Светодиоды (LED) привлекли большое внимание в мире УФ-излучения. Преимущества УФ-светодиодов перед традиционными ртутными лампами в настоящее время хорошо известны. Однако до недавнего времени их низкая выходная мощность ограничивала их применение в небольших приложениях на месте использования. Тифон-БИО-310-УФ-Реактор Рис. 1.

УФ-реактор Typhon BIO-310. Компания Typhon Treatment Systems была основана в 2014 году с единственной целью разработки технологий УФ-светодиодов для обработки более высоких непрерывных потоков воды в соответствии с требованиями муниципальных и промышленных предприятий. В то время многие считали, что это было слишком рано, но быстрое развитие УФ-светодиодов за последние четыре года позволило Typhon утвердить свою первую систему, BIO-310, в июле 2018 года. В этой статье представлены результаты проверки Светодиодный УФ-реактор БИО-310 (рисунок 1). Реактор был аттестован в соответствии с Руководством по ультрафиолетовой дезинфекции Агентства по охране окружающей среды США (UVDGM 2006) с некоторыми изменениями из более поздней статьи «Инновационные подходы к валидации реакторов ультрафиолетовой дезинфекции для систем питьевой воды» (Wright 2018).

Реактор Конструкция реактора была оптимизирована с использованием оптического моделирования для максимального пропускания света в проточную ячейку. светопроникающий реактор Рисунок 2 (справа). Проникновение света через реактор для почти равномерного распределения дозы. Реактор состоит из кварцевой трубки диаметром 300 мм x 1,2 м, окруженной массивом из 1000 осветительных устройств, каждый из которых включает светодиодный источник света и отражатель, который направляет свет в оптимизированную точку фокусировки, что приводит к почти однородному освещению через полное сечение реактора (рисунок 2). Двадцать осветительных устройств образуют кольцо по периметру, 50 колец по длине реактора обеспечивают равномерное распределение дозы УФ-излучения.

Для проверки использовались светодиоды LG Innotek UV-C с максимальной длиной волны 275 нм и оптической мощностью 100 мВт при 350 мА. Хотя эффективность настенных розеток светодиодов UV-C все еще низка по сравнению с обычными системами с ртутными лампами низкого давления, гораздо более высокий КПД реактора компенсирует повышение общей эффективности системы. Выбор поставщика был основан на выборе светодиодов с максимальной выходной мощностью, доступной на момент проверки. Методология Применялся метод проверки UVDGM с использованием подхода расчетной дозы УФ-излучения. Проверочные испытания проводились на заводе по очистке воды Cumwhinton на севере Англии, при этом контрольная вода отбиралась после обычной фильтрации (т.

Е. Коагуляции / осветления / быстрой гравитационной фильтрации). Вода имела УФ-Т 254 около 97% и не была хлорирована. SuperHume использовали в качестве поглотителя УФ-излучения для регулирования УФ-Т воды, а MS2 использовали в качестве контрольного микроорганизма. Было протестировано 27 условий, состоящих из перестановок следующих условий: Производительность: 80, 125 и 250 м3 / ч УФ-Т: 90%, 95% и 98% УФ-Т (при 275 нм) Выходная мощность: 34%, 74% и 100% от полной выходной мощности Расчетная доза УФ-излучения Два долгосрочных регламента по усиленной очистке поверхностных вод Агентства по охране окружающей среды США (LT2ESWTR 2006) сосредоточены на лечении Cryptosporidium , Giardia и вирусов.

Подтвержденная-УФ-доза-F Таблица 1. Подтвержденная доза УФ-излучения F (мДж / см2) для инактивации Cryptosporidium (LT2ESWTR 2006) В случае УФ-дезинфекции минимальные дозы УФ-излучения указаны для различных коэффициентов удаления бревен. Для питьевой воды наиболее важной мишенью часто является Cryptosporidium, для которой требуемые дозы УФ-излучения приведены в таблице 1. В UVDGM 2006 указано, что экспериментальная уменьшенная эквивалентная доза (RED) определяется по формуле: КРАСНЫЙ = подтвержденная доза УФ-излучения × VF     (1) где VF - коэффициент валидации, определяемый по формуле: VF = B КРАСНЫЙ × B poly × (1 + U val ) (2) где B RED - коэффициент смещения RED; B poly - коэффициент полихроматического смещения; и U val - неопределенность проверки, выраженная в процентах от RED. Для монохроматических источников света (например, УФ-светодиода с длиной волны 275 нм) B poly составляет 1,0.

U val можно расширить как: U val = ( U IN 2 + U DR 2 + U S 2 ) 0,5    (3) где U IN = неопределенность интерполяции; U DR = неопределенность реакции на дозу УФ; и U S = погрешность УФ-датчиков. Согласно UVDGM, если U S <10% и U DR <30%, они могут быть установлены на ноль, как это было в исследовании, поэтому U val = U IN . Главное уравнение Подход с расчетом дозы УФ-излучения в UVDGM включает определение RED для ряда условий испытаний с использованием контрольного микроорганизма (в данном исследовании использовался MS2), а затем подгонку к основному уравнению. Для этого исследования было выбрано основное уравнение, полученное из статьи «Инновационные подходы» (Wright 2018), поскольку оно, как оказалось, лучше всего соответствовало данным: уравнение Болтона-Атина-4      (4) где UVA - коэффициент поглощения (см –1 ) воды при 275 нм; D L - доза УФ-излучения на логарифм тестируемого микроорганизма (MS2); S / S 0 - коэффициент датчика, где S - показание датчика, а S 0 - показание датчика при полной мощности; Q - расход (м 3 / ч); а A , B , C , D и E - подходящие параметры. Экспериментальные данные RED должны соответствовать уравнению 4 с константами подгонки, определенными с помощью анализа нелинейной регрессии с использованием функции решателя в Excel.

Ограничения должны применяться так, чтобы C + D × UVA + E × UVA 2 ≤ 1.0 и его производная (D + 2 * E × UVA) ≤ 0. Линейная регрессия RED против RED (calc), принудительно проходящая через ноль, должна имеют наклон в пределах 2% от 1,00 и R2> 0,95. Было обнаружено, что среди всех условий относительная ошибка (∆RED / RED) является случайной и не зависит от RED, поэтому предполагается, что величина   U ´ IN = t × SD´     (5) адекватно представляет неопределенность, где SD´ - стандартное отклонение относительных различий между измеренными и прогнозируемыми значениями RED, определяемыми корреляцией RED и RED (вычисление), а t - коэффициент ( t = 2,05), определяющий доверительную вероятность 95%. уровень.

потом уравнение Болтона-Атина-6  (6) КРАСНЫЕ цвета на кривой доза-реакция в УФ-диапазоне график-для-MS2-из-образцов-коллимированного-луча-против-УФ-дозы Рисунок 3. График логарифма (N0 / N) для MS2 из образцов с коллимированным пучком в зависимости от дозы УФ-излучения. Для каждого из 27 условий испытаний были взяты четыре пробы входящего и четыре выходящего потока, приуроченные к времени таким образом, чтобы данный образец выходящего потока был взят из той же воды, что и для данного входящего образца. Условия испытаний были разделены на три набора - по одному для каждого UV-T. Для каждого набора была взята вода, содержащая MS2 (но не обработанная УФ-излучением), с целью проведения анализа зависимости реакции от УФ-излучения (см.

Пример на Фигуре 3). Затем эти данные были подогнаны к квадратному уравнению, как показано на рисунке 3. UVDGM - и документ «Инновационные подходы» - рекомендует построить график зависимости дозы УФ-излучения от логарифмической инактивации ( N 0 / N ), чтобы преобразовать данные по стокам / потокам в КРАСНЫЙ. Однако этот подход считается ошибочным, поскольку в регрессионном анализе предполагается, что вся ошибка находится в независимой переменной, что не относится к рекомендуемой процедуре. Вместо этого для получения большого набора логарифмов ( N 0 / N ) в зависимости от значений дозы УФ использовалось уравнение соответствия УФ-дозы.

Затем была использована функция ПРОСМОТР для выбора подходящего КРАСНОГО цвета для каждого журнала ( N 0 / N ) из набора данных по стокам / потокам. Анализ данных RED Затем экспериментальные RED соответствовали основному уравнению (уравнение 4). Полученный результат показан на рисунке 4. Исходя из пределов на уровне 95%, коэффициент неопределенности UIN определяется как 0,294. Сравнение экспериментальных RED Рисунок 4.

Сравнение экспериментальных RED с RED [(RED (calc)], рассчитанными по основному уравнению. Пунктирные линии (маленькие точки) - это верхний и нижний доверительные границы на уровне 95%. КРАСНЫЙ коэффициент смещения Таблица 2 взята из Приложения G UVDGM. КРАСНЫЙ-фактор-смещения-против-УФ-Т Таблица 2. Коэффициенты смещения RED по сравнению с UV-T Эти значения B RED являются линейной функцией UV-T: B RED = -0,05224 × UV-T + 6,3151 = 6,3151–5,224 × 10 –UV-A (7) Следовательно, коэффициент проверки: VF  =   (6,3151 - 5,224 × 10 –UV-A ) (1 + U IN )     (8) При вставке в уравнение 4 получаем уравнение для подтвержденного RED: уравнение Болтона-Атина-9    (9) валидация-диапазоны-инактивация криптоспоридия-2 Рисунок 5.

Диапазоны валидации UV-T и Q для инактивации Cryptosporidium с логарифмическими данными 3.0, 3.5 и 4.0. Это уравнение было решено для нескольких пар Q и UV-T и для 3,0, 3,5 и 4,0 логарифмической инактивации Cryptosporidium .

Результаты приведены на фиг. 5. Стрелками показаны диапазоны УФ-Т и Q, для которых УФ-реактор сертифицирован для обеспечения инактивации Cryptosporidium с логарифмической шкалой 3,0, 3,5 и 4,0 . Эта работа представляет собой то, что считается первой сторонней проверкой светодиодной УФ-системы с использованием рекомендаций UVDGM. Реактор BIO-310 был аттестован на 2–4 логарифмическую инактивацию Cryptosporidium для скоростей потока до 250 м 3 ч -1 и UV-T в диапазоне от 90 до 98%.

Основная цель этой работы состояла в том, чтобы проверить реактор на соответствие конкретным проектным критериям: максимальный расход 250 м 3 ч -1 , минимальный УФ-Т 95% и цель 3-логарифмической инактивации Cryptosporidium , которая была успешно достигнута (Рисунок 5). Однако будет справедливо сказать, что несколько экспериментальных проблем оказали негативное влияние на коэффициент смещения RED и неопределенность валидации. Исправление этих проблем окажет значительное положительное влияние на подтвержденную производительность. Кроме того, за год, прошедший с момента проведения проверочных испытаний, выходная мощность имеющихся в продаже светодиодов UV-C более чем удвоилась. валидация-диапазоны-инактивация риптоспоридия Рисунок 6.

Текущий диапазон валидации UV-T и Q для 4,0 логарифмов инактивации Cryptosporidium и прогнозируемые диапазоны валидации после повторной валидации для 4,0 журналов инактивации Cryptosporidium и для первичной дезинфекции (40 мДж / см2) Поэтому следующей задачей является повторная валидация системы с использованием более мощных светодиодов UV-C и усовершенствованных экспериментальных процедур, позволяющих расширить утвержденный диапазон работы до более низких UV-Ts и более высоких скоростей потока, тем самым увеличивая потенциал системы как жизнеспособного Cryptosporidium. барьер и открывающиеся возможности в качестве барьера для первичной дезинфекции, как показано на рисунке 6. Хотя многие скептики по-прежнему считают, что крупномасштабная обработка воды ультрафиолетовыми светодиодами неконкурентоспособна по сравнению с обычными системами с ртутными лампами, считается, что некоторые технологии могут конкурировать в конкретных областях применения на основе общей стоимости жизни. Сегодня первоначальные капитальные затраты, как правило, немного выше для светодиодных УФ-технологий (из-за низкой эффективности розеток (WPE) и сравнительно высоких затрат в долларах / МВт), но хорошо известно, что WPE будет продолжать расти, что приведет к снижению затрат на электроэнергию. и более длительный срок службы в конце срока службы предыдущего комплекта - в то время как ожидается, что стоимость одного УФ-светодиода значительно снизится.

Кроме того, поскольку УФ-светодиоды представляют собой твердотельные устройства, работающие от тока с неограниченным потенциалом диапазона изменения, мониторинг дозы УФ-излучения становится мощным инструментом. Возможность регулировки S / S 0 (в уравнении мониторинга дозы) в режиме реального времени (каждые 100 мс) при изменении рабочих условий (например, скорости потока или УФ-Т) позволяет поддерживать требуемую дозу УФ-излучения, пока минимизация потребления энергии. Эта функция сама по себе может снизить потребление энергии более чем на 40%. Однако, хотя Агентство по охране окружающей среды США разрешает валидацию УФ-светодиодных систем на основе существующих руководящих принципов (UVDGM и «Инновационные подходы к валидации реакторов ультрафиолетовой дезинфекции для систем питьевой воды»), было высказано предположение, что новая - специфическая для УФ-светодиодов - документация будет Требуется, чтобы УФ-светодиодные системы соответствовали европейским стандартам (DVGW, ÖNORM), и на внедрение этого процесса могут уйти годы. До недавнего времени считалось, что до использования светодиодов UV-C для водоподготовки в городских условиях осталось несколько лет, но его время быстро приближается.

Чтобы позволить этому рынку развиваться, поощрять новых участников и конечных пользователей использовать преимущества таких инновационных решений, жизненно важно, чтобы существующие стандарты были обновлены / изменены с учетом новой технологии.