Flöde och reaktorkonfigurationens betydelse för desinfektionen i UV-reaktorer har undersökts med beräkningsmodell och experiment. Olika lågtrycksreaktorer har provats och det var inte optimalt att maximera antalet UV-lampor.
Av: Jörgen Hanaeus
UV-reaktorer för desinfektion har undersökts med modellering och experiment, båda med fokus på reaktor LP24 tillverkad av SembCorp Marine i Singapore. Den mikroorganism som utsatts för desinfektionen är enterobakteriefagen MS2.
Flödet och UV-transmissionens inflytande har studerats. För modelleringen har mjukvaran ANSYS FLUENT använts. Där beräknas den UV-dos som adsorberas av olika mikroorganismer längs deras bana i reaktorn. Randvillkorens bidrag till resultatet kunde försummas.
Bakgrund
UV-ljusets effekt vid desinfektion är att tillföra energi till cellernas DNA och RNA och därigenom orsaka fotokemisk skada Skadan inhibiterar de enzymer som används till nukleinsyresyntes varför den störda DNA:n eller RNA:n inte kan överföras vid replikering.
Den UV-dos som träffar mikroorganismen ifråga är produkten av UV-intensitet och tiden för exponering av mikroorganismen. Olika populationer av mikroorganismer adsorberar UV-ljus olika. De kan ha komplexa flödesbanor och reaktorn kan ha ett oregelbundet, turbulent flöde; UV-intensiteten kan variera i reaktorn. Färgade mikrosfärer kan hjälpa till att mäta UV-distributionen.
En numerisk modell för UV-desinfektion i en reaktor innehåller tre komponenter: flöde, transport av mikroorganismer och strålningsvärme. Mikroorganismerna antas ofta vara fasta partiklar. Tidigare studier har visat att mikroorganismernas form och storlek inte är avgörande för reaktorns prestation, medan flöde, reaktorstorlek och form är viktiga. Lamparrangemanget var också viktigt. Vid utvärdering används ofta begreppet RED (Reduction Equivalent Dose, J/m2), så också här, plus att inaktivering av granskad mikroorganism ingår.
Reaktorn LP 24 är utgångspunkt, men färdig modell används också för att granska fabrikaten LP 12, LP 40, LP 60 och LP 80 (benämnda efter lampantal) i termer av RED och inaktivering.
Experiment
Två sorters experiment genomfördes: ett bänkskaletest med en fokuserad UV-stråle och ett fullskaletest. Bänkskaletestet gav ett samband mellan UV-dos och inaktivering. Fullskaletestet bestämde inaktiveringen samt RED. Inaktiveringen bestämdes genom att mäta mikroorganismkoncentrationen före och efter reaktorn. När inaktiveringen bestämts kan RED-värdet beräknas från bänkskaletestet. Reaktorn hade form av ett U.
En bärbar UV-transmittansmätare användes för kalibrering av UVTransmittans. Transmittansen är ett mått på UV-energin vid en viss våglängd som faktiskt passerar genom vattnet. En UV-sensor fanns installerad i reaktorn och mätte strålstyrkan. Mikroorganismerna, tillsattes uppströms. Processen upprepades med olika UVT. RED-bestämningen bedömdes ha en samlad felmarginal på 13 %.
Navier-Stokes ekvation med en tillkopplad turbulensenhet användes för beräkningar och energiekvationen kopplad till strålningsekvationen med diskreta ordinator för strålningens värmeöverföring samt den diskreta fasens rörelseekvation för mikroorganismtransport (ANSYS).
UV-dosen D beräknades genom att integrera strålningen över tid. Den ställdes mot inaktiveringen i den bänkskalebestämda dos-responskurvan som för MS2 var av log-lin-karaktär.
Simuleringen genomfördes med tre steg: lös flödet, beräkna värmeöverföringen, beräkna partikelrörelsen. Tidssteget var valt till 10-5 s.
Följande samband användes: D = A log (N/N0) + B [log (N/N0)]2 där koefficienterna A och B (här 197,2 resp 12,89) bestämdes ur dos-responssambandet med minsta kvadratmetoden. N0 och N är antalet levande mikroorganismer före och efter exponeringen för UV-strålningen.
Resultat
Beräkningsnoggrannheten contra beräkningstid testades och det visade sig att 10 000 partiklar gav tillräcklig skärpa i RED-värdet, ca 2 % jämfört med 20 000 partiklar. Antalet beräkningselement i nätet var då medium, dvs här ca 5 miljoner.
Genomförda beräkningar visade att gränslagret, vid väggytorna, gav en försumbar påverkan på resultatet för RED och kunde uteslutas, vilket gav en klart kortare beräkningstid.
UVT-värdet påverkas starkt av partikelantalet i vattnet, varför ett filter kan krävas före UV-belysningen.
Vid beräkning av reaktorerna LP 12 – LP 80 framkom att RED-värdet ökade upp till LP 40 för att sedan sjunka.Överensstämmelsen mellan beräkning och mätning var god. Vidare sjönk RED-värdet vid ökat flöde i valt intervall.
Slutsatser
Ökning av antalet lampor i reaktorn, i detta fall jämfört med reaktor LP 40, gav en försämring av RED-värdet och därmed inaktiveringen och var alltså ingen klok åtgärd. Överensstämmelsen mellan beskrivna beräkningar och genomförda experiment var god.
Källa: Li, H.Y., Osman, H., Kang C.W., Ba, T. & Lou, J. (2019) Numerical and experimental studies of water disinfection in UV reactors. Water Science & Technology 80.8, pp 1456-1465.
Författarna från:
Institute of High Performance Computing (IHPC), Agency for Science, Technology and Research (A*STAR), 1 FusionopolisWay, 16-6 Connexis, Singapore 138632, Singapore.
Kontakt: lih [a] ihpc.a-star.edu.sg
