LICHT OP WATER: ONTWERP VOOR EEN UV/H 2 O 2 INSTALLATIE

Transcriptie

1

2

3 Technische Universiteit Delft Faculteit der Civiele Techniek en Geowetenschappen Afdeling Watermanagement Sectie Gezondheidstechniek LICHT OP WATER: ONTWERP VOOR EEN UV/H 2 O 2 INSTALLATIE Afstudeerverslag: Hoogleraar: Afstudeercommissie: Martijn W. Kramer Prof.ir. J.C. van Dijk ir. L.C. Rietveld (TU Delft) ir. P.H.M.H. Smeets (DHV water) dr.ir. J.C. Kruithof (PWN) Prof.ir. R. Brouwer (TU Delft)

4 -ii-

5 Licht op water: ontwerp voor een UV/H 2 O 2 installatie Voorwoord Voorwoord Voor u ligt mijn afstudeerrapport getiteld Licht op water: ontwerp voor een UV/H 2 O 2 installatie dat in opdracht van PWN Waterleidingbedrijf Noord-Holland is uitgevoerd. In dit rapport is een onderzoek beschreven naar de grootschalige toepassing van ultraviolette straling in combinatie met waterstofperoxide dosering. Allereerst wil ik dr.ir. J.C. Kruithof (PWN) hartelijk bedanken voor het verstrekken van een uitdagende en veelzijdige afstudeeropdracht. Ook ben ik veel dank verschuldigd aan ir. P.W.M. Smeets (DHV Water), die mij geïntroduceerd heeft binnen het onderwerp en mij altijd van kritische vragen heeft voorzien. Bij mijn dagelijkse begeleider ir. L.C. Rietveld kon ik altijd langskomen met vragen, problemen en ideeën: mijn dank hiervoor. Ook wil ik Prof.ir. J.C. van Dijk bedanken vanwege zijn verfrissende kijk op de problematiek. Mijn begeleiders wil ik vooral bedanken voor hun vertrouwen, hun geduld en hun hulp. Verder wil ik graag iedereen bedanken die mij gesteund hebben binnen mijn afstudeertraject. Ik noem hier in het bijzonder mijn afstudeerkamergenoten: Arjen Pilot, Michiel van der Meulen en Colette de Roo; mijn familie; Ton van Egmond en andere vrienden en kennissen. Martijn Kramer Mei iii-

6 -iv-

7 Licht op water: ontwerp voor een UV/H 2 O 2 installatie Samenvatting Samenvatting In opdracht van PWN Waterleidingbedrijf Noord-Holland is een studie verricht naar de toepassing van grootschalige UV/H2O2 installaties, om te komen tot schetsontwerpen voor de installaties in Andijk en Heemskerk. De aanleiding voor een nieuwe installatie in Andijk is dat een betere desinfectie nodig is met het oog op toekomstige capaciteitstoename. Ook kan de UV installatie een betere bescherming bieden tegen protozoa, als Cryptosporidium parvum. Verder is gekeken naar een combinatie van UV en waterstofperoxide dosering. De geavanceerde oxidatie is in staat de in het IJsselmeer aanwezige bestrijdingsmiddelen af te breken. Ook in Heemskerk wordt de productie in de toekomst opgeschroefd. Om de duininfiltratie te ontlasten van te hoge concentraties bestrijdingsmiddelen wordt ook hier gekeken naar de mogelijkheid van een UV/H2O2 installatie. Op basis van verscheidene onderzoeken en testen zijn de (UV) dosiseisen gesteld op 100 mj/cm2 en 1000 mj/cm2 voor respectievelijk desinfectie en geavanceerde oxidatie. Principes ultraviolette straling Ultraviolette stralen zijn stralen die zich binnen het elektromagnetisch spectrum bevinden tussen het zichtbare licht en röntgenstralen. Van de vier zones waaruit ultraviolette straling bestaat is UV-C licht ( nm) interessant voor desinfectie en geavanceerde oxidatie. De fotonen waaruit de straling is opgebouwd zijn in staat moleculen te activeren, waardoor een mutatie mogelijk is. Desinfectie richt zich op het muteren van DNA, een verbinding die in alle pathogene micro-organismen aanwezig is. De destructie van DNA is het sterkst bij een golflengte van ongeveer 260 nm. Ultraviolette straling is bovendien in staat bindingen van moleculen te verbreken. Door een reactie met water ontstaan radicalen die zorg kunnen dragen voor oxidatie. Door waterstofperoxide aan het water toe te voegen ontstaan meer radicalen en kunnen afbraakreacties sneller optreden. Er zijn verschillende typen lampen. Low pressure lampen zijn golflengte van 253,7 nm geschikt voor desinfectie maar zijn minder geschikt voor geavanceerde oxidatie. Medium pressure lampen kennen een grotere intensiteit en zijn wel geschikt voor geavanceerde oxidatie; ze hebben echter een lager rendement en een kortere levensduur. Afzwakking van de straling in het water vindt plaats door uitdijing van het licht en door de transmissie van het water, beïnvloed door de absorptie van het water en de daarin aanwezige stoffen. De intensiteit kan op een elk punt in de reactor berekend worden. De dosis aan ultraviolette straling is gedefinieerd als de intensiteit vermenigvuldigd met de contacttijd. De dosis is niet gelijk voor al het bestraalde water dat de reactor passeert: er ontstaat een dosisverdeling. Voor geavanceerde oxidatie is gesteld dat 90% van de optredende doses aan de dosiseis van 1000 mj/cm2 moet voldoen. -v-

8 Samenvatting Lampconfiguratie Wanneer meerdere lampen opgesteld worden dan kunnen de intensiteiten van de lampen opgeteld worden. Schakelingen van lampen kunnen zowel parallel als serieel opgesteld zijn. Om het effect van verschillende configuraties te kunnen vergelijken is een model ontwikkeld dat de dosisverdelingen bepaalt in het geval van drie hoofdalternatieven: dwarsstroming, langsstroming en dwarsstroming XY (met afwisselende horizontale en verticale stappen). Het model is zo opgesteld dat het het intensiteitveld in de reactor berekent en vervolgens de dosisverdelingen bepaalt. Er wordt bij het model gebruik gemaakt van een vereenvoudigde rechtlijnige eenparige stroming met een constante snelheid. Om de optredende menging in de reactor te simuleren, waarbij wordt uitgegaan van een meer willekeurig pad. Er blijkt dat het dwarsstroming XY alternatief het meest geschikt is voor desinfectie, terwijl het dwarsstroming alternatief meer geschikt is voor geavanceerde oxidatie. De afstand tussen de lampen is daarbij van groot belang. Verhoging van de transmissie heeft een zeer positieve invloed op de dosisverdelingen. Ontwerp en optimalisatie Om voldoende desinfectie te bereiken en toch een zo klein mogelijk aantal lampen te gebruiken is een aanpassing gedaan aan het dwarsstroming XY alternatief. Het resultaat van de optimalisatie bij desinfectie in Andijk bedraagt acht straten van vijf reactoren bestaat met elk 44 low pressure lampen. Met de installatie kan goed ingesprongen worden op lampveroudering en eventuele uitvallen. Een inschatting van kosten is 0,5 eurocent per m 3 behandeld water. Voor Heemskerk is er op basis van het dwarsstroming alternatief een optimalisatie verricht naar de toepassing van geavanceerde oxidatie. Dit resulteert in vier straten met elk een grote open reactor met cm lange medium pressure lampen. Afhankelijk van lampveroudering of transmissiewijzigingen kunnen meer of minder lampen ingezet worden. Voor de combinatie van desinfectie en geavanceerde oxidatie (in Andijk) is gekozen voor een aanpassing van het dwarsrichting alternatief, waarbij de wanden dichter bij de lampen gekozen worden. Onder alle omstandigheden is desinfectie gegarandeerd. Na optimalisatie is gekomen tot 4 straten met elk één reactor met (in een gemiddelde situatie) cm lange medium pressure lampen. De kosten van de installatie (5,0 eurocent per m 3 water) liggen drie procent hoger dan wanneer alleen op geavanceerde oxidatie geoptimaliseerd zou worden. Over het algemeen geldt dat met de sturing van de lampen naar aanleiding van transmissiewijzigingen energiekosten te besparen zijn. Het model geeft een goede indicatie van de benodigde hoeveelheid lampen bij gebruik van verschillende configuraties en onder verschillende omstandigheden. Door deze te vergelijken is, gegeven een bepaalde situatie, tot een optimale vorm van de reactor te komen. -vi-

9 Licht op water: ontwerp voor een UV/H 2 O 2 installatie Inhoudsopgave Inhoudsopgave 1 INLEIDING AANLEIDING VAN HET PROJECT UV/H 2 O DOELSTELLING LEESWIJZER SITUATIE- EN PROBLEEMSCHETS HUIDIGE SITUATIE GEWENSTE SITUATIE HEEMSKERK ANDIJK ALTERNATIEF WRK-III WATER ALTERNATIEF RUW WATER OVERZICHT GEWENSTE SITUATIE PROBLEEMSCHETS PRINCIPES ULTRAVIOLETTE STRALING ULTRAVIOLET LICHT UV-DESINFECTIE UV IN COMBINATIE MET WATERSTOFPEROXIDE DOSERING BRONNEN VAN ULTRAVIOLETTE STRALING LOW PRESSURE MEDIUM PRESSURE PULSED UV NIEUWE ONTWIKKELINGEN CONCLUSIES OVER GESCHIKTE UV TECHNIEK KARAKTERISTIEKEN VAN EEN UV LAMP UV EXTINCTIE EN TRANSMISSIE INTENSITEIT DOSIS STROMING EN TURBULENTIE LAMPCONFIGURATIE TYPEN CONFIGURATIES MODELLEN LANGS- EN DWARSSTROMING, EEN EERSTE VERGELIJKING DEFINITIE VARIABELEN OPZET GEBRUIKTE MODEL ANALYSE HOOFDALTERNATIEVEN ANALYSE VARIABELEN VARIATIE IN LAMP KARAKTERISTIEKEN VARIATIE IN REACTOR CONFIGURATIE VARIATIE IN EXTERNE VARIABELEN vii-

10 Inhoudsopgave 5 OPTIMALISATIE EN ONTWERP INLEIDING DESINFECTIE (ANDIJK) ONTWERPCRITERIA VORM REACTOR AANTAL BENODIGDE LAMPEN ONTWERP DESINFECTIE MET LOW PRESSURE LAMPEN GEAVANCEERDE OXIDATIE (HEEMSKERK) ONTWERPCRITERIA VORM REACTOR AANTAL BENODIGDE LAMPEN ONTWERP GEAVANCEERDE OXIDATIE HEEMSKERK COMBINATIE GO EN DESINFECTIE (ANDIJK) ONTWERPCRITERIA TWEE APARTE INSTALLATIES VORM REACTOR AANTAL BENODIGDE LAMPEN GECOMBINEERDE INSTALLATIE VORM REACTOR AANTAL BENODIGDE LAMPEN ONTWERP GECOMBINEERDE REACTOR ANDIJK CONCLUSIES EN AANBEVELINGEN CONCLUSIES AANBEVELINGEN...66 LITERATUURLIJST BIJLAGEN A GEBRUIKTE LAMPEN B CRYPTOSPORIDIUM PARVUM C WERKING MODEL D ANALYSE VARIABLEN E DOSISVERDELINGEN BIJ BIJLAGE D F ONTWERP DESINFECTIE ANDIJK G ONTWERP GEAVANCEERDE OXIDATIE HEEMSKERK H ONTWERP COMBINATIE ANDIJK I HUIDIG FLOWSCHEMA ANDIJK -viii-

11 Licht op water: ontwerp voor een UV/H 2 O 2 installatie 1 Inleiding 1 Inleiding 1.1 Aanleiding van het project Sinds PWN Waterleidingbedrijf Noord-Holland in 1920 is opgericht, is de vraag naar drinkwater enorm toegenomen. Waar vroeger voor het produceren van drinkwater slechts gebruik gemaakt werd van grondwater, werd al snel voor het grootste gedeelte oppervlaktewater gebruikt dat na voorbehandeling in de duinen geïnfiltreerd wordt. Dit water wordt zowel gewonnen uit de rivier de Rijn als uit het IJsselmeer. In de zestiger jaren werd extra capaciteit noodzakelijk. Om aan deze behoefte te voldoen werd het pompstation Andijk in gebruik genomen, dat bestaat uit een conventionele oppervlaktewater zuiveringsinstallatie met desinfectie door chloor en een twee-traps aktiefkool-filtratie. In de jaren tachtig werd er 65 miljoen m 3 water per jaar door PWN geproduceerd, waarvan 25 miljoen door de installatie in Andijk. Om het hoge zoutgehalte en de aanwezigheid van bestrijdingsmiddelen in het water tegen te gaan werd in Heemskerk in 1999 naast de duininfiltratie een combinatie van ultrafiltratie en omgekeerde osmose gebouwd met een capaciteit van 18 miljoen m 3 water per jaar. Door het water, afkomstig uit de installatie, te mengen met het in de duinen geïnfiltreerde water kon alsnog aan de strengste eisen voldaan worden. Vanwege de verwachte grotere vraag is het streven de duininfiltratie op te schroeven naar 48 miljoen m 3 water per jaar. Een verbeterde voorbehandeling voor de infiltratie is noodzakelijk om een goede barrière te vormen tegen (polaire) organische verontreinigingen als bestrijdingsmiddelen. De totale capaciteit in Heemskerk zal dan 66 miljoen m 3 water per jaar bedragen (48+18 miljoen m 3 ). Nieuwe inzichten en (toekomstige) strengere waterkwaliteitseisen maken bovendien een aanpassing noodzakelijk bij de installatie in Andijk. De gebruikte chloor desinfectie kan problemen geven bij het verwijderen van in het IJsselmeer aanwezige protozoa (bv Cryptosporidium parvum) en bij de vorming van THM (trihalomethanen). Verder speelt, net als bij Heemskerk, de hoge concentratie aan bestrijdingsmiddelen een rol. [Kruithof, Kamp & Finch 2000; Kamp & Kruithof 2000] 1.2 UV/H 2 O 2 Voor zowel Heemskerk als Andijk is de aanwezigheid van bestrijdingsmiddelen één van de problemen waarvoor een oplossing gevonden moet worden. Aanvankelijk werd gekeken naar de toepassing van ozon in combinatie met waterstofperoxide. Hoewel uit testen bleek dat de bestrijdingsmiddelen adequaat verwijderd werden, bleek dat dit onmogelijk was zonder de (overmatige) vorming van bromaat. Hierdoor viel deze mogelijkheid af. Bij de toepassing van ultraviolette straling met waterstofperoxide dosering bleek dat een verwijderingsgraad van 80 % van de bestrijdingsmiddelen over het algemeen haalbaar was, bij een grote energietoevoer en/of bij een hoge peroxide dosering. Hierbij werden er geen nadelige bijproducten gevormd. Dit was reden om het onderzoek naar UV/H 2 O door te zetten. -1-

12 1 Inleiding Van ultraviolette straling was al jaren bekend dat het goed in staat is de meeste bacteriën en virussen te verwijderen. Met name protozoa vormden echter een probleem. Recentelijk onderzoek wijst echter uit dat de protozoa (Cryptosporidium parvum en Giardia) wel degelijk met een lichte dosis geïnactiveerd kunnen worden. Deze nieuwe inzichten komen voort uit een nieuwe testmethode, waarbij in vivo technieken (testen op levende organismen) in plaats van in vitro technieken (testen in reageerbuizen) gebruikt worden. Uit het (vervolg) onderzoek van Kamp en Kruithof bleek dat een dosis van 1000 mj/cm 2 of meer nodig is om de bestrijdingsmiddelen te verwijderen. Dit is ruimschoots genoeg om de verschillende micro-organismen te inactiveren. Uit onderzoeken van de universiteit van Alberta, waar PWN een samenwerkingsverband mee heeft, blijkt dat reeds grote reducties in de concentraties van virussen en protozoa worden behaald wanneer 10 procent van deze dosis gebruikt wordt. Een combinatie van waterstofperoxide dosering met ultraviolette straling is in staat de optredende problemen hoofd te bieden, in zowel Heemskerk als Andijk. Een groot voordeel bij Andijk is dat de chloor desinfectie door deze stap vervangen kan worden. Uit een eerste onderzoek blijkt bovendien dat de kosten van een UV/H 2 O 2 installatie in vergelijking met ozon lager uitvallen en (dus) een goede kosten/effect relatie hebben. [Kruithof, Kamp & Finch 2000 a ; Kamp & Kruithof 2000 b ] 1.3 Doelstelling De doelstelling van dit project is een eerste indicatie te geven over hoe de beschreven UV/H 2 O 2 installaties er uit zouden kunnen zien. Hiertoe worden uit een literatuurstudie verkregen technische inzichten benut om tot een voorlopig schetsontwerp te komen. Dit gebeurt aan de hand van een simpel model. 1.4 Leeswijzer Om tot de doelstelling te komen wordt in hoofdstuk twee dieper ingegaan op de problemen die er spelen en welke rol de installaties moeten gaan spelen binnen het zuiveringsproces. Hoofdstuk drie is gewijd aan de principes van ultraviolette straling. Dit hoofdstuk vormt de basis voor hoofdstuk vier, waarin met behulp van een model meerdere lampconfiguraties vergeleken worden. In hoofdstuk vijf volgt een optimalisatie van de lampconfiguratie voor de verschillende situaties. Voor drie situaties wordt de theoretische optimalisatie omgezet in een schetsontwerp. Hoofdstuk zes ten slotte geeft de conclusies en de aanbevelingen bij dit onderzoek. -2-

13 Licht op water: ontwerp voor een UV/H 2 O 2 installatie 2 Situatie- en probleemschets 2 Situatie- en probleemschets 2.1 Huidige situatie PWN levert op dit moment 83 miljoen m 3 drinkwater per jaar aan haar klanten. Hiervan is 58 miljoen m 3 water per jaar afkomstig van het pompstation WRK-III in Andijk. Dit uit het IJsselmeer onttrokken water wordt voorgezuiverd door middel van een bekken, microzeven, coagulatie, lamellen-sedimentatie, opwaartse snelfiltratie en aktiefkoolfiltratie. Deze 58 miljoen m 3 water per jaar wordt vervolgens getransporteerd richting Heemskerk, waar 40 miljoen m 3 /j geïnfiltreerd wordt in de duinen en 18 miljoen m 3 /j gezuiverd wordt door de ultrafiltratie/omgekeerde osmose installatie. Na de filtratie in de duinen wordt het water belucht en volgt een snelfiltratie. Hierna wordt het water vermengd met de waterstroom, afkomstig van de ultrafiltratie/omgekeerde osmose tak. Het wordt vervolgens gedistribueerd aan de gebruikers. Er wordt nog wel preventief chloordioxide (ClO 2 ) toegevoegd om nagroei van bacteriën in de transportleidingen te voorkomen. figuur 2.1 huidig zuiveringsschema Heemskerk -3-

14 2 Situatie- en probleemschets Naast de zuivering in Heemskerk levert ook de waterzuiveringsinstallatie in Andijk 25 miljoen m 3 water per jaar. Dit water wordt in de huidige situatie door PWN zelf gewonnen uit het IJsselmeer. figuur 2.2 huidig zuiveringsschema Andijk Tabel 2.1 toont de huidige levering van drinkwater in Andijk en Heemskerk. Naast het volume per jaar is het bijbehorende debiet (het volume per uur) aangegeven. De gegeven waarden zijn de ontwerpdebieten. tabel 2.1 levering water in huidige situatie Zuivering door: Volume per jaar (10 6 m 3 /j) Debiet (m 3 /u) Duininfiltratie Ultrafiltratie/Omgekeerde Osmose (Heemskerk) Conventioneel (Andijk) Totaal

15 Licht op water: ontwerp voor een UV/H 2 O 2 installatie 2 Situatie- en probleemschets 2.2 Gewenste situatie De huidige situatie is in de toekomst niet toereikend vanwege een gewenste capaciteitsvergroting en een verscherping van de waterkwaliteitseisen. Een betere desinfectie is gewenst in Andijk, terwijl zowel in Andijk als in Heemskerk een efficiënte barrière opgeworpen moet worden tegen de verontreinigingen van bestrijdingsmiddelen. De combinatie van UV-desinfectie en waterstofperoxide dosering zou aan beide waterkwaliteitseisen het hoofd kunnen bieden Heemskerk In Heemskerk wordt de hoeveelheid in de duinen geïnfiltreerd water vergroot van 40 tot 48 miljoen m 3 water per jaar, om aan de grotere vraag te voldoen. De WRK-III zal hierom meer water moeten leveren: 66 miljoen m 3 per jaar in plaats van de huidige 58 miljoen. Om te hoge concentraties aan bestrijdingsmiddelen te vermijden, is een ingreep op het huidige zuiveringsproces (figuur 2.1) echter noodzakelijk. Door de UV/H 2 O 2 installatie voor de duininfiltratie te plaatsen kunnen deze hoge concentraties tegengegaan worden. Een extra aktiefkoolfiltratie verwijdert overtollig waterstofperoxide en verzorgt een verlaging van het AOC, welke de infiltratie ontlast. Tabel 2.3 toont de nieuwe opzet in Heemskerk. (Veranderingen zijn in het zwart aangegeven.) figuur 2.3 nieuw zuiveringsschema Heemskerk -5-

16 2 Situatie- en probleemschets Andijk Voor de zuiveringsinstallatie in Andijk geldt dat PWN water prefereert, dat geleverd wordt door het pompstation WRK-III, hoewel er nu gebruik gemaakt wordt van zelf gewonnen water. Een probleem hierbij is echter dat de maximale capaciteit van de WRK-III nu m 3 water per uur bedraagt (88 miljoen m 3 per jaar). Daar Heemskerk al 66 miljoen m 3 per jaar van dit water zal gebruiken zou er slechts 22 miljoen m 3 water per jaar beschikbaar zijn in Andijk, terwijl er gestreefd wordt naar een capaciteit van 23 tot 28 miljoen water m 3 per jaar. Om aan dit eventuele probleem hoofd te bieden zijn twee alternatieven ontwikkeld: één waarbij het water van de WRK-III gebruikt wordt en één waar ruw water wordt toegepast Alternatief WRK-III water Het water van de WRK-III, bestemd voor Andijk, zal op de zelfde manier voorgezuiverd worden als dat nu het geval is voor het water, bestemd voor Heemskerk, met als verschil dat de aktiefkool-filter stap ontbreekt in de voorzuivering. De te plaatsen UV/H 2 O 2 - installatie heeft nu naast de geavanceerde oxidatie van bestrijdingsmiddelen ook desinfectie als functie. De UV desinfectie vervangt de nu gebruikte chloor desinfectie, wat meer zekerheid biedt wat betreft de inactivering van (vooral) protozoa, als Cryptosporidium parvum. De dubbele aktiefkool-filtratie die reeds aanwezig is in Andijk kan benut worden om de waterstofperoxide te verwijderen en de AOC te verlagen. Om een grotere totale capaciteit te bereiken zal net als in Heemskerk het water in deelstroom gezuiverd worden door middel van een ultrafiltratie/omgekeerde osmose installatie. Deze zal ongeveer 30 procent van de totale capaciteit (23-28 Mm 3 /j) leveren. Dit resulteert in een nieuw processchema als in figuur 2.4 (in vergelijking met figuur 2.2). figuur 2.4 nieuw zuiveringsschema Andijk alternatief WRK-III -6-

17 Licht op water: ontwerp voor een UV/H 2 O 2 installatie 2 Situatie- en probleemschets Alternatief ruw water Wanneer niet gebruik gemaakt kan worden van het door WRK-III geleverde water zal een ultrafiltratiestap toegevoegd worden voor de UV installatie. Deze vervangt de huidige voorbehandeling (zie figuur 2.2). Uitgegaan wordt dat de ultrafiltratie geen invloed heeft op de UV extinctie van het gebruikte ruwe water. Er wordt hier geen gebruik gemaakt van een extra pad met omgekeerde osmose. Figuur 2.5 toont dit schema. figuur 2.5 nieuw zuiveringsschema Andijk alternatief ruw water -7-

18 2 Situatie- en probleemschets Overzicht gewenste situatie In de toekomstige gewenste situatie zal PWN 83 miljoen m 3 water per jaar gaan leveren. De installatie in Andijk is afhankelijk van de capaciteit van de WRK-III: is deze niet toereikend dan moet PWN zelf voorzuiveren en zal een ultrafiltratie-stap toegevoegd worden. Een overzicht is gegeven in tabel 2.2 en 2.3. tabel 2.2 toekomstige levering water Zuivering: Huidig volume per jaar (10 6 m3/j) Toekomstig volume per jaar (10 6 m 3 /j) Toekomstig debiet (m 3 /u) Heemskerk: Duininfiltratie (met UV/H 2 O 2 ) Heemskerk: Ultrafiltratie/Omgekeerde Osmose Andijk (zie tabel 2.3) Totaal tabel 2.3 toekomstige levering water Andijk toegespitst naar alternatieven Zuivering Andijk: Alternatief WRK-III (10 6 m 3 /j) Alternatief PWN (10 6 m 3 /j) Toekomstig debiet (m 3 /u) UV/H 2 O 2 16,1-19, Ultrafiltratie/Omgekeerde Osmose 6,9-8, Ultrafiltratie met UV/H 2 O Naast de beschreven alternatieven zijn er nog andere mogelijkheden voor het inrichten van de toekomstige situatie. In dit rapport wordt echter (alleen) rekening gehouden met de eerder beschreven alternatieven. 2.3 Probleemschets Desinfectie richt zich op het verwijderen van pathogene (ziekteverwekkende) organismen. Van oudsher werd hier vaak chloor voor gebruikt maar sinds ongeveer een eeuw zijn ook andere technieken bekend geworden, als ozon en ultraviolette straling. Pathogene organismen zijn onder te verdelen in drie soorten: bacteriën, virussen en protozoa. Aanvankelijk werd slechts aandacht geschonken aan de bacteriën en virussen. Door chloor te doseren konden deze pathogenen redelijk eenvoudig verwijderd worden uit het drinkwater. De aanwezigheid van protozoa, die een stuk groter zijn dan bacteriën of virussen, in gechloreerd drinkwater zorgde echter voor nieuwe infecties. Nieuwe oplossingen werden gezocht om deze nieuwe pathogeen tegen te gaan. In bijlage B wordt verder ingegaan op één van de bekendste protozoa: Cryptosporidum parvum. De concentraties van de pathogenen in de bron (IJsselmeer water) zijn over langere tijd gemeten, waarna de maximaal voorkomende concentraties bepaald zijn. Voor de verschillende pathogenen is in de Drinkwaterwet een eis gedefinieerd over de maximaal in drinkwater toelaatbare concentraties. Door de (maximaal) voorkomende concentraties te vergelijken met de eisen kan de vereiste (logaritmische) reductie (of log-inactivatie) van de pathogenen bepaald worden. -8-

19 Licht op water: ontwerp voor een UV/H 2 O 2 installatie 2 Situatie- en probleemschets Omdat de voorzuivering ook al een gedeelte van de pathogenen inactiveert, moet de UV/H 2 O 2 -installatie de overige log-inactivatie voor zijn rekening nemen. Voor de verschillende pathogenen is dit aangegeven in tabel 2.4. tabel 2.4 maximale concentraties in IJsselmeer Maximale Eis (n/l) Micro-organisme concentratie in IJsselmeer (n/l) Benodigde Inactivatie (log) Inactivatie Voorzuivering (log) Virussen 0,1 2,6 x ,6 2,1 3,6 Giardia 1,0 6,7 x ,2 2,5 2,7 Cryptosporidium 1,0 3,3 x ,7 2 2,7 Minimale Additionele Inactivatie Andijk (log) Naar aanleiding van de eerste experimenten met UV-desinfectie werd in 1966 in de Verenigde Staten een eerste eis gesteld aan de UV-dosis (16 mj/cm 2 ). Tegenwoordig ligt deze eis (internationaal) zo rond de 40 mj/cm 2 ; bij deze dosis is een desinfectie van de meeste virussen gegarandeerd. In tabel 2.5 en 2.6 is aangegeven welke minimale doses noodzakelijk zijn gebleken uit verschillende onderzoeken, om tot een gegeven log-reductie van de verschillende bacteriën en virussen te komen. tabel 2.5 UV-desinfectie bij bacteriën: benodigde dosis voor bepaalde log verwijdering (mj/cm 2 ) Bacterie 1-log 2-log 3-log 4-log Onderzoek Vibrio cholerae 0,8 1,4 2,2 2,9 Wilson e.a Shigella dysenteriae 0,5 1,2 2,0 3,0 Wilson e.a Escherichia coli 1,5 2,8 4,1 5,6 Wilson e.a Salmonella typhi 1,8-2,7 4,1-4,8 5,5-6,4 7,1-8,2 Wilson e.a Shigella sonnei 3,2 4,9 6,5 8,2 Chang e.a Dalmonella enteritidis Tosa & Hirata, 1998 Legionella pneumophila 3,1 5 6,9 9,4 Wilson e.a tabel 2.6 UV-desinfectie bij virussen: benodigde dosis voor bepaalde log verwijdering (mj/cm 2 ) Virus 2-log 3-log 4-log Onderzoek Adenovirus Meng & Gerba, 1996 Adenovirus Meng & Gerba, 1996 Coxsackievirus B Battigelli e.a., 1993 Hepatitus A Snicer e.a., 2000 Poliovirus Type Snicer e.a., 2000 Reovirus Type 1 36 Harris e.a., 1987 Rotavirus WA Snicer e.a., 2000 Rotavirus SA Wilson e.a., 1992 MS Snicer e.a., 2000 Recent is gebleken dat ultraviolet licht al bij een lage dosis in staat is om protozoa te inactiveren. Bij eerdere testen bleek altijd dat hier een extreme dosis voor nodig zou zijn (duizenden mj/cm 2 ); sinds de onderzoeken van Clancy e.a. in 1998 en Bukhari e.a. in 1999 is hier echter verandering in gekomen: uit een nieuwe meetmethode (zie bijlage B) bleek dat inactivatie al bij een lage dosis optreedt. De huidige UV-dosis/log-reductie relaties staan vermeld in tabel

20 2 Situatie- en probleemschets tabel 2.7 UV-desinfectie bij protozoa: benodigde dosis voor bepaalde log verwijdering (mj/cm 2 ) Protozoa 1-log 2-log 3-log 4-log Onderzoek Cryptosporidium parvum 3,0 4,9 6,4 7,9 Wright, 2000 Giardia lamblia <5 <10 <10 Linden & Sobsey, 2000 Giardia muris 1,2 4,7 Finch, 1999 Als uitgegaan wordt van de benodigde log-inactivatie van bijna 4 (zie tabel 2.4) dan lijkt de normale dosis van 40 mj/cm 2 voor enkele virussen aan de lage kant. Op het water uit het IJsselmeer zijn nog enkele desinfectie testen uitgevoerd met een dosis van 100 mj/cm 2. tabel 2.8 UV-desinfectie met IJsselmeer water (Dosis = 100 mj/cm 2 ) Micro-organisme Log inactivatie MS-2 2,6 Clostridium 2,8 Bacillus 3,4 Cryptosporisium >3 Uit de metingen blijkt dat er nog wel problemen kunnen optreden bij deze dosis, omdat de benodigde loginactivatie voor MS-2 niet gehaald wordt. Er blijkt echter dat bepaalde MS- 2 log-inactivatie wel voldoende is omdat het MS-2 virus minder voorkomt in het water, dan de waarden waarop tabel 2.4 gebaseerd is. Het geavanceerde oxidatie proces is gericht op het verlagen van de concentraties van de in het IJsselmeer voorkomende bestrijdingsmiddelen. Een overzicht van de voorkomende (maximale) concentraties van bestrijdingsmiddelen is gegeven in tabel 2.9. tabel 2.9 maximale concentraties bestrijdingsmiddelen IJsselmeer Bestrijdingsmiddel Conc. (µg/l) Bestrijdingsmiddel Conc. (µg/l) Aldicarb-sulfoxide 0.06 Isoproturon 0.1 Atrazin 0.19 Lindaan 0.02 Bentazon 0.11 MCPA * Bromacil * MCPB * 2-chlooraniline 0.1 Mecoprop (MCPP) * Chloorbromuron 0.02 Methabenzthiazuron 0.1 Chloortoluron 0.06 Metobromuron ,4-D * Metoxuron ,4-DB * Monolinuron ,4-dichlooraniline 0.08 Monuron 0.14 Dichloorprop * Simazin ,4-dinitrofenol ,4,5-T * Diuron 0.07 TCA 1.3 DNOC 0.1 Tetrachloorvinfos 0.03 Glyfosaat 0.1 Chloorprofam 0.03 Beta-HCH 0.05 AMPA 1.5 * onder de detectiegrens -10-

21 Licht op water: ontwerp voor een UV/H 2 O 2 installatie 2 Situatie- en probleemschets Zoals al blijkt uit de tabel komen er zeer veel verschillende soorten bestrijdingsmiddelen voor waardoor het moeilijk is om een techniek te vinden die ze alle kan verwijderen of afbreken. In het Waterleidingbesluit van 1 juli 1984 is vastgelegd dat de concentratie in drinkwater van een bepaald bestrijdingsmiddel niet hoger mag liggen dan 0,1 µg/l. Ook mag de totale concentratie aan bestrijdingsmiddelen de 0,5 µg/l niet overschrijden. Omdat in het Nederlandse oppervlaktewater (waaronder dus het IJsselmeer) regelmatig hogere waarden dan deze gemeten worden, moet de drinkwaterindustrie een oplossing vinden voor dit (relatief nieuwe) probleem. Membraanfiltratie en aktiefkool dienen zich aan als de meest gebruikte oplossingen. Verwijdering met behulp van geavanceerde oxidatie is echter ook mogelijk. Dit proces kan plaatsvinden door waterstofperoxide te doseren bij ozonatie of UV-desinfectie. Uit het onderzoek door Kruithof en Kamp blijkt dat de optie met ozon minder geschikt is vanwege de gevormde bijproducten. Deze bijproductvorming treedt nauwelijks op wanneer de combinatie UV/waterstofperoxide gebruikt wordt. Uit de testen bleek dat zowel de werking van de ultraviolette straling als de geavanceerde oxidatie een rol speelde bij de afbraak van de bestrijdingsmiddelen. Bij het gebruik van slechts een hele hoge dosis ultraviolet licht (2000 mj/cm 2 ) werd de volgende degradatie bereikt voor een aantal bestrijdingsmiddelen: tabel 2.10 degradatie bestrijdingsmiddelen door ultraviolette straling Bestrijdingsmiddel Degradatie (%) Bestrijdingsmiddel Degradatie (%) Atrazine 70 Dicamba 63 Pyrazone 52 2,4-D 58 Diurone 65 TCA 18 Bentazone 50 Trichlorpyr 52 Bromacil 42 Desethyldesispropylatrazine 30 Methabenzthiaxuon 50 Om aan het Drinkwaterbesluit te voldoen is gesteld dat de concentratie van de bestrijdingsmiddelen met 80% gereduceerd moet worden. Met een dosering van waterstofperoxide van 10 g/m 3 bij een dosis van 1000 mj/cm 2 werd dit voor de meeste bestrijdingsmiddelen gerealiseerd. Hierbij was het afhankelijk van het bestrijdingsmiddel of de ultraviolette straling of de geavanceerde oxidatie het leeuwendeel van de degradatie bewerkstelligd had. Na latere testen werd geconcludeerd dat de bestrijdingsmiddelen waar geen 80 % degradatie werd behaald geen verder probleem zouden vormen. [Kamp & Kruithof, 2000]: In de rest van het rapport is, in overeenstemming met de beschreven onderzoeken, een dosiseis van 100 mj/cm 2 aangehouden voor desinfectie, terwijl uitgegaan wordt van een dosiseis van 1000 mj/cm 2 in het geval van geavanceerde oxidatie. -11-

22 2 Situatie- en probleemschets -12-

23 Licht op water: ontwerp voor een UV/H 2 O 2 installatie 3 Principes ultraviolette straling 3 Principes ultraviolette straling 3.1 Ultraviolet licht Ultraviolette stralen zijn volgens het Van Dale Woordenboek der Nederlandse Taal stralen met een nog kleinere golflengte dan de violette, voor ons oog onzichtbaar, maar door hun chemische en natuurkundige werking merkbaar. Het spectrum van deze ultraviolette straling (of licht) bevindt zich tussen het zichtbaar licht en röntgenstralen in en is onderverdeeld in vier zones: UV-A, UV-B, UV-C en vacuüm-uv. De spectra (de golflengten) van de zones zijn aangegeven in de onderstaande tabel: tabel 3.1 ultraviolet licht Zone Golflengte (nm) UV-A UV-B UV-C Vacuüm-UV Een overzicht van rol van ultraviolette straling binnen het totale (bekende) elektromagnetisch spectrum is gegeven in figuur 3.1. figuur 3.1 spectra UV-zones binnen totale (bekende) spectrum Het onderscheid tussen de zones is gemaakt vanwege de verschillende invloeden die de vier spectra hebben. UV-A en UV-B zijn vooral bekend vanwege hun invloed op de huid (verbranding en bruining) en worden veelal toegepast in UV-lampen voor zonnebanken. De zone waar UV desinfectie zich het meest op richt is de UV-C (tussen 200 en 280 nanometer). Vacuüm-UV tenslotte ontleent zijn naam aan het feit dat deze straling zo sterk geabsorbeerd wordt door lucht of water dat transmissie alleen mogelijk is in een vacuüm toestand. [Bolton 2000 B ; Koller 1965; Verkerk e.a. 1986] -13-

24 3 Principes ultraviolette straling 3.2 UV-desinfectie Ultraviolette straling bestaat net als ander licht uit fotonen. Dit zijn een soort deeltjes met een bepaalde energie-inhoud volgens: U p = HC λ (3.1) met: U p energie (J) H constante van Planck: 6, x J s C lichtsnelheid: 2, x 10 8 m s -1 λ golflengte (m) Uit deze formule volgt dat hoe kleiner de golflengte is, hoe meer energie één foton bevat. Bij botsing tussen een foton en een molecuul (of atoom), kan er een energie-overdracht plaatsvinden, waardoor het molecuul geactiveerd raakt; het molecuul bevat dan tijdelijk meer energie (U 0 U act ). figuur 3.2 activering molecuul Deze activering is slechts mogelijk wanneer de energie van het foton (U p ) gelijk is aan de energie van de geactiveerde staat van de molecuul min de normale staat (U p = U act U 0 ). Bij een bepaalde U act hoort dus één specifieke (licht)golflengte die de activering kan veroorzaken. De geactiveerde toestand van het molecuul kan vervolgens zorg dragen voor een mutatie van het molecuul of voor het ontstaan van warmte. Ook kan de geactiveerde toestand weer terugvallen naar de normale toestand waardoor eenzelfde foton als de oorspronkelijke foton ontstaat. Hoe complexer de receptor (in dit geval een molecuul) is, hoe meer geactiveerde staten er mogelijk zijn. Deze kunnen zowel uitgaan van de normale staat U 0 als van een geactiveerde staat. Een schema kan uit zien als figuur 3.3. figuur 3.3 meerdere geactiveerde staten -14-

25 Licht op water: ontwerp voor een UV/H 2 O 2 installatie 3 Principes ultraviolette straling Naar aanleiding van een dergelijk schema ontstaat een golflengtepatroon waarvoor de receptor ontvankelijk is. Dit golflengtepatroon wordt dus gevarieerder naar mate de receptor complexer is. UV-desinfectie is gericht op de mutatie van DNA, dat in alle organismen (en dus ook in pathogenen) voorkomt. Het golflengtepatroon dat geldt voor de absorptie van DNA is aangegeven in onderstaande figuur. De verticale as is een relatieve maat. figuur 3.4 golflengtepatroon absorptie door DNA [Harm 1980] De relatieve absorptie van het DNA is niet gelijk voor elke golflengte. Dit omdat enerzijds de kans dat een bepaalde activering optreedt niet gelijk is en anderzijds omdat een activering niet hoeft te leiden tot absorptie. Wanneer een activering resulteert in een mutatie van het DNA, kan dit bij een pathogeen leiden tot: Zware beschadiging van de pathogeen, resulterend in afbraak Beschadiging van de pathogeen, waardoor reproductie niet meer mogelijk is (inactivatie) Lichte beschadiging van de pathogeen, welke opgevangen kan worden door het reparatiemechanisme van de pathogeen UV-desinfectie is effectief wanneer er sprake is van afbraak of inactivatie. Figuur 3.4 vertoont twee pieken: de ene ligt nabij het Vacuüm-UV gebied (onder de 200 nm), de andere bevindt zich bij een golflengte van ongeveer 260 nm. UV-desinfectie wordt (over het algemeen) gericht op deze tweede piek. Een nadeel van de eerste piek is namelijk dat een groot gedeelte van de straling reeds geabsorbeerd wordt door water of lucht, voordat het de pathogeen kan bereiken. Het absorptiepatroon van een specifiek organisme (bijvoorbeeld een bacterie) wijkt af van dat van DNA omdat het organisme ook bestaat uit organische stoffen (als proteïnen en enzymen), waar de ultraviolette straling ook invloed op heeft. Bij grotere organismen als protozoa kan het gebeuren dat het DNA niet bereikt wordt door de fotonen, waardoor het afbreken van de organische stoffen een belangrijke rol gaat spelen in de inactivatie van het organisme. Naarmate de intensiteit van de ultraviolette straling hoger wordt is de kans groter dat het DNA daadwerkelijk bereikt wordt. [Bolton 2000 B ; Sommer 1989; Harm 1980, Philips 1983] -15-

26 3 Principes ultraviolette straling 3.3 UV in combinatie met waterstofperoxide dosering Naast het DNA is de ultraviolette straling ook in staat andere bindingen bij moleculen te breken. Per type binding is er een verschillend actief golflengtepatroon, analoog aan de in de vorige paragraaf besproken theorie. Een overzicht van de effectieve spectra bij diverse bindingen is aangegeven in de onderstaande figuur. figuur 3.5 breking van moleculaire bindingen door ultraviolette straling [Tevini 1993] Afhankelijk van de voorkomende bindingen kan ultraviolette straling leiden tot een effectieve afbraak bij verontreinigingen (als bestrijdingsmiddelen), mits de intensiteit van de straling groot genoeg is en er uitgezonden wordt bij het juiste spectrum. Verontreinigingen kunnen ook verwijderd worden met behulp van oxidatie. Bij oxidatie worden de stoffen afgebroken, tot zij, in theorie, slechts uit water, koolstofdioxide en minerale zuren bestaan. Oxidatie is over het algemeen een langzaam verlopend proces, waardoor gestreefd wordt naar versnelling om toch binnen een bepaalde tijd tot een adequate verwijdering van verontreinigingen te komen. Zoals uit figuur 3.5 blijkt, is water bij een golflengte van ongeveer 180 nanometer afbreekbaar. Deze reactie is (onder andere) debet aan de grote extinctie in het Vacuüm-UV gebied, waar water een groot deel van de straling absorbeert: O H 2 hv H + HO -16-

27 Licht op water: ontwerp voor een UV/H 2 O 2 installatie 3 Principes ultraviolette straling De hierbij ontstane hydroxyl (OH ) radicalen kunnen het oxidatieproces versnellen; er is dan sprake van geavanceerde oxidatie. Wanneer er echter alleen gebruik gemaakt wordt van ultraviolette straling resulteert dit in een lage oxidatiesnelheid, omdat de concentratie radicalen dan niet groot genoeg is. Deze is op te voeren door ozon of waterstofperoxide toe te voegen aan het bestraalde water. Alhoewel uit verscheidene onderzoeken is gebleken dat beide waarschijnlijk op dezelfde manier functioneren (vorming van waterstofperoxide) is in onderzoeken relatief minder aandacht besteed aan de combinatie ultraviolette straling en waterstofperoxide dosering. De waterstofperoxide wordt door toedoen van de straling afgebroken tot hydroxyl radicalen: H O hv HO De gevormde hydroxyl radicalen kunnen vervolgens reacties aangaan met de (organische) verontreinigingen, totdat deze volledig geoxideerd zijn. De afbraak van waterstofperoxide is overigens niet beperkt tot het golflengtegebied rond 180 nm. Vorming van hydroxyl radicalen vindt ook plaats bij andere golflengten als 253,7 nm; wel is hiervoor een grote concentratie aan waterstofperoxide noodzakelijk. Bij het afbreken van organische verontreinigingen complementeren de ultraviolette straling en de geavanceerde oxidatie elkaar: de ultraviolette straling zorgt enerzijds voor de vorming van de hydroxyl radicalen en anderzijds voor het muteren van bindingen in de verontreinigde stoffen, waardoor de betreffende stof toegankelijker wordt voor de hydroxyl radicalen. Omgekeerd kan de geavanceerde oxidatie een betere desinfectie mogelijk maken, doordat de DNA bindingen beter bereikbaar worden. [Beltran 1997; Bolton 2000 B ; Tevini 1993; Crittenden 1999] 3.4 Bronnen van ultraviolette straling Ultraviolette straling wordt veroorzaakt door vele bronnen, waaronder de zon en diverse soorten lampen. De meest gangbare worden hier besproken, alsmede enkele relatief nieuwe technieken Low pressure Low pressure (of lage druk) lampen waren de eerste UV lampen die gebruikt werden voor UV-desinfectie. De lamp straalt in het UV-C gebied alleen uit bij een golflengte van 253,7 nanometer en is goed geschikt voor het verwijderen van pathogene organismen, omdat deze golflengte dicht bij de piek van 260 nanometer ligt (zie figuur 3.4). Dat de lamp op 253,7 nm uitzendt, ligt aan het gebruikte kwik dat resoneert op deze golflengte. Het rendement dat behaald wordt bij deze lampen ligt hoog en kan tot zestig procent bedragen. Een nadeel van de lampen is de geringe (lichts)intensiteit die ze veroorzaken. Wordt het vermogen verhoogd (zoals bij de nieuwere low pressure high intensity lampen), dan blijkt het rendement een stuk lager uit te vallen. Rendementen van maximaal 35 procent zijn normaal bij dit type lampen. -17-

28 3 Principes ultraviolette straling Er is veel ervaring met het gebruik van low pressure lampen: de lampen zijn in het verleden vaak gebruikt in de drink- en afvalwaterverwerking. In principe kan elke dosis ultraviolet licht gecreëerd worden door veel lampen te plaatsen. De lampen zijn relatief goedkoop en wanneer er lampen uitvallen kunnen deze makkelijk vervangen worden zonder dat dit veel invloed heeft op de dosis (wanneer er veel lampen toegepast worden). Nadelen zijn echter dat de grote hoeveelheid lampen meer ruimte en onderhoud vergt. Bovendien is de intensiteit van de lampen temperatuursgevoelig. Het rendement kan namelijk ongeveer 30 % afnemen bij temperaturen vlak boven de 0 C. [Philips, 1983; Bolton, 2000] Medium pressure Bij medium pressure lampen wordt evenals bij low pressure lampen kwik benut. Door meer druk toe te passen op het kwik (4 log eenheden) ontstaat een ander uitgiftepatroon. Waar bij de low pressure lampen er slechts één energieomzetting plaatsvond, vinden er meerdere plaats wanneer er meer druk toegepast wordt. In plaats van de ene piek bij 253,7 nm ontstaat nu meerdere pieken. In figuur 3.6 is een typisch patroon te zien dat uitgestraald wordt door een medium pressure lamp figuur 3.6 voorbeeld uitgiftespectrum medium pressure lamp [Philips, 1983] Omdat de medium pressure lampen op een groter spectrum uitzenden wordt de kans op inactivatie van het organisme groter. Naarmate de absorptie van een te verwijderen organisme sterker afwijkt van het golflengtepatroon van DNA (figuur 3.4) zullen de medium pressure lampen effectiever werken dan de low pressure lampen. Wanneer de uitgiftepatronen van beide typen lampen geïllustreerd worden naast het golflengtepatroon van de absorptie van DNA, ontstaat figuur

29 Licht op water: ontwerp voor een UV/H 2 O 2 installatie 3 Principes ultraviolette straling figuur 3.7 absorptie DNA in vergelijking met uitgiftepatroon lampen [von Sonntag, 1986, Bolton, 2001] Naast het verschil in uitgiftespectrum is het vermogen van de medium pressure lampen veel groter dan dat van de low pressure lampen. Dit gaat echter wel ten koste van het rendement; een aanzienlijk deel van de energie (minimaal 85 %) gaat verloren door de hogere druk. Het resterende percentage is verdeeld over het uitgiftespectrum in het UV-C gebied als in figuur 3.6. Hoewel aanvankelijk de aandacht voornamelijk uitging naar low pressure lampen binnen de drinkwaterindustrie worden medium pressure lampen inmiddels met goed gevolg toegepast. Voordelen van de medium pressure lampen zijn dat er minder lampen noodzakelijk zijn dan bij een low pressure systeem ten gevolge van een veel grotere intensiteit per lamp, waardoor minder ruimte nodig is voor de installatie en de lampen makkelijker schoon te houden zijn. Ook zal er een geringer drukverlies optreden over de hele installatie. Wanneer een lamp uitvalt, geeft dit echter meer effect op de bereikte dosis. De temperatuur is in tegenstelling tot bij low pressure lampen niet van invloed. [Philips, 1983; Malley; Bolton, 2001] Pulsed UV In vergelijking met de eerder besproken lamptypen stralen pulsed UV lampen niet alleen uit in het UV-gebied. Pulsed UV lampen worden opgeladen tot ze een bepaald energieniveau bereiken. Hierna wordt alle energie afgevoerd (naar de aarde); op deze manier ontstaat een pulse die ook (ultraviolette) straling afgeeft. De straling bevindt zich grofweg tussen de 200 en de 900 nm (ruimschoots in zichtbaar licht) en het uitgiftespectrum is minder grillig dan bij medium pressure lampen: de verschillen tussen diverse golflengten zijn minder groot. Figuur 3.8 toont een voorbeeld van een typisch uitgiftespectrum. (De verticale as is weer relatief.) De vloeiende lijn geeft de gemiddelden waar en de grillige de extremen. -19-

30 3 Principes ultraviolette straling figuur 3.8 voorbeeld uitgiftespectrum van pulsed UV [Philips, 1983] Een voordeel van dit meer gelijkmatig verdeelde uitgiftepatroon is dat op alle golflengten uitgezonden wordt, waardoor in principe alle organismen en stoffen afbreekbaar of inactiveerbaar zijn. Een nadeel echter is dat er geen straling uitgezonden wordt wanneer de energie zich aan het opbouwen is, alhoewel dit nadeel opgevangen kan worden door gebruik te maken van meerdere lampen. Met pulsed UV lampen is een hoge intensiteit te bereiken in het interessante UV-C gebied. Een groot gedeelte van het vermogen wordt echter uitgestraald bij andere golflengten en in de vorm van warmte, waardoor het rendement behoorlijk laag ligt. Dit lamptype wordt derhalve vooral gebruikt bij specifieke situaties, zoals bijvoorbeeld in de frisdrankindustrie. [Philips, 1983; Malley, Huffman e.a. 2000] Nieuwe ontwikkelingen Naast de meer conventionele technieken zijn er een aantal nieuwe technieken in ontwikkeling op het gebied van ultraviolette straling. UV laser is een veelbelovende techniek, waarbij een zeer grote intensiteit bereikt kan worden op één golflengte. Deze golflengte is te fixeren met behulp van kristallen. De laser kan zo op een optimale manier een organisme verwijderen door het op zijn meest kwetsbare golflengte (bijvoorbeeld op 260 nm) met een zeer grote intensiteit aan te vallen. Een nadeel van deze techniek is dat andere organismen misschien bij die golflengte niet of minder afgebroken worden. Door gebruik te maken van meerdere laserstralen is dit op te lossen. Een voordeel van de laser is dat er relatief weinig ruimte nodig is in vergelijking met de conventionele methoden. Naast de laser wordt er ook onderzoek verricht naar technieken waarbij een vloeistof onder een grote elektrische spanning gezet wordt, waardoor omzettingen kunnen ontstaan analoog aan de omzettingen bij UV-desinfectie. [Philips, 1983; Malley; Elliot 1995] -20-

31 Licht op water: ontwerp voor een UV/H 2 O 2 installatie 3 Principes ultraviolette straling 3.5 Conclusies over geschikte UV techniek Bij alle beschreven technieken kan in principe een installatie ontworpen worden die voldoet aan de eisen conform desinfectie en aanwezigheid van bestrijdingsmiddelen. Hoewel met behulp van pulsed UV en nieuwe technieken als de laser in theorie goede resultaten geboekt kunnen worden, is om het kader van dit onderzoek te beperken, gekozen voor low en medium pressure lampen. Deze keuze is gemaakt omdat low en medium pressure lampen al veel toegepast worden en, zeker in vergelijking met pulsed UV, een groter rendement kennen. De belangrijkste verschillen tussen de low en medium pressure lampen zijn het uitgiftepatroon en het vermogen. De uitgifte van low pressure lampen op 253,7 nm maakt dat deze lampen minder geschikt zijn voor geavanceerde oxidatie, tenzij grote concentraties waterstofperoxide gebruikt worden. Bovendien ligt het vermogen bij de medium pressure lampen een stuk groter, waardoor een installatie compacter ontworpen kan worden. Het hogere vermogen gaat wel ten koste van het rendement. Tabel 3.2 toont een overzicht van de kenmerken van de typen lampen. tabel 3.2 overzicht bruikbare UV technieken Low pressure LP: high intensity Medium pressure Pulsed UV Laser Spectrum (nm) 253,7 253, (UV-C) Regelbaar Vermogen (W) Rendement 60 % 35 % 15 % 5 % 100 % Ervaring Ruimteverbruik Geavanceerde oxidatie [Hargy; Malley] 3.6 Karakteristieken van een UV lamp Een low of medium pressure lamp is over het algemeen cilindervormig en heeft als kenmerkende dimensies de diameter en de lengte van de lamp. Een gangbare diameter bedraagt ongeveer 2 tot 4 cm, terwijl er meer variatie is in de lengten van de lampen: deze variëren van ongeveer 10 cm tot 1,5 m. Dit gedeelte van de lamp maakt contact met de te bestralen vloeistof of lucht. Een voorbeeld van een lamp met aansluitingen is aangeven in figuur 3.9. figuur 3.9 schematische voorstelling UV lamp [Philips lightning] Een lamp wordt gevoed met een vermogen E T. Dit vermogen kan niet in zijn geheel effectief benut worden. Naast verliezen door warmteontwikkeling wordt licht uitgezonden op andere frequenties dan die van het benodigde UV-C gebied. -21-

32 3 Principes ultraviolette straling Het deel van het vermogen dat aan de desinfecterende werking kan bijdragen is derhalve een gedeelte van de totale hoeveelheid vermogen volgens: E E UV C = α UV C T (3.2) met: E UV-C α UV-C E T effectief vermogen in UV-C gebied (W) percentage (rendement) totaal vermogen (W) Zoals eerder besproken ligt dit percentage een stuk hoger bij low pressure lampen dan bij medium pressure lampen. Bij low pressure lampen geldt dat het gehele rendement uitgezonden wordt bij 253,7 nm. Afhankelijk van de toepassing van een medium pressure lamp kan uitgegaan worden van het effectief vermogen uit formule 3.2 of van een aangepast effectief vermogen. Bij desinfectie wordt het vermogen meestal omgerekend naar een effectief vermogen op 253,7 nm. Naar aanleiding van de relatieve DNA-absorptie (zie figuur 3.4), worden de uitgiften gewogen opgeteld. Wanneer het UV-C spectrum in 20 stukjes van 5 nm wordt onderverdeeld geeft dit: i 20 E253,7 = = E i gi ( λ) (3.3) i= 1 met: E 253,7 effectief vermogen vertaald naar 253,7 nm (W) i golflengtegebied E i gemiddeld vermogen in golflengtegebied i (W) gemiddelde relatieve absorptie in golflengtegebied i g i De term g i is in dit geval gelijk gesteld aan 1 bij een golflengte van 253,7 nm. Bij de golflengten nm bedraagt g i bijvoorbeeld 1,52 en bij de golflengten ,46. Deze waarden zijn analoog aan de vorm van de grafiek in figuur 3.4. Naast het beperkte rendement van een lamp geldt een beperkte levensduur: na 5000 tot 9000 branduren is de lamp afgeschreven. Het effectief vermogen aan het einde van de levensduur van de lamp is een stuk lager dan het oorspronkelijke; het rendement is gedaald met 15 tot 20 procent. Het verouderingsproces van de lamp voltrekt zich aanvankelijk sneller dan tijdens latere branduren. (zie figuur 3.10) Overigens blijkt uit onderzoek van Moreland in 1998 en Noesen in 2000 dat de rendementsafname hoger kan liggen. figuur 3.10 afname rendement low(links) en medium pressure(rechts) lampen [Philips lightning] -22-