Rendimiento de desinfección mejorado para LED de 280 nm sobre 254 nm bajo

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 7576 (2023) Citar este artículo

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La desinfección ultravioleta (UV) se ha incorporado desde hace varias décadas tanto en los procesos de tratamiento de agua potable como de aguas residuales; sin embargo, tiene consecuencias ambientales negativas, como altas demandas de energía y el uso de mercurio. Comprender cómo ampliar y construir tecnologías sensibles al clima es clave para cumplir con la intersección de los Objetivos de Desarrollo Sostenible 6 y 13 de las Naciones Unidas. Una tecnología que aborda los inconvenientes de los sistemas convencionales de desinfección UV de aguas residuales, al tiempo que proporciona una solución sensible al clima, son los diodos emisores de luz UV ( LED). El objetivo de este estudio fue comparar el rendimiento de los LED UV de 280 nm a escala de banco con el de las lámparas de baja presión (LP) a escala de banco y muestras de aguas residuales tratadas con UV a gran escala. Los resultados del estudio demostraron que el sistema LED UV proporciona un tratamiento sólido que superó a los sistemas LP a escala de laboratorio. Se completó una comparación de los consumos de energía relativos del sistema LED UV a 20 mJ cm-2 y del sistema LP a 30 y 40 mJ cm-2. Según las proyecciones actuales de eficiencias de enchufe de pared (WPE) de LED UV, se espera que el consumo de energía de los reactores LED sea igual o menor en comparación con los sistemas LP para 2025. Este estudio determinó que, con una WPE del 20%, el sistema LED UV equivalente daría lugar a una reducción del 24,6% y del 43,4% en el consumo de energía para los escenarios de 30 y 40 mJ cm-2, respectivamente.

La desinfección ultravioleta (UV) se ha incorporado en los procesos de tratamiento de agua potable y de aguas residuales desde hace varias décadas. La desinfección UV convencional se realiza mediante lámparas halógenas de mercurio que emiten luz germicida a 254 nm. Si bien es eficaz en la inactivación de una amplia gama de patógenos en una variedad de matrices de agua, la desinfección UV a base de mercurio plantea una preocupación ambiental ya que el mercurio utilizado para la generación de luz en las lámparas es tóxico, las lámparas funcionan con la máxima eficiencia energética entre 30 y 35 % lo que crea una alta demanda de energía1, y las altas temperaturas de funcionamiento de las lámparas causan problemas de suciedad orgánica e inorgánica en las fundas protectoras de cuarzo de las lámparas, lo que disminuye la eficacia de la desinfección UV2.

El Objetivo de Desarrollo Sostenible (ODS) 6 de las Naciones Unidas se centra en el saneamiento y la limpieza del agua3. Jarvis ha señalado que el control sostenible de los microorganismos es clave para lograr este objetivo4. Es necesario estudiar tecnologías novedosas que sean lo suficientemente sólidas para abordar las numerosas cuestiones relacionadas con el logro de los ODS5. Comprender cómo ampliar y construir tecnologías sensibles al clima es clave para cumplir de manera oportuna la intersección del ODS 6 y el ODS 13, Acción por el clima. Los diodos emisores de luz (LED) UV abordan los inconvenientes mencionados anteriormente de la desinfección UV convencional de aguas residuales, al tiempo que proporcionan una solución que responde al clima6,7,8,9.

Los LED UV funcionan de manera similar a las lámparas halógenas de mercurio convencionales, pero tienen un factor de forma similar al de un LED de luz visible típico y no utilizan mercurio para la generación de fotones UV. Los LED UV han madurado como tecnología a lo largo de la última década hasta el punto en que su uso a gran escala es inminente y los sistemas comerciales en el punto de uso están fácilmente disponibles8,10,11. Una de las oportunidades que ofrece la tecnología LED UV es una mayor eficiencia germicida gracias a la emisión de diferentes longitudes de onda de luz UVC. Los cambios sutiles en la longitud de onda UV pueden mejorar sustancialmente el rendimiento de la desinfección12,13,14. Este cambio relativo en la eficacia germicida es único para cada microorganismo y se conoce como espectro de acción y está relacionado con la abundancia relativa de los pares de bases de nucleótidos en el ADN del organismo15. El aumento de la eficiencia germicida al cambiar la longitud de onda puede disminuir la fluencia requerida para lograr una reducción logarítmica similar para ayudar a compensar la menor eficiencia energética que experimentan actualmente los LED UV en el rango UVC.

Los LED UV son modulares y pueden ampliarse según la aplicación, lo que significa que se han utilizado en aplicaciones que van desde la desinfección remota en puntos de uso hasta sistemas a escala piloto9,16. El ajuste de la luz emitida mediante el uso de una serie de chips LED UV amplía el espacio de diseño y la gama de aplicaciones para la desinfección UV6. Se han considerado reactores LED UV con una variedad de LED personalizados que se adaptan a una matriz de aguas residuales afluente específica y a propiedades de absorbancia UV17,18. Si bien los LED UV ofrecen muchos beneficios, en su estado actual existen algunas características que pueden dificultar su implementación a mayor escala. Esto incluye una vida útil más corta de las lámparas, aunque los LED UVC de alta calidad ya pueden alcanzar una vida útil de 10 000 h, similar a las lámparas de mercurio de baja presión9,19. Además, los LED UV tienen un mayor costo de capital por vatio de salida óptica en comparación con las lámparas de mercurio de baja presión ($100–400/W en comparación con $2/W); sin embargo, esta diferencia se ha reducido sustancialmente durante la última década y se espera que la tendencia continúe a medida que los LED UV maduren como tecnología19. Hasta la fecha, no se ha implementado a gran escala un reactor LED UV en una instalación de tratamiento de aguas residuales.

Elegir la herramienta adecuada para evaluar el rendimiento de las tecnologías UV también es clave para ampliar las tecnologías emergentes. Existen varias técnicas de evaluación (por ejemplo, pruebas de haz colimado, microesferas fluorescentes, modelado CFD y biodosimetría), pero a menudo están limitadas en cuanto a capacidad de evaluación a largo plazo, resultados representativos a gran escala o ambas. Las auditorías UV se han identificado como un enfoque que identifica el desempeño a gran escala de las instalaciones de tratamiento de aguas residuales (WWTF) y al mismo tiempo compara ese desempeño con fuentes de luz independientes20.

Otra consideración para los LED UV son las interacciones dependientes de la longitud de onda con los rayos UV que absorben y bloquean los contaminantes en una matriz de aguas residuales. La naturaleza compleja de las matrices de aguas residuales a menudo limita la desinfección UV. Normalmente, las matrices de aguas residuales tienen una transmitancia de UV (UVT%) más baja a medida que la longitud de onda de UV disminuye, lo que limita la penetración de la luz UV en longitudes de onda de desinfección UV típicas de 254 nm. Como tal, existe la posibilidad de utilizar longitudes de onda UVC más largas con mejores capacidades de penetración y eficiencias germicidas similares para mejorar el rendimiento de la desinfección en una instalación de tratamiento de aguas residuales; sin embargo, la exploración de la eficacia del tratamiento utilizando longitudes de onda alternativas de LED UV en aguas residuales ha quedado en gran medida inexplorada.

El objetivo de este estudio fue comparar LED UV de 280 nm a escala de banco con lámparas de baja presión (LP) a escala de banco y muestras de aguas residuales tratadas con UV LP a gran escala a través de una lente SDG. El uso de la auditoría UV proporciona una herramienta para comparar la eficacia potencial de un sistema LED UV a gran escala que funciona con una fluencia equivalente a los actuales sistemas a gran escala basados en LP. Este trabajo examinó fluencias que oscilaban entre 10 y 40 mJ cm-2 para dos unidades de haz colimado (UV LED y LP) mientras se recolectaban simultáneamente muestras tratadas con UV de un sistema a gran escala. Además, como la eficiencia de los enchufes de pared LED UV está mejorando rápidamente y existe una brecha de conocimiento sobre el estado del arte de los LED UV, se calculó el ahorro de energía actual y proyectado del uso de LED UV en comparación con los sistemas UV convencionales y las implicaciones para las reducciones de carbono de Se examinó una perspectiva canadiense.

La instalación de tratamiento de aguas residuales monitoreada (44° 48′ 52.4016ʺ N, 63° 43′ 55.308ʺ W) utiliza un sistema de lodos activados secundario seguido de un sistema de desinfección UV de canal cerrado con un flujo máximo de diseño de 1363 m3 día-1 y un diseño fluencia de 30 mJ cm-2. La instalación proporciona aguas residuales para una población de servicio de aproximadamente 930 personas. Las aguas residuales se recolectaron semanalmente de la instalación de tratamiento de aguas residuales durante las primeras cuatro semanas del estudio y se recolectaron dos veces por semana durante las ocho semanas restantes del estudio. También se recolectaron muestras de plantas tratadas con UV junto con las muestras no tratadas para comparar el rendimiento de la instalación a gran escala con la desinfección a escala de banco utilizando unidades de haz colimado LP y LED UV. Las muestras de aguas residuales se transportaron al laboratorio en hielo y se analizaron el día de la recolección.

Se utilizó una unidad de viga colimada Calgon Carbon para todos los trabajos a escala de banco LP. La lámpara LP se encendió durante 30 minutos para permitir que se calentara y garantizar que el sistema estuviera funcionando a plena potencia antes de medir la irradiancia. Para todos los trabajos LED a escala de mesa se utilizó una unidad de haz colimado LED UV AquiSense Pearlbeam con un LED UV nominal de 280 nm que emite una longitud de onda máxima de 279 nm. Toda la irradiancia UV se midió utilizando un espectrorradiómetro OceanOptics USB2000 y los factores de corrección apropiados descritos por Bolton y Linden se aplicaron a la irradiancia medida antes de calcular el tiempo de exposición para las fluencias objetivo21. Se utilizaron fluencias de 10, 20, 30 y 40 mJ cm-2 para las muestras de LED LP y UV. Todas las muestras a escala de laboratorio y las muestras a gran escala antes y después de la radiación UV se enumeraron para detectar E. coli siguiendo los protocolos de enumeración que se indican a continuación.

Se recolectaron sólidos suspendidos totales (SST) y hierro total para evaluar el impacto de la calidad del agua en el desempeño de la desinfección. El TSS se realizó según los métodos estándar para el examen de agua y aguas residuales22. El hierro total se midió siguiendo el método FerroVer de la USEPA (Método 8008) en un espectrómetro DR5000. El % de UVT se recogió a 254 y 279 nm utilizando una cubeta de cuarzo de 1 cm en un espectrómetro DR5000. El caudal y la intensidad de los rayos UV se obtuvieron del panel de control del sistema UV a gran escala en el momento del muestreo.

Se agregaron 52 ml de agua residual sin tratar a una placa de Petri estéril y se mezclaron suavemente usando una barra agitadora. Luego, las muestras de aguas residuales se expusieron a luz ultravioleta para cada una de las fluencias y fuentes de luz ultravioleta requeridas mientras se operaba bajo luz roja tenue para minimizar el efecto de la fotorreparación. Luego, las muestras se transfirieron inmediatamente a una botella Colilert estéril y se diluyeron con solución tampón fosfato. Luego se añadió un paquete de Colilert a cada botella y se mezcló antes de transferir la solución a Quantitrays y luego se incubó durante 24 h a 37 °C. Luego se contaron y cuantificaron las muestras para detectar E. coli. Los recuentos de pocillos se convirtieron a MPN-100 ml-1 utilizando el paquete quantitray en R.

El modelo de inactivación por calor no lineal de Geeraerd se adaptó para capturar la cinética con una fase log lineal y de hombro como en la ecuación. (1) 23.

Todas las estadísticas, modelos y figuras se desarrollaron usando R (V 4.0.3)24 usando funciones principales de R y los siguientes paquetes adicionales: nls, nlstools y ggplot. Además, se usó Affinity Designer (V 1.10.5) para todos los demás. ilustraciones y gráficos que fueron desarrollados para este estudio25.

La tasa de fluencia dentro de un reactor es función de varios factores relacionados con su diseño y operación, así como con la absorbancia del agua que se está tratando; Considerando que todas las características del reactor son constantes entre el sistema LED a escala completa y un sistema LED equivalente, la relación se puede condensar en la ecuación. (2), donde H'e es la tasa de fluencia media, q es la potencia UV en el sistema y α es el coeficiente de absorción del agua.

Luego se calcularon los consumos de energía relativos dividiendo la tasa de fluencia media por las eficiencias típicas actuales de los enchufes de pared (7,1% WPE).

La calidad de las aguas residuales afluentes durante el período de muestreo se muestra en la Tabla 1. UVT254 osciló entre 39,7 y 70,6 % (media = 61,8 %) y UVT279 osciló entre 44,7 y 75,7 % (media = 66,8 %) y el flujo osciló entre 164 y 1010 m3 día-1 (media = 490 m3 día-1). Estos datos indican que la calidad y el flujo del agua fueron variables durante el período de muestreo y fortalecen aún más los datos de desinfección porque se capturaron una variedad de condiciones de las aguas residuales. Se observó que el TSS era relativamente bajo para una instalación de aguas residuales con un valor medio de 5,5 mg L-1 y un valor máximo de 9,5 mg L-1. Otras instalaciones de la región han informado anteriormente concentraciones medias de SST entre 9,7 y 23,9 mg L-120. Se observó que las concentraciones medias de hierro total fueron de 0,21 mg L-1 con un valor máximo de 0,36 mg L-1. que están por debajo o cerca del valor (0,3 mg L-1) que se espera que afecte el rendimiento de la desinfección26. Según trabajos anteriores, las concentraciones de TSS y hierro medidas en este estudio sugieren que la matriz debería responder bien al tratamiento UV.

También se recopilaron datos de plantas a gran escala como parte del muestreo típico durante el período de estudio. Los operadores recolectaron flujo, TSS afluente y efluente, pH afluente y efluente y concentraciones de E. coli efluente aproximadamente cada 2 semanas. La Tabla 2 resume los parámetros relevantes para este estudio. La comparación de los datos a gran escala con los datos a escala de banco indica que el rango de flujos y la calidad de las aguas residuales capturados durante el período de muestreo capturó el rango de flujos típicos para la instalación a gran escala. Los flujos promedio en la planta durante la duración del estudio fueron 471 m3 día-1 (promedio de eventos de muestreo = 490 m3 día-1). El SST promedio en la instalación fue de 6,8 mg L-1, que fue ligeramente superior a los 5,5 mg L-1 observados en el laboratorio.

La Figura 1 muestra el rendimiento de la desinfección de la instalación de tratamiento de aguas residuales (WWTF) para fuentes de luz de haz colimado LED y LP. El rendimiento de la planta se muestra mediante la barra gris y la línea discontinua para compararlo con los tratamientos a escala de banco indicados por los diagramas de cajas de diferentes colores. La fluencia de diseño para el reactor instalado en la WWTF fue de 30 mJ cm-2, y estos resultados muestran que los LED UV a 279 nm superan a los LP en esta fluencia. Además, la superposición de la región sombreada de rendimiento de la planta y el tratamiento a escala de banco LP a 30 y 40 mJ cm-2 en la Fig. 1 indican que el sistema estaba limitado por matriz al considerar la metodología de auditoría UV (es decir, el sistema está tratando aguas residuales de la más alta calidad)20. Esto no fue inesperado ya que los flujos diarios promedio experimentados por la instalación son solo el 36% de los flujos de diseño. La fuente de luz LED superó al haz colimado LP en cada una de las fluencias examinadas a escala de banco. Este resultado sugiere que las fuentes de luz LED UV son una mejor herramienta para la desinfección en algunas condiciones de calidad de las aguas residuales.

Valores de reducción logarítmica para aguas residuales tratadas con LED UV y LP. La línea discontinua y la región sombreada representan el rendimiento medio de la planta a gran escala y el intervalo de confianza del 95% durante la duración del muestreo (n = 12). La línea central del diagrama de caja representa el valor mediano, mientras que la bisagra superior e inferior representan el primer y tercer cuartil, respectivamente. Los bigotes representan 1,5*el rango intercuartil y los puntos de datos periféricos se representan como puntos.

Los resultados del haz colimado para la fuente de luz LP indicaron que solo logró una desinfección comparable al rendimiento LP a gran escala con una fluencia superior a 40 mJ cm-2. La fluencia de diseño de la WWTF es de 30 mJ cm-2, lo que sugiere que la instalación está funcionando por encima de la tasa de diseño. Esto no es sorprendente ya que el caudal promedio experimentado en la instalación fue de 490 m3 día-1 durante el transcurso del estudio en comparación con el flujo de diseño de 1363 m3 día-1. Estos datos muestran que el sistema LP desperdicia una cantidad significativa de energía debido a una excesiva fluencia UV aplicada. Un sistema LED a gran escala instalado en este WWTF podría adaptarse mejor a la calidad cambiante del agua en este lugar.

El modelado de cada una de las fuentes de luz de desinfección indicó además que había diferencias significativas en el comportamiento de la desinfección entre los tratamientos LP y LED. Se observó que la cinética de la fuente de luz LED cambiaba de la fase logarítmica lineal a la fase de hombro cerca de una fluencia de 20 mJ cm-2 (Figura 2). El modelado LP indicó que la fase de hombro comienza a 40 mJ cm-2 y alcanzaría el estado estacionario con una fluencia que estaba más allá del rango de fluencias examinadas en este estudio.

Comparación del modelo de Geeraerd entre LP de 254 nm y LED UV de 279 nm. Las barras de error representan un intervalo de confianza del 95 % en la media (n = 12), como lo indican los puntos negros (LP) y amarillos (LED).

La Tabla 3 muestra los datos cinéticos y el ajuste del modelo de Geeraerd para cada una de las fuentes de luz y los datos WWTF. Se observó que la eficacia del LED frente al LP era significativamente diferente. Se descubrió que el LED de 279 nm tenía un valor k que era el doble que el del sistema LP. En la práctica, esto significa que el LED UV de 279 nm requiere la mitad de fluencia para lograr la misma reducción logarítmica en E. coli. El aumento del valor k podría atribuirse a la diferencia en la eficacia germicida de las dos longitudes de onda examinadas o a otros mecanismos de inactivación relacionados con el daño a las proteínas; sin embargo, un estudio realizado por Beck et al.17 encontró que no había una mayor sinergia cuando se utilizaba un tratamiento de longitud de onda combinada con LED UV de 280 nm. Los autores sugieren que la falta de sinergia indica que el principal mecanismo de inactivación a 280 nm es mediante la absorción de ADN y la formación de dímero de pirimidina. Por tanto, la diferencia en la cinética encontrada en este estudio puede estar relacionada con una mayor eficacia germicida a 279 nm.

El Nres del LED UV de 279 nm, o el nivel superior de tratamiento, fue significativamente mayor en comparación con el sistema LP (3,61 log frente a 2,82 log). Como este límite superior de desinfección generalmente se debe a efectos de protección de partículas, esto sugiere que el LED UV de 279 nm tenía una mayor propensión a alcanzar comunidades bacterianas que pueden haberse adherido a las partículas en la matriz. Se ha observado que los efectos de protección de las partículas dependen de la longitud de onda, ya que la capacidad de absorbancia UV de las partículas aumenta a medida que disminuye la longitud de onda, lo que reduce las capacidades de inactivación en esas longitudes de onda más bajas27. Además, también se ha demostrado que la autoagregación de E. coli depende de la longitud de onda28,29.

Los intervalos de confianza para los valores Nres de cada fuente de luz a escala de banco y el rendimiento de WWTF se superpusieron y no hubo diferencias significativas entre los tratamientos a escala de banco y el rendimiento de la desinfección a gran escala. Este es el primer caso en el que el proceso de auditoría capturó una planta que estaba sufriendo una sobredosis sustancial de radiación UV. Este resultado indica que el proceso de auditoría UV mejora la eficiencia operativa incluso para una planta que opera con resultados de desinfección ideales.

El aumento en el nivel superior de tratamiento (+ 0,79 log) observado para la fuente LED UV sugiere que la interacción de las longitudes de onda y las partículas puede estar influyendo en el rendimiento. No obstante, la eficiencia germicida mejorada en un 33% en comparación con las fuentes de luz ultravioleta tradicionales comienza a abordar las discrepancias actuales en la eficiencia del enchufe de pared (WPE) entre las dos tecnologías. En 2020, la WPE más alta alcanzada para un LED UV de 280 nm disponible comercialmente fue del 4,1 % (lámparas LP del 30 al 35 %) y la eficiencia cuántica externa (EQE) fue del 6,1 %30. Actualmente, los LED UV en el rango de 280 nm ± 5 nm tienen un EQE que oscila entre el 9 y el 20,3 %7,31 y los mejores LED normalmente rondarían el 7,1 % de WPE. Esta marcada mejora en los últimos años, y las mejoras previstas para UV LED WPE indican que la discrepancia en la eficiencia energética disminuirá a medida que mejoren las fuentes de luz LED32,33. Se puede lograr una mayor eficiencia mediante el diseño creativo de los reactores LED UV, como las superficies internas altamente reflectantes y la forma general del reactor que permite la máxima interacción de la luz emitida y el patógeno objetivo. Estas eficiencias combinadas pueden mejorar la viabilidad de la implementación a gran escala de reactores LED UV.

Los LED UV lograron un rendimiento de desinfección similar al WWTF a gran escala con una fluencia de LED UV de 20 mJ cm-2, mientras que la fluencia de diseño a gran escala fue de 30 mJ cm-2 (Fig. 3). Se ha ilustrado anteriormente que la instalación de LP a gran escala estaba funcionando para entregar una fluencia de más de 40 mJ cm-2 de fluencia equivalente de reducción (REF), a pesar de una fluencia de diseño de 30 mJ cm-2, y por lo tanto está consumiendo energía adicional para tratar por encima del nivel requerido. También se demostró que se podría lograr un nivel equivalente de inactivación mediante un sistema LED que funcionara para entregar una REF de 20 mJ cm-2. Un análisis detallado de la comparación de costos de energía de un sistema LED equivalente instalado en el sitio de Springfield Lake está fuera del alcance de este documento, aunque se puede establecer una comparación de referencia. Por lo tanto, la fluencia que entregaría un sistema LED equivalente sería entre 1,5 y 2,0 veces menor que la de la instalación LP actual.

Concentración de E. coli versus fluencia para dos sistemas UV. Los círculos negros representan un tratamiento a escala de laboratorio a 254 nm utilizando un sistema de haz colimado LP. Los cuadrados amarillos representan un tratamiento a escala de laboratorio a 279 nm utilizando un sistema de haz colimado de LED UV. La línea de puntos roja representa la concentración de efluentes objetivo para cumplir con los requisitos reglamentarios de descarga. La línea negra y la región sombreada representan la media y el intervalo de confianza del 95% (n = 12) de la concentración del efluente de las muestras post-UV.

Los datos UVT recopilados durante el estudio mostraron que el coeficiente de absorción del agua era un 16 % menor a 279 nm que a 254 nm, lo que resultó en una fluencia un 19,3 % mayor por unidad de potencia UV. La combinación de estos factores da como resultado una demanda de energía UV del sistema LED equivalente del 42 al 56 % de la instalación LP. Un LED UV-C comercial de última generación alcanzaría aproximadamente un 7,5 % de eficiencia eléctrica y perdería aproximadamente un 5 % en conversión y distribución de energía, lo que daría un WPE aproximado de 7,1 %. Las lámparas UV de los sistemas LP suelen tener un 30% de WPE15. Aplicando estos factores de eficiencia eléctrica, el sistema LED equivalente consumiría entre un 59% y un 113% más de energía que la instalación LP en funcionamiento continuo.

Para que el sistema LED UV sea comparable en consumo de energía a los escenarios de 30 mJ cm-2, el WPE del sistema necesitaría alcanzar el 15,1%, y para el escenario de 40 mJ cm-2 el WPE solo necesitaría ser del 11,3%. . Según las proyecciones para los LED UV, se espera que la WPE de los LED UV entre 265 y 280 nm alcance aproximadamente el 20 % para 202534. Con una WPE del 20 %, el sistema LED UV equivalente daría lugar a una reducción del 24,6 % y del 43,4 % en consumo de energía para los escenarios de 30 y 40 mJ cm-2, respectivamente. El examen de estos escenarios indica que en el futuro, los reactores LED UV tendrán el potencial de igualar o incluso superar a los sistemas LP en términos de consumo de energía al aprovechar la diferencia en la eficiencia germicida de longitudes de onda alternativas, incluso aunque el WPE de las lámparas no haya alcanzado paridad.

El rendimiento mejorado al comparar el uso bruto de energía de las fuentes de luz LED y LP se ve reforzado aún más por los beneficios prácticos del uso diario a gran escala de las tecnologías LED. Por ejemplo, los LED UV se pueden atenuar, iluminar y apagar en momentos en que no se requiere desinfección. Por lo general, los sistemas LP solo se apagan durante el mantenimiento de rutina o las reparaciones del sistema, lo que significa que el uso de energía no se optimiza durante la vida útil de las lámparas UV. Se necesitan investigaciones y evaluaciones adicionales de estas mejoras inherentes para cuantificar mejor los beneficios de los LED UV sobre las tecnologías de desinfección tradicionales.

En 2020, había 1866 plantas de tratamiento de aguas residuales en Canadá. Aproximadamente el 25% de los WWTF, menos las lagunas, se pusieron en servicio entre 2010 y 202035. Los WWTF canadienses tienen en promedio 17,3 años y aproximadamente el 48,9% de su vida útil36. Estos datos indican que en los próximos 18 años serán necesarias grandes mejoras en las instalaciones de tratamiento de aguas residuales del país. Se prevé que las tecnologías LED UV seguirán madurando en este momento y las actualizaciones de los sistemas UV de las instalaciones de tratamiento de aguas residuales existentes contribuirían a un futuro más sostenible.

La documentación de informes del Reglamento de efluentes de sistemas de aguas residuales recopila datos de efluentes y sistemas de instalaciones de tratamiento de aguas residuales en todas las provincias canadienses con flujos diarios promedio superiores a 100 m3 y ubicadas debajo del paralelo 5437. Este conjunto de datos incluye información sobre 601 instalaciones de tratamiento de aguas residuales, de las cuales se estima que 421 utilizan desinfección UV como tratamiento final antes del vertido. La ubicación y el tamaño de estos sistemas según el flujo diario promedio se muestran en la Fig. 4. Ontario, seguido de Quebec y Alberta son los tres principales usuarios de sistemas de desinfección UV en Canadá.

Ubicación y tamaño de las instalaciones de tratamiento de aguas residuales en las 10 provincias de Canadá que utilizan UV para desinfección. El inserto representa el flujo diario total de WWTF que utilizan tratamiento UV por provincia en Canadá.

Utilizando el caudal como medida de qué tan grande debe ser un sistema UV para entregar una fluencia de 30 mJ cm-2, se completó una estimación del consumo de energía actual para los sistemas de tratamiento UV. Utilizando la instalación de tratamiento de Springfield Lake con un flujo de referencia de 1363 m3 día-1 y un uso de energía anual de 5781,6 kWh, se calcularon estimaciones del consumo de energía anual en todos los totales provinciales. Además, utilizando los perfiles energéticos provinciales proporcionados por el Gobierno de Canadá, se estimó el CO2(e) anual generado38. Estos valores se utilizaron luego para evaluar el escenario en el que todas las instalaciones cambiaran a sistemas LED UV con eficiencia de WPE al 20 %. Este análisis indica que se puede lograr una reducción anual de 946 toneladas de CO2(e) operando sistemas de desinfección con LED UV (Tabla 4).

El consumo de energía por sí solo no es una medida completa de la sostenibilidad de un sistema de tratamiento, y otros aspectos capturados en una Evaluación del Ciclo de Vida (LCA), como la generación, el uso, la vida útil y la eliminación del material, pueden contribuir a la huella de carbono general de una tecnología de tratamiento. . Un estudio reciente realizado por McKee y Chatzisymeon39 utilizó un ACV para examinar las diferencias de sostenibilidad entre un sistema de tratamiento fotocatalítico UV LED/TiO2 y un sistema de tratamiento fotocatalítico UV/TiO2 basado en mercurio para eliminar el bisfenol-A del agua contaminada a escala de laboratorio. Los autores encontraron que el tratamiento con LED UV redujo el impacto ambiental en un 40% y sugieren que la mayor parte de la reducción se debe al menor consumo de energía, la mayor vida útil y la naturaleza libre de mercurio de la unidad LED UV. Además, los autores señalan que la mayor parte del impacto ambiental está relacionado con el consumo de energía del tratamiento, lo que indica que reducir el consumo de energía tendrá el mayor impacto en la sostenibilidad. Si bien un ACV completo está más allá del alcance de este estudio actual, el El trabajo de McKee y Chatzisymeon sugiere que, a medida que se reduce la diferencia en la eficiencia energética entre los LED UV y los sistemas basados en mercurio, junto con la eficiencia del tratamiento obtenida mediante el uso de longitudes de onda LED UV específicas, la sostenibilidad general del tratamiento con LED UV seguirá mejorando en comparación con sistemas basados en mercurio.

Los resultados de este estudio indican que las tecnologías LED UV son capaces de ofrecer un rendimiento suficiente a gran escala y pueden superar a las tecnologías tradicionales en fluencias congruentes. Los cambios en la calidad del agua en el WWTF durante el transcurso del muestreo también indican que la desinfección con LED UV proporciona un tratamiento sólido. Además, las comparaciones de energía realizadas para este estudio indican que los sistemas LED UV tienen el potencial de proporcionar un rendimiento similar con un menor consumo de energía en un futuro muy cercano. Las mejoras en la eficacia de la desinfección con fluencias comparables tienen mayores implicaciones a medida que las tecnologías LED UV se incorporan a dispositivos a gran escala. A medida que se reemplaza la infraestructura para mantener la seguridad del agua potable y los procesos de tratamiento de aguas residuales, los LED UV brindan una herramienta escalable para responder a las presiones del cambio climático. Se recomienda trabajar en el futuro utilizando este enfoque para comparar el rendimiento de los LED con las tecnologías tradicionales. utilizando un reactor verdaderamente a gran escala que se instala en la red de una instalación de tratamiento de aguas residuales municipal. Los sistemas LED UV también deberían cuantificarse mejor para comprender los posibles ahorros de energía obtenidos con otras características únicas, como la atenuación y el brillo instantáneos de los LED.

Los conjuntos de datos generados y analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a solicitud razonable.

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Este estudio fue financiado gracias al apoyo de una subvención de la Alianza NSERC [ALLRP 568507 - 2021] y una subvención de investigación y desarrollo colaborativo de NSERC en asociación con Halifax Water [CRD 539387 - 19]. Kyle Rauch recibe apoyo a través de una beca NSERC PGS-D [PGSD3 - 547191 - 2020]. Los autores desean agradecer al personal y a los operadores de la planta de Halifax Water por su apoyo con los programas de muestreo.

Estos autores contribuyeron por igual: Sean A. MacIsaac y Kyle D. Rauch.

Centro de Estudios de Recursos Hídricos, Universidad Dalhousie Halifax, Halifax, NS, B3H 4R2, Canadá

Sean A. MacIsaac, Kyle D. Rauch, Taylor Prest, Graham A. Gagnon y Amina K. Stoddart

AquiSense Technologies, Erlanger, KY, 41018, EE. UU.

Richard Simons

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Correspondencia a Amina K. Stoddart.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Recibido: 05 de enero de 2023

Aceptado: 04 de mayo de 2023

Publicado: 10 de mayo de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-34633-7

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