254 nm を超える 280 nm LED の消毒性能が向上

Scientific Reports volume 13、記事番号: 7576 (2023) この記事を引用

409 アクセス

6 オルトメトリック

メトリクスの詳細

紫外線 (UV) 消毒は、数十年にわたって飲料水と廃水の処理プロセスの両方に組み込まれてきました。 ただし、高いエネルギー需要や水銀の使用など、環境に悪影響を及ぼします。 気候に対応した技術をどのように拡張して構築するかを理解することは、国連の持続可能な開発目標 6 と 13 の交差点を達成する上で鍵となります。気候に対応したソリューションを提供しながら、従来の廃水 UV 消毒システムの欠点に対処する技術の 1 つが、UV 発光ダイオード ( LED）。 この研究の目的は、ベンチスケールの 280 nm UV LED の性能を、ベンチスケールの低圧 (LP) ランプおよびフルスケールの UV 処理廃水サンプルと比較することでした。 研究の結果は、UV LED システムがベンチスケールで LP システムを上回る強力な治療を提供することを実証しました。 20 mJ cm-2 の UV LED システムと 30 および 40 mJ cm-2 の LP システムの相対エネルギー消費量の比較が完了しました。 UV LED の壁プラグ効率 (WPE) の現在の予測に基づくと、LED リアクトルのエネルギー消費量は 2025 年までに LP システムと比較して同等かそれ以下になると予想されます。この研究では、WPE 20% で、同等の UV LED システムでは、30 mJ cm-2 のシナリオでは消費電力が 24.6%、40 mJ cm-2 のシナリオでは 43.4% 削減されます。

紫外線 (UV) 消毒は、数十年にわたって飲料水と廃水の処理プロセスの両方に組み込まれてきました。 従来の UV 消毒は、254 nm で殺菌光を放射する水銀ハロゲン ランプによって行われます。 水銀ベースの UV 消毒は、さまざまな水マトリックスにわたるさまざまな病原菌の不活化に効果的ですが、ランプの光生成に使用される水銀は有毒であり、ランプは 30 ～ 35 の最大エネルギー効率で動作するため、環境問題が生じます。 ％は高いエネルギー需要を生み出し1、ランプの高い動作温度は石英ランプの保護スリーブの有機および無機の汚れの問題を引き起こし、UV消毒の効果を低下させます2。

国連の持続可能な開発目標 (SDG) 6 は、水の衛生と清潔さに焦点を当てています3。 ジャービス氏は、微生物に対する持続可能な制御がこの目標を達成するための鍵であると述べています4。 SDGs の達成に伴う多くの問題に対処するのに十分な堅牢性を備えた新しいテクノロジーを研究する必要があります5。 気候対応テクノロジーを拡張および構築する方法を理解することは、SDG6 と SDG13 の交差点である気候変動対策をタイムリーに達成するための鍵となります。 UV 発光ダイオード (LED) は、気候に対応したソリューションを提供しながら、従来の廃水 UV 消毒の前述の欠点に対処します 6、7、8、9。

UV LED は従来の水銀ハロゲン ランプと同様に機能しますが、一般的な可視光 LED と同様の形状を有しており、UV 光子の生成に水銀を使用しません。 UV LED は過去 10 年間で技術として成熟し、本格的な使用が目前に迫り、商用の POS システムが容易に入手できるようになりました 8、10、11。 UV LED 技術によってもたらされる機会の 1 つは、UVC 光のさまざまな波長の放射による殺菌効率の向上です。 UV 波長の微妙なシフトにより、消毒性能が大幅に向上します 12、13、14。 この殺菌効果の相対的な変化は各微生物に固有であり、作用スペクトルとして知られており、生物の DNA 内のヌクレオチド塩基対の相対的な存在量に関連しています 15。 波長のシフトによる殺菌効率の増加により、同様の対数減少を達成するために必要なフルエンスが減少し、UVC 範囲の UV LED が現在経験している低いエネルギー効率を相殺するのに役立ちます。

UV LED はモジュール式であり、アプリケーションに合わせて拡張できます。つまり、リモートの使用時点での消毒からパイロット規模のシステムに至るまでのアプリケーションで使用されています9,16。 UV LED チップのアレイを使用して放射光を調整することで、UV 消毒の設計スペースとアプリケーションの範囲が広がります6。 UV LED リアクターは、特定の流入廃水マトリックスと UV 吸収特性に合わせて調整された特注の LED アレイを使用して検討されてきました 17,18。 UV LED には多くの利点がありますが、現状では大規模な実装を妨げる可能性のあるいくつかの特性があります。 これにはランプ寿命の短縮も含まれますが、高品質 UVC LED はすでに低圧水銀ランプと同様の 10,000 時間の寿命を達成できます9,19。 さらに、UV LED は、低圧水銀ランプと比較して光出力 1 ワットあたりの資本コストが高くなります (2 ドル/W と比較して 100 ～ 400 ドル/W)。 ただし、この差は過去 10 年間で大幅に縮まり、UV LED が技術として成熟するにつれてこの傾向は続くと予想されています19。 現在まで、廃水処理施設に UV LED リアクターが本格的に導入された例はありません。

UV テクノロジーのパフォーマンスを評価するための適切なツールを選択することも、新しいテクノロジーを拡張する上で重要です。 いくつかの評価技術が存在しますが（例、平行ビーム試験、蛍光微小球、CFD モデリング、生体線量測定など）、長期評価能力、代表的なフルスケール結果、またはその両方が制限されることがよくあります。 UV 監査は、廃水処理施設 (WWTF) の本格的なパフォーマンスを特定し、同時にそのパフォーマンスを独立した光源と比較するアプローチとして認識されています20。

UV LED に関するもう 1 つの考慮事項は、廃水マトリックス中の UV 吸収および遮断汚染物質との波長依存の相互作用です。 廃水マトリックスの複雑な性質により、UV 消毒が制限されることがよくあります。 通常、廃水マトリックスの UV 透過率 (UVT%) は、UV 波長が短くなるにつれて低くなり、一般的な UV 消毒波長 254 nm での UV 光の透過が制限されます。 したがって、より優れた浸透能力と同様の殺菌効率を備えたより長い UVC 波長を使用して、廃水処理施設の消毒性能を向上させる可能性があります。 しかし、廃水中での代替 UV LED 波長を使用した処理効果の探求は、ほとんど未調査のままです。

この研究の目的は、ベンチスケールの 280 nm UV LED を、ベンチスケールの低圧 (LP) ランプおよび SDG レンズを介したフルスケールの LP UV 処理廃水サンプルと比較することでした。 UV 監査を使用すると、現在の LP ベースのフルスケール システムと同等のフルエンスで動作するフルスケール UV LED システムの潜在的な有効性を比較するためのツールが提供されます。 この研究では、フルスケール システムから UV 処理されたサンプルを同時に収集しながら、2 つの (UV LED および LP) コリメート ビーム ユニットについて 10 ～ 40 mJ cm-2 の範囲のフルエンスを調べました。 さらに、UV LED 壁コンセントの効率は急速に向上しており、UV LED の最先端技術に関する知識のギャップがあるため、従来の UV システムと比較した UV LED の使用による現在および予測されるエネルギー節約量が計算され、二酸化炭素削減への影響が計算されました。カナダ人の視点が検討されました。

監視対象の廃水処理施設（北緯 44 度 48 分 52.4016 度、西経 63 度 43 分 55.308 分）では、二次活性汚泥システムに続いて、最大設計流量 1363 m3 day-1 の閉路 UV 消毒システムが使用されています。フルエンスは 30 mJ cm−2 です。 この施設は、約 930 人のサービス人口に廃水を供給しています。研究の最初の 4 週間は廃水処理施設から毎週廃水を収集し、研究の残りの 8 週間は週に 2 回収集しました。 植物の UV 処理サンプルも未処理サンプルとともに収集され、LP および UV LED コリメート ビーム ユニットを使用したベンチスケールの消毒とフルスケールの施設のパフォーマンスを比較しました。 廃水サンプルは氷の上で研究室に運ばれ、収集した日に分析されました。

Calgon Carbon コリメート ビーム ユニットは、すべての LP ベンチスケール作業に使用されました。 放射照度を測定する前に、ランプを暖め、システムがフルパワーで動作していることを確認するために、LP ランプを 30 分間オンにしました。 すべての LED ベンチスケール作業には、279 nm のピーク波長で発光する公称 280 nm UV LED を備えた AquiSense Pearlbeam UV LED コリメート ビーム ユニットが使用されました。 すべての UV 放射照度は、OceanOptics USB2000 分光放射計を使用して測定され、ボルトンとリンデンによって説明された適切な補正係数が、ターゲット フルエンスの露光時間を計算する前に測定された放射照度に適用されました 21。 LP サンプルと UV LED サンプルの両方に、10、20、30、および 40 mJ cm-2 のフルエンスが使用されました。 すべてのベンチスケール サンプルとフルスケールの UV 前および後のサンプルを、以下の列挙プロトコルに従って大腸菌について列挙しました。

消毒性能に対する水質の影響を評価するために、総懸濁物質 (TSS) と総鉄が収集されました。 TSS は、水および廃水の検査の標準方法 22 に従って実施されました。 総鉄は、DR5000 分光計で USEPA FerroVer メソッド (メソッド 8008) に従って測定されました。 DR5000 分光計の 1 cm 石英キュベットを使用して、254 および 279 nm で UVT% を収集しました。 流量と UV 強度は、サンプリング時にフルスケール UV システムのコントロール パネルから収集されました。

52 mL の未処理の廃水を滅菌ペトリ皿に加え、撹拌棒を使用して穏やかに混合しました。 次に、光修復の影響を最小限に抑えるために、暗い赤色光の下で操作しながら、廃水サンプルを必要なフルエンスおよび UV 光源ごとに UV 光に曝露しました。 次いで、サンプルを直ちに滅菌コリラートボトルに移し、リン酸緩衝液で希釈した。 次に、Colilert パケットを各ボトルに加え、溶液を Quantitrays に移す前に混合し、37 °C で 24 時間インキュベートしました。 次いで、サンプルを計数し、大腸菌について定量化した。 ウェル数は、R の定量トレイ パッケージを使用して MPN-100 mL-1 に変換されました。

Geeraerd の非線形熱不活化モデルは、式 1 のように対数線形およびショルダー位相で反応速度を捉えるように適合されました。 （１）２３．

すべての統計、モデル、および図は、R のコア機能と次の追加パッケージを使用する R (V 4.0.3)24 と、nls、nlstools、および ggplot を使用して開発されました。さらに、その他すべてには Affinity Designer (V 1.10.5) が使用されました。この研究のために開発されたイラストとグラフィック25。

反応器内のフルエンス率は、その設計と操作、および処理される水の吸収に関連するいくつかの要因の関数です。 すべてのリアクター特性がフルスケールと同等の LED システムの間で一定であると考えると、関係は式 1 に要約できます。 (2) ここで、H'e は平均フルエンス率、q はシステムへの UV パワー、α は水の吸収係数です。

次に、平均フルエンス率を現在の標準的なコンセント効率 (7.1% WPE) で割ることにより、相対消費電力を計算しました。

サンプリング期間中の流入廃水の水質を表 1 に示します。UVT254 は 39.7 ～ 70.6% (平均 = 61.8%)、UVT279 は 44.7 ～ 75.7% (平均 = 66.8%) の範囲で、流量は 164 ～ 164% の範囲でした。 1010 m3 日−1 (平均 = 490 m3 日−1)。 これらのデータは、水質と流量がサンプリング期間にわたって変動したことを示しており、さまざまな廃水条件が捕捉されたため、消毒データがさらに強化されます。 TSS は下水施設では比較的低く、平均値は 5.5 mg L-1、最大値は 9.5 mg L-1 であることが観察されました。 この地域の他の施設では、TSS の平均濃度が 9.7 ～ 23.9 mg L-120 であると以前に報告されています。 平均総鉄濃度は 0.21 mg L-1 であり、最大値は 0.36 mg L-1 であることが観察されました。 これは、消毒性能に影響を与えると予想される値 (0.3 mg L-1) を下回るか、それに近い値です26。 以前の研究に基づいて、この研究で測定されたTSSと鉄の濃度は、マトリックスがUV処理によく反応するはずであることを示唆しています。

研究期間中の典型的なサンプリングの一部として、実物大のプラント データも収集されました。 オペレーターは、流れ、流入水と流出水の TSS、流入水と流出水の pH、および流出水の大腸菌濃度を約 2 週間ごとに収集しました。 表 2 は、この研究に関連するパラメータをまとめたものです。 フルスケール データとベンチスケール データを比較すると、サンプリング期間中に取得された流量と廃水質の範囲がフルスケール施設の典型的な流量の範囲を取得していることがわかります。 研究期間中のプラントの平均流量は 471 m3 day-1 (サンプリングイベントの平均 = 490 m3 day-1) でした。 施設の平均 TSS は 6.8 mg L-1 で、研究室で観察された 5.5 mg L-1 よりわずかに高かった。

図 1 は、LED と LP 両方の平行ビーム光源の廃水処理施設 (WWTF) の消毒性能を示しています。 プラントの性能は、異なる色の箱ひげ図で示されるベンチスケール処理と比較するために、灰色の棒と破線で示されます。 WWTF に設置された反応器の設計フルエンスは 30 mJ cm-2 であり、これらの結果は、279 nm の UV LED がこのフルエンスでの LP より優れていることを示しています。 さらに、図 1 のプラント性能の斜線領域と 30 および 40 mJ cm-2 での LP ベンチスケール処理の重なりは、UV 監査方法論を考慮した場合、システムがマトリックスに制限されていることを示しています。最高品質の廃水）20. この施設が経験する 1 日の平均流量は設計流量の 36% にすぎないため、これは予想外のことではありませんでした。 LED 光源は、ベンチスケールで調べた各フルエンスで LP コリメート ビームよりも優れた性能を示しました。 この結果は、廃水の水質条件によっては UV LED 光源が消毒に適したツールであることを示唆しています。

UV LED および LP 処理廃水の対数削減値。 破線と影付きの領域は、サンプリング期間中の平均フルスケール プラント性能と 95% 信頼区間を表します (n = 12)。 箱ひげ図の中心線は中央値を表し、上部と下部のヒンジはそれぞれ第 1 四分位数と第 3 四分位数を表します。 ひげは 1.5 * 四分位範囲を表し、外側のデータ ポイントは点としてプロットされます。

ＬＰ光源の平行ビームの結果は、４０ｍＪｃｍ−２を超えるフルエンスでのみ、フルスケールのＬＰ性能に匹敵する消毒を達成することを示した。 WWTF の設計フルエンスは 30 mJ cm-2 であり、この施設が設計速度を超えて機能していることを示唆しています。 設計流量が 1,363 m3 day-1 であるのに対し、施設で経験した平均流量は研究期間中に 490 m3 day-1 であったため、これは驚くべきことではありません。 これらのデータは、過剰な UV フルエンスが適用されることにより、LP システムによってかなりの量のエネルギーが浪費されていることを示しています。 この WWTF に設置された本格的な LED システムは、この場所の変化する水質にさらに適切に調整できる可能性があります。

各消毒光源のモデリングにより、LP 処理と LED 処理の間で消毒の挙動に大きな違いがあることがさらに示されました。LED 光源の反応速度は、フルエンス付近で対数線形からショルダー位相にシフトすることが観察されました。 20 mJ cm−2 (図 2)。 LP モデリングは、ショルダーリング段階が 40 mJ cm-2 で始まり、この研究で調べたフルエンスの範囲を超えるフルエンスで定常状態に達することを示しました。

Geeraerd のモデルによる 254 nm LP と 279 nm UV LED の比較。 エラーバーは、黒色 (LP) と黄色 (LED) の点で示される平均値 (n = 12) の 95% 信頼区間を表します。

表 3 は、各光源と WWTF データに適合する動力学データと Geeraerd のモデルを示しています。 LED と LP の有効性は大きく異なることが観察されました。 279 nm LED は、LP システムの 2 倍の k 値を持つことが判明しました。 実際には、これは、大腸菌で同じ対数減少を達成するには、279 nm UV LED が半分のフルエンスを必要とすることを意味します。 k 値の増加は、調べた 2 つの波長の殺菌効果の違い、またはタンパク質の損傷に関連する他の不活化メカニズムに起因する可能性があります。 しかし、Beck et al.17 による研究では、280 nm UV LED と組み合わせた波長治療を使用しても相乗効果の増加は見られないことがわかりました。 著者らは、相乗効果の欠如は、280 nm での不活化の主なメカニズムが DNA 吸収とピリミジン二量体の形成によるものであることを示していると示唆しています。 したがって、この研究で見つかった反応速度の違いは、279 nm での殺菌効果の増加に関連している可能性があります。

279 nm UV LED Nres、つまり処理の上限レベルは、LP システムと比較して大幅に大きかった (3.61 log 対 2.82 log)。 この消毒の上限は通常、粒子遮蔽効果によるものであるため、これは、279 nm UV LED がマトリックス内の粒子状物質に付着している可能性のある細菌群集に到達する傾向が高いことを示唆しています。 粒子の UV 吸収能力は波長が短くなるにつれて増加し、より低い波長では不活化能力が低下するため、粒子の遮蔽効果は波長に依存することが観察されています 27。 さらに、大腸菌の自己凝集は波長に依存することも示されています 28,29。

各ベンチスケール光源の Nres 値と WWTF 性能の信頼区間は重なっており、ベンチスケールの処理とフルスケールの消毒性能の間に有意差はありませんでした。 これは、監査プロセスで紫外線を大幅に過剰摂取している植物を捕捉した最初の例です。 この結果は、理想的な消毒結果の下で稼働しているプラ​​ントであっても、UV 監査プロセスにより稼働効率が向上することを示しています。

UV LED 光源で観察された処理の上限レベルの増加 (+ 0.79 log) は、波長と粒子状物質の相互作用が性能に影響を与えている可能性があることを示唆しています。 それにもかかわらず、従来の UV 光源と比較して殺菌効率が 33% 向上したことにより、2 つの技術間の壁コンセント効率 (WPE) における現在の不一致に対処し始めています。 2020 年の時点で、市販の 280 nm UV LED で達成された最高の WPE は 4.1% (LP ランプは 30 ～ 35%)、外部量子効率 (EQE) は 6.1% でした30。 現在、280 nm ± 5 nm 範囲の UV LED の EQE は 9 ～ 20.3% の範囲であり 7,31、最良の LED は通常約 7.1% WPE になります。 これはここ数年で顕著な改善であり、UV LED WPE の予測改善は、LED 光源が改善されるにつれてエネルギー効率の差が減少することを示しています 32,33。 放射光と標的病原体の相互作用を最大限に高めるための、反射性の高い内面やリアクター全体の形状など、UV LED リアクターの独創的な設計により、さらなる効率が見出されます。 これらの効率を組み合わせることで、UV LED リアクターの本格的な実装の実現可能性を向上させることができます。

UV LEDは、フルスケールの設計フルエンスが30 mJ cm-2であったのに対し、20 mJ cm-2のUV LEDフルエンスでフルスケールのWWTFと同様の消毒性能を達成しました（図3）。 上で説明したように、フルスケールの LP 設備は、設計フルエンスが 30 mJ cm-2 であるにもかかわらず、40 mJ cm-2 の低減等価フルエンス (REF) を超えるフルエンスを供給するように動作しており、したがって追加の電力を消費しています。必要なレベル以上の治療を行います。 また、20 mJ cm-2 REF を供給するように動作する LED システムによって、同等レベルの不活性化を達成できることも示されました。 スプリングフィールド レイクのサイトに設置された同等の LED システムのエネルギーコスト比較の詳細な分析は、この文書の範囲を超えていますが、ベースラインの比較は可能です。 したがって、同等の LED システムによって供給されるフルエンスは、現在の LP 設置のフルエンスよりも 1.5​​ ～ 2.0 倍低くなります。

2 つの UV システムの大腸菌濃度とフルエンス。 黒丸は、LP 平行ビーム システムを使用した 254 nm でのベンチスケール治療を表します。 黄色の四角は、UV LED 平行ビーム システムを使用した 279 nm でのベンチスケール治療を表します。 赤い点線は、規制排出要件を満たすための目標排水濃度を表します。 黒い線と影付きの領域は、UV 後のサンプルからの流出液濃度の平均値と 95% 信頼区間 (n = 12) を表します。

研究中に収集された UVT データは、水の吸収係数が 254 nm よりも 279 nm で 16% 低く、その結果、単位 UV パワーあたりのフルエンスが 19.3% 高いことを示しました。 これらの要素を組み合わせると、同等の LED システムの UV 電力需要は、LP 設置の 42 ～ 56% となります。 最先端の商用 UV-C LED は約 7.5% の電気効率を達成しますが、電力変換と配電で約 5% 損失し、およそ 7.1% の WPE が得られます。 LP システムの UV ランプは通常、30% WPE15 を示します。 これらの電気効率係数を適用すると、同等の LED システムは連続動作時に LP 設置よりも 59 ～ 113% 多くの電力を消費します。

UV LED システムのエネルギー消費量が 30 mJ cm-2 のシナリオと同等であるためには、システムの WPE が 15.1% に達する必要があり、40 mJ cm-2 のシナリオの場合、WPE は 11.3% になるだけで済みます。 。 UV LED の予測に基づくと、265 ～ 280 nm の UV LED の WPE は 2025 年までに約 20% に達すると予想されます 34。WPE が 20% の場合、同等の UV LED システムでは、WPE が 24.6%、43.4% 削減されます。それぞれ 30 mJ cm-2 シナリオと 40 mJ cm-2 シナリオの消費電力。 これらのシナリオを検討すると、将来的には、たとえランプの WPE が達成されていないとしても、UV LED リアクターは、代替波長の殺菌効率の違いを利用することにより、エネルギー消費の点で LP システムと同等、あるいはそれを上回る可能性があることがわかります。パリティ。

LED 光源と LP 光源の総エネルギー使用量を比較した場合のパフォーマンスの向上は、LED テクノロジーを日常的に本格的に使用することによる実用的な利点によってさらに強化されます。 たとえば、UV LED は、消毒が必要ない時間帯には暗くしたり明るくしたり、遮断したりすることができます。 LP システムは通常、定期的なメンテナンスまたはシステム修理のときにのみ停止します。これは、UV ランプの寿命全体にわたってエネルギー使用が最適化されていないことを意味します。 従来の消毒技術に対する UV LED の利点をより適切に定量化するには、これらの固有の改善に関する追加の研究と評価が必要です。

2020年の時点で、カナダには1866の下水処理施設がありました。 ラグーンを除いた WWTF の約 25% は、2010 年から 2020 年の間に就役されました 35。カナダの WWTF は平均で 17.3 年経過し、耐用年数までの稼働率は約 48.9% です 36。 これらのデータは、今後 18 年間に国内の下水処理施設の大規模な改修が必要になることを示しています。 UV LED 技術はこの頃までにさらに成熟すると予測されており、既存の廃水処理施設の UV システムをアップグレードすることは、より持続可能な未来に貢献するでしょう。

下水システム排水規制の報告文書は、日平均流量が 100 m3 を超え、北緯 54 度以下に位置するカナダ各州の廃水処理施設からの排水とシステムのデータを収集しています37。 このデータセットには 601 の廃水処理施設に関する情報が含まれており、そのうち 421 の廃水処理施設では排出前の最終処理として UV 消毒が使用されていると推定されています。 1 日の平均流量に基づくこれらのシステムの位置とサイズを図 4 に示します。オンタリオ州、ケベック州、アルバータ州がカナダで UV 消毒システムを使用しているトップ 3 の州です。

カナダの 10 州における消毒に UV を使用する廃水処理施設の場所と規模。 挿入図は、カナダの各州ごとの UV 処理を使用する WWTF の 1 日あたりの総流量を表しています。

30 mJ cm-2 のフルエンスを供給するために UV システムがどれくらいの大きさでなければならないかの尺度として流量を使用して、UV 処理システムの現在のエネルギー消費量の推定が完了しました。 ベースライン流量が 1,363 m3 day-1、年間エネルギー使用量が 5,781.6 kWh のスプリングフィールド湖処理施設を使用して、州全体の年間電力消費量の推定値が計算されました。 さらに、カナダ政府が提供する州のエネルギープロファイルを使用して、年間生成される CO2(e) を推定しました38。 これらの値は、すべての施設が 20% WPE 効率の UV LED システムに切り替えるシナリオを評価するために使用されました。 この分析は、UV LED 消毒システムを運用することで、年間 946 トンの CO2(e) 削減が達成できることを示しています (表 4)。

エネルギー消費だけでは処理システムの持続可能性を完全に測ることはできません。ライフサイクル評価 (LCA) で取得される材料の生成、使用、寿命、廃棄などの他の側面も、処理技術の全体的な二酸化炭素排出量に寄与する可能性があります。 。 McKee と Chatzisymeon39 による最近の研究では、LCA を使用して、ベンチスケールで汚染水からビスフェノール A を除去するための UV LED/TiO2 と水銀ベースの UV/TiO2 光触媒処理システムの間の持続可能性の違いを調べました。 著者らは、UV LED 処理により環境への影響が 40% 削減されたことを発見し、削減の大部分はエネルギー消費量の削減、寿命の延長、および UV LED ユニットの水銀フリーの性質によるものであると示唆しています。 さらに、著者らは、環境への影響の大部分は処理のエネルギー消費に関連しており、エネルギー消費の削減が持続可能性に最も大きな影響を与えることを示していると指摘しています。完全な LCA はこの現在の研究の範囲を超えていますが、 McKee 氏と Chatzisymeon 氏の研究は、UV LED と水銀ベースのシステムの間のエネルギー効率の差が縮まるにつれて、対象の UV LED 波長を使用することで得られる治療効率と合わせて、UV LED 治療の全体的な持続可能性が従来のシステムと比較して改善し続けることを示唆しています。水銀ベースのシステム。

この研究の結果は、UV LED 技術が十分なフルスケールの性能を発揮でき、一致するフルエンスで従来の技術を上回る性能を発揮できることを示しています。 サンプリングの過程での WWTF の水質の変化も、UV LED 消毒が強力な処理を提供することを示しています。 さらに、この研究で完了したエネルギー比較は、UV LED システムが近い将来、より低い消費電力で同様の性能を提供する可能性があることを示しています。 UV LED 技術が本格的な装置に導入されるにつれて、同等のフルエンスでの消毒効果の向上はより大きな意味を持ちます。 飲料水や廃水処理プロセスの安全性を維持するためにインフラが更新される中、UV LED は気候変動の圧力に対応するための拡張可能なツールを提供します。 今後の作業では、このアプローチを使用して LED の性能を従来の技術と比較することが推奨されます。 都市下水処理施設のネットワークに設置された真に本格的な反応器を使用します。 また、UV LED システムは、LED の瞬間的な調光や増光などの他の独自の機能から得られる潜在的なエネルギー節約を理解するために、より適切に定量化する必要があります。

現在の研究中に生成および分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

Ibrahim, MAS、MacAdam, J.、Autin, O.、Jefferson, B. 消毒用紫外線技術の経済的実現可能性に対する LED 電球開発の影響を評価。 環境。 テクノロジー。 35、400–406 (2014)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

待てよ、IW & Blatchley、ER 地下水源を処理する低圧高出力 (LPHO) 紫外線消毒反応器における石英表面の汚れ: 汚れの特性、分布、およびリン酸塩の影響。 2005 年世界水会議: 地球規模の気候変動の影響: 2005 年世界水環境資源会議議事録 124 (2005)。 https://doi.org/10.1061/40792(173)124

国連。 持続可能な開発目標に向けた進歩。 https://documents-dds-ny.un.org/doc/UNDOC/GEN/N22/335/13/PDF/N2233513.pdf?OpenElement (2022)。

ジャービス、P. 持続可能な開発目標 (SDGs) のための環境技術。 環境。 テクノロジー。 41、2155–2156 (2020)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

ニューサウスウェールズ州グリッグ 世界的な水インフラ：最先端のレビュー。 内部。 J. 水資源。 開発者 35、181–205 (2019)。

記事 Google Scholar

チェン、J.、ローブ、S.、キム、J.-H. LED 革命: UV 消毒用途の基礎と展望。 環境。 科学。 水耐性テクノロジー。 3、188–202 (2017)。

記事 CAS Google Scholar

Sharma, VK & Demir, HV 深紫外フォトニクスの明るい未来: 新興 UVC チップスケール光源技術プラットフォーム、ベンチマーク、課題、UV 消毒の見通し。 ACS フォトニクス 9、1513–1521 (2022)。

記事 CAS Google Scholar

Chatterley, C. & Linden, K. 使用時点の水消毒用の殺菌性 UV-LED の実証と評価。 J. Water Health 8、479–486 (2010)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

リンデン、KG、ハル、N.、およびスペイト、V. 処理プラントの外で考える: 配水システムの消毒のための UV。 準拠化学。 解像度 52、1226–1233 (2019)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Jarvis, P.、Autin, O.、Goslan, EH、および Hassard, F. 紫外線発光ダイオード (UV-LED) の本格的な飲料水消毒への応用。 水 11、1894 (2019)。

記事 CAS Google Scholar

ニューメキシコ州ハル、WH ヘロルド、KG リンデン UV LED 水消毒: 検証および小規模システムの実証研究。 AWWA 水科学 1148 年 1 月 (2019 年)。

記事 Google Scholar

Beck, SE、Wright, HB、Hargy, TM、Larason, TC & Linden, KG 中圧紫外線 (UV) システムにおける病原体消毒の検証のためのアクションスペクトル。 水耐性 70、27–37 (2015)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Rattanakul, S. & Oguma, K. 緑膿菌、レジオネラ・ニューモフィラ、および代替微生物に対する UV-LED の不活化動態と効率。 水耐性 130、31–37 (2018)。

論文 PubMed Google Scholar

グリーン、A.ら。 単一波長および複数波長の紫外線発光ダイオードによる大腸菌、リステリア、サルモネラ菌の不活化。 イノヴ。 食品科学出現。 テクノロジー。 47、353–361 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

JR ボルトンおよびカリフォルニア州コットン 紫外線消毒ハンドブック Vol. 168 (Springer、2008)。

Google スカラー

Nguyen、TMH、Suwan、P.、Koottatep、T.、Beck、SE 排水または農業再利用のために家庭廃水を消毒するための、新しい連続供給紫外発光ダイオード (UV-LED) システムの応用。 水耐性 153、53–62 (2019)。

論文 CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

ベック、SE et al. UV-C LED の消毒性能を評価し、潜在的な二波長の相乗効果を調査します。 水耐性 109、207–216 (2017)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

ウー、Ｈら。 二波長殺菌紫外線 (UV-C) 発光ダイオード (LED) によるヒトエンテロウイルスの不活化の有効性。 水 11、1131 (2019)。

記事 CAS Google Scholar

Zollner、CJ、DenBaars、SP、Speck、JS、中村、S. 殺菌性紫外線 LED: アプリケーションと半導体技術のレビュー。 半導体。 科学。 テクノロジー。 36、123001 (2021)。

記事 ADS CAS Google Scholar

ケンタッキー州ラウフ、SA 州マックアイザック、アラスカ州ストッダート、ジョージア州ギャニオン 水資源回収施設の UV 消毒監査により、システムとマトリックスの限界が特定されました。 J. 水プロセス工学 50、103167 (2022)。

記事 Google Scholar

ボルトン、JR およびリンデン、KG ベンチスケール UV 実験におけるフルエンス (UV 線量) 決定方法の標準化。 Ｊ．Ｅｎｖｉｒｏｎ． 工学 129、209–215 (2003)。

記事 CAS Google Scholar

APHA、AWWA、WEF。 水および廃水の検査の標準方法 (米国公衆衛生協会、2012)。

Google スカラー

Geeraerd, AH、Herremans, CH & Impe, JFV 穏やかな熱処理中の微生物の不活性化を記述するための構造モデル要件。 Ｊ．Ｅｎｖｉｒｏｎ． 工学 59、185–209 (2000)。

CAS Google スカラー

Rコアチーム。 R: 統計コンピューティングのための言語と環境。 （2020年）。

セリフ。 アフィニティデザイナー。 （2022年）。

ウリマン、SL、マッケイ、G.、ロザリオオルティス、フロリダ州、リンデン、KG 低レベルの鉄分は、中性 pH での UV/H2O2 効率を高めます。 水耐性 130、234–242 (2018)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Templeton, MR、Andrews, RC & Hofmann, R. 紫外線による粒子関連ウイルス代用物の不活化。 水耐性 39、3487–3500 (2005)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Kollu, K. & Örmeci, B. 低圧および中圧の紫外線照射後の紫外線による大腸菌の自己凝集。 Ｊ．Ｐｈｏｔｏｃｈｅｍ． フォトビオール。 B 148、310–321 (2015)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Kollu, K. & Örmeci, B. 大腸菌の紫外線消毒に対する粒子と生物凝集の影響。 水耐性 46、750–760 (2012)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

天野 博 ほか 2020 年の UV エミッターのロードマップ。 Ｊ．Ｐｈｙｓ． D. 53、503001 (2020)。

記事 CAS Google Scholar

Usman, M.、Malik, S.、Munsif, M. AlGaN ベースの紫外発光ダイオード: 課題と機会。 ルミネッセンス 36、294–305 (2021)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Song, K.、Mohseni, M.、および Taghipour, F. 水消毒のための紫外線発光ダイオード (UV-LED) の応用: レビュー。 水耐性 94、341–349 (2016)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Kebbi, Y. et al. 微生物の不活化のための UV-LED 技術の応用における最近の進歩: 進歩とメカニズム。 比較食品科学牧師食品安全。 19、3501–3527 (2020)。

論文 PubMed Google Scholar

Kneissl, M.、Seong, TY、Han, J. & Amano, H. 深紫外発光ダイオード技術の出現と展望。 ナット。 フォトニクス 13、233–244 (2019)。

記事 ADS CAS Google Scholar

カナダ統計局。 カナダの中核的公共インフラ調査: 水インフラ、2020 年。https://www150.statcan.gc.ca/n1/daily-quotidien/220726/dq220726a-eng.htm (2022)。

カナダ統計局。 インフラ経済勘定、資産および資産機能別の平均年齢および残存耐用年数比率。 https://www150.statcan.gc.ca/t1/tbl1/en/tv.action?pid=3610061101 (2022)。

カナダ政府。 下水システム排水規制の報告データ。 https://open.canada.ca/data/en/dataset/9e11e114-ef0d-4814-8d93-24af23716489 (2022)。

カナダのエネルギー規制当局。 州および地域のエネルギープロファイル。 https://www.cer-rec.gc.ca/en/data-analysis/energy-markets/provincial-territorial-energy-profiles/index.html。

McKee, SM & Chatzisymeon, E. 水中のビスフェノール A を処理するための発光ダイオードと従来のブラックライト ランプの環境持続可能性を評価しています。 環境。 影響評価。 改訂 97、106886 (2022)。

記事 Google Scholar

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この研究は、NSERC Alliance Grant [ALLRP 568507 - 2021] およびハリファックス ウォーターとの提携による NSERC Collaborative Research and Development Grant [CRD 539387 - 19] からの支援を通じて資金提供されました。 カイル・ラウシュは、NSERC PGS-D 奨学金 [PGSD3 - 547191 - 2020] を通じてサポートされています。 著者らは、サンプリング プログラムを支援してくれたハリファックス ウォーターのスタッフとプラント オペレーターに感謝の意を表したいと思います。

著者 Sean A. MacIsaac と Kyle D. Rauch も同様に貢献しました。

水資源研究センター、ダルハウジー大学ハリファックス、ハリファックス、ニューサウスウェールズ州、B3H 4R2、カナダ

ショーン・A・マクアイザック、カイル・D・ラウシュ、テイラー・プレスト、グラハム・A・ギャニオン、アミナ・K・ストッダート

AquiSense Technologies、アーランジャー、ケンタッキー州、41018、米国

リチャード・M・シモンズ

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SM：コンセプト化、プロジェクト管理、ビジュアライゼーション、原案作成、レビュー、編集。 KR: 概念化、方法論、調査、形式分析、視覚化、原案作成、レビュー、編集。 TP: 調査、執筆 - 原案。 RS: 方法論、形式分析、オリジナルの草案の執筆。 GG: コンセプト化、資金調達、監修、執筆、レビュー、編集。 AS：コンセプト化、資金調達、監修、執筆・レビュー・編集。

アミナ・K・ストッダートへの通信。

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転載と許可

MacIsaac、SA、Rauch、KD、Prest、T. 他。 地域廃水中の 254 nm 低圧 UV ランプよりも 280 nm LED の消毒性能が向上しました。 Sci Rep 13、7576 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-34633-7

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受信日: 2023 年 1 月 5 日

受理日: 2023 年 5 月 4 日

公開日: 2023 年 5 月 10 日

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

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