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Lorenzo Gomarasca
FAST
Trattamenti terziari con UV
AGENDA
• Introduzione
• Fattori chiave
• Fondamenti tecnologia
• Dati da raccogliere per dimensionamento
• Dimensionamento
• metodo analitico
• metodo biodosimetrico
• Tipologia sistemi disinfezione UV
• Componenti dei sistemi UV
Fattori chiave della disinfezione UV
Facile da usare e gestire
Nessun cambiamento chimico nelle acque
Nessun rilascio di prodotti chimici nel liquid (ambiente / prodotto)
Nessun sottoprodotto
Nessuna modifica al odore/sapore
Non ci sono materiali pericolosi da maneggiare,
Forte riduzione dei fattori di rischio per gli operatori e ambiente
NO: trasporto, magazzino, smaltimento
Opere civili ed impiantistiche limitate,
Cloro serve vasca di contatto da 15-20 minuti, mentre UV bastano 2-5 secondi)
Obiettivo della disinfezione è proteggere la salute
del utente
Protozoi / Parassiti Batteri Virus
(Giardia) (Cryptosporidium) (E. coli) (Hepatitis, Polio)
poco resistenti molto resistenti
Salmonella, Legionella, Pseudomonas, Clostridium-Perfringens
4
Principio della disinfezione con raggi UV foto-ossidazione del DNA Le molecole che formano il DNA & RNA sono danneggiate dalla radiazione UV-C I microorganismi vengono INATTIVATI, cioè non sono più in grado di riprodursi lampade a vapori di mercurio realizzate per emettere la radiazione ideale 5
Principi UV
spettro ElettroMagnetico
Inattivazione dei microrganismi patogeni tramite la foto-ossidazione
delle molecole formanti il DNA cellulare
X-rays Ultraviolet Visible Light Infrared
Vakuum- UV-C UV- UV-A
UV B
100 200 280 315 400 780
Wavelength (nm)
Picco di emissione delle lampade UVc Curva-risposta per
a bassa pressione = 254 nm inattivazione
cellulare
6
Principi UV
L’inattivazione del DNA avviene grazie alla capacità della radiazione UV-C di creare
un ponte (dimero) tra due basi di Timina adiacenti. La formazione di dimeri di timina
(e di altri dimeri simili) distrugge la struttura del DNA, la cellula non è quindi più in
grado di riprodursi.
L’autoriparazione del DNA è un fenomeno osservato e risolto tramite sovradosaggio
con dimensionamento in sicurezza.
7 7
Dati principali per il dimensionamento
1) Portata idraulica (max, regime medio, min)
2) Trasmittanza minima del liquido @254nm(*)
3) Obbiettivo della disinfezione
1) Patogeno di riferimento (indicatore contaminazione)
2) Valori attesi in INGRESSO (campagna analisi o valori da letteratura)
3) Valori richiesti in USCITA (limite di legge)
4) Dose UV-C (*dimensionamento)
5) Solidi Sospesi
Effetto ombra, protezione totale alla radiazione
6) Caratteristiche fisico-chimiche (temperatura,durezza,salinità,Fe,Mg)
Allestimento, materiali reattore
7) Necessità specifiche del sito (profilo idraulico,bolle aria,spazi, rete
elettrica, temp ambiente, installazione..)
Forma, installazione, manutenzione, quadro elettrico
8
Cosa (NON) è la Trasmittanza
1/2
Similare al opacità di un liquido al attraversamento della luce visibile:
LUCE VISIBILE
100% 70%
1 cm
La torbidità si misura in NTU
ma la radiazione UV-C NON è visibile
al occhio umano
9
Cos’è la Trasmittanza
2/2
È l’opacità di un liquido al attraversamento della radiazione UV ad una
specifica lunghezza d’onda 254nm:
RADIAZIONE UV-C = NON è VISIBILE
100% 55%
1 cm
Da non confondere con la torbidità (NTU) ci assomiglia ma non è la stessa cosa..
Misura della TRASMITTANZA (%) = È necessario un test in laboratorio con
spettrofotometro calibrato
10Esempi di Trasmittanza ..%
Tipo di acqua Trasmittanza UV tipica da
manuale 10mm@ 254 nm
Acqua ultrapura (resine) ≥ 98%
Acqua potabile rubinetto 80 – 96%
Acqua di piscina ~ 90%
Acqua di mare 70 – 80%
Effluente terziario depuratore 60 – 70%
Effluente secondario depuratore 45 – 60%
Acqua zuccherata (visibilmente trasparente) 35 – 45%
Ingresso Uscita
100% x%
11 1 cmSolidi sospesi nel liquido
Rifrazione
Ombra
UV lamp
Attenuazione
Incapsulamento
Solidi sospesi riducono
l‘efficacia!
MAX < 20mg/litro OmbraPre-Trattamenti alla disinfezione UV
Trattamento UVT TSS [mg/l] Coliformi Energia
[1cm] [/100 ml] UVC
[W/m3/h]
Primari < 40% > 30 10,000,000 25
Sed.1: 50 – 60% 20 – 30 1,000,000 12
Biologico con
ricircolo
Sedimentatore 60 – 70% 10 – 20 100,000 9
secondario :
Terziari: > 70% < 10 10,000 6
Flocculazione +
Filtrazione
Pretrattamenti migliori creano
maggiore efficienzaAGENDA
• Introduzione
• Fattori chiave
• Fondamenti tecnologia
• Dati da raccogliere per dimensionamento Strumenti per la
• Dimensionamento progettazione dei sistemi
• metodo analitico disinfezione a raggi UV..
• metodo biodosimetrico
• Tipologia sistemi disinfezione UV
• In tubazione chiusa
• In canale aperto
• Esempi installazioni
• Componenti dei sistemi UV
• Manutenzione e gestioneDimensionamento
intro PSS Vs Biodosimetrico
Modelli di calcolo con DOSE PSS (Point Source 9,0
Summation) 7,6
6,2
600-625 575-600
550-575 525-550
4,8
500-525 475-500
Puramente teorico, 3,4
450-475 425-450
2,1 400-425 375-400
0,7 350-375 325-350
Analitico geometrico, -0,7 300-325 275-300
-2,1 250-275 225-250
200-225 175-200
Facile da usare -3,4
-4,8
150-175 125-150
100-125 75-100
-6,2
50-75 25-50
Solo indicativo ed empirico -7,6
0-25
-9,0
Modelli verificati biologicamente (biodosimetrico):
Prevedere la reale capacità di disinfezione del sistema UV
Prove biologiche validate
15Design PSS – Concetto semplificato:
Dose UV = Tempo x Intensità
[J/m²] = [s] x [W/m²]
Tempo medio f(Q,V,K,a..):
Portata / volume reattore
Velocità medie
Turbolenze omogene
Condizioni costanti
Intensità media f(UVT,I,Sp,k,b..):
Trasmittanza liquido %
Lampade (potenza, geometria, invecchiamento? )
Quarzi (trasmittanza e sporcamento)
16Modello di calcolo analitico, valido in laboratorio
Tempo medio f(Q,V,K,a..):
Dose UV = Tempo x Intensità Portata / volume reattore
Velocità medie
[J/m²] = [s] x [W/m²] Turbolenze omogene
Condizioni costanti
Intensità media f(UVT,I,Sp,k,b..):
Trasmittanza liquido %
Lampade (potenza, geometria, invecchiam
Quarzi (trasmittanza e sporcamento)
Dose per ogni LOG di riduzioneMa… nel mondo reale
Non è mai possibile misurare direttamente la DOSE UV
Approcio semplificato :
DOSE PSS=
Tempo medio x Intensità media
Flusso
…non interessa la DOSE UV analitica ma la disinfezione!
18Flusso idraulico Vs irraggiamento
sezione di canale con lampade orizzontali
19Ma… nel mondo reale
La Dose PSS di questi due sistemi è uguale, la disinfezione ?
Con ottimizzatori
di flusso
Senza
ottimizzatori di
flusso
…sono sistemi complessi e non lineari
20Dose analitica – quale dose?
Approcio empirico riduzione “empirica” del patogeno del 99.99% = 4log
@max portata (m3/h)
@min trasmittanza(%)
dimensionare un sistema che emetta una dose PSS analitica > 400J/m2
21 Unità di misura = 400 Joule/m2 = 40milliJoule/cm2 = 40’000µWatt sec/cm2Desing PSS – Scelta del modello Uso di tabelle che indicano la massima portata idraulica consentita [m3/h] con dose PSS = 400J/m a differenti valori di trasmittanza UVT [%] Esempio 1: Pozzo con filtri con carbone attivo, con e.coli, portata max 30m3/h , UV-T 93% Esempio 2: Serbatoio di rete con pseudomonas aeruginosa, portata max 130m3/h , UVT- 85% 22
Esempio 1
Esempio:
Pozzo con filtri con carbone attivo, con
e.coli, portata max 30m3/h , UV-T 93%
Modello = BX30, Forma a Z, flange DN80
Lampade = 3 da 70Watt (25W UV-C)
Vita lampada = 8760 ore
Potenza installata = 340 Watt
Oppure:
Modello = Spektron25, Forma a L, flange
DN80
Lampade = 1 da 300Watt (120W UV-C)
Vita lampada = 12000 ore
Potenza installata = 540 Watt
23Dose UV = Tempo x Intensità
Design PSS [J/m²] = [s] x [W/m²]
Vantaggi: Svantaggi:
• Basato solo su parametri fisici del liquido e
• Semplice ed intuitivo da usare
non biologici
• Storicamente accettato • Valori disinfezione empirici, non c’è
correlazione tra il dimensionamento e la
• Utilizzato erronamente per paragoni disinfezione
• Facile commettere errori (grossolani WW)
tra diversi fornitori
• Facile manipolare i risultati ma difficile
accorgersene
25Desing Biodosimetrico
Modello di dimensionamento verificato biologicamente :
Prevedere la reale capacità di disinfezione del sistema UV
Prove biologiche complesse per ottenere la validazione indipendente
(normate)
Vantaggi: Svantaggi:
• Permette di prevedere i risultati della • Normativa per certificazione complessa e
costosa per i costruttori dei sistemi UV
disinfezione (certificazione da ente
• Non esiste una normativa Italiana, viene
indipendente) normalmente adottata quella di altri paesi
(USA, Germania)
• Certezza dei risultati disinfezione
• Consumi energetici maggiori per piccoli
• Certezza della qualità dei prodotti impianti ( poco rilevante)
• Permette confronti tra fornitori
26 Unità di misura = Dose validataValidazione Biodosimetrica 27
Validazione Biodosimetrica
EPA Ultraviolet Disinfection Guidance Manual (UVDGM) for the Final Long Term 2 (LT2) Enhanced
Surface Water Treatment Rule (2006) is the most extensive validation protocol. It allows flexibility of
validation organisms used and methods for determining dosage in operation.
http://nepis.epa.gov/Exe/ZyPDF.cgi?Dockey=600006T3.txt
National Water Research Institutes (NWRI) Ultraviolet Disinfection Guidelines for Drinking Water and
Water Reuse (2012) was developed primarily for high dose (California Title-22) reuse applications.
Germany’s Deutscher Verein des Gas und Wasserfaches (DVGW) certification, requires verification of
intensity setpoints for system dose control, and it is not used extensively outside Germany (DVGW,
W294 (2006)).
Austria’s Österreichisches Normungsinstitut (ÖNORM) certification, similar to the DVGW, is not used
extensively outside Europe (ÖNORM M5873-1 (2001)).
DWI Guidance on the use of Ultraviolet (UV) irradiation for the Disinfection of Public Water Supplies (feb
2010) - Intended to provide guidance on the design, operation and monitoring of UV irradiation as
a process for the disinfection of public water supplies in United Kindom
http://www.dwi.gov.uk/stakeholders/guidance-and-codes-of-practice/uvirradiation.pdf
28Design biodosimetrico
differenze tra DVGW / ÖNORM and UVDGM
DVGW / ÖNORM : UVDGM :
Indicazione della portata Validazione della bontà dei modelli
trattabile a diversi valori di di simulazione performance di un
trasmittanza UVT% per sistema (non sistema UV)
determinati sistemi UV
Rapporto di validazione emesso
Certificato di performance con da ente indipendente con tutte I
validità fissa a 3 anni risultati delle prove eseguite (~300
pagine)
Analisti prettamente tecnica e
rigorosoa Fattori di validazione
Assunzioni cautelative (CAF = Capi di applicabilità del modello
0,7 fissa )
Flessibilità progettuale
Microoganismo da abbattere di
4log minimo ( B.subtilis)
29Validazione secondo US EPA UVDGM
Step 1. Raccolta dati sperimentali con varie condizioni operative
a) Laboratorio
b) Campo reale
Step 2. Produzione modello e curva-dose risposta,
Correlazione log.abbattimento reali
alla curva dose-risposta da laboratorio
Step 3. Determinazione fattori di validazione,
Errori di misura
Fattori sicurezza
Riparametrare ad altri organismi
Applicabilità del modello ad altri patogeni
(vero obiettivo della disinfezione)
30Design US EPA UVDGM Scelta del organismo obbiettivo: Facile da coltivare e facile da misurare, Non pericoloso o tossico per gli operatori Stabile durante l’uso, Che produca valori affidabili ed anche ripetibili, 31
Design US EPA UVDGM 32
Design US EPA UVDGM
Risultato della sperimentazione laboratorio e reale:
33Design US EPA UVDGM
Misura in
laboratorio
Misura in
campo
34Design US EPA UVDGM
Modello di riferimento, Required Equivalent DOSE:
dove:
RED = dose equivalente necessaria
A254 = UV assorbanza del liquido a 254nm
S = misura di instensità UV dal sensore del sistema reale
S0 = misura massima di instensità UV dal sensore al 100%
Q = Portata idraulica
B = numero di banchi in funzione
a,b,c,d,e = coefficienti modellistici per adattare l’equazione
35Design US EPA UVDGM 36
Dimensionamento - cosa usare? Modelli di calcolo con DOSE Analitica PSS (Point Source Summation) Piccoli impianti (facile sovradosare) Non potabile (no riutilizzo irriguo!) Modelli biodosimetrici ( UVDGM – DVGW – ONORM ): Permette paragoni delle reali capacità di disinfezione dei sistemi Grandi impianti Disinfezione per riutilizzo irriguo / potabile 37
AGENDA
• Introduzione
• Fattori chiave
• Fondamenti tecnologia
• Dati da raccogliere per dimensionamento
• Dimensionamento
• metodo analitico
• metodo biodosimetrico
• Tipologia sistemi disinfezione UV
• In tubazione chiusa
• In canale aperto
• Esempi installazioni
• Componenti dei sistemi UV
• Manutenzione e gestioneModelli 39
UV Drinking Water – Product Portfolio
K143 Series:
> 10,000 m³/h
Quadron Series:
up to 4,120 m³/h
Spektron Series:
20 - 4,120 m³/h
BX/LBX Series:
up to 2,500 m³/h
Aquada Series
10 m³/h
40UV Waste Water – Product Portfolio
Duron:
750-10,000 m³/h
TAK55:
500-10,000 m³/h
LBX Series:
up to 2,300 m³/h
TAK Smart:
10-1000 m³/h
41Tipologia di sistemi UV Canale aperto Tubazione • Depurazione delle acque reflue • Potabile / WW Riuso • Grandi portate • Modelli standard • Modulare • Pressione • Mantenere il livello idrico 42
Componenti principali
Lampade Quarzi protettivi Schede Ballast Sensore uv
43Componenti Sistema di pulizia automatico (anelli raschiatori) • Oltre 2000 installazioni al mondo • Depuratori acque reflue civili ed industriali (grassi,solidi) • Acque primarie (scaling,durezza) • Acque salmastre • Raschiamento meccanico con spriali di FPM + PTFE + FPM su tubo di quarzo 44
Manutenzione ordinaria: cambio degli anelli pulizia
Anelli di pulizia
Raschiamento meccanico con spriali di
FPM + PTFE + FPM su tubo di quarzo
Accesso al
sensore
d’irraggiamento
UVSistema di pulizia automatico quando? Analisi chimica (Durezza, contenuto Fe,Mg) Applicazione (potabile, processo alimentare, depurazione) Regola generale se: • Durezza > 150 mg/l • Contenuto ferro > 0.3 mg/l • Presenza di alghe, grassi, solidi sospesi
Sistemi in canale TAK SmartTM Impianti di depurazione fino a 750m3/h anche per riutilizzo Configurazione solo standard Canale in cemento oppure in acciaio
Scarico a stramazzo fisso TAK SmartTM
Componenti prinipali DURON
sistema in canale aperto con lampade inclinate
Quadri elettrici
potenza e gestione
Paratoia regolazione
livello
Griglia ingresso
Banco UV @45°
49Lampade Inclinate
“lampade meno efficienti ma più potenti impianti più efficaci”
Lampade inclinate a 45° con linee sfalsate
Miscelazione ideale dei flussi
Basse perdite di carico idraulico
Campo d’irraggiamento uniforme
Maggiore tolleranza alle variazioni di
livello idrico nel canale
Grandi portateManutenzione ordinaria : Cambio lampada /quarzo • I moduli rimangono nel canale pieno d’acqua • Senza attrezzi • Gli altri moduli/banchi lampade possono rimanere accesi
Manutenzione straordinaria : es:sistema di pulizia, quarzi, sensore, Meccanica per il sollevamento già integrata (automatica o manuale) Non serve la gru per il sollevamento Sollevamento e mantenimento in posizione Nessuno extra spazio di manovra necessario Sollevamento elettrico automatizzato
Product Overview WEDECO’s waste water products – DURON Series - References DURON 48i2-2x2 96 UV lamps Flow 2,370 m³/h UVT 60% Target 200 F.C
Product Overview WEDECO’s waste water products – DURON Series - References DURON 120i1-10x1 120 UV lamps Flow 1,000 m³/h UVT 40% Target 1000 F.C.
Product Overview
WEDECO’s waste water products – DURON Series - References
DURON 72i3-2x1 DURON 384i4-8x3
72 UV lamps 1152 UV lamps
Flow 7,000m³/h Flow 7200 m³/h
UVT 90% UVT 37%
25 mJ/cm² min PSS Target 1000 F.C.
55Product Overview
WEDECO’s waste water products – DURON Series - References
DURON 384i4-8x3
1152 UV lamps
Flow 7,200 m³/h
UVT 37%
Target 1,000 F.C.
56Lorenzo.gomarasca@xyleminc.com Product Manager Italy WEDECO & Leopold Xylem Water Solution Italia S.r.l. Via Gioacchino Rossini, 1/A - 20020 Lainate (Milano) www.xyleminc.com
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