Những tiến bộ mới nhất trong công nghệ bán dẫn đã dẫn đến sự phát triển của điốt phát quang (đèn LED) có khả năng phát ra bức xạ UV phổ hẹp (đèn LED UV) ở bước sóng có khả năng bất hoạt các sinh vật gây bệnh. Gần đây, các gói và chip LED UV, với tư cách là sản phẩm chính, đã phát triển về mặt sản lượng điện, tuổi thọ và thậm chí cả quản lý chi phí sản xuất. Những tiến bộ gần đây trong công nghệ UV LED hiện nay đã giúp ứng dụng công nghệ này vào xử lý nước. Trên thực tế, UV LED sở hữu những tính năng hấp dẫn có thể mang đến những đổi mới cho công nghệ UV trong xử lý nước. Ở đây, ba khía cạnh quan trọng của hệ thống xử lý nước bằng đèn LED UV được thảo luận: thiết kế, vận hành và ứng dụng.
Thiết kế
Một trong những ưu điểm đáng kể nhất của đèn LED UV là tính linh hoạt mà chúng mang lại trong thiết kế lò phản ứng bằng cách cung cấp mức độ tự do hơn trong cấu hình và tối ưu hóa lò phản ứng. Ví dụ, một số nghiên cứu đã áp dụng các lò phản ứng UV LED khác nhau để khử trùng nước (ví dụ, Würtele và cộng sự 2011; Jenny và cộng sự 2014; Oguma và cộng sự 2016a, b), và mỗi lò áp dụng một khái niệm thiết kế lò phản ứng khác nhau. Các tiêu chí thiết kế cho đèn UV thủy ngân thông thường không nhất thiết phải áp dụng cho lò phản ứng UV LED vì UV LED là một nguồn bức xạ hoàn toàn khác, với dấu chân nhỏ và phân bố phát xạ theo góc. Vì chi phí vẫn là một trong những thách thức đối với việc ứng dụng đèn LED UV để xử lý nước, nên việc tối ưu hóa thiết kế để đạt được hiệu suất cao bằng cách sử dụng một số lượng đèn LED UV hạn chế là điều cần thiết để làm cho công nghệ trở nên khả thi.
Hiệu suất của lò phản ứng UV để xử lý nước là một hàm của liều lượng hoặc độ lưu huỳnh UV được phân phối vào nước. Đến lượt mình, mức độ lưu loát là một hàm của tỷ lệ lưu thông và thời gian cư trú. Do đó, sự phân bố bức xạ và vận tốc là những yếu tố quyết định hiệu quả của bất kỳ lò phản ứng UV nào. Những hiện tượng này, cùng với động học của sự bất hoạt vi sinh vật, hằng số tốc độ đối với bất kỳ vi sinh vật nào là một hàm của bước sóng UV, sẽ xác định hiệu suất tổng thể của lò phản ứng để khử trùng nước. Bức xạ của lò phản ứng, thủy động lực học và bước sóng UV có thể được kiểm soát tốt hơn trong lò phản ứng LED UV so với lò phản ứng đèn UV (Taghipour, 2018).
Ví dụ, đối với các lò phản ứng quy mô nhỏ với các ứng dụng tại điểm sử dụng (POU) và điểm vào (POE), các đèn thường được đặt ở phần trung tâm của lò phản ứng với trục của chúng song song với dòng chất lỏng chính. phương hướng. Đối với khái niệm lò phản ứng như vậy, có sự phân bố tỷ lệ lưu huỳnh không đồng đều đáng kể dọc theo đường đi của các dòng nước khác nhau chảy từ đầu vào của lò phản ứng đến đầu ra. Điều này là do sự phân bố bức xạ của đèn UV có một phương sai đáng kể theo hướng xuyên tâm. Trong lò phản ứng LED UV, sự không đồng nhất này có thể được ngăn chặn, vì cấu hình bức xạ LED UV có hướng chính mà góc nhìn của nó có thể được điều chỉnh và cấu hình bức xạ của nó có thể được điều chỉnh. Hơn nữa, việc lựa chọn vị trí và hướng chính xác của năng lượng bức xạ, có thể dễ dàng đối với lò phản ứng UV LED, có thể ngăn chặn hiệu quả hơn sự mất năng lượng bức xạ vào thành lò phản ứng so với đèn UV.
Các hạn chế tương tự cũng tồn tại đối với việc kiểm soát vận tốc dòng chất lỏng và phân bố thời gian lưu trú trong lò phản ứng đèn UV. Vì đèn UV thường được đặt bên trong lò phản ứng, thủy động lực học của lò phản ứng thường bị ảnh hưởng phần lớn bởi sự hiện diện của đèn UV. Ví dụ, đối với lò phản ứng quy mô nhỏ với một đèn có trục song song với hướng dòng chất lỏng chính, vận tốc cao nhất được mong muốn ở gần bề mặt đèn UV, nơi tốc độ chảy ở giá trị cực đại của nó.
Tuy nhiên, thông số vận tốc gần ống bọc đèn UV, hoặc bất kỳ bề mặt rắn nào, nói chung, hầu như bằng không. Do đó, có những hạn chế về mặt kỹ thuật và thực tế đối với sự phù hợp giữa dòng chảy và sự phân bố bức xạ để đạt được hiệu suất lò phản ứng gần như lý tưởng đối với lò phản ứng đèn UV như vậy. Hạn chế này không tồn tại đối với lò phản ứng LED UV, trong đó đèn LED UV có thể được đặt ở những nơi khác nhau - bao gồm cả bên ngoài lò phản ứng - và cấu hình bức xạ của chúng có thể được điều chỉnh để dẫn đến tỷ lệ lưu huỳnh cao hơn ở các khu vực vận tốc cao hơn.
Hằng số tốc độ đối với sự bất hoạt UV của các vi khuẩn và vi rút khác nhau có thể thay đổi theo bước sóng, ngay cả ở vùng lân cận của đỉnh hấp thụ DNA (Mamane-Gravetz et al. 2005; Beck et al. 2015). Trong khi đó, bước sóng đỉnh của đèn LED UV có thể được điều chỉnh, nhằm đạt được hằng số tốc độ bất hoạt cao hơn đối với các vi sinh vật được nhắm mục tiêu. Đây là lý do mà độ nhạy quang phổ, hay còn gọi là phổ hoạt động, của vi sinh vật được quan tâm trong các ứng dụng LED UV.
Do đó, cần quan tâm đến việc tóm tắt một tập dữ liệu về động học phản ứng lưu loát của các vi sinh vật khác nhau trong điều kiện phát thải tia cực tím LED. Một số đánh giá đã thực hiện những nỗ lực như vậy dựa trên dữ liệu được công bố (ví dụ, Malayeri và cộng sự 2016), có thể dùng làm tài liệu tham khảo. Tuy nhiên, điều quan trọng cần lưu ý là so sánh đơn giản về hiệu quả khử hoạt tính trong các nghiên cứu khác nhau có thể gây hiểu lầm, do nhiều dữ liệu không nhất quán và không thể so sánh được báo cáo trong các nghiên cứu đã xuất bản, như đã thảo luận trong một bài báo đánh giá (Song và cộng sự 2016).
Một nguyên nhân chính dẫn đến sự không nhất quán này là sử dụng các thiết lập thử nghiệm khác nhau và các kỹ thuật khác nhau để đo độ lưu loát trong các nghiên cứu về việc khử hoạt tính của đèn LED UV (ví dụ: Würtele và cộng sự 2011; Oguma và cộng sự 2016a, b; Beck và cộng sự 2017; Rattanakul và Oguma 2018) . Do đó, tiêu chuẩn hóa giao thức thử nghiệm UV LED là cần thiết để đạt được sự so sánh đáng tin cậy giữa các nghiên cứu khác nhau và quan trọng hơn là để có được dữ liệu động học quá trình khử hoạt tính chính xác. Giao thức như vậy đã được đề xuất (Kheyrandish et al. 2017, 2018) và “giao thức thử nghiệm IUVA” cho hệ thống đèn LED UV hiện đang được phát triển bởi lực lượng đặc nhiệm IUVA.
Hiện tại, không có một giao thức chuẩn như vậy, một lựa chọn đơn giản cho các nghiên cứu so sánh là tóm tắt dữ liệu thu được bằng cách sử dụng cùng một thiết lập và định nghĩa lưu loát nhất quán. Nỗ lực này đã được thực hiện bởi một nhóm nghiên cứu, trong đó trình bày các cấu hình phản ứng lưu loát của các vi sinh vật liên quan đến sức khỏe khác nhau bằng cách sử dụng đèn LED UV ở 265, 280 và 300 nm (Oguma et al. 2019). Nhóm báo cáo hằng số tốc độ bất hoạt và độ lưu loát cần thiết để bất hoạt n log (n=1, 2, 3 và 4) của mầm bệnh (Legionella pneumophila, Pseudomonas aeruginosa, Vibrio parahaemolyticus, và feline calicivirus) và loài chỉ thị / thay thế (Escherichia coli , Trực khuẩn phụ và đại thực khuẩn Qβ và MS2).
Khi có sẵn quy trình thử nghiệm tiêu chuẩn UV LED, các nhà nghiên cứu có thể tiến hành các thử nghiệm theo cách thức độc lập và có thể so sánh được, và kết quả sẽ cải thiện và làm phong phú thêm cơ sở dữ liệu về sự khử hoạt tính của UV LED đối với nhiều loại vi sinh vật khác nhau.
Hoạt động
Các tính năng đặc biệt của hệ thống lò phản ứng UV LED bao gồm điện áp và yêu cầu điện năng thấp, không có thời gian khởi động với khả năng bật / tắt tự động và với tần số cao, và các tùy chọn khác nhau để quản lý nhiệt. Những tính năng này có thể dẫn đến hoạt động của lò phản ứng LED UV cho các ứng dụng mà lò phản ứng đèn UV không thể được sử dụng một cách hiệu quả. Một số tính năng đặc biệt khác của máy lọc nước UV LED bao gồm thiết kế mạnh mẽ và diện tích nhỏ, khiến công nghệ này thích hợp cho các ứng dụng POU nơi các công nghệ xử lý nước truyền thống có thể không được sử dụng tối ưu.
Các lò phản ứng UV LED, đặc biệt cho các ứng dụng POU, yêu cầu nguồn điện và điện áp thấp, có nghĩa là chúng có thể dễ dàng vận hành với bảng năng lượng mặt trời với bộ pin sạc được bán sẵn trên thị trường. Do đó, năng lượng tái tạo với giá cả phải chăng có thể được sử dụng để biến hệ thống lò phản ứng UV LED thành công nghệ xử lý nước không nối lưới. Hơn nữa, việc thiếu nguồn điện liên tục - ở các cộng đồng nhỏ và nông thôn nói chung, và đặc biệt là ở các nước đang phát triển - thường là một vấn đề, nhưng sẽ không phải là hạn chế đáng kể đối với đèn LED UV.
Đèn LED UV có thể bật khi nước được xử lý và tắt khi không được xử lý. Do đó, đối với các ứng dụng POU trong đó nước được sử dụng và xử lý không liên tục, đèn LED UV có thể sẽ không yêu cầu thay thế trong toàn bộ tuổi thọ của thiết bị (dẫn đến tiết kiệm chi phí thay thế đèn) và chỉ tiêu thụ một phần năng lượng (dẫn đến đáng kể tiết kiệm chi phí năng lượng).
Quan trọng hơn, lò phản ứng UV LED yêu cầu bảo trì ít. Điều này bao gồm vệ sinh ống tay áo bám bẩn thường xuyên và thay thế nguồn UV. Sự bám bẩn của ống bọc đèn UV chủ yếu là do đèn hoạt động ở nhiệt độ tương đối cao và nhiệt của đèn được truyền từ ống tay áo. Sự kết tủa do nhiệt của kim loại có khả năng hòa tan ngược là cơ chế hàng đầu mà chất bẩn tích tụ trên ống bọc đèn UV.
Trong lò phản ứng LED UV, nhiệt tạo ra bởi đèn LED UV được loại bỏ khỏi bảng mạch LED (không phải cửa sổ thạch anh hoặc ống bọc), do đó, việc bám bẩn ống tay không đáng kể, có nghĩa là việc bảo trì và làm sạch thường xuyên không chắc vấn đề lớn. Do đó, việc thiếu vắng những người vận hành có tay nghề cao - vốn là một trong những hạn chế chính ở các cộng đồng nhỏ và nông thôn - cản trở việc áp dụng nhiều công nghệ khử trùng nước, có thể không phải là hạn chế lớn đối với hệ thống đèn LED UV.
Ứng dụng
Với sản lượng điện bức xạ và hiệu quả cắm tường của đèn LED UV hiện tại, ứng dụng phù hợp hơn của lò phản ứng LED UV là xử lý tốc độ dòng chảy không liên tục và thấp. Chúng bao gồm việc tích hợp lò phản ứng vào một loạt các thiết bị tiêu dùng và thương mại, chẳng hạn như máy lọc nước và làm mát, máy pha nước đá và cà phê, thiết bị nước y tế và phòng thí nghiệm. Lần đầu tiên có thể tích hợp lò phản ứng UV vào một số thiết bị này do kích thước nhỏ của lò phản ứng UV LED và các tính năng đặc biệt.
Một ứng dụng khác là xử lý nước tại POU. Xử lý nước POU là một ngành công nghiệp toàn cầu mới nổi do nhu cầu ngày càng tăng ở cả các nước phát triển và đang phát triển; thị trường cho các hệ thống như vậy dự kiến sẽ trị giá gần 25 tỷ USD vào năm 2020 và dự kiến sẽ tăng trưởng với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) khoảng 10% (Thị trường Hệ thống Xử lý Nước tại Điểm Sử dụng, 2016).
Các yếu tố như ô nhiễm nước ngày càng tăng, nhận thức ngày càng cao về tầm quan trọng của nước sạch và các hoạt động xây dựng ngày càng tăng đã thúc đẩy thị trường hệ thống xử lý nước POU. Lò phản ứng UV LED có thể lý tưởng để xử lý nước POU, nhờ những ưu điểm rõ ràng của chúng, chẳng hạn như không cần bảo trì thường xuyên và giảm chi phí vận hành và tuổi thọ so với đèn UV và các công nghệ thông thường khác.
Các lò phản ứng LED UV quy mô lớn hơn có thể được áp dụng để xử lý nước tại POE cho các ngôi nhà và khu nhà, đặc biệt khi đèn LED trở thành một lựa chọn khả thi hơn. Chỉ riêng ở Mỹ, khoảng 20 triệu hộ gia đình và ngôi nhà nhỏ dựa vào giếng tư nhân, trong khi hàng chục nghìn hộ khác sống dựa vào hồ, sông và các nguồn nước mặt khác. Nhiều nghiên cứu khác nhau đã phát hiện ra rằng một tỷ lệ đáng kể các giếng ở bất kỳ khu vực nhất định nào có chứa các vi sinh vật, chẳng hạn như E. coli, có thể được tìm thấy trong các nguồn cung cấp nước ngầm và nước mặt tại bất kỳ thời điểm nào. Vì vậy, lò phản ứng UV LED là một trong những giải pháp thay thế xử lý nước hiệu quả nhất để đảm bảo nước uống an toàn cho nhiều hộ gia đình giải trí, vùng sâu vùng xa và vùng nông thôn.
Tại Nhật Bản, tỷ lệ cung cấp nước công cộng dựa trên dân số là khoảng 97,9% (tính đến năm 2016), có nghĩa là phần dân số còn lại (khoảng 2,7 triệu người) đang dựa vào hệ thống cấp nước cộng đồng quy mô nhỏ và / hoặc giếng tư nhân. Các cơ sở nhỏ như vậy không bắt buộc phải khử trùng bằng clo, và đôi khi không có biện pháp xử lý nào, kể cả khử trùng bằng clo. Các cuộc phỏng vấn trực tiếp với người dân địa phương cho thấy rằng họ không thực sự muốn thêm clo vì lo ngại về mùi vị và mùi, mặc dù họ hiểu nguy cơ ô nhiễm vi sinh vật tiềm ẩn trong nước.
Đáng chú ý là, trong các vụ tai nạn về chất lượng nước uống liên quan đến tổn hại sức khỏe trong 30 năm qua ở Nhật Bản, khoảng 93% (130 trong số 140 vụ) là do không khử trùng được. Theo quan điểm của thực tế như vậy, các thiết bị POU và POE hoạt động để khử trùng, lý tưởng mà không ảnh hưởng tiêu cực đến mùi vị và mùi, sẽ là những lựa chọn tốt nhất và thiết thực nhất cho nguồn cung cấp nước cộng đồng và giếng tư nhân. Rõ ràng là đèn LED UV có thể hỗ trợ trong việc đáp ứng nhu cầu về chất lượng nước của những quần thể này.
Một nhu cầu quan trọng khác đối với các phương pháp điều trị POU và POE tồn tại ở các nước đang phát triển, đặc biệt là những nước có tốc độ đô thị hóa và tăng trưởng kinh tế nhanh chóng. Chi phí của đèn LED UV có thể là một vấn đề hiện tại, nhưng nó có thể sẽ là một vấn đề ngắn hạn. Tiến sĩ Kumiko Oguma, Đại học Tokyo, và các đồng nghiệp của bà đã thực hiện các cuộc khảo sát thực địa chuyên sâu về chất lượng nước và hành vi sử dụng nước ở châu Á (ví dụ như Việt Nam, Nepal, Indonesia, Sri Lanka và Philippines) và lưu ý rằng đô thị hóa nhanh thường dẫn đến hạn chế tiếp cận hệ thống cấp nước tập trung. Họ khuyến khích nhiều người sử dụng các nguồn nước phi tập trung, chẳng hạn như giếng tư nhân (ví dụ: Guragai et al. 2018, Do et al. 2014).
Hơn nữa, ngay cả khi người dân được tiếp cận với nguồn cung cấp nước máy tại cơ sở của họ, thì cũng không đảm bảo được việc tiếp cận với nguồn nước an toàn vì chất lượng nước máy bị suy giảm sau thời gian dài vận chuyển trong một mạng lưới phân phối kém. Trên thực tế, người dân địa phương sử dụng một số chiến lược đối phó, bao gồm cài đặt POU và POE. Kết quả khảo sát cho thấy khoảng 76% người dân ở trung tâm Hà Nội đang thực hiện điều trị POU tại nhà (Do et al. 2014); tuy nhiên, một số thiết bị POU đang được sử dụng không hoạt động như một rào cản hiệu quả chống lại vi sinh vật. Đèn LED UV có thể là một tùy chọn bổ sung thông minh cho các hệ thống như vậy.
Chi phí năng lượng UV cho đèn LED UV hiện đang cao hơn so với đèn UV. Một khi đèn LED UV đạt được hiệu suất và sản lượng điện cao hơn và trở thành một lựa chọn hợp lý hơn, sẽ có nhiều ứng dụng khả thi cho công nghệ lò phản ứng UV LED để xử lý nước ở quy mô lớn hơn, bao gồm các nhà máy xử lý nước uống và nước thải.
