Die neuesten Fortschritte in der Halbleitertechnologie haben zur Entwicklung von Leuchtdioden (LEDs) geführt, die in der Lage sind, ein enges Spektrum an UV-Strahlung (UV-LEDs) bei Wellenlängen zu emittieren, die pathogene Organismen inaktivieren können. In jüngster Zeit haben sich UV-LED-Chips und -Gehäuse als Hauptprodukte in Bezug auf Leistungsabgabe, Lebensdauer und sogar Produktionskostenmanagement weiterentwickelt. Jüngste Fortschritte in der UV-LED-Technologie haben es nun ermöglicht, diese Technologie auf die Wasseraufbereitung anzuwenden. Tatsächlich besitzt UV-LED attraktive Eigenschaften, die Innovationen für UV-Technologien zur Wasseraufbereitung bringen können. Hier werden drei wichtige Aspekte von UV-LED-Wasseraufbereitungssystemen diskutiert: Design, Betrieb und Anwendung.
Entwurf
Einer der wichtigsten Vorteile von UV-LEDs ist die Flexibilität, die sie beim Reaktordesign bieten, indem sie einen größeren Freiheitsgrad bei der Reaktorkonfiguration und -optimierung bieten. So wurden in mehreren Studien verschiedene UV-LED-Reaktoren zur Wasserdesinfektion eingesetzt (z.B. Würtele et al. 2011; Jenny et al. 2014; Oguma et al. 2016a, b), und jeder nahm ein anderes Reaktordesignkonzept an. Die Designkriterien für herkömmliche Quecksilber-UV-Lampen gelten nicht unbedingt für UV-LED-Reaktoren, da die UV-LED eine völlig andere Strahlungsquelle mit einem geringen Platzbedarf und einer Winkelverteilung der Emission ist. Da die Kosten immer noch eine der Herausforderungen für UV-LED-Anwendungen zur Wasseraufbereitung sind, ist die Designoptimierung zur Erzielung einer hohen Leistung mit einer begrenzten Anzahl von UV-LEDs unerlässlich, um die Technologie realisierbar zu machen.
Die Leistung eines UV-Reaktors zur Wasseraufbereitung ist eine Funktion der UV-Dosis oder des Fluenzes, die dem Wasser zugeführt wird. Fluence wiederum ist eine Funktion der Fluenzrate und der Verweilzeit. Infolgedessen sind die Strahlungs- und Geschwindigkeitsverteilung entscheidende Faktoren für die Effizienz eines UV-Reaktors. Diese Phänomene, zusammen mit der Kinetik der mikrobiellen Inaktivierung, deren Geschwindigkeitskonstante für jeden Mikroorganismus eine Funktion der UV-Wellenlänge ist, bestimmen die Gesamtreaktorleistung für die Wasserdesinfektion. Die Reaktorstrahlung, Hydrodynamik und UV-Wellenlänge können in einem UV-LED-Reaktor im Vergleich zu einem UV-Lampenreaktor besser kontrolliert werden (Taghipour, 2018).
Bei kleinen Reaktoren mit Anwendungen in Point-of-Use (POU) und Point-of-Entry (POE) sind die Lampen typischerweise am zentralen Teil des Reaktors mit ihrer Achse parallel zur Hauptströmungsrichtung des Fluids positioniert. Für ein solches Reaktorkonzept gibt es eine erhebliche ungleichmäßige Fluenzratenverteilung entlang des Weges der verschiedenen Wasserströme, die vom Reaktoreinlass zum Auslass fließen. Dies liegt daran, dass die Strahlungsverteilung von UV-Lampen eine signifikante Varianz in der radialen Richtung aufs neue hat. In einem UV-LED-Reaktor kann diese Ungleichmäßigkeit verhindert werden, da ein UV-LED-Strahlungsprofil eine Hauptrichtung hat, für die seine Winkelansicht eingestellt und sein Strahlungsprofil abgestimmt werden kann. Darüber hinaus kann die Wahl der richtigen Position und Richtung der Strahlungsenergie, die für einen UV-LED-Reaktor leicht möglich ist, den Verlust von Strahlungsenergie an die Reaktorwand im Vergleich zu UV-Lampen effektiver verhindern.
Ähnliche Einschränkungen bestehen für die Steuerung der Strömungsgeschwindigkeit und der Verweilzeitverteilung in UV-Lampenreaktoren. Da UV-Lampen typischerweise in den Reaktoren platziert werden, wird die Hydrodynamik des Reaktors oft stark durch das Vorhandensein von UV-Lampen beeinflusst. Für einen kleinen Reaktor mit einer einzigen Lampe, deren Achse parallel zur Strömungsrichtung der Hauptflüssigkeit verläuft, ist beispielsweise die höchste Geschwindigkeit in der Nähe der UV-Lampenoberfläche erwünscht, wo die Fluenzrate auf ihrem Spitzenwert liegt.
Das Geschwindigkeitsprofil in der Nähe der UV-Lampenhülse oder einer festen Oberfläche im Allgemeinen ist jedoch praktisch Null. Daher gibt es technische und praktische Einschränkungen für die Abstimmung von Strömung und Strahlungsverteilung, um eine nahezu ideale Reaktorleistung für einen solchen UV-Lampenreaktor zu erreichen. Diese Einschränkung gibt es nicht für einen UV-LED-Reaktor, bei dem UV-LEDs an verschiedenen Stellen – auch außerhalb des Reaktors – positioniert werden können und ihr Strahlungsprofil angepasst werden kann, um höhere Fluenzraten bei Bereichen mit höherer Geschwindigkeit zu erzielen.
Die Ratenkonstante für die UV-Inaktivierung verschiedener Bakterien und Viren kann mit der Wellenlänge variieren, auch in der Nähe der DNA-Peak-Absorption (Mamane-Gravetz et al. 2005; Beck et al. 2015). In der Zwischenzeit kann die Spitzenwellenlänge von UV-LEDs eingestellt werden, um eine höhere Inaktivierungsrate für gezielte Mikroorganismen zu erreichen. Aus diesem Grund sind die spektrale Empfindlichkeit oder sogenannte Aktionsspektren von Mikroorganismen in UV-LED-Anwendungen von Belang.
Daher wäre es von Interesse, einen Datensatz zur Fluenz-Response-Kinetik verschiedener Mikroorganismen unter UV-LED-Emissionen zusammenzufassen. Einige Reviews haben solche Anstrengungen auf der Grundlage der veröffentlichten Daten unternommen (z. B. Malayeri et al. 2016), die als Referenzen dienen könnten. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass ein einfacher Vergleich der Inaktivierungseffizienzen in verschiedenen Studien angesichts vieler inkonsistenter und unvergleichlicher Daten, die in den veröffentlichten Studien berichtet werden, wie in einem Übersichtsartikel diskutiert (Song et al. 2016), möglicherweise irreführend sein kann.
Ein Wesentlicher Beitrag zu dieser Inkonsistenz ist die Verwendung verschiedener Versuchsaufbauten und verschiedener Techniken zur Fluenzmessung in UV-LED-Inaktivierungsstudien (z.B. Würtele et al. 2011; Oguma et al. 2016a, b; Beck et al. 2017; Rattanakul und Oguma 2018). Daher ist die Standardisierung eines UV-LED-Testprotokolls notwendig, um glaubwürdige Vergleiche zwischen verschiedenen Studien zu erzielen und, was noch wichtiger ist, korrekte kinetische Inaktivierungsdaten zu erhalten. Ein solches Protokoll wurde vorgeschlagen (Kheyrandish et al. 2017, 2018), und ein "IUVA-Testprotokoll" für ein UV-LED-System wird derzeit von der IUVA-Taskforce entwickelt.
Ohne ein solches Standardprotokoll besteht eine einfache Option für vergleichende Studien darin, die Daten zusammenzufassen, die mit dem gleichen Setup und der gleichen konsistenten Fluenzdefinition erhalten wurden. Diese Bemühungen wurden von einer Forschungsgruppe unternommen, die die Fluenz-Response-Profile verschiedener gesundheitsbezogener Mikroorganismen mit UV-LEDs bei 265, 280 und 300 nm präsentierte (Oguma et al. 2019). Die Gruppe berichtet über die Konstante der Inaktivierungsrate und die Fluenz, die für die Inaktivierung (n = 1, 2, 3 und 4) von Krankheitserregern (Legionella pneumophila, Pseudomonas aeruginosa, Vibrio parahaemolyticus und felines Calicivirus) und Indikator-/Surrogatarten (Escherichia coli, Bacillus subtilis Sporen und Bakteriophagen Qβ und MS2) erforderlich sind.
Sobald ein UV-LED-Standardtestprotokoll verfügbar ist, können die Forscher Experimente auf unabhängige und vergleichbare Weise durchführen, und die Ergebnisse würden die UV-LED-Inaktivierungsdatenbank verschiedener Emissionen für verschiedene Mikroorganismen verbessern und anreichern.
Operation
Zu den Besonderheiten des UV-LED-Reaktorsystems gehören niedrige Spannungen und Leistungsanforderungen, keine Aufwärmzeit mit der Möglichkeit, sich automatisch und mit hoher Frequenz ein- und auszuschalten, und verschiedene Optionen für das Wärmemanagement. Diese Eigenschaften könnten zum Betrieb von UV-LED-Reaktoren für Anwendungen führen, bei denen UV-Lampenreaktoren nicht so effizient eingesetzt werden können. Zu den weiteren Besonderheiten des UV-LED-Wasserreinigers gehören ein robustes Design und eine geringe Stellfläche, wodurch diese Technologie für POU-Anwendungen geeignet ist, bei denen herkömmliche Wasseraufbereitungstechnologien möglicherweise nicht optimal eingesetzt werden.
Die UV-LED-Reaktoren, insbesondere für POU-Anwendungen, benötigen geringe Leistung und Spannung, was bedeutet, dass sie problemlos mit einem Solarpanel mit einem aufladebaren Batterie-Kit betrieben werden können, das auf dem Markt leicht erhältlich ist. Daher können erneuerbare Energien zu einem erschwinglichen Preis verwendet werden, um UV-LED-Reaktorsysteme in eine netzunabhängige Wasseraufbereitungstechnologie umzuwandeln. Darüber hinaus ist ein Mangel an kontinuierlicher elektrischer Energie – in kleinen und ländlichen Gemeinden im Allgemeinen und insbesondere in Entwicklungsländern – oft ein Problem, wäre aber keine signifikante Einschränkung für UV-LEDs.
UV-LEDs können eingeschaltet sein, wenn Wasser behandelt wird, und aus, wenn es nicht behandelt wird. Infolgedessen müssen UV-LEDs für POU-Anwendungen, bei denen Wasser intermittierend verwendet und behandelt wird, wahrscheinlich während der gesamten Lebensdauer des Geräts nicht ausgetauscht werden (was zu Kosteneinsparungen beim Lampenaustausch führt) und verbrauchen nur einen Bruchteil der Energie (was zu erheblichen Energiekosteneinsparungen führt).
Noch wichtiger ist, dass UV-LED-Reaktoren wenig Wartung erfordern. Dazu gehören häufige Schlauchverschmutzung und der Austausch von UV-Quellen. Die Verschmutzung von UV-Lampenhülsen ist hauptsächlich daraufzuführen, dass Lampen mit relativ hohen Temperaturen betrieben werden und die Lampenwärme von der Hülse übertragen wird. Die wärmeinduzierte Ausfällung von Metallen mit umgekehrter Löslichkeit ist ein führender Mechanismus, durch den sich Übelmittel auf der UV-Lampenhülse ablagert.
In UV-LED-Reaktoren wird die von den UV-LEDs erzeugte Wärme von der LED-Leiterplatte (nicht vom Quarzfenster oder der Quarzhülle) entfernt, so dass keine Verschmutzung der Hülse signifikant ist, was bedeutet, dass regelmäßige Wartung und Reinigung wahrscheinlich kein großes Problem darstellen. Daher ist das Fehlen qualifizierter Bediener – eine der Haupteinschränkungen in kleinen und ländlichen Gemeinden – das die Anwendung vieler Wasserdesinfektionstechnologien behindert, möglicherweise keine große Einschränkung für UV-LED-Systeme.
Anwendung
Angesichts der Strahlungsleistung und der Effizienz von UV-LEDs ist eine geeignetere Anwendung von UV-LED-Reaktoren derzeit die Behandlung von intermittierenden und niedrigen Durchflussraten. Dazu gehört die Integration des Reaktors in eine Reihe von Verbraucher- und Gewerbegeräten wie Wasserspender und -kühler, Eis- und Kaffeemaschinen sowie Labor- und medizinische Wassergeräte. Die Integration eines UV-Reaktors in einige dieser Geräte wurde aufgrund der geringen Stellfläche und der Besonderen des UV-LED-Reaktors erstmals ermöglicht.
Eine weitere Anwendung ist die Aufbereitung von Wasser am POU. Die POU-Wasseraufbereitung ist aufgrund der wachsenden Nachfrage sowohl in Industrie- als auch in Entwicklungsländern eine aufstrebende globale Industrie. Der Markt für solche Systeme wird im Jahr 2020 voraussichtlich einen Wert von fast 25 Milliarden US-Dollar haben und voraussichtlich mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von etwa 10% wachsen (Point-of-Use Water Treatment Systems Market, 2016).
Faktoren wie die zunehmende Wasserverschmutzung, das wachsende Bewusstsein für die Bedeutung von sauberem Trinkwasser und zunehmende Bauaktivitäten haben den Markt für POU-Wasseraufbereitungssysteme angetrieben. UV-LED-Reaktoren könnten aufgrund ihrer offensichtlichen Vorteile, wie z. B. mangelnder häufiger Wartung und reduzierter Betriebs- und Lebensdauerkosten, im Vergleich zu UV-Lampen und anderen herkömmlichen Technologien ideal für die POU-Wasseraufbereitung sein.
Größere UV-LED-Reaktoren können zur Aufbereitung von Wasser am POE für Häuser und Cottages eingesetzt werden, insbesondere wenn die LEDs eine praktikablere Option werden. Allein in den USA sind etwa 20 Millionen Haushalte und Cottages auf private Brunnen angewiesen, während Zehntausende weitere auf Seen, Flüsse und andere Oberflächenwasserquellen angewiesen sind. Verschiedene Studien haben ergeben, dass ein beträchtlicher Prozentsatz der Brunnen in einer bestimmten Region Mikroorganismen wie E. coli enthält, die zu einem bestimmten Zeitpunkt in Grund- und Oberflächenwasservorräten vorkommen können. Somit stellen UV-LED-Reaktoren eine der effektivsten Wasseraufbereitungsalternativen dar, um sicheres Trinkwasser für viele Freizeit-, abgelegene und ländliche Häuser zu gewährleisten.
In Japan beträgt die bevölkerungsbasierte Abdeckung der öffentlichen Wasserversorgung etwa 97,9% (Stand 2016), was bedeutet, dass die verbleibende Bevölkerung (etwa 2,7 Millionen Menschen) auf kleine kommunale Wasserversorgungssysteme und / oder private Brunnen angewiesen ist. Solche kleinen Einrichtungen sind außerhalb der Chlorierung obligatorisch, und manchmal gibt es keine Behandlung, einschließlich Chlorierung. Persönliche Interviews mit Anwohnern haben ergeben, dass sie aufgrund von Geschmacks- und Geruchsbedenken nicht wirklich Chlor hinzufügen wollen, obwohl sie das potenzielle Gesundheitsrisiko einer mikrobiellen Kontamination des Wassers verstehen.
Es ist bemerkenswert, dass bei den Unfällen mit Trinkwasserqualität, die in den letzten 30 Jahren in Japan mit Gesundheitsschäden verbunden waren, etwa 93% (130 von 140 Unfällen) auf Desinfektionsfehler zurückzuführen waren. Angesichts solcher Tatsachen wären POU- und POE-Geräte, die zur Desinfektion arbeiten, idealerweise ohne Geschmack und Geruch negativ zu beeinflussen, die besten und praktischsten Optionen für die kommunale Wasserversorgung und private Brunnen. Es ist offensichtlich, dass UV-LEDs dazu beitragen können, die Wasserqualitätsanforderungen dieser Populationen zu erfüllen.
Ein weiterer wichtiger Bedarf an POU- und POE-Behandlungen besteht in Entwicklungsländern, insbesondere in Ländern, die eine schnelle Urbanisierung und ein Wirtschaftswachstum erleben. Die Kosten für UV-LEDs können derzeit ein Problem sein, aber es wird wahrscheinlich ein kurzfristiges Problem sein. Dr. Kumiko Oguma, Universität Tokio, und ihre Kollegen haben intensive Felduntersuchungen zur Wasserqualität und zum Wassernutzungsverhalten in Asien (d. H. Vietnam, Nepal, Indonesien, Sri Lanka und den Philippinen) durchgeführt und festgestellt, dass eine schnelle Urbanisierung im Allgemeinen zu einem begrenzten Zugang zu zentralisierten Wasserversorgungssystemen führt. Sie ermutigten viele Menschen, dezentrale Wasserquellen wie private Brunnen zu nutzen (z. B. Guragai et al. 2018, Do et al. 2014).
Selbst wenn die Menschen Zugang zu Leitungswasserversorgungen auf ihrem Gelände hätten, würde dies den Zugang zu sauberem Wasser nicht gewährleisten, da sich die Qualität des Leitungswassers nach langem Transport in einem schlechten Verteilungsnetz verschlechtert. In der Praxis verwenden die Menschen vor Ort mehrere Bewältigungsstrategien, einschließlich POU- und POE-Installationen. Die Umfrageergebnisse ergaben, dass etwa 76% der Bewohner im Zentrum von Hanoi POU-Behandlungen zu Hause durchführten (Do et al. 2014); Einige verwendete POU-Geräte funktionierten jedoch nicht als wirksame Barriere gegen Mikroorganismen. UV-LED kann eine intelligente Add-In-Option für solche Systeme sein.
Die UV-Energiekosten für UV-LEDs sind derzeit höher als die von UV-Lampen. Sobald UV-LEDs einen höheren Wirkungsgrad und eine höhere Leistungsabgabe erreichen und zu einer erschwinglicheren Option werden, wird es zahlreiche anwendungsmöglichkeiten für die UV-LED-Reaktortechnologie zur Aufbereitung von Wasser in größerem Maßstab geben, einschließlich Trinkwasser- und Abwasserbehandlungsanlagen.
