Ing. Maiello Giovanni

I raggi U.V.

La disinfezione delle acque mediante raggi U.V.

INDICE:

Capitolo 1

- Il trattamento delle acque con irradiazione di raggi U.V.

- Considerazioni generali.

- Elementi patologi contenuti nelle acque.

- Trattamento di debatterizzazione degli acquedotti.

- Confronto tra i vari tipi di debaterizzatori.

Capitolo 2

- Le lampade U.V.

- La sterilizzazione con i raggi U.V.

Capitolo 3

- Caratteristiche costruttive delle apparecchiature.

- Campi d’impiego.

Il trattamento delle acque con irradiazione di raggi U.V.

CONSIDERAZIONI GENERALI

Il fatto che un acquedotto debba fornire acqua per uso potabile e acqua usata per altri scopi , ha portato ad un aumento esponenziale delle quantità trattate da ogni singolo acquedotto,dato non si è attuata la politica dei due acquedotti , uno convogliante acqua adatta al consumo umano , mentre un’altra adatta ad altri tipi di consumo escluso il consumo umano.

L’aumento delle quantità prelevate dalle sorgenti o emunte dai pozzi ,insieme all’aumento dell’inquinamento fornito dagli insediamenti urbani e produttivi ,oltre all’abbassamento delle falde , ha portato ad una generale non potabilità delle acque, per motivi chimico- fisici e batteriologici.

Quindi almeno per un futuro prossimo venturo , la soluzione per le acque potabili sarà la disinfezione delle stesse.

Allo stato attuale la disinfezione delle acque su esegue usando cloro gas e suoi derivati,ebbene sia per l’eccesso dei disinfettanti di base , sia per l’insorgere di prodotti di combinazione tra il cloro ed altre sostante presenti nell’acqua , o nelle tubazioni (esempio il catrame di rivestimento delle tubazione o il zinco nel caso in cui le tubazioni sono zincate) si sono avute fenomeni sporadici o duraturi di odori e/o sapori sgradevoli nell’acqua erogata.

Questo fatto comporta una naturale diffidenza da parte degli utenti degli acquedotti ad usare l’acqua erogata per scopi alimentari e quindi questi spiega l’aumento che si è avuto in questi ultimi anni per i consumi di acque minerali.

Si stanno altresì valutando inoltre gli impianti di produzione del biossido di cloro negli impianti di potabilizzazione delle acque , in quanto si è rilevato che la reazione è instabile in normali condizioni di temperatura e pressione di esercizio normale degli acquedotti.La normativa tedesca non consente l’uso del biossido di cloro (CLO2) per il trattamento primario delle acque .

Capitolo

1

Uno studio condotto negli U.S.A. nello stato della Lousiana da un istituto specializzato sugli effetti dei contaminanti organici clorati – in particolare i trialometani (THMs) ha portato a conclusioni allarmanti , riassumibili nella convinzione di una connessione tra i tumori al retto, al colon ed alla vescica per la ingestione di acqua trattata con cloro, quindi sussiste l’ ipotesi che i composti organici non volatili generati nell’acqua potabile possono risultare cancerogeni per l’uomo e gli animali.

Quindi il trattamento con raggi u.v. delle acque che presentino parametri idonei ad essere trattate con questo metodo ( colore – torbidità - e contenuto di sostanze organiche) per garantire un corretto irraggiamento dell’acqua trattata.

Il trattamento si può effettuare sia su acque superficiali che quelle sotterranee , e su quest’ultime in genere presenta una bassa torbidità e pochi materiali in sospensione facendo salvo la eventuale presenza di ferro e/o manganese, i quali potrebbero dar luogo ad un precipitato che schermerebbero la diffusione nell’apparecchiatura u.v.

Su particolari tipi di acque ove si ha torbidità elevata, presenza di ferro e/o manganese e altre sostanze che pregiudicherebbero la erogazione stesso entro acquedotti,in quanto non rispetterebbero i parametri di legge , ebbene si esegue il trattamento idoneo do depurazione o poi di esegue da disinfezione con i raggi u.v.

La istallazione consigliata delle apparecchiature è quella il più possibile vicina al punto di consumo e in casi ove la rete di distribuzione è grande , sincerarsi che la rete non presenti introduzione di elementi inquinanti esterni.

Inoltre dalle analisi condotte su impianti campione le radiazioni u.v. non accrescono il potenziale di reinfezione dell’acqua e non si ha produzione di fotoprodotti.

Elementi patologi contenuti nelle acque

.

Batteri

Salmonella Febbre tifoide e salmonellosi

Escherichia coli gastroenteriti

Shigellae Schighellosi

Vibrio del colera Colera

Virus

enterovirus Gastroenterite e anomalie cardiache

Coxachivirus Meningite e altro

Ecovirus Poliomielite

Parnovirus e simili Gastroenterite

Virus epatite A Gastroenterite

Adenavirus Infezioni respiratorie, congiuntivite ed altro

Polivirus

Poliomielite

Epatite C

Entamoeba istologica Amebiasi Protozoi

Guardia lamblia giardiasis

Il trattamento di debatterizzazione degli acquedotti

Il trattamento di debatterizzazione delle acque destinato al consumo umano viene affrontato nei paesi europei essenzialmente con due metodi:

• Metodo di ossidazione chimica con uso di ossidanti che inibiscono i microrganismi ossidando appunto la parte esterna di essi.

• Metodo fisico mediante raggi ultravioletti che vanno a rompere i legamenti dei microrganismi patogeni con il menoma, e quindi inibisce in essa la facoltà prevalente quella di moltiplicarsi.

Il metodi chimici ossidativi prevedono l’uso delle seguenti sostanze:

• Perossido di idrogeno

• Ozono

• Ipoclorito di sodio

• Biossido di cloro

Con i rischio di ipo o iperdosaggio , inoltre alcuni virus e spore non sono interamente ossidati dalle sostanze sopra dette, in casi di massiccie quantità di cloro , sia la precipitazione del ferro se presente sotto forma di idrossido e quindi si ha l’intorbidimento dell’acqua, sempre in questo frangente si può avere la formazione nell’acqua trattata di alometani, clorofenoli ecc.

L’adozione di apparecchiature a raggi u.v. , non va a modificare le caratteristiche chimico-fisiche dell’acqua , mentre è accertata la eliminazione di tutte le forme di agenti patogeni dall’acqua trattata.

Per una corretta istallazione e conduzione del trattamento si consiglia di istallare a valle della apparecchiatura a raggi uv. di un dosatore di ipoclorito

di sodio in modo da garantire la copertura con cloro per i tratti estesi della tubazione e impostare i valori di cloro entro 0.1-0.2 ppm. Quindi sotto la soglia di percettibilità e al riparo da altri problemi prima descritti.

In questo modo si procede alla bonifica della tubazione, poi questo si può attuare sporadicamente per tubazioni nuove o sicure , mentre si può tenere in linea per tubazioni vecchie e non affidabili.

In caso di acqua con torbidità elevata ebbene si procede a varie correzioni senza dubbio entro certi limiti :

• Incremento del dosaggio U.V.

• Lucidatura a specchio delle pareti interne del reattore o camera di trattamento

• Adozione di regime idraulico turbolento con setti deflettori interni

Tutti questi accorgimenti portano ad un rendimento di disattivazione pari al 99.9%, in considerazione di un acqua in entrata con coliformi fecali pari a 200 in 100 ml con torpidità pari a 5ppm di SiO2 .

Confronto tra i vari tipi di debatterizzazioni

Tipo Vantaggi Svantaggi

Ipoclorito di sodio o potassio

Costo di investimento bassi Costi di esercizio limitati Dosaggi e controlli facili

Ossidante dell’ammoniaca Discreto agente disinfettante

Bassa durata della soluzione di Na o K

Formazione aloformi tossici Formazione di composti

sgradevoli

Cloro gas Costo di investimento bassi Costi di esercizio limitati Dosaggi e controlli facili

Ossidante dell’ammoniaca Buon agente disinfettante

Patentino per l’uso Pericolo di fughe e di incidenti Formazione di aloformi tossic

Formazione di composti sgradevoli o nocivii

Biossido di cloro Costi di investimento medi Costi di esercizio medi Bassa formazione di

d’alometani Buon agente disinfettante

Patentino per l’uso Pericolo di fughe e di incidenti

Formazione di clorit Processi analitici ancora incerti

e non ben definiti

Ozono Produzione senza additivi chimici

In attivazione rapida degli agenti patogeni

Bassa formazione di alometani

Nessuna alterazione di sapore e di odore dell’acqua

Microfiltrazione

Costo di investimento alti Abbattimento del peso molecolare dei prodotti

Scarsa persitenza

Raggi uv Produzione senza additivi chimici

Conservazione delle caratteristiche organolettiche

della acqua trattata Basso costo di esercizio In attivazione rapida degli

agenti patogeni Nessuna alterazione di

sapore o di odore dell’acqua Ottimo agente disinfettante

Costi di investimento medi Persistenza nulla

Capitolo

2

Le lampade u.v.

La luce ultravioletta , appunto U.V. è prodotta dal sole, ma i raggi U.V. che raggiungono la terra sono ridotti da vari fattori, la presenza della atmosfera terrestre in particolare la ozonosfera , la latitudine e la durata del giorno.

La azione battericida dei raggi ultravioletti è nota da oltre un cinquantennio, dagli anni 60 il procedimento ha avuto applicazione pratica sulle acque , avendo una diffusione, forse frenata dal fatto che gli organi preposti al controllo delle acque, hanno diffidato del procedimento , più per ignoranza specifica che per altro.

Nel campo dei prodotti germicidi sono disponibili lampade che producono raggi artificiali U.V. e nella costruzione sono simili alle lampade di illuminazione prodotte commercialmente.

Nella maggioranza dei casi costruttivi le lampade per la produzione in maniera artificiale di raggi U.V. sono lampade a bassa pressione con un particolare vetro che permette il passaggio delle radiazioni di una specifica lunghezza d’onda.

A questo punto per rendere comprensibile i paragrafi successivi dobbiamo chiarire le grandezze fisiche in gioco:

i raggi ultravioletti fanno parte dello spettro elettromagnetico unitamente alle onde elettriche , la lunghezza d’onda va tra 100.000 e 1.000 Km alle onde radio che vanno tra 1 Km ed 1 mm e alle onde luminose che si dividono in due unità:

• Infrarosse aventi lunghezza d’onda tra 1 mm. ed 1/1.000 di mm.

• Visibili aventi lunghezza d’onda tra 1/1000 mm ed 1/1.000.000 di mm (un millesimo di millimetro e un miliardesimo di millimetro appunto nm nanometro) ai raggi X dotati di lunghezza d’onda tra 1/10 metri e 10 metri nonché ai raggi cosmici la cui lunghezza d’onda supera i 10 metri.

I raggi U.V. possiedono una lunghezza d’onda che varia tra 10 e 400 nm. E quindi tali raggi si trovano tra la luce visibile e i raggi X. Inoltre lo spettro d’onda tra i 200 e 400 nm viene suddiviso come nella tabella qui riportata.

RAGGI U.V. LUNGHEZZA D’ONDA

(nm)

APPLICAZIONI

C 200-280 BATTERICIDA

B 280-315 MEDICALE

A 315-400 ABBRONZANTE

La azione battericida, quindi prodotta dai raggi u.v.c. è più consistente intorno ad un valore di 2537 Angstrom che corrisponde appunto a 253.7 nanometri.

Per tutti i metodi di disinfezione dell’acqua ci si basa sul principio dose/effetto, pertanto per rendere efficace il procedimento U.V. occorre essere a conoscenza del rapporto tra dose di radiazione da applicata e l’effetto letale conseguito.

La dose di u.v.c. è espressa dall’energia applicata su una unità di superficie , le cui dimensioni sono mJ/cm 2 (milli-Joule su centimetro quadrato), ovvero uW/s/cm 2 (microwatt al secondo per centimetro quadrato)

Per rendere più chiara questa ultima espressione vi riportiamo alla tabella sottostante:

INTENSITA’ U.V.

UNITA’ MISURA

ANGSTROM Unità di lunghezza , nel nostro caso di lunghezza d’onda luminosa generata da lampade germicida. 10 Angstrom = 1/1.000.000 di millimetro 2.537 Angstrom= 253.7 milionesimi di millimetro = 253.7 nano metri.

MICROWATT(mW) 1 microwatt= 1 milionesimo di watt

INTENSITA’ DI LUCE (Mw/cmq)

Intensità di luce U.V. di una lampada germicida espressa in microwatt su centimetro quadro.

Nel dosaggio dei raggi U.V. si deve tener conto della natura degli inquinanti contenuti nell’acqua in riferimento al risultato che si vuole raggiungere .

Inoltre vi ricordiamo che la dose di irradiazione U.V. è legata in scala logaritmica al valore di disattivazione , quindi occorre una dose tripla di raggi per passare da un valore di disattivazione del 90% al 99% del tasso stesso.

La sterilizzazione con i raggi ultravioletti

Il trattamento delle acque con raggi U.V. avviene in quanto i raggi hanno una azione fotochimica che induce la formazione di legami crociati tra i gruppi pirimidinici di uno dei filamenti del DNA, provocando la formazione di dimeri pirimidinici. Quindi questo comporta la distruzione del loro nucleo di acido desossiribonucleico (noto come DNA), e in questa condizione la cellula non può più riprodursi. La cellula sterile è considerata morta poiché non può moltiplicarsi a livello infettivo nei microrganismi ove di insedia.

Una lampada germicida che emetta una radiazione ultravioletta a 254 nm opera molto vicino alla lunghezza d’onda ottimale per il massimo assorbimento da parte degli acidi nucleici.

I microrganismi differiscono la loro sensibilità alla luce U.V., questa variazione può essere dovuta alla struttura della parete cellulare ,al suo spessore ed alla composizione ; alla presenza di proteine che assorbono i raggi U.V. od a differenze nella struttura degli acidi nucleici stessi.

La disinfezione dell’acqua potabile con U.V. deve assicurare una dose minima per coprire questa grande variazione di sensibilità, Una riduzione di E.coli del 99,9% richiede una dose di 7.000 microwatt/cm 2 ., mentre una pari riduzione di cisti dei protozoi richiede approssimativamente una dose di 105.000 microwatt/cm 2 .

La dose di U.V. si definisce come il prodotto dell’intensità di radiazione moltiplicata per il tempo di contatto e corrisponde alla quantità di energia U.V. per area unitaria nell’unità di tempo, misurata in microwatt su centimetro quadrato per secondo.

La formula che fornisce la dose teorica D (J/cmq.) di irradiazione da applicare è la seguente:

D = E * t

Ove E = intensità di irradiazione (W/cmq.)

t = tempo di irradiazione (s)

La tabella qui sotto riportata da i valori U.V. espressi in mW/s/cmq per raggiungere un tasso di disattivazione pari al 99.9%.

BATTERI

mW/s/cmq BATTERI

mW/s/cmq

Bacillus Anthracis 8.700 S.enteritidis 7.600

Bacillus Megaterium (spore) 5.200 Bacillus Megaterium veg. 2.500

Bacillus Paratyphosus 6.100 Erbethella typosa 4.100

Bacillus subtilis 11.000 Escherichia coli 6.600

Bacteria coli 5.400 Mycobatterium tubercolosis 10.000

Clostridium tetani 22.000 Psseudomonas aeruginosa 10.500

Corynebacterium diphteriae 6.500 Psseudomonas fluorscens 6.600

Salmonella 10.000 Schigella paradyseneriae 3.400

Dysentery bacilli 4.200 Steptoccus hemolyticus 5.500

Srafhylococcus aureus 6.600 Vibro colera 6.500

Steptococcus viridans 3.800 Stectococcus typhimurium 15.200

Stectococcus haemolyticus 5.500 Stectococcus lactis 8.800

Staphilococcus aureus 6.600 Schigella dysenteriae 6.200

Serratia marcescens 6.160 Proteus vulgaris 7.480

VIRUS

mW/s/cmq VIRUS

mW/s/cmq

Bacteriophase (E.coli) 6.600 Influenza 6.800

Aepatis 8.000 Poliomielite 6.500

LIEVITI

mW/s/cmq LIEVITI

mW/s/cmq

Lieviti naturali 11.200 Saccharomyces ellips. 11.200

Lievito di birra 18.660 Saccharomyces spiroid. 14.930

SPORE

uW/s/cmq PROTOZOI uW/s/cmq

Penicillium roqueforti 26.400 Clorella vulgaris 22.000

Penicillium exspansum 22.000

Mucor racemosus 35.200

Oospora lactis 11.000

Il dosaggio effettivo di U.V. viene ridotto dall’assorbimento della radiazione nel passaggio attraverso l’acqua . La trasmittanza si definisce come la percentuale di energia U.V. che passerà attraverso un centimetro di acqua.

Il comitato per la disinfezione U.V. della Fondazione Nazionale per la Salvaguardia della salute pubblica (NSF-USA) ha suggerito che l’acqua potabile debba avere una trasmissione di U.V. maggiore del 75%.

Quindi nei casi ove lo stato delle acque lo richiedano è opportuno eseguire pretrattamenti appropriati per raggiungere i valori di trasmittanza richiesti.

I maggiori fattori che influenzano il passaggio dei raggi U.V.sono i seguenti:

• Solidi sospesi

• La trasmittanza

• L’assorbimento dovuto al tubo di quarzo

I solidi sospesi creano delle ombre e quindi la potenza delle radiazioni risultano fortemente ridotta,questo è superato in quanto nella progettazione del reattore (manufatto ove vengono istallate le lampade) si crea un moto turbolento dell’acqua i modo che i microrganismi vengono portati fuori le zone di ombra. Per i solidi invece che si trovano dentro le particelle non possono essere raggiunti senza una senza una potenza adeguata quindi normalmente si procede ad una prefiltrazione.

Varie molecole solubili presenti normalmente nell’acqua riducono la quantità di raggi ultravioletti i quanto la assorbono impedendo quindi a una parte di essi di raggiungere gli acidi nucleici.

Composti assorbenti Composti non assorbenti

Acidi tannici Calcio e magnesio(durezza)

Acidi umici Manganese

Composti del ferro ad alto valore Composti del ferro a basso valore

I composti del ferro e manganese entro i valori di norma per le acque potabili non influenzano la disinfezione, ma a lungo andare possono precipitare su tubi di quarzo e all’interno del reattore e quindi ridurre la quantità di raggi irradiata.

Gli elementi basilari per la apparecchiatura U.V. sono la combinazione tra la lampada e il reattore e il tubo di quarzo di contenimento della lampada e il contenitore ove viene alloggiato la lampada e il contenitore di quarzo. Fondamentale è la concezione del reattore di alimentazione , la lampada se non è correttamente alimentata può risultare accesa , ma irradiando una frazione di energia non corretta come valore di lunghezza d’onda.

L’emissione delle lampade va a diminuire nel tempo i produttori di lampade danno una vita tra le 7.000 e le 12.000 ore di funzionamento , però questo è visto sotto il punto di vista elettrico , non sotto l’aspetto della emissione entro i valori corretti della lunghezza d’onda.

Per una ottimale emissione ogni lampada deve raggiungere entro i tubi di quarzo una temperatura di 40 ° C pari a 104 ° F.

Capitolo

3

Caratteristiche costruttive delle apparecchiature

La disinfezione delle acque mediante le apparecchiature a raggi ultravioletti si effettua in apposite camere di reazione , che non sono altro che dei tubi flangiati in acciaio inox 304 , ove vi sono una o più fonti di irradiazione ossia le lampade ,la opportuna conformazione delle camere ,fanno si che i flussi di passaggio dell’acqua nei tubi di reazione possano garantire l’ottimale svolgimento del processo.

Le lampade o fonti radianti utilizzate sono delle lampade a vapori di mercurio , questo somigliano costruttivamente alle normali lampade a neon e la tipologia di funzionamento è uguale a quest’ultime.

La corrente elettrica scorre tra due elettrodi immersi in atmosfera formata da gas inerte leggermente arricchito di mercurio in fase vapore , gli ioni di mercurio essendo conduttivi sono stimolati dalla corrente elettrica e quindi generano la caratteristica radiazione.

Esistono lampade a bassa pressione (b.p.) ed alta pressione (a.t.) questa pressione è riferita ai vapori di mercurio all’interno della lampada, le lampade a b.p. presentano una minore intensità di luce rispetto a quelle ad a.p., in compenso le lampade a b.p. convertono la maggior parte di energia elettrica in raggi uv battericidi sino ad un valore del 45% rispetto al 6% di quelle a.p.

Le case costruttrici di lampade producono lampade a bassa pressione per gamme di potenza tra 8 e 200 watt ed ad alta pressione tra 200 e 5000 watt., inoltre le prime presentano una bassa dispersione di energia termica ,hanno una durata più lunga, ed emettono una radiazione pressocchè monocromatica pari a 254 nm., cosa che non presentano le lampade ad alta pressione.

Gli apparecchi sono a singola lampada o a lampade multiple a seconda del vcalore della portata da trattare.

All’interno delle camere di reazione le lampade sono poste a diretto contatto dell’acqua da trattare , protette da tubi in vetro o teflon trasparenti, questi tubi oltre a proteggere le lampade da schok meccanici , mantengono la lampada entro i valori di temperatura ottimale per il corretto funzionamento della stessa 40°C .e provvedono inoltre a mantenere la pressione elevata che può verificarsi nella

camera di reazione, nonchè il massimo grado di trasparenza che permette una migliore diffusione delle radiazioni.

Il tempo di irradiazione dipende dalla velocità di efflusso dell’acqua , nonché alla forma della camera,il calcolo è semplice per una o due lampade , ma per camere con lampade multiple per il controllo della efficacia del trattamento viene demandato alle analisi microbiologiche in condizioni standard definite.

Inoltre le camere grandi richiedono particolari accorgimenti (deflettori idraulici interni) per migliorare l’efficienza del trattamento.

I modelli di disinfezione UV sono basati sulla dichiarazione del 1968 del dipartimento della salute, educazione e sicurezza sociale degli U.S.A. che per le apparecchiature UV richiede una dosa minima di UV pari a 16.000 mW/sec x cmq.

Comunque al momento a livello mondiale non esiste una vera normativa per questo tipo di apparecchiature , quindi per stabilire uno standard da cui una proliferazione di apparecchiature mall progettate , mal consigliate e mal istallate questo ha portato ad una naturale diffidenza per la tipologia di queste apparecchiature , anche dobbiamo dire che il processo è molto valido, e questa pubblicazione ne è la prova ,quindi usata in modo corretto , cioè in modo tecnico la tecnologia è valida e sicura. Allo stato attuale le linee di progettazione delle apparecchiature devono rispettare i seguenti valori:

Classe A – Per acqua contaminata il sistema deve essere in grado di produrre una dose di almeno 38.000 mW/sec x cmq. Al 50% della norma di emissione della lampada inoltre è richiesto un sensore di controllo della emissione della radiazione tarato a 254 nm.

Classe B – Per acqua potabile il sistema deve produrre una dose di uv pari a 16.000 mW/sec xcmq. Al 50% della norma di emissione della lampada

Comunque la prova microbica fornisce la prova dell’effettivo funzionamento della apparecchiatura.

Non esiste uno standard per la taratura degli strumenti rilevatori di emissione di uv alla lunghezza d’onda prescritta, comunque si può effettuare una prova empirica ponendo sul sensore dello strumento una pellicola trasparente se il sistema va in allarme ebbene lo strumento sta rilevando le radiazione inferiori a 300 nm., in quanto la pellicola trasparente inizia a trasmettere lunghezza d’onda superiori a 300 nm.

Campi di impiego

La praticità , la economicità, la semplicità degli impianti ,unitamente alla grande affidabilità ed efficacia rende questi impianti adatti per una ampia gamma di utilizzazioni:

• Potabilizzazione delle acque

Acquedotti pubblici e privati,ospedali, caserme, case di riposo,navi,centri sportivi,colonie,aeroporti, scuole.

• Industria alimentare

Acque di processo e di lavaggio in latterie, birrerie,panifici,zuccherifici,imbottigliamento delle acque minerali, conserviere.

• Agricoltura e pesca

Acqua potabile e di lavaggio in fattorie , caseifici ed allevamenti in genere vivai ittici, lavaggio igienico dei crostacei.

• Industria chimica –farmaceutica e cosmetica

Acque di processo , di lavaggio ,di circolazione . acqua ad alto livello di purezza , protezioni contro inquinanti ed infezioni in serbatoi e reattori di processo.

• Industria elettronica

Acque di processo per produzione di circuiti stampati e integrati, acque di ricircolo e lavaggio.

• Impianti di condizionamento aria

Acque di raffreddamento e circolazione ,camere di pulitura dell’aria.

• Impianti di depurazione dei reflui

Acque di ricircolo e scarico

• Fotochimica

Scomposizione di componenti organici e processi combinati con l’ozono ed acqua ossigenata.