Zastosowanie lamp UV niskociśnieniowych w technologiach basenowych

Dodano 22-10-2016 przez Jacek Gąsiorowski

W dużych zbiornikach wodnych, jakimi są baseny, mogą rozwijać się różne mikroorganizmy, m. in. bakterie, grzyby, algi itp.

Sygnałem alarmowym dla użytkowników powinna być mętna woda i śliski osad na ściankach zbiornika. Nawet minimalna ilość bakterii będzie szkodliwa dla użytkowników. Wykrycie w wodzie basenu publicznego nawet niewielkich ilości wirusów może doprowadzić do zamknięcia obiektu. Oczywiście zwiększy to koszty związane z zawieszeniem działalności oraz spłatą kar nałożonych przez sanepid.

Czysta woda jest podstawowym warunkiem udanej i bezpiecznej dla zdrowia kąpieli w basenie. Odpowiednie parametry zapewnia stałe jej oczyszczanie. Większość basenów w Polsce stosuje chlorowanie jako główną metodę dezynfekcji wody. Jest to dość skuteczny i stosunkowo tani sposób na oczyszczanie wody basenowej. Niestety chlor reaguje z drobnoustrojami i potem ludzkim. Powoduje to powstawanie chloramin. W zakresie pH wody basenowej mogą wytworzyć się mono- i dwuchloraminy. Skuteczność dezynfekcji chloramin w wodzie wynosi ok. 60% w porównaniu do dezynfekcji wolnego chloru. Dodawany do wody chlor ulega prawie od razu dysproporcjonowaniu. W efekcie powstaje kwas podchlorawy HOCl, który może dysocjować na OCl- + H+, a stopień dysocjacji zależy od pH wody. Zgodnie z normą woda musi posiadać pH z zakresu 6,5 - 7,6. 

Chloraminy są odpowiedzialne za nieprzyjemny zapach i występowanie podrażnień skóry oraz oczu. Ponadto są uważane za czynnik rakotwórczy.

Przyjmuje się, że zawartość chloru na poziomie 0,5 g/m3 po dwóch godzinach kontaktu niszczy większość wirusów. Bardziej odporne wirusy, np.: Polio, niszczone są dopiero przy dawce chloru równej 1 g/m3 po 5 godzinach kontaktu. Na tej podstawie można wnioskować, że woda basenowa odpowiadająca normie pod względem pH oraz ilości chloru niestety może zawierać bakterie i wirusy.

W Polsce przepisem, który reguluje wymagania dotyczące jakości wody jest Rozporządzenie Ministra Zdrowia z dnia 13. listopada 2015 roku. Z przepisów wynika, że jakość wody w pływalniach powinna odpowiadać jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi, praktycznie nie możliwe do spełnienia. Przestrzeganie tak rygorystycznych norm skłania właścicieli zarówno basenów publicznych jak i prywatnych do stosowania nowoczesnych i wysoce skutecznych metod. Bardzo szybką i skuteczną metodą jest naświetlanie wody promieniami ultrafioletowymi. Metoda ta jest znana od dawna, również do dezynfekcji wody wodociągowej, a zastosowanie dla instalacji basenowych czyni ją przełomową. Promieniowanie UV nie zmienia ani smaku ani zapachu wody, poprawia barwę i zmniejsza mętność, nie wprowadza do wody środków chemicznych oraz nie powoduje niebezpieczeństwa przedawkowania środka dezynfekcyjnego. Dodatkowo eliminuje potrzebę transportu, przechowywania i wykorzystania chemikaliów.
Dzięki temu liczba zainstalowanych reaktorów UV na świecie i w Polsce systematycznie rośnie. Z przeprowadzonych badań wynika, że lampy UV wykorzystywane do dezynfekcji wody basenowej są świetnym uzupełnieniem metody chlorowania wody. Oprócz eliminacji bakterii urządzenia te pomagają w utrzymaniu norm dotyczących zawartości chloru związanego. Jest to możliwe tylko przy zastosowaniu lamp UV. Oprócz tego za stosowaniem lamp UV przemawia redukcja chloramin oraz redukcja kosztów poprzez zmniejszenie częstotliwości wymiany wody w basenie oraz obniżenie ilości dodawanego podchlorynu sodu do dezynfekcji końcowej. Lampy doskonale sprawdzają się w oczyszczaniu wody w basenach leczniczych, gdzie zastosowanie chloru mogłoby wywoływać alergie u pacjentów. Coraz częściej instaluje się je w basenach prywatnych, w wannach z hydromasażem czy w jacuzzi.

Światło ultrafioletowe jest promieniowaniem elektromagnetycznym o długości fali z przedziału 100 - 400 nm. Jest to zakres niewidzialny. Składa się z 3 przedziałów: UV-A, UV-B i UV-C. Za bakteriobójcze działanie ultrafioletu na drobnoustroje jest odpowiedzialny przedział UV-C, który obejmuje zakres promieniowania o długości fali od 100 do 280 nm (maksymalne oddziaływanie UV odpowiada długości fali 265 nm).

W nowych lampach stosuje się promienniki wysyłające promieniowanie o długościach fali 185 nm i 254 nm. Efektem jest zwiększona skuteczność w usuwaniu chloramin z wody basenowej. Poza tym, fala o długości 185 nm powoduje wytwarzanie ozonu z powietrza zawartego w wodzie. Ilość powstającego ozonu nie powoduje przekroczenia norm ilości ozonu w wodzie basenowej. Stwierdzono, że posiada ona o 37% większą energię od fali o długości 254 nm.
Tym sposobem można połączyć zalety najskuteczniejszej dezynfekcji bakteriobójczej promieniowaniem o długości fali 254 nm i wysoce skuteczne w usuwaniu chloramin promieniowanie o długości fali 185 nm. 

Wartość progowa, przy której następuje rozkład wszystkich chloramin, w tym monochloramin, dwuchloramin i trójchloramin wynosi 280 nm. Im mniejsza długość fali, tym lepsza skuteczność rozkładu chloramin. Maksymalna długość fali przy której zachodzi dysocjacja monochloramin wynosi 336,4 nm, dwuchloramin 280,3 nm, natomiast trójchloramin 340 nm. Fale o większych długościach nie rozkładają chloramin. Zmniejszenie ilości chloramin znacznie poprawia komfort kąpieli i znacznie zmniejsza nieprzyjemny zapach. Oprócz tego zmniejsza występowanie zjawiska podrażnienia śluzówki oczu u osób kąpiących się. Sprzyja także zwiększeniu ilości chloru wodnego, co jest skutkiem zwiększenia skuteczności dezynfekcji.

Działanie ultrafioletu polega na absorbowaniu promieniowania UV-C przez strukturę DNA. Ze względu na różną odporność drobnoustrojów na działanie ultrafioletu, wprowadzono pojęcie dawki promieniowania UV: D [m/cm2] jako iloczynu natężenia promieniowania E [mW/cm2] i czasu naświetlania t [s]. Czas naświetlania zależy od długości reaktora i szybkości przepływu. Natomiast natężenie promieniowania zależy m. in. od typu promienników, ułożenia lamp oraz od parametrów jakości wody. Nie bez znaczenia pozostaje także żywotność promienników i czystość osłon kwarcowych. Natężenie promieniowania UV zmniejsza się stopniowo wraz z wiekiem promienników, które tracą swoją moc.
Jest to uwzględniane przy doborze urządzeń w taki sposób, aby wymagana dawka mogła być osiągana również pod koniec żywotności promienników. Intensywność światła UV zmniejsza się w wyniku gromadzenia nieorganicznych i organicznych ciał stałych na osłonach kwarcowych, Skuteczność promieniowania UV jest związana bezpośrednio z dawką UV adsorbowaną przez mikroorganizmy. Warto też podkreślić, że wrażliwość mikroorganizmów na działanie promieni UV zależy od ich rodzaju. Przykładowo, dawki promieniowania UV-C wymagane do uzyskania 90% zniszczenia różnych mikroorganizmów wynoszą: dla bakterii 1 - 20 mJ/cm2, grzybów 5 - 150 mJ/cm2, pierwotniaków: 60 - 100 mJ/cm2. W basenach kąpielowych, gdzie bakterie są nieustannie wprowadzane w obieg wynosi minimalnie 60 mJ/cm2. W Polsce nie istnieją żadne normy jeżeli chodzi o stosowanie lamp UV do dezynfekcji wody basenowej czy pitnej, wszystkie dane są zaczerpnięte z Państw UE i USA gdzie przeprowadzano szereg badań laboratoryjnych jak i na rurociągach tłocznych po przepuszczeniu wody poprzez technologię UV.

Aby określić przepuszczalność wody dla promieniowania UV wprowadzono pojęcie transmitancji (UVT) mierzonej przy długości fali 254 nm. Jest to parametr pozwalający na dokładny dobór urządzeń UV zapewniający dezynfekcję wody na wymaganym poziomie, np.: 99,9%. Wyraża ilość promieni UV w procentach jaka jest w stanie przejść przez badaną próbkę wody. Jest to miara zarówno jakości wody jak i czynnik wpływający na wielkość dostarczanej dawki UV. Wartość UVT zmniejsza się w obecności pochłaniaczy UV, które absorbują bądź rozpraszają światło UV. Zależy od właściwości fizycznych i chemicznych wody, co powoduje, że wartość ta jest unikalna dla każdej wody. Dlatego też powinna być każdorazowo mierzona przy doborze urządzeń UV. Im wyższa wartość UVT, tym lepszej jakości jest woda i można zastosować mniejszy system UV. Przykładowo, dla wody dobrej jakości wartość UVT wynosi > 90%. 

Lampy montowane są za filtrami, ale przed miejscem w którym dozuje się preparaty chemiczne.

Do dezynfekcji wody w zakładach oczyszczania wody i w basenach stosowane są zamknięte reaktory ciśnieniowe: niskociśnieniowe lub średniociśnieniowe, zależnie od rodzaju zastosowanych promienników. Promienniki UV stanowią najważniejszy element każdego systemu UV emitując sztuczne promieniowanie. Są umieszczane wewnątrz komory reaktora w specjalnych osłonach ze szkła kwarcowego. Ze względu na produkowaną energię ultrafioletową oraz ciśnienie par rtęci wewnątrz promienników przyjęto podział na:

- niskociśnienowe, niskowydajne (LPLO) - stosowane w małych systemach, ograniczona energia UV, moc promiennika 15 - 90 W, wydajność do 40%, żywotność promienników do 12 000 h,

- niskociśnieniowe, wysokowydajne (LPHO) - stosowane przy kompaktowych wymiarach systemu UV, moc promiennika 90 - 700 W, wydajność do 45%, żywotność promienników do 16 000 h, 

- średniociśnieniowe, wysokowydajne (MPHO) - używane do wód o bardzo złej jakości i dużych przepływów, moc jednego promiennika 1 - 12 kW, wydajność 10 - 15%, żywotność promienników do 5 000 do 9 000 h modulowana poprzez układ elektroniczny sprzęgnięty z czujnikami UV. Lampy średnio-ciśnieniowe zużywają bardzo dużo prądu w stosunku do wyprodukowanej i zdezynfekowanej wody, są nieekonomiczne, ale w niektórych technologiach wodno-ściekowych niezastąpione.

Promienniki niskociśnieniowe są monochromatyczne. W większości emitują promieniowanie UV o stałej długości fali 254 nm. Zawierają one małe ilości pary rtęci w gazie obojętnym i wykorzystują łuk elektryczny do pobudzenia atomów rtęci emitujących światło UV. Natomiast pojemniki średniociśnieniowe zawierają więcej pary rtęci niż pojemniki niskociśnieniowe. Działają przy wyższym ciśnieniu pary i temperaturze z zakresu od 500 - 900 ºC, co powoduje emitowanie promieniowania UV o znacznie wyższym natężeniu i szerszym zakresie długości fal (200 - 400 nm). Tylko 10 - 15% mocy tych lamp wykorzystuje się jako światło biobójcze (w przypadku promienników niskociśnieniowych nawet 45% mocy). Poza tym są znacznie krótsze w porównaniu z promiennikami niskociśnieniowymi i wymagają znacznie mniej miejsca do ich zainstalowania i serwisowania i to jest ich walor.

Celem kontrolowania odpowiedniej dawki UV dostarczanej do wody, każdy reaktor wyposaża się w jeden lub w kilka kalibrowanych czujników pomiaru natężenia UV. Oprócz tego lampy są monitorowane pod kątem czasu pracy promienników. Dodatkowo w reaktorze montuje się czujniki temperatury oraz czujniki poziomu wody. Istnieje również możliwość sterowania mocą promienników w zakresie od 50-100% oraz utrzymywania zadanej dawki UV zależnie od jakości wody i wielkości przepływu. Jest to ważne z punktu widzenia oszczędności energii elektrycznej.

Lampy niskociśnieniowe mogą być wyposażone w chemiczny system czyszczący. Jest on oparty na układzie zamkniętym. Składa się ze zbiorniczka i pompki, która wymusza cyrkulację kwasku cytrynowego wewnątrz reaktora. Czyszczenie chemiczne można przeprowadzić tylko gdy reaktor jest wyłączony. Innym rozwiązaniem jest mechaniczny, automatyczny system czyszczący z teflonowymi pierścieniami. Poruszają się one wzdłuż osłon kwarcowych w trakcie pracy reaktora. W zależności od szybkości osadzania się cząstek stałych na osłonach kwarcowych można nastawić stały interwał czasowy pracy wycieraczek. Istnieje także możliwość połączenia obu systemów czyszczenia w jednym reaktorze. Najnowszym i ekonomicznym rozwiązaniem, który powoduje brak osadzania się węglanu wapnia na osłonach kwarcowych jest system firmy IMPULS TECH, który dobiera się dla danej średnicy instalacji i przepływu wody instaluje się go na rurociągu przed lampą UV.  

Przepływowe reaktory średniociśnieniowe składają się z krótkich, prostopadłych do kierunku przepływu promienników średniociśnieniowych wielofalowych. Moc jednego tego typu promiennika może wynosić nawet 12 kW. Umożliwia to dezynfekcję dużych ilości wody przy zachowaniu małych rozmiarów reaktora i niewielkiej ilości promienników. Zakres wydajności pojedynczego reaktora średniociśnieniowego wynosi 100 - 6 300 m3/h a niskociśnieniowego do 1400 m3/h w połączeniu kolektorowym bez ograniczeń. Sterowanie mocą promienników występuje w zakresie od 30 do 100%. Reaktory te wyposażone są w czujniki natężenia UV, temperatury oraz poziomu wody w reaktorze. Poza tym są monitorowane pod względem czasu pracy lamp. Dodatkowo istnieje możliwość ciągłego pomiaru transmitancji wody umożliwiającej lepszy monitoring dawki UV. Systemy tego typu posiadają układ chemicznego czyszczenia lub mechaniczny system czyszczący osłony kwarcowe. Czyszczenie osłon w sposób prawidłowy jest bardzo ważne z powodu wysokiej temperatury promienników średniociśnieniowych, które przyśpieszają wytrącania się sporej ilości osadów kamienia.

Szczególnie istotny dla efektywnego działania promieni UV jest dobór urządzeń. Wówczas należy brać pod uwagę m. in. typ ujęcia wody (powierzchniowe / podziemne), jakość wody, ilość i rodzaj mikroorganizmów oraz maksymalny i minimalny przepływ godzinowy. 

W przypadku wód powierzchniowych badania należy przeprowadzać w okresach o najgorszych parametrach, ponieważ jakość tych wód ulega zmianie w ciągu roku. Poza tym każdorazowo należy wykonać pomiar transmitancji wody, która decyduje o wielkości systemu. Dla poprawnego doboru urządzeń konieczne jest uwzględnienie następujących parametrów:

- przepływ nominalny - przy przekroczeniu wartości tego parametru nie będzie możliwe osiągnięcie wymaganej dawki promieniowania,

- dawka promieniowania  - zgodnie z zagranicznymi wytycznymi należy dobierać urządzenia z dawką minimalną 60 mJ/cm2,

- transparencja wody - woda powinna być klarowna, o dobrym współczynniku przenikania i adsorbowania promieniowania UV.

Najwyższe koszty eksploatacyjne wynikają, poza zużyciem energii, z wymiany promienników. Należy je wymieniać po przepracowaniu ustalonej ilości godzin (dla promienników niskociśnieniowych wynosi do 16 000 h, dla promienników średniociśnieniowych od 5 000 do 9 000 h). Po takim czasie, nawet jeśli będą nadal pracować, mogą już nie dostarczać odpowiedniej dawki promieniowania UV. Wynika to z tego, iż z wiekiem tracą one swoją moc. W każdym systemie należy okresowo sprawdzać także wszystkie uszczelnienia, czystość osłon kwarcowych promienników, stopień zużycia wycieraczek oraz degradację sensorów UV. Ze względu na szereg zalet stosowania lamp UV nie wydaje się to szczególnie kłopotliwe.

Podsumowując, do zalet lamp UV do dezynfekcji wody w basenach należy zaliczyć:

- wysoką skuteczność w eliminacji drobnoustrojów (skuteczne także w przypadku tych mikroorganizmów, które są odporne na chlor oraz w przypadku bakterii wody cieplej),

- obniżenie zawartości chloru związanego,

- redukcję chloramin,

- łatwy i prosty montaż, obsługę i serwis,

- niskie koszty eksploatacji (oszczędności sięgają 20 - 50% w zależności od częstotliwości korzystania z basenu i ilości użytkowników),

- małe przestrzenie użytkowe,

- brak możliwości przekroczenia norm promieniowania UV,

- bez wprowadzania do wody dodatkowych środków chemicznych,

- bezobsługową pracę (tylko co około 23 miesięcy wymiana promiennika),

- pracę urządzenia nawet w przypadku braku przepływu wody,

- wysoką odporność korpusów na trudne warunki, stal nierdzewna 316L

- w lampach niskociśnieniowych brak większych ilości osadu na rurach osłonowych, przez co nie ma konieczności instalowania urządzeń czyszczących

Tagi