برخلاف روش های شیمیایی برای ضد عفونی آب ، UV روش فیزیکی سریع و مؤثر برای از بین بردن و غیرفعال کردن میکروارگانیسم ها می باشد. هنگامی که باکتری ها ، ویروس ها و تک یاخته ها در معرض طول موج میکروب کش نور UV قرار دارند ، قادر به تولید مثل و ایجاد عفونت نیستند. نور اشعه ماوراء بنفش کاربرد اثربخشی را در برابر ارگانیسم های بیماری زا از جمله فلج اطفال ، حصبه ، هپاتیت و سایر بیماری های باکتریایی ، ویروسی و انگلی نشان داده است. علاوه بر این ، نور UV (یا به تنهایی یا همراه با پراکسید هیدروژن) می تواند آلودگی های شیمیایی مانند سموم دفع آفات ، حلال های صنعتی و داروها را از طریق فرآیندی به نام اکسیداسیون UV از بین ببرد. میکروارگانیسم ها در اثر آسیب به اسیدهای نوکلئیک توسط نور UV غیرفعال می شوند. انرژی اشعه ی فرابنفش می تواند ساختار سلولی میکرواورگانیسم ها را تحت تاثیر قرار دهد و آنها را غیرفعال کند.
پرتوتابی فرابنفش آب – انواع اشعه فرابنفش :
پرترفرابنفش (UVR)مابین نور بنفش از تابش مرئی و نرم ترین تابش یونیزه کننده قرار گرفته است و محدوده طول موج از 100 تا 400 نانومتر را شامل می گردد. انرژی فو تون مربوط با تابش 100 نانومتر124الکترون وات است که حدوداً معادل با انرژی لازم برای ایجاد یونیزاسیون در مواد بیولوژیکی می باشد. آنها در منتهی‌الیه دیگر (UVR) می تواند توسط برخی قابل رویت باشد .
به علت تفاوت های موجود در خواص فیزیکی واثرات بیولوژیکی(UVR) توسط کمیسیون بین المللی روشنایی به سه ناحیه تقسیم بندی شده است
- UVR:315-400 nm UVA با طول موج بلند (نورسیاه)
- UVR:280-315 nm UVB با طول موج متوسط(تابش آفتاب‌سوز)
- UVR:100-280 nm UVC با طول موج کوتاه(تابش میکروبکش)
در ناحیه نور سیاه در بسیاری از اجسام پدیده فلور سانس قابل بروز می باشد. ناحیه UVB بخئس از اشعه است که موجب بروز التهاب های پوستی می شود، بخش اعظم از UVR فعال از نظر بیولوژیکی وبالقوه خطرناک که از خورشید به زمین می‌رسد مربوط به این ناحیه از نور است. UVCکه اشعه با طول موج کمتر از 280
نانومتر را شامل می شود دارای قابلیت میکروب کشی است و اشعه ساطع شده از لامپ های میکروب کشی وقوس های جوش‌کاری می باشد. طول موج های ردیف 250تا 260 نانومتر (ناحیه فاتد حیات) دارای بالاترین قدرت میکروب کشی است و بوسیله اسیدنوکلئیک نوکلئوپروتئین ها قابل جذب بوده وتغییرات شیمیایی در ماده ژنتیک ایجاد می نمایدکه در نهایت به مرگ میکروارگانیسم‌ها منجر می گردد.
در بعضی از مراجع ازجمله گزارش سازمان بهداشت جهانی تقسیم بندی فوق قدری متفاوت ذکر شده باین ترتیب که طول موج 320 بجای 315 و 200 بجای 100نانومتر منظور شده اصت. UVRبا طول موج کمتر از200 نانومتر را گاه UVR خلا نیز گفته اند (نگاه شود به شکل 7-1)، این بخش از تابش چون سریعاً جذب هوا می شود کمترین اهمیت بیولوژیکی را در مقایسه با دیگر بخش های UVR حائز است.
جدول مقایسه سیستم های UV
جدول مقایسه کارایی اشعه UV در مقایسه با سایر گندزداها
منابع تولید پرتو:
کاربرد UVبرای مقاصد گندزدایی مستلزم این است که یک منبع با شدت زیاد و با طول موج دلخواه وجود داشته باشد. بطور کلی قراردادن مواد در دمای 2500 یا بیشتر موجب می شود که تعداد زیادی فوتون با انرژی بالا ساطع شود. چنین منابعی منتشر کننده طیفی مداوم و یکنواخت می باشند. بطرق دیگر می توان با رساندن الکترونها به حالت برانگیخته این پرتو را بدست آورد (تخلیه در گاز).
در حال حاضر غالب منابع مصنوعی برای تولید (UV) را می توان به پنج گروه تقسیم بندی ئمود :
ا – منابع تابشی براثر حرارت مانند لامپ های هالوژن تنگستن. 2 - منابع تخلیه در گاز مانند لامپ های جیوه (بافشارکم، متوسط و بالا)، لامپ های جیوه وهالیدهای فلزی» لامپ های گزنون، لامپ های هیدوروژن و دوتریم وتیوب‌های جرقه ای . 3 - منابع تخلیه الکتریکی مانند قوس های کربن و قوس‌های جوش کاری. 4- لامپ های فلووسنت مانند تیوب های روشنایی لامپ های آفتابی (تابش کننده UV-B ) و تیوب‌های UV-A – لیزرها مانند لیزرهای تابش کننده چندین طول موج ، لیزرهای نیتروژن لیزرهای قابل تنظیم و لیزرهای هلیوم –کادمیوم.
در عمل بهترین روش تولید پرتو انجام تخلیه الکتریکی در بخار جیوه تحت فشارکم درون تیوب های مخصوصی است که از یک گاز بی اثر نظیر آرگون و مقدار بسیار کمی جیوه پرشاده است و معروف به لامپ های میکروب کش هستند. مکانیزم عمل کلیه این لامپ‌ها جریان یافتن الکترون دربخار یونیزه شده جیوه مابین دوالکترود است. به عبارت دیگر با ایجاد قوس الکتریک جیوه برانگیخته شده و تخلیه انرژی حاصله موجب تابش می‌گردد. قوسی که در لامپ فلورسنت بوجود می آید نیز به همین ترتیب تابش مشابه ایجاد می کند تنها تفاوتی که وجود دارد این است که حباب لامپ های فلووسنت را با ترکیبی از فسفر پوشا‌نده اند تا V U را به نور مرئی تبدیل نماید. بعلاوه شیشه بکار رفته در ساخت لامپ های میکروبکش معمولی نیست و اشعه UV و مرئی را منتقل می نماید. حدود 95درصد از UV تابش شده دارای طول موج 2537لانگستروم می باشد.
قدرت میکروب کشی این لامپ ها 5 تا10 برابر بیشتر از لامپ مای جیوه بافشار بالا است. خطوط تابثس از یک لامپ بخار جیوه با فشار کم شامل طول موج های 185- 245 – 313-365-405-436-546 نانومترمی باشد. حباب لامپ های مپکروب کش بخشی از نور با طول موج1849 آنگستروم را نیز منتقل می نماید. انرژی این تابش قادر په شکستن پیوندهای مو لکول اکسیژن است که ازن تولید می کند. درصنعت از آن دسته از لامپ ها که دارای حبابهای کاملاً شفاف نسبت به هر دو تابش آنگستروم باشند برای نگهداری اغذیه استفاده می‌برند.
طیف تابشی منابع تولیدUVمتفاوت است. در شکل7-2طیف های نمونه از لامپ‌های بخار جیوه با فشارکم و فشارمتوسط قابل ملاحظه میباشد. لامپ هائی که دراز وباریک هستند دفعتاً روشن می شوند، در دو انتهای این لامپ ها سیم پیچی‌های مارپیچ واری دیده می شودکه بعد از کار گرم می شود. عمر لامپ تابع عمر الکترود و دفعات استارت است.کاربرد این لامپ‌ها پرای تصفیه آب یا هوا یا کالاهائی که روی تسمه نقاله ریخته شده می باشد.
درواقع وقتی که بالاترین شدت از پرتو مورد نیاز باشد استفاده می‌شوند. لامپ های میکروب کش با کا تد سود نیز دفعتاً روشن می شوند ولی دفعات استارت بر عملکرد آنها اثر ندارد، لذا عمر بیشتری دارند و در دمای سرد هم کار می کنند. غالب دیگر انواع لامپ در دمای اتاق بهترین کار کرد را دارند و دمای کمتر یا بیشتر از25 موجب کاهش بازده UVمی شود.
لامپ های با فشار متوسط تابش‌هایی در محدوده 180 تا 1370دارند و درمقایسه با لامپ های کم فشار معادل، تقریباً 80 برابر بده میکروب کش بیشتر تولید می کنند که کمتر متاثر ازکیفیت و دمای پساب قرار می‌گیرد. لذا برای تامین یک دوز معین ازگندزدا یی تعداد لامپ‌های با فشار متوسط کمتری در مقایسه با نوع کم فشار لازم خواهد بود. نوع سومی از لامپ های در حال رواج نیز وجود دارد که تابش امواج آنها با شدت زیاد و ضربانی‌گونه می باشد .
انواع لامپ UV
مکانیزم غیرفعال سازی میکروبی بوسیلهUV
کندزدایی باUV یک روش فیزیکی است که وابسته به انتقال انرژی الکترومغناطیس ازمنبع نوربه سلول ارگانیسم (بویژه ماده ژنتیک سلول) می باشد. آنچه که در فهم مکانیزم ضد میکروبی UV کمک می‌کند توجه به این مطلب است که اشعه باید پیش از آنکه موثر واقع شود جذب شده باشد. باتوجه به تئوری کوانتم مشخص است که اثر یک کوانتم وقتی که با ماده وارد واکنش می شود تابع مستقیمی از مقدار انرژی است که دارد واین انرژی وقتی طول موج تابش آن کمتر باشد بیشتر است. طول موج های مابین 200 تا 1200 نانومتر دارای انرژی کافی برای ایجاد تغییرات فوتوشیمیایی هستند. نورمرئی بوسیله مولکول هائی موسوم به پیگمانها جذب می شود و این جذب بوسیله انعکاس یا تغییر درصد عبور نورمشخص می شود. اما جذب رادیاسیون‌های نامرئی عمدتأ بوسیله اسیدهای نوکلئینه و پروتئین هاکه بی رنگ هستند صورت می‌گیرد. این جذب شدیداً برای سلولهای زنده زیان آور است و مرگ ومیر بوجود آمده را تقریباً بطور کامل به صدمه فوتوشیمیایی این ترکیبات نسبت می دهند. همچنین مشخص شده است که مو لکول های اسیدی اکسی ریبونوکلئیک موجود در مولکول های جذب کننده اشعه برای باکتریها وغالب ویروس ها و اسید ریبونکلئیک (RNA ) برای برخی از ویروس‌ها اجزاء اصلی مورد هدف واقع شده فوتون‌های هستند و اثرات بیولوژیکی مهم در آن ها حادث می شود. DNA و RNA معمولاً 5 تا15 درصد از وزن خشک سلول هستند و در عملیات مختلف یک سلول بو یژه ذخیره و انتقال اطلاعات ژنتیک ایفای وظیفه می کنند. طیف جذبیDNAهمانطور که در شکل 7-3 دیده می شود در محدودة 250 تا 265 نانومتر دارای پیک است و دامنه بهینه طول موج را برای میکروب کشی نشان می‌دهد.
مهمترین مکانیزم ضدمیکروبیUV دیمریزاسیون دو مولکول پیریمیدین است. پیریمیدین از بازهای ازته هتروسیکلDNA RNA میباشد. باتشکیل این دیمرها عمل تکثیر بسیار مشکل می گردد.
میزان دز اشعه UV جهت نابودی 4 لگاریتمی پاتوژنها
جدول مزایای گندزایی با UV
کاربردهای قابل ذکر از گندزدایی با UV
منابع مصنوعیUV با هدف انجام گندزدایی کاربردهای وسیعی در بیمارستانها، آزمایشگاه ها و مدارس دارند. , ویروس ها، میکوپلاسما` ، باکتریها و قارچ ها معلق در هوا یا مایعات و یا موجود روی سطوح کار با این پرتو قابل نابود شدن هستند. چون UV در بسیاری از مواد از جمله اغذیه و الیاف نفوذ نمی کند نمی‌تواند عمل استریلیزاسیون،را با این پرتو انجام داد. جنس ماده مورد نظر نیز در نتیجه عمل گندزدایی دارای اثر است، بعنوان مثال سطح آلمومینیوم و شیشه استریل می شود ولی چوب، لاستیک وکاغذ که حتی3 ساعت در معرض 120 میکرووات بر سانتیمتر مربع پرتو بوده اند استریل نشده اند. مهم ترین کاربردهای ذکر شده از UV عبارتند از:
1 . نابود سازی ارگانیسم های هوا
2 . غیر فعال سازی میکروارگانیسم های موجود روی سطوح مواد معلق در مایعات.
3 . حفظ وگندزد ایی بسیاری از محصولات با ترکیب ناپایدار که بروش های مرسوم قابل تصفیه نمی باشند.
برخی ادعا کرده‌اند که آئروسول ها از سوسپانسیون های موجود در مایعات در برابر UV حساس ترند اما بعقیده عده‌ای دیکر حساسیت ها میتواند مشابه باشد. استفاده ازUV برای گندزدایی نمونه های باکیفیت های مختلف از آب و فاضلاب نیز روان فراوانی پیدا کرده است. متداولترین کاربردهای ذکر شده از سیستم UV برای واحدهای گندزدایی آب در نقاط مصرف و در نقاط ورود به مجموعه های مسکونی صنایع و بیمارستانها می باشد.کاربردهایی نیز برای گندزدایی آب مصرفی جوامع بزرگ گزارش شده و در اروپا در بیش از 2000 شهر استفاده از این پرتو رواج دارد. نتایج درخشانی که دوسال های اخیر از کاربرد UV کسب شده دلیل دیگری بر اثبات این ادعا ست که این گندزدای فیزیکی می تواند وسیله ای مناسب برای تأمین آب سالم شرب جوامع مختلف باشد. در جدول7-2 فهرستی از کاربردهای مختلف استفادد از uv قابل ملاحظه می باشد.
یک مورد استفاده دیکر از لامپ های UV در نمونه هایی از دستگاه‌های اندازه گیری می باشد. در این دستگاد لامپ در داخل محفظه اکسید کننده قرار دارد و نمونه آب یا پساب مورد سنجش در گذر از این محفظه تحت تحریک اشعه اکسید می‌گردد.
اطلاعات مورد نیاز برای طراحی راکتورهای UV و نحوه پایش و کنترل
تشریح فرآیندگندزدایی با UV
گندزدایی به کمک UV یک پروسه فیزیکی است که برمبنای انتقال انرژی الکترو مغناطیسی از لامپ به ماده تشکیل دهنده سلول ارگانیسم بویژه مواد ژنتیکی سلول ( DNA ) استوار است. اثرات مرگ آفرین این انرژی قدرت تکثیر را از سلول سلب می‌کند طیف جذبی DNA همانطور که در شکل شماره 7-3 نشان داده شده بین250و 265نانومتر دارای پیک است و دامنه بهینه طول موج را برای میکروب کشی آشکار می سازد. با توجه به اینکه حدود 85 درصد از بده انرژی لامپ های بخار جیوه با فشارهم بصورت تابش تکفام 2537 آنگستروم است مطلوب بودن این لامپ ها برای گندزدایی مشخص می‌گردد.
سینتیک های گندزدایی
کارایی پرتو در میکروب کشی تابع مستقیمی از مقدار انرژی یا دزی است که بوسیله ارگانیسم جذب می شود. این دز را می توان بصورت حاصلضرب سرعت تحویل انرژی به ارگانیسم ( یا شدت) و زمان در معرض بودن ارگانیسم بیان نمود. بطریق دیگر می‌توان دز گندزدایی را در استفاده از UV بر حسب نیروی میکروب‌کشی تابش شده از لامپ در واحد حجم سیال بعنوان مثال برحسب وات بر متر مکعب تعریف نمود.
غیر فعال شدن باکتری حا بوسیله UV بطور تقریب و با توجه به قانون Chick با عبارت درجه اول زیر نمایشی داده میشود:
\
No = دانسیته اولیه باکتریها (ارگانیسم / میلی لیتر)
N = دانسیته باکتریها بعد از تماس با UV (ارگانیسم / میلی لیتر)
K = ثابت سرعت غیر فعال سازی
I = شدت انرژی میکروبکش
T = زمان تماس
حاصلضرب It عبارت است از مقدار انرژی یا دزکه بر حسب میکرووات ثانیه بر سانتیمتر مربع بیان می شود. جدول 7-3 میزان دز لازم برای نابودسازی ارگانیسمهای مختلف را بوسیله پرتوUV معرفی نموده است. حدا قل دز لازم برای گندزدایی آب و پساب ثانویه بترتیب معادل 16 و30 میلی وات ثانیه بر سانتی متر مربع است. در سیستم‌های گندزدایی فاضلاب آرایش لامپ ها بطور معمول در شرایط جریان پیک تأمین کننده یک کیلو وات در میلیون گالن پرتو می باشد.
با رسم لگاریتم نسبت بقا در برابر دز اشعه چنانچه سرعت گندزدایی مطابق با قانون چیک ثابت فرض شود مطابق با شکل 7-10 خط مستقیمی بدست می‌آید که شیب آن مقدار ثابت سرعت غیر فعال سازی را نشان می دهد. در موارد انحراف از قانون چپک ممکن است سرعت گندزدایی با افزایش زمان زیاد یا کم گردد. از جمله عواملی که موجب تغییر سرعت می گردد (وجود انحراف های صعودی = Shoulders) مخفی شدن باکتریها درون ذرات و یا در لابلای یکدیگر می باشد. غالباً در چنین مواردی وقفه‌های زمانی تا لحظه شروع گندزدایی مشاهده شده است. Severin و همکارا نش نشان دادند که مدل Series Event بخوبی می تواند سینتیک گندزدایی با UV را تشریح نماید. نباید انتظار داشت که دما و pH موجب تغییرات بارز در کارایی گندزدا یی با UV گردند.
اطلاعات مورد نیاز برای طراحی راکتورهای UV
با توجه به روابط فوق الذکر که اساس کار برای طراحی راکتورهای گندزدایی با UV برمبنای اصول ریاضی می باشد مشخص می شود که اطلاعات کلیدی برای طراحی عبارتند از شدت UV در داخل راکتور وکیفیت آب یا فاضلاب مورد تصفیه. همچنین خصوصیات جریان باید به گونه ای باشدکه استفاده حداکثر از انرژی UV امکان پذیر گردد و یا بعبارت دیکر مقادیر اتلاف انرژی به حداقل نیز برسد. در این مبحث پارامترهای مهم طراحی عوامل موثر برکارایی گندزدایی با uv معرفی شده است. بطور کلی عوامل مؤثر را در سه بخش می‌توان مورد بحث قرار داد. عوامل مربوط به خصوصیات لامپ عوامل مربوط به کیفیت آب و فاضلاب و عوامل مربوط به خصوصیات جریان.
اجزا تشکیل دهنده سیستم UV
خصوصیات لامپ
شدت UV: سرعتی که تحت آن ارگانیسم‌ها غیرفعال می‌شوند برحسب تابعی از شدت نور UV در راکتور قابل بیان میباشد. لذا مشخص کردن شدت در یک سیستم مهم است. شدت در یک راکتور تابعی از نوع منبع uv (بازده) آرایش فیزیکی منبع نسبت به آب یا فاضلاب (مکان و آرایش لامپ ها) و میزان پرت انرژی است. پرت انرژی موجب رقیق شدن بازده منبع پیش از استفاده برای گندزدایی می گردد.
تعیین شدت نور در راکتورهای پیچیده و چند لامپی آسان نمی باشد. در حال حاضر هیچ دتکتوری وجود ندارد که بتوان با آن شدت نور را در این سیستم‌ها اندازه‌گیری نمود چون دتکتورهای موجود گیرنده‌های صفحه‌ای محسوب می شوند و فقط انرژی برخورد کرده با سطح صاف سنجش اندازه‌گیری می شود. لذا چون روش قابل قبول مستقیمی برای سنجش وجود ندارد برآورد شدت نور در راکتور از طریق مدل‌های محاسبه ای یا توسل به روش های تجربی نظیر آلتینومتری شیمیایی و تست های بیولوژیکی مورد توجه قرار گرفته است.
در راکتورهای با آرایش‌های مختلف از لامپ ها شدت نور متفاوت خواهد بود. روش محاسبه ای فقط برای تعدادی از طراحی ها قابل عمل می باشد، با این روش می توان شدت را برحسب تابعی از دانسیته UV راکتور و انرژی UV جذب شده بدست آورد.
دانسیت (1)D بعنوان مجموع نیروی نظری UV (درnm 253/7 ) موجود در یک راکتور بخش بر حجم مایع در راکتور تعریف می شود:
دانسیته نور مستقیماً در ارتباط با فاصله‌گذااری لامپ ها می باشد، هر چه فاصله‌ها کمتر باشد دانسیته نور در راکتور بیشتر خواهد بود. از مقایسه چهار آرایش ذکر شده برای سیستم‌های UV و با داشتن یک دانسیتهUV معین،کارایی مدل یونیغرم بهتر وکارایی مدل لوله ای از همه کمتر می باشد. نوع یونیفرم بر آرایش در هم قدری تفوق نشان می دهد. آرایش‌های درهم و متحدالمرکز نیز از نظر کارایی تامین شدت نور نتایج مشابه ای نشان داده اند.
برای برآورد شدت واقعی نور در یک راکتور (Iave) رابطه زیر ارائه شده است:
Iave = (nominal Iave) x (fp)(ft)
fp = نسبت بازدهی واقعی لامپ ها به بازدهی نظری لامپ ها
ft = نسبت قابلیت انتقال واقعی غلاف ها یا لوله ها به انتقال نظری غلاف ها یا لوله ها (برای محاسبه شدت فرض می شود که قابلیت انتقال نظری 100٪ باشد)
برای سیستم های کوار تز و تغلونی چنانچه نگه داری از سیستم های ایده آل باشد، ft بترتیب 0/7 و0/6 بعنوان ارقام حداقل در نظر گرفته می شود.
با توجه به رابطه7-11مشخص است که کاهش انرژی نور با طول موج 253/7 نانومتر
ناشی از دو بخش عمده می باشد: افت بازده لامپ (fp) و تغییر در قابلیت انتقال ضمائمی (غلاف های کوارتزی و یا لوله های تفلونی)که موجب مجزا شدن لامپ از مایع هستند(ft).
بازده لامپUV
بازده لامپ از فاکتورمای مؤثر بر شدت UV در راکتور محسوب می شود. بازده رزونانس یک لامپ شدیداً به حفظ شرایط بهینه تخلیه در بخار و شرایط بهره برداری در مدت عمر لامپ مربوط می باشد و می‌توان گفت بسیاری از عواملی که مربوط به بازده می شوند به کار طراحی یا اپرا تور وابسته نبوده و صرفاً متاثر از شرایط محیطی حاکم بر دستگاه هستند. مسلماً اطلاع از عواملی که در این رابطه دارای نقش می‌باشند حائز اهمیت است.
بازده لامپ در هر زمان متاثر از دمای لامپ و پتانسیل ولتاژ بکار رفته در عرض لامپ می باشد و با گذشت مدت بهره برداری کاهش می‌یابدکه بعلت عوامل مستهلک کننده خواهد بود.
ولتاژ: تشعشع تابعی از جریان قوسی است ، ازاین حقیقت می توان بمنظور تغییر بازده لامپ از طریق تنظیم ولتاژ و صرفه جویی در مصرف انرژی بهره برداری نمود.کاهش ولتاژ منجر به کاهش در جریان خواهد بود. به این ترتیب طی دوره هایی از زمان که نیاز بهUVR کم باشد می توان با پایین آوردن ولتاژ لامپ روشنایی را تنزل داد. این عمل موجب کاهش بهره برداری انرژی از لامپ است. عموماً می‌توان شدت لامپ را تا مقادیری نه کمتر از 50 درصدکاهش داد در غیر این صورت جریان لامپ بسیارکم شده ،لامپ شروع به سوسوزنی کرده و نهایتاً خاموش میشود.
دما: درجه حرارت بهینه دیواره لامپ برای حداکثر کارایی عمومأ بین 35 و ‘C 50 است. در سیستم های غوطه‌ورکه معمولآً لامپ ها درون غلاف‌‌های کوارتزی هستند لایه هوای بین کوارتز و دیواره لامپ بصورت یک حائل عمل نموده و لامپ را از خنک شدن توسط آب حفظ می‌کند. به این ترتیب می توان گفت که غلاف های کوارتزی نقش ایزولاتور را دارند. به عقیدهScheible وBassell دمای آب سرد اثر کمی بر دمای سنجش شده دیواره حباب دارد. در یک تحقیق صورت گرفته در این زمینه مشخص شد که تحت دماهایی از آب که مساوی 21/3 و10/5 بوده دمای لامپ بترتیب مساوی 43 و40 برآورد شده است.
کنترل دمای لامپ در سیستم های غوطه ور در اکثر شرایط طراحی عملی نیست. اما در سیستم های بدون تماس از قبیل سیستم‌های با آرایش لوله‌ای حفظ لامپ ها در حرارت بهینه بوسیله کنترل دمای هوای اطراف لامپ ها امکان پذیر است. در مواردی که گرما مورد نیاز باشد می توان حرارت منتشره توسط تر‌انس های لامپ ها را در داخل راکتور لامپ به گردش درآورد و در مواردی که حرارت زائد است نیز می توان بوسیله پنکه هایی هوای سردتر بیرون را وارد راکتور نمود.
دما: درجه حرارت بهینه دیواره لامپ برای حداکثر کارایی عمومأ بین 35 و ‘C 50 است. در سیستم های غوطه‌ورکه معمولآً لامپ ها درون غلاف‌‌های کوارتزی هستند لایه هوای بین کوارتز و دیواره لامپ بصورت یک حائل عمل نموده و لامپ را از خنک شدن توسط آب حفظ می‌کند. به این ترتیب می توان گفت که غلاف های کوارتزی نقش ایزولاتور را دارند. به عقیدهScheible وBassell دمای آب سرد اثر کمی بر دمای سنجش شده دیواره حباب دارد. در یک تحقیق صورت گرفته در این زمینه مشخص شد که تحت دماهایی از آب که مساوی 21/3 و10/5 بوده دمای لامپ بترتیب مساوی 43 و40 برآورد شده است.
کنترل دمای لامپ در سیستم های غوطه ور در اکثر شرایط طراحی عملی نیست. اما در سیستم های بدون تماس از قبیل سیستم‌های با آرایش لوله‌ای حفظ لامپ ها در حرارت بهینه بوسیله کنترل دمای هوای اطراف لامپ ها امکان پذیر است. در مواردی که گرما مورد نیاز باشد می توان حرارت منتشره توسط تر‌انس های لامپ ها را در داخل راکتور لامپ به گردش درآورد و در مواردی که حرارت زائد است نیز می توان بوسیله پنکه هایی هوای سردتر بیرون را وارد راکتور نمود.
عمر لامپ: عوامل متعددی موجب محدود ساختن عمر مفید لامپ هستند. این عوامل شامل نقص الکترودها، اندود شدن جیوه روی دیواره داخلی لامپ (کدر شدن لامپ ) و تابش از ضماثم لامپ (کاهش قابلیت انتقال) می باشند. تمام این عوامل منجر به نزول دائمی بازده لامپ در طول موجnm 253/7 هستند و ممکن است موجب شوند بازده واقعی به حد 40 تا 60 درصد از بازده نظری در پایان عمر لامپ برسد.
بازده لامپ طی عمری که دارد اساساً متأثر از شدت کدر شدن و تابش از لوله لامپ می باشد و عمر واقعی به وضعیت الکترودها بستگی دارد. لامپ های میکروب‌کشی متداول از نوع دارای الکترود های داغ هستندکه نزول کیفیت آنها با افزایش تعداد استارت حالت تصاعدی دارد. لذا عموماً پیش بینی لامپ بر طبق تعداد دفعاتی که لامپ را روشن کرده اند یا بعبارت دیکر سیکل روشنایی برآورد می شود. عمر لامپ ذکر شده توسط اکثر کارخانجات7500 ساعت است که مبنی بر یک سیکل 8 ساعته کار می باشد. متوسط بازده UV دراین حالت 70 درصد بازده لامپ در 100 ساعت برآورد شده است. متذکر می شود که لامپ های جیوهای با فشارکم بعد از صد ساعت کار به بازده نظری خود می رسند.
کیفیت آب یا فاضلاب
کیفیت کلی آب یا فاضلاب در ارتباط با میزان پیش تصفیه‌ای است که اجرا شده است. اما کیفیت واقعی را باید خارج ازکنترل اپراتور و یا غیر قابل تاثیر از طراحی دانست ، حتی باید گفت لازم است طراحی به گونه ای باشد که شرایط مختلف از نظر کیفیت آب یا فاضلاب را متحمل شود. سه پارامتر مهم مربوط به کیفیت آب که نقش بیشتری بر طراحی یا عملکرد یک سیستم UV دارند عبارتند از: دانسیته اولیه باکتریایی، مواد معلق و ضریب جذب UV
جدول اثرات کیفیت آب بر کارایی اشعه UV
ضریب جذب UV
اثر مزاحمت ساز ناشی شده از برخی از مواد محلول را نیز در نظر می گیرد. در جدول 7-4 مهمترین مواد محلول و نامحلول هدر دهنده قدرت پرتو که درمنابع طبیعی آب و یا فاضلاب ها قابل یافت هستند معرفی شده است. اگر ناخالصیهای معدنی و آلی در آب زیاد باشد رسوب گذاری روی لامپ تشدید می شود. بطور کلی توصیه می شود در آب مورد گندزدایی غلظت آهن وهیدروژن سولفوره به ترتیب از 1/0 و 2/0 میلی گرم در لیتر بیشتر نباشد. سختی آب نیز کمت از mg\l 140 باشد.
دانسیته اولیه باکتری ها
نحوه عملکرد یک سیستم UV مستقیماً در ارتباط با دانسیته اولیه ارگانیسمهای اندیکاتور می باشد. بطور معمول این رقم پارامتری نیست که در تصفیه خانه ها قابل پایش باشد. دانسیتههای اولیه را صرفاً با توجه به نوع فرآیندهای تصفیه ماقبل مراحل گندزدایی نمی توان پیشبینی نمود و توصیه شده است که این اطلاعات را پیش از طراحی جمع آوری نمایند. می توان پساب های مشابه را از تصفیه خانههای موجود در منطقه ، مورد بررسی قرار داد یا چنانچه اصلاح تصفیه خانه در نظر است، در محل تجهیزات موجود بررسی را به انجام رساند. بطور کلی نحوه عملکرد سیستم بوسیله لگاریتم نسبت بقا و یا تعداد لگاریتمی کاهش دانسیته معرفی میشود. لازم است که دانسیته اولیه باکتری ها را تحت شرایط متوسط و ماکزیمم مورد انتظار برای تصفیه خانه تعیین نمود.
جامدات معلق
مخفی شدن باکتری ها در ذرات اثر مهمی بر طراحی یک سیستم دارد و همانطور که ذکر شد دانسیته باکتریایی ذره ای در ارتباط با غلظت مواد معلق میباشد. به این ترتیب اندازه گیری جامدات معلق بعنوان یک اندیکاتور مهم جهت تعیین کیفیت این ذرات ضروری خواهد بود. از آنجایی که حدود جامدات معلق آب و یا پساب در عمل بوسیله طرح تصفیه خانه تنظیم می شود، مقادیری از این جامدات که می باید در طراحی فرآیند گندزدایی مورد ملاحظه قرار گیرد محدود خواهد بود. نقطه نظر دیگر میزان تغییرات جامدات معلق است.
بعنوان مثال چنانچه تصفیه خانهای برای این مورد طرح شده است که غلظت جامدات معلق آن بطور متوسط از 30 میلیگرم در لیتر برای 30 روز متوالی بیشتر نشود ، حدودی از این جامدات که می باید بر یک مبنای سالانه متحمل شود احتمالاً بین 10 و 20 میلیگرم در لیتر خواهد بود. توجه به این نکات می تواند از لحاظ تعیین اندازه متوسط تجهیزات UV و تعیین ملزومات عملیاتی دارای اثر باشد.
مخفی شدن باکتری ها در ذرات اثر مهمی بر طراحی یک سیستم دارد و همانطور که ذکر شد دانسیته باکتریایی ذره ای در ارتباط با غلظت مواد معلق میباشد. به این ترتیب اندازه گیری جامدات معلق بعنوان یک اندیکاتور مهم جهت تعیین کیفیت این ذرات ضروری خواهد بود. از آنجایی که حدود جامدات معلق آب و یا پساب در عمل بوسیله طرح تصفیه خانه تنظیم می شود، مقادیری از این جامدات که می باید در طراحی فرآیند گندزدایی مورد ملاحظه قرار گیرد محدود خواهد بود. نقطه نظر دیگر میزان تغییرات جامدات معلق است.
جذب UV : این پارامتر صرفاً در زمینه گندزدایی با UV مطرح می شود و معیاری از انرژی UV مورد نیاز نمونه آب یا فاضلاب مورد نظرمی باشد و بر شدت پرتو در راکتور دارای اثر خواهد بود. UV مورد نیازمانند کلرمورد نیاز می باید برای نمونه آب مورد نظر تأمین گردد تا گندزدایی مؤثر واقع شود. این پارامتر بعلت جذب انرژی بوسیله اجزا شیمیایی موجود در آب یا فاضلاب می باشد. تعدادی از ترکیبات آلی و معدنی موجود در فاضلابها موجب جذب موج7/253 نانومتر هستند و لذا بر شدت نور درون راکتور اثر می گذارند. در موارد خاص ممکن است اندازه سیستم و احتمالاً آرایش لامپ ها متاثر از مقدار جذب فوق باشد. بعبارت دیگر در محاسبه شدت در یک راکتور پیچیده و در فرمول نهایی محاسبه ، شدت متوسط بعنوان تابعی از ضریب جذب UV مطرح می شود.
اثر ذرات معلق بر جذب UV
توجه به این نکته حائز اهمیت است که روش سنجش مستقیم جذب نور براساس این فرض است که نور دیده نشده بوسیله دتکتور اسپکتر و فوتومتر تماماً بوسیله مایع جذب شده است ولی این فرض در مورد نمونه های حاوی ذرات معلق یا کلوئید همیشه ممکن است صادق نباشد، زیرا این ذرات می‌توانند بخشی از نور را منعکس فمایند. این نور منعکس شده چون از مسیر مستقیم آن نسبت به سل کوارتزی منحرف شده بوسیله دتکتور قابل سنجش نیست. لذا در روش مستقیم معمولاً اضافه برآوردی نسبت به جذب واقعی مایع وجود خواهد داشت.
کوالز و همکاران و شیبل و همکاران نشان داده‌اندکه ذرات محلق وکلوئیدها مقادیر مهمی از انرژی فورانی را جذب نکردد و در حقیقت آن را به مایع برمی گرداند. لذا این نکته که سنجش جذب بتواند اثر انعکاس را نیز در برگیرد و مقداری ارائه دهدکه نماینده واقعی جذب نور باشد دارای اهمیت میشود.
همانطور که ذکر شد روشهای مرسوم برای محاسبه شدت در یک راکتور عمومآً براساس این فرض استوار هستندکه ضریب جذب UV نماینده جذب واقعی مایع می باشد. برای در نظر گرفتن اثر انعکاس نور و اصلاح ارقام جذب، شیبل و همکارانش یک وسیله فرعی به اسپکتروفومتومترUV/vis ضمیمه نمود.
این وسیله که سنجش جذب را از لحاظ اثر انعکاس نور مورد تصحیح قرار می دهد در واقع کره ای است که سل کوارتزی را احاطه می کند. هر شعاع نوری منعکس شده روی سطح این کره جذب می شود و سطبه مزبور موجب یک کاسه کردن مقدار نور جمع شده و تصحیح جذب سنجش شده از طریق دتکتور از نوع پرتو مستقیم می شود. بنظر می رسد این جذب که در تحقیق مزبور بعنوان ضریب جذب کره ای خوانده شده نماینده واقعی تری از جذب حقیقی مایع بوده و جهت برآورد شدت در یک راکتور مناسبتر باشد.
درشرایطی که سنجش ضریب جذبUV با تصحیح فوق‌الذکر میسر نباشد می توان ضریب جذب را برای نمونه‌های صاف شده و به همان طریقه مستقیم تعیین نمود. در غالب موارد رقم بدست آمده تقریب خوبی از جذب واقعی خواهد بود و البته چنانچه از مامبران فیلتر جهت جد اسازی ذرات بزرگتر از یک میکرون استفاده شود نتایج بهتری بدست خواهد آمد. لازم است که فیلترها قبلاً شسته شده باشند چون ممکن است مواد جاذب UV اضافه نمایند.
تنظیف سیستم UV
نظافت لامپ های UV به دو طریقه فیزیکی و شیمیایی امکان پذیراست. روشهای فیزیکی شامل: 1- وسایل مکانیکی اتوماتیک ،2- وسایل مافوق صوت ، 3- آب پاش های با فشار زیاد و 4- وسایل تنظیف با هوا. مواد شیمیایی مورد استفاده شامل اسید سولفوریک ، اسید هیدروکلریدریک و اسید فسفریک می باشند.
غالباً سیستم‌های UV شامل یک یا چند وسیله فیزیکی تنظیف هستندکه در موارد نیاز و هرچندگاه می‌توان از مواد شیمیایی برای تکمیل نظافت استفاده نمود.
در مورد تصفیه خانههای کوچک که انجام نظافت اتوماتیک معمولاً مقرون بصرفه نیست ، تنظیف هرچندگاه بطور دستی کفایت می کند.
ارزش UV برای گندزدایی آب آشامیدنی: ارزش UV در گندزدایی پساب ثانویه مشخص شده است اما باید توجه داشت که مقررات مربوط به گندزدایی آب شرب متفاوت از فاضلاب است. در مورد فاضلاب، میکروب‌هایی که بعنوان اندیکاتور آلودگی به مدفوع معرفی شده اند به مقدار زیاد وجود دارند و سنجش آنها از طریق منحنی غیر فعال سازی UV به آسانی امکان پذیر است. از همین منحنی نیز می‌توان برای انتخاب دوز طراحی سیستم گندزدایی جهت نیل به سطح مورد نظر از غیرفعال سازی میکروبی استفاده نمود. اما در مورد آب شرب غلظت میکروب های اندیکاتور غالباً کمتر از حدود قابل تشخیص در متدهای ارزیابی است.
اثرات زیست محیطی و بیولوژیکی و ملاحظات ایمنی:
UVدر زمره تابش‌های غیر یونیزه کننده از اهمیت ویژه ای برخوردار است که بعلت انرژی بیشتر فوتونها می باشد. این مساله می تواند منجر به بروز عکس‌العمل های مختلف بیولوژیکی گردد. اما از طرفی قدرت کم نفوذ این اشعه موجب می‌شودکه غالب اثرات مستقیم بیولوژیکی محدود به بافت های سطحی باشد. جذب UV بوسیله غشای مخاطی چشم و پلک ها ممکن است بعد از گذشت 6 تا 12 ساعت از زمان تماس منجر به آماس ملمتحمه شود ولی غالبأ اثر مزبور موقتی می باشد.
اثرات بیولوژیکی تابش UVبرای موجودات زنده زیان آور است و این ناحیه از نور موجب بروز التها بهای پوستی می باشد. در مورد اثرات بیولوژیکی اطلاعات چندانی در دست نیست .اینکه کفته می شود این بخش از اشعه می تواند اثرات تابش را تشدید کند و درکنار تعدادی از عوامل شیمیایی موجب آسیب بافت، مسمومیت آلرژی گردد. طول موج های کمتر از 280 نانومتر می تواند موجب بروز اثرات سو ولی غالبأ نه چندان خطرناک برای پوست و چشم گردد. اما در عمل گندزدایی آب یا پساب با UVو تا زمانی که لامپ بصورت غوطهور هستند هیچ خطری متوجه کارکنان تسفیه‌خانه نخواهد بود چون آب به حد کافی جاذب رادیاسیون می باشد.
به طور کلی عمل گندزدایی با UV از نقطه نظر ایمنی مقبول محسوب میشود زیرا مستلزم حمل و انبار و نمودن مواد شیمیایی خطرناک و خورنده نمی باشد. رعایث مقررات جدید وضع شده در مورد نحوه ذخیره سازی وکاریزد مواد شیمیایی خطرناک مانند زنون که موجب افزایش هزیینه عملیات کلرزدنی وگندزدایی شده در مورد این روش فیزیکی مساله ساز نبوده است. اما رعایت احتیاط های لازم در مورد کاربرد وسایل برقی با ولتار زیاد انجام سیم کشی‌ها بطور صحیح ، اتصال به زمین و واترپروف نمودن ضروری است. لامپ ها و تر انس ها مستعمل را باید بنحو صحیح، دفع نمود. سایر نکات ایمنی برای کارکنان تصفیه خانه شامل استفاده از عینک های پلاستیکی مخصوص در مواقع بازرسی لامپ ها در حالت غیر غوطه ور می باشد. چنانچه پنجره بازرسی تعبیه نشد و صورت و دست‌ها نیز در معرض قرار می گیرند لازم است که پوشاندن آنها پیش بینی شود.
بطور کلی یکی از مهمترین دلایل مقبولیت گندزدایی با UV مسائل زیست محیطی بوجود آمد ازکلر زنی پساب‌ها بوده است. مسائل مشابه در مورد تعدادی دیگر از مواد شیمیایی گندزدا نیز قابل بروز می باشد. که فراورده های جانبی ان برای فون و فلور آب های پذیرنده خاک هایی که بعدا ممکن است مورد ابیاری قرارگیرند سمیت دارد و لذا در استفاده مجدد از پساب لازم است که کل کلر باقی مانده به حد بسیار قلیلی رسیده باشد. نور uv طی کندزدایی پساب مادهای را حذف ننموده و چیزی نیز اضافه نمی کند جز اینکه از تعداد میکروبهای زنده آب کاسته می شود. حتی با اعمال دزهای بیشتر از حد نیاز از اشعه تشکیل هیچ نوع فراورده جانبی جهش زا گزارش نشده است. بطور کلی پتانسیل ثشکیل فرآورده‌های جانبی درعمل گندزدایی آب با UV ناچیز است چون شدت‌هاای مورد استفاده از اشعه جهت گندزدایی کمتر از مقادیر لازم برای بروز اثرات فوتوشیمیایی می باشد. اما بعضی از ترکیبات شیمیایی ممکن است بو سیله UV تغییرکنند اعتقاد بر این است که شکسته شدن بعضی از ترکیبات منجر به تشکیل فرم‌های کم خطرتر میشود. البته صحت این ادعا مستلزم انجام تحقیقات بیشتر میباشد. در حال حاضر باید قبول کرد که گندزدایی باUV هیج اثر منفی یا مثبت برای محیط زیست ندارد. صحت این مطلب تاکنون با انجام چندین تست زیست سنجی بر روی موجوداتی مانند ماهی قزل آلا تایید شده است.