Rendimiento de desinfección mejorado para LED de 280 nm por encima de 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 en los procesos de tratamiento de agua potable y aguas residuales durante varias décadas; sin embargo, tiene consecuencias ambientales negativas, como la alta demanda de energía y el uso de mercurio. Comprender cómo escalar y construir tecnologías sensibles al clima es clave para cumplir con la intersección de los Objetivos de Desarrollo Sostenible 6 y 13 de la ONU. Una tecnología que aborda los inconvenientes de los sistemas convencionales de desinfección UV de aguas residuales, al mismo 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 las lámparas de baja presión (LP) a escala de banco y las muestras de aguas residuales tratadas con UV a gran escala. Los resultados del estudio demostraron que el sistema UV LED 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 UV LED a 20 mJ cm-2 y el sistema LP a 30 y 40 mJ cm-2. Con base en las proyecciones actuales para 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 un WPE del 20 %, el sistema UV LED 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 aguas residuales durante varias décadas. La desinfección UV convencional está impulsada por lámparas de halógeno 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 generar luz en las lámparas es tóxico, las lámparas funcionan con la máxima eficiencia energética entre 30 y 35 % creando una alta demanda de energía1, y las altas temperaturas de funcionamiento de las lámparas provocan problemas de suciedad orgánica e inorgánica de las fundas protectoras de las lámparas de cuarzo, lo que reduce la eficacia de la desinfección UV2.

El Objetivo de Desarrollo Sostenible (ODS) 6 de la ONU 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. Se deben estudiar tecnologías novedosas que sean lo suficientemente robustas para abordar los muchos problemas relacionados con el logro de los ODS5. Comprender cómo escalar y construir tecnologías sensibles al clima es clave para cumplir con la intersección de SDG6 y SDG13, Acción climática, de manera oportuna. Los diodos emisores de luz UV (LED) abordan los inconvenientes mencionados anteriormente de la desinfección UV convencional de aguas residuales, al tiempo que brindan una solución sensible al clima6,7,8,9.

Los LED UV funcionan de manera similar a las lámparas de halógeno de mercurio convencionales, pero tienen un factor de forma similar a un LED de luz visible típico y no utilizan mercurio para la generación de fotones UV. Los LED UV han madurado como tecnología en el transcurso de la última década hasta el punto en que el uso a gran escala es inminente y los sistemas comerciales de punto de uso están fácilmente disponibles8,10,11. Una de las oportunidades que brinda la tecnología UV LED es una mayor eficiencia germicida a partir de la emisión de diferentes longitudes de onda de luz UVC. 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 exclusivo de 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 en la eficiencia germicida al cambiar la longitud de onda puede disminuir la necesidad de fluencia requerida para lograr una reducción logarítmica similar para ayudar a compensar la menor eficiencia energética que actualmente experimentan los LED UV en el rango UVC.

Los LED UV son modulares y se pueden adaptar a la aplicación, lo que significa que se han utilizado en aplicaciones que van desde la desinfección remota en el punto de uso hasta sistemas a escala piloto9,16. El ajuste de la luz emitida mediante el uso de una matriz de chips LED UV amplía el espacio de diseño y la gama de aplicaciones para la desinfección UV6. Los reactores LED UV se han considerado con una matriz de LED a medida que se adaptan a una matriz específica de aguas residuales y propiedades de absorbancia UV17,18. Si bien los LED UV ofrecen muchos beneficios, en su estado actual hay algunas características que pueden dificultar la 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 ha habido una implementación a gran escala de un reactor UV LED en una planta de tratamiento de aguas residuales.

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

Otra consideración para los LED UV son las interacciones dependientes de la longitud de onda con los contaminantes que absorben y bloquean los rayos UV en una matriz de aguas residuales. La naturaleza compleja de las matrices de aguas residuales a menudo limita la desinfección UV. Por lo general, las matrices de aguas residuales tienen una transmitancia UV (UVT%) más baja a medida que la longitud de onda UV disminuye, lo que limita la penetración de la luz UV en las longitudes de onda típicas de desinfección UV 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 de LED UV alternativas en aguas residuales se ha dejado en gran parte sin explorar.

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 escala completa 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 opera a una fluencia equivalente a los sistemas actuales 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, dado que la eficiencia de los enchufes de pared LED UV está mejorando rápidamente y existe una brecha de conocimiento con respecto al 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 planta de tratamiento de aguas residuales monitoreada (44° 48′ 52.4016ʺ N, 63° 43′ 55.308ʺ W) utiliza un sistema secundario de lodos activados 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. 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. Las muestras de la planta tratadas con UV también se recolectaron 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 UV LED. Las muestras de aguas residuales se transportaron al laboratorio en hielo y se analizaron el día de la recolección.

Se utilizó una unidad de haz colimado Calgon Carbon para todo el trabajo a escala de banco de LP. La lámpara LP se encendió durante 30 minutos para permitir que la lámpara se calentara y garantizar que el sistema estuviera funcionando a plena potencia antes de medir la irradiancia. Se utilizó una unidad de haz colimado AquiSense Pearlbeam UV LED con un LED UV nominal de 280 nm que emite a una longitud de onda máxima de 279 nm para todo el trabajo de LED a escala de banco. Toda la radiación UV se midió con un espectrorradiómetro OceanOptics USB2000 y se aplicaron los factores de corrección apropiados descritos por Bolton y Linden a la radiación 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 banco y las muestras previas y posteriores a la UV a escala real se enumeraron para E. coli siguiendo los protocolos de enumeración a continuación.

Se recogieron los sólidos suspendidos totales (TSS) y el hierro total para evaluar el impacto de la calidad del agua en el rendimiento de la desinfección. TSS se llevó a cabo 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 usando una cubeta de cuarzo de 1 cm en un espectrómetro DR5000. La velocidad de flujo y la intensidad UV se recogieron 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 mezcló suavemente con una barra de agitación. Luego, las muestras de aguas residuales se expusieron a la luz ultravioleta para cada una de las fluencias requeridas y las fuentes de luz ultravioleta mientras operaban bajo una 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 de fosfato. Luego se agregó 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. A continuación, las muestras se contaron y cuantificaron para E. coli. Los conteos de pocillos se convirtieron a MPN-100 mL−1 usando el paquete quantitray en R.

El modelo de inactivación por calor no lineal de Geeraerd se adaptó para capturar la cinética con una fase logarítmica 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 las funciones básicas 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 una función de varios factores relacionados con su diseño y operación, así como con la absorbancia del agua que se trata; considerando que todas las características del reactor son constantes entre la 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.

A continuación, 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 varió de 39,7 a 70,6 % (media = 61,8 %) y UVT279 varió de 44,7 a 75,7 % (media = 66,8 %) y el caudal varió de 164 a 1010 m3 día−1 (media = 490 m3 día−1). Estos datos indican que la calidad y el flujo del agua variaron durante el período de muestreo y fortalecen aún más los datos de desinfección porque se capturaron una variedad de condiciones de 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 en la región han informado previamente concentraciones medias de TSS entre 9,7 y 23,9 mg L−120. Se observó que las concentraciones medias de hierro total eran 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 afecten el rendimiento de la desinfección26. Con base en trabajos previos, las concentraciones de TSS y hierro medidas en este estudio sugieren que la matriz debería responder bien al tratamiento UV.

Los datos de la planta a gran escala también se recopilaron como parte del muestreo típico durante el período de estudio. Los operadores recolectaron el caudal, los TSS del afluente y del efluente, el pH del afluente y del efluente y las concentraciones de E. coli del 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 de 471 m3 día−1 (promedio para eventos de muestreo = 490 m3 día−1). El TSS promedio en la instalación fue de 6,8 mg L-1, que fue un poco más alto que los 5,5 mg L-1 observados en el laboratorio.

La Figura 1 muestra el rendimiento de desinfección para 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 diferentes diagramas de cajas de 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 al LP en esta fluencia. Además, la superposición de la región sombreada del rendimiento de la planta y el tratamiento a escala de banco de LP a 30 y 40 mJ cm−2 en la Fig. 1 indican que el sistema estaba limitado por la matriz al considerar la metodología de auditoría UV (es decir, el sistema está tratando las aguas residuales con 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 UV LED 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 UV LED 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 de la mediana, mientras que las bisagras superior e inferior representan el primer y tercer cuartil, respectivamente. Los bigotes representan 1,5*el rango intercuartílico y los puntos de datos periféricos se trazan como puntos.

Los resultados del haz colimado para la fuente de luz LP indicaron que solo logró una desinfección comparable al rendimiento de LP a gran escala a 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 caudal 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 ajustarse 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 logaritmo lineal a la fase de hombro cerca de una fluencia de 20 mJ cm−2 (Fig. 2). El modelo LP indicó que la fase de formación de hombros comienza en 40 mJ cm−2 y alcanzaría el estado estacionario en una fluencia que estaba más allá del rango de fluencias examinado 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 negro (LP) y amarillo (LED).

La Tabla 3 muestra los datos de cinética y el ajuste del modelo de Geeraerd para cada una de las fuentes de luz y los datos de WWTF. Se observó que la efectividad de LED versus LP era significativamente diferente. Se encontró 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 la 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 oa otros mecanismos de inactivación relacionados con el daño a las proteínas; sin embargo, un estudio realizado por Beck et al.17 encontró que no hubo una mayor sinergia cuando se usó un tratamiento de longitud de onda combinado 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 a través de la absorción de ADN y la formación de dímeros de pirimidina. Por lo tanto, la diferencia en la cinética encontrada en este estudio puede estar relacionada con una mayor eficacia germicida a 279 nm.

El Nres de 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 los efectos de protección contra 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 partículas dependen de la longitud de onda, ya que la capacidad de absorción 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 una diferencia significativa entre los tratamientos a escala de banco y el rendimiento de desinfección a gran escala. Esta es la primera instancia en la que el proceso de auditoría capturó una planta que estaba recibiendo 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 pueden 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 de los enchufes de pared (WPE) entre las dos tecnologías. A partir de 2020, el WPE más alto logrado para un LED UV de 280 nm disponible en el mercado 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 9 y 20,3 %7,31 y los mejores LED suelen tener alrededor de 7,1 % WPE. Esta notable mejora en los últimos años, y las mejoras previstas para UV LED WPE indican que la discrepancia de eficiencia energética disminuirá a medida que mejoren las fuentes de luz LED32,33. Se puede encontrar una mayor eficiencia a través del 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 UV LED.

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 operando 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 funciona para entregar un 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 más allá 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 de 1,5 a 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 el tratamiento a escala de banco a 254 nm utilizando un sistema de haz colimado LP. Los cuadrados amarillos representan el tratamiento a escala de banco a 279 nm utilizando un sistema de haz colimado de LED UV. La línea punteada 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 de efluentes de las muestras post UV.

Los datos de UVT recopilados durante el estudio mostraron que el coeficiente de absorción del agua era un 16 % más bajo a 279 nm que a 254 nm, lo que resultó en una fluencia por unidad de potencia UV un 19,3 % más alta. La combinación de estos factores da una demanda de energía UV del sistema LED equivalente del 42 al 56 % de la instalación de LP. Un LED UV-C comercial de última generación lograría 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 ver 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 de 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 debería alcanzar el 15,1 %, y para el escenario de 40 mJ cm−2, el WPE solo tendría que ser del 11,3 %. . Según las proyecciones para los LED UV, se espera que el WPE de los LED UV entre 265 y 280 nm alcance aproximadamente el 20 % para 202534. Con un WPE del 20 %, el sistema de LED UV equivalente conduciría a una reducción del 24,6 % y el 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 las longitudes de onda alternativas, aunque el WPE de las lámparas no haya alcanzado paridad.

El rendimiento mejorado al comparar el uso bruto de energía para las fuentes de luz LED y LP se ve reforzado por los beneficios prácticos del uso diario a gran escala de las tecnologías LED. Por ejemplo, los LED UV se pueden atenuar, aumentar y apagar durante los momentos en que no se requiere desinfección. Los sistemas LP generalmente 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 necesita investigación y evaluación adicionales de estas mejoras inherentes para cuantificar mejor los beneficios de los LED UV sobre las tecnologías de desinfección tradicionales.

A partir de 2020, había 1866 plantas de tratamiento de aguas residuales en Canadá. Aproximadamente el 25 % de las WWTF, menos las lagunas, se pusieron en servicio entre 2010 y 202035. Las 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 se necesitarán grandes mejoras en las instalaciones de tratamiento de aguas residuales del país. Se prevé que las tecnologías LED UV maduren aún más 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 de la Regulación de efluentes de los sistemas de aguas residuales recopila datos de sistemas y efluentes de las instalaciones de tratamiento de aguas residuales en 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 usan desinfección UV como tratamiento final antes de la descarga. En la Fig. 4 se proporciona la ubicación y el tamaño de estos sistemas basados en el flujo diario promedio. Ontario, seguida 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 la desinfección. El inserto representa los flujos diarios totales de WWTF que usan tratamiento UV por provincia en Canadá.

Usando el caudal como una medida de cuán 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 del lago Springfield con un flujo de referencia de 1363 m3 día−1 y un uso anual de energía de 5781,6 kWh, se calcularon las estimaciones del consumo anual de energía en los totales provinciales. Además, utilizando los perfiles energéticos provinciales proporcionados por el Gobierno de Canadá, se estimó el CO2(e) anual generado38. Luego, estos valores se usaron para evaluar el escenario en el que todas las instalaciones cambiaron a sistemas LED UV con un 20 % de eficiencia de WPE. Este análisis indica que se puede lograr una reducción anual de 946 toneladas de CO2(e) mediante la operación de sistemas de desinfección UV LED (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 de materiales, pueden contribuir a la huella de carbono general de una tecnología de tratamiento. . Un estudio reciente realizado por McKee y Chatzisymeon39 utilizó un LCA para examinar las diferencias de sostenibilidad entre un sistema de tratamiento fotocatalítico UV LED/TiO2 y un sistema de tratamiento fotocatalítico UV/TiO2 a base de mercurio para eliminar el bisfenol-A del agua contaminada a escala de laboratorio. Los autores encontraron que el tratamiento UV LED redujo el impacto ambiental en un 40 % y sugieren que la mayor parte de la reducción se debe a la reducción del consumo de energía, el aumento de la vida útil y la naturaleza libre de mercurio de la unidad UV LED. Además, los autores señalan que la mayor parte del impacto ambiental está relacionado con el consumo de energía del tratamiento, lo que indica que la reducción del consumo de energía tendrá el mayor impacto en la sostenibilidad. Si bien un LCA 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 al usar longitudes de onda de 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 UV LED son capaces de lograr un rendimiento suficiente a gran escala y pueden superar a las tecnologías tradicionales en fluencias congruentes. Los cambios en la calidad del agua en la WWTF durante el transcurso del muestreo también indican que la desinfección con LED UV brinda un tratamiento sólido. Además, las comparaciones de energía completadas 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 a fluencias comparables tienen mayores implicaciones a medida que las tecnologías UV LED se llevan a los 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 planta de tratamiento de aguas residuales municipal. Los sistemas LED UV también deben cuantificarse mejor para comprender los ahorros de energía potenciales obtenidos de 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 pedido razonable.

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Este estudio fue financiado con el apoyo de una subvención de la Alianza NSERC [ALLRP 568507 - 2021] y una subvención de desarrollo e investigación colaborativa 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 extender su agradecimiento 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 de Dalhousie Halifax, Halifax, NS, B3H 4R2, Canadá

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

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

Richard M Simons

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Correspondencia a Amina K. Stoddart.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

MacIsaac, SA, Rauch, KD, Prest, T. et al. Rendimiento de desinfección mejorado para LED de 280 nm sobre lámparas UV de baja presión de 254 nm en aguas residuales comunitarias. Informe científico 13, 7576 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34633-7

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Recibido: 05 enero 2023

Aceptado: 04 mayo 2023

Publicado: 10 mayo 2023

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

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