Tiểu luận Quá trình công nghệ môi trường Khử trùng bằng tia cực tím

Một nguồn tin cao áp điện ổn định vì điện áp-dòng thấp sẽ dẫn đến một liều tia cực tím thấp hơn; Một khoang làm bằng thép không gỉ hoặc bất kỳ vật liệu khác đục và không bị ăn mòn; Đèn t

TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG

KHOA MÔI TRƯỜNG BẢO HỘ LAO ĐỘNG

MÔN: QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP KHỬ TRÙNG 7

1 TẠI SAO PHẢI KHỬ TRÙNG NƯỚC? 7

2 CÁC PHƯƠNG PHÁP KHỬ TRÙNG NƯỚC THẢI: 7

2.1 Khử trùng bằng các chất oxi hóa mạnh: 7

2.1.1 Khử trùng bằng clo: 7

2.1.2 Khử trùng bằng ozon: 9

2.2 Khử trùng bằng phương pháp vật lý: 10

2.3 Khử trùng bằng phương pháp khác: 10

CHƯƠNG 2: KHỬ TRÙNG BẰNG TIA CỰC TÍM 11

1 LỊCH SỬ TIA CỰC TÍM TRONG KHỬ TRÙNG NƯỚC: 11

2 CẤU TẠO, CƠ CHẾ LÀM VIỆC VÀ ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA KHỬ TRÙNG TIA CỰC TÍM: 12

2.1 Cấu tạo: 12

2.2 Cơ chế làm việc: 13

2.3 Các loại nguồn ánh sáng trong khử trùng tia cực tím: 16

2.3.1 Đèn Lp-Li: 17

2.3.2 Đèn Lp-Hi và Mp-Hi: 18

3 HỆ ÁNH SÁNG VÀ TRUYỀN DẪN TIA CỰC TÍM: 19

3.1 Bản chất của đèn tia cực tím: 19

3.2 Sự truyền của đèn tia cực tím: 19

3.2.1 Hấp thụ: 20

3.2.2 Khúc xạ: 20

3.2.3 Phản xạ: 21

3.2.4 Tán xạ: 22

4 PHẢN ỨNG VI CỦA SINH VẬT VỚI ĐÈN TIA CỰC TÍM: 22

4.1 Cơ chế bất hoạt vi khuẩn bởi tia cực tím: 23

4.2 Sự phục hồi của vi khuẩn: 25

4.2.1 Khắc phục quang học: 25

4.2.2 Khắc phục không ánh sáng: 26

5 CƯỜNG ĐỘ TIA CỰC TÍM, LIỀU LƯỢNG TIA CỰC TÍM, VÀ LIỀU LƯỢNG PHÂN PHỐI TIA CỰC TÍM: 27

5.1 Phản ứng vi sinh vật (Liều lượng đáp ứng tia cực tím): 29

5.2 Vi sinh vật quang phổ đáp ứng: 32

6 THIẾT BỊ KHỬ TRÙNG TIA CỰC TÍM: 33

6.1 Cấu hình lò phản ứng tia cực tím: 34

6.2 Đèn tia cực tím: 36

6.2.1 Đèn đầu vào: 40

6.2.2 Đèn đầu ra: 40

6.2.3 Đèn nhạy cảm với chất lượng điện: 42

6.2.4 Đèn bị lão hóa: 43

6.4 Chấn lưu: 45

6.5 Ống đèn: 46

6.6 Hệ thống làm sạch: 48

6.7 Cảm biến tia cực tím: 49

6.8 Phân tích UVT: 50

6.9 Cảm biến nhiệt độ: 52

6.10 Giám sát liều lượng lò phản ứng tia cực tím: 53

7 ẢNH HƯỞNG CHẤT LƯỢNG NƯỚC VÀ SỰ HÌNH THÀNH SẢN PHẨM PHỤ: 54

7.1 Ảnh hưởng của chất lượng nước trên hiệu suất lò phản ứng UV: 54

7.1.1 UVT: 54

7.1.2 Hàm lượng hạt: 54

7.1.3 Quy trình xử lý nước đầu nguồn: 55

7.1.4 Khả năng làm bẩn: 57

7.1.5 Sự xuất hiện và tăng trưởng tảo: 58

7.2 Giảm thiểu clo thông qua lò phản ứng tia cực tím: 59

7.3 Sản phẩm phụ từ khử trùng tia cực tím: 59

7.3.1 Trihalomethanes, axit haloacetic, và Tổng Halogenua hữu cơ: 60

7.3.2 Phân hủy sinh học các hợp chất: 60

7.3.3 Nitrit: 60

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG LHỬ TRÙNG TIA CỰC TÍM TRONG XỬ LÝ NƯỚC 61

1 NHÀ MÁY XỬ LÝ NƯỚC THẢI GOLD BAR Ở EDMONTON, ALBERTA, CANADA: 61

2 NHÀ MÁY XỬ LÝ PHÍA TÂY BẮC BERGEN COUNTY UTILITY AUTHORITYWASTEWATER Ở WALDWICK, WISCONSIN, NEW JERSEY: 61

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1: Cấu tạo một thiết bị khử trùng tia cực tím 12

Hình 2.2 Khoảng bước sóng của tia cực tím 14

Hình 2.3 Cơ chế biến đổi gen của tia cực tím 15

Hình 2.4 Đèn LP, LPHO, MP 17

Hình 2.5 Khúc xạ ánh sáng 21

Hình 2.6 Phản xạ ánh sáng 21

Hình 2.7 Tán xạ của ánh sáng 22

Hình 2.8 Cơ chế bất hoạt Acid nucleic của tia cực tím 23

Hình 2.9 Phân phối giả định liều cho hai lò phản ứng với khác biệt của thủy lực 24

Hình 2.10 Phân phối giả định liều cho hai lò phản ứng với các khác biệt của thủy lực 28

Hình 2.11 Hình dạng của tia cực tím Những đường cong Liều lượng-đáp ứng 30

Hình 2.12 So sánh các hoạt động tia cực tím của vi khuẩn và hấp thụ tia cực tím của DNA 33 Hình 2.13 Ví dụ về thiết bị khử trùng tia cực tím 34

Hình 2.14 Ví dụ về các lò phản ứng tia cực tím: (a) kênh đóng và (b) kênh mở 35

Hình 2.15 Xây dựng một đèn tia cực tím 39

Hình 2.16 Đầu ra của đèn hơi thủy ngân LP (a) và MP (b) 41

Hình 2.17 Đầu ra đèn tia cực tím và quan hệ của nó với hấp thụ tia cực tím của DNA 42

Hình 2.18 Giảm đầu ra của tia cực tím (a) LPHO và (b) MP Bóng đèn qua thời gian 44

Hình 2.19 Sự lão hóa đối với một đèn MP 44

Hình 2.20 Đèn tia cực tím bị lão hóa (bên phải) So với một đèn mới tia cực tím (trái) 45

Hình 2.21 UVT của thạch anh có nghĩa là 1 mm dày tại một góc tới gốc tọa độ 47

Hình 2.22 Ví dụ về (a) Cơ hệ thống và Wiper (b) Cơ hoá hệ thống 49

Hình 2.23 Ví dụ về một cảm biến tia cực tím khô, đặt trên một lò phản ứng tia cực tím 50

Hình 2.24 Ví dụ về thiết kế bộ phân tích UVT 52

Hình 2.25 Ví dụ Ảnh hưởng của ozon hóa trên tia cực tím hấp thụ nếu Ozone bị dập tắt Trước khi khử trùng tia cực tím 56

Hình 2.26 Ví dụ Ảnh hưởng của khử trùng tia cực tím lên tổn thất clorine tự do dư 59

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Đặc điểm điển hình đèn khí thủy ngân 37

Bảng 2.2 Ưu điểm hoạt động của đèn khí thủy ngân 38

Bảng 2.3 Các loại khởi động và khởi động lại điển hình cho đèn LPHO và MP 43

Bảng 2.4 So sánh các chấn lưu từ và chấn lưu điện tử 46

CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP KHỬ TRÙNG

1 TẠI SAO PHẢI KHỬ TRÙNG NƯỚC?

Dựa vào sự phân tích ta có thể đưa ra 2 nguyên nhân cần phải khử trùng nước thải

và nước cấp sau đây:

nước thải phải kể đến chỉ tiêu vi sinh

Nước cấp: Ecoli không được tồn tại Coliform < 20MPN/100ml

Nước thải: Coliform : < 5000 MPN/100ml (loại A)< 10000 MPN/100ml (loại B)

 Do trong quá trình xử lý nước cấp và nước thải phải qua nhiều công đoạn khác nhau do đó khả năng gây nhiễm vi sinh là rất cao: khử trùng là một khâu quan trọng cuối cùng trong hệ thống xử lý nước sinh hoạt Sau quá trình xử lý

Song để tiêu diệt hoàn

2 CÁC PHƯƠNG PHÁP KHỬ TRÙNG NƯỚC THẢI:

Hiện nay có nhiều biện pháp khử trùng có hiệu quả:

- Khử trùng bằng các tia vật lý: tia cực tím

- Khử trùng bằng siêu âm

- Khử trùng bằng phương pháp nhiệt

- Khử trùng bằng các ion kim loại nặng

Cách lựa chọn phương pháp phụ thuộc vào:

Khi cho Clo vào trong nước, phản ứng diễn ra như sau:

Hoặc có thể ở dạng phương trình phân li

Cl2 + H2O → H+ + OCl- + Cl-

Khi sử dụng Clorua vôi, phản ứng diễn ra như sau:

-Khả năng diệt trùng của Clo phụ thuộc vào hàm lượng HOCl có trong H2O Nồng

độ HOCl phụ thuộc vào lượng ion H+ trong nước hay phụ thuộc vào pH của nước Khi:

pH = 6 thì HOCl chiếm 99,5% còn OCl- chiếm 0.5%

pH = 7 thì HOCl chiếm 79% còn OCl- chiếm 21%

pH = 8 thì HOCl chiếm 25% còn OCl- chiếm 75%

→ pH càng cao hiệu quả khử trùng càng giảm

Khi cho Clo vào trong nước ngoài việc diệt vi sinh vật, nó còn khử các chất hoà tan

NH2Cl2 =(1/20 –1/25)Cl2

Sau khi qua xử lý (hệ thống xử lý) thì lượng Clo lượng dư: 0.3-0.5mg/l Sao cho đến cuối ống còn 0.05mg/l

Lượng Clo dư đưa vào trong nước phải xác định bằng thực nghiệm Khi thiết kế sơ

bộ có thể lấy như sau : đối với nước thải sau xử lý cơ học là 10mg/l; nước thải sau

xử lý Aeroten không hoàn toàn hay Biophin cao tải là 5mg/l; nước thải xử lý sinh học hoàn toàn là 3mg/l

Khi trong nước có phenol, khử trùng bằng Clo → Clo phenol có mùi rất khó chịu Nên khử bằng NH3 trước khi khử trùng

2.1.2 Khử trùng bằng ozon:

Ôzôn là một chất khí có màu tím ít hòa tan trong nước và rất độc hại đối với con người Ở trong nước, ôzôn phân hủy rất nhanh thành ôxi phân tử và nguyên tử Ôzôn

có tính hoạt hóa mạnh hơn Clo, nên diệt trùng mạnh hơn

Ôzôn được sản xấut bằng cách cho Oxy hoặc không khí đi qua thiết bị phóng lửa điện Để cung cấp đủ lượng ozon cho trạm xử lý nước ta dùng máy phát tia lửa điện

và cho không khí chảy qua Ozon sản xuất ra dễ bị phân hủy thành Oxy do đó phải lắp thiết bị làm lạnh ở máy sản xuất Ozon Có 2 loại máy làm lạnh điện cực:

- Làm lạnh bằng không khí

- Làm lạnhbằng nước

Không có mùi

Làm giảm nhu cầu oxi của nước , giảm chất hữu cơ,

Khử màu, phênol, xianua

Tăng DO

Không có sản phẩm phụ gây độc hại

Tăng vận tốc lắng của hạt lơ lửng

Vốn đầu tư cao

Tiêu tốn năng lượng

Độ hòa tan của Ozon gấp 13 lần của oxy Khi vừa cho vào trong nước khả năng tiệt trùng là rất ít , khi Ozon đã hòa tan đủ liều lượng, ứng với hàm lượng đủ oxy hoá hữu cơ và vi khuẩn trong nước, lúc đó tác dụng khử trùng mạnh nhanh gấp 3100 lần

so với Clo, thời gian tiệt trùng xảy ra trong khoảng 3 – 8 giây

Liều lượng cần thiết cho nước ngầm là 0.75 – 1mg/l; 1.0 – 3.0 mg/l nước mặt; sau

bể lắng 2 trong xử lý nước thải từ 5 – 15mg/l

2.2 Khử trùng bằng phương pháp vật lý:

Tia cực tím là tia bức xạ điện từ có bước sóng khoảng 4 – 400nm Độ dài bước sóng của tia cự tím nằm ngoài vùng phát hiện, nhận biết của mắt thường Dùng tia cực tím để tiệt trùng không làm thay đổi tính chất hóa học và lý học của nước

Tia cực tím tác dụng làm thay đổi DNA của tế bào vi khuẩn, tia cực tím có độ dài bước sóng 254nm, khả năng diệt khuẩn cao nhất Trong các nhà máy xử lý nước thải, dùng đèn thuỷ ngân áp lực thấp để phát tia cực tím, loại đèn này phát ra tia cự tím có bước sóng 253,7nm, bóng đèn đặt trong hộp thủy tinh không hấp phụ tia cực tím, ngăn cách đèn và nước Đèn được lắp thành bộ trong hộp đựng có vách ngăn phân phối để khi nước cảy qua hộp, được trộn đều để cho số lượng vi khuẩn đi qua đèn trong thời gian tiếp xúc ở hộp là cao nhất Lớp nước đi qua đèn có độ dày khoảng 6mm, năng lượng tiêu thụ từ 6000 – 13000mocrowat/s, độ bền 3000 giờ đến

8000 giờ

Tuy nhiên khi sử dụng phương pháp này thì chi phí rất cao Các thực nghiệm gần đây cho thấy nước thải có hàm lượng cặn lơ lửng SS < 50mg/l sau khi đi qua hộp đèn cực tím với tiêu chuẩn năng lượng nêu trên thì nước còn 200 Colifrom/100ml

Khử trùng bằng siêu âm: Dùng dòng siêu âm với cường độ tác dụng lớn sẽ có thể tiêu diệt toàn bộ vi sinh vật trong nước

Khử trùng bằng Ion Bạc : Có thể tiêu diệt phần lớn vi trùng Với 2 – 10g/l ion là có thể tác dụng

CHƯƠNG 2: KHỬ TRÙNG BẰNG TIA CỰC TÍM

1 LỊCH SỬ TIA CỰC TÍM TRONG KHỬ TRÙNG NƯỚC:

Khử trùng tia cực tím là một công nghệ được thành lập hỗ trợ bởi tổ chức nghiên cứu và thực hành cơ bản và áp dụng tại Bắc Mỹ và châu Âu

Năm 1877, Downes và Blunt đã phát hiện ra các tính chất sát trùng của ánh sáng mặt trời

Năm 1901, sự phát triển của đèn thủy ngân là nguồn ánh sáng tia cực tím nhân tạo Năm 1906, sử dụng thạch anh làm vật liệu truyền tia cực tím

Tiếp theo là ứng dụng khử trùng nước uống đầu tiên ở Marseilles, Pháp, vào năm

xỉ 500 và 600 Sau khi các sản phẩm phụ khử trùng clo (DBPS) được phát hiện, khử trùng tia cực tím đã trở thành phổ biến ở Na Uy và Hà Lan với việc lắp đặt đầu tiên xảy ra vào năm 1975 và 1980

Tính đến năm 2000, hơn 400 phương tiện khử trùng tia cực tím trên toàn thế giới đã được dung để xử lý nước uống; các cơ sở tia cực tím thường xử lý các dòng dưới 1 triệu gallon mỗi ngày (USEPA 2000) Từ năm 2000, một số lắp đặt tia cực tím lớn trên khắp Hoa Kỳ đã được xây dựng hoặc hiện đang được thiết kế Lớn nhất trong số các cơ sở này bao gồm một cơ sở 180-MGD hoạt động ở Seattle, Washington, và một cơ sở 2.200-MGD theo thiết kế cho thành phố New York của cơ quan bảo vệ môi trường (Schulz 2004)

Bởi vì độ nhạy cảm của Cryptosporidium với khử trùng tia cực tím và chú trọng trong quy định gần đây về việc kiểm soát Cryptosporidium, số lượng các hệ thống

cấp nước công cộng (PWSS) sử dụng khử trùng tia cực tím dự kiến sẽ tăng đáng kể trong thập kỷ tới

2 CẤU TẠO, CƠ CHẾ LÀM VIỆC VÀ ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA KHỬ TRÙNG TIA CỰC TÍM:

Một nguồn tin cao áp điện ổn định vì điện áp-dòng thấp sẽ dẫn đến một liều tia cực tím thấp hơn;

Một khoang làm bằng thép không gỉ hoặc bất kỳ vật liệu khác đục và không bị ăn mòn;

Đèn tia cực tím được bảo vệ đúng cách bên trong ống thạch anh, giảm bớt cài đặt, thay thế và bảo dưỡng;

Ống thạch anh _ với tốc độ truyền cao đủ để cung cấp năng lượng tia cực tím được sản xuất bằng đèn tia cực tím;

Cơ gạt nước để duy trì truyền tối ưu giữa làm sạch lên kế hoạch và công việc bảo trì;

Bộ cảm biến để giám sát cường độ tia cực tím đi qua các nước những cảm biến cần phải được kết nối với hệ thống báo động để cảnh báo người vận hành trong trường hợp cường độ tia cực tím thấp Người vận hành phải có thể dễ dàng truy cập vào các

bộ cảm biến để lắp đặt cần thiết, thay thế, hiệu chuẩn, và bảo dưỡng;

Kiểm soát an toàn để tắt đèn tia cực tím trong trường hợp mức độ dòng chảy thấp và nhiệt độ đèn cao;

Đánh dấu và báo sáng đèn ra màn hình để cảnh báo người vận hành trong trường hợp lỗi hệ thống

Chấn lưu điện tử

2.2 Cơ chế làm việc:

Ánh sáng tia cực tím được phát hiện như là một phần của quang phổ điện từ của John Ritter năm 1801 (Fleishman, 1996) Ánh sáng tia cực tím nghĩa là bức xạ có bước sóng từ 30 đến 400 nanomet (nm), ngắn hơn so với ánh sáng nhìn thấy Ánh sáng tia cực tím thường được coi là ánh sáng như màu đen vì nó không thể nhìn thấy được bằng mắt thường Quang phổ tia cực tím được chia thành ba phần: UV-A (315-

400 nm), UV-B (280-315 nm) và UV-C (30 - 280) (Thampi, 1988) Tuy nhiên, các tác động có hại của ánh sáng tia cực tím do ánh nắng mặt trời (ví dụ, ung thư da và mắt đục thủy tinh thể) là đặc biệt từ phần UV-C (Fleishman, 1996) Hình 2.2 trình bày một sơ đồ của phổ ánh sáng tia cực tím

Hình 2.2 Khoảng bước sóng của tia cực tím

Khử trùng tia cực tím là một dạng vật chất khử trùng, trái ngược với các hình thức hóa học của clo Một số phân tử, khi chịu sự ánh sáng tia cực tím, sẽ hấp thụ năng lượng của nó Sau khi hấp thu, năng lượng điện tử là đủ để phá vỡ liên kết và thúc đẩy sự hình thành của liên kết mới trong phân tử, để phá hủy Vì lý do này, ánh sáng

UV-C được gọi là phototoxic (ánh sáng độc hại) (Larson và Berenbaum, 1988) Các phân tử quan trọng nhất của các tế bào sống, deoxyribonucleic acid (DNA) và ribonucleic acid (RNA), rất nhạy cảm với phototoxicity (Larson và Berenbaum, 1988) Tác dụng phổ biến nhất của UV-C là sự hình thành của một vòng xyclobutyl giữa hai loại axit nucleic thymine liền kề nằm trên cùng một sợi DNA / RNA, như thể hiện trong hình 2.2 (Voet và Voet, 1995) Cấu trúc kết quả, gọi là thymine dimer, cục bộ làm biến dạng cơ cấu xoắn ốc của phân tử DNA / RNA ngăn chặn sự gắn phù hợp của phức hợp enzyme phiên mã và sao chép Thiệt hại này thường dẫn đến ức chế sự sao chép và nhân rộng của các phân tử di truyền trong tế bào bị ảnh hưởng, dẫn đến cái chết của tế bào đơn lẻ đó (Larson và Berenbaum, 1988)

Hình 2.3 Cơ chế biến đổi gen của tia cực tím

Vi khuẩn, động vật nguyên sinh và vi rút cũng rất nhạy cảm với bức xạ UV-C Tiếp xúc với tia cực tím đủ để các sinh vật đơn bào tử đảm bảo chết, đặc biệt là ở bước sóng tia cực tím của 253,7 nm Một khi điều này được phát hiện, các nhà khoa học

sử dụng các hiệu ứng của ánh sáng tia cực tím để khử trùng Đèn được phát minh có phát ra ánh sáng tia cực tím nhân tạo Các loại đèn được, và vẫn đang được sử dụng

để khử trùng bao bì thực phẩm, cũng như các thực phẩm mà chúng chứa, và thiết bị được sử dụng trong lĩnh vực y tế (Fleishman, 1996) Việc khử trùng nước bằng tia cực tím bắt đầu vào năm 1909 (White, 1992) Tuy nhiên, nó đã được chỉ trong vòng hai mươi năm qua, với nhận thức về những hậu quả sức khỏe và môi trường của việc

sử dụng clo và những cải tiến đáng kể trong thiết kế lò phản ứng tia cực tím và hiệu quả đèn, rằng quy mô đầy đủ khử trùng tia cực tím đầu tiên được xây dựng để sử dụng trong xử lý nước thải ngành công nghiệp (Fahey, 1990) Kể từ đó, hệ thống tia cực tím đang trở nên ngày càng phổ biến hơn, và xu hướng này dự kiến sẽ tiếp tục thông qua thế kỷ này (Fahey, 1990)

2.3 Các loại nguồn ánh sáng trong khử trùng tia cực tím:

Yếu tố quan trọng nhất của hệ thống tia cực tím là nguồn ánh sáng hoặc đèn DNA

và RNA phân tử thể hiện một độ hấp thụ tối đa ánh sáng UV-C giữa 250 và 260 nm (Thampi, 1990) Để tối đa hóa hiệu quả của hệ thống, nguồn sáng phải phát ra ở khoảng bước sóng này Ba loại đèn tia cực tím sẵn có và dễ mua: cường độ thấp áp suất thấp (LP-li), cường độ cao áp suất thấp (lp-hi), và cường độ cao áp suất trung bình (mp-hi) Độ lớn áp suất dùng để chỉ áp lực của khí bên trong đèn Cường độ dùng để chỉ đầu ra năng lượng Sự khác biệt giữa các công nghệ chủ yếu là cường

độ khử trùng phát ra bởi mỗi loại đèn, tương ứng với số lượng đèn cần thiết và kích thước tia cực tím Các loại đèn được lựa chọn sẽ được xác định trên cơ sở từng địa điểm cụ thể

Hình 2.4 Đèn LP, LPHO, MP

2.3.1 Đèn Lp-Li:

Các loại đèn tiết kiệm năng lượng nhất và lâu đời nhất được sử dụng để khử trùng tia cực tím là đèn lp-li Những đèn chứa hơi thủy ngân và khí argon phát ra bức xạ

thích với năng lượng điện tử (Hanzon và Vigilia, 1999) Trong tổng số khí thải từ các loại đèn áp suất thấp / cường độ thấp, khoảng 85% là ở bước sóng 253,7 nm, gần như đạt hiệu quả khử trùng cao nhất Đèn thực tế trông rất giống hình dáng một bóng đèn ống huỳnh quang Đèn huỳnh quang có một lớp phủ phosphor để chuyển đổi năng lượng tia cực tím phát ra từ hơi thủy ngân với ánh sáng nhìn thấy được Đèn tia cực tím được làm bằng thủy tinh thạch anh vì "khả năng truyền tải ánh sáng tia cực tím

Tiêu thụ điện năng của đèn lp-li là khoảng 88 W và kết quả khử trùng là khoảng 20 đến 25% của công suất đèn (Muller, 1999 và Thampi, 1990) Các loại đèn phát ra khoảng 0,2W khử trùng mỗi chiều dài vòng cung cm (W / cm) của năng lượng bức

xạ (Hanzon và Vigilia, 1999) Cường độ của đèn là rất không ổn định trong 100 giờ đầu tiên; vì lý do này, cường độ 100% thường được đo sau 100 giờ đầu tiên sử dụng Giá trị cường độ 100% được cung cấp bởi các nhà sản xuất đèn

Cường độ của đèn tia cực tím bị ảnh hưởng bởi thời gian và nhiệt độ Sau 100 giờ, các bóng đèn sẽ giảm dần cường độ với độ tuổi (Darby et al, 1993.) Các tuổi thọ của đèn là khoảng 13.000 giờ, tương đương năm 1 ½ (Muller, 1999) Trong thời gian hoạt động này cường độ của đèn sẽ giảm xuống khoảng 75% cường độ ban đầu

Nhiệt độ cao hơn hoặc thấp hơn so với tối ưu sẽ giảm cường độ của đèn từ 1% đến 3% mỗi độ (Thampi, 1990) Các chi phí điển hình cho một bóng đèn lp-li là khoảng

$ 45 (Muller, 1999)

2.3.2 Đèn Lp-Hi và Mp-Hi:

Hai công nghệ tia cực tím thương mại sẵn có khác, đèn lp-hi và đèn mp-hi, là sự thay đổi của đèn lp-li ban đầu Cả hai đèn cường độ cao phát ra một bức xạ đa sắc rộng lớn hơn Cường độ cao hơn của chúng cho phép giảm đáng kể trong tổng số đèn cần thiết để khử trùng hiệu quả (Hunter và cộng sự, 1998) Tuy nhiên, do các loại đèn có một lượng đáng kể năng lượng ánh sáng bên ngoài phạm vi khử trùng nên chúng không được coi là hiệu quả như đèn lp-li

Các đèn cường độ cao cho phép giảm đáng kể trong tổng số đèn cần thiết để khử trùng hiệu quả Tuy nhiên,chúng cũng sử dụng một số lượng đáng kể năng lượng phát ra bức xạ bên ngoài phạm vi khử trùng và do đó, ít hiệu quả hơn đèn lp-li Các đèn cường độ cao có thể cho phép máy xử lý nước công suất cao hơn với hiệu quả chi phí khi triển khai khử trùng tia cực tím Máy xử lý nước lớn hơn, mà trước đây đòi hỏi phải có hàng ngàn đèn lp-li, chỉ cần hàng trăm đèn cường độ cao

Đèn lp-hi hoạt động ở áp suất tương tự như đối cường độ thấp Tuy nhiên, phạm vi

đáng kể Tiêu thụ điện năng của đèn lp-hi là khoảng 250 W và kết quả khử trùng là khoảng 13 W / cm Các đèn lp-hi có một đời trung bình khoảng 8.000 giờ (0,9 năm), với cường độ đèn giảm dần Các đèn cường độ cao áp suất thấp có giá khoảng $

185

Các đèn đa sắc cường độ cao áp suất trung bình hoạt động ở nhiệt độ từ 600 đến

trung tại một số đỉnh trên khắp khu vực bước sóng khử trùng Điện năng tiêu thụ đèn này là khoảng 2.800 W Kết quả khử trùng đèn mp-hi là khoảng 16 W/cm, cao hơn

khoảng 80 lần so với đèn lp-li Các loại đèn có tuổi thọ trung bình khoảng 8.000 giờ (0,9 năm) với cường độ giảm dần theo thời gian giá đèn là khoảng $ 225

3 HỆ ÁNH SÁNG VÀ TRUYỀN DẪN TIA CỰC TÍM:

Việc sử dụng ánh sáng tia cực tím để khử trùng nước uống bao gồm (1) tạo ra ánh sáng tia cực tím với các tính chất diệt khuẩn mong muốn và (2) cung cấp (hoặc truyền) ánh sáng để tác nhân gây bệnh Phần này tóm tắt làm thế nào ánh sáng tia cực tím được tạo ra và các điều kiện môi trường có ảnh hưởng đến mang nó đến với các mầm bệnh

3.1 Bản chất của đèn tia cực tím:

Thông thường, đèn tia cực tím được tạo ra bằng cách áp dụng một điện áp trên một hỗn hợp khí, dẫn đến việc phóng của các photon Các bước sóng đặc biệt của ánh sáng phát ra từ việc phóng photon phụ thuộc vào thành phần nguyên tố của khí và mức công suất của đèn Gần như tất cả các loại đèn tia cực tím hiện đang được thiết

kế để xử lý nước sử dụng một hỗn hợp khí có chứa hơi thủy ngân Thủy ngân dạng khí là lợi thế cho các ứng dụng khử trùng tia cực tím bởi vì nó phát ra ánh sáng trong dải bước sóng khử trùng Các khí khác như đèn xenon cũng phát ra ánh sáng trong phạm vi khử trùng

Các đầu ra ánh sáng từ đèn tia cực tím thủy ngân trụ sở phụ thuộc vào nồng độ của các nguyên tử thủy ngân, có liên quan trực tiếp đến áp suất hơi thủy ngân

Trong áp suất thấp (LP) bóng đèn tia cực tím, thủy ngân ở áp suất hơi thấp [gần chân không; 2 x 2 x 10-5 đến 10-3 pounds cho mỗi inch vuông (psi)] và nhiệt độ trung bình [40 độ C (ºC)] sản xuất chủ yếu là đơn sắc (onewavelength) tia tia cực tím ở 253,7 nm

Trong môi trường áp suất trung bình (MP) đèn tia cực tím, áp suất hơi cao hơn

[2-200 psi] và nhiệt độ hoạt động cao hơn (600-900 ºC) được sử dụng để tăng tần số va chạm giữa các nguyên tử thủy ngân, trong đó sản xuất đèn tia cực tím trên một phổ

rộng (đa sắc) với cường độ cao hơn

3.2 Sự truyền của đèn tia cực tím:

Khi ánh sáng tia cực tím lan truyền từ nguồn của nó, nó tương tác với các vật liệu nó gặp thông qua sự hấp thụ, phản xạ, khúc xạ, và tán xạ Trong các ứng dụng khử trùng, những hiện tượng này là kết quả của sự tương tác giữa ánh sáng tia cực tím phát ra và các thành phần lò phản ứng tia cực tím (ví dụ: ống đèn, và các bức tường

lò phản ứng) và cũng là nước được xử lý Khi đánh giá chất lượng nước, hấp thụ tia

cực tím hoặc độ truyền tia cực tím (UVT) là thông số kết hợp hiệu quả của sự hấp thụ và tán xạ Phần này mô tả ngắn gọn cả hai hiện tượng ảnh hưởng đến lan truyền ánh sáng và kỹ thuật đo lường được sử dụng để định lượng độ truyền của đèn tia cực tím

3.2.1 Hấp thụ:

Hấp thụ là sự chuyển đổi của ánh sáng thành các hình thức của năng lượng khi nó đi qua một chất Hấp thụ tia cực tím của một chất thay đổi theo bước sóng (λ) của ánh sáng Các thành phần của một lò phản ứng tia cực tím và nước đi qua tất cả các lò phản ứng hấp thụ ánh sáng tia cực tím mức độ khác nhau, tùy thuộc vào thành phần vật chất của nó Khi ánh sáng tia cực tím được hấp thụ, nó không còn có sẵn để khử trùng các vi sinh vật Không giống như hấp thụ, các hiện tượng khúc xạ, phản xạ, tán xạ và thay đổi hướng của đèn tia cực tím, nhưng ánh sáng tia cực tím vẫn có để khử trùng

Hấp thụ tia cực tím (A) xác định số lượng việc giảm lượng ánh sáng tới khi nó đi qua một mẫu nước trên một khoảng cách hoặc đường dẫn chiều dài quy định Hấp thụ tia cực tím ở bước sóng 254 nm (A254) là một thông số chất lượng nước thường được sử dụng để mô tả khả năng hình thành DBP nước (ví dụ, tính toán hấp thụ tia cực tím cụ thể) Trong các ứng dụng khử trùng tia cực tím, A254 được sử dụng để

đo lượng ánh sáng tia cực tím đi qua nước và tiếp cận các sinh vật mục tiêu A254 được đo bằng cách sử dụng một quang phổ ánh sáng tới với bước sóng 254 nm và thường được đánh dấu trên mỗi centimet (cm-1) cơ sở

3.2.2 Khúc xạ:

Khúc xạ (Hình 2.5) là sự thay đổi theo hướng truyền ánh sáng khi nó đi qua những giao thoa giữa một trung và khác Trong lò phản ứng tia cực tím, khúc xạ xảy ra khi ánh sáng đi từ đèn tia cực tím vào một khoảng không, từ sự chênh lệch không khí vào đèn sleeve, và từ sleeve đèn vào trong nước Sự khúc xạ thay đổi góc độ mà đèn tia cực tím tấn công nhắm mục tiêu đến các mầm bệnh, nhưng làm thế nào sau cùng này tác động đến quá trình khử trùng tia cực tím là chưa biết

Hình 2.6 Phản xạ ánh sáng

3.2.4 Tán xạ:

Tán xạ ánh sáng là sự thay đổi hướng truyền ánh sáng gây ra bởi sự tương tác với một phần tử (Hình 2.7) Các phần tử có thể gây ra tán xạ theo mọi hướng, kể cả đối với các nguồn ánh sáng tới (lại tán xạ) Tán xạ ánh sáng gây ra bởi các hạt nhỏ hơn bước sóng của ánh sáng được gọi là tán xạ Rayleigh Tán xạ Rayleigh phụ thuộc vào bước sóng tỷ lệ nghịch với sức mạnh thứ tư (1 / 4λ) và do đó mạnh hơn ở các bước sóng ngắn hơn Các phần tử lớn hơn bước sóng của ánh sáng tán xạ ánh sáng nhiều hơn trong chiều thuận nhưng cũng gây ra một số tán xạ ngược tương đối độc lập của bước sóng

Hình 2.7 Tán xạ của ánh sáng

4 PHẢN ỨNG VI CỦA SINH VẬT VỚI ĐÈN TIA CỰC TÍM:

Cơ chế khử trùng bằng tia cực tím khác biệt đáng kể với các cơ chế của hóa chất khử trùng như clo và ozone Hóa chất khử trùng bất hoạt vi sinh vật bằng cách tiêu diệt hoặc gây tổn hại cấu trúc tế bào, can thiệp vào quá trình chuyển hóa, và cản trở quá trình tổng hợp và phát triển (Snowball và Hornsey 1988) Ánh sáng tia cực tím bất hoạt vi sinh vật bằng cách gây tổn hại acid nucleic của chúng, do đó ngăn ngừa chúng tái tạo Một vi sinh vật mà không thể tái tạo thì không thể lây nhiễm sang một vật chủ

Điều quan trọng là các thử nghiệm được sử dụng để xác định số lượng vi sinh vật ngừng hoạt động đo lường khả năng của vi sinh vật sinh sản (Jagger 1967) Đối với

vi khuẩn, thử nghiệm đánh giá khả năng của vi sinh vật phân chia và hình thành nhóm Đối với virus, thử nghiệm đánh giá khả năng của vi sinh vật để tạo thành

mảng bám trong tế bào vật chủ Đối với nang sinh vật đơn bào, các thử nghiệm đánh giá khả năng của vi sinh vật nhiễm vào một vật chủ hoặc mô nuôi cấy Thử nghiệm

mà không đo được phản ứng đối với sinh sản có thể dẫn đến thông tin sai lệch về sự bất hoạt của các vi sinh vật sử dụng ánh sáng tia cực tím

Phần này mô tả làm thế nào ánh sáng tia cực tím gây ra bất hoạt vi sinh vật,thảo luận

về vi sinh vật có thể sửa chữa những tổn hại, và giới thiệu khái niệm liều đáp ứng tia cực tím

4.1 Cơ chế bất hoạt vi khuẩn bởi tia cực tím:

Acid nucleic là phân tử chịu trách nhiệm quy định chức năng trao đổi chất và sinh sản của tất cả các hình thức sống Hai hình thức phổ biến nhất của axit nucleic là deoxyribonucleic acid (DNA) và ribonucleic acid (RNA) DNA và RNA bao gồm polyme đơn hoặc kép bao gồm khối xây dựng gọi là nucleotide (Hình 2.8) Trong DNA, nucleotide được phân loại là purines (adenine và guanine) hoặc pyrimidine (thymine và xitozin) Trong RNA, các purin cũng giống như trong DNA, nhưng pyrimidines là uracil và xitozin

Hình 2.8 Cơ chế bất hoạt Acid nucleic của tia cực tím

Như trong hình 2.9, các nucleotide hấp thụ ánh sáng tia cực tím ở bước sóng

200-300 nm Sự hấp thụ tia cực tím của DNA và RNA phản ánh thành phần nucleotide của chúng và có khuynh hướng có một đỉnh điểm gần 260 nm và tối thiểu gần 230

nm

Hình 2.9 Phân phối giả định liều cho hai lò phản ứng với khác biệt của thủy lực

Tất cả các purine và pyrimidine mạnh mẽ hấp thụ ánh sáng tia cực tím, nhưng tỷ lệ thiệt hại tia cực tím gây ra được lớn hơn với pyrimidine (Jagger 1967) Ánh sáng tia cực tím hấp thụ gây ra sáu loại thiệt hại trong pyrimidines của axit nucleic (Setlow

1967, Snowball và Hornsey 1988, Pfeifer 1997) Các thiệt hại khác nhau tùy thuộc vào liều tia cực tím Ba loại sau đây của thiệt hại làm cho vi sinh vật ngừng hoạt động:

pyrimidines liền kề trên DNA hoặc RNA cùng một sợi, và chúng là thiệt hại phổ biến nhất do khử trùng tia cực tím

pyrimidine và hình thức trên các vùng tương tự

 Liên kết chéo Protein-DNA là liên kết hóa trị giữa một protein và một sợi DNA, và chúng có thể quan trọng đối với việc khử trùng các vi sinh vật nhất định

Ba loại khác gây thiệt hại không đóng góp đáng kể vào việc khử trùng tia cực tím: hydrat pyrimidine xảy ra ít thường xuyên hơn dimers, và phá vỡ đơn và đôi sợi và DNA-DNA liên kết chéo chỉ xảy ra ở liều mà một số đơn đặt hàng của các cường độ cao hơn liều thường được sử dụng để khử trùng tia cực tím (Jagger 1967)

Nhị trùng Pyrimidine là hình thức phổ biến nhất của thiệt hại acid nucleic, là 1000 lần có nhiều khả năng xảy ra hơn phá vỡ sợi, DNA-DNA chéoliên kết, và protein-DNA liên kết chéo Trong ba loại nhị trùng pyrimidine có thể có thể hình thành trong DNA (thymine-thymine, cytosinecytosine, và thymine-xitozin), Dimers

thymine-thymine là phổ biến nhất Đối với RNA, bởi vì thymine được không có mặt, uracil-uracil và Dimers xitozin-xitozin được hình thành Vi sinh vật với DNA giàu thymine có xu hướng nhạy cảm hơn với tia cực tím khử trùng (Adler 1966) Nhị trùng Pyrimidine thiệt hại và các hình thức khác của thiệt hại acid nucleic ngăn chặn sự nhân đôi của vi sinh vật Thiệt hại, tuy nhiên, không ngăn cản các chức năng trao đổi chất ở vi sinh vật như hô hấp Liều lượng tia cực tím có khả năng gây thiệt hại về oxy hóa ngăn ngừa sự chuyển hóa tế bào và tiêu diệt các vi sinh vật (tương tự như các thiệt hại gây ra bởi hóa chất khử trùng) là những sắp đặt của các cường độ lớn hơn liều cần thiết để gây thiệt hại các axit nucleic và ngăn cản nhân đôi

4.2 Sự phục hồi của vi khuẩn:

Nhiều vi sinh vật có hệ thống enzyme khắc phục tổn thương gây ra bởi tia cực tím Các cơ chế được phân loại là khắc phục quang học hoặc khắc phục không ánh sáng (Knudson 1985) Sự khắc phục vi khuẩn có thể tăng liều tia cực tím cần thiết để đạt được một mức độ nhất định ngừng hoạt động của một tác nhân gây bệnh, nhưng quá trình này không ngăn chặn bất hoạt

Mặc dù phục hồi vi khuẩn có thể xảy ra, không phải khắc phục quang học cũng không khắc phục không ánh sáng được dự đoán sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất khử trùng tia cực tím nước uống, như được mô tả dưới đây:

Khắc phục quang học của tia cực tím chiếu xạ vi khuẩn có thể được ngăn ngừa bằng cách giữ các tia cực tím khử trùng nước trong bóng tối ít nhất hai giờ trước khi tiếp xúc với ánh sáng phòng hoặc ánh sáng mặt trời Nước qua xử lý thường vẫn còn trong tối trong đường ống, hồ chứa nước, và hệ thống phân phối sau khi khử trùng tia cực tím Hầu hết các cơ sở cũng sử dụng hóa chất khử trùng để cung cấp thêm làm bất hoạt các vi khuẩn và virus và bảo vệ của hệ thống phân phối Cả hai thông lệ phổ biến làm cho sửa chữa quang học không phải là một vấn đề đối với PWSs Khắc phục không ánh sáng cũng không phải là một mối quan tâm cho PWSs vì Liều lượng tia cực tím cần được thể hiện trong Bảng 1.4 được bắt nguồn từ dữ liệu mà được cho là giải thích khắc phục tối

4.2.1 Khắc phục quang học:

Trong khắc phục quang học (hoặc hình ảnh tái kích hoạt), các enzym năng lượng do tiếp xúc với ánh sáng giữa 310 và 490 nm (gần và trong phạm vi có thể nhìn thấy) phá vỡ các liên kết hóa trị hình thành các Pyrimidine nhị trùng Khắc phục quang học đòi hỏi phải việc kích hoạt lại ánh sáng và sửa chữa Pyrimidine nhị trùng (Jagger 1967)

Knudson (1985) phát hiện ra rằng vi khuẩn có enzym cần thiết cho khắc phục quang học Không giống như vi khuẩn, virus thiếu các enzyme cần thiết để khắc phục nhưng có thể khắc phục bằng cách sử dụng các enzym của tế bào chủ (Rauth 1965) Linden và công sự, (2002 ) đã không thực hiện khắc phục quang học của Giardia ở liều lượng tia cực tím điển hình cho các ứng dụng khử trùng tia cực tím (16 và 40

cứu Giardia tái kích hoạt trong điều kiện ánh sáng tia cực tím với liều rất thấp (0,5

Shin và cộng sự al (2001) báo cáo rằng Cryptosporidium không lấy lại sự lây nhiễm sau khi làm bất hoạt bởi ánh sáng tia cực tím Một nghiên cứu cho thấy Cryptosporidium có thể trải qua một số khắc phục quang học DNA (Oguma et al 2001) Mặc dù DNA được sửa chữa, tuy nhiên, tính lây nhiễm không được khôi phục

4.2.2 Khắc phục không ánh sáng:

Khắc phục không ánh sáng được định nghĩa là bất kỳ quá trình sửa chữa mà không cần sự hiện diện của ánh sáng Thuật ngữ này có phần sai lệch bởi vì sửa chữa không ánh sáng cũng có thể xảy ra trong sự hiện diện của ánh sáng Sự hồi phục, một hình thức sửa chữa không ánh sáng, là một quá trình enzyme trung gian trong

đó phần bị hư hại của DNA được loại bỏ và tái tạo bằng cách sử dụng sợi bổ sung hiện có của DNA Như vậy, sự hồi phục có thể xảy ra chỉ với sợi kép DNA và RNA Mức độ sửa chữa không ánh sáng khác nhau với các vi sinh vật Với vi khuẩn và động vật nguyên sinh, các enzym sửa chữa không ánh sáng bắt đầu để hoạt động ngay lập tức sau khi tiếp xúc với ánh sáng tia cực tím; do đó, dữ liệu đáp ứng liều thông báo được cho là giải thích sửa chữa không ánh sáng

Knudson (1985) phát hiện ra rằng vi khuẩn có thể trải qua sửa chữa không ánh sáng, nhưng một số thiếu các enzym cần thiết để sửa chữa không ánh sáng (Knudson 1985) Virus cũng thiếu các enzyme cần thiết để sửa chữa nhưng có thể sửa chữa bằng cách sử dụng các enzym của tế bào chủ (Rauth 1965)

Oguma và cộng sự (2001) sử dụng một thử nghiệm đo lường số lượng dimer được hình thành trong axit nucleic để cho thấy rằng sửa chữa không ánh sáng xảy ra trong Cryptosporidium, mặc dù mircroorganism không lấy lại nhiễm

Linden và cộng sự (2002a) đã không thực hiện khắc phục không ánh sáng của Giardia ở tia cực tím liều lượng điển hình cho các ứng dụng khử trùng tia cực tím

(16 và 40 mJ/cm2) Shin và cộng sự (2001) báo cáo Cryptosporidium không có lại tính lây nhiễm sau khi bất hoạt bởi ánh sáng tia cực tím

5 CƯỜNG ĐỘ TIA CỰC TÍM, LIỀU LƯỢNG TIA CỰC TÍM, VÀ LIỀU LƯỢNG PHÂN PHỐI TIA CỰC TÍM:

Cường độ tia cực tím là một đặc tính cơ bản của ánh sáng tia cực tím và có các đơn

tím có một định nghĩa chính thức mà có nguồn gốc từ phương trình Maxwell, đó là phương trình cơ bản để xác định các sóng như tính chất của ánh sáng Tổng cường

độ tia cực tím ở một điểm trong không gian là tổng các cường độ ánh sáng tia cực tím từ mọi hướng

Liều lượng tia cực tím là không thể thiếu của cường độ tia cực tím trong thời gian tiếp xúc (ví dụ, khu vực theo một cường độ so với đường cong thời gian) Nếu cường độ tia cực tím là không đổi theo thời gian phơi sáng, liều tia cực tím được định nghĩa là sản phẩm của các cường độ và thời gian phơi sáng Các đơn vị thường

Trong hỗn hợp hàng loạt hệ thống, các liều lượng tia cực tím mà các vi sinh vật nhận được bằng với cường độ tia cực tím - khối lượng trung bình trong hệ thống Một ví dụ về hỗn hợp hàng loạt hệ thống, là nghiên cứu chùm tia chuẩn trực, trong

đó một đĩa petri có chứa các giải pháp vi sinh vật khuấy đều được chiếu xạ bởi một

chùm ánh sáng tia cực tím chuẩn trực cao Trong trường hợp này, cường độ tia cực

tím trung bình được tính từ đo cường độ tia cực tím cố trên bề mặt của việc đình chỉ

vi sinh vật, độ sâu đình chỉ, và độ hấp thụ tia cực tím của nước Khi sử dụng nguồn

ánh sáng đa sắc (ví dụ, đèn MP), tính toán liều tia cực tím trong hệ thống hàng loạt cũng kết hợp cường độ ở mỗi bước sóng trong phạm vi trùng và khử trùng hiệu quả

ở các bước sóng tia cực tím có liên quan

Phân phối liều trong một lò phản ứng lưu lượng tia cực tím liên tục được coi là phức tạp hơn là trong một loạt lò phản ứng hoàn toàn hỗn tạp Một số vi sinh vật đi gần với đèn tia cực tím và trải qua một liều cao hơn, trong khi loại khác di chuyển gần các bức tường lò phản ứng có thể gặp một liều thấp hơn Một số vi sinh vật di chuyển qua các lò phản ứng một cách nhanh chóng, trong khi loại khác đi một con đường vòng hơn Kết quả là mỗi vi sinh vật rời khỏi lò phản ứng nhận được một liều lượng tia cực tím khác nhau

Theo đó, liều lượng tia cực tím cung cấp cho các vi sinh vật đi qua lò phản ứng được

mô tả tốt nhất bằng cách sử dụng một phân bố liều lượng (Cabaj và cộng sự al 1996) đối lập với một giá trị liều duy nhất Một phân bố liều lượng có thể được định nghĩa như là một biểu đồ của phân phối liều (xem Hình 2.10) Ngoài ra, phân bố liều lượng có thể được định nghĩa là một phân bố xác suất mà một vi sinh vật rời khỏi một lò phản ứng tia cực tím sẽ nhận được một liều lượng nhất định

Hình 2.10 Phân phối giả định liều cho hai lò phản ứng với các khác biệt của thủy lực

Độ rộng của phân bố liều lượng là biểu hiện của hiệu quả phân phối liều lượng của

lò phản ứng Một phân bố liều lượng hẹp (hình 2.10a) cho một lò phản ứng hiệu quả hơn, và một phân bố liều lượng lớn hơn (Hình 2.10b) cho một lò phản ứng kém hiệu quả hơn Cụ thể, làm bất hoạt log trung bình một lò phản ứng đạt được với một vi sinh vật nhất định được ảnh hưởng mạnh mẽ bởi các vi sinh vật nhận được liều lượng tia cực tím thấp nhất

Sự phân bố liều lượng một lò phản ứng tia cực tím cung cấp có thể được ước tính bằng cách sử dụng mô hình toán học dựa trên động lực học chất lỏng (CFD) và sự phân bố cường độ ánh sáng (LID) CFD được sử dụng để dự đoán đường đi của các

vi sinh vật khi chúng đi qua các lò phản ứng tia cực tím LID được sử dụng để dự đoán cường độ tại mỗi điểm trong lò phản ứng tia cực tím liều lượng tia cực tím để mỗi vi sinh vật được tính bằng cách tích hợp cường độ tia cực tím trên quỹ đạo của

vi sinh vật thông qua các lò phản ứng Biodosimetry (được thảo luận dưới đây) thường được sử dụng để xác minh các kết quả mô hình

Hiện nay, phân phối liều lượng được đo bằng cách sử dụng một kỹ thuật gọi là biodosimetry Với biodosimetry, sự bất hoạt log của vi sinh vật thay thế được đo thông qua các lò phản ứng tia cực tím và liên quan đến một giá trị liều lượng gọi là liều tương đương cắt giảm (RED) sử dụng các đường cong đáp ứng liều tia cực tím của vi sinh vật thay thế

5.1 Phản ứng vi sinh vật (Liều lượng đáp ứng tia cực tím):

Phản ứng của vi sinh vật là thước đo mức độ nhạy cảm của vi sinh vật với ánh sáng tia cực tím và là duy nhất cho mỗi vi sinh vật Liều lượng đáp ứng tia cực tím được xác định bằng cách chiếu các mẫu nước có chứa các vi sinh vật với liều lượng tia cực tím khác nhau bằng cách sử dụng một thiết bị có chùm tia chuẩn trực cao (như

mô tả trong Phụ lục C của hướng dẫn này) và đo nồng độ vi sinh vật truyền nhiễm trước và sau khi tiếp xúc Các phản ứng của vi sinh vật được tính bằng cách sử dụng phương trình:

Log bất hoạt = log10 𝑁 0

𝑁

Trong đó

N = Nồng độ vi sinh vật truyền nhiễm sau khi tiếp xúc với ánh sáng tia cực tím Các mối quan hệ liều lượng - phản ứng tia cực tím có thể được diễn tả như một trong hai tỷ lệ vi sinh vật bất hoạt hoặc tỷ lệ vi sinh vật còn lại như là một đặc trưng của liều lượng tia cực tím Bất hoạt vi sinh vật có một đường cong liều phản ứng với một mái dốc dương, trong khi sự tồn tại của vi sinh vật có một đường cong đáp ứng

liều có độ dốc âm Vì vậy, tất cả sự trình bày đường cong liều lượng đáp ứng (log

làm bất hoạt như một chức năng của liều lượng) có độ dốc dương với log làm bất hoạt vào một logarit (cơ số 10) quy mô và liều lượng tia cực tím trên một quy mô tuyến tính

Hình 2.11 trình bày ví dụ về tia cực tím đường cong đáp ứng liều Hình dạng của đường cong liều lượng phản ứng tia cực tím thường có ba khu vực Ở liều tia cực tím thấp, tia cực tím liều phản ứng cho thấy một khu vực vai, ít nếu có xảy ra Bất hoạt (ví dụ, Bacillus subtilis đường cong, hình 2.11) Vùng vai đã được quy cho sửa chữa tối (Morton và Haynes 1969) và sửa chữa quang học (Hoyer 1998) Trên một mức độ liều lượng ngưỡng, đáp ứng liều cho thấy thứ tự đầu tiên bất hoạt nơi mà bất hoạt tăng tuyến tính với liều lượng tăng lên Trong nhiều trường hợp, phản ứng liều lượng cho thấy thứ tự đầu tiên Bất hoạt mà không có một vai (ví dụ, đường cong E

coli, hình 2.10) Ở liều tia cực tím cao hơn, đáp ứng liều cho thấy tailing, một khu vực nơi độ dốc của liều đáp ứng với tăng giảm liều lượng (ví dụ, rotavirus và tổng coliform đường cong, hình 2.11) Tailing đã được quy cho sự hiện diện của tia cực tím kháng Chi quần thể vi sinh vật và sự hiện diện của vi sinh vật hạt liên quan và kết tụ (Parker và Darby 1995)

Hình 2.11 Hình dạng của tia cực tím Những đường cong Liều lượng-đáp ứng

Phản ứng của vi sinh vật với ánh sáng tia cực tím có thể khác nhau đáng kể giữa các

vi sinh vật Độ nhạy tia cực tím của virus và vi khuẩn có thể thay đổi tùy theo hơn hai bậc độ lớn (Rauth 1965) Với vi khuẩn, vi khuẩn bào tử hình thành và gram dương nhiều khả năng chống tia tia cực tím hơn so với vi khuẩn gram âm (Jagger 1967) Trong số các tác nhân gây bệnh quan tâm trong nước uống, virus có khả năng kháng nhất đối với khử trùng tia cực tím tiếp theo vi khuẩn, kén hợp tử

Cryptosporidium, Giardia và u nang

Cường độ tia cực tím: Nói chung, liều tia cực tím phản ứng theo Luật phản xạ trên

thực hiện với một liều lượng tia cực tím cho bất kể liều lượng đã được thu được với một cường độ tia cực tím cao và thời gian phơi sáng thấp hoặc ngược lại (Oliver và Cosgrove năm 1975, Rice và Ewell 2001) Không có sự lặp lại những gì đã quan sát

thấy ở những cường độ thấp, nơi khắc phục có thể cạnh tranh với những nơi bất hoạt (Sommer et al 1998, Setlow 1967)

Hấp thụ tia cực tím: hấp thụ tia cực tím của hệ thống treo được xem xét khi tính toán liều tia cực tím Tăng cường độ hoặc thời gian tiếp xúc, tuy nhiên, có thể là cần thiết

để đạt được một liều tia cực tím hằng số như độ hấp thụ của một sự thay đổi hệ thống treo

Nhiệt độ: Nhiệt độ ảnh hưởng về liều phản ứng là tối thiểu và phụ thuộc vào các vi sinh vật Đối với vi khuẩn gram dương, ngừng hoạt động không phải là phụ thuộc vào nhiệt độ (Malley 2000) Severin et al (1983) đã nghiên cứu ba vi sinh vật để xác định liều lượng cần thiết để đạt được 2-log ngừng hoạt động như là một hàm của

nhiệt độ Đối với E coli và Candia Parapsilosis, liều đòi hỏi ít hơn 10 phần trăm

khi nhiệt độ tăng 5-35 ° C, và cho vi khuẩn f2, liều yêu cầu giảm ít hơn 20 phần trăm trong khoảng nhiệt độ tương tự (Severin và công sự 1983)

pH: Liều lượng đáp ứng độc lập với hệ thống treo pH từ pH từ 6 đến 9 pH (Malley 2000)

Liên kết hạt và vón cục của vi sinh vật ảnh hưởng đến liều phản ứng tia cực tím Hạt bông keo tụ nhỏ có thể móc khía và bảo vệ khuẩn MS2 và virus tiềm ẩn khác, từ việc tiếp xúc với ánh sáng tia cực tím (Templeton et al 2003) Tương tự như vậy, tỷ

lệ ngừng hoạt động của hạt bông coliforms là chậm hơn so với coliforms phi hạt liên quan (Örmeci và Linden 2003) Hiệu ứng che chắn của vón cục hoặc liên kết hạt có thể gây ra một cặn hoặc làm phẳng của đường cong liều phản ứng ở mức cao hơn bất hoạt (hình 2.8, đường tổng coliform)

Một số nghiên cứu đã xem xét ảnh hưởng của các hạt trên hiệu suất khử trùng tia cực tím Nghiên cứu của Linden và cộng sự (2002b) đã chỉ ra rằng các tia liều phản ứng cực tím về vi sinh vật được bổ sung vào nước lọc để uống không đổi bằng cách thay đổi độ đục đáp ứng yêu cầu quản lý đối với lọc nước thải Đối với nước lọc, nguồn nước đục lên đến 10 đơn vị độ đục nephelometric (NTU) không ảnh hưởng đến liều tia cực tím phản ứng thêm vào vi sinh vật một cách riêng biệt (hạt) (Passantino và cộng sự,2004, Oppenheimer và cộng sự, 2002)

Hiệu quả của các lưới hạt trên liều phản ứng tia cực tím về vi sinh vật hạt trong nước

đã được nghiên cứu bằng cách thêm vào đất sét hoặc các hạt tự nhiên Khi làm đông

tụ huyền phù chứa kaolinit hoặc đất sét montmorillonite bằng nhôm hay sắt clorua, không có sự khác biệt đã được quan sát thấy trong sự bất hoạt log về các vi sinh vật hạt (Templeton et al 2004, Mamane-Gravetz và Linden 2004) Khi các hạt axit

humic và một chất kết tủa đã được thêm vào hệ thống treo, tuy nhiên, ít hơn đáng kể

sự ngừng hoạt động đã đạt được (Templeton et al 2004) Nghiên cứu thêm là cần thiết để hiểu đầy đủ về ảnh hưởng của đông tụ và các hạt trên bất hoạt vi sinh vật bằng ánh sáng tia cực tím

5.2 Vi sinh vật quang phổ đáp ứng:

Phản ứng của vi sinh vật khác nhau như một hàm của bước sóng ánh sáng tia cực tím Phổ hoạt động (còn gọi là hoạt động tia cực tím) của vi sinh vật là một thước đo hiệu quả sự bất hoạt là một hàm của bước sóng Hình 2.12 minh họa các hoạt động phổ tia cực tím cho ba loài vi sinh vật và độ hấp thụ tia cực tím về DNA như là một hàm về bước sóng Bởi vì sự giống nhau giữa tác động và quang phổ hấp thụ tia cực tím DNA và vì hấp thụ DNA là dễ dàng hơn để đo lường so với hoạt động của tia tia cực tím, quang phổ hấp thụ DNA của vi sinh vật thường được sử dụng như là một sự thay thế cho hành động phổ tia cực tím của nó Trong hình 2.12, quy mô của các trục y đại diện cho tỷ lệ sự bất hoạt hiệu quả tại một bước sóng nhất định đến hiệu quả sự bất hoạt ở bước sóng 254 nm

Hình 2.12 So sánh các hoạt động tia cực tím của vi khuẩn và hấp thụ tia cực tím của DNA

Đối với hầu hết các vi sinh vật, các nơi hoạt động cao nhất của tia cực tím tại hoặc gần bước sóng 260 nm, đã có tối thiểu trong vùng có bước sóng gần 230 nm, và xuống hết bước sóng gần 300 nm, có nghĩa là ánh sáng tia cực tím ở khoảng bước sóng 260 nm là hiệu quả nhất làm bất hoạt vi sinh vật Bởi vì không có cách nào hiệu quả hơn để tạo ra ánh sáng tia cực tím tại bước sóng 260 nm có sẵn và thủy ngân tạo ra ánh sáng tia cực tím rất hiệu quả ở bước sóng 254 nm Tuy nhiên, điều này sau này đã trở thành tiêu chuẩn Mặc dù phổ tác động của các vi sinh vật khác nhau tương tự như ở các bước sóng trên 240 nm, sự khác biệt đáng kể xảy ra ở các bước sóng dưới 240 nm (Rauth1965)

6 THIẾT BỊ KHỬ TRÙNG TIA CỰC TÍM:

Mục tiêu trong việc thiết kế lò phản ứng tia cực tím để khử trùng nước uống là cách hiệu quả để cung cấp liều lượng cần thiết để làm bất hoạt các vi sinh vật gây bệnh Một ví dụ về thiết bị tia cực tím được thể hiện trong hình 2.13 Lò phản ứng tia cực tím thương mại bao gồm các mạch mở hoặc đóng cửa kênh, có đèn tia cực tím, ống đèn, cảm biến tia cực tím, và cảm biến nhiệt độ Đèn tia cực tím thường đang nằm trong ống đèn, mà bảo vệ và cách ly đèn Một số lò phản ứng bao gồm các cơ chế làm sạch tự động để giữ cho ống đèn không cần phải làm sạch lại Cảm biến tia cực tím, đo lưu lượng, và trong một số trường hợp phân tích UVT, được sử dụng để giám sát liều lượng của lò phản ứng Phần này mô tả ngắn gọn các thành phần của thiết bị tia cực tím và hệ thống giám sát của nó