مجله آب و فاضلاب

مجله آب و فاضلاب

بررسی تجربی و عددی یک راکتور فرابنفش نوینبا لامپ‌های جیوه‌ای خارجی به‌منظور گندزدایی آب

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشجوی کارشناسی ارشد ، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تهران، تهران، ایران
2 دانشجوی دکترای ، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تهران، تهران، ایران
3 دانشیار، گروه تبدیل انرژی، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تهران، تهران، ایران
10.22093/wwj.2026.592599.3567
چکیده
گندزدایی فرابنفش به‌عنوان یک روش فیزیکی ایمن و بدون تولید پسماند شیمیایی، جایگزین مطلوبی برای روش‌های سنتی گندزدایی آب محسوب می‌شود. بااین‌وجود، راکتورهای متداول غوطه‌ور با چالش‌های عملیاتی جدی نظیر افت فشار در مسیر سیال مواجه‌اند. این پژوهش برای نخستین بار به ساخت فیزیکی و اعتبارسنجی جامع یک راکتور نوری فرابنفش نوین با معماری کاملاً مجزا پرداخت. در این پیکربندی، یک کانال آب کوارتز در مرکز قرار گرفته و دو منبع تابش جیوه‌ای در محیط هوا و خارج از بستر سیال مستقر شده‌اند که تمامی این مجموعه توسط یک بازتابنده استوانه‌ای هم‌مرکز احاطه می‌شود. این معماری، تابش همه‌جهته لامپ‌های جیوه‌ای را به‌صورت بهینه به دامنه سیال بازتاب می‌دهد. به‌منظور درک عمیق‌تر پدیده‌های انتقال، شبیه‌سازی دینامیک سیالات محاسباتی با ادغام هم‌زمان هیدرودینامیک جریان، مدل تابش احجام مجزا و سینتیک غیرفعال‌سازی مرتبه اول انجام شد. برای اعتبارسنجی مدل توسعه‌یافته، یک مدار آزمایشگاهی ساخته شد و تحت آزمون‌های دوز سنجی زیستی با استفاده از باکتری اشرشیاکلی (سویه ATCC 8739) قرار گرفت. اجرای یک مکانیسم مدیریت حرارتی مبتنی بر جابه‌جایی اجباری، دمای سطح لامپ‌ها را در محدوده بهینه ۳۶٫۳ درجه سلسیوس تثبیت کرد که پایداری توان تشعشعی سیستم را تضمین کرد. ارزیابی‌های میکروبی نشان داد که در بالاترین دبی عملیاتی (۲۷٫۵ لیتر بر دقیقه)، مقدار لگاریتم کاهش تجربی برابر با ۳٫۴۸ است که انطباق بسیار عالی با مقدار محاسباتی ۳٫۲۹ دارد. همچنین در دبی‌های پایین‌تر (۲۱٫۷ و ۱۷٫۶ لیتر بر دقیقه)، غیرفعال‌سازی مطلق پاتوژن‌ها و فراتر از حد تشخیص آزمایشگاهی محقق شد، درحالی‌که مدل عددی مقدار لگاریتم کاهش را به ترتیب ۴٫۱۰ و ۴٫۹۳ پیش‌بینی کرد. این نتایج اثبات می‌کند که هم‌افزایی پرتوهای تابش مستقیم و بازتاب‌یافته، یکنواختی دوز تابشی را به‌شدت بهبود می‌بخشد. تطابق موفقیت‌آمیز داده‌های تجربی و عددی تأیید می‌کند که این معماری نوین می‌تواند با ارائه مزایای ذاتی همچون ارتقای بهره‌وری فوتونی و حذف تجهیزات نوری از مسیر جریان، چشم‌انداز روشنی برای توسعه سامانه‌های کارآمدتر با پتانسیل کاهش مصرف انرژی و تسهیل فرایندهای نگهداری ارائه کند.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Experimental and Numerical Investigation of a Novel Ultraviolet Water Disinfection Reactor withExternal Lamps

نویسندگان English

Seyed Mahdi Safavi 1
Amirhossein Hassanpour 2
Alireza Jalali 3
1 MSc. Student, School of Mechanical Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran
2 PhD. Student, School of Mechanical Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran
3 Assoc. Prof., School of Mechanical Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran
چکیده English

Ultraviolet disinfection serves as a safe physical method that generates no chemical by-products, making it a highly desirable alternative to traditional water treatment processes. However, conventional submerged reactors encounter severe operational challenges such as significant pressure drops along the fluid path. This study presents the first physical fabrication and comprehensive validation of a novel UV photoreactor featuring a fully segregated architecture. In this configuration, a central quartz water channel is accompanied by two mercury radiation sources situated in the surrounding air and outside the fluid domain. A concentric cylindrical reflector encloses this entire assembly. This specific design optimally reflects the omnidirectional radiation emitted by the mercury lamps back into the fluid domain. To develop a deeper understanding of the transport phenomena, computational fluid dynamics simulations were conducted. These simulations simultaneously integrated flow hydrodynamics, the discrete ordinates radiation model, and first-order inactivation kinetics. To validate the developed model, an experimental setup was constructed and subjected to biodosimetry testing utilizing Escherichia coli (strain ATCC 8739). The implementation of a thermal management mechanism based on forced convection stabilized the lamp surface temperature at an optimal 36.3 degrees Celsius. This stabilization ensured the consistency of the radiant power output. Microbial evaluations revealed that at the maximum operational flow rate of 27.5 liters per minute, the experimental log reduction value was 3.48. This value demonstrates excellent agreement with the calculated numerical value of 3.29. At lower flow rates of 21.7 and 17.6 LPM, complete pathogen inactivation was achieved, exceeding the laboratory detection limit. The numerical model predicted LRVs of 4.10 and 4.93 for these flow rates, respectively. These findings demonstrate that the synergy between direct and reflected radiation significantly enhances the uniformity of the radiation dose. The successful alignment of experimental and numerical data confirms that this segregated reactor design offers a new paradigm for developing efficient and economical water treatment systems with minimal maintenance requirements.

کلیدواژه‌ها English

Ultraviolet Water Disinfection
Computational Fluid Dynamics
Decoupled Photoreactor
Biodosimetry
Cylindrical Reflector
Adeoba, M. I., Odjegba, E. E. and Pandelani, T., 2024. Nature-Based Solutions: Opportunities and Challenges for Water Treatment, In Ayeleru, O. O., Idris, A. O., Olubambi, P. A., Eds. Smart Nanomaterials for Environmental Applications. Chapter 23. Elsevier, pp. 575-596. https://doi.org/10.1016/B978-0-443-21794-4.00011-9.
Albolafio, S., Marin, A., Allende, A., Garcia, F., Simon-Andreu, P. J., Soler, M. A. et al., 2022. Strategies for mitigating chlorinated disinfection byproducts in wastewater treatment plants. Chemosphere, 288, 132583. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2021.132583.
Andersson, B., Andersson, R., Håkansson, L., Mortensen, M., Sudiyo, R. and Wachem, B. V., 2012. Turbulent Mixing and Chemical Reactions, In Andersson, B., Andersson, R., Håkansson, L., Mortensen, M., Sudiyo, R., Wachem, B. V., Eds. Computational Fluid Dynamics for Engineers. Chapter 5. Cambridge University Press, Wiley. pp. 113-142. https://doi.org/10.1017/cbo9781139093590.006.
Celik, I. B., Ghia, U., Roache, P. J., Freitas, C. J., Coleman, H. and Raad, P. E., 2008. Procedure for estimation and reporting of uncertainty due to discretization in CFD applications. Journal of Fluids Engineering, Transactions of The ASME, 130(7), 0780011-0780014. https://doi.org/10.1115/1.2960953.
Green, A., Popović, V., Pierscianowski, J., Biancaniello, M., Warriner, K. and Koutchma, T., 2018. Inactivation of Escherichia Coli, Listeria and Salmonella by single and multiple wavelength ultraviolet-light emitting diodes. Innovative Food Science and Emerging Technologies, 47, 353-361. https://doi.org/10.1016/j.ifset.2018.03.019.
Hassanpour, A., Jalali, A., Raisee, M. and Naghavi, M. R., 2023. Development and modeling of a novel type of photoreactors with exterior ultraviolet (UV) reflector for water treatment applications. Scientific Reports, 13(1), 7696. https://doi.org/10.1038/s41598-023-34799-0.
Heidarinejad, G., Bozorgmehr, N. and Safarzadeh, M., 2020. Effect of highly reflective material on the performance of water ultraviolet disinfection reactor. Journal of Water Process Engineering, 36, 101375. https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2020.101375.
Kang, S., Bae, J., Park, S., Kim, K., Lee, J., Yoon, C. et al., 2024. Design optimization of a cylindrical UV-C LED reactor for effective water disinfection with numerical simulations and test reactor fabrication. Journal of Environmental Chemical Engineering, 12(2), 112366. https://doi.org/10.1016/j.jece.2024.112366.
Li, W., Li, M., Bolton, J. R., Qu, J. and Qiang, Z., 2017. Impact of inner-wall reflection on UV reactor performance as evaluated by using computational fluid dynamics: the role of diffuse reflection. Water Research, 109, 382-388. https://doi.org/10.1016/j.watres.2016.11.068.
Moghaddam, S., 2025. Numerical simulation and comparison of four different UVC-LED reactor models for point-of-use water disinfection using computational fluid dynamics. Journal of Water and Wastewater, 36(1), 74-96. (In Persian). https://doi.org/10.22093/wwj.2025.517963.3484.
Moghaddam, S., Asadi, M. and Khalili, K., 2024. Investigating the effect of UVC-LED reactor configurations on liquid foods disinfection using computational fluid dynamics. Journal of Environmental Chemical Engineering, 12(2), 112138. https://doi.org/10.1016/j.jece.2024.112138.
Rezaei, B., Rahmani, F. and Khamforoush, M., 2025. Toward efficient solar-driven photocatalytic treatment of water contaminated with various antibiotics using a porous BiOBr (2D)/UiO-66 (0D) heterojunction nanostructure. Journal of Water and Wastewater, 36(2), 23-42. (In Persian).  https://doi.org/10.22093/wwj.2025.535808.3502.
Rezaei, M., 2026. Water culture. Journal of Water and Wastewater, 36(5), 106-125.  (In Persian). https://doi.org/10.22093/wwj.2026.584459.3556.
Peleato, N. M., 2022. Application of convolutional neural networks for prediction of disinfection by-products. Scientific Reports, 12(1), 612. https://doi.org/10.1038/s41598-021-03881-w.
Pourtalebi, B., Alizadeh, R. and Abdoli, S. M., 2025. Recent advances in industrial photoreactors: a review from design to large-scale applications. Journal of Water Process Engineering, 77, 108619. https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2025.108619.
Sanz, E. N., Dávila, I. S., Balao, J. A. and Alonso, J. Q., 2007. Modelling of reactivation after UV disinfection: effect of UV-C dose on subsequent photoreactivation and dark repair. Water Research, 41(14), 3141-3151. https://doi.org/10.1016/j.watres.2007.04.008.
Seyedin, M., Hassanpour, A., Jalali, A. and Raisee, M., 2024. Robust optimization of a novel ultraviolet (UV) photoreactor for water disinfection: a neural network approach. Chemosphere, 362, 142788. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2024.142788.
Sobhani, H. and Shokouhmand, H., 2017. Effects of number of low-pressure ultraviolet lamps on disinfection performance of a water reactor. Journal of Water Process Engineering, 20, 97-105. https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2017.08.021.
Song, J. J. X. and Oguma, K., 2024. UV-LED-incorporated showerhead for point-of-use disinfection of drinking water. Journal of Environmental Chemical Engineering, 12(6), 114573. https://doi.org/10.1016/j.jece.2024.1 14573.
Song, K., Mohseni, M. and Taghipour, F., 2016. Application of ultraviolet light-emitting diodes (UV-LEDs) for water disinfection: a review. Water Research, 94, 341-349. https://doi.org/10.1016/j.watres.2016.03.003.
Sozzi, D. A. and Taghipour, F., 2006. UV reactor performance modeling by Eulerian and Lagrangian methods. Environmental Science and Technology, 40(5), 1609-1615. https://doi.org/10.1021/es051006x.
Tsitsifli, S. and Kanakoudis, V., 2018. Disinfection impacts to drinking water safety-a review. Proceedings, 2(11), 603. https://doi.org/10.3390/proceedings2110603.
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.
Wols, B. A., Harmsen, D. J. H., Van Remmen, T., Beerendonk, E. F. and Hofman-Caris, C. H. M., 2015. Design aspects of UV/H2O2 reactors. Chemical Engineering Science, 137, 712-721. https://doi.org/10.1016/j.ces.2015.06.061.