Veden desinfiointi UV-LED-valolla
Ahonen, Elisa (2013)
Tiivistelmä
Veden riittämätön puhdistus aiheuttaa riskin veden käyttäjille. Miljoonia kuolemia vuosittain aiheuttavien vesiteitse leviävien sairauksien ehkäisemiseksi vaaditaan tehokkaita juomaveden desinfiointimenetelmiä. Kuivuuden ja väestönkasvun myötä veden tarve on lisääntynyt ja vedenkulutus tulee yhä kasvamaan. Tästä syystä mahdollisuus kierrättää vettä hyödyntäen sitä esimerkiksi kasteluun on saanut yhä enemmän huomiota. Kierrätettävä vesi on kuitenkin käsiteltävä huolellisesti sen sisältämän mikrobiologisen kontaminaatioriskin vuoksi.
Ultraviolettisäteily luokitellaan fysikaaliseksi desinfiointimenetelmäksi. Sen tehokkuus perustuu mikro-organismien absorboimaan UV-säteilyyn, jonka aiheuttamien DNA:ssa tai RNA:ssa tapahtuvien muutoksien seurauksena mikro-organismi inaktivoituu ja estyy lisääntymästä. UV-desinfioinnissa on tyypillisesti käytetty elohopeahöyrylamppuja. Vaihtoehtoinen UV-säteilyn lähde ovat LEDit eli valoa emittoivat diodit. Matalapaine-elohopeahöyrylamppujen emittoima säteily on aallonpituudella 254 nm ja keskipaine-elohopeahöyrylamppujen emittoima säteily on laajakaistaista säteilyä. Energiatehokkuuden lisäksi LEDien etuna on, että niillä voidaan tuottaa kapeakaista säteilyä aallonpituudella, joka parhaiten absorboituu DNA:han.
Tämän diplomityön tarkoituksena oli tutkia, onko UVC-alueen aallonpituuksien yhdistelmillä synergistisiä etuja LEDien desinfiointitehokkuuteen, kun desinfioidaan virtaavaa vettä useilla säteilyannoksilla ja indikaattorimikrobina käytetään kolibakteeria. Tavoitteena oli myös tutkia tällä hetkellä saatavissa olevien LEDien desinfiointitehokkuutta energiatehokkuuden näkökulmasta. Yksittäisistä aallonpituuksista desinfiointitehokkuudeltaan parhaimmaksi osoittautui 260 nm, aallonpituuksien yhdistelmistä tehokkain oli 265 nm:n ja 260 nm:n yhdistelmä. Muilla aallonpituuksien yhdistelmillä ei saavutettu odotettua parempaa desinfiointitehokkuutta. Optiselta teholtaan parhaimmat LEDit, 265 nm, 270 nm ja 275 nm olivat kokeiden perusteella myös energiatehokkuuden kannalta tarkasteltuina parhaimmat sekä yksittäin että yhdistelminä. UVC-aallonpituuksia emittoivien LEDien optisen tehokkuuden paraneminen on edellytys LEDien hyödyntämiselle desinfioinnissa. Insufficient water treatment causes a serious risk to water consumers. Millions of deaths per year are caused by waterborne diseases, thus it is substantial to treat drinking water properly by disinfection. Drought and population growth have increased the need for fresh water, and presumably the overall water consumption will increase in the future. Water recycling is a possible relief to water shortage and it has gained more attention in recent years. Because of the risk of microbiological contamination, the recycled water needs to be disinfected carefully.
Ultraviolet irradiation is a physical disinfection method. UV disinfection is based on the ability of microorganism to absorb UV irradiation. This causes mutations in microorganisms DNA or RNA, thus it becomes inactivated and unable to reproduce. Mercury vapour lamps have traditionally been used in UV disinfection. Alternative source of UV irradiation are LEDs, light emitting diodes. Low pressure mercury vapour lamps emit nearly monochromatic emission on wavelength 254 nm, while the emission of medium pressure mercury vapour lamps is broadband emission. Besides being an energy efficient light source, another advantage is that LEDs emit monochromatic wavelength, which can be chosen to be the wavelength that is best absorbed by the DNA.
The aim of this master’s thesis was to study if combining wavelengths at UVC range would have any synergistic effects on the disinfection efficiency, when disinfecting flowing water using several doses and bacterium coli as a test microorganism. The scope was also to research the efficiency of LEDs in consideration of energy efficiency and disinfection efficiency. With single wavelengths the 260 nm wavelength LED proved to be the best when considering disinfection efficiency, best combination was 260 nm and 265 nm. No unpredictable disinfection efficiency was resolved using different wavelength combinations. LEDs with higher intensities had also better efficiency when regarding their energy consumption and disinfection efficiency, the best wavelengths were 265 nm, 270 nm and 275 nm using alone and by combination of these wavelengths. In order for LEDs to be utilized in disinfection, their optical power needs to be improved.
Ultraviolettisäteily luokitellaan fysikaaliseksi desinfiointimenetelmäksi. Sen tehokkuus perustuu mikro-organismien absorboimaan UV-säteilyyn, jonka aiheuttamien DNA:ssa tai RNA:ssa tapahtuvien muutoksien seurauksena mikro-organismi inaktivoituu ja estyy lisääntymästä. UV-desinfioinnissa on tyypillisesti käytetty elohopeahöyrylamppuja. Vaihtoehtoinen UV-säteilyn lähde ovat LEDit eli valoa emittoivat diodit. Matalapaine-elohopeahöyrylamppujen emittoima säteily on aallonpituudella 254 nm ja keskipaine-elohopeahöyrylamppujen emittoima säteily on laajakaistaista säteilyä. Energiatehokkuuden lisäksi LEDien etuna on, että niillä voidaan tuottaa kapeakaista säteilyä aallonpituudella, joka parhaiten absorboituu DNA:han.
Tämän diplomityön tarkoituksena oli tutkia, onko UVC-alueen aallonpituuksien yhdistelmillä synergistisiä etuja LEDien desinfiointitehokkuuteen, kun desinfioidaan virtaavaa vettä useilla säteilyannoksilla ja indikaattorimikrobina käytetään kolibakteeria. Tavoitteena oli myös tutkia tällä hetkellä saatavissa olevien LEDien desinfiointitehokkuutta energiatehokkuuden näkökulmasta. Yksittäisistä aallonpituuksista desinfiointitehokkuudeltaan parhaimmaksi osoittautui 260 nm, aallonpituuksien yhdistelmistä tehokkain oli 265 nm:n ja 260 nm:n yhdistelmä. Muilla aallonpituuksien yhdistelmillä ei saavutettu odotettua parempaa desinfiointitehokkuutta. Optiselta teholtaan parhaimmat LEDit, 265 nm, 270 nm ja 275 nm olivat kokeiden perusteella myös energiatehokkuuden kannalta tarkasteltuina parhaimmat sekä yksittäin että yhdistelminä. UVC-aallonpituuksia emittoivien LEDien optisen tehokkuuden paraneminen on edellytys LEDien hyödyntämiselle desinfioinnissa.
Ultraviolet irradiation is a physical disinfection method. UV disinfection is based on the ability of microorganism to absorb UV irradiation. This causes mutations in microorganisms DNA or RNA, thus it becomes inactivated and unable to reproduce. Mercury vapour lamps have traditionally been used in UV disinfection. Alternative source of UV irradiation are LEDs, light emitting diodes. Low pressure mercury vapour lamps emit nearly monochromatic emission on wavelength 254 nm, while the emission of medium pressure mercury vapour lamps is broadband emission. Besides being an energy efficient light source, another advantage is that LEDs emit monochromatic wavelength, which can be chosen to be the wavelength that is best absorbed by the DNA.
The aim of this master’s thesis was to study if combining wavelengths at UVC range would have any synergistic effects on the disinfection efficiency, when disinfecting flowing water using several doses and bacterium coli as a test microorganism. The scope was also to research the efficiency of LEDs in consideration of energy efficiency and disinfection efficiency. With single wavelengths the 260 nm wavelength LED proved to be the best when considering disinfection efficiency, best combination was 260 nm and 265 nm. No unpredictable disinfection efficiency was resolved using different wavelength combinations. LEDs with higher intensities had also better efficiency when regarding their energy consumption and disinfection efficiency, the best wavelengths were 265 nm, 270 nm and 275 nm using alone and by combination of these wavelengths. In order for LEDs to be utilized in disinfection, their optical power needs to be improved.