Verbesserte Desinfektionsleistung für 280-nm-LEDs über 254-nm-LEDs

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 7576 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Die UV-Desinfektion wird seit mehreren Jahrzehnten sowohl in Trinkwasser- als auch in Abwasseraufbereitungsprozesse integriert. Dies bringt jedoch negative Auswirkungen auf die Umwelt mit sich, etwa einen hohen Energiebedarf und die Verwendung von Quecksilber. Um die Überschneidung der UN-Nachhaltigkeitsziele 6 und 13 zu erreichen, ist es von entscheidender Bedeutung, zu verstehen, wie klimafreundliche Technologien skaliert und aufgebaut werden können. Eine Technologie, die die Nachteile herkömmlicher UV-Desinfektionssysteme für Abwasser beseitigt und gleichzeitig eine klimafreundliche Lösung bietet, sind UV-Leuchtdioden ( LEDs). Ziel dieser Studie war es, die Leistung von 280-nm-UV-LEDs im Labormaßstab mit Niederdrucklampen (LP) im Labormaßstab und UV-behandelten Abwasserproben im Originalmaßstab zu vergleichen. Die Ergebnisse der Studie zeigten, dass das UV-LED-System eine robuste Behandlung bietet, die LP-Systeme im Labormaßstab übertrifft. Ein Vergleich des relativen Energieverbrauchs des UV-LED-Systems bei 20 mJ cm-2 und des LP-Systems bei 30 und 40 mJ cm-2 wurde abgeschlossen. Basierend auf aktuellen Prognosen zur Wandsteckeffizienz (WPE) von UV-LED wird erwartet, dass der Energieverbrauch von LED-Reaktoren bis 2025 im Vergleich zu LP-Systemen gleich oder niedriger sein wird. Diese Studie ergab, dass bei einem WPE von 20 % Das entsprechende UV-LED-System würde zu einer Reduzierung des Stromverbrauchs um 24,6 % bzw. 43,4 % für die Szenarien mit 30 bzw. 40 mJ cm−2 führen.

Die UV-Desinfektion wird seit mehreren Jahrzehnten sowohl in die Trinkwasser- als auch in die Abwasseraufbereitung integriert. Bei der herkömmlichen UV-Desinfektion werden Quecksilber-Halogenlampen eingesetzt, die keimtötendes Licht bei 254 nm aussenden. Die UV-Desinfektion auf Quecksilberbasis ist zwar wirksam bei der Inaktivierung einer Vielzahl von Krankheitserregern in einer Vielzahl von Wassermatrizen, stellt jedoch ein Umweltproblem dar, da das zur Lichterzeugung in den Lampen verwendete Quecksilber giftig ist und die Lampen mit einer maximalen Energieeffizienz zwischen 30 und 35 arbeiten % erzeugen einen hohen Energiebedarf1 und die hohen Betriebstemperaturen der Lampen führen zu organischen und anorganischen Verschmutzungen der schützenden Quarzlampenhülsen, was die Wirksamkeit der UV-Desinfektion verringert2.

Das UN-Ziel für nachhaltige Entwicklung (SDG) 6 konzentriert sich auf die Hygiene und Sauberkeit des Wassers3. Jarvis hat festgestellt, dass eine nachhaltige Kontrolle über Mikroorganismen der Schlüssel zur Erreichung dieses Ziels ist4. Es müssen neuartige Technologien untersucht werden, die robust genug sind, um die vielen Probleme im Zusammenhang mit der Erreichung der SDGs anzugehen5. Das Verständnis, wie klimafreundliche Technologien skaliert und aufgebaut werden können, ist der Schlüssel zur rechtzeitigen Erfüllung der Schnittstelle von SDG6 und SDG13, Klimaschutz. UV-Leuchtdioden (LEDs) beseitigen die zuvor genannten Nachteile der herkömmlichen UV-Desinfektion von Abwasser und bieten gleichzeitig eine klimafreundliche Lösung6,7,8,9.

UV-LEDs funktionieren ähnlich wie herkömmliche Quecksilber-Halogenlampen, haben jedoch einen Formfaktor, der dem einer typischen LED mit sichtbarem Licht ähnelt, und verwenden kein Quecksilber für die Erzeugung von UV-Photonen. UV-LEDs haben sich im Laufe des letzten Jahrzehnts als Technologie so weit ausgereift, dass eine umfassende Nutzung unmittelbar bevorsteht und kommerzielle Point-of-Use-Systeme leicht verfügbar sind8,10,11. Eine der Möglichkeiten, die die UV-LED-Technologie bietet, ist die erhöhte keimtötende Effizienz durch die Emission von UVC-Licht unterschiedlicher Wellenlänge. Leichte Verschiebungen der UV-Wellenlänge können die Desinfektionsleistung erheblich verbessern12,13,14. Diese relative Verschiebung der keimtötenden Wirksamkeit ist für jeden Mikroorganismus einzigartig und wird als Aktionsspektrum bezeichnet. Sie hängt mit der relativen Häufigkeit der Nukleotidbasenpaare in der DNA des Organismus zusammen15. Die Steigerung der keimtötenden Effizienz durch die Verschiebung der Wellenlänge kann die erforderliche Fluenz verringern, um eine ähnliche logarithmische Reduzierung zu erreichen, um die geringere Energieeffizienz auszugleichen, die derzeit bei UV-LEDs im UVC-Bereich auftritt.

UV-LEDs sind modular aufgebaut und können je nach Anwendung skaliert werden, was bedeutet, dass sie in Anwendungen eingesetzt werden, die von der Desinfektion am Einsatzort bis hin zu Systemen im Pilotmaßstab reichen9,16. Die Abstimmung des emittierten Lichts durch den Einsatz einer Reihe von UV-LED-Chips erweitert den Gestaltungsspielraum und das Anwendungsspektrum der UV-Desinfektion6. Es wurden UV-LED-Reaktoren mit einer maßgeschneiderten Reihe von LEDs in Betracht gezogen, die auf eine bestimmte Abwassermatrix und UV-Absorptionseigenschaften zugeschnitten sind17,18. Während UV-LEDs viele Vorteile bieten, gibt es in ihrem aktuellen Zustand einige Eigenschaften, die eine Implementierung in größerem Maßstab behindern könnten. Dazu gehören kürzere Lampenlebensdauern, obwohl hochwertige UVC-LEDs ähnlich wie Quecksilber-Niederdrucklampen bereits Lebensdauern von 10.000 Stunden erreichen können9,19. Darüber hinaus haben UV-LEDs im Vergleich zu Niederdruck-Quecksilberlampen höhere Kapitalkosten pro Watt optischer Leistung (100–400 $/W im Vergleich zu 2 $/W); Allerdings ist dieser Unterschied im letzten Jahrzehnt erheblich geschrumpft, und es wird erwartet, dass dieser Trend anhält, da UV-LEDs als Technologie ausgereift sind19. Bisher gab es keine vollständige Implementierung eines UV-LED-Reaktors in einer Abwasseraufbereitungsanlage.

Die Wahl des richtigen Tools zur Bewertung der Leistung von UV-Technologien ist auch für die Skalierung neu entstehender Technologien von entscheidender Bedeutung. Es gibt verschiedene Bewertungstechniken (z. B. Kollimationsstrahltests, fluoreszierende Mikrosphären, CFD-Modellierung und Biodosimetrie), diese sind jedoch häufig hinsichtlich der Fähigkeit zur langfristigen Bewertung, der repräsentativen Gesamtergebnisse oder bei beidem begrenzt. UV-Audits wurden als Ansatz identifiziert, der die Gesamtleistung von Abwasseraufbereitungsanlagen (WWTFs) ermittelt und diese Leistung gleichzeitig mit unabhängigen Lichtquellen vergleicht20.

Ein weiterer Gesichtspunkt für UV-LEDs sind die wellenlängenabhängigen Wechselwirkungen mit UV-absorbierenden und blockierenden Schadstoffen in einer Abwassermatrix. Die Komplexität der Abwassermatrizen schränkt die UV-Desinfektion häufig ein. Typischerweise weisen Abwassermatrizen eine geringere UV-Durchlässigkeit (UVT %) auf, wenn die UV-Wellenlänge abnimmt, was die Durchdringung von UV-Licht bei typischen UV-Desinfektionswellenlängen von 254 nm begrenzt. Daher besteht das Potenzial, längere UVC-Wellenlängen mit besserer Penetrationsfähigkeit und ähnlicher keimtötender Effizienz zu verwenden, um die Desinfektionsleistung in einer Abwasseraufbereitungsanlage zu verbessern. Die Erforschung der Wirksamkeit der Behandlung mit alternativen UV-LED-Wellenlängen im Abwasser ist jedoch weitgehend unerforscht.

Das Ziel dieser Studie bestand darin, 280-nm-UV-LEDs im Labormaßstab mit Niederdrucklampen (LP) im Labormaßstab und mit LP-UV behandelten Abwasserproben im Originalmaßstab durch eine SDG-Linse zu vergleichen. Die Verwendung der UV-Prüfung bietet ein Werkzeug zum Vergleich der potenziellen Wirksamkeit eines UV-LED-Systems im Originalmaßstab, das mit einer äquivalenten Fluenz zu aktuellen LP-basierten Vollsystemen arbeitet. In dieser Arbeit wurden Fluenzen im Bereich von 10 bis 40 mJ cm-2 für zwei (UV-LED und LP) kollimierte Strahleinheiten untersucht, während gleichzeitig UV-behandelte Proben aus einem vollständigen System gesammelt wurden. Da sich die Effizienz von UV-LED-Wandsteckdosen rasch verbessert und es eine Wissenslücke hinsichtlich des Stands der Technik bei UV-LEDs gibt, wurden außerdem die aktuellen und prognostizierten Energieeinsparungen durch den Einsatz von UV-LEDs im Vergleich zu herkömmlichen UV-Systemen berechnet und die Auswirkungen auf die Kohlenstoffreduzierung daraus abgeleitet aus kanadischer Perspektive untersucht.

Die überwachte Abwasseraufbereitungsanlage (44° 48′ 52,4016ʺ N, 63° 43′ 55,308ʺ W) verwendet ein sekundäres Belebungssystem, gefolgt von einem geschlossenen UV-Desinfektionssystem mit einem maximalen Auslegungsdurchfluss von 1363 m3 Tag−1 und einem Design Fluenz von 30 mJ cm−2. Die Anlage versorgt etwa 930 Einwohner mit Abwasser. Das Abwasser wurde in den ersten vier Wochen der Studie wöchentlich aus der Abwasseraufbereitungsanlage gesammelt und in den verbleibenden acht Wochen der Studie zweimal pro Woche gesammelt. Zusammen mit den unbehandelten Proben wurden auch UV-behandelte Pflanzenproben gesammelt, um die Leistung der Großanlage mit der Desinfektion im Labormaßstab unter Verwendung von LP- und UV-LED-Geräten mit kollimiertem Strahl zu vergleichen. Abwasserproben wurden auf Eis zum Labor transportiert und am Tag der Entnahme analysiert.

Für alle LP-Laborarbeiten wurde eine kollimierte Strahleinheit von Calgon Carbon verwendet. Die LP-Lampe wurde 30 Minuten lang eingeschaltet, um der Lampe das Aufwärmen zu ermöglichen und sicherzustellen, dass das System vor der Messung der Bestrahlungsstärke mit voller Leistung lief. Für alle LED-Arbeiten im Labormaßstab wurde eine AquiSense Pearlbeam UV-LED-Kollimationsstrahleinheit mit einer nominalen 280-nm-UV-LED verwendet, die eine Spitzenwellenlänge von 279 nm emittiert. Die gesamte UV-Bestrahlungsstärke wurde mit einem OceanOptics USB2000-Spektroradiometer gemessen und die von Bolton und Linden beschriebenen entsprechenden Korrekturfaktoren wurden auf die gemessene Bestrahlungsstärke angewendet, bevor die Belichtungszeit für die Zielfluenzen berechnet wurde21. Für die LP- und UV-LED-Proben wurden Fluenzen von 10, 20, 30 und 40 mJ cm-2 verwendet. Alle Proben im Labormaßstab sowie alle Proben vor und nach der UV-Bestrahlung im Originalmaßstab wurden gemäß den nachstehenden Zählprotokollen auf E. coli gezählt.

Die Gesamtschwebstoffe (TSS) und das Gesamteisen wurden gesammelt, um den Einfluss der Wasserqualität auf die Desinfektionsleistung zu bewerten. TSS wurde gemäß den Standardmethoden zur Untersuchung von Wasser und Abwasser22 durchgeführt. Der Gesamteisengehalt wurde nach der USEPA FerroVer-Methode (Methode 8008) auf einem DR5000-Spektrometer gemessen. UVT % wurde bei 254 und 279 nm unter Verwendung einer 1-cm-Quarzküvette auf einem DR5000-Spektrometer gesammelt. Durchflussrate und UV-Intensität wurden zum Zeitpunkt der Probenahme über das Bedienfeld des voll ausgestatteten UV-Systems erfasst.

52 ml unbehandeltes Abwasser wurden in eine sterile Petrischale gegeben und vorsichtig mit einem Rührstab gemischt. Anschließend wurden Abwasserproben UV-Licht für jede der erforderlichen Fluenzen und UV-Lichtquellen ausgesetzt, während sie unter gedämpftem Rotlicht betrieben wurden, um den Effekt der Fotoreparatur zu minimieren. Die Proben wurden dann sofort in eine sterile Colilert-Flasche überführt und mit Phosphatpufferlösung verdünnt. Dann wurde jeder Flasche ein Colilert-Päckchen hinzugefügt und gemischt, bevor die Lösung in Quantitrays überführt und dann 24 Stunden lang bei 37 °C inkubiert wurde. Anschließend wurden die Proben gezählt und auf E. coli quantifiziert. Die Well-Zählungen wurden unter Verwendung des Quantitray-Pakets in R in MPN-100 ml-1 umgerechnet.

Das nichtlineare Hitzeinaktivierungsmodell von Geeraerd wurde angepasst, um die Kinetik mit einer logarithmisch linearen Phase und einer Schulterphase wie in Gl. zu erfassen. (1) 23.

Alle Statistiken, Modelle und Zahlen wurden mit R (V 4.0.3)24 unter Verwendung der R-Kernfunktionen und der folgenden zusätzlichen Pakete entwickelt: nls, nlstools und ggplot. Darüber hinaus wurde Affinity Designer (V 1.10.5) für alle anderen verwendet Illustrationen und Grafiken, die für diese Studie entwickelt wurden25.

Die Fluenzrate innerhalb eines Reaktors ist eine Funktion mehrerer Faktoren im Zusammenhang mit seiner Konstruktion und seinem Betrieb sowie der Absorption des behandelten Wassers; Wenn man davon ausgeht, dass alle Reaktoreigenschaften zwischen dem Vollmaßstab und einem äquivalenten LED-System konstant sind, kann die Beziehung zu Gl. zusammengefasst werden. (2), wobei H'e die mittlere Fluenzrate, q die UV-Leistung im System und α der Absorptionskoeffizient des Wassers ist.

Der relative Stromverbrauch wurde dann berechnet, indem die mittlere Fluenzrate durch die aktuellen typischen Wirkungsgrade von Steckdosen dividiert wurde (7,1 % WPE).

Die Qualität des Zulaufabwassers über die Dauer des Probenahmezeitraums ist in Tabelle 1 dargestellt. UVT254 lag im Bereich von 39,7 bis 70,6 % (Mittelwert = 61,8 %) und UVT279 im Bereich von 44,7 bis 75,7 % (Mittelwert = 66,8 %) und der Durchfluss lag im Bereich von 164 bis 1010 m3 Tag−1 (Mittelwert = 490 m3 Tag−1). Diese Daten deuten darauf hin, dass die Wasserqualität und der Durchfluss während des Probenahmezeitraums schwankten, und untermauern die Desinfektionsdaten zusätzlich, da eine Vielzahl von Abwasserbedingungen erfasst wurden. Es wurde festgestellt, dass der TSS für eine Abwasseranlage mit einem Mittelwert von 5,5 mg L−1 und einem Höchstwert von 9,5 mg L−1 relativ niedrig ist. Andere Einrichtungen in der Region haben zuvor mittlere TSS-Konzentrationen zwischen 9,7 und 23,9 mg L−120 gemeldet. Die durchschnittliche Gesamteisenkonzentration betrug 0,21 mg L−1 mit einem Höchstwert von 0,36 mg L−1. die unter oder nahe dem Wert (0,3 mg L−1) liegen, der sich voraussichtlich auf die Desinfektionsleistung auswirkt26. Basierend auf früheren Arbeiten legen die in dieser Studie gemessenen TSS- und Eisenkonzentrationen nahe, dass die Matrix gut auf die UV-Behandlung ansprechen sollte.

Im Rahmen der typischen Probenahme für die Dauer des Untersuchungszeitraums wurden auch vollständige Pflanzendaten gesammelt. Die Bediener erfassten etwa alle zwei Wochen den Durchfluss, den TSS des Zu- und Abflusses, den pH-Wert des Zu- und Abflusses sowie die E. coli-Konzentrationen im Abfluss. Tabelle 2 fasst die für diese Studie relevanten Parameter zusammen. Ein Vergleich der Daten im Originalmaßstab mit den Daten im Labormaßstab zeigt, dass der Bereich der während des Probenahmezeitraums erfassten Durchflussmengen und Abwasserqualität dem Bereich typischer Durchflussmengen für die Anlage im Originalmaßstab entspricht. Die durchschnittlichen Durchflüsse in der Anlage während der Dauer der Studie betrugen 471 m3 Tag−1 (Durchschnitt für Probenahmeereignisse = 490 m3 Tag−1). Der durchschnittliche TSS in der Einrichtung betrug 6,8 mg L-1 und war damit etwas höher als die im Labor beobachteten 5,5 mg L-1.

Abbildung 1 zeigt die Desinfektionsleistung für die Abwasseraufbereitungsanlage (WWTF) sowohl für LED- als auch LP-Kollimationslichtquellen. Die Anlagenleistung wird durch den grauen Balken und die gestrichelte Linie zum Vergleich mit den Behandlungen im Labormaßstab angezeigt, die durch die verschiedenfarbigen Boxplots angezeigt werden. Die geplante Fluenz für den am WWTF installierten Reaktor betrug 30 mJ cm−2, und diese Ergebnisse zeigen, dass UV-LEDs bei 279 nm die LP bei dieser Fluenz übertreffen. Darüber hinaus zeigt die Überlappung des schattierten Bereichs der Anlagenleistung und der LP-Behandlung im Labormaßstab bei 30 und 40 mJ cm-2 in Abb. 1, dass das System bei der Betrachtung der UV-Prüfungsmethodik Matrix-begrenzt war (d. h. das System behandelt). Abwasser in höchster Qualität)20. Dies war nicht unerwartet, da die durchschnittlichen täglichen Abflüsse in der Anlage nur 36 % der geplanten Abflüsse ausmachen. Die LED-Lichtquelle übertraf den kollimierten LP-Strahl bei jedem der untersuchten Fluenzen im Labormaßstab. Dieses Ergebnis legt nahe, dass UV-LED-Lichtquellen unter bestimmten Abwasserqualitätsbedingungen ein besseres Instrument zur Desinfektion sind.

Log-Reduktionswerte für UV-LED- und LP-behandeltes Abwasser. Die gestrichelte Linie und der schattierte Bereich stellen die mittlere Gesamtleistung der Anlage und das 95 %-Konfidenzintervall über die Dauer der Probenahme dar (n = 12). Die Mittellinie des Boxplots stellt den Medianwert dar, während das obere und untere Scharnier das 1. bzw. 3. Quartil darstellen. Die Whisker repräsentieren das 1,5-fache des Interquartilbereichs, und die umliegenden Datenpunkte werden als Punkte dargestellt.

Die Ergebnisse der kollimierten Strahlen für die LP-Lichtquelle zeigten, dass sie nur bei einer Fluenz von mehr als 40 mJ cm−2 eine Desinfektion erreichte, die mit der LP-Leistung im Vollmaßstab vergleichbar war. Die Auslegungsfluenz des WWTF beträgt 30 mJ cm−2, was darauf hindeutet, dass die Leistung der Anlage über der Auslegungsrate liegt. Dies ist nicht überraschend, da der durchschnittliche Durchfluss in der Anlage im Verlauf der Studie 490 m3 pro Tag betrug, verglichen mit dem geplanten Durchfluss von 1363 m3 pro Tag. Diese Daten zeigen, dass das LP-System aufgrund einer übermäßigen UV-Fluenz eine erhebliche Energiemenge verschwendet. Ein vollwertiges LED-System, das bei diesem WWTF installiert wurde, könnte besser auf die sich ändernde Wasserqualität an diesem Standort abgestimmt sein.

Die Modellierung jeder der Desinfektionslichtquellen zeigte außerdem, dass es signifikante Unterschiede im Desinfektionsverhalten zwischen der LP- und der LED-Behandlung gab. Es wurde beobachtet, dass sich die Kinetik für die LED-Lichtquelle von der logarithmisch linearen zur Schulterphase in der Nähe einer Fluenz von verschob 20 mJ cm−2 (Abb. 2). Die LP-Modellierung ergab, dass die Schulterphase bei 40 mJ cm-2 beginnt und bei einer Fluenz, die außerhalb des in dieser Studie untersuchten Fluenzbereichs liegt, einen stationären Zustand erreichen würde.

Geeraerds Modellvergleich zwischen 254 nm LP und 279 nm UV-LED. Fehlerbalken stellen ein 95 %-Konfidenzintervall für den Mittelwert (n = 12) dar, angezeigt durch schwarze (LP) und gelbe (LED) Punkte.

Tabelle 3 zeigt die kinetischen Daten und die Modellanpassung von Geeraerd für jede der Lichtquellen und WWTF-Daten. Es wurde beobachtet, dass die Wirksamkeit von LED gegenüber LP deutlich unterschiedlich war. Es wurde festgestellt, dass die 279-nm-LED einen k-Wert hatte, der doppelt so hoch war wie der des LP-Systems. Praktisch bedeutet dies, dass die 279-nm-UV-LED die Hälfte der Fluenz benötigt, um die gleiche logarithmische Reduzierung in E. coli zu erreichen. Der erhöhte k-Wert könnte auf Unterschiede in der keimtötenden Wirksamkeit der beiden untersuchten Wellenlängen oder auf andere Inaktivierungsmechanismen im Zusammenhang mit Proteinschäden zurückzuführen sein; Eine Studie von Beck et al.17 ergab jedoch, dass es bei der kombinierten Wellenlängenbehandlung mit 280-nm-UV-LEDs zu keiner erhöhten Synergie kam. Die Autoren vermuten, dass der Mangel an Synergie darauf hindeutet, dass der Hauptmechanismus für die Inaktivierung bei 280 nm auf der DNA-Absorption und der Bildung von Pyrimidin-Dimeren beruht. Daher könnte der in dieser Studie festgestellte Unterschied in der Kinetik mit einer erhöhten keimtötenden Wirksamkeit bei 279 nm zusammenhängen.

Die 279-nm-UV-LED-Nres oder die obere Behandlungsstufe waren im Vergleich zum LP-System deutlich höher (3,61 Log gegenüber 2,82 Log). Da diese Obergrenze der Desinfektion typischerweise auf Partikelabschirmungseffekte zurückzuführen ist, deutet dies darauf hin, dass die 279-nm-UV-LED eine höhere Neigung hatte, Bakteriengemeinschaften zu erreichen, die sich möglicherweise an den Partikeln in der Matrix festgesetzt haben. Es wurde beobachtet, dass die Abschirmwirkung von Partikeln wellenlängenabhängig ist, da die UV-Absorptionsfähigkeit der Partikel mit abnehmender Wellenlänge zunimmt, was die Inaktivierungsfähigkeiten bei diesen niedrigeren Wellenlängen verringert27. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass die Selbstaggregation von E. coli wellenlängenabhängig ist28,29.

Die Konfidenzintervalle für die Nres-Werte der einzelnen Lichtquellen im Labormaßstab und die WWTF-Leistung überschnitten sich und es gab keinen signifikanten Unterschied zwischen den Behandlungen im Labormaßstab und der Desinfektionsleistung im Originalmaßstab. Dies ist das erste Mal, dass bei der Prüfung eine Anlage festgestellt wurde, die eine erhebliche Überdosis UV-Strahlung aufwies. Dieses Ergebnis zeigt, dass der UV-Auditprozess die Betriebseffizienz selbst bei einer Anlage verbessert, die mit idealen Desinfektionsergebnissen arbeitet.

Der für die UV-LED-Quelle beobachtete Anstieg des oberen Behandlungsniveaus (+ 0,79 log) lässt darauf schließen, dass die Wechselwirkung zwischen Wellenlängen und Partikeln die Leistung beeinflussen könnte. Nichtsdestotrotz trägt die im Vergleich zu herkömmlichen UV-Lichtquellen um 33 % verbesserte keimtötende Effizienz dazu bei, die aktuellen Diskrepanzen in der Steckdoseneffizienz (WPE) zwischen den beiden Technologien auszugleichen. Im Jahr 2020 betrug der höchste WPE, der für eine kommerziell erhältliche 280-nm-UV-LED erreicht wurde, 4,1 % (LP-Lampen 30–35 %) und die externe Quanteneffizienz (EQE) lag bei 6,1 %30. Derzeit haben UV-LEDs im Bereich von 280 nm ± 5 nm einen EQE von 9 bis 20,3 %7,31 und die besten LEDs liegen typischerweise bei etwa 7,1 % WPE. Diese deutliche Verbesserung in den letzten Jahren und die prognostizierten Verbesserungen für UV-LED-WPE deuten darauf hin, dass die Diskrepanz in der Energieeffizienz mit der Verbesserung der LED-Lichtquellen abnehmen wird32,33. Weitere Effizienz kann durch kreatives Design von UV-LED-Reaktoren erreicht werden, wie z. B. hochreflektierende Innenflächen und die Gesamtform des Reaktors, die eine maximale Interaktion von emittiertem Licht und Zielpathogen ermöglichen. Diese Effizienzsteigerungen zusammen können die Machbarkeit einer vollständigen Implementierung von UV-LED-Reaktoren verbessern.

UV-LEDs erreichten bei einer UV-LED-Fluenz von 20 mJ cm-2 eine ähnliche Desinfektionsleistung wie der WWTF im Originalmaßstab, wohingegen die Design-Fluenz im Originalmaßstab 30 mJ cm-2 betrug (Abb. 3). Oben wurde dargestellt, dass die vollständige LP-Anlage trotz einer geplanten Fluenz von 30 mJ cm-2 eine Fluenz von mehr als 40 mJ cm-2 Reduktionsäquivalentfluenz (REF) lieferte und daher zusätzlichen Strom verbrauchte über das erforderliche Maß hinaus behandeln. Es wurde auch gezeigt, dass ein gleichwertiger Grad an Inaktivierung durch ein LED-System erreicht werden kann, das einen REF von 20 mJ cm-2 liefert. Eine detaillierte Analyse des Energiekostenvergleichs eines gleichwertigen LED-Systems, das am Standort Springfield Lake installiert ist, würde den Rahmen dieses Dokuments sprengen, obwohl ein Basisvergleich durchgeführt werden kann. Daher wäre die von einem gleichwertigen LED-System zu liefernde Fluenz 1,5–2,0-mal niedriger als die der aktuellen LP-Installation.

E. coli-Konzentration im Vergleich zur Fluenz für zwei UV-Systeme. Schwarze Kreise stellen eine Behandlung im Labormaßstab bei 254 nm unter Verwendung eines LP-Kollimationsstrahlsystems dar. Gelbe Quadrate stellen eine Behandlung im Labormaßstab bei 279 nm unter Verwendung eines UV-LED-Kollimationsstrahlsystems dar. Die rot gepunktete Linie stellt die angestrebte Abwasserkonzentration dar, um die gesetzlichen Einleitungsanforderungen zu erfüllen. Die schwarze Linie und der schattierte Bereich stellen den Mittelwert und das 95 %-Konfidenzintervall (n = 12) der Abwasserkonzentration aus Post-UV-Proben dar.

Während der Studie gesammelte UVT-Daten zeigten, dass der Absorptionskoeffizient des Wassers bei 279 nm um 16 % niedriger war als bei 254 nm, was zu einer um 19,3 % höheren Fluenz pro Einheit UV-Leistung führte. Die Kombination dieser Faktoren ergibt einen UV-Leistungsbedarf des entsprechenden LED-Systems von 42–56 % der LP-Installation. Eine hochmoderne kommerzielle UV-C-LED würde einen elektrischen Wirkungsgrad von etwa 7,5 % erreichen und etwa 5 % bei der Stromumwandlung und -verteilung verlieren, was einem WPE von etwa 7,1 % entspricht. Die UV-Lampen von LP-Systemen sehen typischerweise 30 % WPE15. Unter Anwendung dieser elektrischen Effizienzfaktoren würde das entsprechende LED-System im Dauerbetrieb 59–113 % mehr Strom verbrauchen als die LP-Installation.

Damit das UV-LED-System im Energieverbrauch mit den 30 mJ cm-2-Szenarien vergleichbar ist, müsste der WPE des Systems 15,1 % erreichen, und für das 40 mJ cm-2-Szenario müsste der WPE nur 11,3 % betragen. . Basierend auf Prognosen für UV-LEDs wird erwartet, dass der WPE von UV-LEDs zwischen 265 und 280 nm bis 2025 etwa 20 % erreichen wird34. Bei einem WPE von 20 % würde das entsprechende UV-LED-System zu einer Reduzierung um 24,6 % bzw. 43,4 % führen Stromverbrauch für die 30- bzw. 40-mJ-cm-2-Szenarien. Die Untersuchung dieser Szenarien zeigt, dass UV-LED-Reaktoren in Zukunft das Potenzial haben werden, LP-Systeme hinsichtlich des Energieverbrauchs zu erreichen oder sogar zu übertreffen, indem sie den Unterschied in der keimtötenden Effizienz alternativer Wellenlängen ausnutzen, auch wenn der WPE der Lampen noch nicht erreicht ist Parität.

Die verbesserte Leistung beim Vergleich des Bruttoenergieverbrauchs von LED- und LP-Lichtquellen wird durch die praktischen Vorteile der umfassenden täglichen Nutzung von LED-Technologien noch verstärkt. Beispielsweise können UV-LEDs gedimmt, aufgehellt und ausgeschaltet werden, wenn keine Desinfektion erforderlich ist. LP-Systeme werden normalerweise nur während routinemäßiger Wartungsarbeiten oder Systemreparaturen abgeschaltet, was bedeutet, dass der Energieverbrauch nicht während der gesamten Lebensdauer von UV-Lampen optimiert wird. Weitere Untersuchungen und Bewertungen dieser inhärenten Verbesserungen sind erforderlich, um die Vorteile von UV-LEDs gegenüber herkömmlichen Desinfektionstechnologien besser quantifizieren zu können.

Im Jahr 2020 gab es in Kanada 1866 Kläranlagen. Ungefähr 25 % der WWTF, abzüglich der Lagunen, wurden zwischen 2010 und 2020 in Betrieb genommen35. Kanadische WWTFs sind im Durchschnitt 17,3 Jahre alt und ungefähr 48,9 % haben ihre Nutzungsdauer erreicht36. Diese Daten deuten darauf hin, dass in den nächsten 18 Jahren umfangreiche Modernisierungen der Abwasseraufbereitungsanlagen im Land erforderlich sein werden. Es wird erwartet, dass UV-LED-Technologien bis dahin weiter ausgereift sind und Modernisierungen bestehender UV-Systeme in Abwasseraufbereitungsanlagen zu einer nachhaltigeren Zukunft beitragen würden.

In der Berichtsdokumentation der Wastewater Systems Effluent Regulation werden Abwasser- und Systemdaten von Abwasseraufbereitungsanlagen in allen kanadischen Provinzen mit durchschnittlichen täglichen Abflüssen von mehr als 100 m3 erfasst, die unterhalb des 54. Breitengrades liegen37. Dieser Datensatz enthält Informationen zu 601 Abwasseraufbereitungsanlagen, von denen schätzungsweise 421 UV-Desinfektion als Endbehandlung vor der Einleitung nutzen. Standort und Größe dieser Systeme basierend auf dem durchschnittlichen täglichen Durchfluss sind in Abb. 4 dargestellt. Ontario, gefolgt von Quebec und Alberta, sind die drei größten Nutzer von UV-Desinfektionssystemen in Kanada.

Standort und Größe von Abwasseraufbereitungsanlagen in den 10 Provinzen Kanadas, die UV zur Desinfektion nutzen. Die Einfügung stellt die gesamten täglichen Ströme von WWTFs mit UV-Behandlung pro Provinz in Kanada dar.

Unter Verwendung der Durchflussrate als Maß dafür, wie groß ein UV-System sein muss, um eine Fluenz von 30 mJ cm−2 zu liefern, wurde eine Schätzung des aktuellen Energieverbrauchs für UV-Behandlungssysteme erstellt. Unter Verwendung der Springfield Lake-Aufbereitungsanlage mit einem Basisdurchfluss von 1363 m3 Tag−1 und einem jährlichen Energieverbrauch von 5781,6 kWh wurden Schätzungen des jährlichen Stromverbrauchs in den gesamten Provinzen berechnet. Darüber hinaus wurde anhand der von der kanadischen Regierung bereitgestellten Energieprofile der Provinzen der jährlich erzeugte CO2(e) geschätzt38. Diese Werte wurden dann verwendet, um das Szenario zu bewerten, in dem alle Einrichtungen auf UV-LED-Systeme mit einer WPE-Effizienz von 20 % umsteigen. Diese Analyse zeigt, dass durch den Betrieb von UV-LED-Desinfektionssystemen eine jährliche Reduzierung von 946 Tonnen CO2(e) erreichbar ist (Tabelle 4).

Der Energieverbrauch allein ist kein vollständiger Maßstab für die Nachhaltigkeit eines Aufbereitungssystems, und andere in einer Ökobilanz (LCA) erfasste Aspekte wie Materialerzeugung, -verwendung, -lebensdauer und -entsorgung können zum gesamten CO2-Fußabdruck einer Aufbereitungstechnologie beitragen . Eine aktuelle Studie von McKee und Chatzisymeon39 untersuchte mithilfe einer Ökobilanz die Nachhaltigkeitsunterschiede zwischen einem UV-LED/TiO2- und einem quecksilberbasierten UV/TiO2-photokatalytischen Behandlungssystem zur Entfernung von Bisphenol-A aus verschmutztem Wasser im Labormaßstab. Die Autoren fanden heraus, dass die UV-LED-Behandlung die Umweltbelastung um 40 % reduzierte und gehen davon aus, dass der größte Teil der Reduzierung auf den geringeren Energieverbrauch, die längere Lebensdauer und die Quecksilberfreiheit der UV-LED-Einheit zurückzuführen ist. Darüber hinaus weisen die Autoren darauf hin, dass der Großteil der Umweltauswirkungen mit dem Energieverbrauch der Behandlung zusammenhängt, was darauf hindeutet, dass die Reduzierung des Energieverbrauchs den größten Einfluss auf die Nachhaltigkeit haben wird. Eine vollständige Ökobilanz würde zwar den Rahmen dieser aktuellen Studie sprengen, die Arbeiten von McKee und Chatzisymeon legen nahe, dass sich die Gesamtnachhaltigkeit der UV-LED-Behandlung im Vergleich zu weiter verbessern wird, da der Unterschied in der Energieeffizienz zwischen UV-LEDs und quecksilberbasierten Systemen abnimmt, gepaart mit der Behandlungseffizienz, die durch die Verwendung gezielter UV-LED-Wellenlängen erzielt wird Systeme auf Quecksilberbasis.

Die Ergebnisse dieser Studie deuten darauf hin, dass UV-LED-Technologien in der Lage sind, eine ausreichende Gesamtleistung zu erzielen und herkömmliche Technologien bei kongruenten Lichtstärken übertreffen können. Auch die Veränderungen der Wasserqualität im WWTF im Laufe der Probenahme weisen darauf hin, dass die UV-LED-Desinfektion eine robuste Behandlung darstellt. Darüber hinaus deuten die für diese Studie durchgeführten Energievergleiche darauf hin, dass UV-LED-Systeme das Potenzial haben, in naher Zukunft eine ähnliche Leistung bei geringerem Stromverbrauch zu bieten. Verbesserungen der Desinfektionswirksamkeit bei vergleichbaren Fluenzen haben größere Auswirkungen, wenn UV-LED-Technologien in Geräte im großen Maßstab umgesetzt werden. Da die Infrastruktur ersetzt wird, um die Sicherheit von Trinkwasser- und Abwasseraufbereitungsprozessen aufrechtzuerhalten, bieten UV-LEDs ein skalierbares Werkzeug, um auf den Druck des Klimawandels zu reagieren. Zukünftige Arbeiten mit diesem Ansatz werden empfohlen, um die LED-Leistung mit herkömmlichen Technologien zu vergleichen. Verwendung eines echten Reaktors im Originalmaßstab, der in das Netzwerk einer kommunalen Abwasseraufbereitungsanlage eingebaut wird. UV-LED-Systeme sollten auch besser quantifiziert werden, um die potenziellen Energieeinsparungen zu verstehen, die sich aus anderen einzigartigen Funktionen wie dem sofortigen Dimmen und Aufhellen der LEDs ergeben.

Die im Rahmen der aktuellen Studie generierten und analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Studie wurde durch die Unterstützung eines NSERC Alliance Grant [ALLRP 568507 – 2021] und eines NSERC Collaborative Research and Development Grant in Zusammenarbeit mit Halifax Water [CRD 539387 – 19] finanziert. Kyle Rauch wird durch ein NSERC PGS-D-Stipendium [PGSD3 – 547191 – 2020] unterstützt. Die Autoren möchten den Mitarbeitern und Anlagenbetreibern von Halifax Water für ihre Unterstützung bei den Probenahmeprogrammen danken.

Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen: Sean A. MacIsaac und Kyle D. Rauch.

Zentrum für Wasserressourcenstudien, Dalhousie University Halifax, Halifax, NS, B3H 4R2, Kanada

Sean A. MacIsaac, Kyle D. Rauch, Taylor Prest, Graham A. Gagnon und Amina K. Stoddart

AquiSense Technologies, Erlanger, KY, 41018, USA

Richard M. Simons

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SM: Konzeptualisierung, Projektverwaltung, Visualisierung, Schreiben des Originalentwurfs, Überprüfung und Bearbeitung; KR: Konzeptualisierung, Methodik, Untersuchung, formale Analyse, Visualisierung, Verfassen des Originalentwurfs, Überprüfung und Bearbeitung; TP: Untersuchung, Schreiben – Originalentwurf; RS: Methodik, formale Analyse, Schreiben – Originalentwurf; GG: Konzeptualisierung, Finanzierungsakquise, Betreuung, Verfassen, Begutachtung und Redaktion; AS: Konzeptualisierung, Finanzierungsbeschaffung, Überwachung, Verfassen, Überprüfen und Redigieren.

Korrespondenz mit Amina K. Stoddart.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

MacIsaac, SA, Rauch, KD, Prest, T. et al. Verbesserte Desinfektionsleistung für 280-nm-LEDs gegenüber 254-nm-Niederdruck-UV-Lampen im kommunalen Abwasser. Sci Rep 13, 7576 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34633-7

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Eingegangen: 5. Januar 2023

Angenommen: 04. Mai 2023

Veröffentlicht: 10. Mai 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-34633-7

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