Независимо от характера излучения (видимое, инфракрасное или ультрафиолетовое) энергия света выделяется в виде дискретных единиц, или квантов. Энергия одного кванта зависит от длины волны:

где Е — энергия одного кванта, эрг; hp — постоянная Планка (6,62·10-27 эрг); с — скорость света (3·1010 см/с); λ — длина волны излучения, см.
По мере уменьшения длины волны света или увеличения частоты энергия одного кванта возрастает, поэтому квант света в ультрафиолетовой области обладает большей энергией, чем квант света в видимой.
Эффективность ультрафиолетового излучения для борьбы с бактериями, грибками и вирусами зависит от длины волны (рис. 14.3). Наиболее эффективна длина волны 2600 А. Излучение большей и меньшей длины волны оказывает меньшее бактерицидное действие. Было установлено, что эффективность ультрафиолетового света длиной волны 3200 А составляет лишь 0,4% эффективности ультрафиолетового света длиной волны 2600 А, а свет с длиной волны 7000 А (видимый диапазон волн) составляет лишь 0,002% эффективности света с длиной волны 2600 A (Roller, 1965).
В настоящее время механизм действия ультрафиолетового излучения на микроорганизмы неизвестен. Однако есть данные, свидетельствующие о том, что ультрафиолетовое излучение действует на нуклеиновую кислоту. Филлипс и Ханел (Phillips and Hanel, 1960) считают, что основная реакция в этом процессе фотохимическая.
Выживаемость микроорганизмов под действием ультрафиолетового облучения можно рассчитать по уравнению (14.2). Обычно константу представляют в виде произведения новой константы k и величины интенсивности ультрафиолевого излучения I

где k1 — константа; I — интенсивность ультрафиолетового излучения, мВт/см2; Nh No и t — те же, что и в уравнении (14.2).
Если интенсивность ультрафиолетового света в единицу времени принять равной 1/k, то получим е в степени —1, а е-1=0,368. Таким образом, выживаемость микроорганизмов N1/N0=0,368. Дозу ультрафиолетового облучения, при которой выживают 36,8% микроорганизмов, обычно называют средней летальной дозой, летальной экспозицией или дозой инактивации (Roller, 1965). Эта величина зависит от вида микроорганизмов, мутности воды, толщины облучаемого слоя и влажности воздуха, если обработка воды ведется на воздухе, а также от ряда других факторов. Значения k1 можно определить по графику зависимости N1/N0 от It, построенного в полулогарифмическом масштабе. Угол наклона прямой и будет величиной —k1.
Уравнение (14.19), которое является экспоненциальной функцией, показывает, что в принципе одного кванта радиации достаточно для гибели одного микроорганизма (Koller, 1965). Результаты ультрафиолетового облучения воды иногда можно изобразить в виде S-образной кривой. Коллер (1965) считает, что S-образная кривая обусловлена множественным эффектом воздействия (более 1 кванта энергии) на отдельный организм или разовым эффектом воздействия на группу организмов. Как S-образные, так и экспоненциальные кривые, описывающие гибель микроорганизмов, зависят от их вида, способа и характера облучения и стадии развития. Поскольку по бактериальному составу точные данные отсутствуют, очень трудно определить, какую форму кривой следует применить к выбранной системе.
Уравнение (14.19) также показывает, что выживаемость зависит от интенсивности ультрафиолетового облучения и времени экспозиции. Так, одинаковая выживаемость может быть достигнута при кратковременной экспозиции и высокой интенсивности облучения, и наоборот, при длительной экспозиции и низкой интенсивности облучения. Эта взаимозависимость справедлива лишь в том случае, если время экспозиции почти совпадает с периодом регенерации возбудителей заболеваний, против которых ведется облучение.
В отличие от химических дезинфицирующих веществ температура от 5 до 37°С незначительно влияет на эффективность ультрафиолетового облучения при борьбе с бактериями (Roller, 1965). Филлипс и Ханел (1960) в обзоре литературы по влиянию температуры на эффективность ультрафиолетового облучения при длине волны 2540 А указывают, что повышение температуры в диапазоне от 5 до 36°С увеличивает эффективность облучения. Однако они не вывели математической закономерности этого явления. Несмотря на то что в этом предположении есть некоторые несоответствия, вполне очевидно, что температура слаба влияет на выживаемость микроорганизмов в пределах температурной толерантности того вида микроорганизмов, против которого направлено облучение.
В табл. 14.2—14.4 представлены данные по интенсивности ультрафиолетового облучения, вызывающей 90 или 100%-ную гибель различных микроорганизмов. На рис. 14.4 и 14.5 представлены те же данные, но в несколько иной форме. Некоторые из этих данных расходятся, поскольку они взяты из разных источников. Кроме того, на интенсивность облучения и гибель микроорганизмов оказывали влияние различия в степени окраски, концентрации клеток и возрасте культур, а также другие показатели. В связи с этим интенсивность облучения должна быть несколько большей, чем указано в таблицах, но с учетом фактора безопасности. Для дезинфекции воды требуемая доза облучения в 5— 10 раз превышает дозу, необходимую для достижения того же эффекта на воздухе (Phillips, Hanel, 1960). По данным других исследователей — в 40—50 раз (General Electric Company, 1953). В табл. 14.5 представлены интенсивности ультрафиолетового облучения, вызывающие различный процент гибели Serratia marcescens, а в табл. 14.6 — интенсивности облучения, вызывающие гибель некоторых других микроорганизмов.





Вода поглощает световую энергию большинства длин волн. Однако степень поглощения зависит от длины волны; мутности воды и других факторов. Через воду сравнительно легко проходят ультрафиолетовые лучи с длиной волны около 2600 А, губительной для бактерий. На рис. 14.6 представлена пропускная способность воды с различными коэффициентами поглощения для ультрафиолетового излучения с длиной волны 2537 А.
Прохождение ультрафиолетовых лучей через воду выражается следующей экспоненциальной зависимостью:

где TR — пропускная способность воды в отношении ультрафиолетовых лучей, %; а — коэффициент поглощения, см-1; d — толщина слоя воды, см; RF — поверхностное отражение для воды в десятичных долях; RF=0,02.
Изобразив графически зависимость пропускной способности воды для ультрафиолетовых лучей от толщины ее слоя на полулогарифмической бумаге, получаем прямую линию с наклоном, равным коэффициенту поглощения. На рис. 14.6 показана серия таких линий, характеризующих проникающую способность воды с различными коэффициентами поглощения для ультрафиолетовых лучей (в %).
Коэффициент поглощения для данной пробы воды можно установить только экспериментально. Дистиллированная вода хорошо пропускает ультрафиолетовый свет с длиной волны 2537 А или более. Более короткие волны поглощаются водой сильнее. Примеси значительно снижают пропускную способность воды. Многозарядные соли и органические вещества снижают пропускную способность воды (Phillips and Hanel, 1960). Морская вода поглощает ультрафиолетовые лучи сильнее, чем пресная, поскольку она содержит больше ионов. Содержащийся в воде планктон, ил и другие вещества снижают ее пропускную способность.
Ультрафиолетовые лампы
Для ультрафиолетового облучения используются различные типы ламп, но почти все они содержат пары ртути. Электрический ток, проходя через пары ртути, возбуждает атомы до различных энергетических уровней. Возвращаясь снова на более низкий энергетический уровень, атомы излучают электромагнитные колебания определенной длины волны. Поскольку все атомы обладают несколькими энергетическими уровнями, длина волны, излучаемая ими, зависит от уровней между которыми осуществляется переход. Вероятность определенного энергетического перехода зависит от количества и химического состояния ртути, давления ее паров и электрических условий выделения энергии (Phillips and Hanel, 1960).
Для ртутных ламп низкого давления характерно очень низкое давление паров ртути (53—267 Па). Существуют ультрафиолетовые лампы высокого давления (от 0,5·105 до 76·105 Па), но наиболее широкое распространение получили все-таки лампы низкого давления. Это объясняется прежде всего их сравнительно низкой стоимостью. Кроме того, они излучают 95% энергии в узком диапазоне длин волн приблизительно 2537 А. Такая длина волны близка к 2600 А, т. е. к длине волны, обладающей наиболее эффективным бактерицидным действием.
Существует три типа ламп низкого давления паров ртути: с горячим катодом, холодным катодом и высокоинтенсивные.
Лампы с горячим катодом работают на низком напряжении с использованием балласта подобно обычным лампам накаливания. Включение ламп происходит с помощью газа аргона и специального устройства, предотвращающего нагрев электродов. Электроды, расположенные на концах трубки, представляют собой вольфрамовую нить, покрытую окислами кальция, бария или стронция. Срок службы ламп зависит от срока работы электродов (сокращение срока службы может произойти из-за частого включения и выключения ламп). Соляризация — это медленное потемнение стекла, пропускающего ультрафиолетовые лучи при длительном воздействии на него ультрафиолетовый лучей высокой интенсивности. Лампы с горячим катодом темнеют сравнительно быстро, имеют низкий выход и с трудом включаются в режим при низких температурах. На рис. 14.7 показано влияние температуры стенок лампы на процентный выход энергии при длине волны 2537 А. Филлипс и Ханел (1960) считают, что при температуре стенок лампы, равной 0°С, эффективность работы лампы составляет менее 10% эффективности работы лампы с температурой стенок 3.8°С.
Вых,од энергии ультрафиолетового излучения на 1 Вт подводимой энергии у ламп с холодным катодом примерно такой же, как и у ламп с горячим катодом. Однако у них есть свои преимущества и недостатки по сравнению с лампами с горячим катодом. Низкие температуры в начале работы лампы не влияют на ее характеристики прежде всего потому, что для включения этих ламп требуется высокое напряжение. Как видно из названия этих ламп, никелевому электроду не требуется предварительный нагрев. Поскольку электроды работают в «холодном» режиме, срок службы таких ламп зависит прежде всего от скорости потускнения стекла (снижение пропускной способности для ультрафиолетового света). В таких лампах помимо паров ртути содержатся еще аргон и неон (Phillips and Hanel, I960). Лампы с холодным катодом способны создавать низкие и высокие концентрации озона в зависимости от характеристик пропускной способности стекла, из которого выполнена трубка лампы.
Высокоинтенсивные бактерицидные лампы представляют собой своеобразную комбинацию ламп с холодным и горячим катодом. Для пуска бактерицидных ламп высокой интенсивности требуется ток высокого напряжения, как для ламп с холодным катодом, однако после включения они работают как лампы с горячим катодом. Срок службы таких ламп зависит от срока службы электрода и находится в обратно пропорциональной зависимости от частоты включения. Основным преимуществом этих ламп является высокий выход энергии, значительно превышающий выход энергии у ламп с холодным или горячим катодом из-за более высокой пропускной способности стекла трубки лампы. Они дают незначительное количество озона, хотя могут быть снабжены специальным стеклом, позволяющим получать некоторое количество озона. В табл. 14.7 представлены общие характеристики трех типов ртутных ламп низкого давления.

Помимо ртутных ламп низкого давления существует еще несколько типов ртутных ламп высокого давления. Однако для дезинфекции воды эти лампы широко не применяются, поскольку они уступают лампам низкого давления по следующим показателям: эффективность превращения электроэнергии в радиационную ниже; выход энергии распределяется в большем диапазоне длин волн, и, таким образом, эти лампы обладают менее эффективным бактерицидным действием; срок службы ламп высокого давления меньше; лампы высокого давления дороже прежде всего из-за того, что им требуется ток высокого напряжения, сравнительно более дорогой, лампы высокого давления дают значительные количества озона, если их используют без стекла, которое отсекает диапазон волн, производящих озон.
Обычные люминесцентные лампы, особенно напряжением 500 Вт и выше, дают некоторое количество ультрафиолетовых лучей но количество этих лучей, получаемое с 1 Вт, слишком мало, чтобы использовать их в качестве бактерицидных. Выход ультрафиолетовых лучей в стандартных флуоресцентных лампах варьирует в зависимости от содержания фосфора, но обычно они имеют очень низкую эффективность перехода электрической энергии в ультрафиолетовое излучение, что не позволяет использовать их в качестве бактерицидных.
Солнечный свет содержит значительное количество ультрафиолетовых лучей и может оказывать некоторое бактерицидное действие при условии, что на пути света не стоит какое-либо стекло или пластик, который не пропускает ультрафиолетовых лучей.
Интенсивность солнечной ультрафиолетовой радиации с длиной волны менее 3132 А варьирует от 0 на восходе и закате солнца до максимума, равного 80 мкВт·с/см2, в ясный день в Вашингтоне (Koller, 1965). Солнечная ультрафиолетовая радиация зависит от широты местности, сезона года, облачности, влажности и других факторов, поэтому, хотя солнечная радиация и оказывает некоторое дезинфицирующее действие, она ненадежна из-за метеорологических условий.
Устройство стерилизаторов
Существует два основных типа ультрафиолетовых дезинфицирующих установок: подвесные и погружные. Подвесные установки иногда оборудуются отражателями, а в погружных возможен непосредственный контакт лампы с водой.
Подвесные установки. Схема такой установки представлена на рис. 14.8. Ультрафиолетовые лампы подвешиваются над лотком, по которому протекает вода. Обычно лампы располагают на высоте 10—20 см над поверхностью воды. При минимальном расстоянии от поверхности воды до лампы интенсивность облучения наибольшая, поскольку без отражателей интенсивность облучения лампой пропорциональна квадрату расстояния от лампы. Если лампа расположена слишком близко от поверхности воды, то интенсивность облучения неодинакова по длине лотка, а брызги воды, попадающей на лампу, могут ее повредить. Основным преимуществом такой установки является то, что она может работать на воздухе, поскольку температура воды не влияет на эффективность работы лампы, особенно если воздух под лампами хорошо вентилируется. Чистку лампы производят, сдвигая в сторону или приподнимая крышку. Лампу можно просто протирать тряпкой.
На эффективность работы подвесных установок влияют толщина слоя воды и ее качество, расстоянием ежду лампой и поверхностью воды, площадь, облучаемая лампой, и проточность воды. Степень обеззараживания зависит от сочетания этих параметров. Толщина слоя воды и ее качество взаимосвязаны, поскольку толщина облучаемого слоя определяется коэффициентом поглощения [см. уравнение (14.20)]. Коэффициент поглощения зависит от качества воды, особенно от мутности.
Промышленные подвесные установки предназначены для работы при содержании взвешенных веществ, не превышающем 240 мг/л. Однако при одинаковой дозе облучения в подвесной установке допустимый расход при содержании взвешенных веществ 240 мг/л составлял 5 л/мин и 15 л/мин при 70 мг/л (Hill
Очень важный показатель — расстояние между лампами и от ламп до поверхности воды. Как уже отмечалось, расстояние между поверхностью воды и лампами должно быть достаточным для обеспечения однородной интенсивности облучения по всей длине лотка и защиты ламп от брызг. В установке Келли—Перди, которая использовалась в США для дезинфекции воды во время очистки моллюсков, лампы были расположены на расстоянии 15 см друг от друга и 15 см от поверхности воды. В этой установке отражатели отсутствовали (Furfarj, 1966). Лакиш и Холладей (Luckiesh and Holladay, 1944) рекомендуют установку с 30-ваттными лампами для дезинфекции воды в бассейнах. В этой установке использован отражатель, установленный на краю бассейна. Из-за конструкции отражателя лампы располагались на высоте 25 см от поверхности воды. На поверхности воды интенсивность ультрафиолетового облучения составляла 610 мкВт/см2.
Действительная интенсивность облучения на поверхности воды в подвесных установках почти полностью зависит от устройства отражателя, поэтому при использовании отражателя необходимо сначала провести эксперименты и сделать математические расчеты интенсивности облучения при требуемой высоте монтажа ламп. Филлипс и Ханел (1960) рассчитали интенсивность облучения лампами с холодным катодом без отражателя и с двумя отражателями. Интенсивность облучения в любой точке зависит от материала, из которого изготовлен отражатель, ориентации и расположения ламп относительно отражателя и типа ламп. Поскольку математически выразить эту зависимость от всех параметров; сложно, практичнее приобрести прибор для определения интенсивности ультрафиолетового излучения (фирма «Вестингхауз электрик корпорейшн» выпускает такие приборы) и измерять интенсивность ультрафиолетового излучения на разном расстоянии при различных вариантах расположения лампы и отражателя. Впоследствии эти данные можно использовать при монтаже установки. Фирмы — изготовители ламп тоже могут располагать информацией об интенсивности излучения при различных вариантах расположения ламп и отражателей, а также об интенсивности ультрафиолетового излучения на разном расстоянии для каждой лампы. В табл. 14.8 представлены некоторые из этих данных для различных типов ультрафиолетовых ламп, выпускаемых фирмой «Дженерал электрик». Эти данные можно использовать для установок, предназначенных для дезинфекции воды, но при этом следует учитывать, что в собранной подвесной установке эффективность работы ламп будет ниже, поскольку более половины энергии теряется из-за поглощения ультрафиолетовых лучей поверхностями покрытий, за исключением тех случаев, когда внутренние поверхности покрытий хорошо отражают ультрафиолетовые лучи.

При ультрафиолетовом облучении толщина слоя воды должна быть такой, чтобы 90% или более падающей энергии поглощалось водой. Более низкая эффективность использования падающей энергии приводит к сильному ее поглощению поверхностями или стенками лотка, где вода подвергается облучению. Поскольку такой интенсивности облучения будет недостаточно для гибели микроорганизмов, при малой толщине слоя воды эффективность ламп резко снижается. При больших глубинах наблюдается менее эффективное облучение из-за поглощения ультрафиолетовых лучей в верхних слоях воды.
Эффективная обработка достигается, когда вся толща воды облучается с одинаковой интенсивностью в течение всего периода облучения.
Перегородки, установленные поперек направления течения воды (см. рис. 14.8), создают вихревые токи, способствующие более эффективной обработке воды.
Проточность воды в лотке зависит от интенсивности ультрафиолетового облучения, площади, на которой происходит обработка воды, видов микроорганизмов, против которых ведется обработка, и мутности. Дозу облучения (интенсивность, умноженная на время экспозиции) можно определить по таблицам, приведенным выше для каждого вида микроорганизмов, затем следует сделать поправку на мутность воды (увеличивая дозу или предварительно отфильтровав примеси). Максимально допустимую проточность можно определить экспериментально, изменяя проточность в системе при максимальной мутности с учетом времени обработки, необходимой для гибели микроорганизмов, против которых ведется обработка.
Интенсивность облучения, при которой достигается требуемый процент гибели микроорганизмов, определяет максимальный расход воды, который может быть обработан в самом неблагоприятном случае. Такие эксперименты трудоемки и требуют больших материальных затрат, но это самый надежный метод, учитывая опасность, которая может создаться для культивируемых организмов при недостаточном обеззараживании.
После того как доза облучения установлена, можно установить число ультрафиолетовых ламп, необходимых для обеспечения требуемой проточности.
Погружные установки. На рис. 14.9 показано устройство типичного погружного стерилизатора. Вода поступает в правую часть установки, проходит ее и выходит слева. Ультрафиолетовая лампа монтируется в нижней центральной части цилиндрической камеры и соединяется с источником электроэнергии. Лампа вставляется в кварцевый или стеклянный корпус, пропускающий ультрафиолетовые лучи. Корпус предохраняет ультрафиолетовую лампу от контакта с водой, но ультрафиолетовые лучи поглощаются водой и микроорганизмами, находящимися в воде. Несмотря на то что установка может работать и без стеклянного корпуса, он предохраняет лампу от действия воды,, поэтому ее температура оказывает лишь незначительное влияние на эффективность работы лампы. Находящуюся в корпусе лампу легче заменять. Такое устройство можно непосредственно подключать в напорную систему. Давление в системе зависит только от прочности стеклянного корпуса и качества уплотнений, но не от физической мощности ультрафиолетовой лампы.
Биологическая пленка, образующаяся на внешней поверхности корпуса лампы и снижающая проникающую способность ультрафиолетовых лучей, удаляется ручной щеткой (рис. 14.9). Очистка трубки проводится периодически, по мере необходимости, особенно в небольших установках. Чем крупнее установка, тем эта процедура более трудоемка, поэтому в больших установках (и в некоторых небольших) используют специальный блок для чистки трубки, подобный изображенному на рис. 14.9 и устроенный так, что поток воды, проходящий через установку, перемещает щетку вперед и назад. Такая автоматическая система чистки корпуса снижает затраты труда и предохраняет лампу от повреждения.
В погружных установках используется вся энергия ламп, за исключением небольших потерь при прохождении ультрафиолетовых лучей через стекло и на отражение. Такие установки не нуждаются в отражателях и их монтируют непосредственно в линии под давлением. Поверхностные установки нельзя непосредственно включать в линию под давлением; для увеличения эффективности им необходимы отражатели, и, кроме того, они не допускают автоматической чистки ламп, поэтому на практике чаще всего применяют погружные лампы. Подвесные лампы обычно применяют в лабораторных условиях и для небольших аквариумов.
Методика расчета установок для обработки воды ультрафиолетовыми лучами.
1. Определяют дозу ультрафиолетового облучения, необходимую для обезвреживания микроорганизмов, против которых ведется обработка воды.
2. Вносят поправку в дозу облучения с учетом мутности воды, если она значительная.
3. Определяют необходимую проточность воды при обработке.
4. На основании данных завода-изготовителя об интенсивности излучения ламп и характеристик отражателя для поверхностных установок определяют:
- а) толщину слоя воды, необходимую для достижения 90%-ной или более проницаемости ультрафиолетовых лучей по уравнению (14.18);
- б) число ламп и площадь, занимаемую подвесной установкой, а также тип ламп, необходимых для получения требуемой дозы облучения при определенной проточности.
5. Устанавливают перегородки для создания турбулентности,, которая способствует 90%-ной проницаемости ультрафиолетовых лучей (для сведения к минимуму поглощения ультрафиолетовых лучей перегородками, их лучше располагать, параллельно оси лампы. Однако требования турбулентности иногда могут диктовать иное расположение перегородок).