS2 или T1 при различных скоростях потока, пропускании УФ-излучения и уровнях мощности с целью разработки регрессионной модели для определения размера системы. Например, это требование для всех общественных систем водоснабжения в США согласно руководству EPA по УФ-излучению. [65] : 5–2
Профиль потока создается на основе геометрии камеры, скорости потока и конкретной выбранной модели турбулентности. Профиль излучения рассчитывается на основе таких входных данных, как качество воды, тип лампы (мощность, бактерицидная эффективность, спектральный выход, длина дуги), а также коэффициент пропускания и размер кварцевой гильзы. Запатентованное программное обеспечение CFD моделирует профили потока и излучения. После построения 3D-модели камеры она заполняется сеткой или сеткой, состоящей из тысяч маленьких кубов.
Точки интереса — например, на изгибе, на поверхности кварцевой втулки или вокруг механизма стеклоочистителя — используют сетку с более высоким разрешением, в то время как другие области внутри реактора используют грубую сетку. После создания сетки через камеру «пропускаются» сотни тысяч виртуальных частиц. С каждой частицей связано несколько интересных переменных, и частицы «собираются» после реактора. Дискретное фазовое моделирование позволяет определить доставленную дозу, потерю напора и другие параметры, специфичные для камеры.
По завершении этапа моделирования выбранные системы проверяются с использованием профессиональной третьей стороны для обеспечения надзора и определения того, насколько точно модель способна предсказать реальную производительность системы. При проверке системы используются непатогенные суррогаты, такие как фаг MS 2 или Bacillus subtilis, для определения способности реакторов снижать эквивалентную дозу (RED). Большинство систем проверено на подачу 40 мДж/см 2 в пределах диапазона расхода и пропускания. [114]
Для проверки эффективности систем питьевого водоснабжения метод, описанный в руководстве по УФ-излучению Агентства по охране окружающей среды, обычно используется водоканалами США, в то время как Европа приняла немецкий стандарт DVGW 294. Для систем сточных вод обычно используются протоколы NWRI/AwwaRF по ультрафиолетовой дезинфекции питьевой воды и повторного использования воды, особенно в приложениях повторного использования сточных вод . [115]
{{cite journal}}
: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на январь 2024 г. ( ссылка ){{cite journal}}
: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на январь 2024 г. ( ссылка )