Un grup de cercetători de la Divizia de Știință a Senzorilor a PML face parte dintr-un proiect care va avea un efect direct asupra siguranței îmbunătățite a apei potabile a națiunii.
Modificările recente ale normelor agenției pentru protecția mediului (APE) privind tratarea apelor de suprafață prevăd, printre altele, monitorizarea și controlul mai agresiv al diferiților agenți patogeni, în special al Cryptosporidium. Acest microb, care poate provoca boli grave sau deces, este foarte rezistent la practicile de dezinfecție pe bază de clor. Ca un mijloc de a reduce amenințarea, EPA a solicitat tratarea apei cu ultraviolete (UV) radiații, care servește, de asemenea, ca o barieră secundară pentru a inactiva (preveni reproducerea) alți agenți patogeni cheie, ar fi adenovirus și alte virusuri, precum și bacterii și paraziți, ar fi Giardia.
Apa este tratată cu lămpi UV cilindrice suspendate în țevi, iar iluminarea este monitorizată de unitățile de senzori adiacente. Fiecare agent patogen are un răspuns diferit de inactivare la lungimi de undă diferite, iar acum se pare că anumiți agenți patogeni sunt cei mai susceptibili la lungimi de undă mai scurte decât cele mai scurte din spectrul produs de lămpile convenționale. Cu toate acestea, progresele recente în tehnologia lămpilor UV de presiune medie (MP) au dus la creșterea producției de lumină UV la lungimi de undă mai mici de 240 nm, determinând cercetătorii să abordeze numeroase întrebări nerezolvate.
Aceste întrebări includ: Care lungimi de undă sau combinații de lungimi de undă (denumite "spectre de acțiune") sunt cele mai eficiente asupra agenților patogeni? Câtă iradiere este necesară pentru a obține un "4-log" (99,99%) inactivare pentru diferiți microbi? poate fi calibrată și validată în mod fiabil o nouă generație de surse uv și senzori în instalațiile de apă de toate dimensiunile din America? Și cât de precis reprezintă microbii benigni, utilizați ca surogate patogene prin testarea instalațiilor, performanța de inactivare în microorganismele țintă la lungimi de undă diferite?
Toate aceste întrebări și multe altele sunt investigate de un proiect de colaborare multi-organizație, condus de Karl Linden de la Universitatea din Colorado și finanțat de Water Research Foundation*, cu scopul de a dezvolta în cele din urmă orientări pentru testarea viitoarelor sisteme folosind lămpi cu vapori de mercur MP ca surse UV.
"Majoritatea datelor de răspuns spectral pentru diferiți agenți patogeni au fost stabilite pentru lămpile cu vapori de mercur de joasă presiune (LP) ca surse UV în interiorul conductelor de apă", spune Thomas Larason de la NIST's Optical Radiation Group, care conduce contribuția LMP la proiectul apei. "Aceste lămpi produc un spectru UV relativ îngust centrat pe 254 nm și, uneori, denumite lămpi UV germicide. Dar noile norme APE necesită doze mai mari, iar atenția s-a mutat către surse de presiune medie, care produc un spectru UV mult mai larg, inclusiv lungimi de undă sub 240 nm, și oferă economii potențiale de energie. Dar efectele lungimilor de undă mai scurte asupra agenților patogeni nu au fost bine caracterizate. Pentru unii microbi, doar un singur studiu a fost făcut până acum."
Aceste date sugerează că există o disparitate dramatică în inactivarea diferiților microbi la diferite lungimi de undă sub 250 nm. La începutul acestui an, un grup de cercetare a proiectului de apă însărcinat cu studierea acestor efecte l-a întrebat pe Larason dacă LMP ar putea furniza doze UV precise de la dispozitive calibrate NIST la diverse bacterii și viruși pentru a determina spectrele lor de acțiune. Larason a adresat această cerere instalației SIRCUS (Spectral Iradiere și calibrare a responsabilității radianței utilizând surse uniforme), care utilizează lasere continuu tunabile ca surse de iradiere. Într-un timp scurt, personalul SIRCUS a luat un laser portabil și aparate asociate la laboratorul de testare a proiectului din Vermont pentru studii programate să se încheie la sfârșitul acestui an.
Echipamentul SIRCUS emite radiații de la 210 nm în întreaga gamă experimentală de interes sub forma unui fascicul aproape collimat care lovește probele microbiene, care sunt păstrate în vasele Petri plasate sub ieșirea fasciculului.
"În acest stadiu", spune Larason, "oferim echipamentul și expertiza pentru a ajuta proiectul să găsească caracteristicile reale doză-răspuns pentru diferiți microbi la lungimi de undă scurte. Printre altele, aceasta va determina câtă energie aveți nevoie în lampa MP, care, la rândul său, influențează costurile de energie. După aceea, am putea ajunge să ne implicăm în elaborarea standardelor de calibrare și validare pentru surse și senzori în intervalul de la 200 nm la 300 nm. Dar este prea devreme pentru a spune unde vor duce toate acestea."
Cu toate acestea, nu este prea devreme pentru Asociația Americană a Lucrărilor de Apă să își exprime aprecierea. Într-o scrisoare din septembrie 2012 adresată directorului PML Katharine Gebbie, asociația a lăudat "expertiza și instrumentele unice" aduse proiectului de Larason împreună cu Keith Lykke, Steven Brown, Ping-Shine Shaw și Mike Lin de la SIRCUS. Munca lor "este furnizarea de informații critice pentru înțelegerea noastră de inactivare patogene prin spectrul UV cu lungime de undă mică", care va "defini design de tratament pentru tratamentul UV de presiune medie în apa potabilă din Statele Unite", a spus scrisoarea.
Datorită contribuției cercetătorilor NIST și a echipamentelor SIRCUS, colaborarea a determinat responsabilitatea lungimii de undă a agenților patogeni specifici și a surogatelor asociate cu o precizie mai mare.
"Folosind laserul UV tunabil al NIST, am dezvoltat standardul de aur privind măsurarea răspunsului la lungimea de undă al microbilor de testare și al agenților patogeni pe apă pentru aplicațiile de dezinfecție UV din SUA", spune Harold Wright de la Carollo Engineers, Inc. din Boise, ID, un contribuitor la proiectul de cercetare. "Am lucrat cu Tom Larason și oameni buni de la NIST pe două proiecte de dezinfecție UV sponsorizat de Apă Research Foundation. Cu ambele proiecte, au adus la masă un nivel de expertiză în aplicarea și măsurarea luminii ultraviolete, care este de neegalat în industria noastră."
Colaborarea poate avea, de asemenea, repercusiuni dincolo de problema siguranței apei potabile. "Acesta extinde zonele actuale de cercetare cu investiții minime în echipamente noi și forță de muncă", spune Larason. Dar este, de asemenea, aplicabil dincolo de microbiologie în alte domenii tehnologice, ar fi prelucrarea materialelor (vindecarea UV), medicale (dispozitive de testare care măsoară expunerea la UV) și capacități extinse de calibrare pentru iradiere și doză.
