وقد أدت أحدث التطورات في تكنولوجيا أشباه الموصلات إلى تطوير الثنائيات الباعثة للضوء القادرة على انبعاث طيف ضيق من الأشعة فوق البنفسجية (UV LED) عند أطوال موجية قادرة على تعطيل الكائنات المسببة للأمراض. في الآونة الأخيرة ، كانت رقائق LED الأشعة فوق البنفسجية والحزم ، والمنتجات الأولية ، تتطور من حيث إنتاج الطاقة ، وإدارة تكاليف الإنتاج مدى الحياة وحتى. وقد أتاحت التطورات الأخيرة في تكنولوجيا الأشعة فوق البنفسجية LED الآن تطبيق هذه التكنولوجيا على معالجة المياه. في الواقع، الأشعة فوق البنفسجية LED تمتلك ميزات جذابة يمكن أن تجلب الابتكارات إلى تقنيات الأشعة فوق البنفسجية لمعالجة المياه. هنا، تتم مناقشة ثلاثة جوانب هامة من أنظمة معالجة المياه الأشعة فوق البنفسجية LED: التصميم والتشغيل والتطبيق.
تصميم
واحدة من أهم مزايا المصابيح الأشعة فوق البنفسجية هو المرونة التي تقدمها في تصميم المفاعل من خلال توفير درجة أكبر من الحرية في تكوين المفاعل والتحسين. فعلى سبيل المثال، طبقت عدة دراسات مفاعلات مختلفة للأشعة فوق البنفسجية من أجل تطهير المياه (مثل Würtele et al. 2011؛ وWürtele et al. جيني وآخرون 2014; أوغوما وآخرون 2016 أ، ب)، واعتمد كل منها مفهوما مختلفا لتصميم المفاعل. ولا تنطبق معايير تصميم مصابيح الأشعة فوق البنفسجية الزئبقية التقليدية بالضرورة على مفاعلات الأشعة فوق البنفسجية LED لأن الأشعة فوق البنفسجية هي مصدر إشعاع مختلف تماما، مع بصمة صغيرة وتوزيع زاوية للانبعاثات. نظرا لأن التكلفة لا تزال واحدة من التحديات التي تواجه تطبيق الأشعة فوق البنفسجية LED لمعالجة المياه ، فإن تحسين التصميم للحصول على أداء عالي باستخدام عدد محدود من مصابيح LED للأشعة فوق البنفسجية أمر ضروري لجعل التكنولوجيا ممكنة.
أداء مفاعل الأشعة فوق البنفسجية لمعالجة المياه هو وظيفة من جرعة الأشعة فوق البنفسجية أو الطلاقة التي يتم تسليمها إلى الماء. المداخن ، بدورها ، هي وظيفة من معدل الطلاقة ووقت الإقامة. ونتيجة لذلك، فإن توزيع الإشعاع والسرعة هما العاملان الحاسمان لأي كفاءة في مفاعل الأشعة فوق البنفسجية. هذه الظواهر، جنبا إلى جنب مع حركية تعطيل الميكروبات، ومعدل ثابت منها لأي كائن دقيق هو وظيفة من الطول الموجي للأشعة فوق البنفسجية، وسوف تحدد الأداء العام للمفاعل لتطهير المياه. يمكن التحكم بشكل أفضل في إشعاع المفاعل والديناميكا المائية والطول الموجي للأشعة فوق البنفسجية في مفاعل LED للأشعة فوق البنفسجية مقارنة بمفاعل مصباح الأشعة فوق البنفسجية (Taghipour، 2018).
أما بالنسبة للمفاعلات الصغيرة الحجم ذات التطبيقات في نقطة الاستخدام (POU) ونقطة الدخول (POE)، على سبيل المثال، يتم وضع المصابيح عادة في الجزء المركزي من المفاعل مع محورها الموازي لاتجاه تدفق السوائل الرئيسي. وبالنسبة لمفهوم المفاعل هذا، هناك توزيع كبير غير موحد لمعدل الطلاقة على طول مسار مجاري المياه المختلفة المتدفقة من مدخل المفاعل إلى المنفذ. وذلك لأن التوزيع الإشعاعي للمصابيح الأشعة فوق البنفسجية لديه تباين كبير في الاتجاه الشعاعي. في مفاعل الأشعة فوق البنفسجية LED ، يمكن منع هذا عدم التوحيد ، بالنظر إلى أن ملف الأشعة فوق البنفسجية LED له اتجاه رئيسي يمكن تعديل وجهة نظره الزاوي ، ويمكن ضبط ملفه الإشعاعي. علاوة على ذلك ، فإن اختيار الموضع الصحيح والاتجاه الصحيح للطاقة المشعة ، وهو أمر ممكن بسهولة لمفاعل LED للأشعة فوق البنفسجية ، يمكن أن يمنع بشكل أكثر فعالية فقدان الطاقة المشعة لجدار المفاعل مقارنة بمصابيح الأشعة فوق البنفسجية.
وتوجد قيود مماثلة للتحكم في سرعة تدفق السوائل وتوزيع وقت الإقامة في مفاعلات مصباح الأشعة فوق البنفسجية. وبما أن مصابيح الأشعة فوق البنفسجية توضع عادة داخل المفاعلات، فإن الديناميكا المائية للمفاعل تتأثر إلى حد كبير بوجود مصابيح الأشعة فوق البنفسجية. فعلى سبيل المثال، بالنسبة لمفاعل صغير الحجم مزود بمصباح واحد بمحوره الموازي لاتجاه تدفق السوائل الرئيسي، فإن أعلى سرعة مطلوبة بالقرب من سطح مصباح الأشعة فوق البنفسجية، حيث يكون معدل الطلاقة عند ذروته.
ومع ذلك ، فإن ملف السرعة بالقرب من كم مصباح الأشعة فوق البنفسجية ، أو أي سطح صلب ، بشكل عام ، هو صفر تقريبا. لذلك، هناك قيود تقنية وعملية لمطابقة التدفق وتوزيع الإشعاع لتحقيق أداء المفاعل المثالي تقريبا لمثل هذا المفاعل مصباح الأشعة فوق البنفسجية. ولا يوجد هذا القيد بالنسبة لمفاعل الأشعة فوق البنفسجية LED، حيث يمكن وضع مصابيح LED للأشعة فوق البنفسجية في أماكن مختلفة - بما في ذلك خارج المفاعل - ويمكن تعديل ملف الإشعاع الخاص بها ليؤدي إلى ارتفاع معدلات الطلاقة في مناطق السرعة الأعلى.
10- ويمكن أن يختلف معدل تعطيل الأشعة فوق البنفسجية لمختلف البكتيريا والفيروسات باختلاف الطول الموجي، حتى في محيط امتصاص ذروة الحمض النووي (Mamane-Gravetz et al. 2005؛ بيك وآخرون 2015). وفي الوقت نفسه، يمكن تعديل الطول الموجي الذروة للمصابيح الأشعة فوق البنفسجية، تهدف إلى تحقيق معدل تعطيل أعلى ثابت للكائنات الحية الدقيقة المستهدفة. هذا هو السبب في أن الحساسية الطيفية ، أو ما يسمى أطياف العمل ، من الكائنات الحية الدقيقة هي مصدر قلق في تطبيقات الأشعة فوق البنفسجية LED.
وبالتالي، سيكون من المهم تلخيص مجموعة بيانات عن الحركية استجابة الطلاقة من الكائنات الحية الدقيقة المختلفة تحت انبعاثات الأشعة فوق البنفسجية LED. وقد بذلت بعض الاستعراضات هذه الجهود استنادا إلى البيانات المنشورة (مثل الملايري وآخرون 2016)، التي يمكن أن تكون بمثابة مراجع. ومع ذلك، من المهم ملاحظة أن المقارنة البسيطة لكفاءة تعطيل النشاط في دراسات مختلفة يمكن أن تكون مضللة، بالنظر إلى العديد من البيانات غير المتسقة وغير المتناسقة التي تم الإبلاغ عنها في الدراسات المنشورة، كما تمت مناقشتها في مقالة مراجعة واحدة (Song et al. 2016).
وأحد العوامل الرئيسية التي تسهم في هذا التناقض هو استخدام الأجهزة التجريبية المختلفة والتقنيات المختلفة لقياس المداخن في دراسات تعطيل الأشعة فوق البنفسجية LED (مثل Würtele et al. 2011؛ أوغوما وآخرون 2016 أ، ب؛ بيك وآخرون 2017؛ راتانكول وأوغوما 2018). لذلك، توحيد بروتوكول اختبار الأشعة فوق البنفسجية الصمام ضروري لتحقيق مقارنات موثوقة بين الدراسات المختلفة، والأهم من ذلك، للحصول على البيانات الحركية تعطيل الصحيح. وقد اقترح هذا البروتوكول (Kheyrandish et al. 2017, 2018)، ويجري الآن تطوير "بروتوكول اختبار IUVA" لنظام الأشعة فوق البنفسجية LED من قبل فرقة العمل IUVA.
في الوقت الراهن، وبدون مثل هذا البروتوكول القياسي، فإن الخيار البسيط للدراسات المقارنة هو تلخيص البيانات التي تم الحصول عليها باستخدام نفس الإعداد وتعريف الطلاقة المتسق. وقد بذل هذا الجهد فريق بحثي، عرض لمحات عن المداخن والاستجابة لمختلف الكائنات الدقيقة ذات الصلة بالصحة باستخدام مصابيح LED للأشعة فوق البنفسجية في 265 و 280 و 300 نانومتر (Oguma et al. 2019). تقوم المجموعة بالتقارير ثابت معدل تعطيل والطلاقة المطلوبة ل n تعطيل السجل (n = 1, 2 و 3 و 4) من مسببات الأمراض (الفيلقية الرئوية، Pseudomonas aeruginosa، فيبريو parahaemolyticus، وفيروس كاليتشيفيروس القطط) ومؤشر / الأنواع البديلة (إشريكيا القولونية، عصيات جراثيم subtilis والبكتيريا Qβ وMS2).
وبمجرد توافر بروتوكول اختبار معيار LED للأشعة فوق البنفسجية، يمكن للباحثين إجراء تجارب بطريقة مستقلة وقابلة للمقارنة، ومن شأن النتائج أن تحسن وتثري قاعدة بيانات تعطيل الأشعة فوق البنفسجية LED لمختلف الانبعاثات للكائنات الحية الدقيقة المتنوعة.
عملية
وتشمل السمات الخاصة لنظام مفاعل الأشعة فوق البنفسجية LED الفولتية المنخفضة ومتطلبات الطاقة، لا وقت الاحماء مع القدرة على تشغيل / إيقاف تلقائيا ومع تردد عال، وخيارات مختلفة للإدارة الحرارية. ويمكن أن تؤدي هذه السمات إلى تشغيل مفاعلات الأشعة فوق البنفسجية LED للتطبيقات التي لا يمكن فيها استخدام مفاعلات مصباح الأشعة فوق البنفسجية بنفس الكفاءة. وتشمل بعض الميزات الخاصة الأخرى لتنقية المياه الأشعة فوق البنفسجية LED تصميم قوي وبصمة صغيرة، والتي تجعل هذه التكنولوجيا مناسبة لتطبيقات POU حيث قد لا يتم استخدام تقنيات معالجة المياه التقليدية على النحو الأمثل.
تتطلب مفاعلات الأشعة فوق البنفسجية LED ، خاصة لتطبيقات POU ، طاقة منخفضة وجهدا كهربائيا ، مما يعني أنه يمكن تشغيلها بسهولة باستخدام لوحة شمسية مع مجموعة بطارية قابلة للشحن ، والتي تتوفر بسهولة في السوق. لذلك، يمكن استخدام الطاقة المتجددة بأسعار معقولة لتحويل أنظمة مفاعل الأشعة فوق البنفسجية LED إلى تكنولوجيا معالجة المياه خارج الشبكة. وعلاوة على ذلك، فإن الافتقار إلى الطاقة الكهربائية المستمرة - في المجتمعات المحلية الصغيرة والريفية، بشكل عام، وخاصة في البلدان النامية - غالبا ما يشكل مشكلة، ولكنه لن يشكل قيدا كبيرا على الأشعة فوق البنفسجية LED.
يمكن أن تكون مصابيح الأشعة فوق البنفسجية تعمل عندما يتم معالجة المياه وإيقافها عندما لا يتم علاجها. ونتيجة لذلك، بالنسبة لتطبيقات POU حيث يتم استخدام المياه ومعالجتها بشكل متقطع، من المرجح ألا تتطلب مصابيح الأشعة فوق البنفسجية استبدالها طوال عمر الجهاز (مما يؤدي إلى توفير تكلفة استبدال المصباح) وتستهلك جزءا صغيرا فقط من الطاقة (مما يؤدي إلى توفير كبير في تكاليف الطاقة).
والأهم من ذلك، تتطلب مفاعلات الأشعة فوق البنفسجية LED القليل من الصيانة. وهذا يشمل التنظيف المتكرر للأكمام واستبدال مصدر الأشعة فوق البنفسجية. قاذورات من أكمام مصباح الأشعة فوق البنفسجية هو أساسا نتيجة للمصابيح التي تعمل في درجات حرارة عالية نسبيا والحرارة مصباح يجري نقلها من الأكمام. هطول الأمطار الناجم عن الحرارة من المعادن مع الذوبان مقلوب هو آلية الرائدة التي يتم إيداع foulant على كم مصباح الأشعة فوق البنفسجية.
في مفاعلات الأشعة فوق البنفسجية LED ، تتم إزالة الحرارة الناتجة عن مصابيح الأشعة فوق البنفسجية من لوحة دوائر LED (وليس نافذة الكوارتز أو الأكمام) ، لذلك لا يتوقع أن يكون قاذورات الأكمام كبيرة ، مما يعني أنه من غير المرجح أن تكون الصيانة والتنظيف المنتظمين مشكلة رئيسية. ولذلك، فإن غياب المشغلين المهرة - وهو أحد القيود الرئيسية في المجتمعات الصغيرة والريفية - الذي يعوق تطبيق العديد من تقنيات تطهير المياه، قد لا يكون قيدا رئيسيا على أنظمة الأشعة فوق البنفسجية LED.
تطبيق
نظرا لانتاج الطاقة المشعة وفعالية جدار المكونات من المصابيح الأشعة فوق البنفسجية في الوقت الحاضر، وتطبيق أكثر ملاءمة من مفاعلات الأشعة فوق البنفسجية LED هو علاج متقطعة ومنخفضة معدلات التدفق. وتشمل هذه الأجهزة دمج المفاعل في مجموعة من الأجهزة الاستهلاكية والتجارية، مثل موزعات المياه ومبرداتها، ومآكي الثلج والقهوة، ومعدات المياه المختبرية والطبية. وقد أصبح دمج مفاعل الأشعة فوق البنفسجية في بعض هذه الأجهزة ممكنا لأول مرة بسبب البصمة الصغيرة لمفاعل الأشعة فوق البنفسجية LED والميزات الخاصة.
تطبيق آخر هو معالجة المياه في POU. معالجة المياه POU هي صناعة عالمية ناشئة بسبب الطلب المتزايد في كل من البلدان المتقدمة والنامية. ومن المتوقع أن تبلغ قيمة سوق مثل هذه الأنظمة ما يقرب من 25 مليار دولار أمريكي في عام 2020، ومن المتوقع أن تنمو بمعدل نمو سنوي مركب يبلغ حوالي 10٪ (سوق أنظمة معالجة المياه في نقطة الاستخدام، 2016).
وقد دفعت عوامل مثل زيادة تلوث المياه، والوعي المتزايد بأهمية مياه الشرب النظيفة، وزيادة أنشطة البناء سوق نظام معالجة المياه في POU. يمكن أن تكون مفاعلات الأشعة فوق البنفسجية LED مثالية لمعالجة مياه POU ، نظرا لمزاياها الواضحة ، مثل عدم الصيانة المتكررة وانخفاض تكاليف التشغيل والعمر ، مقارنة بمصباح الأشعة فوق البنفسجية والتقنيات التقليدية الأخرى.
ويمكن تطبيق مفاعلات الأشعة فوق البنفسجية LED على نطاق أوسع لمعالجة المياه في POE للمنازل والبيوت، لا سيما عندما تصبح المصابيح خيارا أكثر جدوى. ففي الولايات المتحدة وحدها، يعتمد نحو 20 مليون أسرة ومنزل ريفي على الآبار الخاصة، في حين يعتمد عشرات الآلاف على البحيرات والأنهار ومصادر المياه السطحية الأخرى. وقد وجدت دراسات مختلفة أن نسبة كبيرة من الآبار في أي منطقة معينة تحتوي على كائنات دقيقة، مثل الإشريكية القولونية، التي يمكن العثور عليها في إمدادات المياه الجوفية والسطحية في أي وقت من الأوقات. وبالتالي، تمثل مفاعلات الأشعة فوق البنفسجية LED أحد أكثر بدائل معالجة المياه فعالية لضمان مياه الشرب المأمونة للعديد من المنازل الترفيهية والنائية والريفية.
وفي اليابان، تبلغ التغطية السكانية لإمدادات المياه العامة حوالي 97.9٪ (اعتبارا من عام 2016)، مما يعني أن السكان المتبقين (حوالي 2.7 مليون شخص) يعتمدون على شبكات إمدادات المياه المجتمعية الصغيرة و/أو الآبار الخاصة. وهذه المرافق الصغيرة خارج المعالجة بالكلور الإلزامية، وفي بعض الأحيان لا يوجد علاج، بما في ذلك الكلورة. وقد كشفت المقابلات المباشرة مع السكان المحليين أنهم لا يريدون حقا إضافة الكلور بسبب مخاوف الذوق والرائحة، على الرغم من أنهم يفهمون المخاطر الصحية المحتملة للتلوث الميكروبي للمياه.
ومن الجدير بالذكر أنه في حوادث جودة مياه الشرب المرتبطة بالأضرار الصحية في السنوات الثلاثين الماضية في اليابان، كان حوالي 93٪ (130 من 140 حادثا) بسبب فشل التطهير. وبالنظر إلى هذه الحقائق، فإن أجهزة POU وPOE التي تعمل من أجل التطهير، من الناحية المثالية دون التأثير سلبا على الطعم والرائحة، ستكون أفضل الخيارات وأكثرها عملية لإمدادات المياه المجتمعية والآبار الخاصة. ومن الواضح أن المصابيح الأشعة فوق البنفسجية يمكن أن تساعد في تلبية متطلبات نوعية المياه من هؤلاء السكان.
وثمة حاجة هامة أخرى لعلاجات الملوثات العضوية الثابتة والملوثات العضوية الثابتة في البلدان النامية، ولا سيما البلدان التي تشهد سرعة في التحضر والنمو الاقتصادي. تكلفة المصابيح الأشعة فوق البنفسجية يمكن أن يكون مشكلة في الوقت الحاضر، ولكن من المحتمل أن يكون مشكلة على المدى القصير. قامت الدكتورة كوميكو أوغوما، من جامعة طوكيو، وزملاؤها بإجراء دراسات استقصائية ميدانية مكثفة حول سلوكيات جودة المياه واستخدام المياه في آسيا (أي فيتنام ونيبال وإندونيسيا وسريلانكا والفلبين) وأشارت إلى أن التحضر السريع يؤدي بشكل عام إلى محدودية الوصول إلى شبكات إمدادات المياه المركزية. وشجعوا العديد من الناس على استخدام مصادر المياه اللامركزية، مثل الآبار الخاصة (مثل غورغاي وآخرون 2018، دو وآخرون 2014).
وعلاوة على ذلك، فحتى لو كان الناس يحصلون على إمدادات المياه المنقولة بالأنابيب في أماكن عملهم، فإن ذلك لن يضمن الحصول على المياه المأمونة لأن نوعية المياه المنقولة بالأنابيب تتدهور بعد فترة طويلة من النقل في شبكة توزيع رديئة. في الممارسة العملية، يستخدم السكان المحليون العديد من استراتيجيات التكيف، بما في ذلك منشآت POU و POE. وكشفت نتائج المسح أن حوالي 76٪ من سكان وسط هانوي كانوا يجرون علاجات POU في المنزل (Do et al. 2014); ومع ذلك، فإن بعض أجهزة POU المستخدمة لم تكن تعمل كحاجز فعال ضد الكائنات الحية الدقيقة. يمكن أن يكون الأشعة فوق البنفسجية LED خيارا ذكيا لهذه الأنظمة.
تكلفة الطاقة للأشعة فوق البنفسجية للمصابيح الأشعة فوق البنفسجية حاليا أعلى من مصابيح الأشعة فوق البنفسجية. وبمجرد أن تحقق مصابيح LED للأشعة فوق البنفسجية كفاءة أعلى وإنتاج طاقة أعلى وتصبح خيارا أكثر بأسعار معقولة ، سيكون هناك العديد من التطبيقات الممكنة لتكنولوجيا مفاعل الأشعة فوق البنفسجية LED لعلاج المياه على نطاق أوسع ، بما في ذلك مياه الشرب ومحطات معالجة مياه الصرف الصحي.
