Khử trùng bằng tia cực tím

Tia cực tím (UV) là một phần của ánh sáng phát ra từ mặt trời. Phổ UV có tần số cao hơn ánh sáng khả kiến và tần số thấp hơn so với tia X. Điều này cũng có nghĩa là phổ UV có bước sóng dài hơn tia X và bước sóng ngắn hơn ánh sáng khả kiến; thứ tự năng lượng từ thấp đến cao là ánh sáng nhìn thấy, tia UV, tia X. Là một kỹ thuật xử lý nước, tia UV được biết đến là chất khử trùng hiệu quả nhờ khả năng diệt khuẩn (bất hoạt) mạnh mẽ; Tia cực tím có đủ năng lượng (bức xạ ion hóa) để có thể phá vỡ các liên kết hóa học, tiêu diệt vi khuẩn. Tia cực tím khử trùng nước có chứa vi khuẩn và vi rút, đồng thời có thể có hiệu quả chống lại các động vật nguyên sinh như u nang Giardia lamblia hoặc nang trứng Cryptosporidium. UV đã được sử dụng thương mại trong nhiều năm trong ngành dược phẩm, mỹ phẩm, đồ uống và điện tử, đặc biệt là ở Châu Âu. Ở Mỹ, nó được sử dụng để khử trùng nước uống vào đầu những năm 1900 nhưng đã bị bỏ do chi phí vận hành cao, thiết bị không đáng tin cậy và việc khử trùng bằng clo ngày càng phổ biến.

Do các vấn đề an toàn liên quan đến quá trình khử trùng bằng clo và cải tiến công nghệ tia cực tím, việc khử trùng bằng tia cực tím đã được chấp nhận ngày càng nhiều ở cả hệ thống thành phố và hộ gia đình. Chỉ có một vài nhà máy xử lý nước bằng tia UV quy mô lớn ở Hoa Kỳ mặc dù có hơn 2.000 nhà máy như vậy ở Châu Âu. Có hai loại hệ thống khử trùng, được NSF chứng nhận và phân loại theo Tiêu chuẩn 55 – Đơn vị loại A và Loại B.

Loại A – Các hệ thống xử lý nước bằng tia cực tím này phải có mức cường độ và độ bão hòa ít nhất là 40.000 µsec/cm2. Các hệ thống điểm đầu vào và điểm sử dụng Loại A nằm trong tiêu chuẩn này được thiết kế để vô hiệu hóa (tiêu diệt) hoặc loại bỏ khỏi các vi sinh vật trong nước bị ô nhiễm, bao gồm vi khuẩn, vi rút, nang trứng Cryptosporidium và u nang Giardia .. Các hệ thống nằm trong tiêu chuẩn này là không nhằm mục đích xử lý nước bị ô nhiễm rõ ràng hoặc các nguồn có chủ ý như nước thải thô, cũng như không phải là hệ thống nhằm chuyển đổi nước thải thành nước uống. Các hệ thống này được thiết kế để lắp đặt trên mặt nước trong suốt.

Loại B – Các hệ thống xử lý nước bằng tia cực tím này phải có mức cường độ và độ bão hòa ít nhất là 16.000 µW-giây/cm2 và có thiết kế cho phép chúng cung cấp khả năng xử lý diệt khuẩn bổ sung cho nước đã được coi là ‘an toàn’, tức là không có mức độ E. coli tăng cao hoặc số đĩa tiêu chuẩn ít hơn 500 khuẩn lạc trên 1 ml. Hệ thống UV NSF Standard 55 “Loại B” được thiết kế để hoạt động ở liều lượng tối thiểu và nhằm mục đích “chỉ làm giảm các vi sinh vật không gây bệnh hoặc gây phiền toái thường xuất hiện.” 

Do đó, loại thiết bị phụ thuộc vào tình trạng, nguồn nước và chất lượng nước của bạn. Liều lượng tia UV truyền qua bị ảnh hưởng bởi độ trong của nước. Thiết bị xử lý nước phụ thuộc vào chất lượng nước thô. Khi độ đục từ 5 NTU trở lên và/hoặc tổng chất rắn lơ lửng lớn hơn 10 ppm, nên lọc trước nước. Thông thường, nên lắp bộ lọc 5 đến 20 micron trước hệ thống khử trùng bằng tia cực tím.

Nguyên lý khử trùng bằng tia cực tím

Bức xạ tia cực tím có ba vùng bước sóng: UV-A, UV-B và UV-C, và chính vùng cuối cùng này UV-C sóng ngắn có đặc tính diệt khuẩn để khử trùng. Đèn hồ quang thủy ngân áp suất thấp giống như đèn huỳnh quang tạo ra tia UV trong phạm vi 254 áp kế (nm). Một nm là một phần tỷ mét (10^-9 mét). Những đèn này chứa thủy ngân nguyên tố và khí trơ, chẳng hạn như argon, trong ống truyền tia cực tím, thường là thạch anh (không giống như thủy tinh, trong suốt với tia cực tím). Theo truyền thống, hầu hết các đèn UV hồ quang thủy ngân đều được gọi là loại “áp suất thấp”, vì chúng hoạt động ở áp suất riêng phần thủy ngân tương đối thấp, áp suất hơi tổng thể thấp (khoảng 2 mbar), nhiệt độ bên ngoài thấp (50-100 ° C) và công suất thấp. Những loại đèn này phát ra bức xạ UV gần như đơn sắc ở bước sóng 254 nm, nằm trong phạm vi tối ưu để hấp thụ năng lượng UV bởi axit nucleic (khoảng 240-280 nm); Tia cực tím phá vỡ liên kết trong axit nucleic, giết chết vi sinh vật.

Trong những năm gần đây, đèn UV áp suất trung bình hoạt động ở áp suất, nhiệt độ và mức công suất cao hơn nhiều và phát ra phổ rộng năng lượng UV cao hơn trong khoảng từ 200 đến 320 nm đã được bán rộng rãi trên thị trường. Tuy nhiên, để khử trùng nước uống bằng tia cực tím ở cấp độ hộ gia đình, các hệ thống và đèn áp suất thấp hoàn toàn phù hợp và thậm chí còn được ưa chuộng hơn các hệ thống và đèn áp suất trung bình. Điều này là do chúng hoạt động ở công suất thấp hơn, nhiệt độ thấp hơn và chi phí thấp hơn trong khi lại có hiệu quả cao trong việc khử trùng lượng nước đủ dùng cho gia đình hàng ngày. Yêu cầu thiết yếu để khử trùng bằng tia cực tím bằng hệ thống đèn là nguồn điện sẵn có và đáng tin cậy. Mặc dù yêu cầu về năng lượng của hệ thống khử trùng bằng đèn UV thủy ngân áp suất thấp còn khiêm tốn nhưng chúng rất cần thiết cho hoạt động của đèn để khử trùng nước. 

Vì hầu hết các vi sinh vật bị ảnh hưởng bởi bức xạ khoảng 260 nm nên bức xạ UV nằm trong phạm vi thích hợp cho hoạt động diệt khuẩn. Có những loại đèn UV tạo ra bức xạ trong phạm vi 185 nm có hiệu quả đối với vi sinh vật và cũng sẽ làm giảm tổng hàm lượng carbon hữu cơ (TOC) trong nước. Đối với một hệ thống tia cực tím điển hình, khoảng 95 phần trăm bức xạ đi qua ống thạch anh và đi vào nước chưa được xử lý. Nước chảy như một màng mỏng trên đèn. Ống thạch anh được thiết kế để giữ đèn ở nhiệt độ lý tưởng khoảng 104 ° F.

Bức xạ UV (Cách thức hoạt động)

Bức xạ UV ảnh hưởng đến vi sinh vật bằng cách thay đổi DNA trong tế bào và cản trở quá trình sinh sản. Xử lý bằng tia cực tím không loại bỏ sinh vật khỏi nước mà chỉ làm bất hoạt (giết chết) chúng. Hiệu quả của quá trình này liên quan đến thời gian tiếp xúc và cường độ đèn cũng như các thông số chất lượng nước nói chung. Thời gian phơi nhiễm được báo cáo là “microwatt·giây trên mỗi centimet vuông” (µWatt·sec/cm²) và Bộ Y tế và Dịch vụ Nhân sinh Hoa Kỳ đã thiết lập mức phơi sáng tối thiểu là 16.000 µWatt·giây/cm² đối với các hệ thống khử trùng bằng tia cực tím. Hầu hết các nhà sản xuất đều cung cấp cường độ đèn từ 30.000-50.000 µWatt·giây/cm2. Nói chung, ví dụ, vi khuẩn coliform bị tiêu diệt ở tốc độ 7.000 µWatt·giây/cm2. Vì cường độ đèn giảm theo thời gian sử dụng nên việc thay đèn và xử lý trước thích hợp là chìa khóa thành công của việc khử trùng bằng tia cực tím. Ngoài ra, hệ thống đèn UV cần được trang bị thiết bị cảnh báo để cảnh báo chủ nhà khi cường độ đèn giảm xuống dưới ngưỡng diệt khuẩn. Phần sau đây đưa ra thời gian chiếu xạ cần thiết để vô hiệu hóa hoàn toàn các vi sinh vật khác nhau với liều lượng 30.000 µWatt·giây/cm2 ở bước sóng UV 254 nm.

Khi sử dụng riêng lẻ, bức xạ tia cực tím không cải thiện mùi vị, mùi hoặc độ trong của nước. Đèn UV là chất khử trùng rất hiệu quả, mặc dù việc khử trùng chỉ có thể xảy ra bên trong thiết bị. Không giống như khử trùng bằng clo, không có chất khử trùng còn sót lại trong nước để vô hiệu hóa vi khuẩn có thể tồn tại hoặc có thể xâm nhập sau khi nước đi qua nguồn tia cực tím. Tỷ lệ vi sinh vật bị tiêu diệt phụ thuộc vào cường độ tia cực tím, thời gian tiếp xúc, chất lượng nước thô và việc bảo trì thiết bị đúng cách. Nếu vật liệu tích tụ trên ống thạch anh hoặc lượng hạt cao thì cường độ tia cực tím và hiệu quả xử lý sẽ giảm. Ở liều lượng đủ cao, tất cả các mầm bệnh đường ruột trong nước đều bị bất hoạt bởi bức xạ tia cực tím. 

Thứ tự chung về khả năng kháng vi sinh vật (từ ít nhất đến nhiều nhất) và liều tia cực tím tương ứng để bất hoạt trên diện rộng (> 99,9%) là: vi khuẩn sinh dưỡng và ký sinh trùng đơn bào Cryptosporidium parvum và Giardia lamblia ở liều thấp (1-10 mJ/cm2) và vi khuẩn đường ruột vi rút và bào tử vi khuẩn ở liều cao (30-150 mJ/cm2). Hầu hết các hệ thống khử trùng UV bằng đèn thủy ngân áp suất thấp có thể dễ dàng đạt được liều bức xạ UV 50-150 mJ/cm2 trong nước chất lượng cao và do đó khử trùng hiệu quả về cơ bản tất cả các mầm bệnh trong nước. Lưu ý: Ở đoạn này đã có sự thay đổi đơn vị từ µW·sec/cm2 thành mJ/cm2. Cả hai đều là đơn vị đo bức xạ (công suất/diện tích); một watt (W) là một joule/giây; 1000 µ (vi mô) = 1 m (milli). 1000 µW·giây/cm2 = 1 mJ/cm2. 

Tuy nhiên, chất hữu cơ hòa tan, chẳng hạn như chất hữu cơ tự nhiên, một số chất gây ô nhiễm vô cơ, chẳng hạn như sắt, sunfit và nitrit, và chất lơ lửng (hạt hoặc độ đục) sẽ hấp thụ bức xạ tia cực tím hoặc che chắn vi khuẩn khỏi bức xạ tia cực tím, dẫn đến liều tia cực tím được phân phối thấp hơn và giảm khả năng khử trùng của vi sinh vật. Một mối quan tâm khác về việc khử trùng vi khuẩn bằng liều bức xạ tia cực tím thấp hơn là khả năng vi khuẩn và các vi khuẩn tế bào khác sửa chữa tổn thương do tia cực tím gây ra và khôi phục khả năng lây nhiễm, một hiện tượng được gọi là tái hoạt động.

Tia cực tím làm bất hoạt vi khuẩn chủ yếu bằng cách thay đổi axit nucleic về mặt hóa học. Tuy nhiên, các tổn thương hóa học do tia cực tím gây ra có thể được sửa chữa bằng cơ chế enzyme của tế bào, một số trong đó không phụ thuộc vào ánh sáng (sửa chữa tối) và một số khác cần ánh sáng khả kiến (sửa chữa quang học hoặc kích hoạt quang học). Do đó, để khử trùng nước bằng tia cực tím tối ưu đòi hỏi phải cung cấp đủ liều tia cực tím để gây ra mức độ tổn hại axit nucleic lớn hơn và từ đó khắc phục hoặc lấn át các cơ chế sửa chữa DNA.

Bảng 1 | Thời gian chiếu xạ ước tính để vô hiệu hóa vi sinh vật ở liều lượng 30.000 µW·sec/cm² tia cực tím ở bước sóng 254 nm

Liều bất hoạt cho Giardia và Cryptosporidium

Liều tia UV là tích số của cường độ tia UV (bức xạ) và thời gian phơi sáng tính bằng giây (IT), được biểu thị bằng đơn vị: mWs/cm2 hoặc mJ/cm2. IT tương tự như liều lượng hóa chất hoặc CT (nồng độ x thời gian). Vi khuẩn cho thấy nhiều mức độ nhạy cảm với tia cực tím như được thể hiện qua dữ liệu tia cực tím. Cryptosporidium và Giardia nhạy cảm hơn với tia cực tím so với vi khuẩn và vi rút. Các kết quả tương tự cũng đạt được khi sử dụng chiếu xạ tia cực tím áp suất thấp, áp suất trung bình và xung – Hãy tìm hệ thống khử trùng tia cực tím loại A. Liều tia cực tím cần thiết để vô hiệu hóa 4 log các mầm bệnh được chọn trong nước được trình bày dưới đây:

Bảng 2 | Liều UV 4 log Bất hoạt

Tiền xử lý chiếu xạ UV

Quá trình lọc trầm tích hoặc lọc than hoạt tính phải diễn ra trước khi nước đi qua thiết bị UV. Các hạt vật chất, màu sắc và độ đục ảnh hưởng đến việc truyền tia cực tím đến vi sinh vật và do đó phải được loại bỏ để khử trùng thành công.

Bảng 3 | Mức độ ô nhiễm tối đa được khuyến nghị trong nước đi vào thiết bị xử lý tia cực tím.

UV thường là thiết bị cuối cùng trong chuỗi xử lý (một loạt các thiết bị xử lý), sau thẩm thấu ngược, làm mềm nước hoặc lọc. Thiết bị UV phải được đặt càng gần điểm sử dụng càng tốt vì bất kỳ bộ phận nào của hệ thống ống nước đều có thể bị nhiễm vi khuẩn. Nên khử trùng toàn bộ hệ thống ống nước bằng clo trước khi sử dụng hệ thống tia cực tím lần đầu. ‍

Các loại thiết bị

Thiết bị xử lý tia cực tím điển hình bao gồm một buồng hình trụ chứa bóng đèn UV dọc theo trục trung tâm của nó. Một ống thạch anh bao bọc bóng đèn; dòng nước chảy song song với bóng đèn nên cần có nguồn điện. Thiết bị kiểm soát dòng chảy ngăn không cho nước đi quá nhanh qua bóng đèn, đảm bảo thời gian tiếp xúc bức xạ thích hợp với dòng nước đang chảy. Đã có báo cáo cho rằng dòng nước hỗn loạn (bị khuấy động) giúp sinh vật tiếp xúc hoàn toàn hơn với bức xạ tia cực tím.

Vỏ hệ thống UV phải bằng thép không gỉ để bảo vệ mọi bộ phận điện tử khỏi bị ăn mòn. Để đảm bảo chúng không có chất gây ô nhiễm, tất cả các mối hàn trong hệ thống phải được nung chảy bằng plasma và được tẩy bằng khí argon. Sự khác biệt chính giữa các thiết bị xử lý tia cực tím là ở công suất và các tính năng tùy chọn. Một số được trang bị máy dò phát xạ tia cực tím để cảnh báo người dùng khi thiết bị cần vệ sinh hoặc khi nguồn sáng bị hỏng. Tính năng này cực kỳ quan trọng để đảm bảo cung cấp nước an toàn. Máy dò phát ra âm thanh hoặc tắt dòng nước được ưu tiên hơn đèn cảnh báo, đặc biệt nếu hệ thống có thể được đặt ở nơi không thể nhận thấy đèn cảnh báo ngay lập tức. ‍

Bảo trì hệ thống

Vì bức xạ tia cực tím phải tiếp cận vi khuẩn để làm bất hoạt chúng nên vỏ nguồn sáng phải được giữ sạch sẽ. Các sản phẩm thương mại có sẵn để rửa thiết bị để loại bỏ bất kỳ màng nào trên nguồn UV. Làm sạch qua đêm bằng dung dịch natri hydrosulfite 0,15% hoặc axit xitric sẽ loại bỏ hiệu quả những màng như vậy. Một số thiết bị có cần gạt nước để hỗ trợ quá trình làm sạch.

Hệ thống tia cực tím được thiết kế để hoạt động liên tục và chỉ nên tắt nếu không cần xử lý trong vài ngày. Cần vài phút để làm nóng đèn trước khi sử dụng lại hệ thống sau khi tắt. Ngoài ra, hệ thống ống nước của ngôi nhà cần được súc rửa kỹ lưỡng sau một thời gian không sử dụng. Bất cứ khi nào hệ thống được bảo trì, toàn bộ hệ thống ống nước phải được khử trùng bằng hóa chất như clo trước khi sử dụng hệ thống tia cực tím để khử trùng.

Đèn UV dần mất tác dụng khi sử dụng; đèn nên được làm sạch thường xuyên và thay thế ít nhất mỗi năm một lần. Không có gì lạ khi một chiếc đèn mới mất 20% cường độ trong vòng 100 giờ hoạt động đầu tiên, mặc dù mức cường độ đó được duy trì trong vài nghìn giờ tiếp theo. Như đã nêu trước đây, các thiết bị được trang bị máy dò phát xạ tia cực tím được hiệu chỉnh phù hợp sẽ cảnh báo chủ sở hữu khi cường độ ánh sáng giảm xuống dưới một mức nhất định.

Nước đã xử lý phải được theo dõi vi khuẩn coliform và vi khuẩn dị dưỡng hàng tháng trong ít nhất 6 tháng đầu sử dụng thiết bị. Nếu những sinh vật này có trong nước đã xử lý, cần kiểm tra cường độ đèn và toàn bộ hệ thống đường ống dẫn nước phải được khử trùng bằng hóa chất như clo.

Thông tin nhanh về xử lý nước bằng tia cực tím

1 | Khử trùng bằng tia cực tím không thêm hóa chất vào nước.

2 | Tia cực tím có tác dụng chống lại vi khuẩn và vi rút; và có thể có hiệu quả chống lại Giardia lamblia hoặc Cryptosporidium nếu hệ thống được thiết kế tùy chỉnh để đáp ứng các yêu cầu khử trùng này.

3 | Khử trùng bằng tia cực tím không có khử trùng còn sót lại..

4 | Nên có cường độ đèn tối thiểu là 16.000 µwatt·giây/cm2.

5 | UV thường là thiết bị cuối cùng trong chuỗi thiết bị xử lý nước.

6 | Thiết bị UV phải có máy dò phát xạ UV có thể nghe được để thông báo cho người dùng khi cường độ đèn không đủ.

7 | Việc bảo trì và thay thế đèn thường xuyên là điều cần thiết.

Công suất hệ thống khử trùng bằng tia cực tím

Tia cực tím là một hệ thống xử lý ngay tại điểm đầu vào, xử lý tất cả nước sử dụng trong nhà. Công suất dao động từ 0,5 gallon mỗi phút (gpm) đến vài trăm gpm. Vì vi khuẩn có thể được che chắn bởi các hạt trong nước nên có thể cần phải xử lý trước để loại bỏ độ đục. Ngoài ra còn có giới hạn về số lượng vi khuẩn có thể được điều trị. Giới hạn trên để khử trùng bằng tia cực tím là 1.000 coliform tổng/100 mL nước hoặc 100 coliform phân/100 mL.

Những cân nhắc đặc biệt

Quá trình lọc sơ bộ là cần thiết để loại bỏ màu sắc, độ đục và các hạt che chắn vi sinh vật khỏi nguồn tia cực tím. Nước chứa hàm lượng khoáng chất cao có thể bám vào ống đèn và làm giảm hiệu quả xử lý. Do đó, có thể cần phải xử lý trước bằng hệ thống làm mềm nước hoặc phun phốt phát để ngăn ngừa sự tích tụ khoáng chất trên đèn. Bảng 3 liệt kê mức độ tối đa của một số chất gây ô nhiễm được phép để xử lý tia cực tím hiệu quả.

Khuyến nghị chung

Việc lắp đặt hệ thống xử lý bằng tia cực tím hoặc bất kỳ hệ thống khử trùng nước nào khác không thể thay thế cho thiết kế và xây dựng giếng phù hợp. Nếu bạn có giếng đào làm nguồn cung cấp, việc thay thế giếng có lẽ là một lựa chọn lâu dài khả quan hơn. Nếu giếng đào hoặc suối là lựa chọn cung cấp duy nhất của bạn thì hãy xem xét tất cả các phương án xử lý trước khi quyết định phải làm gì. Hãy chắc chắn rằng bạn nhận được lời khuyên từ một chuyên gia! Lựa chọn quy trình xử lý được đề xuất:

1 | Thu thập thông tin về nguồn nước của bạn.

2 | Kiểm tra nước của bạn – Ít nhất hàng năm.

3 | Xác định những vấn đề nào liên quan đến sự thiếu hụt cơ sở hạ tầng, ví dụ như vỏ bị nứt, không có nắp giếng, bịt kín không đúng cách, thoát nước bề mặt kém, v.v. Thực hiện các sửa chữa và cải tiến cần thiết đối với hệ thống.

4 | Lắp đặt các hệ thống xử lý nước cần thiết. Tôi đã cung cấp một số liên kết trực tuyến về hệ thống xử lý nước, nhưng tôi luôn khuyên bạn nên thử nghiệm nước sơ bộ.

Xem thêm: Bạn có biết: Tác dụng của khí Ozone đới với cuộc sống con người

Để tìm hiểu thêm về hệ thống lọc nước mạnh mẽ và độc đáo khác do Song Phụng phân phối, hãy đặt hàng online tại trang web https://thietbinganhnuoc.com/san-pham hoặc gọi hotline 0913.90.72.74 – 0984.620.494 để được tư vấn chi tiết.

Follow Fanpage: https://www.facebook.com/SongPhungthietbinganhnuoc/ để cập nhật sản phẩm mới