Ультрафиолетовые технологии в современном мире

Ультрафиолетовые технологии
в современном мире


Под редакцией:
Кармазинова Ф.В., Костюченко С.В., Кудрявцева Н.Н., Храменкова С.В.
















л

                                                        Издательский Дом
                                                        ИНТЕЛЛЕКТ


ДОЛГОПРУДНЫЙ
2012

   Ф.В. Кармазинов, С.В. Костюченко, Н.Н. Кудрявцев, С.В. Храменков (ред.)
      Ультрафиолетовые технологии в современном мире: Коллективная монография / Ф.В. Кармазинов, С.В. Костюченко, Н.Н. Кудрявцев, С.В. Храменков (ред.) — Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2012. — 392 с.: цв. вкл.
      ISBN 978-5-91559-121-8

      В настоящей книге рассмотрены различные виды воздействия ультрафиолетового (УФ) излучения (бактерицидное, фотохимическое, биологическое) и технологии на их основе. Особое внимание уделено УФ-технологии обеззараживания природных, промышленных и сточных вод, воздуха и поверхностей, которая благодаря ее экологичности, безопасности и высокой эффективности интенсивно развивается в последние 20 лет. Рассмотрены перспективы применения УФ-технологий для очистки воды и воздуха от примесей и удаления запахов — активированное фотоокисление, фотокатализ. Дан обзор физико-технических основ современных источников УФ-излучения, изложены основные принципы конструирования и проектирования УФ-оборудования, приведены примеры внедрения и опыта эксплуатации различных УФ-систем.
      Книга адресована специалистам, использующим УФ-технологии в задачах обеззараживания и очистки воды и воздуха, в фотохимии и фотобиологии, а также разработчикам УФ-оборудования и источников УФ-излучения, и может быть полезна студентам и аспирантам инженерно-технических, медицинских и экологических специальностей.
















ISBN 978-5-91559-121-8

              © 2012, ЗАО ПК «ЛИТ»
              © 2012, ООО Издательский Дом «Интеллект», оригинал-макет, оформление

                ОГЛАВЛЕНИЕ










   Сведения об авторах...................................................7

   Глава 1
   О РАЗВИТИИ УФ-ТЕХНОЛОГИЙ (Кармазинов Ф.В., Кудрявцев Н.Н., Костюченко С.В., Храменков С.В.) . 10

   Глава 2
   ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ УФ-ИЗЛУЧЕНИИ (Василяк Л.М,, Васильев А.И,, Волков С.В.).......................... 15
       2.1. УФ-излучение — основные светотехнические величины и единицы их измерения..................................... 15
       2.2. Физическое действие УФ-излучения........................... 17
       2.3. Фотохимия...................................................20
       2.4. Биологическое действие ультрафиолетового излучения..........23
       2.5. Бактерицидное воздействие УФ-излучения......................25
       2.6. Техника безопасности при работе с УФ-излучением.............38

   Глава 3
   ИСТОЧНИКИ УФ-ИЗЛУЧЕНИЯ
   (Василяк Л.М,, Васильев А.И,, Дриго А.Л,, Дроздов Л.А., Костюченко С.В., Кудрявцев Н.Н., Соколов Д.В.).......................42
       3.1. Требования к источнику......................................42
       3.2. УФ-источники на основе разряда в парах ртути................45
          3.2.1. Разряд низкого давления в парах ртути и традиционные источники УФ-излучения на его основе.....................45
          3.2.2. Амальгамные источники УФ-излучения низкого давления.53
          3.2.3. Мощные амальгамные лампы и их основные производители............................................65
          3.2.4. УФ-источники на основе разряда среднего давления в парах ртути............................................67
          3.2.5. УФ-источники с длиной волны 185 нм.....................74
       3.3. Газоразрядные импульсные источники УФ-излучения в инертных газах............................................74

_1    Оглавление

           3.3.1. Ксеноновые лампы.......................................74
           3.3.2. Эксимерные источники УФ-излучения......................80
       3.4. Газоразрядные безэлектродные источники на переменном токе....83
       3.5. Полупроводниковые диоды......................................89
       3.6. Методики измерения мощности УФ-излучения ламп низкого давления.......................................................90

    Глава 4
    ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИЙ УФ-ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ И ОБОРУДОВАНИЯ.......................................................95
       4.1. Технология УФ-обеззараживания
           (Василяк Л.М., Волков С.В., Кудрявцев Н.Н., Плитман С.И., Филатов Н.Н.) ................................................95
       4.2. Основы проектирования УФ-оборудования
           (Василяк Л.М., Волков С.В., Жуков В.И., Костюченко С.В., Плитман С.И., Филатов Н.Н.)................................. 104
       4.3. Нормативные документы по проектированию, сертификации и эксплуатации УФ-оборудования для обеззараживания
           (Волков С.В., Устюжанинов А.М., Плитман С.И., Филатов Н.Н.). 109
       4.4. Расчеты и экспериментальное моделирование характеристик УФ-оборудования для обработки сред
           (Василяк Л.М., Волков С.В., Жуков В.И., Костюченко С.В., Кудрявцев Н.Н., Тимаков С.В., Фридман В.Б.)................. 124
       4.5. Обеззараживание импульсным УФ-излучением (Василяк Л.М., Костюченко С.В., Кудрявцев Н.Н.).............. 133

    Глава 5
    ТЕХНОЛОГИИ УФ-ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОДЫ................................. 141
       5.1. Общие сведения об УФ-обеззараживании воды
           (Василяк Л.М., Жолдакова З.И., Костюченко С.В., Мазаев В.Т., НедачинА.Е., Рахманин Ю.А., Тулакин А.В., Филатов Н.Н., Цыплакова ГВ., Шлепнина ТЛ)................................. 141
           5.1.1. Гигиенические цели и проблемы обеззараживания воды.. 141
           5.1.2. Методы санитарного контроля эффективности
обеззараживания воды................................. 146
           5.1.3. Гигиеническая оценка методов обеззараживания воды.... 153
           5.1.4. Метод обеззараживания воды УФ-излучением............. 163
       5.2. УФ-обеззараживание в системах подготовки питьевой воды (Волков С.В., Кармазинов Ф.В., Комаров АЛ., Костюченко С.В., Кудрявцев Н.Н., Мельцер А.В., Нефедов Ю.И., Нефедова Е.Д., Смирнов А.Д.)................................................ 180
           5.2.1. УФ-обеззараживание воды из подземных источников...... 185
           5.2.2. УФ-обеззараживание воды из поверхностных источников. 187

Оглавление -*J   5

       5.2.3. Крупнейший в мире УФ-комплекс в системах подготовки питьевой воды (г. С.-Петербург)............................. 194
       5.2.4. Локальные системы: водоснабжения......................201
    5.3. УФ-обеззараживание сточных вод (Волков С.В., Квалъвассер А.И., Козлов М.Н., Костюченко С.В., Кудрявцев Н.Н., Парфенов О.Л., Пробирский М.Д., Стрелъцов С.А., Филатов Н.Н., Храменков С.В., Хренов К.Е.).....................................................201
       5.3.1. Введение..............................................201
       5.3.2. Особенности оборудования для обеззараживания сточных вод..................................................203
       5.3.3. Примеры УФ-станций обеззараживания сточных вод........210
       5.3.4. Крупнейший в мире УФ-комплекс обеззараживания сточных вод московского мегаполиса...........................218
    5.4. УФ-обеззараживание воды в промышленности и в сельском хозяйстве
       (БарановВ.Л., Волков С.В., ГрудинкинА.П, Куприй С.А., Левченко Д.А.) ..............................................227
       5.4.1. УФ-обеззараживание при использовании сточных вод......227
       5.4.2. УФ-обеззараживание в промышленных системах водоснабжения (энергетика, бассейны, фармацевтическая, электронная, пищевая промышленности, рыбоводство)............232
       5.4.3. Использование УФ-облучения для обеззараживания балластных вод ..............................................237
    5.5. О сочетании УФ-обеззараживания воды с другими методами (озонирование, хлорирование, ультразвук)
       (Василяк Л.М, Кудрявцев Н.Н., Смирнов АД., СтрелковА.К., Швецов В.Н.) ................................................241
       5.5.1. Обеззараживание воды в схемах: «озонирование + УФ», «хлорирование + УФ»..........................................241
       5.5.2. Применение ультразвука с УФ-облучением для обеззараживания воды.....................................245

Глава 6
УФ-ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЕ ВОЗДУХА И ПОВЕРХНОСТЕЙ
(Василяк Л.М., ВасилъевА.И., ВассерманА.Л., Вилък М.Ф., Иваненко А.В., КарелинА.А., Касъков Ю.Н., Кикнадзе Н.Д., Костюченко С.В., Кудрявцев Н.Н., Мизгайлов А.В., Назаренко Е.В., Филатов Н.Н, Фокин С.Г., Хизгияев В.И, Юзбашев В.Г)........................................................253
    6.1. Микробиологические требования к качеству воздуха в помещениях различного назначения...........................................253
    6.2. УФ-обеззараживание воздуха и поверхностей..................259
       6.2.1. Об очистке и обеззараживании воздуха..................259
       6.2.2. Закрытые УФ-облучатели для обеззараживания воздуха....268
       6.2.3. Открытые УФ-облучатели для обеззараживания воздуха....274
    6.3. УФ-обеззараживание поверхностей............................278

-JU Оглавление

Глава 7
ПРИМЕНЕНИЕ УФ-ИЗЛУЧЕНИЯ В ТЕХНОЛОГИИ ОЧИСТКИ СРЕД.......................................................287
       Введение (Василяк Л.М., ВасильевА.И.) ...............................287
    7.1. Активированное фотоокисление и фотолиз в воде
       (Васил  ьевА.И., Василяк Л.М., Волков С.В., Козлов М.Н.,
       Костюченко С.В., Кудрявцев Н.Н., Храменков С.В., Шушкевич Е.В.)..............................................289
       7.1.1. Общие сведения об активированных окислительных процессах в воде............................................289
       7.1.2. Целевые вещества и группы соединений, удаляемые АОП...............................................292
       7.1.3. АОП в технологиях очистки воды.......................298
       7.1.4. Примеры внедрений технологий АОП.....................306
    7.2. Фотокатализ
       (ВасильевА.И., Василяк Л.М., ДавыдовД.В., Костюченко С.В., Кудрявцев Н.Н.).............................................315
       7.2.1. Основы фотокатализа..................................315
       7.2.2. Первичные и вторичные процессы при фотокатализе......318
       7.2.3. Примеры фотокаталитического окисления................327
       7.2.4. Подготовка катализатора..............................331
       7.2.5. Коммерческие катализаторы............................334
       7.2.6. Применения...........................................336
       7.2.7. Конструкции реакторов................................339
    7.3. О возможностях применения УФ-технологий для удаления запахов и в очистке газов
       (ВасильевА.И., Василяк Л.М., Данилович Д.В., Давыдов Д.В., Костюченко С.В., Кудрявцев Н.Н. Михайлов А.В.)............. 352
       7.3.1. Проблема запахов.....................................352
       7.3.2. Основные методы борьбы с запахами....................358
       7.3.3. УФ-технологии в очистке воздуха от запахов...........362
       7.3.4. О возможности применения УФ-технологий в очистке газов.............................................368

Глава 8
УФ-ТЕХНОЛОГИИ В ФОТОХИМИИ И ФОТОБИОЛОГИИ (Василяк Л.М., ВасилъевА.И., Костюченко С.В., Кудрявцев Н.Н.) .....371
    8.1. УФ-технологии в фотохимии ................................371
    8.2. УФ-технологии в фотобиологии..............................373
    8.3. УФ-технологии в сельскохозяйственном растениеводстве .....378
       8.3.1. Обеззараживание зерна................................379
       8.3.2. Обеззараживание овощей и фруктов.....................380
       8.3.3. Обработка семян перед посевом........................382
       8.3.4. Обработка растений УФ-излучением в процессе роста... 387

                СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ








1. Баранов В.Л.      НПО «лит»                                            
2. Васильев А.И.     кандидат химических наук, НПО «ЛИТ»                  
3. Василяк Л.М.      доктор физико-математических наук, профессор, Объеди                     ненный институт высоких температур РАН (ОИВТ РАН)    
4. Вассерман А.Л.    кандидат технических наук                            
5. Вильк М.Ф.        доктор медицинских наук, профессор, Всероссийский на                     учно-исследовательский институт железнодорожной ги-  
                     гиены Роспотребнадзора (ВНИИЖГ Роспотребнадзора)     
6. Волков С.В.       НПО «ЛИТ»                                            
7. Грудинкин А.П.    НПО «ЛИТ»                                            
8. Давыдов Д.В.      НПО «ЛИТ»                                            
9. Данилович Д.А.    кандидат технических наук, институт «Мосводоканал-   
                     НИИпроект»                                           
10. Дриго А.Л.       НПО «ЛИТ»                                            
11. Дроздов Л.А.     кандидат технических наук, НПО «ЛИТ»                 
12. Жолдакова З.И.   доктор медицинских наук, профессор, НИИ ЭЧ и ГОС     
                     им. А.Н. Сысина РАМН                                 
13. Жуков В.И.       НПО «ЛИТ»                                            
14. Иваненко А.В.    доктор медицинских наук, ФГУЗ «Центр гигиены и эпи-  
                     демиологии в городе Москве»                          
15. Квальвассер А.И. институт «МосводоканалНИИпроект»                     
16. Карелин А.А.     НПО «ЛИТ»                                            
17. Кармазинов Ф.В.  доктор технических наук, профессор, ГУП «Водоканал   
                     Санкт-Петербурга»                                    
18. Каськов Ю.Н.     кандидат медицинских наук, главный государственный   
                     санитарный врач по железнодорожному транспорту       
19. Кикнадзе Н.Д.    «ЛитТрансСервис»                                     
20. Козлов М.Н.      кандидат технических наук, МГУП «Мосводоканал»       
21. Комаров А.Г.     НПО «ЛИТ»                                            

Сведения об авторах

22. Костюченко С.В. кандидат физико-математических наук, НПО «ЛИТ»      
23. Кудрявцев Н.Н.  член-корреспондент РАН, Московский физико-техничес- 
                    кий институт, Государственный университет (МФТИ, ГУ)
24. Куприй С.А.     НПО «ЛИТ»                                           
25. Левченко Д.А.   НПО «ЛИТ»                                           
26. Мазаев В.Т.     доктор медицинских наук, профессор, Первый Мос-     
                    ковский государственный медицинский университет     
                    им. И.М. Сеченова                                   
27. Мельцер А.В.    доктор медицинских наук, профессор, Федеральная     
                    служба по надзору в сфере защиты прав потребителей и
                    благополучия человека по г. Санкт-Петербург         
28. Мизгайлов А.В.  Управление Федеральной службы по надзору в сфере    
                    защиты прав потребителей и благополучия человека по 
                    городу Москва                                       
29. Михайлов А.В.   НПО «ЛИТ»                                           
30. Назаренко Е.В.  Управление Федеральной службы по надзору в сфере    
                    защиты прав потребителей и благополучия человека по 
                    городу Москва                                       
31. Недачин А.Е.    кандидат медицинских наук, ГУ НИИ ЭЧ и ГОС им.      
                    А.Н. Сысина РАМН                                    
32. Нефедов Ю.И.    доктор технических наук, профессор, НПО «ЛИТ»       
33. Нефедова Е.Д.   кандидат технических наук, ГУП «Водоканал Санкт-Пе- 
                    тербурга»                                           
34. Парфенов О.Л.   НПО «ЛИТ»                                           
35. Плитман С.И.    доктор медицинских наук, профессор, НИИ медицины    
                    труда РАМН                                          
36. Пробирский М.Д. филиал «Водоотведение Санкт-Петербурга», ГУП «Во-   
                    доканал Санкт-Петербурга»                           
37. Рахманин Ю.А.   академик РАМН, ГУ НИИ ЭЧ и ГОС им. А.Н.Сысина       
                    РАМН                                                
38. Смирнов А.Д.    доктор технических наук, «НИИ ВОДГЕО»               
39. Соколов Д.В.    кандидат технических наук, НПО «ЛИТ»                
40. Стрелков А.К.   доктор технических наук, профессор, Самарский госу- 
                    дарственный архитектурно-строительный университет   
41. Стрельцов С.А.  МГУП «Мосводоканал»                                 
42. Тимаков С.В.    НПО «ЛИТ»                                           
43. Тулакин А.В.    доктор медицинских наук, профессор, Федеральный     
                    научный центр гигиены им. Ф.Ф. Эрисмана Роспотреб-  
                    надзора                                             

Сведения об авторах -Лг 9

44. Устюжанинов А.М. НПО «ЛИТ»

45. Филатов Н.Н.   доктор медицинских наук, профессор, Управление Фе-    
                   деральной службы по надзору в сфере защиты прав по-   
                   требителей и благополучия человека по г. Москва, глав                   ный государственный санитарный врач по г. Москва      
46. Фокин С.Г.     доктор медицинских наук, Управление Федеральной       
                   службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и  
                   благополучия человека по г. Москва                    
47. Фридман В.Б.   НПО «ЛИТ»                                             
48. Хизгияев В.И.  доктор медицинских наук, Управление Федеральной       
                   службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и  
                   благополучия человека по г. Москва                    
49. Храменков С.В. кандидат технических наук, профессор, МГУП «Мосво-    
                   доканал»                                              
50. Хренов К.Е.    МГУП «Мосводоканал»                                   
51. Цыплакова Г.В. кандидат биологических наук, Федеральный научный      
                   центр гигиены им. Ф.Ф. Эрисмана Роспотребнадзора      
52. Швецов В.Н.    доктор технических наук, профессор, заслуженный дея-  
                   тель науки, журнал «Водоснабжение и санитарная тех-   
                   ника»                                                 
53. Шлепнина Т.Г.  кандидат медицинских наук, доцент, Первый Мос-        
                   ковский государственный медицинский университет       
                   им. И.М. Сеченова                                     
54. Шушкевич Е.В.  МГУП «Мосводоканал»                                   
55. Юзбашев В.Г.   кандидат медицинских наук, «Научно-исследователь-     
                   ский институт дезинфектологии» Роспотребнадзора       

ГЛАВА





                О РАЗВИТИИ УФ-ТЕХНОЛОГИЙ





1

                             Кармазинов Ф.В., Костюченко С.В., Кудрявцев Н.Н., Храменков С.В.




           Истории изучения и применения ультрафиолетового (УФ) излучения уже более 100 лет. Например то, что ультрафиолетовое излучение обеззараживает воду и воздух, узнали и начали использовать еще в конце XIX — начале XX вв., постепенно изучая и понимая природу и механизм фотобиологического воздействия УФ-излучения.
   Однако научно-техническое осознание того факта, что УФ-излучение (когда энергия кванта света сопоставима с энергией химической связи) являет собой уникальный инструмент для инициирования либо проведения многих физико-химических процессов на поверхности и в объеме различных сред, появилось лишь в 70—90-е гг. прошлого века, когда, с одной стороны, обозначился спектр задач в химии, биологии, медицине, материаловедении, экологии ит. д., где химические методы оказались бессильны, либо дороги, либо не экологичны, а с другой стороны, стала понятна природа многих химических, физических и биологических процессов на атомно-молекулярном уровне.
   В настоящее время УФ-технологии динамично развиваются в промышленности, медицине, коммунальном хозяйстве, энергетике, сельском хозяйстве и т. д. Это развитие стало возможным благодаря масштабным инвестициям в разработки и промышленное производство современных мощных высокоэффективных источников УФ-излучения и аппаратов на их основе, что в свою очередь определялось масштабами применения в той или иной из вышеназванных отраслей.
   В этом смысле, из всего вышеперечисленного, «мотором» развития УФ-технологий в последние 20 лет явилась задача обеззараживания природных и сточных вод. Именно масштаб этой задачи заставил ведущие мировые институты и светотехнические компании поднять на новый качественный уровень разработку и производство УФ-источников излучения: фактически были созданы новые типы источников, которые обеспечили и новые возможности применения УФ-технологий в других областях.
   Актуальность задачи обеззараживания воды в промышленных масштабах нехимическими методами возникла в конце 80-х — начале 90-х гг. прошлого столетия, когда был выявлен тотальный вред, наносимый человеку и природе