В чем отличие УФ низкого от среднего давления, применительно к дезинфекции воды бассейнов

Какие УФ лампы лучше для дезинфекции бассейна — низкого или среднего давления?

Небольшая вводная часть. Подробнее тут. Принято делить весь УФ диапазон условно на два поддиапазона: ближний, с длиной волны 200-400nm и дальний 10-200nm. Или на три диапазона А от 320 до 400nm, В — 280-320nm и С — 10-280nm, которые более четко разграничивают степень воздействия излучения на биологические объекты.

Конструктивно ультрафиолетовые лампы выполняются в виде колбы, заполненной инертным газом с примесью металлической ртути. В настоящее время все УФ системы обеззараживания делаются на основе амальгамных ламп. Амальгамные лампы позволили снизить содержание ртути в лампе до 0,03 мкг. При одинаковом с ртутными лампами КПД, у амальгамных ламп в 3 раза выше интенсивность излучения. По бокам колбы впаиваются тугоплавкие электроды, на которые подается напряжение питания прибора. Под действием этого напряжения в колбе начинается тлеющий разряд, который заставляет молекулы ртути испускать излучение во всех спектрах УФ диапазона. Если колбу сделать из кварцевого стекла, то прибор будет излучать все три вида ультрафиолетового спектра – А, В, С.

Все лампы ультрафиолетового света являются газоразрядными и должны включаться в сеть через специальное пускорегулирующее устройство. В противном случае тлеющий разряд в колбе мгновенно перейдет в неуправляемый дуговой.

Мощность лампы прямо связана с силой создаваемого лампой УФ потока. Она пропорциональна потребляемой мощности, поэтому при выборе прибора ориентируются обычно на данный показатель. Бытовые ультрафиолетовые лампы обычно не превышают мощности 40-60 Вт, профессиональные устройства могут иметь мощность до 200-500 Вт и более. Первые обычно имеют низкое давление в колбе, вторые – высокое.

Поскольку УФ излучение преимущественно применяется для обеззараживания, то уточним, что такое бактерицидное излучение. Это излучение УФ диапазона с длиной волн 205–315 nm. Максимальная эффективность инактивации микроорганизмов наблюдается в диапазоне волн 250–270 nm, на этот участок спектра приходиться длина волны, генерируемая УФ лампами низкого давления – 254 nm.

Ультрафиолетовые лампы низкого давления (ЛНД) — ртутные лампы, которые работают при внутреннем давлении от 0,13 до 1,3 Па и с удельной мощностью 0,4–2,5 Вт/см. Результатом является генерация монохроматического излучения с длиной волны 254 nm. В силу своей стоимости и простоты использования лампы этого типа чаще применяют для водоочистки в частных бассейнах. Излучение с длиной волны 254 nm эффективно в борьбе с микрофлорой, но не решает проблему разложения органических примесей и устранения биообрастаний. Другими словами, энергии фотонов с длинами волн с максимумом возле 254nm недостаточно для разрушения таких соединений, как ди- и трихлораминов и других побочных продуктов дезинфекции. В свою очередь, излучение ниже 250 nm теоретически само способствует образованию ди- и трихлораминов. Хотя, наверняка, выходы этих побочных реакций будут малы.

На сегодня описано более 100 видов побочных продуктов действия различных дезинфектантов в воде плавательных бассейнов. Наиболее известным и изученным классом являются тригалогенметаны, галогензамещенные уксусные кислоты. Если для дезинфекции используется озонирование, то в ходе его реакций с органическими примесями наблюдают образование побочных продуктов – альдегидов, кетонов и карбоксильных кислот. С другой стороны, квантовый выход фотохимических реакций, приводящий к разрушению хлораминов, альдегидов и кетонов довольно низок. Вот почему наблюдается существенное смещение у производителей УФ-стерилизаторов в область развития Технологий эффективных процессов окисления –Advanced Oxidation Processes (AOP). В этом случае окислитель выполняет основную работу по дезинфекции, а УФ «подчищает концы» и справляется с побочными продуктами дезинфекции. К методам AOP относятся:

• реакции перекиси водорода при одновременном действии ультрафиолета.
• одновременное воздействие ультрафиолетового излучения и озона.
• реакции перекиси водорода и озона в присутствии УФ-излучения.

Самые радикальные результаты для получения бактерицидного эффекта в бассейне наблюдаются при совместном применении АОР технологий с дополнительным хлорированием. Это позволяет существенно сократить дозировку применяемого дезинфектанта, что в свою очередь влияет на количество образуемых побочных продуктов дезинфекции.

Ультрафиолетовые лампы среднего давления (ЛСД) — ртутные лампы, работающие при внутреннем давлении от 1,3 до 13 000 Па и удельной электрической мощности от 50 до 240 Вт/см. Обладают широким спектром излучения, включая длины волн бактерицидного диапазона. Ртутные лампы среднего давления эффективно работают во всём спектральном диапазоне УФ излучения от 200 до 400 nm. После действия УФ излучения от ламп низкого давления у микроорганизмов наблюдается проявление защитных механизмов, так называемой реактивации. Т. е., бактерии и другие микроорганизмы способны ремонтировать свои ДНК, поврежденные УФ- излучением. Полихроматическое УФ-излучение ламп среднего давления оказывает непоправимое действие на бактерии и микроорганизмы, тогда как монохроматическое УФ-излучение ламп низкого давления этим свойством не обладает.

УФ установки низкого давления имеют более низкую производительность для уничтожения хлораминов по сравнению с УФ установками среднего давления, которые оборудуются лампами с полихромным поглощением и которые излучают фотоны с энергией, достаточной для разрушения 3х типов хлораминов (моно- , ди- и трихлорамины):

• 244 nm для монохлораминов (NH2Cl)
• 294 nm для дихлораминов (HNCl2)
• 336 nm для трихлораминов (NCl3)

УФ системы среднего давления за счет специального кварцевого чехла не излучают волны ниже 240nm, что исключает создание каких-либо вредных и/или побочных продуктов. С точки зрения эффективности энергопотребления от 30 до 35% от общего энергопотребления используется лампой низкого давления в УФ установке для излучения волны длиной 244nm. Т. е. длины волны, обладающей наибольшим бактерицидным действием. Ламы среднего давления используют для этой цели 15% электроэнергии, но они также испускают волны других длин, которые являются эффективными для удаления хлораминов. С помощью регулирования потребляемой мощности, можно оптимизировать потребление электроэнергии, варьируя скорость потока и срок службы лампы.

Среди выпускаемых ЛНД в соответствии с их характеристиками и стоимостью можно выделить несколько типов ламп:

1. Низкопроизводительные лампы из легкоплавкого стекла (LPLO): от 25% до 33% УФ-C излучения/Максимум 8,000 часов полезного использования при 60% эффективности;
2. Лампы из тугоплавкого кварцевого стекла стандартной производительности (LP): от 33% до 40% УФ-C излучения/ 9,000 часов полезного использования при >80% эффективности;
3. Лампы из тугоплавкого кварцевого стекла высокой производительности (LPHO): от 33% до 40% УФ-C излучения/ 9,000 часов полезного использования при >80% эффективности.
4. Амальгамные лампы из тугоплавкого кварцевого стекла: от 33% до 40% УФ-C излучения/ 9,000 часов полезного использования при >80% эффективности.

Сравним УФ лампы среднего давления с УФ лампами низкого давления.

1. ЛСД выделяют в 10 раз больше тепла (870 °C) , чем ЛНД (максимум 82 °C);
2. ЛСД большую часть УФ излучения производят в спектральных областях УФ-А и УФ-В, что не попадает в диапазон бактерицидного обеззараживания;
3. ЛСД производят максимум 7-13% энергии диапазона УФ-С, а в ЛНД 33-40% излучения от всего спектра приходится на УФ-С;
4. высококачественные ЛНД обеспечивают в среднем 9,000 часов непрерывной работы и >80% эффективности, в отличие от ЛСД, обеспечивающих лишь от 700 до 4,000 часов при 60% эффективности. Однако в последнее время появились упоминания о новых конструкциях ламп с большей продолжительностью работы;
5. Установки с ЛСД компактнее, чем ЛНД аналогичной мощности.
6. эксплуатационная стоимость ЛНД намного ниже, чем ЛСД, что связано с их низким сроком службы;
7. необходимость температурного контроля работы ЛСД приводит к удорожанию конструкции.

Лампы высокого давления (ЛВД). Я сознательно не включаю их в анализ. В силу конструкционных особенностей и диапазона излучения (включает видимый и ИК диапазон волн) они стоят особняком для бассейновых технологий и не используются. В этих лампах в качестве инертного газа также используется аргон, который служит для облегчения зажигания разряда и защиты катодов от разрушения в начальной стадии зажигания. Рабочее давление паров ртути в ЛВД около 100 кПа, т.е. это 1 атм. при этом температура стенок лежит в пределах от 400 до 500 С°. Дуговые, ртутные, трубчатые (ДРТ) относятся к ЛВД. Эти лампы,  кроме видимого и близкого ИК, дают большое количество излучений в УФ-области спектра и применяются для облучения в медицине, сельском хозяйстве, в фотохимии и других областях. Лампы изготавливаются на мощности от 125 Вт до 10 кВт. Средний срок службы ламп составляет 1000—3000 ч и определяется главным образом падением потока излучения в УФ части спектра.