Eine Gruppe von Forschern der Sensor Science Division von PML&ist Teil eines Projekts, das einen direkten Einfluss auf die verbesserte Sicherheit des Trinkwassers der Nation&haben wird.
Jüngste Änderungen in den Oberflächenwasserbehandlungsregeln der Environmental Protection Agency's (EPA) schreiben unter anderem eine aggressivere Überwachung und Kontrolle verschiedener Krankheitserreger vor, insbesondere einschließlich Cryptosporidium. Diese Mikrobe, die schwere Krankheiten oder den Tod verursachen kann, ist sehr resistent gegen Desinfektionsverfahren auf Chlorbasis. Als ein Mittel zur Verringerung der Bedrohung hat die EPA die Behandlung von Wasser mit ultravioletter (UV) Strahlung gefordert, die auch als"sekundäre Barriere" um andere wichtige Krankheitserreger wie Adenovirus und andere Viren sowie Bakterien und Parasiten wie Giardia zu inaktivieren (zu verhindern).
Das Wasser wird von zylindrischen UV-Lampen aufgehängt, die in Rohren aufgehängt sind, und die Beleuchtung wird von benachbarten Sensoreinheiten überwacht. Jeder Krankheitserreger hat eine andere Inaktivierungsreaktion auf unterschiedliche Wellenlängen, und es scheint jetzt, dass bestimmte Krankheitserreger am anfälligsten für Wellenlängen sind, die kürzer sind als das kürzeste im Spektrum, das von herkömmlichen Lampen erzeugt wird. Jüngste Fortschritte in der Mitteldruck-(MP)-UV-Lampentechnologie haben jedoch zu einer erhöhten UV-Lichtleistung bei Wellenlängen unter 240 nm geführt, was die Forscher dazu veranlasst, zahlreiche ungelöste Fragen zu beantworten.
Diese Fragen umfassen: Welche Wellenlängen oder Kombinationen von Wellenlängen (als"Aktionsspektren" bezeichnet) sind bei welchen Krankheitserregern am wirksamsten? Wie viel Bestrahlung ist erforderlich, um eine"4-log" zu erreichen; (99,99%) Inaktivierung für verschiedene Mikroben? Wie kann eine neue Generation von UV-Quellen und -Sensoren in Wasseranlagen jeder Größe in ganz Amerika zuverlässig kalibriert und validiert werden? Und wie genau repräsentieren gutartige Mikroben, die von Testeinrichtungen als Krankheitserregersurrogate verwendet werden, die Inaktivierungsleistung in Zielmikroorganismen bei verschiedenen Wellenlängen?
All diese Fragen und mehr werden von einem organisationsübergreifenden Verbundprojekt untersucht, das von Karl Linden von der University of Colorado geleitet und von der Water Research Foundation* finanziert wird, mit dem Ziel, schließlich Richtlinien für das Testen zukünftiger Systeme mit MP-Quecksilberdampflampen zu entwickeln als UV-Quellen.
GG quot;Die meisten der spektralen Antwortdaten für verschiedene Krankheitserreger wurden für Niederdruck-(LP)-Quecksilberdampflampen als UV-Quellen in Wasserleitungen erstellt," sagt Thomas Larason von der Optical Radiation Group von NIST GG, der den PML-Beitrag zum Wasserprojekt leitet."Diese Lampen erzeugen ein relativ schmales UV-Spektrum mit einem Zentrum von 254 nm und werden manchmal als'keimtötendes UV' bezeichnet; Lampen. Aber die neuen EPA-Regeln verlangen höhere Dosen, und die Aufmerksamkeit hat sich auf Mitteldruckquellen verlagert, die ein viel breiteres UV-Spektrum, einschließlich Wellenlängen unter 240 nm, erzeugen und potenzielle Energieeinsparungen bieten. Aber die Auswirkungen der kürzeren Wellenlängen auf Krankheitserreger sind nicht gut charakterisiert. Für einige Mikroben wurde bisher nur eine einzige Studie durchgeführt."
Diese Daten legen nahe, dass es eine dramatische Disparität bei der Inaktivierung verschiedener Mikroben bei verschiedenen Wellenlängen unter 250 nm gibt. Anfang dieses Jahres fragte eine Wasserprojekt-Forschungsgruppe, die mit der Untersuchung dieser Effekte beauftragt war, Larason, ob PML genaue UV-Dosen von NIST-kalibrierten Geräten an verschiedene Bakterien und Viren liefern könnte, um deren Wirkungsspektren zu bestimmen. Larason brachte diese Anfrage an die SIRCUS-Einrichtung (Spectral Irradiance and Radiance Responsivity Calibrations Using Uniform Sources) von PML GG, die kontinuierlich abstimmbare Laser als Strahlungsquellen verwendet. Innerhalb kurzer Zeit brachten die Mitarbeiter von SIRCUS einen tragbaren Laser und das dazugehörige Gerät in das Testlabor des Projekts in Vermont, um die Studien Ende dieses Jahres abzuschließen.
Das SIRCUS-Gerät emittiert Strahlung von 210 nm über den gesamten interessierenden experimentellen Bereich in Form eines nahezu kollimierten Strahls, der auf die mikrobiellen Proben trifft, die in Petrischalen unter dem Strahlaustritt aufbewahrt werden.
GG quot;In diesem Stadium" Larason sagt,"wir'bieten die Ausrüstung und das Fachwissen, um dem Projekt zu helfen, die tatsächlichen Dosis-Wirkungs-Eigenschaften für verschiedene Mikroben bei kurzen Wellenlängen zu finden. Dies bestimmt unter anderem, wie viel Leistung Sie in der MP-Lampe benötigen, was wiederum die Energiekosten beeinflusst. Danach werden wir uns möglicherweise mit der Entwicklung von Kalibrier- und Validierungsstandards für Quellen und Sensoren im Bereich von 200 nm bis 300 nm beschäftigen. Aber es ist zu früh, um zu sagen, wohin dies alles führen wird."
Es ist jedoch nicht zu früh für die American Water Works Association, ihre Anerkennung auszudrücken. In einem Brief vom September 2012 an die PML-Direktorin Katharine Gebbie lobte der Verband die"einzigartige Expertise und Werkzeuge von" wurde von Larason zusammen mit Keith Lykke, Steven Brown, Ping-Shine Shaw und Mike Lin von SIRCUS in das Projekt eingebracht. Ihre Arbeit" liefert wichtige Informationen für unser Verständnis der Pathogeninaktivierung durch das UV-Spektrum niedriger Wellenlänge" das wird"das Behandlungsdesign für die Mitteldruck-UV-Behandlung in Trinkwasser in den Vereinigten Staaten definieren," sagte der Brief.
Dank des Beitrags der NIST-Forscher und der SIRCUS-Geräte hat die Zusammenarbeit die Wellenlängenempfindlichkeit bestimmter Krankheitserreger und zugehöriger Surrogate mit größerer Genauigkeit bestimmt.
GG quot;Mit dem abstimmbaren UV-Laser von NIST' haben wir den Goldstandard für die Messung der Wellenlängenantwort von Testmikroben und wassergetragenen Krankheitserregern für UV-Desinfektionsanwendungen in den USA entwickelt," sagt Harold Wright von Carollo Engineers, Inc. in Boise, ID, ein Mitarbeiter des Forschungsprojekts."Ich habe mit Tom Larason und den Leuten vom NIST an zwei UV-Desinfektionsprojekten gearbeitet, die von der Water Research Foundation gesponsert wurden. Mit beiden Projekten brachten sie eine Expertise in der Anwendung und Messung von ultraviolettem Licht ein, die in unserer Branche ihresgleichen sucht."
Die Zusammenarbeit kann auch Auswirkungen haben, die über das Thema Trinkwassersicherheit hinausgehen."Es erweitert aktuelle Forschungsbereiche mit minimalen Investitionen in neue Ausrüstung und Personal," sagt Larason."Aber es ist über die Mikrobiologie hinaus auch auf andere technologische Bereiche wie Materialbearbeitung (UV-Härtung), Medizin (Prüfgeräte zur Messung der UV-Exposition) und erweiterte Kalibriermöglichkeiten für Bestrahlungsstärke und Dosis anwendbar."
