Theorie der UV-Desinfektionsreaktoren

Vor der Darstellung der einzelnen UV-Reaktoren sollen die physikalischen Zusammenhänge zwischen der Wirkung der UV-Desinketion und der Gestaltung der UV-Reaktoren kurz erläutert werden:
Im Rahmen eines sehr umfassenden BMBF Forschungsvorhabens, wurde eine große Zahl biologischer Spezies (Bakterien, Viren, Pilze etc.) mit UV-Licht der Wellenlänge 254 nm (Hauptemissionslinie des Hg-Niederdruckstrahlers) bestrahlt und die Wirkung der UV-Desinfektion untersucht. Danach wurde in Abhängigkeit von der UV-Dosis (heute richtiger Bestrahlung genannt) die Abtötungsrate bestimmt. Basierend auf diesen Untersuchungen wurde z.B. für Trinkwasser die Mindestbestrahlung von 400 J/m² festgelegt, weil dabei alle für das Trinkwasser relevanten Keime (z.B.: coliforme Keime) um mindestens 4 Zehnerpotenzen (99,99%) reduziert werden.

UV-Spektrum und DNA
UV-Spektrum und Inaktivierungskurve der DNA

UV-Reaktoren müssen also in der Lage sein mit einer vorgegebenen UV-Bestrahlung auf das Wasser einzuwirken. Dabei spielen die Absorption von UV-Licht in Wasser, die Geometrie der Bestrahlungskammer, die Verweilzeit und die Verweilzeitverteilung des Wassers im UV-Reaktor eine wesentliche Rolle. UV-Licht erleidet beim Durchgang durch eine Materieschicht eine Schwächung, die mit dem Gesetz von Lambert-Beer beschrieben wird:

Dabei entspricht I0 der einfallenden Intensität [gemessen in W] und I der Intensität, die am Aufpunkt x herrscht. Die Größe SAK heisst Spektraler Absorptionskoeffizient und ist eine Eigenschaft der Flüssigkeit, die durch das Strahlungsfeld fliesst. Er hat die Dimension [1/Länge]. Damit herrscht am Punkt X1 die Bestrahlung:

Die Bestrahlung (Dosis) ist eine physikalische Größe, in die die Intensität, die Verweilzeit (richtiger die Verweilzeitverteilung) und die Fläche eingeht, die bestrahlt werden soll:

Beziehung zwischen SAK und der Transmission für verschiedene Weglängen des UV-Lichts bei der Desinfektion (Wellenlänge 254 nm)

SpektralerAbsorptionsKoeffizient


UV-Transmission (Weglänge)

SAC in 1/m

T (1cm) in %

T (5cm) in %

T (10cm) in %

0,5

99

95

90

1

98

90

82

2

95

79

63

5

89

56

31

10

79

30

9

15

70

17

3

20

62

9

1

25

56

6

0,5

30

50

3

0,1

Die Berechnung der UV-Reaktoren ist eine wichtige Grundlage zur Auslegung. Die konventionellen UV-Desinfektionsreaktoren weisen eine sehr komplexe Verweilzeitverteilung auf. Daher ist eine exakte rechnerische Auslegung praktisch nicht möglich. a.c.k. verwendet ausschließlich UV-Anlagen mit einer Rotationsströmung. Ein zentrales Quarzglasrohr beherbergt alle UV-Strahler und im darum herum befindlichen Ringspaltraum rotiert die Flüssigkeit um die Reaktorachse (Siehe Abbildung Rotationsströmung).
Diese Strömung kann exakt berechnet werden:

Veranschaulichung der Rotationsströmung im a.c.k.-UV-Desinfektionsreaktor. Das enge Verweilzeitspektrum im Rotationskörper führt zu einer berechenbaren Strömung.

Rotationsströmung im MicroUV®-Reaktor
Rotationsströmung im UV-Reaktor

Die wesentlichen Vorteile dieser UV-Anlagen sind:

  • Die Rotationssymmetrie erlaubt eine vergleichsweise einfache Berechnung des Reaktors. Auf diese Weise kann a.c.k. als einziger Hersteller von UV-Reaktoren den Reaktor auf den Punkt genau auslegen.
  • Es wird ein enges Verweilzeitverhalten erreicht, d.h. alle Volumenelemente werden gleich stark desinfiziert.
  • Die rotierende Flüssigkeit wirkt auf das zentrale Quarzglasrohr abrassiv, so dass Ablagerungen auf dieser Quarzglasröhre entgegengewirkt wird.
  • Die hohe Turbulenz bewirkt eine gute Durchmischung der Flüssigkeit und gewährleistet eine optimale Entkeimung.
  • Beim a.c.k. - Reaktorsystem wird die integrale Leistung aller Strahler überwacht, d.h. das ausgegebene Signal gibt die tatsächliche Situation in hervorragender Weise wieder (siehe Abbildung der MicroUV® NT Reaktoren).

Die integrale Erfassung der UV-Dosis im a.c.k. - MicroUV® - Reaktor führt zu einer sinnvollen Messanordnung mit maximaler Verlässlichkeit.

MicroUV®-Design
MicroUV®-Reaktordesign

Primitives Reaktordesign führt zu entscheidenden Nachteilen

UV-Reaktoren mit dem Schema in Bild "Konventionell", sollten auf alle Fälle nicht verwendet werden, da diese UV-Anlagen eine ganze Reihe von Nachteilen aufweisen:

  • Auf dem Weg A ist die Verweilzeit zu kurz, das heißt es findet keine ausreichende Keimabtötung statt, und auf dem Weg B ist die Verweilzeit unnötig lange, d.h. es wird Energie verschwendet.
  • Es stellt sich eine Kurzschlussströmung ein, die häufig durch eine erhöhte Strahlerleistung ausgeglichen werden soll. Die bedeutet höhere laufende Kosten durch erhöhten Energieverbrauch und durch höhere Kosten der UV-Strahler.
  • Weiterhin sedimentieren Partikel sehr leicht in derartigen UV-Reaktoren, weshalb oft eine mechanische Reinigung notwendig ist.
  • Einen weiteren Nachteil der konventionellen Bauweise stellt die sehr eingeschränkte Funktionalität der UV-Sensoren zur Überwachung der UV-Dosis dar. Beim konventionellen Reaktor wird (fast) immer nur das Signal eines Strahler als Referenz gemessen. Dies kann zu einer ganzen Reihe von Fehlern führen: Sind zum Beispiel alle UV-Strahler alt, und nur der gemessene neu, so liegt die ausgegebene UV-Dosis weit über dem tatsächlichen Wert. Ein sehr unbefriedigender Zustand scheinbarer Sicherheit.