Ultraviolett-Anwendungen erklärt
Grundlagen der UV-Desinfektion
Starkes Sonnenlicht tötet bekanntlich Bakterien, Viren, Schimmelpilze und Sporen ab. Vor fast einem Jahrhundert identifizierten Wissenschaftler den Teil des Spektrums, der für diesen bekannten Effekt verantwortlich ist, als hauptsächlich im UV-C-Spektrum liegend.
Was ist ultraviolettes (UV) Licht?
UV-Licht ist ein natürlich vorkommender Bestandteil der Sonnenstrahlung. Es fällt in den Bereich zwischen sichtbarem Licht und Röntgenstrahlen im elektromagnetischen Spektrum zwischen den Wellenlängen 100 nm – 400 nm. UV kann weiter in die Kategorien UV-A, UV-B und UV-C sowie Vakuum-UV eingeteilt werden.
Was ist UV-C-Licht?
Wellenlängen zwischen 220 und 290 nm (UV-C) haben signifikante "keimtötende" Eigenschaften. UV-C-Licht wird fast vollständig von der Erdatmosphäre herausgefiltert, so dass wir seine keimtötenden Eigenschaften nur nutzen können, wenn wir es hier auf der Erde mit kommerziell hergestellten UV-Lampen künstlich erzeugen.
Wie wird UV-C-Licht desinfiziert?
Wenn UV-Licht auf einen Mikroorganismus trifft, werden innerhalb der DNA Adenin- und Thyminbindungen gelöst und benachbarte Thymine zu Dimeren (Cyclobutan-Pyrimidin-Dimer (CPD)) kovalent gebunden, wodurch Bakterien, Viren, Sporen und Schimmelpilze wirksam inaktiviert werden, indem Vermehrung und Stoffwechsel gestoppt werden.
MEHR INFORMATIONWie erzeugen wir UV-C-Licht?
Es gibt zwei gängige UV-C-Lampentechnologien, die in industriellen und kommunalen Anwendungen eingesetzt werden:
- Amalgam-Lampen bieten eine monochromatische (Einzelwellenlängen-) Strahlung bei 254 nm mit einer Umwandlung von mehr als 30% des elektrischen Stroms in UV-C. Diese Lampen sind effizient, aber ihre Energiedichte ist gering, d.h. sie haben eine relativ geringe Leistung (100 bis 800 W) und sind lang. Sie werden eingesetzt, wenn es auf Effizienz ankommt, größere Mehrlampensysteme können jedoch sperrig und schwierig zu warten sein.
- Mitteldrucklampen bieten eine polychromatische Strahlung über ein breites Spektrum. Dies kann nützlich sein, um der Empfindlichkeit eines Zielorganismus zu entsprechen, zusätzlich wird das Absorptionsspektrum von Proteinen abgedeckt. Mitteldrucklampen haben eine geringere Energieeffizienz (~15%). Umgekehrt sind sie leistungsstark (1kW bis 24KW) und kurz, was bedeutet, dass Sie weniger Lampen in einem kleineren Reaktor benötigen.
Diese beiden Lampentechnologien bieten eine Wahl des Reaktordesigns, die es uns ermöglicht, die Vor- und Nachteile von Größe und Effizienz für eine bestimmte Anwendung abzuwägen. Da wir beide Lampentypen herstellen, sind wir in der einzigartigen Lage, diese konkurrierenden Eigenschaften zu beurteilen, um zu unseren "Anwendungsoptimierten UV"-Lösungen zu gelangen.
Niederdruck
Mitteldruck
Mitteldruck vs Niederdruck: Sie entscheiden sich je nach Situation zwischen hoher Effizienz oder Kompaktheit
1 Mitteldruck-Lampenleistung = 5 Niederdruck-Lampenleistung
MEHR INFORMATIONVorteile der Verwendung von Niederdruck- oder Mitteldrucklampen:
| Vorteilhaftigkeit von | Niederdruck- oder | Mitteldrucklampen | |
| Geringer Stromverbrauch | Niederdrucklampen sind effizienter, haben aber eine geringere Leistung |
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| Effizient bei höheren Durchflussraten | Mitteldrucklampen arbeiten mit einer viel höheren Leistungsdichte als Niederdrucklampen, so dass eine Mitteldrucklampe einen viel höheren Durchfluss behandeln kann als eine einzelne Niederdrucklampe. | ||
| Platzbeschränkungen | Mitteldrucklampen haben für die gleiche UV-Leistung etwa ein Drittel der Länge einer Niederdrucklampe, so dass die Systeme deutlich kleiner sind. | ||
| Lebensdauer der Lampen | Niederdrucklampen halten in der Regel 9.000 bis 15.000 Stunden, während Mitteldrucklampen der neuesten Generation etwa 9.000 Stunden halten. | ||
| SSparen Sie bei Wartung und Ersatzteilen | Bei gleichen Bedingungen haben Mitteldruck-UV-Systeme im Allgemeinen einen kleineren Platzbedarf und verwenden weniger Lampen als Niederdrucksysteme. | ||
| Effizienz der Desinfektion | Mitteldruck hat eine höhere UV-Licht-Energieabgabe und emittieren Wellenlängen die von DNA und Proteinen, also auch von der Zellwand absorbiert werden, und dadurch wirken. Einige Mikroorganismen sind viel empfindlicher für die von Mitteldrucklampen erzeugten mehrfachen Wellenlängen. | ||
| Niedrige Betriebstemperatur | Niederdrucklampen laufen bei etwa 120°C, während Mitteldrucklampen bei 600°C bis 800°C betrieben werden. | ||
| Hohe Wassertemperatur | Mitteldruck-UV-Systeme werden von der Wassertemperatur kaum beeinflusst, während Niederdrucksysteme nur zwischen 5-40°C arbeiten können. | ||
| Status 'AN' ohne Wasserfluss | In vielen Fällen können LP-Systeme länger ohne jeglichen Wasserfluss arbeiten als MP-Systeme (bei vollständig gefüllter Kammer). |
Hauptmerkmale eines UV-Behandlungssystems
UV Chamber: Dies ist der Reaktor, durch den die Flüssigkeit fließt und mit dem UV-Licht in Kontakt kommt. Sie hat eine Einstrom- und eine Ausstromöffnung mit passenden Anschlüssen für Ihre Rohrleitungen und ist nach gängigen Druck-Richtlinien ausgelegt und getestet. Kammern können S, L oder U-förmig sein, bzw. gerade mit querverlaufenden Röhren.
UV-Lampe in Quarzhülse: Die UV-Lampe ist von einem Quarzhüllrohr umgeben, das sie vor Wasser oder Flüssigkeit schützt und gleichzeitig die UV-C-Wellenlängen durchlässt. Es sind dotierte Quarzhüllrohre verfügbar, die unerwünschte Wellenlängen blockieren. Der Quarz wird durch Lampenflansche oder ein Traggerüst in Position gehalten.
UV-Intensitätssensor: Dieses Instrument misst die Intensität (W/cm2) des UV-Lichts, das durch das Wasser hindurchgeht und auf den Sensor trifft. Diese Intensität wird zur Berechnung der UV-Dosis (mJ/cm2) verwendet, die in der Kammer erreicht wird.
Temperatur-Sensor: Das UV-System schaltet bei Temperaturen oberhalb eines Grenzwertes ab. Im Bedienfeld können Sie den Temperaturwert auf der Kammeroberfläche ablesen.
Automatischer Wischer: So wie ein Scheibenwischer an einem Auto die Windschutzscheibe reinigt, kann ein automatischer Wischer zur Reinigung des Quarzhüllrohres verwendet werden, ohne dass der Prozess unterbrochen werden muss. Wischer werden in Wasservorbehandlungs- und Abwassersystemen eingesetzt, in denen sich Feststoffe befinden oder Kalkablagerungen bilden können. Nach einer Umkehrosmose oder Demineralisierung sind Wischer nicht erforderlich. Bei einigen Modellen ist ein Wischer mit zusätzlicher chemischer Reinigung erhältlich.
Stromversorgung & Schaltschrank: Das Bedienfeld liefert dem Benutzer Informationen über die Leistung des UV-Systems. Der Schaltschrank steuert die Leistung der Lampen.
UVT-Messgerät: Einige Systeme erfordern einen Sensor zur Kontrolle über Änderungen der UV-Transmission (UVT) des einströmenden Wassers. Der UVT-Wert wird in die Systemsteuerung eingespeist und reguliert die Leistung, um sicherzustellen, dass die erforderliche Dosis eingehalten wird. Unsere Baureihen PQ EO, PQ AF und PQ AL verfügen über UVT-Korrekturen, die in validierte Algorithmen implementiert sind und erfordern kein separates UVT-Instrument.
Durchflussmesser: Wenn der Durchfluss schwankt und Sie Ihren Energieverbrauch optimieren möchten, benötigen Sie auch ein Durchflusssignal für die Steuerung, damit die Leistung an die Durchflussrate angepasst werden kann.
MEHR INFORMATIONWie wird ein UV-System dimensioniert und ausgewählt?
Es gibt drei Schlüsselparameter, die bei der Auswahl und Dimensionierung eines UV-Desinfektionssystems zu berücksichtigen sind:
- Wasserqualität
- Wasser-Durchflussrate
- Zu inaktivierende(r) Erreger
Um die Prinzipien der UV-Systemauswahl vollständig zu verstehen, muss jeder dieser Parameter genauer untersucht werden.
UV-Durchlässigkeit (UVT)
Die Art und Qualität des zu desinfizierenden Wassers ist entscheidend und von allen Wasserqualitätsparametern ist die UV-Durchlässigkeit (UVT) der wichtigste. Die UVT bestimmt, wie leicht UV-C-Licht das Wasser durchdringt, um zum Organismus zu gelangen.
Die UVT wird gemessen, indem eine Wasserprobe in einer Quarzküvette gefüllt und UV-Licht bei 254 nm durch die Probe geleitet wird. Der Prozentsatz des UV-Lichts, der diese Probe durchdringt, wird als "UVT" der Probe bezeichnet. In der Regel hat die verwendete Küvette eine Weglänge von 10 mm. In diesem Fall wird die UVT-Anzeige als "T10"-Wert bei 254 nm bezeichnet. Andere Parameter wie der biologische Sauerstoffbedarf (BSB), der chemische Sauerstoffbedarf (CSB), die Trübung und die Gesamtmenge der gelösten Feststoffe (TSS) können ein Hinweis auf die Wasserqualität und den zu erwartenden UVT-Bereich sein, aber nur eine direkte Messung ist zuverlässig, da es keine Korrelation zwischen diesen Parametern und der UVT gibt.
Wenn die Wasserqualität im Laufe der Zeit schwankt, kann eine einzelne Punktprobe unzuverlässig sein, weshalb Proben über einen repräsentativen Zeitraum genommen werden sollten. Stellen Sie dadurch sicher, dass das von Ihnen gewählte UV-System in der Lage ist, für jede diesen Bedingungen die erforderliche Dosis zu liefern.
„Total Suspended Solids“ (TSS) und „Total Dissolved Solids“ (TDS) oder der Salzgehalt sind ebenfalls wichtig. TSS ist besonders wichtig, da ein übermäßiger TSS zu einem Phänomen führen kann, das als "Abschirmung" bezeichnet wird, wobei die Krankheitserreger durch im Wasser suspendierte Partikel vom UV-C-Licht abgeschirmt werden. TDS/Salzgehalt ist wichtig, weil bei sehr hohen Werten auf die verwendeten Materialien des UV-Systems geachtet werden muss, um Korrosion zu vermeiden.
Durchflussrate und Residenzzeit
Die UV-Inaktivierung ist ein sehr schneller Prozess, der nur Sekunden benötigt. Das bedeutet, dass die UV-Behandlung im Vergleich zu alternativen Desinfektionstechnologien eine sehr kompakte und schnelle Behandlung bieten kann.
Da die Dosis als Intensität mal Residenzzeit definiert ist, gilt für ein beliebiges Reaktorvolumen: je langsamer die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers durch den Reaktor, desto länger die UV-Expositionszeit und umgekehrt. Die maximale und minimale Durchflussrate des Wassers sind also wichtige Leistungsparameter. Aus diesem Grund sind viele UV-Systeme heute in der Lage, die Leistungsabgabe der Lampen in Abhängigkeit von Änderungen der Durchflussrate anzupassen. Auf diese Weise kann Energie gespart werden, wenn die Durchflussrate niedriger ist als für den Spitzenwert.
Bei der Bestimmung der maximalen und minimalen Durchflussraten ist es wichtig, die momentanen Durchflussraten zu bestimmen, da dies die momentane minimale und maximale UV-Belichtungszeit bestimmt. Tägliche und stündliche Durchflussraten sind in dieser Hinsicht normalerweise irreführend, da sie wichtige Hochs und Tiefs in der momentanen Durchflussrate verdecken können, was zu Fehlberechnungen der wahren UV-Exposition führt. Unter turbulenten Strömungsbedingungen variiert die Residenzdauer der Organismen und damit auch die von jedem Organismus aufgenommene Dosis. Jeder Reaktor hat eine charakteristische Gauß'sche Dosisverteilung, daher sollte man sich davor hüten, bei kritischen Desinfektionsprozessen Berechnungen der mittleren Dosis zu verwenden, da dies eine grobe Vereinfachung darstellt und ein falsches Gefühl der Sicherheit vermitteln kann.
MEHR INFORMATIONZu deaktivierende Pathogene
Verschiedene Krankheitserreger haben eine unterschiedliche Resistenz gegenüber UV. Einige sind anfälliger als andere und benötigen daher unterschiedliche Mengen an UV-C-Bestrahlung zur Inaktivierung. Es kann sogar eine unterschiedliche spektrale Reaktion geben, d. h. die erforderliche Dosis kann von der Wellenlänge des verwendeten UV-C abhängen. Um ein UV-System richtig zu dimensionieren und auszuwählen, muss geklärt werden, welche(r) Erreger inaktiviert werden soll(en) und welches UV-Reaktionsverhalten er hat.
Was bedeutet Inaktivierung wirklich? Bedeutet es, dass jeder einzelne Erreger, der jemals die UV-Anlage durchläuft, inaktiviert wird? In der Realität ist dies unmöglich, Sterilität ist wirtschaftlich nicht erreichbar. Das gilt sogar unabhängig davon, welche Desinfektionsmethode verwendet wird, ob es sich um UV, Chlor oder etwas anderes handelt. Was möglich ist, ist die Reduzierung der Keimzahl um einen vorhersagbaren Betrag. Dieser vorhersagbare Betrag wird als "log"-Reduktion (logarithmische Reduktion) bezeichnet. Bei einer 1 log-Reduktion wird der betreffende Erreger um 90 % gegenüber dem Eingangswert reduziert. Bei einer 2 log-Reduktion wird eine 99%ige Reduktion erreicht, bei 3 log eine 99,9%ige und so weiter. Wissenschaftler haben die Dosis der UV-Bestrahlung berechnet, die erforderlich ist, um eine ganze Reihe verschiedener Krankheitserreger durch verschiedene log-Reduktionen zu inaktivieren. Beispiele finden Sie in der folgenden Tabelle.
UV-Dosis
Eine UV-Anwendung benötigt eine bestimmte UV-Dosis, um den gewünschten Behandlungsgrad zu erreichen. Die UV-Dosis ist die Menge der UV-Energie pro Flächeneinheit, die auf eine Oberfläche fällt. Sie wird berechnet als:
Dosis (mJ/cm²) = Intensität (µW/cm²) x Zeit (sec) *
* Die Dosis wird durch die Lampenleistung (Intensität) und die Zeit der UV-Bestrahlung bestimmt. Wir empfehlen die geeignete UV-Dosis für jede Anwendung unter Berücksichtigung der Lampenalterung und Flüssigkeitsdurchlässigkeit sowie auch dem Zielorganismus und der erforderlichen Reduktion. In den turbulenten Strömungsbedingungen des UV-Reaktors hat nicht jedes Wasserteilchen oder jeder Organismus die gleiche Verweilzeit, was bedeutet, dass die Leistungsbewertung entweder eine statistische Berechnung unter Verwendung von Computer Fluid Dynamics (CFD)-Modellierung oder eine direkte empirische Messung unter Verwendung eines Bioassays ist.
UV-Dosisbedarf - Millijoule pro Quadratzentimeter (mJ/cm²)1
| ZIELPATHOGE | LOG INAKTIVIERUNG |
|||||||
| 0.5 | 1.0 | 1.5 | 2.0 | 2.5 | 3.0 | 3.5 | 4.0 | |
| CRYPTOSPORIDIUM | 1.6 | 2.5 | 3.9 | 5.8 | 8.5 | 12 | 15 | 22 |
| GIARDIA | 1.5 | 2.1 | 3.0 | 5.2 | 7.7 | 11 | 15 | 22 |
| VIRUS | 39 | 58 | 79 | 100 | 121 | 143 | 163 | 186 |
1 40 CFR 141.720 (d)(1)
Die Menge an UV-C, die zur Inaktivierung eines Erregers abgegeben wird, wird als "UV-Exposition" bezeichnet. Der korrekte Begriff für diese Exposition ist jedoch "UV-Dosis" oder "UV-Fluenz". Die Beziehung zwischen UV-Fluenz und logarithmischer Reduktion, wie in der obigen Tabelle dargestellt, wird als "Dosis-Wirkungs-Kurve" eines Erregers beschrieben. Da die UV-Dosis der gebräuchlichste Begriff für die UV-Bestrahlung ist, wird dieser Begriff im Folgenden verwendet.
Aus der obigen Tabelle ist ersichtlich, dass die UV-Dosis, die erforderlich ist, um einen bestimmten Erreger bis zu einer bestimmten logarithmischen Reduktion zu inaktivieren, selten linear ist. Ein häufiger Fehler ist es, die UV-Dosis zu nehmen, die erforderlich ist, um eine 1 log Inaktivierung zu erreichen, und diese einfach zu multiplizieren, um eine höhere log-Reduktion zu berechnen. Obwohl ein sehr häufig vorkommender Erreger, E. coli, eine nahezu lineare Dosis-Wirkungskurve aufweist, ist dies bei den meisten anderen Organismen nicht der Fall.
MEHR INFORMATIONErregerbarriere oder Hygienewartung - was ist Ihr Bedarf?
Für regulierte Anwendungen wie Trinkwasser ist die Antwort einfach: Sie haben einen definierten Zielerreger bei welchem Sie eine bestimmte log-Reduktion erreichen müssen, und meistens ist dabei ein Validierungsprotokoll vorgeschrieben (siehe „Validierungen“).
Bei industriellen Anwendungen sind Ihre Auswahlmöglichkeiten größer. Wollen Sie:
- Erregerbarriere am Zulauf, um die biologische Belastung Ihrer
- Aufbereitungsanlage zu reduzieren
- Entkeimung als abschließende Behandlung, um als endgültige Barriere zu wirken
- Zur Aufrechterhaltung der Hygiene in Ihrem bereits aufbereiteten Wasser
Diese Überlegungen helfen Ihnen bei der Wahl der Dosisleistung und bei der Entscheidung, ob Ihre UV-Anlage validiert werden muss oder ob ein Hygienedesign erforderlich ist.
Teilen Sie uns Ihre Behandlungsbedürfnisse mit und wir werden Ihnen eine Anlagenlösung empfehlen. Als ersten Ansatz würden wir vorschlagen, dass Sie eine Erregerbarriere am Anfang Ihres Prozesses in Betracht ziehen, um sicherzustellen, dass die Erreger nicht Ihre nachgeschalteten Geräte besiedeln und dann eine Hygienemethodik anwenden, um die Sekundärkontamination nach der Aufbereitung und bei der Verteilung und Lagerung zu vermeiden. Wenn Ihr Prozess kritisch ist, empfehlen wir eine biogeprüfte oder validierte Erregerbarriere als Leistungsnachweis. Zu finden bei unseren PQ-Systemen.
Unsere Hygienedesign trägt dazu bei, die Keimzahlen niedrig zu halten, als Teil eines hygienisch konzipierten Systems, d. h. eines Systems, in dem kontinuierlich mit Geschwindigkeiten von mehr als 1 m / s zirkuliert wird, die Flüssigkeitstemperatur unter 20 °C gehalten wird, das kein stehendes Wasser enthält und spaltenfrei und hochglanzpoliert ist. Ein routinemäßiges CIP ist ebenfalls erforderlich, um sicherzustellen, dass sich kein Biofilm bilden. Eine gute UV-Anlage verlängert den Zeitraum zwischen den CIPs und reduziert die Ausfallzeiten und Betriebskosten.
MEHR INFORMATIONValidierungen und Bioassays
Bioassays werden in der UV-Industrie immer bedeutender. Sie bieten eine unabhängige Bewertung der Leistung eines UV-Systems durch eine unabhängige Stelle anhand eines definierten Protokolls. Dies gibt die Gewissheit, dass ein Produkt, das tut, was es tun soll. Es bietet Käufern und Verkäufern gleiche Voraussetzungen, für den Vergleich konkurrierender Produkte. Die Steuerungsanzeige unserer biovalidierten PQ-Produkte zeigt Ihnen direkt, ob Sie die Auslegungsdosis erreichen. Ein in die Steuerung integrierten, validierter Algorithmus visualisiert den Behandlungserfolg.
Validierungen, die in regulierten Umgebungen, wie z.B. Trinkwasser, eingesetzt werden, sind auf zusätzliche Sicherheit ausgelegt. Sie schreiben oft Methoden für den Umgang mit realen Unsicherheiten vor, z.B. die Messtoleranz von Messgeräten, statistische Schwankungen bei der Probenahme oder die Empfindlichkeit von Mikroorganismen. Daher werden zu den Ergebnissen des Bioassays Validierungsfaktoren hinzugefügt, um Unsicherheiten zu berücksichtigen.
Validierte Anlagen sind daher oft höherpreisig als nicht validierte Systeme. Zu den erheblichen Kosten für die Durchführung der Validierung, kommen auch Kosten aufgrund der zusätzlichen Leistung hinzu, die erforderlich ist, um sicherzustellen, dass die Unsicherheiten berücksichtigt sind.
Validierungsprotokolle:
Eine Validierung basiert auf dem „UV-Design Guidance Manual“ der US EPA (U.S. Environmental Protection Agency). Es ist für Trinkwasseranwendungen vorgesehen, wird aber oft auch in anderen Bereichen angewendet, da es eine der umfassendsten verfügbaren Validierungen ist. Sie bietet eine Leistungsqualifizierung gegen eine Reihe von Mikroorganismen, einschließlich chlorresistenter Organismen wie Cryptosporidium und Giardia. Es beinhaltet auch für die Reduzierung von Viren. Dieses Validierungsprotokoll bietet eine Methodik zur Festlegung einer bestimmte UV-Dosis, um bestimmte Zielorganismen zu bekämpfen.
Die Validierung des DVGW ist eine strengere "Zertifizierung", die die Betriebsbedingungen vorschreibt, unter denen die UV-Anlage eine Dosis von 40 mJ/cm² zur Bekämpfung von Bacillus subtilis liefert. Die Systeme lösen Alarm aus, wenn der Dosissollwert unter diese 40 mJ/cm² sinkt. Dies ist ein robuster und einfacher Ansatz, bietet aber weniger Flexibilität zur Optimierung des Designs gegen verschiedene Zielorganismen.
NWRI, ist eine Abwasser- und Wiederverwendungsvalidierung, bei der UV auf Abwässer nach verschiedenen Stufen der Vorbehandlung wie Sandfilter und Membranen getestet wird. Es dient dem Schutz von Trinkwassereinzugsgebieten, Grundwasserleitern und sensiblen Bewässerungsprojekten wie z. B. Golfplätzen, Skipisten oder in der Landwirtschaft.
Das norwegische Veterinärinstitut NVI reguliert UV-Systeme, die in der Fischzucht in Norwegen und anderen Ländern mit angeglichenen Vorschriften eingesetzt werden. Es bewertet die Leistung von UV-Systemen gegen Fischkrankheitsorganismen auf der Grundlage von Bioassays und erteilt die Zertifizierung nach ausgedehnten Praxistests vor Ort.
NSF/ANSI 61 bescheinigt, dass die Materialien eines UV-Systems für den Kontakt mit Wasser geeignet sind.
NSF/ANSI 50 bescheinigt, dass eine UV-Anlage für den Einsatz in Freizeitwasseranlagen wie Schwimmbädern und Planschbecken geeignet ist. Es bescheinigt außerdem, dass das Produkt die MAHC-Anforderungen (Model Aquatic Health care) erfüllt.
