Grupa naukowców z Działu Nauki Sensor pml jest częścią projektu, który będzie miał bezpośredni wpływ na poprawę bezpieczeństwa wody pitnej w kraju.
Ostatnie zmiany w przepisach Agencji Ochrony Środowiska (EPA) dotyczące uzdatniania wód powierzchniowych nakazują między innymi bardziej agresywne monitorowanie i kontrolę różnych patogenów, w szczególności Cryptosporidium. Ten mikrob, który może powodować poważne choroby lub śmierć, jest wysoce odporny na praktyki dezynfekcji na bazie chloru. Jako jeden ze sposobów na zmniejszenie zagrożenia, EPA wezwała do oczyszczania wody promieniowaniem ultrafioletowym (UV), które służy również jako "bariera wtórna" do inaktywacji (zapobiegania rozmnażaniu) innych kluczowych patogenów, takich jak adenowirus i inne wirusy, a także bakterii i pasożytów, takich jak Giardia.
Woda jest uzdatniana przez cylindryczne lampy UV zawieszone w rurach, a oświetlenie jest monitorowane przez sąsiednie czujniki. Każdy patogen ma inną reakcję inaktywacji na różne długości fal, a teraz wydaje się, że niektóre patogeny są najbardziej podatne na długości fal krótsze niż najkrótsze w widmie wytwarzanym przez konwencjonalne lampy. Ostatnie postępy w technologii lamp UV średniego ciśnienia (MP) doprowadziły jednak do zwiększenia mocy światła UV przy długościach fal poniżej 240 nm, co skłoniło naukowców do zajęcia się wieloma nierozwiązanymi kwestiami.
Pytania te obejmują: Które długości fal lub kombinacje długości fal (określane jako "widma działania") są najskuteczniejsze w odniesieniu do patogenów? Ile napromieniania jest wymagane do osiągnięcia "4-log" (99,99%) inaktywacji dla różnych drobnoustrojów? W jaki sposób nowa generacja źródeł i czujników UV może być niezawodnie kalibrowana i zatwierdzana w obiektach wodnych każdej wielkości w Całej Ameryce? I jak dokładnie łagodne drobnoustroje, stosowane jako zastępcze patogeny przez zakłady badawcze, reprezentują wydajność inaktywacji w mikroorganizmach docelowych o różnych długościach fal?
Wszystkie te pytania i inne są badane przez wieloorganizmowy projekt współpracy, kierowany przez Karla Lindena z University of Colorado i finansowany przez Water Research Foundation*, w celu opracowania wytycznych dotyczących testowania przyszłych systemów wykorzystujących lampy rtęciowe MP jako źródła PROMIENIOWANIA UV.
"Większość danych widmowych dla różnych patogenów została utworzona dla niskociśnieniowych lamp rtęciowo-parowych jako źródeł UV wewnątrz rur wodnych", mówi Thomas Larason z Grupy Promieniowania Optycznego NIST, która kieruje wkładem PML w projekt wodny. "Lampy te wytwarzają stosunkowo wąskie spektrum UV skoncentrowane na 254 nm, a czasami określane jako lampy "bakteriobójcze UV". Ale nowe zasady EPA wymagają wyższych dawek, a uwaga przesunęła się na źródła średniego ciśnienia, które wytwarzają znacznie szersze spektrum UV, w tym długości fal poniżej 240 nm, i oferują potencjalne oszczędności energii. Ale wpływ krótszych długości fal na patogeny nie zostały dobrze scharakteryzowane. W przypadku niektórych drobnoustrojów do tej pory przeprowadzono tylko jedno badanie."
Dane te sugerują, że istnieje dramatyczna rozbieżność w inaktywacji różnych drobnoustrojów przy różnych długościach fal poniżej 250 nm. Na początku tego roku grupa badawcza projektu wodnego odpowiedzialna za badanie tych efektów zapytała Larasona, czy PML może zapewnić precyzyjne dawki UV z urządzeń kalibrowanych przez NIST różnym bakteriom i wirusom w celu określenia ich widma działania. Larason wziął tę prośbę do PML SIRCUS (Spectral Irradiance and Radiance Responsivity Calibrations Using Uniform Sources) obiektu, który wykorzystuje stale przestrajalne lasery jako źródła napromieniania. W krótkim czasie pracownicy SIRCUS zabrali przenośny laser i aparaturę towarzyszącą do laboratorium testowego projektu w Vermont na badania, które mają się zakończyć pod koniec tego roku.
Sprzęt SIRCUS emituje promieniowanie z 210 nm w całym eksperymentalnym zakresie zainteresowania w postaci prawie koliimowanej wiązki, która uderza w próbki drobnoustrojów, które są przechowywane w płytkach Petriego umieszczonych poniżej wyjścia wiązki.
"Na tym etapie", mówi Larason, "dostarczamy sprzęt i wiedzę fachową, aby pomóc projektowi znaleźć rzeczywiste właściwości reakcji na dawkę dla różnych drobnoustrojów przy krótkich długościach fal. Między innymi, że określi, ile mocy potrzebujesz w lampie MP, co z kolei wpływa na koszty energii. Po tym, możemy skończyć się angażowanie się w opracowanie standardów kalibracji i walidacji dla źródeł i czujników w zakresie od 200 nm do 300 nm. Ale jest zbyt wcześnie, aby powiedzieć, dokąd to wszystko doprowadzi."
Nie jest jednak zbyt wcześnie, aby Amerykańskie Stowarzyszenie Wodociągów wyraziło swoje uznanie. We wrześniu 2012 roku w liście do dyrektor PML Katharine Gebbie stowarzyszenie pochwaliło "unikalną wiedzę i narzędzia" wniesione do projektu przez Larasona wraz z Keithem Lykke, Stevenem Brownem, Ping-Shine Shawem i Mike'em Linem z SIRCUS. Ich praca "dostarcza informacji krytycznych dla naszego zrozumienia inaktywacji patogenów przez o niskiej długości fali widma UV", który "określi projekt obróbki średniociśnieniowej obróbki UV w wodzie pitnej w Stanach Zjednoczonych", powiedział list.
Dzięki wkładowi naukowców NIST i sprzętu SIRCUS, współpraca ustaliła, że oleni fal odpowiedzialności konkretnych patogenów i związanych z nimi surogatów z większą dokładnością.
"Korzystając z przestrajanego lasera UV NIST, opracowaliśmy złoty standard pomiaru reakcji długości fali badanych drobnoustrojów i patogenów przenoszonych drogą wodną do zastosowań dezynfekcji UV w USA", mówi Harold Wright z Carollo Engineers, Inc. w Boise, ID, współautor projektu badawczego. "Pracowałem z Tomem Larasonem i ludźmi z NIST nad dwoma projektami dezynfekcji UV sponsorowanymi przez Water Research Foundation. W obu projektach wnieśli oni na stół poziom wiedzy specjalistycznej w zakresie stosowania i pomiaru światła ultrafioletowego, który nie ma sobie równych w naszej branży."
Współpraca może mieć również reperkusje wykraczające poza kwestię bezpieczeństwa wody pitnej. "Rozszerza obecne obszary badawcze przy minimalnych inwestycjach w nowy sprzęt i siłę roboczą", mówi Larason. "Ale ma również zastosowanie poza mikrobiologią do innych obszarów technologicznych, takich jak przetwarzanie materiału (utwardzanie PROMIENIOWANIEM UV), medyczne (urządzenia testowe, które mierzą ekspozycję na promieniowanie) i rozszerzone możliwości kalibracji dla napromieniania i dawki."
