Bei Nachfragespitzen in Hotels, zentraler Reinigung in Lebensmittelverarbeitungsbetrieben, beim Anfahren-der Abfülllinie- oder beim gleichzeitigen Betrieb mehrerer Geräte kann die momentane Durchflussrate weit über den normalen Durchschnitt ansteigen.

Das UV-System bleibt möglicherweise eingeschaltet und die Steuerung zeigt möglicherweise keinen Lampenfehler an, dennoch fließt möglicherweise bereits Wasser schneller durch den Reaktor, als es der validierte Betriebsbereich zulässt. Die eigentliche Frage ist nicht, ob die UV-Lampe funktioniert, sondern ob jeder Teil des Wassers noch die erforderliche UV-Dosis erhält.

Ein UV-System sollte daher nicht nur für einen durchschnittlichen Durchfluss dimensioniert werden. Es muss die erforderliche Desinfektionsleistung aufrechterhalten, wenn gleichzeitig maximaler Momentandurchfluss, minimale tatsächliche UV-Durchlässigkeit (UVT), Lampenalterung und andere ungünstige Bedingungen auftreten.

Warum beeinflusst Peak Flow die UV-Desinfektion?

Die UV-Desinfektion funktioniert nur, wenn die Mikroorganismen beim Durchgang durch den Reaktor ausreichend ultraviolette Energie absorbieren. Vereinfacht ausgedrückt kann die UV-Dosis wie folgt ausgedrückt werden:

UV-Dosis (mJ/cm²) ≈ UV-Intensität (mW/cm²) × Belichtungszeit (s)

Die durchschnittliche hydraulische Verweilzeit hängt von der Durchflussrate ab:

Retentionszeit ≈ Effektives Reaktorvolumen ÷ Durchflussrate

Bei unverändertem Reaktorvolumen und unveränderter UV-Leistung verkürzt eine höhere Durchflussrate normalerweise die Verweildauer des Wassers im Reaktor und kann die abgegebene UV-Dosis verringern.

Die britische Trinkwasserinspektion gibt an, dass die UV-Dosis von der Bestrahlungsstärke und der Verweildauer des Wassers im Reaktor abhängt. Der vom Hersteller angegebene maximale Auslegungsdurchfluss darf daher nicht überschritten werden.

Quelle: UV-Desinfektionsleitfaden des britischen DWI

In einem echten UV-Reaktor ist es jedoch nicht korrekt anzunehmen, dass eine 40-prozentige Erhöhung des Durchflusses immer zu einer 40-prozentigen Reduzierung der UV-Dosis führt. Hydraulische Verteilung, Turbulenz, Lampenposition, Reaktorgeometrie und die unterschiedlichen Strömungswege durch die Kammer beeinflussen alle die Enddosis.

Ingenieurprojekte sollten sich daher auf eine validierte Reduktionsäquivalentdosis (RED) verlassen und nicht nur auf theoretischen Berechnungen.

Angenommen, ein UV-Reaktor wurde unter den folgenden Bedingungen validiert:

• Maximale Durchflussmenge: 10 m³/h
• Mindest-UVT: 85 %
• Validierte UV-Dosis: 40 mJ/cm²
• Die UV-Intensität wird über dem angegebenen Sollwert gehalten

Wenn der tatsächliche Spitzendurchfluss 14 m³/h erreicht, arbeitet der Reaktor außerhalb seines validierten Bereichs. Die verbleibende UV-Dosis lässt sich durch einfache Extrapolation nicht zuverlässig ermitteln; Die vertretbare Schlussfolgerung ist, dass die ursprünglichen Validierungsdaten die Desinfektionsleistung nicht mehr garantieren.

Kurze-Flussspitzen können nicht ignoriert werden

Einige Betreiber gehen davon aus, dass ein Spitzenwert von nur wenigen Minuten nur geringe Auswirkungen auf die Gesamtwasserqualität hat. Allerdings wird die mikrobielle Desinfektion nicht anhand einer durchschnittlichen Tagesdosis beurteilt.

Selbst wenn der Durchfluss die Kapazität des Reaktors nur für eine Minute überschreitet, kann es sein, dass ein Teil des Wassers eine unzureichende UV-Dosis erhält, bevor es in einen Lagertank, eine Produktionslinie oder ein Verteilungsnetz gelangt.

Bei der Trinkwasser-, Lebensmittel- und Getränkeproduktion, Pharmaherstellung und anderen mikrobiologisch sensiblen Anwendungen sollte bereits eine kurzzeitige Unterdosierung als Systemrisiko behandelt werden.

Die Herausforderung kann bei Oberflächenwasser-, Regenwasser- und Abwasseranwendungen größer sein, da der Spitzenfluss mit höherer Trübung, mehr Schwebstoffen oder verringerter UVT einhergehen kann. Das System steht dann vor zwei Problemen gleichzeitig:

• Eine schnellere Wasserbewegung verkürzt die Einwirkzeit.
• Eine erhöhte UV-Absorption verringert die effektive UV-Intensität im Wasser.

Diese Kombination ist schwieriger zu bewältigen als eine alleinige Durchflusserhöhung.

Wie sollte ein UV-System auf Peak Flow reagieren?

1. Messen Sie den tatsächlichen Spitzenfluss

Ein UV-System sollte nicht einfach dadurch ausgewählt werden, dass der gesamte tägliche Wasserverbrauch durch 24 Stunden geteilt wird. Der relevante Auslegungswert ist der maximale Momentanfluss, der durch den UV-Reaktor fließen darf.

Spitzenfluss kann verursacht werden durch:

• Mehrere Wasserauslässe öffnen sich gleichzeitig
• Pumpenstart-oder Pumpenwechsel
• Schnelle Auffüllung des Lagertanks-
• CIP-Reinigung und Gerätespülung
• Gleichzeitiger Abfüllbetrieb-
• Filterrückspülung
• Änderungen der Produktionsschicht
• Regenzeit-oder Spitzenabwasserströme

Bei gewerblichen und industriellen Projekten besteht der bevorzugte Ansatz darin, mit einem Durchflussmesser oder Datenlogger das tatsächliche Durchflussprofil über einen repräsentativen Zeitraum aufzuzeichnen und die Ergebnisse dann mit der maximalen Förderleistung der Pumpe zu vergleichen.

Der Nenndurchfluss der Pumpe- oder der durchschnittliche Wasserverbrauch allein reichen möglicherweise nicht aus, um den tatsächlichen Spitzendurchfluss durch den UV-Reaktor zu ermitteln.

2. Wählen Sie das UV-System für die Worst-Case-Kombination aus

Der Nenndurchfluss eines UV-Systems ist nicht unabhängig von den Betriebsbedingungen. Bei der Systemauswahl sollten mindestens Folgendes berücksichtigt werden:

• Maximaler Momentandurchfluss
• Erforderliche UV-Dosis
• Minimale tatsächliche UVT
• Lampenleistung am Ende der Lampenlebensdauer
• Erwartete Verschmutzung der Quarz-hülse
• Druckverlust bei Spitzendurchfluss
• Ziel-Mikroorganismen

Derselbe UV-Reaktor kann bei 90 % UVT und 70 % UVT erheblich unterschiedliche maximale Behandlungskapazitäten aufweisen.

Ein Datenblatt mit der Angabe „20 m³/h“ reicht daher nicht aus, wenn darin nicht auch die entsprechende UVT, Ziel-UV-Dosis und Betriebsbedingungen angegeben sind.

Für einige Trinkwasseranwendungen verwenden NSF/ANSI 55-Klasse-A-Systeme eine UV-Dosis von mindestens 40 mJ/cm² als wichtige Leistungsanforderung. Allerdings sollte dieser Wert nicht automatisch auf jedes Projekt angewendet werden. Die endgültige erforderliche Dosis muss entsprechend dem Quellwasserrisiko, den Zielmikroorganismen und den geltenden örtlichen Vorschriften bestimmt werden.

Quelle: Technisches Dokument von Health Canada

3. Passen Sie die UV-Ausgabe dynamisch innerhalb des validierten Bereichs an

Bei Systemen mit häufigen Durchflussschwankungen kann eine durchflussgesteuerte Steuerung verwendet werden, um die UV-Leistung an den Bedarf anzupassen.

Wenn die Durchflussrate zunimmt, kann der Regler:

• Lampenleistung erhöhen
• Aktivieren Sie zusätzliche Lampenbänke
• Weitere UVC-LED-Module starten

Wenn der Durchfluss abnimmt, kann das System die Leistung reduzieren, um unnötigen Energieverbrauch zu vermeiden.

Eine variable-Leistungssteuerung kann die Reaktorkapazität jedoch nicht unbegrenzt erweitern. Selbst bei maximaler Lampenleistung kann die erforderliche Dosis möglicherweise nicht garantiert werden, sobald der Durchfluss den validierten Höchstwert überschreitet.

Die US-EPA gibt an, dass die UV-Dosisüberwachung die Durchflussrate, die UV-Intensität und den Lampenstatus umfassen sollte. Einige Systeme mit berechneter-Dosis verwenden möglicherweise auch UVT- und Lampenleistungsdaten-.

Quelle: US EPA Ultraviolet Disinfection Guidance Manual

4. Verwenden Sie mehrere UV-Reaktoren in einer abgestuften Parallelkonfiguration

Für kommerzielle und industrielle Projekte mit großen Durchflussschwankungen können abgestufte parallele UV-Reaktoren eine größere Flexibilität bieten als ein übergroßer Reaktor.

Zum Beispiel:

• Ein Reaktor arbeitet während Zeiträumen mit geringem{0}}Durchfluss.
• Ein zweiter Reaktor startet, wenn der Durchfluss zunimmt.
• Bei Spitzenbedarf arbeiten mehrere Reaktoren gleichzeitig.
• Ein Reaktor bleibt als Standby-Einheit erhalten.

Durch diese Anordnung bleibt jeder Reaktor innerhalb seines validierten Durchflussbereichs und reduziert gleichzeitig den unnötigen Energieverbrauch in Zeiträumen mit geringem{0}}Durchfluss.

Parallele Systeme erfordern jedoch einen sorgfältigen Strömungsausgleich. Wenn der Zweigwiderstand unterschiedlich ist, erhält ein Reaktor möglicherweise einen übermäßigen Durchfluss, während ein anderer zu wenig erhält.

Die Rohrleitungen sollten daher mit geeigneten Durchflussmessern, Strangregulierventilen oder automatischen Regelventilen ausgestattet sein.

5. Reduzieren Sie den Spitzendurchfluss mit einem Puffertank oder einer Durchflussregelausrüstung

Wenn ein hoher Peak nur kurz anhält, kann vor der UV-Anlage ein Puffertank installiert werden. Eine Pumpe mit variabler-Frequenz kann den Reaktor dann mit einer stabileren Durchflussrate versorgen.

Weitere Flusskontrolloptionen- umfassen:

• Durchflussbegrenzer
• Automatische Regelventile
• Pumpen mit variabler-Frequenz
• Druckregelgeräte

Diese Geräte verhindern, dass der Durchfluss die Behandlungsgrenze des UV-Systems überschreitet.

UV sorgt für keine Restdesinfektion. Wird nach dem Reaktor ein Lagertank installiert, kann es bei der Lagerung dennoch zu einer Rekontamination des desinfizierten Wassers kommen.

Der Tank sollte daher hygienisch gestaltet sein und regelmäßig überprüft und gereinigt werden. Bei Projekten mit höherem-Risiko kann die letzte UV-Stufe nach dem Lagertank und vor der Verwendungsstelle installiert werden.

Das britische DWI stellt außerdem fest, dass UV keine Desinfektionsmittelrückstände hinterlässt, weshalb das Hygienemanagement in Lager- und Vertriebssystemen besonders wichtig ist.

Quelle: UV-Desinfektionsleitfaden des britischen DWI

Wie sollten verschiedene Peak-Flow-Lösungen ausgewählt werden?

Die Auswahl sollte die Spitzendauer, das Ausmaß und die Häufigkeit der Durchflussschwankungen, die damit einhergehenden Änderungen der Wasserqualität, Kontinuitätsanforderungen und das Budget berücksichtigen. Kurze, gelegentliche Spitzen können durch Pufferung oder Flussbegrenzung bewältigt werden; häufige Schwankungen können der fluss-gesteuerten Steuerung zuträglich sein; und große Turndown- oder Redundanzanforderungen können abgestufte Parallelreaktoren begünstigen. In jedem Fall sollten Verriegelungen verhindern, dass Wasser, das außerhalb des validierten Bereichs behandelt wurde, nachgeschaltete Anwender erreicht.

Was sollten Käufer von einem UV-Systemlieferanten bestätigen?

Käufer sollten mehr fragen als: „Wie viele Kubikmeter pro Stunde kann dieses System verarbeiten?“ Sie sollten außerdem Folgendes bestätigen:

1. Welche UV-Dosis wird bei Nenndurchfluss abgegeben?
2. Unter welchen UVT-Bedingungen wurde der Nenndurchfluss ermittelt?
3. Berücksichtigen die Leistungsdaten die Alterung der Lampe und die Verschmutzung der Quarzhülse?
4. Was sind die validierten minimalen und maximalen Durchflussraten?
5. Wenn der Durchfluss den validierten Grenzwert überschreitet, wird das System dann einen Alarm auslösen, ein Ventil schließen, das Wasser umwälzen oder es weiterhin liefern?
6. Überwacht der Controller Durchfluss, UV-Intensität, UVT und validierte Dosis in Echtzeit?
7. Wie groß ist der Druckverlust bei Spitzendurchfluss?
8. Ist bei Wartung oder Lampenausfall eine Reservedrossel erforderlich?

Wenn ein Lieferant nur die Lampenleistung angibt und die Ziel-UV-Dosis, die UVT-Bedingungen oder den maximalen validierten Durchfluss nicht angeben kann, zeigt die Nennleistung allein keine zuverlässige Spitzendurchflussleistung an.

Abschluss

Die korrekte Steuerung des Spitzenflusses erfordert mehr als nur die Erhöhung der Lampenleistung. Es erfordert eine vollständige Kontrollstrategie:

Messen Sie den tatsächlichen Spitzendurchfluss, wählen Sie das System für die ungünstigsten -Case-Wasserbedingungen aus, passen Sie die UV-Leistung dynamisch innerhalb des validierten Bereichs an und verwenden Sie Parallelreaktoren, Pufferspeicher, Durchflussbegrenzung und automatische Verriegelungen, um zu verhindern, dass zu wenig Wasser in das nachgeschaltete System gelangt.

Bei der Bewertung eines UV-Projekts empfiehlt Agua Topone den Kunden, den maximalen Momentandurchfluss, die minimale UVT, relevante Daten zur Wasserqualität, die erforderliche UV-Dosis und das tatsächliche Betriebsmuster anzugeben.

Nur durch die gemeinsame Bewertung dieser Bedingungen kann der Designer bestimmen, ob das Projekt einen größeren Einzelreaktor, abgestufte Parallelreaktoren oder eine komplette UV-Lösung mit Durchflusskontrolle und automatischen Sicherheitsverriegelungen benötigt.

Ein UV-System ist nicht nur deshalb zuverlässig, weil seine Lampen auch unter durchschnittlichen Betriebsbedingungen leuchten. Zuverlässigkeit bedeutet, dass jede Wasserportion auch unter den verkehrsreichsten und ungünstigsten Bedingungen immer noch die erforderliche UV-Dosis erhält.