بحث حول تقنية التطهير بالأشعة فوق البنفسجية لنظام المياه عالي التدفق

1. الخلفية البحثية والضرورة التقنية<\/strong><\/span><\/p>

ويستمر الطلب العالمي على المياه في النمو بمعدل سنوي متوسط ​​يبلغ نحو 1%. وإلى جانب تفاقم تلوث المياه والمخالفات الهيدرولوجية الناجمة عن تغير المناخ، أصبحت حالات الجفاف متكررة بشكل متزايد في منطقة البحر الأبيض المتوسط، مما يضع قيودا صارمة على إمدادات المياه. وإذا أخذنا إسبانيا على سبيل المثال، فقد تم تسجيل عام 2022 باعتباره العام الثالث الأكثر جفافاً في البلاد في التاريخ، حيث انخفض معدل هطول الأمطار السنوي بنحو 26% عن المتوسط ​​لعدة سنوات، وبالتالي يواجه نقصاً حاداً في المياه.<\/p>

وعلى هذه الخلفية، أدرجت اليونسكو إعادة استخدام المياه وتجميع مياه الأمطار (RWH) كاستراتيجيات أساسية للإمداد المستدام للتعامل مع أزمة المياه العالمية. ومن بينها، يمكن لإعادة استخدام مياه الأمطار أن تحل محل ما يصل إلى 38% من استهلاك المياه العذبة، مما يوفر مسارًا مهمًا لتخفيف ضغط الإمدادات الإقليمية.<\/p>

تحتوي سيناريوهات معالجة المياه عالية التدفق، مثل التدفق المستمر لمحطات معالجة مياه الصرف الصحي البلدية، على تركيزات عالية من الكائنات الحية الدقيقة المسببة للأمراض (مثل الإشريكية القولونية)، والتي تشكل مخاطر رئيسية لانتقال الأمراض المنقولة بالمياه. وفقًا للائحة الاتحاد الأوروبي (EU) 2020/741 واللوائح الإسبانية ذات الصلة، يجب أن تحافظ المياه المستصلحة المستخدمة في الري الزراعي أو الأغراض غير الصالحة للشرب في المناطق الحضرية على تعداد الإشريكية القولونية والمكورات المعوية أقل من 10 وحدة تشكيل مستعمرة / 100 مل، في حين يجب أن تستوفي إعادة استخدام درجة مياه الشرب المتطلب الصارم المتمثل في 0 وحدة تشكيل مستعمرة / 100 مل.<\/p>

على الرغم من أن التطهير بالكلور يستخدم على نطاق واسع، فإنه يولد بسهولة منتجات التطهير الثانوية (DBPs) مثل ثلاثي الهالوميثان، والتي تشكل مخاطر بيئية وصحية. في المقابل، أصبح التطهير الجسدي بالأشعة فوق البنفسجية (200-280 نانومتر) - الذي يتميز بغياب المنتجات الثانوية، والكفاءة العالية واسعة النطاق، والتعطيل الفوري - تقنية مفضلة لمعالجة المياه عالية التدفق.<\/p>

بالمقارنة مع مصابيح الزئبق التقليدية، توفر مصابيح UV‑C LED - الجيل الجديد من مصادر الضوء فوق البنفسجي - كفاءة أعلى في استخدام الطاقة، وتحكمًا طيفيًا مرنًا، وعمرًا أطول. إنها تُظهر إمكانات ملحوظة في ظل ظروف صعبة تتميز بتدفق عالٍ وأوقات احتجاز هيدروليكية قصيرة، مما يجعلها حلاً واعدًا للتغلب على اختناقات تقنيات التطهير التقليدية وبناء أنظمة تطهير مياه آمنة وخضراء وفعالة.<\/p>

2. آلية التطهير بالأشعة فوق البنفسجية<\/strong><\/span><\/p>

2.1 آلية التعطيل الميكروبي<\/strong><\/span><\/p>

يعمل التطهير بالأشعة فوق البنفسجية LED على تعطيل الكائنات الحية الدقيقة المسببة للأمراض من خلال التفاعلات الكيميائية الضوئية ذات الطول الموجي المحدد. وتتميز آليتها بالاستهداف الدقيق والتآزر متعدد المستويات. على عكس مصابيح الزئبق التقليدية واسعة الطيف، تسمح مصابيح LED بانبعاث نطاق ضيق يتماشى بدقة مع الأطوال الموجية المبيدة للجراثيم المستهدفة، مما يزيد من كفاءة التعطيل.<\/p>

يتزامن نطاق UV‑C بطول 270 نانومتر مع ذروة امتصاص قواعد DNA وRNA الميكروبية. تخترق الفوتونات في هذا الطول الموجي جدران وأغشية الخلايا، وتصل إلى الأحماض النووية وتبدأ تفاعلات كيميائية ضوئية تشكل ثنائيات بيريميدين سيكلوبوتان وهيدرات بيريميدين الضوئية بين قواعد البيريميدين المجاورة. يؤدي هذا إلى منع تكرار الحمض النووي الميكروبي ونسخه، مما يؤدي بشكل أساسي إلى قمع تكاثر الميكروبات وتحقيق تعطيل لا رجعة فيه لمسببات الأمراض - وهي الآلية الأساسية للتطهير بالأشعة فوق البنفسجية.<\/p>

وفي الوقت نفسه، يمارس النطاق 280 نانومتر تأثيرًا تآزريًا من خلال استهداف البروتينات الهيكلية في جدران الخلايا والأغشية بالإضافة إلى الإنزيمات الوظيفية داخل الخلايا. إنه يدمر بقايا الأحماض الأمينية العطرية مثل الفينيل ألانين والتربتوفان والتيروزين، مما يتسبب في تمسخ البروتين والانهيار الهيكلي الذي يعطل سلامة الخلية والتمثيل الغذائي. علاوة على ذلك، يمنع هذا الطول الموجي تخليق وتنشيط إنزيمات الفوتولايز وإنزيمات إصلاح الاستئصال، وبالتالي يمنع التنشيط الضوئي ويضمن التعطيل على المدى الطويل.<\/p>

2.2 متطلبات التعطيل الميكروبي لظروف التدفق العالي<\/strong><\/span><\/p>

في ظل ظروف التدفق الثانوي للنفايات السائلة، يكون ثابت معدل التعطيل الحركي من الدرجة الأولى لإجمالي القولونيات والإشريكية القولونية بواسطة مصابيح LED UV-C حوالي 1.4 مرة من مصابيح الزئبق التقليدية ذات الضغط المنخفض. عند نفس جرعة الأشعة فوق البنفسجية، تحقق مصابيح LED UV-C تعطيلًا أسرع للميكروبات، وتلبية المتطلبات الهندسية بشكل أفضل لأوقات الاحتفاظ الهيدروليكي القصيرة في أنظمة التدفق الكبير.<\/p>

وفقًا للكود الفني لتطهير محطات معالجة مياه الصرف الصحي في المناطق الحضرية (CJJ 125‑2017)، فإن جرعات الأشعة فوق البنفسجية ذات التصميم النموذجي لأهداف مختلفة هي كما يلي:<\/p>

معيار تصريف النفايات السائلة الثانوية: 20-25 مللي جول/سم²<\/p>

المياه المعالجة للاستخدام الحضري غير الصالح للشرب: 40-60 مللي جول/سم²<\/p>

تطبيقات إعادة الاستخدام عالية الأمان: ≥ 80 مللي جول/سم²<\/p>

3. مقارنة مصادر ضوء الأشعة فوق البنفسجية لمعالجة المياه عالية التدفق<\/strong><\/span><\/p>

3.1 أنظمة مصابيح الزئبق التقليدية<\/strong><\/span><\/p>

وتظل مصابيح الزئبق ذات الضغط المنخفض والمتوسط ​​هي تكنولوجيات التطهير السائدة لمعالجة مياه الصرف الصحي البلدية عالية التدفق. إنها تتميز بكفاءة إضاءة عالية وتطبيقات هندسية ناضجة ولكنها تمتلك العديد من العيوب المتأصلة:<\/p>

سمية الزئبق والمخاطر البيئية: يشكل محتوى الزئبق مخاطر التخلص والتسرب التي تهدد النظم البيئية عن طريق تلوث الهواء والماء والتربة، مما ينتهك اتفاقية ميناماتا بشأن الزئبق.<\/p>

قيود بدء التشغيل والعمر الافتراضي: تتطلب التسخين المسبق؛ دورات التشغيل/الإيقاف المتكررة تعمل على تسريع التدهور. عمر التشغيل هو 8000-12000 ساعة فقط، مما يؤدي إلى ارتفاع تكاليف الصيانة ومخاطر التوقف.<\/p>

كفاءة طيفية منخفضة: تبعث مصابيح الضغط المتوسط ​​ضوءًا واسع النطاق، مع 250-265 نانومتر فقط مبيد للجراثيم؛ يتم إهدار الطاقة في الأطوال الموجية غير المبيدة للجراثيم. تنبعث مصابيح الضغط المنخفض بشكل رئيسي عند 253.7 نانومتر ولكن لا يزال هناك فقدان للطاقة في النطاقات غير المستهدفة.<\/p>

3.2 تقنية UV-C LED<\/strong><\/span><\/p>

تمثل الثنائيات الباعثة للضوء فوق البنفسجي القائمة على أشباه الموصلات (UV-LEDs)، والمصنوعة أساسًا من نيتريد الغاليوم، مصدرًا واعدًا للغاية للأشعة فوق البنفسجية مع قيمة هندسية فريدة في الأنظمة عالية التدفق [2، 5–7]:<\/p>

تشغيل/إيقاف فوري دون التسخين المسبق؛ تم تحقيق الناتج الكامل على الفور.<\/p>

التحكم الدقيق في الطول الموجي ضمن نطاق مبيد للجراثيم 265-280 نانومتر.<\/p>

التبديل المتكرر دون تقصير العمر الافتراضي.<\/p>

التكامل المعياري المتوافق مع مفاعلات القناة المفتوحة أو خطوط الأنابيب.<\/p>

صديقة للبيئة، وخالية من الزئبق، وبصمة كربونية منخفضة لدورة الحياة.<\/p>

4. الاستنتاج<\/strong><\/span><\/p>

يعد تطهير المياه خط دفاع حاسم لمنع انتشار مسببات الأمراض المنقولة بالمياه والحفاظ على سلامة البيئة المائية. وفي تطبيقات مثل معالجة المياه الصناعية، وإمدادات مياه الشرب المركزية، وأنظمة الدوران المضغوطة، ومعالجة مياه الصرف الصحي البلدية على نطاق واسع، تعمل زيادة قدرة المعالجة، وظروف التشغيل المعقدة، وارتفاع الطلب على الطاقة الخضراء المنخفضة الكربون، على دفع الحاجة إلى تقنيات تطهير جديدة تجمع بين القدرة على التكيف مع التدفق العالي، واستقرار الضغط، والسلامة البيئية، وكفاءة استخدام الطاقة.<\/p>

على الرغم من أن أنظمة مصابيح الزئبق التقليدية ذات الضغط المنخفض والمتوسط ​​أصبحت ناضجة من الناحية التقنية، إلا أن حدودها - مخاطر التلوث بالزئبق، وقصر عمر الخدمة، وانخفاض الكفاءة الطيفية، وضعف خصائص البدء والتوقف - تعرقل التشغيل المستدام على المدى الطويل. وفي المقابل، توفر تقنية UV‑C LED حركية تعطيل فائقة وتحكمًا بصريًا مرنًا ومزايا بيئية خالية من الزئبق. إنه يُظهر إمكانات كبيرة لظروف التدفق العالي ومدة البقاء القصيرة ويمثل اتجاهًا مهمًا للترقية للجيل القادم من أنظمة تطهير المياه البلدية والصناعية، مما يدعم إنشاء بيئات مياه آمنة وفعالة ومستدامة.<\/p>

<\/p>

مراجع:<\/strong><\/span><\/p>

1. كامبيسانو أ، بي دي دبليو إس وآخرون، أنظمة تجميع مياه الأمطار في المناطق الحضرية: البحث والتنفيذ والمنظورات المستقبلية. دقة المياه. 2017 15 مايو 2017: ص. 115: 195-209.<\/span><\/p>

2. إيرين كارا، JFL، AJRB Olivier وبيتر جارفيس، تكوين المنتجات الثانوية للتطهير أثناء معالجة المبيدات الحشرية بالأشعة فوق البنفسجية/الكلور في مفاعل UV-LED جديد عند 285 نانومتر وتأثير التخفيف من معالجة GAC. علم البيئة الشاملة، 2020. 712.<\/span><\/p>

3. Sinha RP، HDP، تلف وإصلاح الحمض النووي الناجم عن الأشعة فوق البنفسجية: مراجعة. العلوم الكيميائية الضوئية والبيولوجية الضوئية، 2002. 4: ص. 225-236.<\/span><\/p>

4. تم إصداره في عام 2017، وتم إصداره في عام 2017. CJJ 125‑2017. 2017, 北京:中国建筑工业出版社.<\/span><\/p>

5. كولين بوكر، AS، وجي دي ماكس شاتالوف، تقييم الاستجابة لإشعاع الأشعة فوق البنفسجية الميكروبية باستخدام نظام شعاعي متوازي جديد للأشعة فوق البنفسجية LED. أبحاث المياه، 2011. 45(5): ص. 2011-2019.<\/span><\/p>

6. سونغ ك، MMTF، تطبيق الثنائيات الباعثة للضوء فوق البنفسجي (UV-LEDs) لتطهير المياه: مراجعة. بحوث المياه, 2016(94:341-349).<\/span><\/p>

7. Würtele MA، KTLM، تطبيق الثنائيات الباعثة للضوء فوق البنفسجي القائمة على GaN - مصابيح LED للأشعة فوق البنفسجية - لتطهير المياه. المياه الدقة، 2011(45(3):1481-9).<\/span><\/p><\/div>"}