UV-LED har flera fördelar framför lågtryckslampor. Ett försök i full skala med UV-LED reaktorer vid ett vattenverk i norra England har genomförts och resultaten visar minst lika effektiv avdödning av bland annat Cryptosporidium som med konventionella lågtryckslampor. Här finns de senaste forskningsresultaten när det gäller inaktivering av patogener med UV-LED system.
Av: Thor Wahlberg
En effektiv metod att desinficera är inaktivering av patogener med UV-ljus. Den gängse metoden är att använda lågtryckslampor med kvicksilver som genererar monokromatiskt ljus med en våglängd av 254 nm. Under senare år har dioder som genererar ultraviolett ljus tagits fram, s.k. UV-LED. De har flera fördelar framför lågtryckslampor som lägre energiåtgång, kvicksilverfria, justerbar våglängd från 210 nm till synligt ljus, mindre och kan stängas av/på direkt obegränsat antal gånger utan att försämras. Det återstår en del tekniska utmaningar för UV-LED som att det kan förekomma fel i uppbyggnaden av dess kretskort och att ljuseffekten är lägre än motsvarande lågtryckslampor. Det saknas också modeller som kan beräkna dosen och testmetoder för att mäta och kontrollera effekten av UV-LED. För UV-ljus med kvicksilverlampor finns ett väl utarbetat system för att beräkna effekten och validera men UV-LED befinner sig till stor del på forsknings- och utvecklingsstadiet. Utvecklingen för UV-LED går framåt och bara av antalet forskningsrapporter att döma så sker en snabb utveckling av teknik- och en metodutveckling. Ett försök i full skala med UV-LED reaktorer vid ett vattenverk i norra England har genomförts och resultaten visar minst lika effektiv avdödning av bland annat Cryptosporidium som med konventionella lågtryckslampor. Syftet med artikeln, som detta material hämtats ifrån, är att belysa den senaste forskningsresultaten när det gäller inaktivering av patogener med UV-LED system.
Mekanismer för UV-desinfektion
UV-desinfektion bygger på att DNA eller RNA absorberar UV-ljus och förstörs. Cellen kan då inte dela sig. Det ultravioletta ljusets våglängd är avgörande och 260 nm är den våglängd där DNA absorberar UV-strålningen maximalt. Vilken typ av mikrob har också betydelse för inaktivering. Till exempel är avdödning av E.Coli högre än för MS-2 och adenovirus vid en viss våglängd. Effektiv avdödning av E.Coli har också visat sig kunna ske vid multipla våglängder, 240 och 270 nm. UV-LED omfattar UVC (200–280 nm), UVB (280–315 nm) och UVA (315–400 nm). I våglängdsområdet 310 – 480 nm (synligt ljus mellan 380 och 700 nm) kan fotoreaktivering av DNA ske och då vid en låg UV-dos. Fotoreaktivering är att mikrobens DNA repareras. Desinfektion med UV-LED består av två delar, dels UV-bestrålningen och dels utformningen av utrustningen. UV-LED reaktorer är betydligt kompaktare jämfört med lågtryckslampor. Våglängden kan väljas med UV-LED beroende på den desinfektionseffekt som man vill åstadkomma. I artikeln fokuseras på tre aspekter av desinfektion med UV-LED, våglängd, dos och inaktiveringskonstant.
Våglängder för UV-LED
Våglängd är en avgörande faktor för desinfektion i UV-system. För traditionella UV-ljus med kvicksilver är 253,7 nm den mest effektiva våglängden. För medeltryckslampor är det ett spektrum av våglängder vilket i det fallet gör det svårt att bestämma/styra den effektiva våglängden(-erna). Från lågtryckslampor är det en koncentration kring 254 nm. För UV-LED är skillnaden att val av våglängd kan styras exaktare och därför kommer utvecklingen av UV-LED medföra en kvalitativ analys av mikrobiell inaktivering. Det betyder att bygga UV-LED system utifrån valda våglängder för avdödning av patogener. Till exempel har s.k. kopplade våglängder diskuterats och försök har utförts med varierande resultat. Det behövs vidare forskning och utveckling innan UV-LED med skilda våglängder kan konstrueras för att öka inaktivering. Ett UV-LED system med 280 nm är effektivt med rätt förutsättningar och det är i dagsläget den mest ekonomiska lösningen. Utveckling av UV-LED chip för 260 nm kommer sannolikt att bli konkurrenskraftigt, då den våglängden är effektiv för att inaktivera DNA/RNA.
UV-dos
Förutom våglängd är UV-dos en nyckelfaktor i UV-LED system. UV-dosen är produkten av strålningsflux, tid för bestrålning och en försvagningsfaktor dividerat med bestrålningsytan. Strålningsflux är strålningsenergi som passerar en tvärsektion per tidsenhet, med enheten watt. UV-dosen får enheten mJ/cm2 eller J/m2, både för UV-LED och traditionell UV. Försvagningsfaktorerna är komplexa och beror bland annat på reflexion och spridning av ljus. Därför skall värdet för UV-dos ses som en god approximation. En kortare exponeringstid och i kombination med högre strålningsflux kan ge högre log-avskiljning trots att dosen är densamma. För traditionella UV-ljus har man funnit att produkten av strålningsflux och tid ger samma log-avskiljning för bakteriofagen MS-2. För E.Coli så gällde inte denna reciprocitet utan högre log-inaktivering sker med ökad strålningsflux och minskad tid. UV-desinfektionen beror också på fotokemiska reaktioner och biologiska processer. UV-LED med kortare våglängder är svårare och dyrare att tillverkad än motsvarande med längre våglängder. UV-LED med kortare våglängder har också en lägre strålningsflux vilket ger en lägre UV-dos.
Inaktiveringskonstant
Denna konstant är ett mått på mikroorganismernas känslighet för UV-ljus. De inaktiveras med en dos, där desinfektion av dricksvatten skall uppnå 4-log inaktivering. Ett exempel är adenovirus som är mycket resistent mot UV-bestrålning. För UV-LED så ger våglängden 260 nm den högsta inaktiveringskonstanten men med kombination av två våglängder 260 nm och 280 nm ökar den ytterligare. Dosen är fortfarande hög, ca 89 mJ/cm2 för adenovirus vid 280 nm. UV-dos gånger inaktiveringskonstanten ger Log (N0/N), där N0 är antal mikrober innan bestrålning och N efter. Artikelförfattarna ger fler exempel på kombination av högre inaktiveringskonstanter och olika UV-doser beroende på vald våglängd. Det sistnämnda kan UV-LED tekniken anpassa och därmed skräddarsy inaktivering beroende på tillämpning.
UV-reaktor
Design av UV-reaktor är en den andra viktiga delen av ett effektivt UV-system. En viktig komponent är avståndet från UV-källa till hela vattenvolymen. Varje UV-LED enhet har en låg strålningsflux vilket gör att flera stycken måste placeras på den yta som vattnet passerar. I de fullskaleförsök som gjordes vi ett vattenverk i England innehöll varje genomströmningsreaktor ca 1 000 UV-LED lampor. Det som återstår är förstås att utveckla modeller och beräkningsverktyg för denna nya teknik så att en certifiering kan tas fram precis som för traditionella UV-aggregat med lågtryckslampor.
Slutsatser
UV-dos, med UV-LED, ger per log-inaktivering vid samma våglängd en inaktivering av E. Coli. > B. subtilus > MS2 > adenovirus. Våglängderna 260 nm och 280 nm visar på god inaktivering men än så länge är 280 nm det ekonomiska valet. Hög strålningsflux och kort tid är effektivare en det omvända trots ekvivalent UV-dos. Trenden i utvecklingen är högre strålningsflux i teknik med UV-LED. Ett kort avstånd mellan UV-LED källa och vattenmassa säkrar en större strålningsflux beroende på den än så länge relativt låga effekten för ett UV-LED chip. Detta behöver förbättras. UV-LED tekniken är lovande med längre livslängd jämfört med lågtryckslampor och de andra fördelar som redan nämnts.
Källa: Xiaoling Li, Miao Cai, Lei Wang, Fanfan Niu, Daoguo Yang and Guoqi Zhang. Evaluation survey of microbial disinfection metods in UV-LED water treatment systems. Science of the Total Environment 659 (2019) 1415–1427
