Ultraviyole Filtre ile Suların Dezenfeksiyonu

Ultraviyole Filtre, Hızla artan dünya nüfusu ve çevre kirliliği, temiz su eldesini giderek güçleştirmektedir. Sunulan bildiride, ultraviyole ışınları kullanılarak suların dezenfekte edilmesi işlemi anlatılmaktadır.

Dezenfeksiyon, sularda bulunan ve hızla çoğalabilen; insan, hayvan ve hatta bitki sağlığı açısından sakıncalar teşkil eden virüsler dahil tüm patojen mikroorganizmaların (bakteriler, sporlar, parazitler) yok edilmesi veya üreme imkanlarının sona erdirilmesi olarak tanımlanabilir.

UV teknolojisi ile dezenfeksiyon, 254 nm dalga boylu UV-C ışınları kullanılarak sağlanır. Bu ışınlar mikroorganizmalar ile temas ettiklerinde, DNA’larına “foto oksidasyon” yoluyla hasar vermektedir.

DNA’sı tahrip olan canlının üreme dahil tüm hücre faaliyetleri durur ve hücre ölümü gerçekleşir.

UV dezenfeksiyonu için geliştirilmiş cihazlar, 254 nm dalga boylu UV ışınları üreten özel UV lambalarla donatılmıştır. Dezenfekte edilecek su bu cihaz içinden akarken yoğun şekilde UV ışınlarına maruz kalmakta, su içindeki mikroorganizmalar etkisiz hale gelmektedir. UV cihazlarının seçiminde, dezenfekte edilecek suyun fiziksel, kimyasal ve mikrobiyolojik özellikleri ile anlık su debisi en önemli parametrelerdir.

Doğru tasarlanmış ve kapasitesi uygun bir UV cihazı, montaj noktası da uygun belirlenmiş ise, istenmeyen yan etkiler oluşturmadan güvenli bir su dezenfeksiyonu sağlayabilmektedir. Cihazda kullanıcıyı zamanında uyaran ölçüm/kontrol donanımları bulunmalıdır. Verimin devamlılığı için gereken bakımlar yapılmalı, ömrünü tamamlayan UV lambalar zamanında yenilenmelidir.

Dezenfeksiyon Teknolojileri

Doğadaki su kaynakları içme ve kullanma suyu olarak yerleşim bölgelerindeki insanlara ulaştırılmadan önce özel şirketler veya kamu kuruluşlarınca işletilen “içme suyu arıtma” tesislerinde çeşitli arıtma işlemlerinden geçirilir. Şartlara bağlı olarak sanayi kuruluşları da ihtiyaç duydukları temiz suyu gerektiğinde çeşitli doğal kaynaklardan temin eder, kendi su arıtma tesislerinde istenen kaliteye getirip kullanırlar. Ne tür bir arıtma tesisi olursa olsun, kapsamında “dezenfeksiyon” işlemi mutlak yer alır.

Su Dezenfeksiyon Teknolojileri

Kimyasal Dezenfeksiyon Teknolojileri

• Klor
• Klordioksit
• Ozon

Fiziksel Dezenfeksiyon Teknolojileri

• Işıl işlem
• Filtrasyon
• UV Işınları

Diğer Dezenfeksiyon Teknolojileri

• Gümüş iyonları
• Biyosidler
• Diğer

UV-C ışınlarının dezenfektan etkisini su arıtımında kullanmaya yönelik çalışmalar 19. yy. sonlarına dayanır. İhtiyaç duyulan UV-C ışınlarını sentetik olarak üreten cıva buharlı UV lambalar 20. yy başlarında keşfedilmiş ve dünyanın ilk UV su dezenfeksiyon sistemi 1910 yılında Marsilya Fransa’daki arıtma tesisinde devreye alınmıştır.

Fakat birkaç yıllık işletmeden sonra uygulama durdurulmuş, yerine daha kolay ve ucuz olması nedeniyle klorlama uygulaması getirilmiştir. Gelişen teknoloji ile UV lambalar daha etkili ve ekonomik hale gelmiş, her kapasitede UV dezenfeksiyon cihazları üretilebilmiştir. 1950’li yıllardan itibaren UV ışınları ile su dezenfeksiyonu hızla yaygınlaşmış ve günümüzde standart ve güvenilir bir uygulama halini almıştır.

UV’nin Etki Mekanizması

Doğada UV ışınlarının kaynağı güneştir (Şekil-1). Güneşten atmosferimize ulaşan UV-A (315-…-400 nm) ve UV-B (280-…-315 nm) ışınları yeryüzüne kısmen ulaşabilir. Bu ışınlar aşırıya kaçılmadıkça insanlar açısından faydalıdır, örneğin vücudumuzun D vitamini sentezi yapmasını veya cildimizin bronzlaşmasını sağlar. Buna karşın dezenfektan etkisi olan güçlü UV-C (200-…-280 nm) ışınları ozon tabakası tarafından büyük oranda emilmekte ve yeryüzüne ulaşamamaktadır. Aksi halde bu ışınlar mikro yaşamı yok edecek, dünyada insan dahil hiçbir canlının gelişmesi mümkün olmayacaktı.

Şekil 1’deki “hücre ölüm eğrisinden” görüldüğü gibi, mikroorganizmaların DNA’sı üzerinde en fazla tahribata yol açan UV ışınları 240 ila 280 nm aralığındaki UV-C ışınlarıdır. Eğrinin pik noktasında yaklaşık 253- 256 nm dalga boylu ışınlar için etki en üst noktaya ulaşır.

Şekil-1 UV Işınları Dezenfektan Etkisi – Ultraviyole Filtre

UV Işınları Dezenfektan Etkisi – Ultraviyole Filtre

Bu etki kısaca şöyle açıklanabilir: Yaklaşık 254 nm dalga boylu yüksek enerjiye sahip UV-C ışınları mikroorganizmaların hücre zarından içeri süzülür ve DNA’yı oluşturan başta “Timin” adlı nükleik asitler tarafından absorbe edilir. Bu enerji transferi sonucu DNA zinciri birçok noktasından tahrip olur. DNA’sı bozulan canlının üreme dahil tüm hücre faaliyetleri durur ve hücre ölümü gerçekleşir. (Şekil-2)

Şekil 2. UV Işınlarının DNA’ya Etkisi

Şekil 2. UV Işınlarının DNA’ya Etkisi

UV Lambalar UV Işınlarını Nasıl Üretir?

Günümüzde su dezenfeksiyon cihazlarında kullanılan UV lambalar “cıva buharlı” tiptedir. Dayanıklı kuvarstan imal cam tüp şeklindeki UV lambanın içinde özel inert bir gaz ve katı formda cıva mevcuttur (gelişmiş UV lambalarda “amalgam” veya “indium-amalgam” alaşımları vardır). Lambanın her iki ucunda elektrodlar bulunur ve özel tasarım enerji kaynakları (elektronik balast) ile beslenir. Öncelikle inert gaz ısıtılır, civanın buharlaşması ve iyonlaşarak tüp içine dağılması sağlanır. Ardından elektrodlar elektron yaymaya başlar. İki elektrod arasındaki potansiyel farkı (volt) ile elektronlar tüp içinde bir elektrottan diğerine ve akış yönü sürekli değiştirilerek (AC frekans) yüksek hız ve yoğunlukta hareket etmeye başlar (elektron bombardımanı). Elektronlar cıva iyonları ile çarpışarak enerji seviyelerini yükseltir. Cıva iyonları aldıkları enerjiyi 254 nm dalga boylu UV-C ışınları yayarak deşarj ederler.

Şekil-3’de modern bir UV lambanın 254 nm UV ışınlarını nasıl ürettiği gösterilmektedir.

Şekil-3’de modern bir UV lambanın 254 nm UV ışınlarını nasıl ürettiği gösterilmektedir.

Başarılı bir UV lamba en az elektrik enerjisi harcayarak en fazla miktarda UV ışını üretmeli ve mümkün olan en uzun süre hizmet etmelidir. Ayrıca lambanın yaydığı ışın spektrumu “monokromatik” olmalı yani sadece 254 nm dalga boylu ışınlar üretmelidir (Şekil-4). Daha geniş spektrumda 200 nm ile 400 nm aralığında UV ışınları üreten “polikromatik” UV lambalar da mevcuttur. Ancak aşırı enerji tüketimleri ve 240 nm altı ışınların oluşturduğu yan etkiler nedeniyle bu tür UV lambaların içme suyu arıtımında kullanımı sınırlıdır.

Şekil 4. Monokromatik UV Lambaların Işın Spektrumu

Şekil 4. Monokromatik UV Lambaların Işın Spektrumu

UV DEZENFEKSİYON CİHAZLARI

UV ışınları ile su dezenfeksiyonu için, UV lambanın ürettiği UV ışınları ile arıtılacak suyun uygun şartlarda ve yeterli süreyle temas ettirilmesi gerekir. Üstün özellikleri olan bir UV lambadan optimum dezenfeksiyon verimi almak, ancak o lambaya uygun tasarlanmış bir UV sistemi ile mümkün olabilir.

Basit bir örnekle, çok güçlü bir motor ona uygun bir karoser ve güç aktarma organları ile birleştiğinde ortaya başarılı bir otomobil çıkabilir.

Şekil-5’te merkezi konumlandırılmış tek UV lambalı bir UV cihazı ve cihazı oluşturan ana parçalar görülmektedir. Şekil-6’da ise çok UV lambalı bir UV reaktörü verilmektedir. Büyük kapasiteli UV sistemleri ihtiyaca göre iki veya daha fazla lamba içerebilir. Dünyanın en büyük UV cihazında yaklaşık 8000 adet UV lamba hizmet etmektedir.

Şekil 5 Şekil 6 UV Cihazı Basit Enkesit

UV Cihazı Basit Enkesit

Bir UV cihazını oluşturan ana parçalar,

UV reaktörü

İçinde UV lamba(lar) yer alır. Suyla direkt temastan korumak için her UV lamba ayrı bir koruyucu kuvars tüp içindedir. UV reaktörü içinden akan su, lambalardan yayılan UV ışınlarına maruz kalmaktadır. Başarılı bir dezenfeksiyon için UV reaktörünün tasarımı ve lamba yerleşimi çok önemlidir.

Elektrik/Kontrol panosu

UV lambaları çalıştıran güç kaynaklarını (balast) ve cihazın fonksiyonlarının kontrolü/izlenmesi için gerekli elektrik/elektronik donanımları içerir. Ana enerji beslemesi bu panoya yapılır, UV lamba ve sensörlerin enerjileri panodaki özel kablolar üzerinden UV reaktörüne aktarılır.

UV sensörü

UV lambalardan yayılarak suya ulaşan UV ışın şiddetini ölçer. Ölçülen değer panodaki göstergeden eşzamanlı izlenebilir. Cihazın veriminin takibi açısından önemlidir.

Dezenfeksiyon Gücünün Ölçüsü: “Uv Dozu”

Mikroorganizmaların UV ışınları ile nasıl etkisiz hale getirildiğini ve bu teknolojinin ancak özel tasarım UV cihazları yardımıyla uygulanabileceğini açıkladık. Ancak pratik uygulama noktasında UV cihazlarının su debisine bağlı dezenfeksiyon gücünün sayısal bir değer olarak verilmesi gerekir. Bu sayısal değer “UV dozu” olarak adlandırılır ve ölçüsü “Joule/m²”dir. BİR UV CİHAZININ SUYA VERECEĞİ UV DOZU, İÇİNDEN AKAN SUYUN DEBİSİ ARTTIKÇA DÜŞER, AZALDIKÇA YÜKSELİR.

UV cihazının doğru seçimi için hedef alınan mikroorganizmanın hangi UV dozu ile etkisiz hale getirileceğinin bilinmesi gerekir. Aşağıda Tablo-2’de çeşitli mikroorganizmaların UV dozuna bağlı giderim oranları verilmektedir. Örneğin “Hepatit A” virüsüne karşı %99,99 oranında giderim sağlamak için seçilen UV cihazının kullanım noktasındaki su kalitesi ve pik debisine göre suya en az 300 J/m² UV dozu vermesi gerektiği tablodan görülebilir. Ek bilgi olarak, yapılan çalışmalar göstermiştir ki, 400 J/m² UV dozu ile hemen hemen tüm patojen mikroorganizmaları %99,99 oranında gidermek mümkündür. Bu nedenle UV cihazı seçiminde emniyetli tarafta kalmak için UV dozu en az 400 J/m² olarak tercih edilmelidir.

Tablo 2. Patojenlerin Giderimi İçin Gerekli UV Dozları

Tablo 2. Patojenlerin Giderimi İçin Gerekli UV Dozları

Bir UV cihazının sağlayabileceği UV dozu temelde aşağıdaki parametrelere bağlıdır:

Reaktördeki UV ışın yoğunluğu: UV reaktörü içinde “ortalama UV ışın yoğunluğu” yeterince yüksek seviyede olmalı ve mümkün olduğunca homojen bir şekilde dağılmalıdır. UV ışın yoğunluğu, birim yüzey alana düşen UV-C254nm enerjisidir ve W/m2 birimiyle ölçülür. Merkezi tek UV lambalı bir cihazın reaktör enkesiti düşünülürse (Şekil-7), UV lambaya yaklaştıkça UV ışın yoğunluğu artarken, uzaklaştıkça azalır. Lambadan en uzak nokta olan UV reaktörü cidarında UV ışın yoğunluğu en düşüktür.

Şekil 7. Tek UV Lambalı Cihazda Işın Dağılımı

UV ışın yoğunluğu UV reaktöründen akan suyun kalitesine de bağlıdır. Kıyasla daha kirli bir suda UV ışınları kısa mesafelerde enerjisini kaybedeceğinden ortalama UV ışın yoğunluğu temiz su şartlarına göre daha düşük olacaktır.

Temas süresi: UV reaktörü içinden akan suyun reaktör içinde yeterince kalması, böylece mikroorganizmaların UV ışınlarına “yeterli süreyle temas etmesi” gerekir. Bu nedenle reaktörde ihtiyaca uygun net hacim bulunmalıdır. Temas süresi “saniye” cinsinden belirtilir. Dezenfeksiyon için, UV ışın yoğunluğundan bağımsız, en az 1 saniye temas süresi gereklidir denilebilir.

UV dezenfeksiyon gücü için ana ölçü olan “UV dozu” yukarıda açıklanan iki parametre ile hesaplanır:

UV dozu [Joule/m²] = UV ışın yoğunluğu [Watt/m²] x Temas süresi [saniye]

UV dozu birimi J/m² = 0,1 mJ/cm² = 100 mikro Watt-s/cm² olarak birbirine dönüştürülebilen çeşitli şekillerde gösterilebilir.

Eğer yeterli UV dozu uygulanmazsa, UV cihazı çıkışından alınan su numunelerinde önce “öldüğü” görülen bazı mikroorganizmaların sonradan DNA’larını enzimler yoluyla onararak tekrar “canlandığı” gözlenmiştir. Bu olaya “fotoreaktivasyon” adı verilmiştir. Yapılan araştırmalar, 40.000mikro Watts/cm² (= 400 J/m²) UV dozunun fotoreaktivasyon ihtimalini ortadan kaldırdığını göstermiştir. Fotoreaktivasyon sorununa karşı için UV cihazlarının en az 400 J/m² UV dozu verebilecek şekilde seçilmesi gerekir.

Örneğin, içinde “ortalama” 100 W/m2 UV ışın yoğunluğu olan bir UV reaktörü kabul edelim. Reaktörün net hacmi 90 lt olsun. Bu reaktörden 108 m3 /h (= 30 lt/sn) debiyle su geçirilirse, su reaktörde “ortalama” 3 saniye kalmış olacak ve suya uygulanan UV dozu 100 W/m2 x 3 sn = 300 J/m2 olacaktır. Aynı reaktörden 81 m3 /h (= 22,5 lt/sn) debiyle su geçirilirse bu kez su reaktörde 4 saniye kalmış olacak ve suya uygulanan UV dozu 100 W/m2 x 4 sn = 400 J/m2 olacaktır. Daha önce belirtildiği gibi, bir UV cihazının suya vereceği UV dozu, içinden akan suyun debisiyle ters orantılıdır.

Bu basitleştirilmiş UV dozu hesabı, konunun daha kolay anlaşılabilmesi amacıyla verilmiştir. Gerçek şartlarda UV dozu hesabı çeşitli değişkenlere bağlıdır ve özel matematiksel modelleme teknikleri ile hesaplanır. Buna ilişkin bilgiler Şekil-8’de verilmektedir.

Şekil 8. UV Dozunu Etkileyen Parametreler

Şekil 8. UV Dozunu Etkileyen Parametreler