Theorie der UV-Desinfektionsreaktoren
Reaktordesign nach Stand der Technik!
Vor der Darstellung der einzelnen UV-Reaktoren sollen die physikalischen Zusammenhänge zwischen der Wirkung der UV-Desinfektion 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 im UVC-Bereich 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-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 bedeutet ausgeschrieben 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 Transmission für verschiedene Weglängen des UV-Lichts bei der Desinfektion:
| SpektralerAbsorptionsKoeffizient SAK | UV-Transmission T(Weglänge) |
| SAK(254nm) 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. Enviolet 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 Enviolet-UV-Desinfektionsreaktor. Das enge Verweilzeitspektrum im Rotationskörper führt zu einer berechenbaren Strömung.
Die wesentlichen Vorteile dieser UV-Anlagen sind:
- Die Rotationssymmetrie erlaubt eine vergleichsweise einfache Berechnung des UV-Reaktors. Auf diese Weise kann enviolet 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 mit UVC-Strahlung abgedeckt und 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 enviolet 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 enviolet - MicroUV®-Reaktor führt zu einer sinnvollen Messanordnung mit maximaler Verlässlichkeit.
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 (siehe zugehörige Abbildung) 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.
