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Theorie der UV-Desinfektionsreaktoren

Vor der Darstellung der einzelnen UV-Reaktoren sollen die physikalischen Zusammenhänge zwischen der Wirkung der UV-Desinketion und der Gestaltung der UV-Reaktoren kurz erläutert werden:
Im Rahmen eines sehr umfassenden BMBF Forschungsvorhabens, wurde eine große Zahl biologischer Spezies (Bakterien, Viren, Pilze etc.) mit UV-Licht der Wellenlänge 254 nm (Hauptemissionslinie des Hg-Niederdruckstrahlers) bestrahlt und die Wirkung der UV-Desinfektion untersucht. Danach wurde in Abhängigkeit von der UV-Dosis (heute richtiger Bestrahlung genannt) die Abtötungsrate bestimmt. Basierend auf diesen Untersuchungen wurde z.B. für Trinkwasser die Mindestbestrahlung von 400 J/m² festgelegt, weil dabei alle für das Trinkwasser relevanten Keime (z.B.: coliforme Keime) um mindestens 4 Zehnerpotenzen (99,99%) reduziert werden.

: UV-Spektrum und Inaktivierungskurve der DNA

UV-Reaktoren müssen also in der Lage sein mit einer vorgegebenen UV-Bestrahlung auf das Wasser einzuwirken. Dabei spielen die Absorption von UV-Licht in Wasser, die Geometrie der Bestrahlungskammer, die Verweilzeit und die Verweilzeitverteilung des Wassers im UV-Reaktor eine wesentliche Rolle. UV-Licht erleidet beim Durchgang durch eine Materieschicht eine Schwächung, die mit dem Gesetz von Lambert-Beer beschrieben wird:

Dabei entspricht I₀ der einfallenden Intensität [gemessen in W] und I der Intensität, die am Aufpunkt x herrscht. Die Größe SAK heisst Spektraler Absorptionskoeffizient und ist eine Eigenschaft der Flüssigkeit, die durch das Strahlungsfeld fliesst. Er hat die Dimension [1/Länge]. Damit herrscht am Punkt X₁ die Bestrahlung:

Die Bestrahlung (Dosis) ist eine physikalische Größe, in die die Intensität, die Verweilzeit (richtiger die Verweilzeitverteilung) und die Fläche eingeht, die bestrahlt werden soll:

Beziehung zwischen SAK und der Transmission für verschiedene Weglängen des UV-Lichts bei der Desinfektion (Wellenlänge 254 nm)
SpektralerAbsorptionsKoeffizient	UV-Transmission (Weglänge)
SAC in 1/m	T (1cm) in %	T (5cm) in %	T (10cm) in %
0,5	99	95	90
1	98	90	82
2	95	79	63
5	89	56	31
10	79	30	9
15	70	17	3
20	62	9	1
25	56	6	0,5
30	50	3	0,1

Die Berechnung der UV-Reaktoren ist eine wichtige Grundlage zur Auslegung. Die konventionellen UV-Desinfektionsreaktoren weisen eine sehr komplexe Verweilzeitverteilung auf. Daher ist eine exakte rechnerische Auslegung praktisch nicht möglich. a.c.k. verwendet ausschließlich UV-Anlagen mit einer Rotationsströmung. Ein zentrales Quarzglasrohr beherbergt alle UV-Strahler und im darum herum befindlichen Ringspaltraum rotiert die Flüssigkeit um die Reaktorachse (Siehe Abbildung Rotationsströmung).
Diese Strömung kann exakt berechnet werden:

Veranschaulichung der Rotationsströmung im a.c.k.-UV-Desinfektionsreaktor. Das enge Verweilzeitspektrum im Rotationskörper führt zu einer berechenbaren Strömung.

: Rotationsströmung im UV-Reaktor

Die wesentlichen Vorteile dieser UV-Anlagen sind:

Die Rotationssymmetrie erlaubt eine vergleichsweise einfache Berechnung des Reaktors. Auf diese Weise kann a.c.k. als einziger Hersteller von UV-Reaktoren den Reaktor auf den Punkt genau auslegen.
Es wird ein enges Verweilzeitverhalten erreicht, d.h. alle Volumenelemente werden gleich stark desinfiziert.
Die rotierende Flüssigkeit wirkt auf das zentrale Quarzglasrohr abrassiv, so dass Ablagerungen auf dieser Quarzglasröhre entgegengewirkt wird.
Die hohe Turbulenz bewirkt eine gute Durchmischung der Flüssigkeit und gewährleistet eine optimale Entkeimung.
Beim a.c.k. - Reaktorsystem wird die integrale Leistung aller Strahler überwacht, d.h. das ausgegebene Signal gibt die tatsächliche Situation in hervorragender Weise wieder (siehe Abbildung der MicroUV® NT Reaktoren).

Die integrale Erfassung der UV-Dosis im a.c.k. - MicroUV® - Reaktor führt zu einer sinnvollen Messanordnung mit maximaler Verlässlichkeit.

: MicroUV®-Reaktordesign

Primitives Reaktordesign führt zu entscheidenden Nachteilen

UV-Reaktoren mit dem Schema in Bild "Konventionell", sollten auf alle Fälle nicht verwendet werden, da diese UV-Anlagen eine ganze Reihe von Nachteilen aufweisen:

Auf dem Weg A ist die Verweilzeit zu kurz, das heißt es findet keine ausreichende Keimabtötung statt, und auf dem Weg B ist die Verweilzeit unnötig lange, d.h. es wird Energie verschwendet.
Es stellt sich eine Kurzschlussströmung ein, die häufig durch eine erhöhte Strahlerleistung ausgeglichen werden soll. Die bedeutet höhere laufende Kosten durch erhöhten Energieverbrauch und durch höhere Kosten der UV-Strahler.
Weiterhin sedimentieren Partikel sehr leicht in derartigen UV-Reaktoren, weshalb oft eine mechanische Reinigung notwendig ist.
Einen weiteren Nachteil der konventionellen Bauweise stellt die sehr eingeschränkte Funktionalität der UV-Sensoren zur Überwachung der UV-Dosis dar. Beim konventionellen Reaktor wird (fast) immer nur das Signal eines Strahler als Referenz gemessen. Dies kann zu einer ganzen Reihe von Fehlern führen: Sind zum Beispiel alle UV-Strahler alt, und nur der gemessene neu, so liegt die ausgegebene UV-Dosis weit über dem tatsächlichen Wert. Ein sehr unbefriedigender Zustand scheinbarer Sicherheit.