Ультрафиолетовое бактерицидное облучение (УФГИ) — это метод дезинфекции, использующий ультрафиолетовый (УФ) свет, в частности УФ-С (180–280 нм), для уничтожения или инактивации микроорганизмов . УФГИ в первую очередь инактивирует микробы, повреждая их генетический материал, тем самым подавляя их способность выполнять жизненно важные функции. [1]
Использование УФ-излучения распространяется на целый ряд приложений, включая дезинфекцию продуктов питания, поверхностей, воздуха и воды. Устройства УФ-излучения 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 пиковыми выбросами около 254 нм, содержат длины волн УФ-излучения, которые могут быть опасны для людей . [12] [13] В результате системы УФ-ГИ в основном ограничиваются приложениями, где люди не подвергаются непосредственному воздействию, включая дезинфекцию поверхностей в больницах, УФ-ГИ верхних помещений и очистку воды . [14] [15] [16] В последнее время применение длин волн в диапазоне 200-235 нм, часто называемых дальним УФ-С , набирает популярность 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 ультрафиолетовый свет C практически отсутствует в солнечном свете, достигающем поверхности Земли, из-за поглощающих свойств озонового слоя в атмосфере . [23]
Развитие УФ-излучения берет свое начало в 1878 году, когда Артур Даунс и Томас Блант обнаружили, что солнечный свет, особенно его короткие длины волн, препятствует росту микробов. [24] [25] [26] Развивая эту работу, Эмиль Дюкло в 1885 году выявил различия в чувствительности к солнечному свету среди различных видов бактерий. [27] [28] [29] Несколько лет спустя, в 1890 году, Роберт Кох продемонстрировал летальное действие солнечного света на Mycobacterium tuberculosis , намекая на потенциал УФ-излучения в борьбе 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 имеет наиболее мощный бактерицидный эффект. [31] [32] Исследования, проведенные в начале 1890-х годов, продемонстрировали превосходящую бактерицидную эффективность УФ-С по сравнению с УФ-А и УФ-В. [33] [34] [35]
Мутагенные эффекты УФ - излучения были впервые раскрыты в исследовании 1914 года, в котором наблюдались метаболические изменения в Bacillus anthracis при воздействии сублетальных доз УФ-излучения. [36] В конце 1920-х годов Фредерик Гейтс предложил первые количественные спектры бактерицидного действия для Staphylococcus aureus и Bacillus coli, отметив пиковую эффективность при 265 нм. [37] [38] [39] Это соответствовало спектру поглощения нуклеиновых кислот , что намекало на повреждение ДНК как ключевой фактор в инактивации бактерий. Это понимание было закреплено к 1960-м годам благодаря исследованиям, продемонстрировавшим способность УФ-С образовывать димеры тимина , что приводило к инактивации микробов. [40] Эти ранние открытия в совокупности заложили основу для современного УФГИ как инструмента дезинфекции.
Использование УФ-излучения для дезинфекции воздуха началось всерьез в середине 1930-х годов. Уильям Ф. Уэллс продемонстрировал в 1935 году, что находящиеся в воздухе инфекционные организмы, в частности аэрозольные B. coli, подвергшиеся воздействию УФ-излучения с длиной волны 254 нм, могут быть быстро инактивированы. [41] Это основывалось 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 микробов, находящихся в воздухе.
Вскоре после первых экспериментов Уэллса в 1936 году для дезинфекции операционной в больнице Университета Дьюка был использован высокоинтенсивный УФГИ. [44] Метод оказался успешным, снизив послеоперационные раневые инфекции с 11,62% без использования УФГИ до 0,24% с использованием УФГИ. [45] Вскоре этот подход был распространен на другие больницы и детские отделения с использованием «световых завес» УФГИ, разработанных для предотвращения респираторных перекрестных инфекций, с заметным успехом. [46] [47] [48] [49]
Изменения в применении УФБИ привели к переходу от «световых завес» к УФБИ в верхней части помещения, ограничивая бактерицидное облучение выше уровня головы человека. Несмотря на свою зависимость от хорошего вертикального движения воздуха, этот подход дал благоприятные результаты в предотвращении перекрестных инфекций. [50] [51] [52] Это было проиллюстрировано успешным использованием Уэллсом УФБИ в верхней части помещения в период с 1937 по 1941 год для ограничения распространения кори в дневных школах пригорода Филадельфии. Его исследование показало, что 53,6% восприимчивых детей в школах без УФБИ заразились, в то время как только 13,3% восприимчивых детей в школах с УФБИ заразились. [53]
Ричард Л. Райли, изначально ученик Уэллса, продолжил изучение воздушно-капельных инфекций и УФГИ в течение 1950-х и 60-х годов, проводя значительные эксперименты в палате для больных туберкулезом в госпитале ветеранов. Райли успешно продемонстрировал, что УФГИ может эффективно инактивировать воздушно-капельные патогены и предотвращать распространение туберкулеза. [54] [55] [56]
Несмотря на первоначальные успехи, использование УФ-ГИ сократилось во второй половине 20-го века из-за различных факторов, включая рост альтернативных методов контроля и профилактики инфекций, непостоянные результаты эффективности и опасения относительно требований к его безопасности и обслуживанию. [14] Однако недавние события, такие как рост числа бактерий, устойчивых к нескольким лекарственным препаратам , и пандемия COVID-19 возобновили интерес к УФ-ГИ для дезинфекции воздуха. [57] [58] [59] [60]
Использование УФ-излучения для дезинфекции питьевой воды началось в 1910 году в Марселе, Франция . [61] Прототип завода был закрыт 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 было задействовано около 1500 установок. В 1998 году было обнаружено, что простейшие , такие как криптоспоридии и лямблии, более уязвимы к УФ-излучению, чем считалось ранее; это открыло путь к широкомасштабному использованию УФ-очистки воды в Северной Америке. К 2001 году в Европе работало более 6000 установок УФ-очистки воды. [62]
Со временем стоимость УФ-излучения снизилась, поскольку исследователи разрабатывают и используют новые методы УФ-дезинфекции воды и сточных вод. Несколько стран опубликовали правила и руководства по использованию УФ-излучения для дезинфекции питьевой воды, включая США [63] [64] [65] и Великобританию. [66]
УФ-излучение — это электромагнитное излучение с длинами волн короче видимого света , но длиннее рентгеновских лучей . УФ подразделяется на несколько диапазонов длин волн, при этом коротковолновое УФ-излучение (УФ-С) считается «бактерицидным УФ». Длины волн между 200 нм и 300 нм сильно поглощаются нуклеиновыми кислотами . Поглощенная энергия может привести к дефектам, включая пиримидиновые димеры . Эти димеры могут препятствовать репликации или могут препятствовать экспрессии необходимых белков, что приводит к гибели или инактивации организма. Недавно было показано, что эти димеры флуоресцентны. [67]
Этот процесс похож на эффект более длинных волн ( УФ-В ), вызывающий солнечные ожоги у людей, но сильнее. Микроорганизмы имеют меньшую защиту от УФ и не могут выдерживать длительное воздействие. [ необходима цитата ]
Система UVGI предназначена для воздействия бактерицидного УФ-излучения на такие среды, как резервуары с водой , помещения и системы принудительной вентиляции . Воздействие происходит от бактерицидных ламп , которые излучают бактерицидное УФ-излучение на правильной длине волны, таким образом облучая окружающую среду. Принудительный поток воздуха или воды через эту среду обеспечивает воздействие этого воздуха или воды. [ необходима цитата ]
Эффективность бактерицидного УФ-излучения зависит от дозы УФ-излучения, то есть от того, какое количество УФ-излучения достигает микроба (измеряется как лучистая экспозиция ) и насколько восприимчив микроб к данной длине волны УФ-излучения, что определяется кривой бактерицидной эффективности.
Доза УФ-излучения измеряется в световой энергии на единицу площади, т.е. в лучистом воздействии или потоке. Поток, которому подвергается микроб, является произведением интенсивности света, т.е. облученности и времени воздействия, согласно:
Аналогично, облученность зависит от яркости ( интенсивности излучения , Вт/ср) источника УФ-излучения, расстояния между источником УФ-излучения и микробом, ослабления фильтров (например, загрязненного стекла) на пути света, ослабления среды (например, микробов в мутной воде), наличия частиц или объектов, которые могут экранировать микробы от УФ-излучения, и наличия отражателей, которые могут направлять один и тот же УФ-свет через среду несколько раз. Кроме того, если микробы не являются свободно текущими, например, в биопленке , они будут блокировать друг друга от облучения.
Агентство по охране окружающей среды США (EPA) опубликовало рекомендации по дозировке УФ-излучения для систем очистки воды в 1986 году. [72] Дозу УФ-излучения трудно измерить напрямую, но ее также можно оценить по формуле:
Лампочки требуют периодической очистки и замены для обеспечения эффективности. Срок службы бактерицидных УФ-лампочек зависит от конструкции. Кроме того, материал, из которого изготовлена лампа, может поглощать часть бактерицидных лучей. Охлаждение лампы потоком воздуха также может снизить выход УФ-излучения. Дозу УФ-излучения следует рассчитывать с учетом окончания срока службы лампы (EOL указывается в количестве часов, через которые лампа, как ожидается, достигнет 80% от своего первоначального выхода УФ-излучения). Некоторые небьющиеся лампы покрыты фторированным этиленовым полимером для удержания осколков стекла и ртути в случае поломки; это покрытие снижает выход УФ-излучения на целых 20%.
Интенсивность источника УФ-излучения иногда указывается как облученность на расстоянии 1 метр, которую можно легко преобразовать в интенсивность излучения . Интенсивность УФ-излучения обратно пропорциональна квадрату расстояния, поэтому она уменьшается на больших расстояниях. С другой стороны, она быстро увеличивается на расстояниях короче 1 м. В приведенной выше формуле интенсивность УФ-излучения всегда должна корректироваться с учетом расстояния, если только доза УФ-излучения не рассчитывается точно на расстоянии 1 м (3,3 фута) от лампы. Доза УФ-излучения должна рассчитываться на самом дальнем расстоянии от лампы на периферии целевой области. Увеличения потока энергии можно добиться с помощью отражения, так что один и тот же свет проходит через среду несколько раз, прежде чем поглотится. Алюминий имеет самую высокую отражательную способность по сравнению с другими металлами и рекомендуется при использовании УФ-излучения. [73]
В статических приложениях время воздействия может быть таким, как необходимо для достижения эффективной дозы УФ. При дезинфекции потоком воды/воздуха время воздействия может быть увеличено за счет увеличения освещенного объема, уменьшения скорости жидкости или многократной рециркуляции воздуха или воды через освещенную секцию. Это обеспечивает многократные проходы, так что УФ-излучение эффективно против наибольшего количества микроорганизмов и будет облучать устойчивые микроорганизмы более одного раза, чтобы разрушить их.
Микробы более восприимчивы к определенным длинам волн УФ-излучения, эта функция называется кривой бактерицидной эффективности. Кривая для E. coli представлена на рисунке, при этом наиболее эффективный УФ-свет имеет длину волны 265 нм. Это применимо к большинству бактерий и не меняется существенно для других микробов. Дозы для 90%-ного уничтожения большинства бактерий и вирусов находятся в диапазоне от 2000 до 8000 мкДж/см 2 . Более крупные паразиты, такие как Cryptosporidium, требуют более низкой дозы для инактивации. В результате Агентство по охране окружающей среды США приняло УФ-дезинфекцию в качестве метода для питьевых водорослей с целью получения кредитов инактивации Cryptosporidium , Giardia или вирусов. Например, для 90%-ного снижения Cryptosporidium требуется минимальная доза 2500 мкВт·с/см 2 на основе руководства Агентства по охране окружающей среды 2006 года. [65] : 1–7
« Стерилизация » часто неправильно цитируется как достижимая. Хотя теоретически это возможно в контролируемой среде, это очень трудно доказать, и термин «дезинфекция» обычно используется компаниями, предлагающими эту услугу, чтобы избежать юридического порицания. Специализированные компании часто рекламируют определенное логарифмическое сокращение , например, 6-логарифмическое сокращение или эффективность 99,9999%, вместо стерилизации. Это учитывает явление, известное как световая и темная репарация ( фотореактивация и репарация эксцизии оснований соответственно), при котором клетка может восстанавливать ДНК , поврежденную УФ-светом.
Многие системы UVGI используют длины волн УФ, которые могут быть вредны для человека, что приводит как к немедленным, так и к долгосрочным последствиям. Острое воздействие на глаза и кожу может включать такие состояния, как фотокератит (часто называемый «снежной слепотой») и эритема (покраснение кожи), в то время как хроническое воздействие может повысить риск рака кожи . [12] [13] [74]
Однако безопасность и воздействие УФ сильно различаются в зависимости от длины волны, что означает, что не все системы UVGI представляют одинаковый уровень опасности. Люди обычно сталкиваются с УФ-излучением в форме солнечного УФ, которое включает в себя значительную часть УФ-А и УФ-В , но исключает УФ-С . Диапазон УФ-В, способный проникать глубоко в живую, воспроизводящуюся ткань, признан наиболее разрушительным и канцерогенным . [75]
Многие стандартные системы УФГИ, такие как ртутные лампы низкого давления (LP-Hg), производят широкополосное излучение в диапазоне УФ-С, а также пики в диапазоне УФ-В. Это часто затрудняет приписывание вредного воздействия определенной длине волны. [76] Тем не менее, более длинные волны в диапазоне УФ-С могут вызывать такие состояния, как фотокератит и эритема. [22] [77] Поэтому многие системы УФГИ используются в условиях, где прямое воздействие на человека ограничено, например, в очистителях воздуха УФГИ для верхних помещений и системах дезинфекции воды.
Для защиты пользователей систем УФ-излучения обычно применяются следующие меры предосторожности:
С начала 2010-х годов растет интерес к дальним УФ-С длинам волн 200-235 нм для воздействия на все помещение. Эти длины волн обычно считаются более безопасными из-за их ограниченной глубины проникновения, вызванной повышенным поглощением белка . [78] [79] Эта особенность ограничивает воздействие дальнего УФ-С поверхностными слоями ткани , такими как внешний слой мертвой кожи ( роговой слой ), слезная пленка и поверхностные клетки роговицы . [22] [80] [81] [82] Поскольку эти ткани не содержат реплицирующихся клеток, их повреждение представляет меньший канцерогенный риск. Также было продемонстрировано, что дальний УФ-С не вызывает эритему или повреждение роговицы на уровнях, во много раз превышающих уровни солнечного УФ или обычных систем УФГИ 254 нм. [83] [84] [22]
Пределы воздействия УФ-излучения, особенно бактерицидного диапазона УФ-С, со временем изменились из-за научных исследований и меняющихся технологий. Американская конференция государственных промышленных гигиенистов (ACGIH) и Международная комиссия по защите от неионизирующего излучения (ICNIRP) установили пределы воздействия для защиты от как немедленных, так и долгосрочных последствий воздействия УФ-излучения. [85] [86] Эти пределы, также называемые пороговыми предельными значениями (TLV), составляют основу для пределов выбросов в стандартах безопасности продукции.
Фотобиологическая спектральная полоса УФ-С определяется как 100–280 нм, при этом в настоящее время действуют ограничения 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 с ростом доказательств безопасности, окружающих УФ-С для бактерицидных применений, существующие ПДК ACGIH были пересмотрены в 2022 году. [87]
TLVs для длины волны УФ-С 222 нм (пиковое излучение 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. [88] Для длины волны УФ 254 нм обновленный предел воздействия теперь установлен на уровне 6 мДж/см 2 для глаз и 10 мДж/см 2 для кожи. [88]
УФ-излучение может влиять на химию воздуха в помещении, что приводит к образованию озона и других потенциально вредных загрязняющих веществ , включая загрязнение твердыми частицами . [89] Это происходит в основном посредством фотолиза , когда УФ- фотоны расщепляют молекулы на более мелкие радикалы , которые образуют радикалы, такие как ОН. [90] Радикалы могут реагировать с летучими органическими соединениями (ЛОС) с образованием окисленных ЛОС (OVOC) и вторичных органических аэрозолей (SOA). [91]
Длины волн ниже 242 нм также могут генерировать озон, который не только способствует образованию OVOC и SOA, но и может быть вредным сам по себе. При вдыхании в больших количествах эти загрязнители могут раздражать глаза и дыхательную систему и усугублять такие состояния, как астма . [92]
Конкретные загрязняющие вещества, которые производятся, зависят от исходной химии воздуха, мощности и длины волны источника УФ-излучения. Для контроля озона и других загрязняющих веществ в помещениях используются методы вентиляции и фильтрации , которые разбавляют загрязняющие вещества в воздухе и поддерживают качество воздуха в помещениях. [93]
Излучение UVC способно разрушать химические связи. Это приводит к быстрому старению пластика и других материалов, а также изоляции и прокладок . Пластики, продаваемые как «устойчивые к УФ-излучению», тестируются только на низкоэнергетический UVB, поскольку UVC обычно не достигает поверхности Земли. [94] Когда УФ используется вблизи пластика, резины или изоляции, эти материалы могут быть защищены металлической лентой или алюминиевой фольгой.
UVGI можно использовать для дезинфекции воздуха при длительном воздействии. В 1930-х и 40-х годах эксперимент в государственных школах Филадельфии показал, что ультрафиолетовые приборы в верхних помещениях могут значительно снизить передачу кори среди учащихся. [95]
УФ-излучение и фиолетовый свет способны нейтрализовать инфекционность SARS-CoV-2 . [96] Вирусные титры , обычно обнаруживаемые в мокроте пациентов с COVID-19, полностью инактивируются уровнями УФ-А и УФ-В- облучения, которые аналогичны уровням, получаемым при естественном солнечном облучении . Это открытие предполагает, что снижение заболеваемости SARS-COV-2 летом может быть отчасти обусловлено нейтрализующей активностью солнечного УФ-облучения. [96]
Для дезинфекции SARS-CoV-2 можно использовать различные устройства, излучающие УФ-излучение, и эти устройства могут помочь в снижении распространения инфекции. [97] SARS-CoV-2 можно инактивировать с помощью широкого диапазона длин волн УФ-С, а длина волны 222 нм обеспечивает наиболее эффективную дезинфекцию. [97]
Дезинфекция является функцией интенсивности и времени УФ-излучения. По этой причине она теоретически не так эффективна при движении воздуха или когда лампа перпендикулярна потоку, так как время воздействия резко сокращается. Однако многочисленные профессиональные и научные публикации указывают на то, что общая эффективность УФГИ на самом деле увеличивается при использовании в сочетании с вентиляторами и вентиляцией HVAC, которые способствуют циркуляции по всему помещению, что подвергает больше воздуха воздействию источника УФ-излучения. [98] [99] Системы УФГИ очистки воздуха могут быть отдельно стоящими устройствами с экранированными УФ-лампами, которые используют вентилятор для проталкивания воздуха мимо УФ-излучения. Другие системы устанавливаются в системах принудительной вентиляции, так что циркуляция в помещениях перемещает микроорганизмы мимо ламп. Ключом к этой форме стерилизации является размещение УФ-ламп и хорошая система фильтрации для удаления мертвых микроорганизмов. [100] Например, системы принудительной вентиляции по своей конструкции препятствуют прямой видимости, тем самым создавая области окружающей среды, которые будут затенены от УФ-излучения. Однако УФ-лампа, размещенная на змеевиках и дренажных поддонах систем охлаждения, будет препятствовать образованию микроорганизмов в этих естественно влажных местах.
Ультрафиолетовая дезинфекция воды — это чисто физический, нехимический процесс. Даже такие паразиты , как Cryptosporidium или Giardia , которые чрезвычайно устойчивы к химическим дезинфицирующим средствам, эффективно уничтожаются. УФ также можно использовать для удаления видов хлора и хлорамина из воды; этот процесс называется фотолизом и требует более высокой дозы, чем обычная дезинфекция. Мертвые микроорганизмы не удаляются из воды. УФ-дезинфекция не удаляет растворенные органические вещества, неорганические соединения или частицы в воде. [101] Крупнейшая в мире установка по дезинфекции воды обрабатывает питьевую воду для Нью-Йорка . Установка ультрафиолетовой дезинфекции воды Catskill-Delaware , введенная в эксплуатацию 8 октября 2013 года, включает в себя в общей сложности 56 энергоэффективных УФ-реакторов, обрабатывающих до 2,2 млрд галлонов США (8,3 млрд литров) в день. [102] [103]
Ультрафиолет также можно комбинировать с озоном или перекисью водорода для получения гидроксильных радикалов, которые разрушают следы загрязняющих веществ посредством усовершенствованного процесса окисления .
Раньше считалось, что дезинфекция ультрафиолетом более эффективна для бактерий и вирусов, которые имеют более открытый генетический материал, чем для более крупных патогенов, которые имеют внешние оболочки или которые образуют цистные состояния (например, Giardia ), которые защищают их ДНК от ультрафиолетового света. Однако недавно было обнаружено, что ультрафиолетовое излучение может быть в некоторой степени эффективным для лечения микроорганизма Cryptosporidium . Результаты привели к использованию ультрафиолетового излучения в качестве жизнеспособного метода очистки питьевой воды. В свою очередь, было показано, что Giardia очень восприимчивы к ультрафиолету-C, когда тесты были основаны на инфекционности, а не на эксцистировании. [104] Было обнаружено, что протисты способны выживать при высоких дозах ультрафиолета-C, но стерилизуются при низких дозах.
Устройства для УФ-очистки воды могут использоваться для дезинфекции колодезной и поверхностной воды. УФ-очистка выгодно отличается от других систем дезинфекции воды с точки зрения стоимости, трудозатрат и необходимости технически подготовленного персонала для работы. Хлорирование воды обрабатывает более крупные организмы и обеспечивает остаточную дезинфекцию, но эти системы дороги, поскольку требуют специального обучения оператора и постоянной поставки потенциально опасного материала. Наконец, кипячение воды является наиболее надежным методом очистки, но оно требует труда и влечет высокие экономические затраты. УФ-очистка быстрая и, с точки зрения использования первичной энергии, примерно в 20 000 раз эффективнее кипячения. [ необходима цитата ]
УФ-дезинфекция наиболее эффективна для обработки высокопрозрачной, очищенной воды, дистиллированной обратным осмосом . Взвешенные частицы представляют собой проблему, поскольку микроорганизмы, зарытые в частицах, защищены от УФ-излучения и проходят через установку без последствий. Однако УФ-системы можно сочетать с предварительным фильтром для удаления более крупных организмов, которые в противном случае прошли бы через УФ-систему без последствий. Предварительный фильтр также очищает воду, улучшая светопропускание и, следовательно, дозу УФ-излучения по всему столбу воды. Другим ключевым фактором УФ-очистки воды является скорость потока — если поток слишком высокий, вода будет проходить без достаточного УФ-облучения. Если поток слишком низкий, может накапливаться тепло и повредить УФ-лампу. [105] Недостатком УФ-БИ является то, что в то время как вода, обработанная хлорированием, устойчива к повторному заражению (пока не выделятся газы хлора), УФ-БИ вода не устойчива к повторному заражению. УФ-БИ вода должна транспортироваться или доставляться таким образом, чтобы избежать повторного заражения. [ необходима цитата ]
Проект 2006 года в Калифорнийском университете в Беркли создал проект недорогой дезинфекции воды в условиях нехватки ресурсов. [106] Проект был разработан для создания проекта с открытым исходным кодом, который можно было бы адаптировать к местным условиям. В похожем предложении в 2014 году австралийские студенты разработали систему, использующую фольгу из-под картофельных чипсов (crisp) для отражения солнечного УФ-излучения в стеклянную трубку, которая дезинфицирует воду без электричества. [107]
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), подтвержденные биопробным тестированием. Это включает в себя тестирование дезинфекционной производительности УФ-реактора с бактериофагами 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 Соединенных Штатах согласно руководству по УФ-излучению Агентства по охране окружающей среды. [65] : 5–2
Профиль потока создается на основе геометрии камеры, скорости потока и выбранной конкретной модели турбулентности. Профиль излучения разрабатывается на основе таких входных данных, как качество воды, тип лампы (мощность, бактерицидная эффективность, спектральный выход, длина дуги), а также коэффициент пропускания и размер кварцевого рукава. Запатентованное программное обеспечение CFD моделирует как профили потока, так и профили излучения. После построения 3D-модели камеры она заполняется сеткой или ячейкой, состоящей из тысяч маленьких кубиков.
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 сотни тысяч виртуальных частиц «выстреливают» через камеру. Каждая частица имеет несколько переменных интереса, связанных с ней, и частицы «собираются» после реактора. Моделирование дискретной фазы дает доставленную дозу, потерю напора и другие параметры, специфичные для камеры.
Когда фаза моделирования завершена, выбранные системы проверяются с использованием профессиональной третьей стороны для обеспечения надзора и определения того, насколько близко модель способна предсказать реальность производительности системы. Системная проверка использует непатогенные суррогаты, такие как фаг MS 2 или Bacillus subtilis, для определения способности реакторов к эквивалентной дозе восстановления (RED). Большинство систем проверяются на подачу 40 мДж/см 2 в пределах потока и пропускания. [108]
Для проверки эффективности систем питьевой воды метод, описанный в руководстве EPA по УФ-излучению, обычно используется водопроводными службами 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 . [109]
Ультрафиолет в очистке сточных вод обычно заменяет хлорирование. Это во многом связано с опасениями, что реакция хлора с органическими соединениями в потоке сточных вод может синтезировать потенциально токсичные и долгосрочные хлорированные органические вещества , а также из-за экологических рисков хранения газообразного хлора или хлорсодержащих химикатов. Отдельные потоки отходов, подлежащие очистке с помощью УФГИ, должны быть протестированы, чтобы убедиться, что метод будет эффективным из-за потенциальных помех, таких как взвешенные твердые частицы , красители или другие вещества, которые могут блокировать или поглощать УФ-излучение. По данным Всемирной организации здравоохранения , «Установки УФ-излучения для обработки небольших партий (от 1 до нескольких литров) или малых потоков (от 1 до нескольких литров в минуту) воды на уровне общины оцениваются в 20 долларов США за мегалитр, включая стоимость электроэнергии и расходных материалов, а также годовые капитальные затраты на установку». [110]
Крупномасштабная очистка городских сточных вод ультрафиолетом проводится в таких городах, как Эдмонтон, Альберта . Использование ультрафиолетового света теперь стало стандартной практикой в большинстве процессов очистки городских сточных вод. Сточные воды теперь начинают признавать ценным ресурсом, а не проблемой, которую нужно сбрасывать. Многие объекты по очистке сточных вод переименовываются в объекты по переработке воды, независимо от того, сбрасываются ли сточные воды в реку, используются ли они для орошения сельскохозяйственных культур или закачиваются в водоносный горизонт для последующего восстановления. Ультрафиолетовый свет теперь используется для обеспечения отсутствия в воде вредных организмов.
Ультрафиолетовые стерилизаторы часто используются для контроля нежелательных микроорганизмов в аквариумах и прудах. УФ-облучение гарантирует, что патогены не смогут размножаться, тем самым снижая вероятность вспышки заболеваний в аквариуме.
Аквариумные и прудовые стерилизаторы обычно небольшие, с фитингами для трубок, которые позволяют воде течь через стерилизатор по 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-С. Многие из лучших УФ-стерилизаторов имеют длительное время пребывания и ограничивают пространство между источником УФ-С и внутренней стенкой устройства УФ-стерилизатора. [111] [ необходим сторонний источник ]
UVGI часто используется для дезинфекции оборудования, такого как защитные очки , инструменты, пипетки и другие устройства. Персонал лабораторий также дезинфицирует таким образом стеклянную и пластиковую посуду. Микробиологические лаборатории используют UVGI для дезинфекции поверхностей внутри шкафов биологической безопасности («капотов») между использованиями.
С тех пор как в 2001 году Управление по контролю за продуктами и лекарствами США выпустило правило, требующее, чтобы практически все производители фруктовых и овощных соков следовали системе контроля HACCP , а также предписывающее 5- кратное снижение количества патогенов, ультрафиолетовое излучение стало применяться для стерилизации соков, в том числе свежевыжатых.
Бактерицидное УФ-излучение для дезинфекции обычно генерируется ртутной лампой . Низконапорные пары ртути имеют сильную линию излучения на 254 нм, которая 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) и лампы среднего давления. УФ-лампы низкого давления обладают высокой эффективностью (приблизительно 35% УФ-С), но меньшей мощностью, обычно плотность мощности 1 Вт/см (мощность на единицу длины дуги). Амальгамные УФ-лампы используют амальгаму для управления давлением ртути, чтобы обеспечить работу при несколько более высокой температуре и плотности мощности. Они работают при более высоких температурах и имеют срок службы до 16 000 часов. Их эффективность немного ниже, чем у традиционных ламп низкого давления (приблизительно 33% выхода УФ-С), а плотность мощности составляет приблизительно 2–3 Вт/см 3 . УФ-лампы среднего давления работают при гораздо более высоких температурах, примерно до 800 градусов Цельсия, и имеют полихроматический выходной спектр и высокую выходную мощность излучения, но более низкую эффективность УФ-С, равную 10% или менее. Типичная плотность мощности составляет 30 Вт/см 3 или более.
В зависимости от кварцевого стекла, используемого для корпуса лампы, УФ-излучение низкого давления и амальгамное УФ-излучение испускает излучение на длине волны 254 нм, а также на длине волны 185 нм, которое оказывает химическое воздействие. УФ-излучение на длине волны 185 нм используется для генерации озона.
УФ-лампы для очистки воды состоят из специализированных ртутных ламп низкого давления, которые производят ультрафиолетовое излучение на 254 нм, или УФ-ламп среднего давления, которые производят полихроматический выход от 200 нм до видимой и инфракрасной энергии. УФ-лампа никогда не контактирует с водой; она либо помещена в кварцевый стеклянный рукав внутри водяной камеры, либо установлена снаружи воды, которая протекает через прозрачную УФ-трубку. Вода, проходящая через проточную камеру, подвергается воздействию УФ-лучей, которые поглощаются взвешенными твердыми частицами, такими как микроорганизмы и грязь, в потоке. [112]
Недавние разработки в области светодиодной технологии привели к появлению коммерчески доступных светодиодов UV-C. Светодиоды UV-C используют полупроводники для излучения света в диапазоне от 255 нм до 280 нм. [69] Длина волны излучения настраивается путем регулировки материала полупроводника. По состоянию на 2019 год [обновлять]эффективность преобразования электричества в УФ-С у светодиодов была ниже, чем у ртутных ламп. Уменьшенный размер светодиодов открывает возможности для небольших реакторных систем, что позволяет использовать их в местах использования и интегрировать в медицинские устройства. [113] Низкое энергопотребление полупроводников позволяет использовать системы УФ-дезинфекции, которые используют небольшие солнечные элементы в отдаленных районах или странах третьего мира. [113]
Светодиоды UV-C не обязательно служат дольше, чем традиционные бактерицидные лампы с точки зрения часов использования, вместо этого они имеют более изменчивые технические характеристики и лучшую переносимость краткосрочной эксплуатации. Светодиод UV-C может достигать более длительного времени установки, чем традиционная бактерицидная лампа при прерывистом использовании. Аналогично, деградация светодиода увеличивается с нагревом, в то время как выходная длина волны нити накаливания и HID-лампы зависит от температуры, поэтому инженеры могут проектировать светодиоды определенного размера и стоимости, чтобы иметь более высокую выходную мощность и более быструю деградацию или более низкую выходную мощность и более медленное снижение с течением времени.
{{cite journal}}
: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на сентябрь 2024 г. ( ссылка ){{cite journal}}
: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на сентябрь 2024 г. ( ссылка )