La disinfezione con i raggi ultravioletti

 

Gli impianti con lampade in grado di irradiare energia ultravioletta, trovano spazio ideale nel trattamento dell’aria, dell’acqua e delle superfici, perché svolgono un ruolo di protezione e bonifica ambientale, inarrivabile con altre tecnologie, senza, nello stesso tempo, sviluppare sottoprodotti nocivi per l’uomo e l’ambiente.

Il primo impianto pubblico per la disinfezione dell'acqua potabile con UV, fu realizzato a Marsiglia, in Francia, nel 1910. La concomitante pratica di utilizzare il cloro, disinfettante allora emergente, considerato efficace e di basso costo, relegò gli UV ad applicazioni speciali, prevalentemente industriali. Dagli anni 70, per l'accresciuta attenzione dell'opinione pubblica verso i sottoprodotti chimici del cloro, che hanno dimostrato di costituire un serio pericolo per la salute dell'uomo, l'interesse per la disinfezione dell’acqua con UV si è rinnovato. Oggi i sistemi UV, in ambito pubblico, sono largamente usati nel trattamento dell'acqua potabile e dei reflui depurati, contribuendo, in quest’ultimo caso, alla costituzione di risorse alternative di acqua da impiegarsi nell'irrigazione e nelle reti idriche industriali. La gamma delle applicazioni è divenuta molto estesa e non ci sono più limiti di trattamento per quantità di larga scala.

 

 

Le basi foto-biologiche della tecnica UV

L'effetto dei raggi UV sui microrganismi si può definire come un intervento di demolizione fotochimica del DNA, che impedisce alla cellula di riprodursi. Ciò avviene in corrispondenza dell’esposizione della cellula a radiazioni nella gamma UV-C, tra 200 e 310 nanometri. Si è dimostrato che la maggiore efficacia nella riduzione di colonie batteriche, si ottiene con radiazioni a 265 nanometri, emesse solo dalle lampade a media pressione. Le più diffuse lampade a bassa pressione, con un’unica emissione a 253,7 nanometri, hanno efficacia minore (1 rispetto a 1,15 di quelle a media pressione) non riescono, tra l’altro, ad impedire il fenomeno della fotoriattivazione del batterio.

 

 

Il dosaggio dei raggi ultravioletti

La capacità di disinfezione della radiazione UV, si esprime in termini di percentuale di sopravvivenza, di una data popolazione di microrganismi, evidenziando, percentualmente, quanti di questi sono in grado di riprodursi, dopo l’esposizione agli UV. Il danno sul microrganismo è il risultato dell’energia UV che lo colpisce per il tempo che ne è sottoposto.

La "funzione" risultante è definita Dose UV ed è indicata, prevalentemente, in mJ/cm².

Tra le varie specie di microrganismi, la sensibilità ai raggi UV è diversa anche in modo notevole e dipende da vari fattori:

 

• la frequenza delle "sequenze di basi", nel DNA, sensibili agli UV.
• la disponibilità e la forza dei meccanismi cellulari, per riparare i danni prodotti dagli UV.
• la permeabilità, agli UV, delle membrane cellulari esterne.

 

Per l’Escherichia Coli, ad esempio, batterio guida nell’attuale legislazione per l’inquinamento dell’acqua, la Dose UV necessaria per la riduzione del 90% delle sue “colonie”, indicata come D10, è di 5,4 mJ/cm2. Per riduzioni superiori al 90%, ove necessario, si applicano dosi multiple in funzione del risultato desiderato. Per ogni microrganismo conosciuto e catalogato, c’è un valore di D10 diverso. Per la disinfezione dell’acqua potabile è di recente emersa la pratica di applicare la Reduction Equivalent Dose, detta RED, che basa l’efficacia del trattamento UV su valutazioni biodosimetriche. La conseguenza di questa scelta, più conservativa e in linea con la maggior tutela della salute pubblica, implica valori di energia UV anche doppi rispetto all’impiego della dose UV average, di almeno 40 mJ/cm², considerata fino a qualche tempo fa sufficientemente adeguata. La disinfezione di acqua potabile con UV si propone oggi con particolare attenzione per l’eliminazione di Cryptosporidium parvum e Giardia.
Dosaggi maggiori possono essere necessari, per altre applicazioni, dipendendo ciò da diversi fattori quali l'assorbimento che il "mezzo" da disinfettare offre nei confronti dei raggi UV, il tipo di microrganismo e le esigenze di riduzione batterica richieste dallo specifico trattamento.

 

 

Sorgenti tecniche dei raggi UV

Le radiazioni ultraviolette, emesse in natura dal sole, sono oggi riprodotte artificialmente da dispositivi, chiamati lampade, costituiti da un involucro di quarzo tubolare, nella cui atmosfera, satura di gas di mercurio, è prodotta una scarica elettrica. La pressione di questo gas, all’interno dell’involucro, determina la quantità di energia ed il relativo spettro di emissione.

 

 

Tipologia dei dispositivi di emissione UV

Limitandoci ai dispositivi dedicati alla disinfezione ed altre applicazioni industriali, sono rilevabili due tipologie prevalenti, tra quelle in uso:

 

• Bassa pressione (Low Pressure)

Gli elementi che adottano questa tecnologia, sono genericamente indicati come “lampade” ed hanno una pressione interna del gas di mercurio minore di 103 Pa (10 mbar). L’emissione UV di queste lampade è definita monocromatica poiché la relativa curva ha una “campana” strettissima con picco a circa 254 nanometri. Un’altra sola emissione, a circa 185 nanometri, non è utilizzata per la disinfezione. Le lampade a bassa pressione sono dotate di filamenti agli estremi, il cui riscaldamento, per un breve tempo, favorisce l’innesco della scarica elettrica. In queste lampade l’impiego di altri elementi, quali l’Ittrio, in “amalgama” al mercurio, consente un’emissione di maggiore energia, a parità d’ingombro, ed una sostanziale insensibilità alle variazioni di temperatura.

 

• Media pressione (Medium Pressure)

 

Sono genericamente definite “lampade ad arco” (ARC tube) ed hanno una pressione interna, del gas di mercurio, di valore 104 - 106 Pa (100 mbar – 1 bar). Pur con dimensioni di circa due terzi inferiori, hanno energia UV-C di circa 10-15 volte superiore a quella delle lampade a bassa pressione.
L’emissione UV di queste lampade è definita policromatica, perché la curva di emissione ha una “campana” media ampia, con diversi picchi di emissione tutti utili per il processo di disinfezione ed altre applicazioni fotolitiche. All’interno della curva di emissione di queste lampade, è disponibile un picco di emissione, a 265 nanometri, più elevato degli altri, che è stato stabilito essere quello di maggiore influenza nel processo di demolizione del DNA dei microrganismi.
Le lampade a media pressione non hanno filamento e l’arco è innescato dalla pressione interna e da un valore di tensione, in corrente alternata, che va da 600 a 900 V circa. Le lampade a media pressione sono impiegabili con basse temperature dell’acqua e fino ad oltre 70 °C con valori di emissione in pratica costanti.

L'emissione UV delle lampade a media pressione ha un’elevata quantità di energia tra i 190 e i 350 nanometri, che sviluppano importanti reazioni fotochimiche nelle molecole complesse. Nelle acque destinate ad uso potabile l’applicazione, in associazione con altre sostanze ossidanti, quali il perossido d’idrogeno, è spesso risolutiva per l’eliminazione di taluni pesticidi.

 

 

Unità d’irradiazione UV

Per ottenere una riduzione di batteri elevata e affidabile, nella maniera anche più economica, è necessario che i raggi UV siano applicati in modo opportuno:

 

• Illuminazione, il più uniforme possibile, dell'area di esposizione ai raggi UV.
• Flusso dell’acqua il più costante possibile, nell'area di esposizione ai raggi UV.

 

Le unità di disinfezione UV più efficaci, si sono rilevate quelle in condotta di acciaio inossidabile, che operano sotto pressione o per caduta.

 

 

La trasmittanza

L'acqua può contenere sostanze disciolte o in sospensione, che rappresentano un problema per l'efficacia del processo. Il coefficiente di assorbimento dei raggi UV nell'acqua, espresso in %/cm, è definito Trasmittanza e deve essere compensato, secondo le applicazioni, con una maggiore emissione di energia UV. I solidi in sospensione invece, entro certi limiti, non interferiscono direttamente con la capacità di trasmissione dell'acqua ma sono particolarmente insidiosi per la capacità che offrono di formare dei "coni d'ombra" che impediscono ai raggi UV di colpire i microrganismi. Entrambi questi fattori devono essere tenuti in buona considerazione nel definire i dati di progetto di un impianto UV.

 

 

Campi di applicazione

L'impiego delle radiazioni UV trova particolare applicabilità dove è richiesto per l'acqua un elevato standard di qualità batteriologico e chimico.

 

 

Applicazioni in piscine pubbliche

 

Una citazione a parte, per la sua rilevante importanza, merita l’impiego degli UV in piscina. La disinfezione come finora esposta ha, infatti, nella circostanza, un ruolo secondario rispetto a quello che le lampade a media pressione svolgono nei confronti della capacità di riduzione dei sottoprodotti tossici e nocivi del cloro. Attuando una vera e propria bonifica dell’acqua e dell’aria, che aumenta il benessere dell’ambiente per i nuotatori e lo staff. Per questo scopo è prevista una dose UV doppia di quella necessaria per la sola disinfezione per cui quest’ultima funzione è conseguentemente esplicata con maggiore efficacia.

 

 

Modi applicativi

Poiché l’irradiazione UV non crea un effetto “deposito” nell’acqua, è importante che l'unità di disinfezione UV sia posta quanto più vicino è possibile al punto di utilizzo. Ciò è particolarmente importante quando l'acqua trattata contiene un grado elevato di sostanze nutrienti per i batteri, come l'acqua di scarico dei depuratori destinata al riutilizzo in impianti industriali, reti antincendio, irrigazione, ecc. Queste precauzioni, insieme alla buona progettazione del sistema d’irradiazione UV, consentono agli UV di costituire un metodo di disinfezione affidabile capace di eliminare qualsiasi tipo d’inquinamento batteriologico.

Nel Giugno 1998, emerse in occasione della "AWWA Annual Conference", di Dallas, che i raggi ultravioletti si confermavano come l'unico metodo praticabile per l’abbattimento delle famiglie di microrganismi patogeni, virus, muffe, alghe e altri batteri, refrattarie ai tradizionali metodi di disinfezione dell'acqua.

 

 

Gestione e manutenzione dei sistemi UV

Tra i fattori che possono costituire un incentivo all'impiego dei raggi ultravioletti, bisogna considerare anche il disagio degli operatori del ramo nei confronti di sostanze chimiche, spesso di pericolosa movimentazione, che devono essere trasportate anche in luoghi impervi con aumento dei rischi per il personale addetto. Anche per questo motivo i costi di gestione delle metodiche chimiche assumono spesso una rilevanza elevata.
Per i sistemi a raggi ultravioletti le spese rilevabili su base annua, sono determinate essenzialmente da:

 

• energia elettrica
• lampade di ricambio
• manutenzione ordinaria

I moderni sistemi UV hanno misuratori del livello di emissione che indica l'invecchiamento delle lampade o il loro sporcamento e sono equipaggiati con dispositivi automatici di pulizia, integrati nel reattore, che ne assicurano le migliori prestazioni nel tempo.