Công nghệ khử trùng bằng tia cực tím

Những điều bạn chưa biết về công nghệ tiệt trùng bằng tia cực tím (UV)

Áp suất hơi thủy ngân thấp trong ống phóng điện tràn vào bên trong của tủ hút khí với bước sóng ngắn của tia cực tím khi không sử dụng, các chất ô nhiễm do vi trùng được khử trùng bằng cách chiếu tia UV lên bề mặt. Khử trùng bằng chiếu tia cực tím (Ultraviolet germicidal irradiation_UVGI) là một phương pháp khử trùng sử dụng ánh sáng tia cực tím (ultraviolet_UV) với bước sóng đủ ngắn để giết chết vi khuẩn. Nó được ứng dụng rộng rãi như tinh sạch thức ăn, không khí và nước. Hơn 100 năm nay, tia UV được biết như là một tác nhân gây đột biến mức độ tế bào. Năm 1903 giải thưởng Nobel lĩnh vực Y học được trao cho Niels Finsen về những ứng dụng trong việc sử dụng tia UV để chống lại bệnh lao. Ứng dụng chiếu tia UV để tinh sạch nước là một kỹ thuật được phát minh bởi AShok GAdgil.

UVGI sử dụng bức xạ bước sóng ngắn của tia UV để gây bất lợi cho vi khuẩn. Nó hiệu quả trong việc phá hủy các acid nucleic của vi khuẩn, làm cho DNA của chúng bị phá vỡ, làm mất khả năng sinh sản và giết chết chúng.

Việc áp dụng phương pháp UVGI để khử trùng được chấp nhận vào giữa thế kỷ 20. Nó được sử dụng đầu tiên trong hệ thống xử lý rác thải bệnh viện và là thiết bị xử lý vô trùng. Rất nhanh sau đó nó được ứng dụng trong khử trùng nước uống và nước thải, cũng như các thiết bị chứa đựng được làm kín và có thể được luân chuyển để đảm bảo dòng nước tiếp xúc nhiều nhất với tia UV. Trong những năm gần đây, UVGI ứng dụng trong việc cải thiện bầu khí quyển.Bước sóng của tia UV gây ra hiệu ứng này rất hiếm thấy trên trái đất cũng như trong bầu khí quyển. Sử dụng phương pháp khử trùng bằng tia UV trong môi trường nào đó như là: sự lưu thông không khí hoặc hệ thống dẫn nước để tiêu diệt vi sinh vật như: các mầm bệnh, virut và nấm mốc có trong môi trường. Kết hợp với phương pháp lọc, UVGI có thểtiêu diệt các vi sinh vật gây hại ra khỏi môi trường.

UVGI hoạt động như thế nào?

Tia UV là bức xạ điện tử với bước sóng ngắn hơn so với ánh sáng thường. Tia UV có thể được phân thành nhiều loại khác nhau, với tia UV bước sóng ngắn (short range UV – UVC) được xem là “chất khử trùng UV”.Ở một bước sóng nào đó tia UV có thể là tác nhân làm tăng đột biến ở vi khuẩn, virus và các vi sinh vật khác. Ở bước sóng 2,537 Angstroms(254 nm) tia UV sẽ phá vỡ các cấu trúc bên trong của phân tử DNA, tạo acide amine thymine nhị trùng hợp trong DNA và do đó tiêu diệt chúng, làm cho chúng vô hại hoặc ngăn cản sự phát triển và sinh sản của chúng. Tương tự như vậy, tác dụng của tia UV đối với người ở các bước sóng dài hơn (UVB), như là bỏng nắng hoặc ánh sáng mặt trời có cường độ mạnh (sun glare). Vi sinh vật ít được bảo vệ khỏi tia UV và không thể sống lâu hơn khi kéo dài thời gian tiếp xúc với tia UV.

Tác dụng Một hệ thống UVGI được thiết kế sao cho tiếp xúc trực tiếp với môi trường như: bể nước, phòng kín và hệ thống đẩy không khí để tia UV khử trùng. Sự phơi nhiễm là do các đèn khử trùng phát ra bức xạ điệntử tia UV khử trùng ở bước sóng nào đó, theo đó chiếu bức xạ vào môi trường. Luồng đẩy của không khí hoặc nước xuyên qua môi trường này đảm bảo tiếp xúc với tia UV.

UVGI là một phương pháp tiêu diệt vi sinh vật hiệu quả cao. Khi được tập trung trong một môi trường kín như bể chứa nước hoặc hệ thống ống dẫn, tia UV có thể làm bất hoạt hầu như tất cả vi sinh vật.

Hiệu quả tiệt trùng bởi tia UV trong môi trường phụ thuộc vào các nhân tố: độ dài thời gian vi sinh vật tiếp xúc với tia UV, sự thay đổi năng lượng của nguồn UV ảnh hưởng bởi bước sóng EM, sự hiện diện của các phân tử có thể bảo vệ vi khuẩn khỏi tia UV và khả năng của vi khuẩn có thể chống lại tia UV trong suốt quá trình phơi nhiễm.

Nhiều phương pháp phổ biến đã thành công trong việc để vi khuẩn tiếp xúc với tia UV bằng cách lưu thông lặp đi lặp lại nhiều lần một lượng không khí hoặc nước. Phương pháp này đảm bảo tia UV xuyên qua nhiều lần nhằm gây bất lợiđối với một số lượng lớn vi khuẩn và sẽ tiêu diệt các vi khuẩn có sức chịu đựng với tia UV.

Hiệu quả của hình thức tiệt trùng này cũng phụ thuộc vào đường truyền tiếp xúc của vi khuẩn với tia UV. Các môi trường được thiết kế làm cản trở đường truyền của tia UV, làm cho việc khử trùng không đạt hiệu quả. Như vậy trong môi trường cần khử trùng để đạt hiệu quả cao thì phụ thuộc vào vị trí đặt hệ thống UVGI để đường truyền tia UV đạt tối ưu nhất.

Sự tiệt trùng thường bị hiểu sai khi được thực hiện. Trong khi về mặt lí thuyết mà nói thì vi khuẩn vẫn có thể tồn tại trong môi trường đã được kiểm soát, rất khó để chứng minh và thuật ngữ “khử trùng – disinfection” được sử dụng bởi những công ty cung cấp dịch vụ này nhằm tránh sự hiểu sai. Các chuyên gia từ các công ty này thường quảng cáo là tiêu diệt hoàn toàn vi khuẩn, tức là hiệu quả diệt khuẩn đạt 99.9999%, thay vì phải nói là tiệt trùng. Điều này liên quan đến một hiện tượng được biết như là sự thay đổi giữa sáng và tối (sự tái hoạt hóa do ánh sáng và sự cắt bỏ (BER) theo thứ tự ) khi đó DNA của vi khuẩn sẽ bị làm đông đặc lại sau khi bị tổn hại bởi tia UV.


Đèn làm mát đặt dưới luồng khí cũng có thể làm giảm hiệu suất của đèn UV, vì vậy nên thận trọng đặt vị trí đèn tránh hướng vào luồng khí theo hướng phản xạ dạng parabol. Hoặc lắp đặt thêm đèn để cân bằng hiệu quả làm mátMột vấn đề khác nữa làm ảnh hưởng đến UVGI đó là bụi hoặc lớp bụi mỏng phủ trên bề mặt bóng đèn, điều này có thể làm giảm công suất của tia UV. Vì vậy những bóng đèn hàng năm cần được thay thế và phải có lịch trình lau chùi để đảm bảo hiệu lực của bóng đèn. Tuổi thọ của đèn tiệt trùng UV không cố định, phụ thuộc vào mục đích sử dụng. Ngoài ra chất liệu sản xuất bóng đèn cũng có thể ảnh hưởng đến tia tiệt trùng.

Sử dụng phương pháp phản xạ có thể làm tăng cường độ của tia UV. Trong số các kim loại thì nhôm là kim loại có hệ số phản xạ cao nhất và được khuyên nên dùng khi sử dụng đèn UV.


Mức độ bất hoạt bởi tia UV liên quan trực tiếp đến liều lượng chiếu tia UV trực tiếp vào nước. Liều lượng, đó là cường độ chiếu sáng và thời gian tiếp xúc với tia UV, được tính bằng microwatt/giây/ cm2 hoặc một cách rõ ràng hơn là microwatt giây/cm2(µW·s/cm2). Liều lượng để tiêu diệt 90% vi khuẩn và virut là khoảng từ 2.000 đến 8.000 µW·s/cm2. Đối với các loại kí sinh trùng có kích thước lớn hơn như Cryptosporidium thì cần một liều lượng thấp hơn để bất hoạt. Vì vậy, Cục bảo vệ môi trường Mỹ (US EPA) đã thừa nhận khử trùng bằng tia UVlà phương pháp được sử dụng trong các thiết bị khử trùng nước uống, đã bất hoạt được CryptosporidiumGiardia hoặc virus. Ví dụ, theo sách hướng dẫn về sử dụng tia UV của US EPA phát hành năm 2006, liều lượng nhỏ nhất cần thiết để giảm các tác nhân hay giảm dung khối Cryptosporidium theo mức độ log là 2,500 µW·s/cm2Làm bất hoạt các vi sinh vật

Một số ưu và nhược điểm của khử trùng tia cực tím

Ưu điểm

Thiết bị xử lí nước bằng tia UV có thể được sử dụng để khử trùng nước giếng và nước bề mặt. Về mặt giá cả thì phương pháp xử lí khử trùng nước bằng UVrẻ hơn so với các phướng pháp khác, vừa tiêu hao sức lực vừa cần phải được huấn luyện về kỹ thuật vận hành: các nguồn nước nào đó như nước giếng sâu cần lắp đặt bơm bằng tay, có lẽ đó là cách đơn giản nhất để vận hành, trang bị máy khoang giếng thì rất tốn kém và thường các nguồn nước này có độ cứng cao không thích hợp để sử dụng.

Khử trùng bằng chlorine để xử lý những sinh vật lớn hơn và cho hiệu quả khử trùng tối ưu nhất (residual disinfection), nhưng những phương pháp này rất tốn kém và đòi hỏi phải được huấn luyện về cách vận hành và phải cẩn thận khi sử dụng nguồn nhiên liệu nguy hiểm để vận hành máy. Cuối cùng, xử lý nước bằng cách đun sôi trên bếp lửa là phương pháp xử lý đáng tin cậy nhất nhưng đòi hỏi nhiều công sức và phải chịu chi phí cao. Xử lý bằng UV nhanh hơn và sử dụng năng lượng ban đầu, hiệu quả gấp khoảng 20.000 lần so với phương pháp đun sôi.Phương pháp khử trùng bằng UV đạt hiệu quả nhất trong việc xử lý độ trong của nước, điều mà trước đây chỉ có được bằng cách chưng cất nước. Các hạt lơ lửng là một vấn đề bởi vì các vi sinh vật được bao bọc bên trong các hạt này và được bảo vệ khỏi tia UV vì vậy không bị ảnh hưởng bởi tia UV. Cho nên, phương pháp chiếu UV kết hợp với lọc sơ bộ để loại bỏ những vi sinh vật lớn hơn – những vi sinh mà không bị tác động bởi tia UV. Việc lọc sơ bộ cũng có tác dụng làm trong nước, tia sáng truyền qua tốt hơn và do đó lượng tia UV xuyên qua được toàn bộ dòng nước. Một yếu tố quan trọng khác trong xử lý nước bằng UV đó là tốc độ dòng chảy: nếu tốc độ dòng chảy quá cao, nước chảy qua sẽ không đủ thời gian tiếp xúc với tia UV. Nếu tốc độ dòng chảy quá thấp, sức nóng có thể tích tụ và làm hư đèn UV.Hạn chế

Hiểm họa tiềm tàng

Ở bước sóng nào đó (bao gồm cả UVC) tia UV có thể gây hại cho người và các sinh vật khác. Trong hầu hết các thiết bị khử trùng bằng tia UV, đèn UV được che chắn hoặc là do môi làm hạn chế sự tiếp xúc với tia UV như là bồn chứa nước kín hoặc hệ thống lưu thông không khí khép kín, thường với các khóa tự động, có thể tự động tắt đèn khi hệ thống bị hở xảy ra do con người.

Đối với con người, làn da tiếp xúc trực tiếp với bước sóng khử trùng của tia UV có thể gây ra bỏng nắng và (trong một vài trường hợp) có thể bị ung thư da. Sự tiếp xúc của mắt với bức xạ tia UV có thể gây bỏng và tổn thương giác mạc nghiêm trọng và làm giảm thị lực tạm thời hoặc vĩnh viễn và kể cả bị mù trong một vài trường hợp. Tia UV có thể gây hại đến võng mạc của mắt.

Một hiểm họa tiềm tàng khác là lượng UV trên tầng ôzôn. Tia UV ở bước sóng ngắn (UVC) từ ánh sáng mặt trời tạo ra phần nào tầng ôzôn của trái đất trong tầng bình lưu, nhưng khí ôzôn trong tầng đối lưu có thể gây hại đến sức khỏe con người. Cục bảo vệ môi trường Mỹ (US EPA) đã chỉ ra khí ôzôn ở một lượng khoảng 0.05 phần triệu (parts per million – ppm) được xem là ngưỡng an toàn. Đèn chiếu sáng được thiết kế phát ra tia UVC với tần số cao hơn để bất kỳ tia UV nào dưới 254 nm sẽ không bị phát ra, do đó không tạo ra khí ôzôn. Một cái đèn quang phổ sẽ phát ra sóng UV và sẽ tao ra nhiều khí ôzôn như là UVC, UVB và UVA. (Khí ôzôn được tạo ra khi UVC gặp phân tử oxygen (O2), và chỉ được tạo ra khi có mặt oxygen)

Bức xạ UV-C có thể phá vỡ các liên kết hóa học. Điều này làm cho chất liệu dẻo nhanh bị lão hóa (loại vật liệu dùng để cách điện, miềng hoặc vòng đệm cách điện) và một số chất liệu khác. Lưu ý rằng chất dẻo được sử dụng để chống lại tia UV (“UV-resistant”) và được thử nghiệm với tia UV-B, còn tia UV-C thường không có trên bề mặt trái đất. Khi UV được sử dụng gần nhựa, cao su hoặc chất cách nhiệt nào đó nên cẩn thận bảo vệ ít nhất là các thiết bị điện; dây kim loại hoặc lá nhôm là được.


Phương pháp khử trùng nước uống bằng tia UV đã được sử dụng ở Mỹ từ trước năm 1916. Trong những năm đó, các nhà nghiên cứu triển khai sử dụng phương pháp UV mới để khử trùng nước và nước thải nhưng chi phí sử dụng phương pháp này không được chấp nhận. Hiện nay, một vài Bang đã mở rộng phương pháp này để khử trùng nước uốngbằng tia UV.

Lịch sử phát triển

Phương pháp khử trùng bằng UV được sử dụng rộng rãi nhất tại thành phố New York Catskill/Delaware Facility, hiện đang được xây dựng. Tổng cộng có 56 hệ thống UV tiết kiệm năng lượng sẽ được cài đặt để xử lý 2.2 tỉ US gallons (8,300,000 m3) mỗi ngày để cung cấp nước cho toàn thành phố

Ứng dụng của khử trùng UVGI

Khử trùng không khí

UVGI có thể được sử dụng để khử trùng không khí với thời gian tiếp xúc kéo dài. Khả năng khử trùng của tia UV liên quan đến cường độ và thời gian tiếp xúc. Do vậy, sẽ không đạt hiệu quảđối với không khí động, khi đèn được đặt vuông gốc với luồng khí cũng như thời gian tiếp xúc bị giảm đột ngột. Phương pháp làm sạch không khí bằng UVGI có thể cho phép sử dụng một đèn UV sử dụng quạt đẩy không khí so với các loại đèn UV trước đây.

Những phương pháp khác được lắp đặt trong hệ thống đẩy khí nhằm lưu thông không khí trong phòng di chuyển vi khuẩn đi qua đèn UV. Điều quan trọng đối với phương pháp khử trùng này đó là bố trí đèn UV và hệ thống lọc khí tốt để loại bỏ những vi khuẩn đã chết. Ví dụ, hệ thống đẩy khí có thể ngăn cản đường truyền của tia UV, vì vậy sẽ tạo nên những chỗ trong môi trường không khí bị che lấp khỏi tia UV. Tuy nhiên, một đèn UV đặt ở nơi có vòng xoắn cuộn của hệ thống làm mát sẽ khiến cho các vi sinh vật không thể hình thành ở những nơi ẩm thấp trong tự nhiên.


Khử trùng nước bằng tia UV hoàn toàn bằng phương pháp vật lý, không sử dụng phương pháp hóa học. Đặc biệt bức xạ UV-C, bước sóng từ 240 nm đến 280 nm, gây hại trực tiếp đến cấu trúc DNA của vi khuẩn. Bức xạkhởi sự phản ứng quang hóa sẽ phá hủy thông tin di truyền của DNA. Vi khuẩn mất khả năng sinh sản và bị tiêu diệt. Thậm chí các loại ký sinh trùng hay vi sinh vật như: Cryptosporidia hoặc Giardia cũng giảm đáng kể, mà đối với phương pháp khử trùng bằng hóa học thì có khả năng chịu đựng rất tốt. UV cũng có thể được sử dụng để loại bỏ khí clo và các hợp chất của chloramine ra khỏi nước; quá trình này được gọi là sự quang phân và đòi hỏi một lượng UV cao hơn sự khử trùng thông thường. Những vi sinh vật bị tiêu diệt không được loại bỏ khỏi nước. Khử trùng bằng UV không loại bỏ được các chất hữu cơ đã phân hủy, các hợp chất vô cơ hoặc các hạt lơ lửng trong nước. Tuy nhiên, quá trình oxi-hóa kết hợp phương pháp tiệt trùng UVcó thể được sử dụng để tiêu diệt đồng thời một lượng nhỏ chất hóa học gây ô nhiễm và cải thiện việc khử trùng ở mức độ cao hơn.Khử trùng nước

Nước được xử lý khử trùng bằng UV không mùi hôi, hóa chất hoặc các chất căn bã. Khử trùng bằng phương pháp UV nhanh và sạch.

Bể nước và ao, hồ

Thiết bị khử trùng UV thường được sử dụng trong các bể nước và hồ nước kiểm soát những vi sinh vật không mong muốn trong nước. Tiêu diệt các tảo đơn bào và do đó làm cho nước trong hơn. Bức xạ UV cũng đảm bảo rằng các mầm bệnh bị chiếu tia UV không thể sinh sản được do đó giảm khả năng bùng phát bệnh trong bể nước.

Thiết bị khử trùng nước bể, hồ là một thiết bị nhỏ chuyên dụng với ống dẫn nước được thiết kế cho phép nước chảy qua thiết bị khử trùng trên đường đi của nó hoặc từ máy lọc được đặt tách riêng bên ngoài. Bên trong thiết bị khử trùng, nước chảy gần với nguồn tia UV, thường chảy qua hệ thống van đổi hướng nhằm kéo dài thời gian nước tiếp xúc với bức xạ UV.


UVGI thường được sử dụng để khử trùng các thiết bị như: quần áo, bát đĩa, ủng, giày dép,… với các loại tủ tiệt trùng như tủ tiệt trùng và sấy khô bát đĩa, tủ tiệt trùng và sấy khô quần áo, tủ tiệt trùng và sấy khô tạp dề, tủ tiệt trùng và sấy khô gang tay, tủ tiệt trùng và sấy khô ủng, tủ tiệt trùng và sấy khô giày dép,…Nhân viên phòng thí nghiệm cũng sử dụng cách này để khử trùngcác dụng cụ thủy tinh và dụng cụ bằng nhựa. Các Labo vi sinh sử dụng UVGI để khử trùng bề mặt bên trong tủ an toàn sinh học (“hoods”).Vệ sinh trong phòng thí nghiệm

Bảo quản thức ăn và đồ uống

Từ năm 2001 FDA đưa ra luật yêu cầu gần như tất cả sản phẩm trái cây và rau phải được kiểm soát theo HACCP (Hazard Analysis and Critical Control Point trong tiếng Anh và có nghĩa là “hệ thống phân tích mối nguy và kiểm soát điểm tới hạn) và cho kết quả giảm sinh khối của vi sinh vật tốc độ giảm log là 5, UVGI được sử dụng trong khử trùng nước ép hoa quả như rượu táo đóng hộp.

Liều lượng sử dụng tia UV

Phương pháp xác định mức độ hiệu lực của tia UV để tính toán liều lượng sử dụng tia UV. Cục bảo vệ môi trường Mỹ đã đưa ra hướng dẫn về liều lượng sử dụng tia UV.

Liều lượng bao gồm các thông số sau:

  • Tốc độ dòng chảy (thời gian tiếp xúc với bức xạ)
  • Hệ số truyền (tia bức xạ truyền tới mục tiêu)
  • Độ đục (“cloudiness”)
  • Tuổi thọ của đèn UV (sự giảm cường độ bức xạ UV)
  • Lớp bụi bám trên đèn
  •  % hoạt động của đèn (bức xạ của đèn giảm ở mỗi dãy đèn)

Công cụ xóa EPROM

Đèn UVGI được sử dụng để xóa thông tin được lưu trữ trong EPROMS (Erasable Programmable Read o­nly Memory) trong vòng một phút. Đèn UV-B hoặc UV-A bước sóng dài hơn cũng có thể được sử dụng nhưng thời gian xóa lớn hơn nhiều.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Để lại phản hồi

avatar