Giải thích liều UV: mJ/cm², UVT và tuổi thọ đèn

Vi sinh vật bị bất hoạt khi tia UV làm tổn thương axit nucleic của chúng. Đỉnh hấp thụ của DNA và RNA nằm gần 260 nm, còn đèn thủy ngân áp suất thấp phát xạ mạnh ở 254 nm, đủ gần để có hiệu quả. Năng lượng này phá vỡ các liên kết trong vật chất di truyền và ngăn cản sự nhân đôi; nó không nhất thiết giết chết tế bào ngay lập tức, vì vậy thuật ngữ chính xác là bất hoạt chứ không phải tiệt trùng.

Tia UV ở 254 nm không thêm hóa chất vào nước và không để lại dư lượng. Đây là ưu điểm về mùi vị và đối với các quy trình không chịu được chất oxy hóa, nhưng cũng có nghĩa là khả năng bảo vệ chấm dứt tại buồng phản ứng. Mọi nhiễm bẩn xâm nhập ở phía hạ lưu, trong bồn chứa hoặc trong đoạn ống chết (dead leg), sẽ không được tia UV đã xử lý nước trước đó trung hòa. Đèn áp suất trung bình phát xạ quang phổ rộng hơn và được dùng trong một số ứng dụng lưu lượng lớn hoặc tái sử dụng nước, nhưng đèn áp suất thấp và đèn amalgam chiếm ưu thế trong các ứng dụng nước uống.

Độ truyền qua UV là tỷ lệ phần trăm ánh sáng 254 nm đi qua một mẫu nước dày 1 cm. Nước uống đã lọc thường có UVT trên 90%. Các chất hữu cơ hòa tan, sắt, mangan và độ màu hấp thụ tia UV và làm giảm giá trị này; nước có UVT 70% nhận được khoảng ba phần tư cường độ bức xạ mà cùng buồng phản ứng cung cấp ở 90%, do đó liều sẽ giảm nếu không giảm lưu lượng hoặc tăng công suất đèn.

Vì vậy, khi báo giá buồng phản ứng phải nêu rõ UVT đã dùng trong tính toán, không chỉ nêu lưu lượng và liều. Một thiết bị được chọn cho 10 m³/h ở 30 mJ/cm² và UVT 90% sẽ cần thêm đèn hoặc buồng lớn hơn để đạt 40 mJ/cm² hoặc để xử lý nước có UVT 80%. Hãy yêu cầu cung cấp UVT thiết kế, hệ số bám cặn và hệ số cuối tuổi thọ đèn, rồi so sánh các báo giá trên cùng một cơ sở.

Các hạt che chắn vi sinh vật. Một vi khuẩn bám vào hạt đất sét hoặc nằm trong bông cặn có thể ở trong vùng bóng của hạt và chỉ nhận được một phần nhỏ liều tính toán, dù nước xung quanh đủ trong đối với cảm biến. Độ đục còn tán xạ ánh sáng và làm giảm khả năng xuyên sâu. Với UV trong nước uống, yêu cầu thông thường là độ đục dưới 1 NTU trước buồng phản ứng, và nhiều nhà thiết kế hướng tới dưới 0.5 NTU.

Lõi lọc 5 µm ở phía trước là biện pháp bảo vệ tiêu chuẩn. Lõi lọc này loại bỏ các hạt có thể che chắn vi sinh vật và làm bẩn ống thạch anh, đồng thời bảo vệ buồng phản ứng sau bảo trì. Tuy nhiên, nó không thay thế được bước làm trong: nếu độ đục vẫn trên 1 NTU, liều UV không đáng tin cậy bất kể định mức của buồng phản ứng. Cần xử lý vấn đề lọc trước khi tăng số đèn.

Đèn áp suất thấp suy giảm công suất dần và thường có tuổi thọ định mức 8,000–9,000 giờ. Một đèn còn 70% công suất ban đầu chỉ cung cấp 70% liều ở cùng lưu lượng, khiến buồng phản ứng 40 mJ/cm² có thể xuống dưới 30 mJ/cm² mà không có cảnh báo nào nếu cảm biến chưa được hiệu chuẩn hoặc số giờ đèn không được theo dõi. Hãy chọn buồng phản ứng theo công suất cuối tuổi thọ, không theo công suất của đèn mới.

Theo kinh nghiệm, một đèn áp suất thấp 40 W xử lý khoảng 1 m³/h ở 30–40 mJ/cm² với UVT trên 90%. Lưu lượng cao hơn cần thêm đèn hoặc buồng lớn hơn; nước lạnh hơn, UVT thấp hơn và liều mục tiêu cao hơn đều làm tăng số lượng đèn. Thay đèn theo số giờ hoặc theo công suất đo được, tùy điều kiện nào đến trước, và thay ống thạch anh khi việc vệ sinh không còn khôi phục được hiệu năng.

Các sinh vật khác nhau phản ứng khác nhau. Vi khuẩn tương đối nhạy, virus thường cần liều cao hơn, còn nang động vật nguyên sinh như Cryptosporidium bị bất hoạt ở liều UV thấp nhưng vẫn cần buồng phản ứng đã được thẩm định và mức giảm log do cơ quan có thẩm quyền quy định. Adenovirus là ngoại lệ trong nhóm virus và có thể cần liều cao hơn nhiều so với các khoảng nêu dưới đây.

Bảng dưới đây nêu các khoảng điển hình cho mức bất hoạt 3–4 log, không phải giới hạn pháp quy. Cách làm đúng là xác định sinh vật mục tiêu, mức giảm log yêu cầu và quy trình thẩm định, sau đó chọn buồng phản ứng có quan hệ liều–lưu lượng đã được chứng nhận tại UVT thiết kế. Khi không yêu cầu thẩm định, 30–40 mJ/cm² vẫn là mục tiêu thiết kế chung phù hợp cho nước uống.

Cảm biến UV đo cường độ đèn tại ống thạch anh, không đo liều trong nước. Đây vẫn là chỉ số liên tục hữu ích nhất: nếu cường độ giảm trong khi lưu lượng và UVT ổn định thì nguyên nhân nằm ở đèn hoặc ống thạch anh. Hãy ghi nhận đồng thời cường độ, lưu lượng, UVT và số giờ đèn. Nếu số đọc của cảm biến vẫn bình thường trong khi chất lượng nước thay đổi, đó là dấu hiệu cho thấy đang giám sát thiết bị đo chứ không phải buồng phản ứng.

Khi chạy thử và nghiệm thu, cần đối chiếu buồng phản ứng với báo cáo thẩm định ở lưu lượng và UVT thiết kế, xác nhận hiệu chuẩn cảm biến và đặt ngưỡng cảnh báo liều thấp. Trong quá trình vận hành, vệ sinh ống thạch anh, kiểm tra cửa sổ cảm biến và so sánh số đọc với đồng hồ chuẩn. Khi cơ quan địa phương yêu cầu thẩm định, hãy dùng buồng phản ứng có báo cáo bao gồm đúng model, liều và lưu lượng; chứng nhận chung cho cả dòng sản phẩm không tương đương.

Hãy cung cấp lưu lượng đỉnh và lưu lượng tối thiểu, UVT thiết kế, độ đục lớn nhất, nhiệt độ nước, liều mục tiêu và mức giảm log yêu cầu. Nêu rõ có phải đạt liều ở cuối tuổi thọ đèn hay không và hệ số bám cặn cần giả định. Bổ sung nguồn điện, hướng lắp đặt, đường kính ống và yêu cầu cảnh báo hoặc liên động. Một báo giá thiếu các thông tin đầu vào đó chỉ là phỏng đoán được khoác áo thông số kỹ thuật.

Cuối cùng, hãy xác nhận ai là bên thẩm định liều. Nhà cung cấp buồng phản ứng thẩm định phần cứng; nhà tích hợp hệ thống thẩm định dây chuyền đã lắp đặt; cơ quan địa phương công nhận nước thành phẩm. Ba trách nhiệm này khác nhau, và một hệ thống nước uống cần cả ba được làm rõ trước khi bật đèn đầu tiên.