UV disinfection for low income communities : performance analysis

Many efforts have been devoted to achieving universal access to basic sanitation services, including safe and clean drinking water by 2030. However, there is a general lack of use of treatment processes designed to operate in poor communities, where high-technological solutions are not implementable for the scarcity of resources. This thesis focuses on ultraviolet (UV, meaning UVC) disinfection, within the GCRF-UKRI SAFEWATER project, which aims to provide safe drinking water to rural communities in Colombia and Mexico using point of use low-cost technologies. In detail, the present work aims at (i) assessing the influence of water quality parameters on UV disinfection performance, and (ii) modelling the investigated technological solution for process optimization and the development of process control strategies. Firstly, MS2 bacteriophage inactivation experiments were conducted in a collimated beam system and in a UV reactor system, determining: (i) the significant effect of transmittance and the insignificant one of turbidity on UV disinfection efficiency; (ii) the MS2 inactivation curve defined by two linear regressions: one for UV fluence from 10 – 90 mJ·cm-2 characterized by an inactivation rate of 0.050 cm2·mJ-1 and the other for UV fluence >90 mJ·cm-2 characterized by an inactivation rate of 0.0261 cm2·mJ-1; and (iii) the system performance achieving >3 log reduction values (LRV), for flowrates of 1.5 – 5.2 L/min with water having 100% transmittance at wavelength 254nm (UVT254) and no turbidity, while achieving a 3 LRV only for flowrate of 1.5 L/min with water having 77% UVT254 and 5.35 NTU. Then, UV disinfection process was modelled by coupling: (i) a flow model, simulating the reactor’s fluid dynamic behaviour, (ii) a discrete radiation model, simulating the radiative transfer behaviour, and (iii) the inactivation model based on the MS2 inactivation curve. The preliminary modelling determined a good fit of the simulated LRVs to the experimental LRVs, with about a 30% overestimation for flowrates of 3.0 and 5.2 L/min with 100% water UVT254 and a 22% overestimation for flowrate of 5.2 L/min with 77% water UVT254.

Negli ultimi anni, sono state intraprese molte azioni per garantire universalmente entro il 2030, un accesso sicuro ai servizi igienico-sanitari di base, pur osservando una carenza generale di processi di trattamento progettati per operare in comunità sottosviluppate. Questo lavoro di tesi si inserisce nel progetto GCRF-UKRI SAFEWATER, che mira a fornire acqua potabile in modo sicuro alle comunità rurali in Colombia e in Messico. Il presente elaborato si concentra sullo studio delle prestazioni del processo di disinfezione a radiazione ultravioletta (UV), con l’obbiettivo (i) di valutare l’influenza della qualità dell’acqua, misurata attraverso i parametri trasmittanza e torbidità, sull’efficienza del processo e (ii) di modellare tale processo, ponendo le basi per la sua ottimizzazione e lo sviluppo di strategie di controllo. Inizialmente, sono stati eseguiti esperimenti di inattivazione su batteriofago MS2, sia in un sistema collimatore che in un reattore continuo, determinando: (i) l’effetto negativo della trasmittanza sull’efficienza del processo e quello non significativo della torbidità; (ii) la curva di inattivazione di MS2 descritta da due rette spezzate: la prima per dosi UV comprese fra 10 e 90 mJ·cm-2, caratterizzata da un tasso di inattivazione di 0.050 cm2·mJ-1 e la seconda per dosi UV >90 mJ·cm-2, caratterizzata da un tasso di inattivazione di 0.0261 cm2·mJ-1; e (iii) la prestazione del sistema ottenendo un livello logaritmico di inattivazione (LRV) >3 per portate di 1.5–5.2 L/min con trasmittanza a lunghezza d’onda 254 nm (UVT254) di 100% e assenza di torbidità, ed ottenendo un LRV di 3 solamente per la portata di 1.5 L/min con UVT254 del 77% e torbidità di 5.35 NTU. Successivamente, tale processo è stato modellato integrando 3 modelli per la simulazione di: (i) comportamento fluidodinamico del reattore, (ii) trasferimento radiativo, e (iii) inattivazione di MS2. L’analisi preliminare sul modello sviluppato ha mostrato un buon adattamento dei LRV simulati ai LRV misurati sperimentalmente, con una sottostima del 30% per le portate di 3.0 and 5.2 L/min con UVT254 di 100%, e una sovrastima del 22% per la portata di 5.2 L/min con UVT254 di 77%.