Promieniowanie UV w technologii wody i ochronie środowiska

Promieniowanie UV jest wykorzystywane w technologii wody i ochronie środowiska do trzech odrębnych zadań: inaktywacji drobnoustrojów, bezpośredniej fotolizy oraz procesów zaawansowanego utleniania. Procesy te przebiegają według różnych mechanizmów i wymagają różnych form dowodu. O projekcie decydują przepuszczalność UV, widmo absorpcji, chemizm wody, czas reakcji oraz natężenie napromienienia dostępne w miejscu obróbki. Ta strona porządkuje procesy według substancji docelowej, zmiennej procesowej i odpowiedniego monitoringu.

Promieniowanie UV w zakresie mniej więcej od 200 do 300 nm jest silnie absorbowane przez kwasy nukleinowe i inaktywuje mikroorganizmy fotochemicznie w samym organizmie docelowym. Pełny mechanizm działania, wraz z zależnościami dawka-odpowiedź, przedstawiono w zasadzie działania dezynfekcji UV.

W technologii wody w grę wchodzą dwa dalsze mechanizmy: fotoliza bezpośrednia, w której sam docelowy związek absorbuje promieniowanie i ulega rozkładowi, oraz zaawansowane procesy utleniania, w których promieniowanie generuje reaktywne cząstki – przede wszystkim rodniki hydroksylowe – które przeprowadzają degradację. Te trzy zadania różnią się wielkością docelową, konstrukcją i sposobem dowodzenia skuteczności:

W sektorze ścieków unijna dyrektywa dotycząca oczyszczania ścieków komunalnych (dyrektywa (UE) 2024/3019) ma bezpośredni wpływ na wybór procesu: zobowiązuje ona większe oczyszczalnie ścieków, etapami, do dodania czwartego stopnia oczyszczania w celu usuwania substancji śladowych i wymienia wśród odpowiednich procesów ozon w połączeniu z UV, nadtlenek wodoru w połączeniu z UV oraz dwutlenek tytanu w połączeniu z UV. Obok redukcji zarazków wymagana jest teraz udokumentowana skuteczność degradacji odniesiona do substancji wskaźnikowych – terminy i wartości progowe przedstawiono w wymaganiach regulacyjnych dla procesów UV.

Trzem opisanym powyżej mechanizmom służą różne źródła promieniowania, które znacząco różnią się widmem, sprawnością elektryczną i charakterystyką pracy.

W przypadku zaawansowanych procesów utleniania (AOP) oraz procesów fotokatalitycznych długość fali musi być dodatkowo dopasowana do zakresu absorpcji utleniacza lub półprzewodnika: nadtlenek wodoru absorbuje w zakresie UV-C i UV-B, natomiast fotokatalitycznie aktywne półprzewodniki, takie jak dwutlenek tytanu, są wzbudzane głównie w zakresie UV-A w okolicy 365 nm – tło tego zagadnienia omawia artykuł Fotokataliza: mechanizm, materiały i metrologia.

• Fluencja lub dawka UV (mJ/cm² lub J/m²): Iloczyn natężenia napromienienia i czasu przebywania decyduje o osiągniętej inaktywacji lub degradacji. Jest to rzeczywista wielkość skuteczna, a nie moc elektryczna lampy.
• Natężenie napromienienia (mW/cm²): Opisuje ono moc fotonów na jednostkę powierzchni w danym miejscu i zmienia się znacznie w obrębie reaktora w zależności od odległości od źródła i lokalnej absorpcji.
• Przepuszczalność UV (UVT, zwykle przy 254 nm, odniesiona do drogi optycznej 1 cm lub 10 mm): Określa ona, jak szybko promieniowanie jest tłumione wraz ze wzrostem długości drogi optycznej, dlatego musi być bezpośrednio uwzględniana przy obliczaniu średniej fluencji w objętości reaktora.
• Rozkład hydraulicznego czasu przebywania: W reaktorach przepływowych nie każda porcja wody otrzymuje ten sam czas przebywania; przepływ preferencyjny prowadzi do niedodawkowania części strumienia, nawet gdy średni czas przebywania wydaje się wystarczający.
• Mętność i zawartość cząstek stałych: Cząstki mogą otaczać mikroorganizmy lub przylegać do nich, chroniąc je tym samym przed promieniowaniem, niezależnie od UVT zmierzonego dla całej wody.
• Rozpuszczony węgiel organiczny, zasadowość, azotany, halogenki: W procesach AOP parametry te działają jako zmiatacze rodników lub konkurencyjne absorbenty i zmieniają użyteczną wydajność rodnikową niezależnie od dostarczonej dawki fotonów.
• Temperatura i pH: Oba parametry wpływają na kinetykę reakcji fotolizy i utleniania, a także na fizjologiczne mechanizmy naprawcze mikroorganizmów po napromieniowaniu.

Moc elektryczna lampy nie jest dawką optyczną. Między mocą elektryczną wejściową a efektywnym promieniowaniem faktycznie docierającym do medium znajduje się kilka etapów konwersji: sprawność elektrooptyczna źródła, ważenie widmowe względem istotnego zakresu efektu, sprzężenie geometryczne z objętością reaktora oraz absorpcja w samym medium. Podwojenie mocy lampy niekoniecznie oznacza więc podwojenie skuteczności inaktywacji.

Sama wartość czasu jest również niewystarczająca, jeśli natężenie napromienienia nie jest stałe w trakcie procesu. Starzejące się lampy, zabrudzone osłony kwarcowe i zmieniająca się mętność wody zmieniają rzeczywiście obecne natężenie napromienienia, tak że ten sam czas ekspozycji w eksploatacji dostarcza inną dawkę niż podczas uruchomienia.

Mętność i asocjacja cząstek są często niedoceniane. Badania dotyczące komórek bakteryjnych związanych z getytem pokazują, że wartości mętności od 1 do 50 NTU mogą już powodować mierzalny efekt ochronny przed inaktywacją UV, ponieważ cząstki osłaniają mikroorganizmy, podczas gdy UVT mierzone we frakcji klarownej wody nie zmienia się odpowiednio. Reprezentatywny pomiar UVT nie musi zatem opisywać dawki rzeczywiście skutecznej w matrycy zawierającej cząstki.

Nie każdy organizm docelowy reaguje na to samo natężenie napromienienia z taką samą wrażliwością. Adenowirusy są uważane za stosunkowo odporne na monochromatyczne promieniowanie 254 nm, ponieważ ich dwuniciowe DNA może zostać naprawione poprzez reaktywację w komórce gospodarza; polichromatyczne promieniowanie lamp średniociśnieniowych często osiąga wyższą inaktywację przy tej samej dawce równoważnej 254 nm, ponieważ dodatkowe długości fali wyzwalają inne mechanizmy uszkodzeń. Dawka zwalidowana dla Escherichia coli nie może więc być przenoszona na inne organizmy docelowe bez weryfikacji.

Inaktywacja niekoniecznie jest trwała po napromieniowaniu. Niektóre bakterie posiadają enzymy fotolizy, które mogą naprawiać uszkodzenia DNA wywołane promieniowaniem UV pod wpływem późniejszej ekspozycji na światło widzialne lub UV-A (fotoreaktywacja); istnieją również niezależne od światła mechanizmy naprawy w ciemności. Promieniowanie średniociśnieniowe zmniejsza aktywność fotolizy silniej niż monochromatyczne promieniowanie niskociśnieniowe, prawdopodobnie poprzez utlenianie kofaktora flawinowego enzymu – efekt istotny przy wyborze źródła światła do zastosowań z późniejszą ekspozycją na światło.

Wreszcie, prawo wzajemności (prawo Bunsena-Roscoe'a), zgodnie z którym ten sam efekt fotochemiczny jest określany przez iloczyn natężenia napromienienia i czasu, obowiązuje w systemach biologicznych jedynie w ograniczonym zakresie. Przy bardzo niskich dawkach fizjologiczna regulacja kompensacyjna może częściowo zrekompensować efekt; odchylenia od prostej równoważności czas-intensywność obserwowano również przy bardzo wysokich lub bardzo niskich natężeniach napromienienia. W przypadku wielu technicznych zastosowań UV do uzdatniania wody w zwykłym zakresie eksploatacji prawo wzajemności obowiązuje w przybliżeniu, co potwierdzają badania nad słoneczną dezynfekcją wody wykazujące porównywalne wskaźniki inaktywacji w pewnym zakresie intensywności (MDPI Water, 2024); nie należy go jednak stosować bez sprawdzenia do warunków skrajnych lub do wszystkich organizmów.

Tłumienie promieniowania w wodzie jest zgodne z prawem Lamberta-Beera i zależy od długości fali: składowe krótkofalowe są na ogół silniej pochłaniane niż te o dłuższej fali. Natężenie napromienienia zmierzone szerokopasmowo przy ścianie reaktora nie opisuje więc widma docierającego na większą głębokość w ośrodku – źródło polichromatyczne staje się w pochłaniającym ośrodku faktycznie innym, przesuniętym widmowo źródłem. W przypadku procesów, których mechanizm zależy od długości fali (takich jak fotoliza nadtlenku wodoru w zakresie UV-C w porównaniu z wzbudzeniem dwutlenku tytanu w zakresie UV-A), rzeczywiście wykorzystywany efekt zmienia się zatem wraz z głębokością reaktora.

Geometria reaktora dodatkowo określa, jaka część objętości w ogóle zostaje osiągnięta z wystarczającym natężeniem napromienienia. Reaktory pierścieniowe, reaktory kanałowe z wieloma rzędami lamp oraz reaktory z odblaskowymi powierzchniami wewnętrznymi wytwarzają różne rozkłady natężenia napromienienia przy tej samej zainstalowanej mocy lamp. Osłony kwarcowe wokół lamp zmniejszają bezpośredni kontakt z wodą, ale w wyniku zanieczyszczenia (osadów kamienia, żelaza lub biofilmu) prowadzą do narastającej w trakcie eksploatacji, zależnej od długości fali utraty przepuszczalności, która bez ciągłego monitorowania może pozostać niezauważona.

Energia pojedynczego fotonu wynika ze wzoru E = h · c / λ, gdzie h to stała Plancka, c to prędkość światła, a λ to długość fali. Przy 254 nm wynosi ona w przybliżeniu 4,88 eV, czyli około 471 kJ/mol w odniesieniu do jednego mola fotonów. Energia ta wyraźnie przewyższa energię dysocjacji wiązania O–O w nadtlenku wodoru (najczęściej podawaną w literaturze na poziomie około 210 kJ/mol), dzięki czemu pojedynczy zaabsorbowany foton o długości fali 254 nm wystarcza do homolitycznego rozszczepienia H₂O₂ na dwa rodniki hydroksylowe – co stanowi podstawę procesu zaawansowanego utleniania UV/H₂O₂.

Do wzorcowania źródeł UV w zakresie germicydowym ugruntowała się aktynometria chemiczna oparta na jodku potasu i jodanie potasu (Rahn, Photochemistry and Photobiology, 1997). Wydajność kwantowa tej reakcji wynosi około 0,75 ± 0,03 przy 254 nm i może być korygowana ze względu na stężenie jodku oraz temperaturę; roztwór ten pochłania niemal wszystkie długości fali poniżej 290 nm, pozostając optycznie przezroczysty powyżej 330 nm, co czyni go dobrze dostosowanym do wyznaczania napromienienia padającego ze źródła niskociśnieniowego rtęciowego, którego emisja w ponad 85% przypada na 254 nm. Pomiary aktynometryczne służą w praktyce jako niezależna kontrola odczytów fizycznych radiometrów, ponieważ ujmują fotochemicznie skuteczne napromienienie poprzez znaną reakcję, a nie skalibrowaną odpowiedź czujnika.

W praktyce regulacyjnej rzeczywista skuteczność reaktora UV nie jest wyznaczana wyłącznie na podstawie obliczeń z natężenia napromienienia i czasu przebywania, lecz walidowana za pomocą Dawki Równoważnej Redukcji (RED): organizm zastępczy o znanej zależności dawka-odpowiedź, wzorcowany w reaktorze laboratoryjnym, jest przepuszczany przez badany reaktor; skuteczne napromienienie w reaktorze wyznacza się na podstawie zmierzonej inaktywacji. Metoda ta w sposób pośredni uwzględnia rzeczywisty rozkład natężenia napromienienia, przepływy skrócone oraz efekty geometryczne, których nie da się uchwycić w czysto obliczeniowym oszacowaniu. Wymagane do tego wzorcowanie zależności dawka-odpowiedź organizmu zastępczego odbywa się w zdefiniowanej geometrii próbki w komorach napromieniowania, przy zakończeniu ekspozycji sterowanym dawką, a nie czasem, na przykład za pomocą UV-MAT.

1. Założenia. Przekrój reaktora o długości drogi optycznej 10 cm jest przepływany przez wodę o transmitancji UV wynoszącej 90 procent na centymetr (UVT₁cm = 0,90 przy 254 nm). Na wlocie wody występuje natężenie napromienienia 10 mW/cm². Wymagana jest dawka 40 mJ/cm² (co odpowiada 400 J/m², minimalnej wartości wymaganej w Niemczech dla zatwierdzonych instalacji UV do dezynfekcji wody pitnej, odniesionej do Bacillus subtilis przy 254 nm).

2. Model. Dziesiętny współczynnik absorpcji wynika z a = −lg(T) / 1 cm = 0,0458 cm⁻¹. Natężenie napromienienia uśrednione na długości drogi L wynika z całkowania prawa Lamberta-Beera: Ē = E₀ · (1 − 10^(−a·L)) / (a · L · ln 10).

3. Obliczenie. Przy a·L = 0,458, 10^(−a·L) = 0,348; zatem Ē = 10 mW/cm² · (1 − 0,348) / (0,458 · 2,303) ≈ 6,2 mW/cm². Wymagany czas naświetlania dla docelowej dawki wynosi t = 40 mJ/cm² / 6,2 mW/cm² ≈ 6,5 s.

4. Wynik. Gdyby natomiast obliczenie oparto na wartości wlotowej 10 mW/cm² bez uwzględnienia absorpcji, dałoby to (zbyt krótki) czas naświetlania wynoszący zaledwie 4 s. W tym czasie dawka rzeczywiście osiągnięta średnio na całym przekroju wyniosłaby jedynie około 25 mJ/cm² – czyli o około 38 procent poniżej wymaganej wartości.

5. Interpretacja techniczna. Przykład ten pokazuje, dlaczego natężenie napromienienia zmierzone po stronie wlotu, bez znajomości UVT i długości drogi optycznej, prowadzi do systematycznego zawyżenia efektywnej dawki. W praktyce ryzyko to jest ograniczane poprzez sterowanie dawką z uwzględnieniem UVT oraz walidację opartą na RED, a nie poprzez jednorazowe obliczeniowe zaprojektowanie.

Transmisja UV medium przelicza się w obu kierunkach: zmierzona transmisja daje absorbancję i odwrotnie. W przypadku kilku warstw lub okien w torze wiązki ich transmisje mnożą się. Szczegółowe informacje w kalkulatorze transmisji i gęstości optycznej.

Publiczne zaopatrzenie w wodę pitną: Dezynfekcja UV uzupełnia procesy chemiczne lub, w połączeniu z pozostałościowym środkiem dezynfekującym, zastępuje je, ponieważ działa bez dodawania chemikaliów i jest skuteczna wobec odpornych na chlor pierwotniaków, takich jak Cryptosporidium i Giardia. Kluczowym czynnikiem jest tutaj ciągłe utrzymywanie minimalnej dawki wymaganej przez krajowe przepisy przez cały czas eksploatacji, uwzględniając starzenie się lamp i zanieczyszczenie.

Komunalne oczyszczanie ścieków i czwarty stopień oczyszczania: Oprócz klasycznej dezynfekcji ścieków oczyszczonych, UV w połączeniu z nadtlenkiem wodoru lub ozonem zyskuje na znaczeniu jako element usuwania mikrozanieczyszczeń wymaganego przez dyrektywę UE w sprawie oczyszczania ścieków komunalnych. Istotna jest tu nie tyle czysta dawka inaktywacji, ile fluencja AOP odniesiona do zmierzonej redukcji stężenia zdefiniowanych substancji wskaźnikowych, w warunkach rzeczywistej matrycy obciążonej materią organiczną.

Ponowne wykorzystanie wody: Przy uzdatnianiu oczyszczonych ścieków do wody nawadniającej lub procesowej, UV jest często łączone z chlorem lub nadtlenkiem (UV/Cl₂, UV/H₂O₂), aby jednocześnie spełnić wymagania mikrobiologiczne i chemiczne. Silniej wahająca się i na ogół niższa wartość UVT tych matryc sprawia, że szczególnie ważne jest ciągłe monitorowanie transmitancji.

Przemysłowa woda procesowa (produkcja półprzewodników, farmacja, żywność i napoje): Przy uzdatnianiu wody ultraczystej, UV o długości fali 185 nm dodatkowo służy fotochemicznemu rozkładowi całkowitego węgla organicznego, natomiast przy 254 nm priorytetem jest kontrola mikrobiologiczna. Kluczowym czynnikiem jest tu ścisła specyfikacja dopuszczalnej resztkowej liczby drobnoustrojów i śladowych substancji organicznych, co wymaga znacznie bardziej rygorystycznego reżimu procesowego niż w komunalnym zaopatrzeniu w wodę.

Baseny i wody rekreacyjne: UV zmniejsza powstawanie produktów ubocznych chlorowania poprzez obniżenie wymaganego nadmiaru chloru; istotnym parametrem procesowym jest połączenie dawki UV i stężenia pozostałościowego środka dezynfekującego, a nie sama dawka UV.

Akwakultura i uzdatnianie wody balastowej: Obie aplikacje wymagają wysokich natężeń przepływu przy silnie wahającej się, często niskiej wartości UVT z powodu obciążenia organicznego i zasolenia; międzynarodowe przepisy, takie jak Konwencja IMO o zarządzaniu wodami balastowymi, wymagają wykazania określonych wskaźników redukcji organizmów w różnych klasach wielkości, co czyni koniecznym walidację biologiczną specyficzną dla danego zastosowania, a nie wyłącznie obliczenie dawki fizycznej.

W przypadku silnie mętnych lub barwnych mediów o wartościach UVT znacznie poniżej 80%, klasyczne obliczenia projektowe osiągają swoje granice, ponieważ efektywna droga optyczna ulega znacznemu skróceniu, a nawet niewielkie wahania mętności powodują nieproporcjonalną zmianę dawki efektywnej; powszechnie stosuje się tu krótsze przekroje reaktora, wyższe zainstalowane gęstości mocy oraz gęstą siatkę monitorowania UVT. W przypadku instalacji o silnie przerywanym lub bardzo niskim przepływie, systemy UV-LED oferują przewagę nad lampami rtęciowymi, które zazwyczaj wymagają fazy rozgrzewania i szybciej się starzeją przy częstym przełączaniu, dzięki natychmiastowej dostępności bez czasu rozgrzewania; należy jednak zapewnić, aby podczas przerw w pracy żadna nienapromieniowana woda nie mogła ominąć reaktora. Przy bardzo wysokich przepływach, np. w uzdatnianiu wód balastowych, często stosuje się wiele równolegle lub szeregowo połączonych jednostek reaktorowych z lampami średniociśnieniowymi, aby osiągnąć wymaganą fluencję pomimo krótkiego czasu przebywania. W przypadku specjalnych zastosowań związanych z powierzchnią i cienkimi warstwami, coraz częściej badane są źródła ekscimerowe far-UVC o długości fali około 222 nm; ich niewielka głębokość penetracji jest przeważnie niekorzystna dla zastosowań objętościowych w wodzie, ale może być celowo wykorzystywana do cienkich warstw lub obróbki powierzchni.

Punktem wyjścia dla każdego zadania pomiarowego jest to, jaka wielkość fizyczna jest w rzeczywistości potrzebna do oceny procesu. Przy projektowaniu i uruchamianiu reaktora istotne jest natężenie napromienienia ważone w zakresie efektu germicydalnego lub fotolitycznego w kilku reprezentatywnych pozycjach na przekroju przepływu, a nie w pojedynczym punkcie pomiarowym przy ścianie reaktora. Podczas bieżącej eksploatacji dodatkowo trzeba w sposób ciągły rejestrować przepuszczalność UV przepływającego medium, ponieważ zmienia się ona wraz z jakością wody surowej i wstępnym uzdatnianiem.

Pomiar szerokopasmowy jest wystarczający, gdy źródło jest widmowo znane i stabilne, jak w przypadku monochromatycznych lamp niskociśnieniowych, oraz gdy nie oczekuje się przesunięcia widmowego w okresie eksploatacji. Pomiar widmowy staje się konieczny, gdy stosowane są źródła polichromatyczne (lampy średniociśnieniowe), diody UV-LED o zależnych od producenta szczytowych długościach fali różniących się w pewnym zakresie, lub procesy z mechanizmem specyficznym dla danej długości fali (AOP, fotokataliza), a także zawsze wtedy, gdy trzeba dokumentować zmiany widmowe w trakcie trwałości lamp. Wymagania dotyczące czujników online do jakości wody, w tym czas odpowiedzi, liniowość i powtarzalność, są zasadniczo opisane w normie ISO 15839 i stanowią również ramy dla testowania czujników specyficznych dla UV (ISO 15839). Decyzję tę wspiera przegląd wyboru czujników UV według zakresu widmowego i geometrii pomiaru oraz informacja o tym, jak wewnętrznie działają czujniki UV.

W większych instalacjach natężenie napromienienia nie jest już sprawdzane jedynie punktowo, lecz w sposób ciągły zintegrowane z systemem sterowania instalacją. Regulacja dawki w czasie rzeczywistym dostosowuje moc lamp lub natężenie przepływu do zmierzonej przepuszczalności UV i natężenia napromienienia, tak że gdy przepuszczalność wody spada, moc zainstalowana jest automatycznie zwiększana lub przepływ jest dławiony, aby utrzymać wymaganą dawkę minimalną. Takie podejście zastępuje wcześniej powszechne statyczne projektowanie na najgorszy przypadek eksploatacyjny dynamiczną regulacją zorientowaną na stan rzeczywisty, zmniejszając zarówno ryzyko niedodawkowania, jak i średni wkład energii.

Istotne z punktu widzenia bezpieczeństwa jest powiązanie wartości czujników z logiką alarmową i wyłączającą: jeśli zmierzone natężenie napromienienia spadnie poniżej określonego progu, instalacja musi automatycznie zablokować dany strumień wody lub przełączyć się w bezpieczny tryb pracy, zgodnie z zasadą opisaną w normach takich jak wytyczna DVGW W 294-1 (wytyczna DVGW W 294-1). Cyfrowe interfejsy czujników dodatkowo umożliwiają przekazywanie do systemu sterowania statusu wzorcowania i typu czujnika, dzięki czemu niezauważony dryft czujnika lub upłynięcie terminu wzorcowania są rozpoznawane jako odrębna przyczyna usterki, zamiast być błędnie interpretowane jako odchylenie procesowe. Takie sprzężenie zwrotne jest warunkiem koncepcji konserwacji predykcyjnej, w której wymiana lamp i czyszczenie osłon kwarcowych są planowane na podstawie zmierzonego spadku wydajności, a nie stałego interwału.

Do tych zadań w zastosowaniach laboratoryjnych i procesowych nadają się radiometry z czujnikiem dopasowanym do danego procesu, takie jak RMD Pro. Tam, gdzie konieczna jest charakteryzacja źródeł polichromatycznych lub śledzenie zmian widmowych w trakcie trwałości lamp, odpowiedni jest spektroradiometr, taki jak SR900, obejmujący zakres od 200 do 1100 nm. W instalacjach technicznych bieżący monitoring przejmują na stałe zainstalowane czujniki cyfrowe, takie jak PLC.D, które dodatkowo przekazują do systemu sterowania instalacją typ czujnika i status wzorcowania obok wartości pomiarowej.

Wraz z diodami UV LED o dowolnie wybieranych szczytowych długościach fali ocena odniesiona wyłącznie do 254 nm traci ogólną ważność. Recenzowane ramy opracowane przez International Ultraviolet Association zalecają zatem, aby nie odnosić już wskaźników dezynfekcji wyłącznie do 254 nm, stosować czujniki ważone germicydalnie oraz w trybie przerywanym konkretnie sprawdzać, czy nienapromieniowana woda może przejść przez reaktor podczas opóźnienia włączenia (IUVA Task Force, 2023).

W ramach tematu Technika wodna i środowiskowa wyszukiwarka publikacji zawiera obecnie ponad 20 artykułów. Poniższe sześć pokazuje, co ma znaczenie w praktyce dla fotolizy i zaawansowanych procesów utleniania: efekty matrycy, konstrukcję reaktora oraz ocenę tego, co pozostaje w wodzie po oczyszczaniu.

Badanie dotyczące membrany mikrofiltracyjnej pokrytej TiO2 pokazuje na przykładzie hormonów steroidowych, jak silnie obciążenie tłem organicznym spowalnia degradację fotokatalityczną.

Influence of organic matter on the photocatalytic degradation of steroid hormones by TiO2-coated polyethersulfone microfiltration membrane. Liu, Siqi, Pattabhiramayya C. Edara, and Andrea I. Schäfer. Water Research 245 (2023): 120438. ScienceDirect

Badanie porównawcze zestawia obok siebie adsorpcję, fotolizę i zaawansowane utlenianie dla tego samego związku czynnego oraz klasyfikuje kinetykę i ścieżki reakcji.

The fate of aqueous betrixaban during adsorption, photolysis, and advanced oxidation: Removal, kinetics, and reaction mechanisms. Jasemizad, Tahereh, Lev Bromberg, and Lokesh P. Padhye. Journal of Water Process Engineering 44 (2021): 102430. ScienceDirect

Dwa artykuły dotyczące trójpierścieniowych leków przeciwdepresyjnych szczegółowo badają produkty fototransformacji oraz ich zależność od pH, stężenia i temperatury, a także ich biodegradowalność i toksyczność.

Initial fate assessment of teratogenic drug trimipramine and its photo-transformation products – Role of pH, concentration and temperature. Khaleel, Nareman DH, et al. Water Research 108 (2017): 197–211. ScienceDirect

UV-photodegradation of desipramine: impact of concentration, pH and temperature on formation of products including their biodegradability and toxicity. Khaleel, Nareman DH, et al. Science of The Total Environment 566 (2016): 826–840. ScienceDirect

Artykuł dotyczący ciągłego, przepływowego, strukturalnego reaktora opisuje typ reaktora do fotochemicznego rozkładu rozpuszczonych zanieczyszczeń w warunkach przepływu.

A new continuous flow-through structured reactor for the photodegradation of aqueous contaminants. Fernandez-Perez, Amparo, et al. Journal of Environmental Chemical Engineering 6.4 (2018): 4070–4077. ScienceDirect

Badanie dotyczące usuwania leku cytostatycznego łączy zaawansowane utlenianie z późniejszymi testami tlenowej biodegradowalności i toksyczności, pokazując, że sam spadek stężenia początkowego nie jest wystarczającym kryterium oceny.

Removal of the anti-cancer drug methotrexate from water by advanced oxidation processes: Aerobic biodegradation and toxicity studies after treatment. Lutterbeck, Carlos Alexandre, et al. Chemosphere 141 (2015): 290–296. ScienceDirect

Dalsze przykłady zastosowań według obszarów tematycznych znajdują się w przeglądzie Publikacje klientów – według tematu.

• DVGW Niemieckie Zrzeszenie Techniczno-Naukowe Gazownictwa i Wodociągów, wytyczna W 294-1 (grudzień 2023): Planowanie, eksploatacja i monitorowanie instalacji dezynfekcji UV w zaopatrzeniu w wodę. DVGW
• DIN EN 14897 / DIN 19294-1: normy dotyczące urządzeń UV do dezynfekcji wody pitnej wewnątrz budynków oraz w centralnym uzdatnianiu wody. DIN Media
• Agencja Ochrony Środowiska Stanów Zjednoczonych, Ultraviolet Disinfection Guidance Manual for the Final Long Term 2 Enhanced Surface Water Treatment Rule (2006). US EPA
• Międzynarodowa Organizacja Normalizacyjna, ISO 15839:2003 (EN ISO 15839:2006): Jakość wody – czujniki/aparatura analityczna online do wody – Specyfikacje i badania działania. ISO
• Grupa zadaniowa Międzynarodowego Zrzeszenia Ultrafioletu (IUVA), „Considerations for determining the performance of ultraviolet light emitting diode (UV-LED) water disinfection systems", Water Environment Research 95 (2023). PubMed
• Parlament Europejski i Rada Unii Europejskiej, Dyrektywa (UE) 2024/3019 dotycząca oczyszczania ścieków komunalnych (przekształcenie), w szczególności artykuł 8 dotyczący czwartego etapu oczyszczania. EUR-Lex
• Pełny przegląd obowiązujących przepisów dotyczących UV w podziale na kraje i typy lamp znajduje się w Wytyczne, Standardy i Normy w zakresie UV.

Jak fizycznie działa dezynfekcja wody promieniowaniem UV?
Promieniowanie UV o długości fali około 254 nm jest absorbowane przez kwasy nukleinowe drobnoustrojów i generuje w nich fotoprodukty, głównie dimery pirymidynowe, które uniemożliwiają replikację i transkrypcję. Drobnoustroje zostają w ten sposób inaktywowane pod względem zdolności do rozmnażania, a nie rozłożone chemicznie. Liczy się całkowita pochłonięta fluencja, a nie sam czas ekspozycji.

Jaka dawka UV jest wymagana do dezynfekcji wody pitnej?
W Niemczech zatwierdzone instalacje UV muszą osiągać minimalną skuteczność dezynfekcji na poziomie 400 J/m² (40 mJ/cm²), odniesioną do Bacillus subtilis przy 254 nm. Na arenie międzynarodowej wymagania często opierają się na dawce równoważnej redukcji (Reduction Equivalent Dose) dla Cryptosporidium, Giardia i wirusów, która zmienia się w zależności od organizmu docelowego i wymaganej redukcji logarytmicznej.

Czym różni się dezynfekcja UV od zaawansowanych procesów utleniania?
W dezynfekcji promieniowanie działa bezpośrednio na kwasy nukleinowe organizmów docelowych. W zaawansowanych procesach utleniania dodatkowy utleniacz, taki jak nadtlenek wodoru, ulega rozszczepieniu fotolitycznemu, w wyniku czego powstają rodniki hydroksylowe, które nieselektywnie utleniają rozpuszczone substancje organiczne. Oba procesy wykorzystują to samo źródło promieniowania, lecz różne mechanizmy i wielkości docelowe.

Dlaczego moc elektryczna lampy nie jest wystarczającą miarą skuteczności dezynfekcji?
Pomiędzy mocą elektryczną a efektywną fluencją znajdują się: sprawność elektrooptyczna źródła, przydatność widmowa dla danego mechanizmu docelowego oraz absorpcja w medium. Te etapy konwersji nie są stałe i zmieniają się wraz z wiekiem lampy, zabrudzeniem oraz jakością wody, dzięki czemu ta sama moc elektryczna może dawać różne rzeczywiste dawki. Dlaczego moc znamionowa co do zasady nie jest wielkością mierzalną, wyjaśniono w części wielkości radiometryczne.

Jak weryfikuje się dawkę UV w reaktorze przepływowym?
Za pomocą biodozymetrii: równoważna redukcyjnie fluencja jest wyznaczana na podstawie faktycznie osiągniętej inaktywacji organizmu testowego, a nie na podstawie obliczeń. Które przepisy wymagają jakiego dowodu i jaką rolę odgrywa w tym umiejscowienie czujnika, opisano w części walidacja reaktorów UV.

Jaką rolę odgrywa mętność w dezynfekcji UV?
Cząstki mogą otaczać drobnoustroje lub przylegać do nich, tym samym osłaniając je przed promieniowaniem. Efekt ten może być już znaczący przy mętności rzędu niskich dwucyfrowych wartości NTU i nie jest w pełni uwzględniony przez UVT zmierzone na próbce czystej wody.

Czy diody UV-LED są już równoważną alternatywą dla lamp rtęciowych?
W przypadku małych, pracujących z przerwami instalacji, diody UV-LED oferują zalety dzięki natychmiastowej dostępności i braku rtęci. Pod względem sprawności elektrycznej wciąż ustępują klasycznym lampom niskoprężnym, osiągającym około 35 procent, podczas gdy historycznie mieściły się w zakresie od 1 do 6 procent, choć nowsze, niezależnie zweryfikowane urządzenia przekraczają już 10 procent. Dlatego w przypadku dużych instalacji komunalnych lampy rtęciowe pozostają na razie w większości przypadków rozwiązaniem bardziej ekonomicznym.

Jak w instalacji stale monitoruje się natężenie promieniowania UV?
Na stałe zainstalowane czujniki nieprzerwanie rejestrują natężenie napromienienia oraz, w stosownych przypadkach, transmitancję UV wody. W przypadku spadku poniżej zdefiniowanych progów uruchamiana jest zautomatyzowana logika alarmowa i wyłączająca, przełączająca instalację w bezpieczny tryb pracy. Cyfrowe interfejsy czujników dodatkowo przekazują do systemu sterowania status wzorcowania i typ czujnika, aby odróżnić dryf czujnika od rzeczywistych odchyleń procesowych.

Jak mierzy się UVC w instalacji do dezynfekcji wody?
Za pomocą radiometru urządzeniowego wbudowanego w reaktor, mierzącego natężenie napromienienia w zdefiniowanym punkcie ściany reaktora; wraz z natężeniem przepływu i transmitancją UV wody obliczana jest na tej podstawie fluencja. Czujnik musi być odporny na ciśnienie, ślepy na promieniowanie słoneczne (solar-blind) i wzorcowany względem stosowanego typu lampy. Wymagania dotyczące radiometrów urządzeniowych i wzorcowych określają normy DIN 19294-1 i -3 dla niskiego ciśnienia oraz DIN 19294-2 i -4 dla średniego ciśnienia; DVGW W 294-1:2023-12 obejmuje obecnie wyłącznie planowanie, eksploatację i monitorowanie i nie zawiera już wymagań dotyczących urządzeń. W Austrii obowiązują normy ÖNORM M 5873-1 i -2. Radiometr eksploatacyjny jest regularnie sprawdzany względem radiometru wzorcowego; dodatkowo mierzona jest transmitancja UV przy 254 nm, ponieważ wchodzi ona bezpośrednio do obliczenia fluencji.

Niniejsze zastosowanie jest technicznie ściśle powiązane z sąsiednimi dziedzinami metrologii promieniowania optycznego – na przykład dezynfekcją UV (identyczne mechanizmy poza matrycą wodną, np. dla powietrza i powierzchni), fotokatalizą (wspólne zasady działania reaktorów, fizyka półprzewodników i chemia rodnikowa) oraz fotokatalityczną produkcją wodoru (ta sama chemia międzyfazowa, inna reakcja docelowa). Podstawy fotochemiczne fotolizy oraz procesy utleniania UV przedstawiono w dziale fotochemia. Konkretnie dla wody pitnej, systemy walidacji leżące u podstaw dawki - DIN 19294, ÖNORM M 5873, wytyczne US EPA oraz NSF/ANSI 55 - są porównane w dziale uzdatnianie wody UV.

Między natężeniem napromienienia zmierzonym na ściance reaktora a dawką rzeczywiście efektywną w całej objętości przepływającej cieczy leżą przepuszczalność UV, rozkład czasu przebywania oraz widmowy skład źródła. Każdy, kto chce uzyskać wiarygodną ocenę tych zależności dla konkretnego zastosowania, matrycy lub geometrii reaktora – od charakterystyki widmowej za pomocą SR900 po zgodny z normami pomiar referencyjny za pomocą RMD Pro – może zwrócić się do laboratorium wzorcującego i działu inżynierii aplikacji firmy Opsytec. Skontaktuj się z nami w sprawie Państwa instalacji lub zadania testowego.