Design- und Leistungsvalidierung eines High-Flow-Wasserdesinfektionsmoduls basierend auf UVC-LED-Technologie

Abstrakt

Die Wasserdesinfektion stellt eine entscheidende Barriere gegen die Übertragung wasserbedingter pathogener Mikroorganismen dar. In Anwendungen wie der industriellen Wasseraufbereitung, der zentralen Trinkwasserversorgung und Druckwasserzirkulationssystemen besteht ein immer dringenderer Bedarf an Desinfektionsgeräten, die eine hohe Verarbeitungskapazität, robuste Druckbeständigkeit und umweltfreundliche Betriebssicherheit vereinen. Herkömmliche Wasserdesinfektionsmodule unterliegen jedoch häufig technischen Einschränkungen – einschließlich begrenzter Durchflussraten, unbeabsichtigter Erzeugung von Ozonnebenprodukten und unzureichender Drucktoleranz –, die ihren stabilen Betrieb unter Bedingungen hoher Intensität und hohem Druck beeinträchtigen. Diese Studie stellt ein neuartiges Wasserdesinfektionsmodul mit hohem Durchfluss und einer Nennverarbeitungskapazität von 48 l/min vor, das physikalische UVC-LED-Technologie (Ultraviolet-C Light-Emitting Diode) nutzt, um einen ozonfreien und sicheren Betrieb während des gesamten Aufbereitungsprozesses zu gewährleisten. Durch das hochfeste integrierte hydraulische Architekturdesign und die optimierte räumliche Anordnung der lichtemittierenden Komponenten weist das Modul eine stabile strukturelle Integrität unter Drücken von bis zu 1,0 MPa auf, ohne erkennbare Leckagen oder Verformungen. Die mikrobiologische Leistung wurde streng nach internationalen Wasserdesinfektionsstandards bewertet, wobei Escherichia coli (E. coli) 8099 und Escherichia coli (E. coli) ATCC 25922 als Indikatorstämme verwendet wurden. Die Ergebnisse zeigten, dass das Modul unter kontinuierlichen Durchflussbedingungen bei 48 l/min durchweg eine Inaktivierungseffizienz von 5 log (99,999 %) gegen E. coli erreichte und damit die strengen mikrobiellen Sicherheitsanforderungen sowohl für Trinkwasser- als auch für industrielle Prozesswasseranwendungen erfüllte. Durch die Überwindung der Kerneinschränkungen herkömmlicher Desinfektionssysteme bietet dieses Modul integrierte Vorteile wie hohen Durchflussdurchsatz, keine Bildung chemischer Nebenprodukte und außergewöhnliche Druckanpassungsfähigkeit. Damit bietet es eine zuverlässige, skalierbare technische Lösung für hochintensive Hochdruckwasserdesinfektionsszenarien in verschiedenen industriellen und kommunalen Umgebungen.

Schlüsselwörter: Wasserdesinfektion mit hohem Durchfluss; UVC-LED, UVC-Bestrahlung; 5-Log-Inaktivierung; Escherichia coli; Ozonfrei

2.1. Design und Strukturparameter des Desinfektionsmoduls

Das von MASSPHOTON LIMITED unabhängig entwickelte 48-Liter-Wasserdesinfektionsmodul mit hohem Durchfluss verfügt über eine durchgehende, monolithische Durchflussarchitektur, die eine direkte Integration in Druckwasserleitungssysteme ermöglicht, ohne dass zusätzliche Pumpgeräte erforderlich sind, und so eine unkomplizierte Installation und Bereitstellung erleichtert. Das Modul nutzt UVC-LED-Technologie und emittiert im Spektralband 270–280 nm. Durch die Optimierung der Materialzusammensetzung der UVC-Lampenhülsen und die Verfeinerung des Treiberschaltkreisdesigns wird die Ozonerzeugung grundsätzlich eliminiert und sichergestellt, dass im behandelten Abwasser kein Ozon mehr vorhanden ist.

Die Druckfestigkeit von 1,0 MPa wird durch hochpräzise Schweißprozesse, ein zweilagiges O-Ring-Dichtungssystem und eine verstärkte Flanschkonfiguration erreicht. Die strukturelle Integrität dieser Konstruktion kann durch interne hydrostatische Drucktests, die in der Produktionsanlage durchgeführt werden, zuverlässig validiert werden. Die wichtigsten Designmerkmale und ein Foto des Prototypmoduls sind in Abb. 1 dargestellt. Sensoren sind in das Modulgehäuse integriert und über ein einheitliches Schnittstellensystem verbunden, das aus Schnellkupplungssteckverschraubungen, speziellen Sensoranschlüssen und standardisierten Schnellverbindungsadaptern besteht. Diese integrierte Verbindungsstrategie minimiert die Gesamtanzahl der Komponenten der Hydraulikbaugruppe und rationalisiert sowohl die Fertigungsmontage als auch die Installationsverfahren vor Ort. Die Steuerplatine erfasst Echtzeit-Ausgangssignale von den eingebetteten Sensoren, um eine automatische Start-/Stopp-Steuerung des UVC-LED-Wasserdesinfektionsmoduls zu ermöglichen. Gleichzeitig überwacht der Controller kontinuierlich den Betriebsstrom der UVC-LED-Arrays und die UVC-Ausgangsbestrahlungsstärke in Echtzeit. Bei Erkennung anormaler Betriebsparameter löst das System über Statusanzeige-LEDs visuelle Alarme aus, um eine sofortige Fehlerdiagnose und Betriebswarnungen bereitzustellen.

Abb. 1. Strukturdesign und Prototyp des 48L-Wasserdesinfektionsmoduls mit hohem Durchfluss. (a) Explosionszeichnung der Modulbaugruppe: 1: Wasserdurchflusssensor; 2: Zierring aus Silikon; 3: Quarzhülse; 4: UVC-reflektierende Materialien mit hohem Reflexionsvermögen; 5: Aluminiumgehäuse; 6: UVC-LED-Arrays; (b) Foto des zusammengebauten 48-L-Wasserdesinfektionsmodul-Prototyps.

Tabelle 1 zeigt einen Vergleich zwischen dem MS-Produkt und ähnlichen auf dem Markt erhältlichen Produkten. Es ist ersichtlich, dass das MS-Produkt herausragende umfassende Leistungsvorteile bei Schlüsselindikatoren wie Durchflussrate, Druckbeständigkeit, Energieverbrauch und Lebensdauer bietet.

Tabelle 1. Vergleich von MASSPHOTON MP-UVC-48LB mit Produkten anderer Marken.

Als Indikatorstämme für die mikrobiologische Bewertung wurden E. coli 8099 und E. coli ATCC 25922 ausgewählt. Beide Stämme werden in der chinesischen nationalen Norm GB 28235-2020 [17] und der internationalen Norm ISO 6222:1999 [18] als Referenzmikroorganismen zur Bewertung der Wirksamkeit der Wasserdesinfektion empfohlen. Stämme wurden in Luria-Bertani (LB)-Flüssigbrühe inokuliert und bei 37 °C unter ständigem Rühren 18–24 Stunden lang inkubiert. Die resultierenden Bakteriensuspensionen mit einer Konzentration von etwa 5,0×10⁴-5,0×10⁶ (KBE/ml) dienten als Zulaufwasserproben für Desinfektionstests.

Die Desinfektionsleistung wurde mithilfe eines Versuchsstands mit kontinuierlichem Durchfluss bewertet. Das Modul wurde unter seinen Nennbedingungen von 48 l/min Durchflussrate und 1,0 MPa Systemdruck betrieben, um reale hydraulische Szenarien zu simulieren. Zufluss- (Vorbehandlung) und Abwasserproben (Nachbehandlung) wurden aseptisch gesammelt und nach Bedarf seriellen Dezimalverdünnungen unterzogen. Aliquots wurden auf Nähragarmedien ausplattiert und 24 Stunden lang bei 37 °C inkubiert. Anschließend wurden die sichtbaren Kolonien gezählt.

Die Effizienz der mikrobiellen Inaktivierung wurde mithilfe des logarithmischen Reduktionswerts (LRV) quantifiziert, der gemäß der folgenden Gleichung berechnet wurde:

LRV = log₁₀(N₀/N)

Dabei bezeichnet N₀ die Konzentration lebensfähiger Zellen im Zulauf (KBE/ml) und N die Konzentration lebensfähiger Zellen im Ablauf (KBE/ml).

Bewertung der Betriebstemperatur: Das Modul wurde mit sterilem entionisiertem Wasser gefüllt und mithilfe einer Hydraulikpumpe auf einen Druck von 1,0 MPa gesetzt. Die Verteilung der Oberflächentemperatur und die Integrität der Dichtungen wurden über einen Betriebszeitraum von 30 Minuten kontinuierlich überwacht, um potenzielle Probleme zu identifizieren, darunter übermäßiger Wärmeanstieg, O-Ring-Leckage oder -Verformung und abnormale Druckabfälle.

Erkennung der Ozonkonzentration: Unter kontinuierlichen Betriebsbedingungen wurde die Ozonkonzentration im Abwasser in Echtzeit mit einem kalibrierten tragbaren Ozonanalysator gemessen (Nachweisgrenze: ≤0,001 mg/L). Durch dieses Verfahren wurde die ozonfreie Betriebsleistung des Moduls überprüft und die Einhaltung strenger Sicherheitsanforderungen für die Wasserqualität sichergestellt.

3.1. Escherichia coli-Inaktivierungsleistung

3.1.1. Inaktivierungswirksamkeit gegen E. coli 8099

Tabelle 2. Inaktivierungseffizienz gegen E. coli 8099 unter kontinuierlichen Durchflussbedingungen.

Abb. 2. Inaktivierungsleistung gegen Escherichia coli des 48-l-Wasserdesinfektionsmoduls mit hohem Durchfluss unter Nennbetriebsbedingungen.

Die experimentellen Ergebnisse bestätigen, dass das Modul unter Nennbetriebsbedingungen durchweg eine Reduzierung um mindestens 5 Log (≥99,999 % Inaktivierung) gegen E. coli 8099 erreicht (Abb. 2). Die beobachtete Desinfektionswirksamkeit übertrifft die Designspezifikation erheblich, wobei die E. coli-Konzentrationen im Abwasser unter die Nachweisgrenze der Methode fallen (<1 KBE/ml). Diese Ergebnisse belegen die vollständige Einhaltung der mikrobiologischen Sicherheitsanforderungen der chinesischen nationalen Norm GB 28235-2020 für Trinkwasserdesinfektionsgeräte [19].

3.1.2. Inaktivierungswirksamkeit gegen E. coli ATCC 25922

Um die Desinfektionszuverlässigkeit des Moduls durch unabhängige Überprüfung weiter zu validieren, wurden mikrobiologische Tests gegen E. coli ATCC 25922 von einer akkreditierten externen Testinstitution durchgeführt. Das Modul wurde während der gesamten Bewertung unter seinen Nennbedingungen von 48 l/min Durchflussrate und 1,0 MPa Systemdruck betrieben. Die entsprechenden mikrobiellen Inaktivierungsergebnisse sind in Tabelle 3 zusammengefasst.

Um die Wärmemanagementfähigkeit des Moduls bei anhaltendem Hochdruckbetrieb zu bewerten, wurde ein kontrollierter Wärmeableitungstest durchgeführt. Die Testkammer wurde mit sterilem entionisiertem Wasser gefüllt und das Modul wurde bei Betrieb mit der Nennstromaufnahme auf einen Druck von 1,0 MPa gesetzt. Die Verteilung der Oberflächentemperatur im gesamten Modulgehäuse wurde kontinuierlich über einen stationären Betriebszeitraum von 30 Minuten mit einem kalibrierten digitalen Thermoelement-Thermometer überwacht. In vordefinierten Intervallen wurden Temperaturwerte aufgezeichnet, um die thermische Stabilität zu bewerten, potenzielle Hotspots zu identifizieren und die Wirksamkeit des passiven Wärmeableitungsdesigns unter realistischen hydraulischen und elektrischen Belastungsbedingungen zu überprüfen.

Messungen der Ozonkonzentration im Abwasser zeigten, dass der Ozongehalt im behandelten Wasser während des kontinuierlichen Modulbetriebs durchweg unter der Nachweisgrenze der Analysemethode von 0,001 mg/L blieb, wodurch eine echte ozonfreie Desinfektion erreicht wurde. Die Ozonrestkonzentration sowohl im fertigen Wasser als auch in den Proben des Verteilungssystems entspricht der Anforderung von ≤ 0,1 mg/L, die in den WHO-Richtlinien für die Qualität von Trinkwasser festgelegt ist [19]. Im Gegensatz zu herkömmlichen UV-Desinfektionsmodulen, die aufgrund der Wechselwirkung von Vakuum-UV-Emissionsbändern mit gelöstem Sauerstoff Spuren von Ozon erzeugen können, eliminiert das vorliegende Modul grundsätzlich die Risiken, die mit Ozonrückständen und sekundärer chemischer Kontamination verbunden sind. Aufgrund dieser Eigenschaft eignet sich das System besonders gut für Anwendungen mit strengen Anforderungen an die Wasserqualität und die organoleptischen Anforderungen, wie z. B. die kommunale Trinkwasserversorgung, die Lebensmittel- und Getränkeverarbeitung, pharmazeutische Wassersysteme und andere sensible Industrieprozesse.

Diese Studie stellt den Entwurf und die Entwicklung eines Wasserdesinfektionsmoduls mit hohem Durchfluss und einer Nennverarbeitungskapazität von 48 l/min vor, das drei zentrale technologische Fortschritte integriert: (i) Die Optimierung der optischen UVC-Konfiguration und der hydraulischen Architektur gewährleistet eine konsistente ≥5-log-Inaktivierung von E. coli unter Bedingungen mit hohem Durchfluss und entspricht vollständig den strengen mikrobiellen Sicherheitsstandards für aufbereitetes Wasser. (ii) Durch die Implementierung eines ozonfreien spektralen Emissionsdesigns wird das Risiko einer sekundären chemischen Kontamination im Abwasser grundsätzlich eliminiert. und (iii) die Integration einer hochintegrierten, druckbeständigen Dichtungsstruktur ermöglicht einen stabilen Betrieb bei 1,0 MPa ohne Leckage oder strukturelle Verformung bei längerem Gebrauch. Darüber hinaus hält das Modul ein dynamisches internes thermisches Gleichgewicht aufrecht, wodurch eine temperaturbedingte Verschlechterung der LED-Strahlungsleistung und eine vorzeitige Alterung verhindert werden, wodurch eine langfristige Betriebszuverlässigkeit gewährleistet wird. Insgesamt bietet dieses Modul eine neuartige und robuste technische Lösung für die Hochdruckwasserdesinfektion mit hohem Durchfluss und weist ein erhebliches Potenzial für den Einsatz in kommunalen Wasserversorgungsnetzen, industriellen Prozesssystemen und Umweltsanierungsanwendungen auf. Insbesondere für Systeme, die mit intermittierenden oder variablen Arbeitszyklen betrieben werden, stellt die UVC-LED-Technologie aufgrund ihrer sofortigen Schaltfähigkeit und Unempfindlichkeit gegenüber einer zyklischen Verschlechterung der Lebensdauer die wettbewerbsfähigste Alternative zu herkömmlichen Entladungslampen dar. Zukünftige Forschung wird sich auf die Optimierung der Energieeffizienz des Systems und die Validierung der Desinfektionswirksamkeit unter komplexen Wasserqualitätsbedingungen, insbesondere solchen mit geringer UV-Durchlässigkeit, konzentrieren, um den Einsatzbereich und die praktische Anwendbarkeit dieser Technologie weiter zu erweitern.

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