استفاده از لامپ UV در تصفیه آب

اشعه ماوراء بنفش (UV) بخشی از نوری است که از خورشید ساطع می شود. طیف فرابنفش فرکانس بالاتری نسبت به نور مرئی و فرکانس پائین تری نسبت به اشعه ایکس دارد. در نتیجه طیف UV دارای طول موج بلندتر از اشعه ایکس و طول موج کوتاهتر از نور مرئی است. ترتیب طیف های مختلف نامبرده از انرژی کم به زیاد، به صورت نور مرئی، اشعه UV و اشعه ایکس-ری می باشد. استفاده از لامپ UV در تصفیه آب به دلیل توانایی میکروب کشی قوی، به عنوان یک روش ماثر جهت گندزدایی شناخته شده است. این اشعه به اندازه کافی پرانرژی و می تواند پیوندهای شیمیایی را شکسته و میکروب ها را از بین ببرد.

اشعه یو وی، آبی که حاوی باکتری ها و ویروس ها باشد را ضد عفونی می کند و می تواند در برابر تک یاخته هایی مانند کیست ژیاردیا لامبلیا یا کریپتوسپوریدیوم اووسیست موثر باشد. سالهاست که به صورت تجاری در صنایع دارویی، آرایشی و بهداشتی، نوشیدنی و الکترونیک از اشعه یو وی به ویژه در اروپا استفاده می شود. این تکنولوژی در ایالات متحده و در اوایل دهه 1900 برای گندزدایی آب آشامیدنی استفاده می‌شد، اما به تدریج به دلیل هزینه‌های عملیاتی بالا، تجهیزات غیرقابل اعتماد و محبوبیت روزافزون ضدعفونی‌سازی با کلر کنار گذاشته شد.

به دلیل مشکلات مربوط به ایمنی استفاده از کلر، گندزدایی با اشعه ماوراء بنفش در سیستم های تصفیه شهری و خانگی مورد استقبال زیادی قرار گرفته است. این استقبال در کشورهای اروپایی با بیش از 2000 واحد اشعه یو وی بیشتر از ایالات متحده با تعداد محدود تری بوده است.

دو دسته از سیستم های ضد عفونی وجود دارد که توسط NSF ( National Science Foundation)تحت استاندارد 55 ، تایید و طبقه بندی شده اند – واحدهای کلاس A و کلاس B.

کلاس A:  این سیستم های تصفیه آب با اشعه ماوراء بنفش باید دارای رتبه بندی «شدت و اشباع» به میزان حداقل 40000 میکرو ثانیه بر سانتی متر مربع باشند. سیستم های نقطه ورود و نقطه مصرف کلاس A که تحت پوشش این استاندارد هستند، برای غیرفعال کردن (کشتن) یا حذف میکروارگانیسم های آب آلوده از جمله باکتری ها، ویروس ها، اووسیست های کریپتوسپوریدیوم و کیست های ژیاردیا طراحی شده اند. سیستم های تحت پوشش این استاندارد برای تصفیه آبی که دارای آلودگی های عمده یا منابعی مانند فاضلاب خام می باشد و همچنین سیستم هایی که برای تبدیل فاضلاب به آب آشامیدنی در نظر گرفته شده اند، مناسب نمی باشند. این سیستم ها صرفا برای گندزدایی از آب های با آلودگی محدود تر و اصطلاحا شفاف در نظر گرفته شده اند.

کلاس B : این سیستم‌های تصفیه آب با اشعه ماوراء بنفش باید دارای درجه «شدت و اشباع» حداقل 16000 µW-sec/cm2 باشند و دارای طرح هایی باشند که به آن‌ها اجازه می‌دهد گندزدایی را برای آب هایی که از قبل ایمن تلقی می شوند، انجام دهند. به عنوان مثال، آب هایی که سطوح بالایی از E. coli نداشته باشند یا دارای تعداد پلیت استاندارد کمتر از 500 کلونی در 1 میلی لیتر باشند. سیستم‌های UV کلاس B استاندارد 55 NSF طوری طراحی شده‌اند که با حداقل دوز کار کنند و فقط برای کاهش میکروارگانیسم‌های غیر بیماری‌زا یا معمولی استفاده شوند. “سیستم های کلاس B یا سیستم های مشابه بدون رتبه بندی، برای ضدعفونی کردن «آب ناسالم میکروبیولوژیکی» در نظر گرفته نشده‌اند.”

بنابراین، انتخاب نوع واحد بستگی به موقعیت، منبع آب و کیفیت آن دارد. میزان دوز اشعه ماوراء بنفش عبور داده شده، تحت تأثیر شفافیت آب است. نوع دستگاه های تصفیه آب به کیفیت آب خام بستگی دارد. هنگامی که کدورت آب 5 NTU یا بیشتر باشد و/یا کل جامدات معلق بیشتر از ppm 10 باشد، تصفیه آب پیش از ورود به سیستم اشعه ماوراء بنفش به شدت توصیه می شود. به طور معمول، توصیه می شود قبل از یک سیستم ضد عفونی UV یک فیلتر 5 تا 20 میکرون نصب کنید.

تصفیه آب دریا چگونه صورت می گیرد؟

اصول استفاده از لامپ UV در تصفیه آب

اشعه ماوراء بنفش دارای سه ناحیه طول موج است: UV-A، UV-B و UV-C، و این امواج کوتاه UV-C است که دارای خواص میکروب کشی و ضدعفونی می باشد. یک لامپ قوسی جیوه ای کم فشار شبیه به لامپ فلورسنت، اشعه UV را در محدوده 254 نانومتر (nm) تولید می کند. نانومتر یک میلیاردیم متر است. این لامپ ها حاوی جیوه عنصری و یک گاز بی اثر مانند آرگون در یک لوله انتقال دهنده اشعه ماوراء بنفش، معمولاً کوارتز (که برخلاف شیشه، برای انتقال اشعه یو وی شفاف محسوب می شود) هستند.

به طور سنتی، اکثر لامپ های UV قوسی جیوه به اصطلاح از نوع “کم فشار” هستند، زیرا آنها در فشار جزئی نسبتاً کم جیوه، فشار کلی بخار کم (حدود 2 میلی بار) و دمای بیرونی پایین (50-100 درجه سانتیگراد) و توان کم کار می کنند. این لامپ ها، تشعشعات UV تقریبا تک رنگ، در طول موج 254 نانومتر ساطع می کنند که در محدوده بهینه برای جذب انرژی UV توسط اسیدهای نوکلئیک (حدود 240-280 نانومتر) قرار دارد. UV پیوندهای موجود در اسیدهای نوکلئیک را می شکند و میکروارگانیسم ها را از بین می برد.

در سال های اخیر تولید لامپ های UV با فشار متوسط که در فشارها، دماها و سطوح با توان بسیار بالاتر کار می کنند و طیف وسیعی از انرژی بالاتر UV با گستره بین 200 تا 320 نانومتر را منتشر می کنند، توسعه یافته و در دسترس عموم قرار گرفته است. با این حال، برای ضدعفونی آب آشامیدنی در سطح مصرف خانگی، لامپ‌ها و سیستم‌های کم فشار UV کافی بوده و حتی به لامپ‌ها و سیستم‌های فشار متوسط ترجیح داده می‌شوند. دلیل این ترجیح آن است که این تجهیزات با قدرت کمتر، دمای کمتر و هزینه کمتر کار می کنند و در عین حال در ضد عفونی کردن آب در مصارف خانگی، بیش از نیاز موثر هستند. دسترسی به منبع برق پایدار و سهل الوصول یک نیاز بنیادی در استفاده از تجهیزات اشعه ماوراء بنفش است. این نیاز به میزان متوسط بوده اما غیرقابل حذف می باشد.

در حالی که اکثر میکروارگانیزم ها در تابشی در محدوده 260 نانومتر تحت تاثیر قرار میگیرند، تابش UV در گستره مناسبی برای فعالیت های میکروبی می باشد. در حال حاضر لامپ های یو-وی ای وجود دارد که با تابش اشعه در محدوده 185 نانومتر، تاثیر مناسبی بر میکروارگانیسم ها و همچنین کل کربن موجود در آب (TOC) دارد. در حدود 95 درصد از اشعه یو وی، قابلیت عبور از پوشش های کوارتزی و نفوذ به داخل آب در سیستم های یو وی معمول دارد. آب همانند یک غشا نازک در اطراف لامپ جریان می یابد. پوشش های کوارتزی برای حفظ دمای ایده آل لامپ در حدود 104 درجه فارنهایت طراحی شده اند.

روش های تصفیه آب کدامند ؟

استفاده از لامپ UV در تصفیه آب چگونه عمل میکند؟

اشعه یو-وی به وسیله نفوذ در DNA سلول های میکروارگانیزم ها و تغییر در آن از طریق ممانعت از تولید مثل، بر میکروارگانیزم ها اثر مینماید. این اشعه در حقیقت موجب حذف ارگانیزمهای داخل آب نمیشود، بلکه تنها موجب کشته شدن یا غیرفعال شدن آن ها میشود.میزان اثرگذاری این پروسه به میزان زمان در معرض اشعه بودن آب و همچنین شدت اشعه لامپ و به همین درجه از اهمیت، چگونگی کیفیت پارامترهای عمومی آب  بستگی دارد. پارامتر مدت زمان در معرض اشعه بودن به صورت واحد میکرووات.ثانیه بر سانتی متر مربع تعریف می شود و دپارتمان سرویس سلامت و انسان آمریکا، میزان 16،000 میکرووات.ثانیه بر سانتیمتر مربع را به عنوان حداقل میزان در معرض گذاری برای سیستم های گندزدایی UV مقرر داشته است.

بیشتر تولید کنندگان لامپ های یو-وی را با شدت 30،000 تا 50،000 میکرووات.ثانیه بر سانتیمتر مربع تولید می نمایند. به طور کلی برای مثال باکتری کلیفرم در شدت 7،000 میکرووات.ثانیه بر سانتی مترمربع تخریب می شود. همچنان که در گذر زمان، شدت اشعه لامپ ها کاهش می یابد، جایگزینی با لامپ های نو و همچنین ایجاد پیش تصفیه فاضلاب مناسب ، کلید موفقیت در استفاده از گندزدای یو-وی می باشند. علاوه بر این سیستم های UV باید مجهز به سیستم هشدار دهنده ای باشند که مصرف کننده این تجهیزات را به هنگام افت شدت اشعه لامپ به زیر محدوده میکروب کشی مطلع نماید. در جدول 1، مدت زمان پرتوافکنی مورد نیاز برای غیرفعال کردن کامل انواع میکروارگانیزم ها  تحت دوز با شدت 30،000 میکرووات.ثانیه بر سانتی مترمربع در طول موج 254 نانو متر ارائه شده است.

استفاده از تجهیزات گندزدایی با یو-وی به تنهایی و در غیاب سایر واحدهای تصفیه، موجب بهبود مزه، بو یا شفافیت آب نمی شود. اشعه UV، روشی بسیار کارا برای از بین بردن میکروارگانیزم ها می باشد، هر چند این خاصیت گندزدایی تنها در هنگام تابش اشعه عمل می نماید. به این معنا که برخلاف کلر زنی، هیچ اثر باقی ماندنی از گندزدایی UV در آب به وجود نمی آید که در صورت باقی ماندن میکروارگانیزم ها پس از واحد UV یا اضافه شدن آن ها در مراحل بعد، قادر به حذف میکروارگانیزم ها باشد. درصد حذف میکروارگانیزم ها به شدت لامپ UV، زمان تماس، کیفیت آب خام و نگهداری مناسب از تجهیزات گندزدایی بستگی دارد.

اگر متریال در پوشش کوارتزی جانمایی شود یا بار ذرات زیادی در آب وجود داشته باشد، شدت یو-وی و اثرگذاری تصفیه آن کاهش می یابد. اگر میزان دوز اعمالی اشعه UV به آب خام کافی باشد، هرگونه پاتوژن ورودی به آب اولیه به وسیله اشعه یو-وی، غیرفعال خواهد شد.

ترتیب کلی مقاومت میکروبی (از حداقل تا حداکثر) و دوزهای مربوط به UV برای غیرفعال سازی گسترده (> 99.9٪) عبارتند از: باکتری های رویشی و انگل های تک یاخته ای Cryptosporidium parvum و Giardia lamblia در دوزهای پایین (1-10 میکروژول بر سانتی متر مربع) و روده ای ویروس ها و اسپورهای باکتریایی در دوزهای بالا (30-150 میکروژول بر سانتی متر مربع). اکثر سیستم‌های ضدعفونی UV لامپ جیوه کم فشار می‌توانند با کیفیت بالا به راحتی دوزهای تابش 50-150 میکروژول بر سانتی متر مربع را در آب به دست آورند و بنابراین، اساساً تمام پاتوژن‌های موجود در آب را به طور مؤثر ضدعفونی می‌کنند.

مقاله کاربرد فناوری نانو در تصفیه آب و فاضلاب به شما کمک میکند با کاربرد فناوری در تصفیه بیشتر آشنا شوید.

توجه: واحدهای این پاراگراف از µW•sec/cm2 به mJ/cm2 تغییر کرده است. هر دو واحد تابش (قدرت/سطح) هستند. 1000 µW•sec/cm2 = 1 mJ/cm2.

با این حال، مواد آلی محلول، مانند مواد آلی طبیعی، برخی از آلاینده‌های معدنی مانند آهن، سولفیت‌ها و نیتریت‌ها و مواد معلق (ذرات یا کدورت)، تابش UV را جذب و یا میکروب‌ها را در برابر اشعه ماوراء بنفش محافظت می‌کنند و در نتیجه دوزهای UV کمتری تحویل می دهند و تاثیر گندزدایی کمتری بر آلودگی های میکروبی ایجاد می نمایند. نگرانی دیگر در مورد ضد عفونی کردن میکروب ها با دوزهای پایین تر اشعه ماوراء بنفش، توانایی باکتری ها و سایر میکروب های سلولی برای ترمیم آسیب های ناشی از اشعه ماوراء بنفش و بازگرداندن حیات میکروبی است، پدیده ای که به عنوان فعال سازی مجدد شناخته می شود.

UV عمدتاً با تغییر شیمیایی اسیدهای نوکلئیک میکروب ها را غیرفعال می کند. با این حال، ضایعات شیمیایی ناشی از اشعه ماوراء بنفش را می توان با مکانیسم های آنزیمی سلولی ترمیم کرد، که برخی از آنها مستقل از نور هستند (ترمیم تاریک) و برخی دیگر نیاز به نور مرئی (ترمیم نوری یا فعال سازی نوری) دارند. بنابراین، دستیابی به گندزدایی بهینه UV آب، مستلزم ارائه دوز UV کافی برای القای سطوح بیشتری از آسیب اسیدنوکلئیک و در نتیجه غلبه بر مکانیسم‌های ترمیم DNA است.

جدول 1-زمان تخمینی تابش برای غیرفعال کردن میکروارگانیسم‌ها در دوز 30000 µW•sec/cm² در طول موج 254 نانومتر

دوزهای غیرفعال کننده برای ژیاردیا و کریپتوسپوریدیوم

میزان دوز UV حاصل از شدت نور ماوراء بنفش (تابش) و زمان نوردهی بر حسب ثانیه (IT) است که بر حسب واحدهای “میکرو وات.ثانیه بر سانتی مترمربع یا میکروژول بر سانتی مترمربع” بیان شده است.IT بیانگر دوز شیمیایی یا ضرب غلظت در زمان می باشد. بر اساس داده های موجود، میکروب ها طیف وسیعی از حساسیت را به UV نشان می دهند. کریپتوسپوریدیوم و ژیاردیا در قیاس با باکتری ها و ویروس ها به UV حساس تر هستند. نتایج مشابهی با استفاده از تابش اشعه ماوراء بنفش کم فشار، فشار متوسط ​​و پالس به دست آمده است و نتیجه آن مشخص کرده است که باید به دنبال یک سیستم ضد عفونی UV کلاس A باشید.

پیش تصفیه سیستم ضدعفونی با UV

قبل از عبور آب از واحد UV، یک واحد فیلتراسیون یا کربن فعال باید قرار داده شود. ذرات معلق، رنگ و کدورت بر انتقال اشعه ماوراء بنفش به میکروارگانیسم ها تأثیر می گذارد و بنابراین برای ضد عفونی موفقیت آمیز باید حذف شوند.

جدول 2-حداکثر میزان آلاینده توصیه شده در آب ورودی به دستگاه تصفیه UV.

واحد گندزدایی با اشعه ماوراء بنفش اغلب آخرین واحد در یک فرایند تصفیه پس از اسمز معکوس، سختی گیری آب، یا فیلتراسیون میباشد. واحد UV باید تا حد امکان نزدیک به محل مصرف آب قرار گیرد، زیرا هر بخشی از سیستم لوله کشی ممکن است به باکتری آلوده شود. توصیه می شود قبل از استفاده اولیه از سیستم UV، کل سیستم لوله کشی با کلر ضد عفونی شود.

تصفیه آب استخر به چه شکل انجام میشود؟

انواع سیستم های گندزدایی استفاده از لامپ UV در تصفیه آب

تجهیزات متداول گندزدایی با UV شامل یک محفظه استوانه ای است که لامپ UV را در امتداد محور مرکزی خود قرار می دهد. یک پوشش کوارتزی، لامپ را می پوشاند. آب به موازات لامپ که به برق نیازمند است، جریان می یابد. یک وسیله کنترل جریان سیال، از عبور سریع آب از کنار لامپ جلوگیری می کند و زمان کافی برای در معرض اشعه بودن آب را تضمین می نماید. مشاهده شده است که جریان آب متلاطم (توربولانت) قرار گرفتن در معرض کامل تر ارگانیسم ها را در برابر اشعه UV فراهم می کند.

محفظه سیستم UV باید از فولاد ضد زنگ باشد تا از هرگونه خوردگی قطعات الکترونیکی محافظت کند. برای اطمینان از عاری بودن آنها از آلاینده، تمام جوش های سیستم باید با پلاسمای ذوب شده و با گاز آرگون تمیز شوند. تفاوت عمده در واحدهای تصفیه UV در ظرفیت و مشخصات است. برخی از آنها مجهز به آشکارسازهای انتشار UV هستند که در زمان نیاز به تمیز کردن دستگاه یا وقتی که منبع نور از کار افتاده است به کاربر هشدار می دهد. این ویژگی برای اطمینان از تامین آب سالم بسیار حائز اهمیت است. سیستم های آشکارسازي که برای اطلاع مصرف کننده، تولید صدا مي‌کند يا جريان آب را قطع می نماید، به چراغ هشدار ارجحيت دارد، خصوصا در شرایطی که مشاهده نور هشدار، به راحتی امکان پذیر نباشد.

تعمیر و نگهداری سیستم استفاده از لامپ UV در تصفیه آب

از آنجایی که اشعه UV باید به داخل جریان آب نفوذ کند تا با رسیدن به میکروارگانیزم ها، آنها را غیرفعال کند، محفظه لامپ باید تمیز نگه داشته شود. محصولات تجاری مختلفی برای شستشوی دستگاه و حذف هر گونه لایه شکل گرفته روی محفظه UV، در دسترس می باشد. محصولاتی با عنوان پاک کننده شبانه سیستم های UV با محلول 0.15 درصد سدیم هیدروسولفیت یا اسید سیتریک به طور موثری چنین رسوب هایی را از بین می برد. همچنین برخی از واحدها دارای برف پاک کن برای کمک به فرآیند تمیز کردن هستند.

سیستم‌های UV برای عملکرد مداوم طراحی شده‌اند و تنها در صورتی که فرایند تصفیه درطی چند روز مورد نیاز نباشد، باید خاموش شوند. چند دقیقه برای گرم کردن لامپ لازم است قبل از اینکه سیستم بعد از خاموش شدن دوباره استفاده شود. علاوه بر این، سیستم لوله کشی خانه باید پس از یک دوره عدم استفاده، به طور کامل شسته شود. هر زمان که سیستم سرویس می شود، کل سیستم لوله کشی باید با مواد شیمیایی مانند کلر ضد عفونی شود، قبل از اینکه برای گندزدایی به سیستم UV تکیه کنید.

لامپ های UV در مدت استفاده، به تدریج کارایی خود را از دست می دهد. لامپ باید به طور منظم تمیز و حداقل سالی یک بار تعویض شود. غیر معمول نیست که یک لامپ جدید، 20 درصد از شدت تابش خود را در 100 ساعت اول کار از دست بدهد، اگرچه این سطح شدت برای چندین هزار ساعت آینده حفظ می شود. همانطور که قبلاً گفته شد، واحدهای مجهز به آشکارسازهای انتشار UV که به درستی کالیبره شده اند، هنگامی که شدت نور به زیر یک سطح معین می رسد، به مالک هشدار می دهند.

آب تصفیه شده باید حداقل در 6 ماه اول استفاده از دستگاه، به صورت ماهانه از نظر باکتری های کلیفرم و هتروتروف کنترل شود. اگر این میکروارگانیزم ها در آب تصفیه شده وجود داشته باشند، باید شدت لامپ مورد بررسی قرار گیرد و کل سیستم لوله کشی به وسیله مواد شیمیایی همچون کلر ضد عفونی شود.

مقاله پیشنهادی: آلودگی آب

مزایای استفاده از لامپ UV در تصفیه آب

• با استفاده از این روش، مواد شیمیایی ای به آب اضافه نمی شود.
• UV از بین برنده باکتری ها و ویروس ها است و چنانچه در طراحی اولیه برخی الزامات دیده شده باشد، ممکن است در برابر ژیاردیا لامبلیا یا کریپتوسپوریدیوم موثر باشد .
• ضدعفونی با اشعه ماوراء بنفش، ماده اضافه ای در آب باقی نمی گذارد.
• حداقل شدت تابش لامپ باید 16000 µwatt•sec/cm² باشد.
• UV اغلب آخرین مرحله در مراحل تصفیه آب است. برای شناخت این مراحل صفحه مراحل تصفیه آب را مطالعه کنید.
• در دستگاه UV باید یک آشکارساز انتشار UV که امکان هشدار صوتی را دارد تعبیه شده باشد تا در صورت ناکافی بودن شدت لامپ به کاربر اطلاع دهد.
• تعمیر و نگهداری و تعویض منظم لامپ ضروری است.

ظرفیت سیستم های استفاده از لامپ UV در تصفیه آب

UV یک “سیستم خطی” و بر اساس “نقطه ورود” است که توانایی گندزدایی از تمام آب موجود در یک واحد مسکونی را دارد. ظرفیت ها از 0.5 تا چند صد گالن در دقیقه میباشد. از آنجایی که باکتری ها ممکن است به وسیله وجود ذرات یا کدورت آب در مقابل اشعه محافظت شوند، ممکن است نیاز به پیش تصفیه برای حذف کدورت باشد. همچنین محدودیتی برای تعداد باکتری های قابل حذف وجود دارد. حداکثر باکتری قابل حذف توسط اشعه یو-وی، 1000 توتال کلیفرم در هر 100 میلی لیتر آب یا 100 فکال کلیفرم در 100 میلی لیتر آب می باشد.

ملاحظات خاص

برای حذف رنگ، کدورت و ذراتی که میکروارگانیسم ها را از نفوذ اشعه ماوراء بنفش محافظت می کنند، استفاده از واحدهای پیش فیلتراسیون لازم است. آبی که حاوی سطوح بالای مواد معدنی است می تواند روی پوشش لامپ را بپوشاند و اثربخشی تصفیه را کاهش دهد. بنابراین، پیش تصفیه با استفاده از یک واحد سختی گیر آب یا سیستم تزریق فسفات ممکن است برای جلوگیری از تجمع مواد معدنی روی لامپ ضروری باشد. جدول 2 حداکثر سطوح مجاز آلاینده های موجود در آب را که به فرایند گندزدایی با اشعه UV آسیب نمی رسانند، نشان میدهد.