An investigation of turbidity and absorbance effect on UV disinfection performance for water and wastewater treatment

In water and wastewater treatment systems, turbidity and absorbance are well-recognized as factors that can affect ultraviolet (UV) disinfection performance, resulting in less efficient pathogen inactivation. However, further studies are required to improve the description in a quantitative way to enhance engineering applications based on UV disinfection. This study aims at (i) investigating the turbidity and absorbance effect on UV inactivation of Escherichia coli (E. coli) in three different sample depth conditions (1, 2.5, and 4 cm) using a standard bench-scale collimated beam (CB) apparatus, (ii) modeling the effect of turbidity and absorbance on UV radiation in CB apparatus, and (iii) modeling the turbidity and absorbance effect on E. coli and MS2 inactivation in a small-scale UV disinfection reactor. A computational fluid dynamics (CFD) software was used for both modeling activities. E. coli inactivation experiments and the obtained general linear model (GLM) indicated the significant effect of turbidity, absorbance, and their interaction on UV disinfection. Moreover, the inactivation rate decreased by increasing the sample depth from 1 to 4 cm for the same applied UV dose and optical properties. The E. coli dose-response curve in sample depth of 4 cm was effectively described by a linear regression model characterized by an inactivation rate constant of 0.67 cm2/mJ. The results of relative corrected UV doses and relative inactivation rates obtained from GLM indicated the need for another correction factor to consider the scattering effect caused by turbidity. However, the CB apparatus modeling results were not accurate enough to use the simulated average radiation for determining a related-turbidity correction factor. UV disinfection reactor modeling results indicated that the effect of absorbance on microbial inactivation was prevalent with respect to turbidity. According to reactor modeling results, high UV doses were applied in the UV disinfection reactor, resulting in E. coli complete inactivation, unlike MS2. CFD simulations could effectively predict inactivation results for MS2 obtained during field experiments on two real water matrices.

Nel trattamento delle acque, la torbidità e l'assorbanza sono fattori noti per influenzare le prestazioni della disinfezione con radiazione ultravioletta (UV), condizionando negativamente le efficienze di inattivazione. Tuttavia, ulteriori studi sono necessari ad approfondire la conoscenza di tali fenomeni per migliorare le applicazioni ingegneristiche. Questo studio mira a (i) indagare l'effetto di torbidità e assorbanza sull'inattivazione di Escherichia coli (E. coli) in tre diverse condizioni di spessore del campione (1, 2,5 e 4 cm) utilizzando un apparato di irraggiamento a radiazione collimata (CB) da banco (ii) modellare l'effetto della torbidità e dell'assorbanza sulla radiazione UV nell'apparato CB, e (iii) modellare l'effetto di torbidità e assorbanza sull'inattivazione di E. coli e MS2 in un reattore di disinfezione UV a piccola scala. La modellazione è stata condotta con un software di fluidodinamica computazionale (CFD). Gli esperimenti di inattivazione di E. coli e il modello lineare generale (GLM) ottenuto hanno indicato l'effetto significativo di torbidità, assorbanza e della loro interazione sulla disinfezione UV. Inoltre, il tasso di inattivazione è diminuito aumentando la profondità del campione da 1 a 4 cm a parità di dose UV applicata e proprietà ottiche. La curva dose-risposta di E. coli in campioni di spessore 4 cm è stata efficacemente descritta da un modello di regressione lineare caratterizzato da una costante del tasso di inattivazione di 0.67 cm2/mJ. L’analisi dei dati sperimentali ha indicato la necessità di un ulteriore fattore di correzione per considerare l'effetto di diffusione causato dalla torbidità, seppur i risultati della modellazione dell'apparato CB non si siano mostrati sufficientemente accurati per determinare tale fattore. I risultati della modellazione del reattore UV hanno evidenziato che l'effetto dell'assorbanza sull'inattivazione microbica è prevalente rispetto alla torbidità. Le dosi UV stimate dal modello hanno predetto la completa inattivazione di E. coli, a differenza di MS2. Infine, le simulazioni sono state efficaci nel predire l’inattivazione su MS2 ottenuta in esperimenti di campo su due matrici acquose.