Použití UV záření pro dezinfekci pitné vody

Úvod

Po desetiletí byla mikrobiologická nezávadnost pitné vody zajišťována chemicky, především chlorací. V poslední době však můžeme pozorovat trend k přechodu na jiné dezinfekční prostředky, jako je chlordioxid, ozon nebo úplné nahrazení chemické dezinfekce UV zářením (Holandsko a jinde), či dokonce přechod na režim bez použití jakékoliv dezinfekce (Berlín, Zürich).

Je zde vidět zřetelně trend k přípravě co nejekologičtější pitné vody, bez použití jakýchkoli chemických či fyzikálních prostředků. Taková voda pak neobsahuje nežádoucí vedlejší produkty dezinfekce, které mají výrazný negativní dopad na lidské zdraví, a kterých může být v případě použití chloru, ale i chlordioxidu či ozonu desítky i více.

Obecně o UV záření [1, 2]

Ultrafialové záření (UV záření) představuje elektromagnetické záření v rozmezí 100 až 400 nm, tedy rozsah mezi X-paprsky a viditelnou částí spektra. Lze jej členit na Vacuum UV (100 až 200 nm), UV-C (200 až 280 nm), UV-B(280 až 315 nm), UV-A (315 až 400 nm).

UV lampy lze klasifikovat podle tlaku uvnitř trubice na nízkotlaké (low-pressure), které vydávají monochromatické záření 253,7 nm; střednětlaké (medium-pressure), produkují energii při vlnových délkách od 180 až 1370 nm, nebo lampy s vysokou intenzitou s „pulzním“ způsobem emise.

Energie (E) fotonů, tedy částic elektromagnetického záření, se vyjadřuje v joulech (J = W.s).

Dávka záření je pak dána vztahem intenzita . čas, tj. dávka = I . t

kde je

I

– intenzita záření [W/m²],

t

– čas [s].

Převod jednotek intenzity záření a tedy i dávky je následující:

Technická zařízení – UV lampy

UV lampy vydávají ultrafialové záření příslušných vlnových délek podle typu zařízení:

• monochromatické nízkotlaké UV lampy (low pressure) – 254 nm,
• polychromatické střednětlaké UV lampy (medium pressure) – 185 až 400 nm.

Polychromatické lampy odstraňují hlavní nevýhodu dřívějších systémů UV, totiž tzv. reaktivaci (schopnost samoobnovení poškození způsobené UV zářením) mikroorganismů. Rozšířené spektrum záření poškozuje nukleové kyseliny, ale i enzymy, případně i proteiny a další biomolekuly a tak znemožňuje opětovné obnovení poškozených buněk UV zářením. Totéž umožňuje i systém nízkotlakých lamp za předpokladu, že produkují 85 % záření ve vlnovém pásmu 253,7 nm s minimální dávkou záření 400 J/m².

Mechanismus inaktivace (poškození) mikroorganismů

Účinek UV záření na mikroorganismy je jiný než v případě chemických prostředků, které poškozují nevratně hmotu jádra buňky, protoplasmu, enzymy, buněčnou blánu. Germicidní („dezinfekční“) efekt UV záření spočívá ve fotochemickém poškození nukleových kyselin (kde je lokalizován dědičný materiál buňky), případně i bílkovin, enzymů či jiných, biologicky významných makromolekul. Nukleové kyseliny (genetický materiál v jádře buňky) absorbují vlnové délky v rozsahu 240 až 280 nm, nejvyšší účinek na ně je pozorován při vlnových délkách 260 až 265 nm.

Důsledkem poškození výše uvedených struktur buňky UV zářením je znemožnění množení bakterií, pokud nejsou opravnými pochody – enzymy, tyto poškozené struktury obnoveny.

Reaktivace (obnova) UV zářením poškozených buněk

Reaktivace je proces obnovy poškozených buněk UV zářením, které se děje enzymy, ve tmě i za světla. Mechanismus obnovy poškozených buněk není univerzální. Některé mikroorganismy včetně virů nejsou schopny obnovy poškozených buněk, jiné ano. Obnova virů je možná jen v hostitelských buňkách, ve kterých viry parazitují, mimo buněčné prostředí nikoliv. Reaktivace je realizována enzymy. Právě generace UV lamp, polychromatické, středotlaké, postihují tyto enzymy, zodpovědné za obnovu poškozených struktur buňky.

Výhody dezinfekce vody UV zářením

Jedná se o fyzikální proces dezinfekce:

• nevnášející žádné chemikálie do vody,
• neovlivňuje pach a chuť vody,
• nemění původní složení vody,
• nevznikají žádné vedlejší produkty dezinfekce, které vykazují negativní dopad na zdraví,
• účinek příliš nezávisí na chemismu a teplotě vody.

Potenciální rizika při aplikaci UV záření

1. vznik mutagenních látek (působí na genetické – dědičné struktury buňky, vedoucí ke vzniku nádorů či rakoviny apod.),
2. produkce biodegradabilních sloučenin (snadno využitelných při výživě mikroorganismů; původní, velké makromolekuly jsou pro mnoho bakterií obtížně využitelné),
3. eventuální vznik nežádoucích vedlejších produktů dezinfekce (za určitých podmínek); tj. nejrůznějších látek, které nepříznivě ovlivňují lidské zdraví.

1. vznik mutagenní aktivity – Amesovým testem nebyly prokázány mutagenní fotoprodukty ani při dávce záření 10 000 J/m², požadavek na použití UV záření k dezinfekci pitné vody je 400 J/m².
2. vznik biodegradabilních sloučenin – nebyl potvrzen, což bylo dokumentováno měřením zástupného ukazatele AOC (asimilovatelný = buňkou vytvořený organický uhlík); nebo jejich koncentrace ve vodě byla stejná, jako je za běžnými stupni úpravy pitné vody (např. ozon s následným stupněm úpravy GAC – granulované aktivní uhlí).
3. vznik vedlejších produktů dezinfekce – při aplikaci UV záření co by dezinfekce vody může docházet za určitých podmínek ke tvorbě dusitanů a formaci formaldehydu. K tvorbě dusitanů z dusičnanů dochází při použití zejména střednětlakých lamp proti nízkotlakým. Opatřením je použití trubic z křemenného skla, které blokují vlnové délky pod 220 nm, neboť zde je právě maximum citlivosti pro dusičnany; při 254 nm je citlivost již menší. Významná tvorba dusitanů přichází v úvahu až při vysokých dávkách UV záření (10 000 J/m² a vyšších).

Formace formaldehydu přichází v úvahu u povrchových nebo podzemních vod s obsahem huminových látek. Ty by však měla běžná úprava vody eliminovat.

Faktory, omezující účinnost UV záření a jejich eliminace

Účinnost UV záření při použití ve vodním prostředí není podstatně ovlivněna teplotou, hodnotou pH (reakce vody), alkalitou (suma zásaditých sloučenin) a hodnotou TOC (celkový organický uhlík) ve vodě. V rozpětí teplot 0 až 10 °C se snižuje efekt o 10 %, omezení účinku může způsobit též barva a zákal vody. Proto je doporučena hodnota zákalu vody před použitím UV záření k dezinfekci pitné vody.

Podle Světové zdravotnické organizace (WHO) se doporučuje pro finální chemickou dezinfekci pitné vody hodnota zákalu pro jednotlivé vzorky ≤ 5 NTU a medián hodnot zákalu ≤ 1 NTU (nefelometrická jednotka zákalu).

Rozpuštěná či suspendovaná hmota (ve vodě rozptýlená pevná hmota) snižuje intenzitu UV záření a chrání mikroby před jeho působením (stíněním). Tuto hmotu je třeba před konečnou dezinfekcí odstranit při úpravě vody. Řada minerálních a dalších složek vody absorbuje UV záření, např. železo v koncentraci > 0,1 mg/l, sirníky > 0,2 mg/l, tvrdost vody > 140 mg/l, fenoly, huminové kyseliny, fenolické látky, ligninsulfonany, chrom, kobalt, měď, nikl, dusitany a dusičnany (hlavně pro vlnové délky < 220 nm). Jejich odstranění je otázkou výběru zdroje pro úpravu vody či samotné úpravy vody před finální dezinfekcí.

Dále agregace (shlukování) mikroorganismů představuje běžný jev, snižující účinnost jakéhokoliv dezinfekčního postupu, jak chemického tak fyzikálního, tedy i UV záření. Usazování povlaků (minerální či organické povahy) na trubicích rovněž snižuje účinnost UV lamp. Proto je třeba tyto povlaky periodicky odstraňovat mechanickou cestou, obvykle automaticky stíracím zařízením z povrchu trubic. Tvorbu těchto povlaků může způsobit/ podpořit neúčinná úprava surové vody.

Na účinnost UV záření mají pochopitelně též vliv technické parametry daného UV zařízení a jeho nastavení k provozním účelům, např. nastavení dávky UV záření, doba zdržení vody v kontaktoru (komora kde na protékající vodu působí UV záření), průtokové množství vody, kvalita vody před finální dezinfekcí – ta může kolísat mj. i vlivem klimatických faktorů. Vliv má též technické zajištění pro řízení k udržování minimální intenzity záření, testování senzorů, sumarizace provozních hodin UV lamp (které indikují jejich případnou sníženou účinnost vlivem stárnutí/provozu) apod.

Limity pro použití UV záření k dezinfekci pitné vody

Vyhláška MZ ČR č. 409/2005 Sb., o hygienických požadavcích na výrobky přicházející do přímého styku s vodou a na úpravu vody v §14 (vodárenské technologie), odst. (3) uvádí, že pro úpravu vody lze použít technologické postupy a pod bodem n) pak stanoví požadavky ozařování ultrafialovým zářením – o vlnové délce 250 až 270 nm a minimální dávce 400 J/m² v celém objemu vody s tím, že 85 % radiačního výkonu musí být při vlnové délce 253,7 nm (monochromatické nízkotlaké lampy), nebo o vlnové délce v rozmezí 200 až 400 nm a minimální dávce 400 J/m² (polychromatické středotlaké lampy).

Bioindikace účinku UV zařízení pro dezinfekci pitné vody

UV zařízení pro použití dezinfekce vody ve vodárnách musí být testována k ověření, zda jsou při jejich funkci dodrženy parametry pro účinnou dezinfekci pitné vody. V SRN např. platí dokument DVGW – standard W 294 [3], v Rakousku norma ŐNORM M 5873–1,2 [4]. V praxi se používají biologické indikátory (spory Bacillus subtilis, MS-2 fág), které slouží k ověření účinnosti dezinfekce daného UV zařízení.

Odolnost mikroorganismů k UV záření

Obecná rezistence mikroorganismů vůči UV záření je obdobná, jako v případě chemických dezinfekčních prostředků s určitou odlišností. Rozdíl mezi citlivostí vegetativních buněk bakterií a spor (trvalá, vysoce odolná stadia bakterií) není tak veliký, jako v případě chemických prostředků.

Obecná rezistence mikroorganismů vůči UV

Bakterie < viry < spóry bakterií < cysty prvoků

Tab. 1 Dávka v mW.s/cm² (= mJ/cm²) potřebná pro redukci mikrobů o 4 logaritmické řády (orientační údaje)

bakterie (buňky)	do 40
spóry bakterií	až 222
enteroviry	do 40
hepatitis A virus	20
rotavirus	49
MS2 fág	93
adenonovirus	197
améby (cysty)	100
prvoci Giardia	120 až 180
Cryptosporidium parvum	až 660

Možnosti použití UV záření při dezinfekci vody

Možnosti použití UV záření k dezinfekci vody jsou poměrně široké. Při výrobě pitné vody se dnes používá UV záření k její dezinfekci jak v případě vody podzemní, tak i v případě břehové infiltrace či vod povrchových (jezera). Dále je možno použít UV záření v nejrůznějších zařízeních na úpravu pitné vody v místě spotřeby (filtry kombinované s UV lampou), pro kontrolu rozvoje legionel v rozvodu teplé vody, pro redukci počtů mikrobů s následnou možností tvorby aerosolu v různých lékařských přístrojích (dentální jednotky aj.) a dalších aplikacích, jako je dezinfekce splaškových vod, odstraňování ozónu nebo řady organických sloučenin z vody.

Tento článek představuje upravenou a zkrácenou verzi článku, který je k dispozici pod stejným jménem na internetových stránkách www.szu.cz/voda v sekci Pitná voda.

Použité zdroje

• [1] US EPA, Ultraviolet Light Disinfection technology In Drinking Water Application – An Overview. EPA 811–R–96–002, Sept. 1996
• [2] US EPA, Alternative Disinfectants and Oxidants Guidance Manual, EPA 815–R–99–014, April 1999
• [3] DVGW Arbeitsblatt W 294, UV – Desinfectionsaniagen für die Trinkwasserversorgung – Anforderungen und Prüfüng, Bonn, 1994
• [4] ÖNORMM5873–1,2, Zařízení pro dezinfekci pitné vody UV zářením.