مجله آب و فاضلاب

مجله آب و فاضلاب

شبیه‌سازی عددی و مقایسه چهار مدل مختلف راکتور UVC-LED برای ضدعفونی آب در محل مصرف با روش دینامیک سیالات محاسباتی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده
سعید مقدم
استادیار، گروه فناوری صنایع غذایی، دانشکده فناوری کشاورزی، دانشکدگان کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه تهران، پاکدشت، ایران
10.22093/wwj.2025.517963.3484
چکیده
کیفیت آب آشامیدنی و ایمنی آن از عوامل حیاتی سلامت عمومی محسوب می‌شوند و مصرف آب آلوده یکی از عوامل اصلی انتقال بیماری‌های میکروبی است. روش‌های مؤثر و قابل‌اعتماد ضدعفونی آب در محل مصرف، به‌ویژه در مقیاس خانگی، نقش مهمی در کاهش بیماری‌ها دارند. این پژوهش باهدف طراحی و مقایسه عملکرد چهار مدل مختلف راکتور UVC-LED برای ضدعفونی آب در محل مصرف انجام شد. در راستای این هدف، از روش دینامیک سیالات محاسباتی برای شبیه‌سازی جامع میدان جریان، انتقال جرم و میدان تابش درون راکتورها بهره گرفته شد تا توزیع تابش و نحوه‌ برخورد آن با جریان عبوری از راکتور به‌دقت بررسی شود. در طراحی هندسی راکتورها، تأثیر جنس دیواره داخلی با در نظر گرفتن دو ماده‌ مختلف شامل تفلون با خاصیت بازتاب پخش‌شده و آلومینیوم با خاصیت بازتاب آینه‌ای، به‌منظور ارزیابی اثر انعکاس نور بر کارایی فرایند ضدعفونی بررسی شد. نتایج حاصل از شبیه‌سازی‌ها نشان داد که بیشترین کاهش لگاریتمی جمعیت باکتری اشرشیاکلی و بالاترین میزان کارایی فرایند، مربوط به راکتور نوع 4 با دیواره آلومینیومی است (مقدار کاهش لگاریتمی log=1.64 و کارایی حذف میکروبی برابر با 6/30 درصد). بررسی‌ها حاکی از آن است که جنس دیواره و هندسه راکتور دو عامل کلیدی در توزیع یکنواخت تابش در سراسر حجم جریان و درنتیجه افزایش اثربخشی ضدعفونی هستند. یافته‌های این پژوهش می‌توانند به‌عنوان راهنمایی علمی و عملی برای طراحی بهینه راکتورهای ضدعفونی مبتنی بر UVC-LED در مقیاس خانگی و محل مصرف استفاده شوند.
کلیدواژه‌ها
راکتور
LED فرابنفش
ضدعفونی آب
دینامیک سیالات محاسباتی
محل مصرف

موضوعات

عنوان مقاله English

Numerical Simulation and Comparison of Four Different UVC-LED Reactor Models for Point-of-Use Water Disinfection Using Computational Fluid Dynamics

نویسنده English

Saied Moghaddam
Assist. Prof., Dept. of Food Technology, Faculty of Agricultural Technology, College of Agriculture and Natural Resources, University of Tehran, Pakdasht, Iran
چکیده English

Drinking water quality and safety are vital factors for public health, and the consumption of contaminated water is one of the main causes of microbial disease transmission. Effective and reliable water disinfection methods at the point of use, especially at the household scale, play an important role in reducing such diseases. This study was conducted with the aim of designing and comparing the performance of four different UVC-LED reactor models for point-of-use water disinfection. To achieve this, Computational Fluid Dynamics was employed to simulate the flow field, mass transfer, and radiation field within the reactors, enabling a detailed assessment of UV distribution and its interaction with the flowing water. In the reactor designs, the influence of internal wall material-specifically polytetrafluoroethylene with diffuse reflectivity and aluminum with specular reflectivity-was investigated to evaluate how surface reflectivity impacts disinfection performance. The results demonstrated that the highest log reduction of Escherichia Coli and the most efficient microbial removal occurred in Reactor Type 4 with an aluminum inner surface, achieving a log reduction of 1.64 and a disinfection efficiency of 30.6%. The findings highlighted that both the reactor geometry and wall material play critical roles in ensuring uniform radiation distribution and enhancing overall disinfection effectiveness. This study offers valuable insights and practical guidance for the optimal design of UVC-LED reactors intended for household and point-of-use applications.

کلیدواژه‌ها English

Reactor
UVC LED
Water Disinfection
Computational Fluid Dynamics
Point of Use
Bird, R. B., Stewart, W. E. and Lightfoot, E. N., 2006. Transport Phenomena. Wiley.
FLUENT Manual, 2008. ANSYS Inc., Canonsburg, PA, USA.
Hessling, M., Gross, A., Hoenes, K., Rath, M., Stangl, F., Tritschler, H. and Sift, M., 2016. Efficient disinfection of tap and surface water with single high power 285 nm LED and square quartz tube. Photonics, 3(1), 7. https://doi.org/10.3390/photonics3010007.
Keshavarzfathy, M. and Taghipour, F., 2019. Computational modeling of ultraviolet light-emitting diode (UV-LED) reactor for water treatment. Water Research, 166, 115022. https://doi.org/10.1016/j.watres.2019.115022.
Keshavarzfathy, M., Hosoi, Y., Oguma, K. and Taghipour, F., 2021. Experimental and computational evaluation of a flow-through UV-LED reactor for MS2 and adenovirus inactivation. Chemical Engineering Journal, 407, 127058. https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.127058.
Kheyrandish, A., 2018. Study of the inactivation of microorganisms using UV-LED. Master’s Thesis, The University of British Columbia, Canada.
Kooshan, A. S., Jalali, A. and Chini, S. F., 2022. Performance evaluation of point-of-use UVC-LED water disinfection photoreactors using CFD and response surface methodology. Journal of Water Process Engineering, 46, 102545. https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2021.102545.
Launder, B. E. and Spalding, D. B., 1972. Lectures in Mathematical Models of Turbulence. Academic Press, London.
Matsumoto, T., Tatsuno, I. and Hasegawa, T., 2019. Instantaneous water purification by deep ultraviolet light in water waveguide: Escherichia Coli bacteria disinfection. Water, 11(5), 968. https://doi.org/10.3390/w11050968.
Modest, M., 2003. Radiative Heat Transfer. Academic Press, London. (Second Edition).
Moreno, J., Casado, C. and Marugán, J., 2019. Improved discrete ordinate method for accurate simulation radiation transport using solar and LED light sources. Chemical Engineering Science, https://doi.org/10.1016/j.ces.2019.04.034.
Nguyen, T. M. H., Suwan, P., Koottatep, T. and Beck, S. E., 2019. Application of a novel, continuous-feeding ultraviolet light emitting diode (UV-LED) system to disinfect domestic wastewater for discharge or agricultural reuse. Water Research, 153, 53-62. https://doi.org/10.1016/j.watres.2019.01.006.
Oguma, K., Kita, R. and Takizawa, S., 2016. Effects of arrangement of UV light-emitting diodes on the inactivation efficiency of microorganisms in water. Photochemistry and Photobiology, 92(1), 123-130. https://doi.org/10.1111/php.12571.
Shih, T. H., Liou, W. W., Shabbir, A., Yang, Z. and Zhu, J., 1995. A new k-epsilon eddy viscosity model for high Reynolds number turbulent flows. Computers and Fluids, 24(3), 227-238.
Wang, C. P. and Lin, W. C., 2021. Combination of ultraviolet-C light-emitting diodes and a spiral-channel configuration in a water disinfection reactor. Journal of Water Process Engineering, 42, 102160. https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2021.102160.
Wang, C. P., Wu, Y. L. and Yang, S. H., 2023. Effect of channel configuration on the water sterilization efficiency of a photoreactor with ultraviolet C light-emitting diodes. Process Safety and Environmental Protection, 179, 618-627. https://doi.org/10.1016/j.psep.2023.09.040.
White, F. M., 2011. Fluid Mechanics. McGraw Hill.
Wu, Z., Barua, H., Rylski, J. R., Taylor, J. B. and Kim, J., 2021. A multiple regression model framework for designing a UVC LED reactor for point-of-use water treatment. Environmental Science: Water Research and Technology, 7(8), 1516-1529. https://doi.org/10.1039/D1EW00215E.
مجله آب و فاضلاب
دوره 36، شماره 1 - شماره پیاپی 156
فروردین و اردیبهشت 1404
صفحه 74-96