UV disinfection/de
UV-Wasserdesinfektion
Hintergrund
Weltweit leben derzeit 884 Millionen Menschen ohne sauberes Wasser oder haben keine sichere Möglichkeit, ihr Wasser zu reinigen. [ 1 ] Entwicklungsländer haben bei weitem den geringsten Zugang zu sauberem Wasser und es ist am schwierigsten, funktionierende Wasseraufbereitungssysteme zu finden. Viele Gemeinden in Entwicklungsländern haben entweder zweitklassige Desinfektionssysteme für das kommunale Wasser oder sind auf Haushaltsdesinfektionssysteme angewiesen. Das Abkochen von Wasser ist noch immer die am weitesten verbreitete Methode zur Haushaltsdesinfektion. [ 2 ] Aufgrund der Rauchverschmutzung in Innenräumen durch die Holzverbrennung als Energiequelle ist es jedoch die gesundheitsschädlichste und energieintensivste Methode. [ 3 ] Chemische Desinfektionsmittel wie Chlor verbrauchen zwar weniger Energie, sind aber wegen ihres ungewohnten Geschmacks ebenfalls keine beliebte Methode zur Wasseraufbereitung. [ 4 ] Deshalb kann zur Wasseraufbereitung für Entwicklungsländer eine sichere, kostengünstige und chemikalienfreie Methode verwendet werden.
Geschichte
Das Desinfektionspotenzial von UV-Licht wurde lange vor der Entwicklung des ersten UV-Desinfektionsreaktors entdeckt. 1877 entdeckten „Downes und Blunt die keimtötenden Eigenschaften des Sonnenlichts“, und damit begannen sowohl die Solardesinfektion als auch die UV-Lampendesinfektion. Die UV-Lampe wurde bald darauf im Jahr 1901 entwickelt, als man entdeckte, dass Quecksilber in einer Lampe zur Lichterzeugung verwendet werden konnte. Das Quarzgehäuse, das noch heute verwendet wird, wurde 5 Jahre später im Jahr 1906 eingebaut. [ 5 ]
Europa ist dafür bekannt, neue Aufbereitungstechnologien einzuführen, und war das erste Land, das eine UV-Desinfektion in einer Trinkwasseraufbereitungsanlage im französischen Marsailles einführte. Nach der Einführung wurde der Zusammenhang zwischen den Krankheitserregern im Wasser und der Aufbereitung selbst entdeckt. Gates entdeckte, dass die Krankheitserreger das UV-Licht absorbierten, wenn sie ihm ausgesetzt wurden. In den 1950er Jahren verwendeten die Schweiz und Österreich keimtötende UV-Lampen zur Trinkwasseraufbereitung und damit den Beginn der Nutzung der heutigen Technologie. [ 5 ] Die UV-Desinfektion wurde in den letzten Jahrzehnten eingesetzt, wobei die meisten Aufbereitungssysteme in Europa zu finden sind. [ 4 ] Ab dem Jahr 2000 begann die UV-Behandlung in den USA zu einer brauchbaren Behandlungsoption zu werden und heute verwenden viele kleine Kläranlagen sowie immer mehr Anlagen mit höherem Durchfluss, wie z. B. in Seattle, UV-Desinfektion. Viele Abwasseraufbereitungsanlagen setzen die UV-Desinfektion als tertiäre Behandlung vor der Einleitung ein. [ 5 ]
Theorie
Desinfektion
Desinfektion ist eine Methode zur Inaktivierung von Krankheitserregern. Bei der Desinfektion von Wasser gibt es drei Hauptkategorien: chemische, physikalische und photochemische. Chlor, Brom und Ozon sind drei häufig verwendete chemische Desinfektionsmittel. Alle drei haben Desinfektionsnebenprodukte, die entweder bei menschlichem Kontakt oder für die Atmosphäre schädlich sind. Die physikalische Desinfektion besteht aus Filtration und die photochemische Desinfektion aus UV-Desinfektion oder SODIS (Solardesinfektion). [ 6 ] [ 7 ]
Pathogeninaktivierung
UV-Licht desinfiziert am effektivsten im UV-C-Bereich von 100–280 nm.
Keimtötendes UV (UV-C) hat eine sehr geringe spektrale Bestrahlungsstärke, weshalb es schwierig ist, die keimtötenden UV-Strahlen der Sonne zu nutzen. [ 8 ] Für eine effektive und effiziente Desinfektion muss das keimtötende UV daher aus einer UV-C-Lampe gewonnen werden.
Die am häufigsten verwendeten Quecksilberdampflampen senden bei 254 nm. [ 6 ] Bei 254 nm sendet die UV-Lampe mit einer Effizienz von 95 %, sodass 95 % der UV-C-Strahlen absorbiert werden. [ 9 ] Die Effizienz der Lichtdurchlässigkeit der UV-Lampen wird auch von den Lampeneigenschaften (Nieder- oder Mitteldrucklampe), den Variationen des Quarzgehäuses, den Umgebungsbedingungen und der Verfügbarkeit von Elektrizität beeinflusst. [ 6 ]
Um das Wasser zu desinfizieren, inaktivieren die UV-C-Strahlen Krankheitserreger, indem sie Bindungen in ihrer DNA zerstören.
Nach der Zerstörung ihrer Bindungen kann sich die DNA nicht mehr replizieren, wodurch die Krankheitserreger inaktiv werden. Die vollständige Inaktivierung von Krankheitserregern hängt von der Verabreichung ihrer tödlichen Dosis ab. [ 6 ]
Die tödliche Dosis wird anhand der Energie berechnet, die erforderlich ist, um in die DNA eines Mikroorganismus einzudringen. Die UV-Dosis hängt sowohl von der Wasseroberfläche ab, die mit den UV-Strahlen in Kontakt kommt, als auch von der Energie des übertragenen UV-Lichts. Es ist wichtig, zuerst den Prozentsatz der UV-Durchlässigkeit durch die Mikroorganismen zu berechnen, um die Dosis entsprechend zu skalieren. Der Prozentsatz der UV-Durchlässigkeit wird nach dem Beer'schen Gesetz berechnet. [ 5 ]
Beer'sches Gesetz:%UVT=100*ICH/ICH0=100*10−A
Im Beerschen Gesetz ist I gleich der Intensität des durchgelassenen Lichts in [mW/cm² ] , I0 ist gleich der Intensität des einfallenden Lichts in [mW/cm² ] und A ist die UV-Absorption bei einer bestimmten Wellenlänge und Weglänge und hat keine Einheit. Die Dosis wird dann durch Integration der Intensität des durchgelassenen UV-Lichts über die Belichtungsdauer berechnet. [ 5 ] Die UV-Dosis wird im Allgemeinen entweder in [mJ/cm²] oder [mW-s/cm²] ausgedrückt . Eine Dosis von 40 mJ/cm² ist stark genug, um E. coli um 5 log abzutöten . [ 10 ] Der nationale und internationale Standard für Trinkwasser beträgt 38 mJ/cm² , wie vom American National Standards Institute und der National Sanitation Foundation International festgelegt. [ 11 ] Diese Dosierung erreicht eine ausreichende Reduzierung der Krankheitserreger für sicheres Trinkwasser aus klaren Wasserquellen, desinfiziert aber nicht bis zu einer vollständigen Abtötung von E. coli um 5 log .
Log Kill oder Log Inaktivierung zeigt die mikrobielle Reaktion auf UV-C-Licht und ist der Grad der erfolgten Inaktivierung des Krankheitserregers. Die Log-Inaktivierung kann mit der folgenden Gleichung modelliert werden:
mOGichNACTichgegenATichON=mOG10 (N_0/N)
Dabei ist N die Konzentration der Zielpathogene nach der Exposition gegenüber UV-C-Licht und N 0 die anfängliche Zielpathogenkonzentration. Die Desinfektion wird auch durch die anfängliche Trübung des Wassers beeinflusst. Um eine ausreichende Inaktivierung der Pathogene zu erreichen, muss das Wasser weniger als 1,0 NTU aufweisen. [ 6 ]
Im Gegensatz zur chemischen Desinfektion gibt es bei UV-C-Licht keine Restdesinfektion. Die Dosierung muss hoch genug sein, um die Möglichkeit einer Photoreparatur der Krankheitserreger auszuschließen. Bei der Photoreparatur repariert ein Krankheitserreger die Pyrimidine in der DNA in Gegenwart von Licht und kann sich so erneut reproduzieren. Mikroorganismen können sich auch ohne Hilfe von Licht selbst reparieren, wenn die UV-Dosierung nicht hoch genug ist. [ 5 ]
Reaktorkonfigurationen
Die Konfiguration des Wasseraufbereitungsreaktors hat einen erheblichen Einfluss auf die Wirksamkeit der Desinfektion. Im Allgemeinen sind die UV-Lampen in kreisförmigen Kanälen parallel zum Wasserfluss angeordnet und in rechteckigen Kanälen entweder senkrecht oder diagonal zum Wasserfluss. [ 5 ] Ein Aufbereitungsreaktor sollte für eine maximale UV-Bestrahlung des Wassers ausgelegt sein, ohne dass zu viel UV-Licht von den Reaktorwänden absorbiert wird. [ 5 ]
Es gibt zwei grundlegende Arten idealer Reaktorkonfigurationen, die verfolgt werden können: der Strömungsreaktor (PFR) und der kontinuierliche Rührkesselreaktor (CSTR). PFRs funktionieren wie ein Fließband und behandeln jeweils eine Wassermenge auf einmal.
CSTRs mischen das gesamte Wasservolumen sofort.
Idealerweise sollte ein Reaktor für die UV-Desinfektion so stark wie möglich durchströmt sein. [ 5 ] [ 12 ] Reaktoren mit stärkerer Strömung können eine sehr effiziente Abtötung von Krankheitserregern ermöglichen. [ 13 ] Durch die Verwendung eines Reaktors mit stärkerer Strömung und integrierten Leitblechen wird der Totraum minimiert und das Abwasser wird viel schneller ausreichend desinfiziert als mit einem CSTR. [ 5 ] [ 12 ]
Kumulative Abwasserverteilung eines idealen PFR
Austrittsaltersverteilung eines idealen PFR
Kumulative Abflussverteilung und Austrittsaltersverteilung eines idealen CSTR
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UV-Desinfektion in Entwicklungsländern
UV-Wasserwerk: UV-Desinfektion im Gemeinschaftsmaßstab
Das in den Entwicklungsländern heute am weitesten verbreitete UV-Desinfektionsgerät ist das UV-Waterworks-System.
UV Waterworks wurde 1993 von Dr. Ashok Gadgil von den Lawrence Berkeley National Laboratories und seiner Forschungsgruppe als Reaktion auf einen Choleraausbruch in Indien entwickelt. [ 14 ] [ 10 ]
Nach Feldversuchen in Indien und einer Neugestaltung, um den Bedürfnissen der Bevölkerung besser gerecht zu werden, [ 15 ] ist die Technologie seit 1998 im Einsatz und wird von WaterHealth International gefördert. [ 16 ] Das UV Waterworks-System kann für etwa 1000 Personen verwendet werden und hat bei ordnungsgemäßer Bedienung und Wartung eine geschätzte Lebensdauer von 15 Jahren. [ 14 ] Der Reaktor arbeitet relativ schnell, mit einer Flüssigkeitsverweilzeit von 12 Sekunden. [ 10 ] Die Schnelligkeit des UVWaterworks-Systems ist ein klarer Vorteil gegenüber anderen Wasseraufbereitungssystemen, deren Aufbereitung oft Minuten oder sogar Stunden dauert. Seine Fähigkeit, bis zu 5-log-Reduktionen von E. coli zu desinfizieren, verhalf ihm zur Zertifizierung durch das California Department of Health Services. [ 10 ] [ 16 ]
UV Waterworks ist für Gemeinden eine kostengünstige Möglichkeit, sich mit Wasser zu versorgen. Die Anschaffungskosten betragen 300 US-Dollar und etwa 0,10 US-Dollar pro Jahr für eine Person, die täglich 10 Liter Wasser aufbereitet. [ 14 ] [ 17 ] Dieses Desinfektionssystem muss alle drei Monate gewartet werden und ist sehr einfach zu bedienen, obwohl es auf eine konstante Stromversorgung angewiesen ist. [ 10 ]
UV-Desinfektion am Einsatzort
Die UV-Röhre ist ein weiteres UV-Desinfektionssystem, das für den Einsatz in Entwicklungsländern entwickelt wurde. Bei diesem Gerät handelt es sich um ein Point-of-Use-System, das heißt, es ist für den Hausgebrauch bestimmt und das Wasser wird nach der Behandlung nicht transportiert. Die UV-Röhre wurde in den 1990er Jahren von Dr. Lloyd Connelly von der UC Berkeley entwickelt und in Haiti, Mexiko und Sri Lanka eingesetzt. [ 18 ]
Ebenfalls in Mexiko implementiert ist das UVeta, das von Niparajá AC entwickelt wurde und 2006 in Betrieb ging. [ 19 ] Das UVeta ist ein Point-of-Use-System, ähnlich der UV-Röhre.
Forschungen zur UV-Desinfektion am Einsatzort wurden und werden an der University of Colorado in Boulder durchgeführt. Dr. Karl Linden leitete ein Forschungsprojekt zu einem UV-Desinfektionssystem am Einsatzort unter Verwendung eines Aluminiumreaktors. [ 20 ]
Die UV-Röhre
UVeta Point-of-Use-System
An der CU Boulder entwickelter Reaktor
Bauen Sie einen UV-Desinfektionsreaktor
Materialien
Um ein kleines UV-Desinfektionssystem mit in Entwicklungsländern verfügbaren Artikeln herzustellen, werden die folgenden Artikel benötigt:
- Niederdruck- (LP) oder Mitteldruck- (MP) UV-Lampe - möglicherweise nicht vor Ort erhältlich [ 5 ]
- Quarzhülse [ 5 ]
- Reaktorgehäuse - kann eine Aluminiumdose für die Außenseite und eine Aluminiumdose oder Kunststoffringe für die Leitbleche verwenden [ 20 ] oder kann Rohre zur Unterbringung der UV-Lampe verwenden [ 21 ]
- Elektrisches Vorschaltgerät - zur Regelung der Stromversorgung [ 5 ]
- Kunststoffschläuche (nach Bedarf verwenden)
- Rohradapter (nach Bedarf verwenden) – für die Verbindung von Schläuchen mit dem Reaktor
- Plastikeimer für Wasser im Haus
- Epoxid
Obwohl LP-UV-Lampen weniger teuer sind als MP-UV-Lampen, benötigen MP-UV-Lampen eine weitaus geringere Dosierung, um den gleichen Inaktivierungsgrad wie eine LP-UV-Lampe zu erreichen. Außerdem sind MP-UV-Lampen bei der Inaktivierung von Adenoviren deutlich besser. [ 22 ]
Konstruktion
Die Konstruktion jedes UV-Desinfektionssystems ist material- und größenabhängig. Bei einem Point-of-Use-System in Haushaltsgröße muss die Konstruktion die Befestigung des UV-Reaktors am Eimer und das Abdichten aller Bereiche umfassen, in denen es zu Undichtigkeiten kommen kann. Was auch immer für das Reaktorgehäuse verwendet wird, muss eine Öffnung für die UV-Lampe aufweisen und muss Wasser aus dem Eimer hinein- und in einen anderen Eimer hinausfließen lassen können. In den Eimer und das Reaktorgehäuse müssen Löcher gebohrt werden, und dazu ist eine Bohrmaschine erforderlich.
Verwenden Sie
UV-Desinfektionssysteme benötigen eine konstante Stromquelle. Die verwendeten UV-Lampen verbrauchen zwischen 3 W [ 20 ] und 50 W [ 10 ] . Damit die Desinfektion vollständig ist, muss die UV-Lampe kontinuierlich laufen.
Betrieb und Wartung des Systems
Der Betrieb eines UV-Desinfektionssystems, unabhängig von seiner Größe, muss über eine Stromquelle erfolgen. Es ist kein qualifizierter Bediener erforderlich, was die Betriebskosten für die UV-Desinfektion erheblich senkt [ 10 ] . Trübung und Farbe sollten, wenn möglich, regelmäßig überwacht werden. [ 11 ]
Größere Systeme im kommunalen Maßstab wie das UV-Wasserwerk sollten alle drei Monate gewartet werden, und kleinere Systeme am Einsatzort sollten nach Bedarf gewartet werden. [ 10 ] Obwohl Wartungspläne und -protokolle in den meisten Entwicklungsländern selten oder nie befolgt werden, empfiehlt die EPA, die UV-Lampen regelmäßig zu warten und eine von drei Reinigungstechniken anzuwenden. Es gibt die „chemische Offline-Reinigung“, bei der der Tank entleert und die Lampe mit Chemikalien gereinigt werden muss. Die „mechanische Online-Reinigung“ besteht aus Wischern, die die Lampe mechanisch reinigen, ohne dass der Reaktortank entleert werden muss. Bei der „mechanisch-chemischen Online-Reinigung“ wird die Lampe mechanisch mit Wischern gereinigt und gleichzeitig Chemikalien zum Reinigen der Lampe verwendet. [ 5 ] Die Lampenhülsen sollten regelmäßig ausgetauscht und die Alterung der Lampe überwacht werden. Die Lampe sollte ausgetauscht werden, wenn ihre Effizienz auf 70 % abnimmt. [ 11 ]
Bewertung des Desinfektionssystems
Technische Bewertung
Die Prüfung der Abwasserqualität ist einer der besten Indikatoren für die Leistungsfähigkeit des Desinfektionssystems. Die Prüfung der Wasserqualität in einem Entwicklungsgebiet wird durch die Verwendung von Petrifilmen von 3M und Kunststoffpipetten ermöglicht. Zur Prüfung muss eine Probe des Abwassers auf den Petrifilm gegeben und für die angegebene Anzahl von Stunden inkubiert werden. Körperwärme wird oft als Inkubator verwendet, da es vor Ort keine Inkubatoren in Laborqualität gibt. Die Probe muss möglicherweise verdünnt werden, wenn die E. coli- oder Gesamtcoliformenzahl auf den Petrifilmen über 150 liegt. [ 23 ]
Die Trübung ist auch ein relevanter Test, um die Wirksamkeit des Behandlungssystems zu bestimmen. Die Trübung kann entweder mit einem Trübungsmessgerät, einem Transparenzrohr [ 24 ] oder einer Secchi-Scheibe [ 25 ] gemessen werden. Um die Trübung mit einer Secchi-Scheibe zu messen, wird die Scheibe ins Wasser abgesenkt und die Tiefe, bei der die Scheibe nicht mehr sichtbar ist, wird zur Trübungsschätzung aufgezeichnet. [ 25 ] Diese Methode funktioniert am besten, wenn ein großes Wasservolumen getestet werden muss, kann aber auch auf kleinere Mengen angepasst werden.
Soziale Bewertung
Viele Wasseraufbereitungstechnologien scheitern aufgrund mangelnder Akzeptanz in der Bevölkerung. Ein guter Maßstab für den Erfolg einer Technologie in einer Gemeinschaft ist, wie viele Menschen sie nutzen und wie viele Menschen angeben, mit der neuen Technologie zufrieden zu sein. Insbesondere bei Wasseraufbereitungstechnologien ist die Krankheitsrate bei Nutzung des Aufbereitungssystems im Vergleich zur Krankheitsrate bei Nichtnutzung des Systems ein wichtiger Erfolgsindikator. Wenn der Benutzer die Technologie nicht richtig nutzt, ist die Wirksamkeit der Aufbereitung gleich Null.
Vorteile und Grenzen der UV-Desinfektion
Vorteile
- Eine kostengünstige Alternative zu vielen anderen Desinfektionsmethoden. [ 6 ]
- Die UV-Desinfektion verbraucht 20.000-mal weniger Energie als die Desinfektion durch Abkochen von Wasser, was derzeit für viele Menschen die übliche Methode ist. [ 10 ]
- Einfache Bedienung und Wartung [ 10 ]
- Relativ schnelle Desinfektion - kurze Verweilzeit im Reaktor [ 10 ]
- Keine Geschmacksveränderung [ 10 ]
- Kein Restgeruch durch Desinfektion [ 10 ]
- Hat keine toxischen Nebenprodukte wie chemische Desinfektionsmittel und Ozon [ 6 ]
- Einfache Installation [ 11 ]
- Geringer Platzbedarf [ 11 ]
- UV-C inaktiviert alle bekannten Bakterien und die meisten bekannten Viren [ 26 ]
- pH-Wert und Temperatur haben keinen Einfluss auf den UV-Desinfektionsprozess [ 11 ]
Einschränkungen
- UV-Lampen und Quarzgehäuse sind möglicherweise nicht vor Ort erhältlich
- UV-Lampen müssen mit Dauerstrom betrieben werden
- UV-Lampen enthalten Quecksilber, das giftig ist und schwer zu entsorgen ist [ 4 ]
- Bakterien können sich selbst reparieren, wenn die UV-Dosis nicht hoch genug ist [ 5 ]
- Bei der UV-Desinfektion können Nebenprodukte entstehen, die aus Reaktionen zwischen Phytochemikalien resultieren [ 5 ]
- UV-C kann Adenoviren nicht effektiv inaktivieren [ 26 ]
- Mangelhafte Desinfektion bei Zulauf mit hohem Schwebstoffgehalt, Trübung, Verfärbung oder organischen Stoffen [ 11 ]
Externe Links
Wikipedia-Artikel :Wikipedia:Ultraviolette keimtötende Bestrahlung
Wikipedia:Pfropfenströmungsreaktormodell
Referenzen
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